هل تساءلت يومًا كيف تحافظ المعدات الحرجة في بيئات الضغط العالي على التشغيل الموثوق؟ إن موانع تسرب الغاز الجاف هي الأبطال المجهولون الذين يضمنون التشغيل السلس ويمنعون التسرب. في هذه المقالة، سوف نغوص في عالم موانع تسرب الغاز الجاف، ونستكشف مبادئ عملها ومزاياها وتطبيقاتها. سوف يرشدك مهندسنا الميكانيكي الخبير في هذه التقنية الرائعة، ويقدم لك رؤى قيمة وأمثلة واقعية. استعد لاكتشاف كيف تحدث موانع تسرب الغاز الجاف ثورة في مختلف الصناعات!
مانع التسرب بالغاز الجاف هو نوع جديد من موانع تسرب عمود الدوران غير الملامسة تم تطويره من أساس المحامل المشحمة بالغاز في أواخر الستينيات، مع كون موانع التسرب الحلزونية الأخدودية الحلزونية هي المثال الأكثر شيوعًا.
بعد سنوات من البحث، كانت شركة جون كرين في الولايات المتحدة أول من قدم منتجات مانع تسرب الغاز الجاف للاستخدام الصناعي.
وقد أظهرت الممارسة العملية أن موانع تسرب الغاز الجاف توفر العديد من المزايا مقارنة بموانع التسرب الميكانيكية التقليدية الملامسة. وهي تُستخدم في المقام الأول في خطوط الأنابيب والمنصات البحرية والمصافي وصناعة البتروكيماويات، وهي مناسبة لأي نظام لنقل الغاز.
نظرًا لأن موانع تسرب الغاز الجاف هي موانع تسرب غير تلامسية غير محدودة بالقيمة الكهروضوئية، فهي مناسبة بشكل خاص لضواغط الطرد المركزي الكبيرة في ظل ظروف الضغط العالي والسرعة العالية. ويمثل ظهور موانع تسرب الغاز الجاف تقدمًا ثوريًا في تكنولوجيا الختم، حيث تحل تحديات ختم الغاز دون قيود زيت تشحيم مانع التسرب.
وعلاوة على ذلك، فإن أنظمة التحكم في الغاز المطلوبة أبسط بكثير من أنظمة الزيت الخاصة بموانع التسرب الغشائية.
وبالإضافة إلى ذلك، أدى ظهور موانع تسرب الغاز الجاف إلى تغيير مفاهيم الختم التقليدية من خلال الدمج العضوي لتقنية مانع تسرب الغاز الجاف مع مبادئ مانع تسرب الحاجز.
يحل المفهوم الجديد "استخدام الغاز كمادة مانعة للتسرب" محل المفهوم التقليدي "موانع التسرب الغازية السائلة أو السائلة"، مما يضمن عدم تسرب أي وسيط مانع للتسرب. وهذا يجعل موانع تسرب الغاز الجاف قابلة للتطبيق على نطاق واسع في مجال موانع تسرب عمود المضخة.
يقارن الجدول التالي معدلات تسرب موانع تسرب الغاز الجاف للضاغط مع موانع التسرب الشائعة الأخرى:
| نوع الختم | المعلمة | معدل التسرب (نيوتن متر3/دقيقة) | ||
| ختم التشحيم بالغاز | مانع تسرب الغاز الجاف | عمق الفتحة 5 ميكرومتر | 0.025 | |
| مانع تسرب حلقة الكربون | أربع مجموعات، بعرض 10 مم مع وجود فجوة 0.05 مم | 0.37 | ||
| ختم المتاهة | عدد الأسنان 15 | 1.82 | ||
| مانع تسرب الزيت | ختم كمية تسرب الزيت | |||
| نهاية الوسائط (لتر/دقيقة) | الطرف الجوي (لتر/دقيقة) | |||
| ختم حلقي عائم | 2 مجموعات، عرض كل منها 20 مم، مع وجود فجوة 0.05 مم | 0.12 | 0.6 | |
| مانع تسرب ميكانيكي | سمك غشاء الزيت 1 ميكرومتر | 0.0012 | 0.0017 | |
شروط الاختبار للوحدة التجريبية: قطر العمود 140 مم، وسرعة 5000 دورة في الدقيقة، وضغط غاز المعالجة 0.6 ميجا باسكال، وضغط زيت (غاز) مانع التسرب 0.75 ميجا باسكال.
بالمقارنة مع موانع التسرب الميكانيكية التلامسية التقليدية، توفر موانع التسرب الغازية الجافة المزايا الرئيسية التالية:
بالمقارنة مع موانع التسرب الميكانيكية الأخرى، فإن موانع تسرب الغاز الجاف متشابهة بشكل أساسي في الهيكل. والفرق الرئيسي هو أن حلقة الختم الواحدة لمانع تسرب الغاز الجاف تحتوي على أخاديد ضحلة موزعة بالتساوي. وتسمح هذه الأخاديد لمانع التسرب بالعمل في حالة عدم التلامس من خلال توليد تأثير ضغط ديناميكي للسوائل أثناء الدوران، مما يفصل بين أسطح الختم.
يتم تصنيف أشكال الأخدود على وجه طرف الختم لموانع تسرب الغاز الجاف بشكل أساسي إلى أنواع أحادية الاتجاه وثنائية الاتجاه.
الأخاديد أحادية الاتجاه هي الأكثر استخدامًا في وحدات الضاغط الحالية. ولا يمكن استخدامها إلا في الوحدات ذات الدوران الأحادي الاتجاه، مما يولد قوة فتح في الاتجاه المطلوب؛ وإذا انعكست، فإن قوة الفتح السلبية قد تتلف مانع التسرب.
ومع ذلك، مقارنةً بالأخاديد ثنائية الاتجاه، يمكنها توليد قوى فتح أكبر وصلابة غشاء الغاز، مما يوفر ثباتًا أعلى ومنعًا أكثر موثوقية للتلامس مع الوجه النهائي، وبالتالي يمكن استخدامها بسرعات منخفضة جدًا وتحت اهتزازات كبيرة.
الأخاديد ثنائية الاتجاه شائعة أيضًا. هذا النوع من الأخاديد ليس له متطلبات اتجاهية، وهو مناسب لكل من الدوران الأمامي والعكسي دون الإضرار بمانع التسرب. نطاق تطبيقه أوسع من نطاق استخدام الأخاديد أحادية الاتجاه، ولكن ثباته ومقاومة التداخل أقل شأناً.
من خلال التجارب المتكررة والدراسات المقارنة على مختلف أنواع الأخدود لموانع تسرب الغاز الجاف، تم التأكد من أن تصميم الأخدود الحلزوني يوفر أعلى صلابة لغشاء الغاز مع أقل قدر من التسرب، مما يحقق أفضل نسبة تسرب. فيما يلي مقدمة مفصلة لهذا النوع من الأخدود.
ويوضح الرسم البياني أدناه مانع تسرب غاز جاف نموذجي مع أخاديد حلزونية على سطح الختم، بعمق أقل من 10 ميكرومتر. عندما يعمل مانع التسرب، ينجذب الغاز المحكم بشكل عرضي إلى الأخاديد الحلزونية، ويتحرك شعاعيًا من القطر الخارجي نحو المركز (أي جانب الضغط المنخفض)، ويقيده سد مانع التسرب من التدفق نحو جانب الضغط المنخفض.
ينضغط الغاز أثناء تحركه على طول الشكل المقطعي المتغير للأخاديد الحلزونية، مما يخلق منطقة ضغط عالٍ موضعي عند جذر الأخدود، ويفصل بين الأوجه الطرفية ببضعة ميكرومترات لتشكيل طبقة غازية بسماكة معينة.
وفي ظل سماكة غشاء الغاز هذا، تتوازن قوة الفتح الناتجة عن حركة غشاء الغاز مع قوة الإغلاق الناتجة عن قوى الزنبرك والقوى المتوسطة، مما يسمح بتشغيل مانع التسرب دون تلامس. يتميز غشاء الغاز المتكون بين أسطح الختم لمانع تسرب الغاز الجاف بصلابة إيجابية معينة، مما يضمن استقرار عملية الختم. للحصول على تأثير الضغط الديناميكي اللازم للسائل، يجب وضع أخاديد الضغط الديناميكي على جانب الضغط العالي.
يوضح الرسم البياني أعلاه القوى المؤثرة على مانع تسرب الغاز الجاف ذو الأخدود الحلزوني، ويوضح كيف تضمن صلابة غشاء الغاز استقرار تشغيل مانع التسرب. في الظروف العادية، تساوي قوة إغلاق مانع التسرب قوة الفتح.
عندما تحدث اضطرابات خارجية (على سبيل المثال، التقلبات في العملية أو التقلبات التشغيلية)، مما يؤدي إلى انخفاض سمك طبقة الغاز، تزداد قوة القص اللزجة للغاز، مما يعزز تأثير الضغط الديناميكي للسائل الناتج عن الأخاديد الحلزونية، وبالتالي زيادة ضغط طبقة الغاز وقوة الفتح للحفاظ على توازن القوة واستعادة الختم إلى الفجوة الأصلية؛ وعلى العكس من ذلك، إذا حدث اضطراب في الختم وازداد سمك طبقة الغاز، فإن تأثير الضغط الديناميكي الناتج عن الأخاديد الحلزونية يضعف، مما يقلل من ضغط طبقة الغاز وقوة الفتح، مما يسمح للختم بالعودة إلى الفجوة الأصلية.
لذلك، طالما كان ضمن نطاق التصميم، عندما يتم التخلص من الاضطرابات الخارجية، يمكن أن يعود مانع التسرب دائمًا إلى فجوة العمل المصممة له، مما يعني أن مانع تسرب الغاز الجاف لديه وظيفة الضبط الذاتي التي تضمن التشغيل المستقر والموثوق.
المؤشر الرئيسي لاستقرار مانع التسرب هو صلابة طبقة الغاز المتولدة، وهي نسبة التغير في قوة طبقة الغاز إلى التغير في سُمك طبقة الغاز. وكلما زادت صلابة غشاء الغاز، زادت مقاومة التداخل في مانع التسرب وزادت ثبات تشغيله.
هناك أشكال هيكلية عامة مختلفة من موانع تسرب الغاز الجاف المناسبة لظروف العمل المختلفة. وفي الممارسة العملية، تشمل موانع تسرب الغاز الجاف المستخدمة في ضواغط الطرد المركزي بشكل رئيسي الهياكل الأربعة التالية:
يُستخدم مانع التسرب أحادي الوجه في المقام الأول للغازات غير الخطرة، أي الحالات التي يُسمح فيها بتسرب طفيف من الغاز الوسيط إلى الغلاف الجوي. الغاز المستخدم في الختم هو غاز العملية نفسه. ويشيع استخدام هذا النوع في الوحدات المستوردة محليًا، مثل ضواغط ثاني أكسيد الكربون.
إن مانع تسرب الغاز الجاف الترادفي هو هيكل مانع للتسرب ذو موثوقية تشغيلية عالية، وعادةً ما يتم تطبيقه حيثما يكون التسرب البسيط للغاز المتوسط في الغلاف الجوي مسموحًا به. ويستخدم على نطاق واسع في الوحدات المقدمة من شركات البتروكيماويات.
يمكن اعتبار مانع تسرب الغاز الجاف الترادفي على أنه مجموعتين أو أكثر من موانع تسرب الغاز الجاف متصلة في نفس الاتجاه من طرف إلى طرف. وعلى غرار الهيكل أحادي الوجه، يكون غاز الختم هو غاز العملية نفسه. عادة، يتم استخدام هيكل من مرحلتين حيث تتحمل المرحلة الأولى (مانع التسرب الأساسي) الحمل الكامل، وتعمل المرحلة الأخرى كمانع تسرب احتياطي دون تحمل انخفاض الضغط.
