การทำงานของแหวนซีลกราไฟต์: อธิบายฟิล์มของเหลวบนผิวหน้า แรงดันสปริง และการหล่อลื่นตัวเอง

1. ปัญหาพื้นฐานของการซีล

ความท้าทายหลักของซีลกล: เพลากลของปั๊มหมุนผ่านตัวเรือนปั๊มที่อยู่นิ่ง ดังนั้นจะป้องกันไม่ให้เพลารั่วไหลของสื่อในขณะที่หมุนด้วยความเร็วสูงได้อย่างไร? ซีลแบบแพ็คกิ้งแบบดั้งเดิมอาศัยการบีบอัดแพ็คกิ้งนุ่มกับผิวเพลา ทำให้เกิดการสึกหรออย่างรวดเร็ว รั่วไหลสูง และต้องบำรุงรักษาบ่อยครั้ง

ซีลกล (ซีลผิวหน้า) ใช้วิธีการที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง: ผิวหน้าที่เรียบมากสองผิว (แหวนหมุนที่ติดกับเพลาและแหวนคงที่) ถูกกดเข้าหากัน โดยมีช่องว่างขนาดเล็กมากระหว่างกันจนสื่อไม่สามารถผ่านได้ แหวนซีลกราไฟต์คือซีลกลที่ใช้คาร์บอนกราไฟต์เป็นหนึ่งในผิวหน้า (โดยทั่วไปคือผิวนุ่ม)

2. กลไกฟิล์มของเหลวบนผิวหน้า

หลายคนเข้าใจผิดคิดว่าผิวหน้าแหวนซีลสัมผัสกันแบบแข็งกับแข็ง ในความเป็นจริงมีฟิล์มของเหลวขนาดเล็ก 0.5-3μm อยู่ระหว่างผิวทั้งสอง ซึ่งทำหน้าที่ทั้งการซีลและการหล่อลื่นพร้อมกัน:

2.1 การก่อตัวของฟิล์ม

ผิวหน้าแหวนซีลผ่านการขัดละเอียดด้วยความหยาบผิว Ra ปกติ 0.05-0.2μm แม้จะเรียบขนาดนี้ยังมีจุดสูงและต่ำขนาดจุลภาค เมื่อผิวหน้าถูกกดด้วยแรงสปริง สื่อน้ำที่ติดอยู่ในจุดต่ำเหล่านี้จะก่อตัวเป็นฟิล์มของเหลว ความหนาของฟิล์มขึ้นอยู่กับแรงกดผิว ความหนืดของสื่อ และความเร็วสัมพัทธ์

2.2 การซีลของฟิล์ม

ฟิล์มนี้บางมาก (ไมโครเมตร) ทำให้เกิดความต้านทานการไหลสูงมาก สื่อต้องเอาชนะแรงเฉือนสูงเพื่อผ่านฟิล์ม ส่งผลให้การรั่วไหลจริงต่ำมาก (โดยทั่วไป <1 มิลลิลิตร/ชั่วโมง) จึงถือเป็นการซีลแบบ "กึ่งซีล"

2.3 การหล่อลื่นของฟิล์ม

ฟิล์มนี้แยกผิวหน้าทั้งสองออกจากกัน ป้องกันการสัมผัสโดยตรงระหว่างโลหะ/กราไฟต์กับวัสดุแข็ง ลดแรงเสียดทานและการสึกหรออย่างมาก เมื่อฟิล์มถูกทำลาย (เช่น โดยอุณหภูมิผิวหน้าสูงเกินไปทำให้สื่อระเหย) ซีลจะเข้าสู่สภาวะแรงเสียดทานแห้ง และผิวคาร์บอนกราไฟต์จะสึกหรอและร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว จนในที่สุดเกิดความล้มเหลว

3. แรงดันสปริงและแรงดันของตัวกลาง

แรงดันสัมผัสระหว่างผิวหน้ามีต้นกำเนิดจากสองแหล่ง:

3.1 แรงสปริง (แรงกล)

ชุดซีลประกอบด้วยสปริง (แบบเกลียว, สปริงคลื่น หรือเบลโลว์) ที่ให้แรงดันผิวหน้าอย่างต่อเนื่องในช่วง 0.2-0.6 MPa แรงนี้ช่วยให้:

• ผิวหน้าคงสัมผัสกันแม้ไม่มีแรงดันของตัวกลาง (ขณะหยุดนิ่ง)
• ชดเชยการสึกหรอของผิวหน้าเพื่อรักษาการสัมผัส
• เอาชนะพิกัดความเผื่อของการประกอบและแรงสั่นสะเทือน

3.2 แรงดันของตัวกลาง (แรงดันไฮดรอลิก)

ในระหว่างการทำงาน แรงดันของตัวกลางจะกระทำที่ด้านไม่ใช่ด้านซีลของแหวนหมุน/แหวนคงที่ กดผิวหน้าทั้งสองเข้าหากัน แรงดันนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของซีลและแรงดันของตัวกลาง:

• แบบไม่สมดุล: แรงดันตัวกลางทั้งหมดถูกถ่ายโอนไปยังผิวหน้า แรงดันผิวหน้าจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันตัวกลางอย่างเส้นตรง เหมาะสำหรับแรงดันต่ำ (<1.5 MPa)
• แบบสมดุล: การออกแบบเพลาขั้นบันไดทำให้พื้นที่ผิวหน้าที่ถูกกดดันมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ที่รับแรงดันตัวกลาง แรงดันผิวหน้าจะอยู่ที่ 50%-70% ของแรงดันตัวกลาง เหมาะสำหรับแรงดันสูง (>1.5 MPa)

3.3 ช่วงแรงดันผิวหน้าที่เหมาะสม

ถ้าแรงดันต่ำเกินไป → เกิดการรั่วไหล; ถ้าสูงเกินไป → เกิดแรงเสียดทานแห้ง, ความร้อน, การสึกหรอ แกนกลางของการออกแบบซีลคือการปรับสมดุลนี้ ช่วงปกติอยู่ที่ 0.2-0.6 MPa ขึ้นอยู่กับตัวกลาง ความเร็ว และการจับคู่วัสดุ

4. กลไกการหล่อลื่นตัวเองของกราไฟต์

ข้อได้เปรียบหลักของคาร์บอนกราไฟต์ในฐานะผิวหน้าอ่อนคือการหล่อลื่นตัวเอง ในโครงสร้างผลึกแบบชั้น ๆ ของมัน พันธะภายในชั้นเป็นพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง ขณะที่พันธะระหว่างชั้นเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อน เมื่อผิวหน้าทั้งสองเลื่อนผ่านกัน:

1.เกิดการเลื่อนเฉือนระหว่างชั้นในผลึกกราไฟต์ ซึ่งสร้างฟิล์มหล่อลื่นแข็งบนพื้นผิวเสียดทานอย่างมีประสิทธิภาพ

2.ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแห้งต่ำถึง 0.04-0.15 ต่ำกว่าการเสียดสีโลหะต่อโลหะอย่างมาก (0.3-0.6)

3.แม้ว่าฟิล์มจะล้มเหลวในบางจุด กราไฟต์ก็ยังหล่อลื่นตัวเอง ป้องกันการกัดกร่อนของผิวหน้า ช่วยเพิ่มความทนทานต่อความผิดพลาด

นี่คือเหตุผลที่ผิวหน้าอ่อนของซีลมักใช้คาร์บอนกราไฟต์แทนโลหะหรือเซรามิก — โลหะไม่มีการหล่อลื่นตัวเองและจะเกิดการกัดกร่อนเมื่อเสียดสีแห้ง; เซรามิกแข็งแต่เปราะและไม่สามารถใช้เป็นผิวหน้าสึกหรอแบบสละได้ คาร์บอนกราไฟต์รวมคุณสมบัติหล่อลื่นตัวเอง การนำความร้อน และเป็นผิวหน้าสึกหรอแบบสละที่อ่อนนุ่ม

5. ค่า PV และอายุการใช้งานของซีล

ความรุนแรงของการใช้งานซีลวัดโดยค่า PV (แรงดันผิวหน้า × ความเร็วเชิงเส้นของผิวหน้า) หน่วยเป็น MPa·m/s:

• คาร์บอนกราไฟต์กับซิลิกอนคาร์ไบด์: ค่า PV ที่อนุญาต 7-15 MPa·m/s
• คาร์บอนกราไฟต์กับฮาร์ดอัลลอย: ค่า PV ที่อนุญาต 5-10 MPa·m/s
• คาร์บอนกราไฟต์กับอะลูมินา: ค่า PV ที่อนุญาต 3-7 MPa·m/s

เมื่อค่า PV เกินขีดจำกัดที่วัสดุรับได้ อุณหภูมิผิวหน้าจะเพิ่มขึ้น → ฟิล์มระเหย → เกิดแรงเสียดทานแห้ง → การสึกหรอรุนแรงขึ้น → อุณหภูมิสูงขึ้นอีก สร้างวงจรอุบาทว์ นี่คือเหตุผลที่การเลือกซีลต้องตรวจสอบค่า PV

6. กลไกความล้มเหลวทั่วไปของซีล

การเข้าใจวิธีการทำงานของซีลกราไฟต์ช่วยอธิบายสาเหตุรากฐานของความล้มเหลว:

1.ฟิล์มระเหย: อุณหภูมิตัวกลางใกล้จุดเดือดหรือค่า PV เกินขีดจำกัดทำให้ฟิล์มไม่เสถียร

2.สปริงเสียหาย: การกัดกร่อน ความล้า หรือการติดขัดทำให้แรงดันผิวหน้าไม่เพียงพอ

3.ผิวหน้าสึกหรอ: ตัวกลางมีของแข็งปนหรือฟิล์มล้มเหลวทำให้ผิวหน้าสึกหรอและรั่วไหล

4.โอริงเสื่อมสภาพ: ซีลเสริมแข็งตัวและสูญเสียความสามารถในการชดเชย

5.แหวนกราไฟต์แตกหัก: ความเครียดจากการประกอบ ความร้อนช็อก หรือแรงดันผิวหน้าสูงเกินไปทำให้เกิดการแตกเปราะ

ด้วยความเข้าใจในกลไกเหล่านี้ วิศวกรสามารถยืดอายุการใช้งานของซีลได้โดยการเลือกใช้งานอย่างเหมาะสม การติดตั้งที่ถูกต้อง และการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน