معرفة

أولا: مخاطر التآكل على الأختام

يُشكل التآكل الكيميائي والكهروكيميائي تهديدًا خطيرًا لعمر خدمة الأختام الميكانيكية. أسباب التآكل مُعقدة ومتنوعة. في هذا البحث، نُحلل فقط أكثر أشكال التآكل شيوعًا في الأختام الميكانيكية وأهم العوامل المؤثرة.

 

1. التآكل العام والتآكل الموضعي

 

يحدث التآكل المنتظم عندما يتعرض سطح قطعة ملامسة لوسط ما للتآكل المنتظم. ومن خصائصه انخفاض وزن القطعة، وقد تتآكل تمامًا، فتفقد قوتها وصلابتها. على سبيل المثال، عند استخدام نوابض متعددة من الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti في حمض الكبريتيك المخفف، قد يحدث هذا.

 

يمكن تحديد التآكل الموضعي ببساطة من خلال وجود بقع أو ثقوب تآكل على القطعة. يتسبب التآكل الموضعي في أن تصبح الطبقة السطحية للقطعة ناعمة ومسامية، وعرضة للتقشر وفقدان مقاومة التآكل والمتانة. التآكل الموضعي هو شكل من أشكال التآكل حيث يتم إذابة طور معين في سبيكة متعددة الأطوار أو عنصر معين في محلول صلب أحادي الطور بشكل انتقائي بواسطة الوسط. على سبيل المثال، عند استخدام سبائك صلبة قائمة على الكوبالت في قلويات قوية عالية الحرارة، يتآكل معدن الكوبالت في الطور الرابط بسهولة، ويفقد هيكل كربيد التنغستن في الطور الصلب قوته، مما يؤدي إلى تقشر الحبيبات تحت تأثير القوة الميكانيكية. مثال آخر هو كربيد السيليكون المتفاعل، حيث يظهر على السطح نقر بسبب تآكل السيليكون الحر (درجة الحموضة > 10).

 

يؤثر التآكل بشكل كبير على أداء الأختام. ولأنها أصغر وأكثر دقة من أجزاء الآلة الرئيسية، فعادةً ما تُختار مواد أكثر مقاومة للتآكل من تلك الموجودة في الآلة الرئيسية. بالنسبة للأختام التي تتلامس مباشرةً مع الوسط، ورغم إمكانية الرجوع إلى بيانات أدلة التآكل ذات الصلة لاختيار المواد المناسبة، إلا أن هذه البيانات قد لا تتوافق مع ظروف الاستخدام في أنظمة الأختام الميكانيكية، لأنها في الغالب بيانات تآكل لوسيط واحد في ظروف ثابتة، بينما الوسط في تدفق العملية هو مزيج من وسائط متعددة. تُظهر التجربة أن الضغط ودرجة الحرارة وسرعة الانزلاق كلها عوامل تُسرّع التآكل. يزداد معدل تآكل الأختام بشكل كبير مع درجة الحرارة.

 

عند التعامل مع سوائل شديدة التآكل، يُنصح باستخدام أختام خارجية أو مزدوجة الأطراف لتقليل تأثير التآكل على الأختام، نظرًا لقلة الأجزاء الملامسة لسائل العملية. يُعد هذا أحد أهم مبادئ اختيار هياكل الأختام في ظل ظروف تآكلية شديدة.

 

2. التآكل الإجهادي

التآكل الإجهادي هو ظاهرة تآكل تحدث في المواد المعدنية تحت الضغط في بيئة تآكلية. سواء كان حملًا خارجيًا أو إجهادًا متبقيًا، سيزداد التآكل. تشمل المواد المعرضة للتآكل الإجهادي الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي وسبائك النحاس، إلخ. تبدأ عملية التآكل الإجهادي عمومًا بتكوين أخاديد تآكل انتقائية على سطح المعدن، يليها تآكل موضعي مستمر، وأخيرًا، تتطور الشقوق من أسفل الأخاديد تحت تأثير الإجهاد. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك غلاف محرك الختم الميكانيكي 104، المصنوع من 1Cr18Ni9Ti. عند استخدامه في مضخة الأمونيا، من المرجح أن تتطور شقوق تآكل الإجهاد في آذان محرك الغلاف، مما يتسبب في تلفها. ولمنع هذا التآكل الإجهادي، تم تغيير الآذان المقعرة إلى آذان محدبة صلبة.

 

3. تآكل

الحركة عالية السرعة بين الختم والسائل تسبب تفاوتًا مجهريًا على سطح التلامس. عندما يكون السائل وسطًا تآكليًا، فإنه سيسرع التفاعل الكيميائي على سطح تلامس الختم. يمكن أن يكون هذا التفاعل مفيدًا في بعض الأحيان وضارًا في بعض الأحيان. في حالة تلف طبقة الأكسيد المتكونة، سيحدث التآكل. يُطلق على الضرر المادي الناجم عن الفعل المتناوب للتآكل والتآكل اسم التآكل. بشكل عام، لا يعكس التآكل بسرعة التغيير في أداء الختم على المكونات غير الأساسية للأختام الميكانيكية مثل مقاعد الزنبرك وحلقات الدفع ومقاعد الحلقات، ولكنه أحد الأشكال الرئيسية لفشل زوج الاحتكاك. لذلك، في الوسائط المسببة للتآكل القوية، يجب استخدام مواد ذات مقاومة جيدة للتآكل في زوج الاحتكاك، مثل سيراميك الألومينا عالي النقاء بنسبة 99.5٪ أو كربيد السيليكون الملبد بالضغط الساخن بدون سيليكون حر.

 

4. تآكل الشقوق

عندما تكون هناك فجوة صغيرة جدًا بين معدن ومكون معدني أو غير معدني، ويكون الوسط في حالة ركود، فإن ذلك يُسرّع تآكل المعدن في الفجوة. يُسمى هذا النوع من التآكل تآكل الشقوق. على سبيل المثال، تُعد الأخاديد أو بقع التآكل التي تظهر بين مقعد زنبرك الختم الميكانيكي والعمود، وبين حلقة الختم المساعدة لحلقة التعويض والعمود (بالطبع، يوجد تآكل التآكل هنا أيضًا) أمثلة نموذجية. والسبب في ذلك هو أن الوسط في الفجوة يكون في حالة ركود، مما يُصعّب تجديد المواد المُشاركة في تفاعل التآكل في الفجوة، كما يُصعّب انتشار نواتج التآكل في الفجوة. ونتيجةً لذلك، يزداد اختلاف الوسط في الفجوة عن الوسط العام من حيث تركيز التركيب وقيمة الرقم الهيدروجيني مع تقدم التآكل، مما يؤدي إلى تسارع تآكل سطح المعدن في الفجوة. يُشكّل تآكل الشقوق تهديدًا كبيرًا لأداء الختم. ستمنع الأخاديد المتكونة عند حلقة الختم وعمود الزاوية حلقة التعويض من الحركة المحورية، مما يفقدها قدرتها على التتبع، مما يتسبب في انفصال سطح النهاية وتسرب السائل. بالنسبة لتآكل الشقوق، يمكن عادةً التخفيف منه باختيار المواد المناسبة والتصميم الهيكلي المعقول. على سبيل المثال، يجب اختيار مواد ذات مقاومة جيدة لتآكل الشقوق، ويجب تجنب تكوين الفجوات ومناطق السوائل الراكدة قدر الإمكان في التصميم الهيكلي؛ ويمكن اعتماد طريقة التنظيف الذاتي للتداول للحفاظ على تجديد وتدفق الوسيط في تجويف الختم باستمرار، مما يمنع حدوث تغييرات في تركيزه؛ بالنسبة للمضخات والآلات الخاملة طويلة الأمد، يجب تصريف السائل المتراكم في الوقت المناسب، إلخ. نظرًا لأنه من المستحيل إزالة الفجوات في الهيكل تمامًا، لذلك تُستخدم الأكمام الواقية بشكل عام، ويمكن رش مواد مقاومة للتآكل على جزء التركيب من حلقة الختم لمنع حدوثها.

 

5. التآكل الكهروكيميائي

 

في الواقع، ترتبط جميع أشكال التآكل المختلفة للأختام الميكانيكية بشكل أو بآخر بالتآكل الكهروكيميائي. بالنسبة لزوج الاحتكاك في الختم الميكانيكي، فإنه غالبًا ما يكون عرضة لخطر التآكل الكهروكيميائي لأنه عادةً ما يكون مصنوعًا من مواد مختلفة. عند وضعه في محلول إلكتروليتي، وبسبب اختلاف الجهد الكهربي المتأصل في المواد، يحدث تأثير الاقتران الكهروكيميائي عند تلامسها، أي يتم تعزيز تآكل مادة واحدة بينما يتم تثبيط تآكل المادة الأخرى. على سبيل المثال، عند اقتران النحاس مع فولاذ النيكل والكروم واستخدامهما في وسط مؤكسد، يخضع فولاذ النيكل والكروم للتحلل التأيني. الماء المالح، ومياه البحر، وحمض الهيدروكلوريك المخفف، وحمض الكبريتيك المخفف، وما إلى ذلك، هي محاليل إلكتروليتية نموذجية. مكونات الختم معرضة للتآكل الكهروكيميائي، لذلك من الأفضل اختيار مواد ذات جهد كهربي متشابه أو اقتران السيراميك مع بولي تترافلوروإيثيلين المملوء بألياف زجاجية.

 

ثانيًا: فشل حلقات الختم المطاطية

في الأختام الميكانيكية، تُستخدم عادةً حلقات O من المطاط الصناعي كحلقات مانعة للتسرب مساعدة. حوالي 30% من أعطال الأختام الميكانيكية ناتجة عن عطل في الحلقات O. أشكال الأعطال هي كما يلي.

1. الشيخوخة

عادةً ما تُعدّ درجات الحرارة المرتفعة والتآكل الكيميائي السببَين الرئيسيين لتصلب وتشقق منتجات المطاط. يتجلى شيخوخة المطاط في تصلبه، مع انخفاض قوته ومرونته. في الحالات الشديدة، قد يحدث تشقق، مما يؤدي إلى فقدان خصائص الختم. أثناء التخزين والتداول، قد يشيخ المطاط إذا تعرض لأشعة الشمس لفترات طويلة، أو تعرض للأوزون، أو تم تخزينه لفترة طويلة. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تحلل مكونات المطاط، وحتى الكربنة. في السوائل عالية الحرارة، يكون المطاط معرضًا لخطر المزيد من الفلكنة، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان مرونته وحدوث تسرب. لذلك، من الضروري فهم درجة حرارة التشغيل الآمنة لكل نوع من أنواع المطاط الصناعي.

 

2. التشوه الدائم

عادةً ما يكون التشوه الدائم لأجزاء مانع التسرب المطاطية أكثر حدة من تشوه المواد الأخرى. على سبيل المثال، قد تصبح حلقات المطاط O مربعة الشكل أثناء الاستخدام. عند تعرضها لدرجات حرارة عالية لفترات طويلة، تتخذ نفس شكل المقطع العرضي للأخدود. إذا ظلت درجة الحرارة ثابتة، فإنها لا تزال تؤدي وظيفة الختم؛ ومع ذلك، عند انخفاض درجة الحرارة، تنكمش حلقات المطاط بسرعة، مما يُسبب تسربًا. لذلك، من الضروري الانتباه إلى حدود درجة الحرارة لمختلف أنواع المطاط وتجنب استخدامها في درجات الحرارة القصوى لفترات طويلة. إذا تعذر تغيير ظروف عملية الختم، فيجب إجراء تحسينات هيكلية للحد من الآثار السلبية لدرجة الحرارة على المواد المطاطية. على سبيل المثال، يجب اختيار حلقات مطاطية O ذات مقطع عرضي أكبر قدر الإمكان، ويجب إبعادها عن السطح النهائي لزوج الاحتكاك، ويجب زيادة صلابتها بشكل مناسب، ويجب اعتماد هيكل تجميع من نوع الأخدود (بدلاً من هيكل ضغط حلقة الدفع، ويجب ألا تؤثر قوة الزنبرك على الحلقة).

 

3. تشوه التورم

قد يتمدد المطاط الصناعي أو يصبح لزجًا أو يذوب في بعض الوسائط. لذلك، يجب اختيار المادة المناسبة بناءً على طبيعة وسط العمل، وذلك بالرجوع إلى البيانات والرسوم البيانية ذات الصلة. إذا لم يكن تركيب وسط العمل المراد نقله واضحًا تمامًا، فيجب إجراء اختبار غمر لتوجيه الاختيار الأمثل للمواد. قد تُسبب بعض المحاليل المختلطة تآكلًا لأنواع مختلفة من المطاط الصناعي، وفي هذه الحالة، يجب استخدام بولي تترافلوروإيثيلين لحلقة الختم.

 

4. التشويه والتلف الناتج عن البثق

قد تلتوي حلقات O المطاطية في الأخاديد المستطيلة لحلقات التعويض وتتشوه أثناء التجميع أو الاستخدام. وتشمل أسباب ذلك: انخفاض صلابتها وصغر قطر مقطعها العرضي، وعدم تساوي قطر المقطع الدائري، وتذبذب ضغط العمل، والصدمات والاهتزازات، بالإضافة إلى انخفاض الضغط الداخلي وضعف التزييت، مما قد يؤدي إلى التواء الحلقة. يقع الجزء الملتوي غالبًا في منتصف الحلقة. عندما يكون الالتواء شديدًا، تصبح مساحة المقطع العرضي عند تلك النقطة أرق، وفي الوقت نفسه، تزداد قوة التسرب والاحتكاك. فيما يلي طرق منع التواء الحلقة:

① قبل التركيب، ضع الشحم المزلق في الأخدود وتأكد من أن العمود أملس للسماح للحلقة الدائرية بالدوران بحرية.

② يجب أن يكون مقدار الضغط مناسبًا قدر الإمكان، ويجب زيادة عرض الأخدود بشكل مناسب للسماح للحلقة الدائرية بالتدحرج في الأخدود.

③ عندما تتوفر عدة أحجام للمقطع العرضي، يُفضل استخدام حلقات O ذات المقطع العرضي الأكبر.

④ استخدم حلقات إحكام أخرى لا تلتوي، مثل حلقات الإحكام ذات المقطع العرضي على شكل حرف X.

 

تكون حلقات منع التسرب المطاطية (O-rings) مضغوطة دائمًا في ظروف الحركة الساكنة والإزاحية، لذا فهي عرضة للبروز داخل الفجوة تحت ضغط عالٍ. ويعني بروز حلقة منع التسرب أن الضغط العالي يُسبب تركيزًا للإجهاد في الفجوة، وعندما يصل الإجهاد إلى مستوى معين، تتشكل نتوءات داخل الحلقة، مما يؤدي إلى تآكلها أو تلفها، وفشل مانع التسرب قبل الأوان، وتسرب المادة من حلقة منع التسرب. ومن الواضح أن الأسباب الرئيسية للبروز ترتبط بالضغط والفجوة في موضع منع التسرب، بالإضافة إلى صلابة مادة حلقة منع التسرب. ويمكن منع البروز بتقليل الفجوة، لكن ذلك يُقلل من خصائص الطفو والتتبع لحلقة منع التسرب. لذلك، في ظروف الضغط العالي، يتمثل الإجراء الأمثل لمنع بروز حلقات منع التسرب المطاطية في تركيب حلقة تثبيت في مجرى الحلقة. خاصةً بالنسبة للحلقات الدائرية ذات المقطع العرضي الصغير، يجب إضافة حلقة تثبيت مصنوعة من متعدد رباعي فلورو الإيثيلين أو متعدد الإيميد .

 

إذا كانت لديكم أي استفسارات أو طلبات لتطوير المنتجات أو تحسين سلسلة التوريد الخاصة بكم، فلا تترددوا في الاتصال بنا على البريد الإلكتروني info@castings-forging.com