يتم إدخال غاز المعالجة المتسرب من مانع التسرب الأولي إلى الشعلة للاحتراق. تتسرب كمية صغيرة جدًا من غاز المعالجة غير المحترق من خلال مانع التسرب الثانوي ويتم تنفيسه بأمان.
في حالة تعطل مانع التسرب الأساسي، يعمل مانع التسرب الثانوي كمانع تسرب أمان إضافي، مما يمنع التسرب الهائل من وسيط العملية إلى الغلاف الجوي.
عندما لا يُسمح بتسرب وسيط المعالجة إلى الغلاف الجوي، ولا بتسرب الغاز العازل إلى وسيط المعالجة، يمكن إضافة مانع تسرب وسيط متاهة بين مرحلتي الهيكل الترادفي.
يُستخدم هذا الهيكل للغازات القابلة للاشتعال والانفجار والغازات الخطرة، مما يحقق عدم وجود تسرب خارجي. وتشمل الأمثلة ضواغط H2، وضواغط الغاز الطبيعي ذات المحتوى العالي من H2S، وضواغط الإيثيلين والبروبيلين والأمونيا.
وبالإضافة إلى غاز المعالجة، يتطلب هذا الهيكل أيضًا مسار غاز نيتروجين إضافي كغاز مانع للتسرب لسدادة الختم الثانوية. يتم إدخال غاز المعالجة المتسرب من مانع التسرب الأولي بالكامل إلى شعلة للاحتراق بغاز النيتروجين.
جميع الغازات التي تتسرب إلى الغلاف الجوي من خلال مانع التسرب الثانوي هي النيتروجين. في حالة فشل مانع التسرب الأساسي، يعمل مانع التسرب الثانوي أيضًا كمانع تسرب أمان إضافي. هذا الهيكل معقد نسبيًا، ولكن نظرًا لموثوقيته العالية، فقد أصبح التكوين القياسي في موانع تسرب عمود ضاغط الطرد المركزي متوسط وعالي الضغط.
يعادل مانع التسرب ذو الوجه المزدوج مانعي تسرب بوجه واحد مرتبين وجهًا لوجه، وأحيانًا يتشاركان حلقة دوارة واحدة. وهو مناسب للظروف التي لا تحتوي على أنظمة التوهج، حيث يُسمح بتسرب طفيف لغاز مانع التسرب إلى وسط العملية. ويشكل إدخال غاز النيتروجين بين مجموعتي موانع التسرب نظام مانع تسرب موثوق به.
يتم التحكم في ضغط غاز النيتروجين للحفاظ دائمًا على مستوى أعلى بقليل من ضغط غاز العملية (0.2-0.3 ميجا باسكال)، مما يضمن أن يكون اتجاه تسرب الغاز دائمًا نحو وسيط العملية والغلاف الجوي، وبالتالي منع تسرب غاز العملية إلى الغلاف الجوي. يُستخدم هيكل مانع التسرب مزدوج الوجه بشكل أساسي للغازات السامة منخفضة الضغط والغازات القابلة للاشتعال والانفجار.
تعمل موانع تسرب الغاز الجاف بأوجه غير متلامسة أثناء التشغيل، ولكن يحدث تلامس قصير أثناء مرحلتي بدء التشغيل والإغلاق، مما يستلزم استخدام مواد مقاومة للتآكل لأسطح التزاوج.
عادةً ما تشتمل المواد المستخدمة في أزواج الاحتكاك في موانع تسرب الغاز الجاف على مواد ذات معاملات تمدد حراري منخفضة، ومعامل مرونة عالية، وقوة شد، وموصلية حرارية، وصلابة، مثل كربيد السيليكون أو كربيد الأسمنت للوجه الصلب، والجرافيت المشبع أو كربيد السيليكون للوجه اللين. يتم تشكيل الأخاديد الديناميكية بشكل عام على سطح الحلقة الديناميكية.
نظرًا لأن هيكل موانع تسرب الغاز الجاف لا يختلف بشكل كبير عن هيكل الموانع الميكانيكية التقليدية، فإن تصميم موانع تسرب الغاز الجاف يركز في المقام الأول على معلمات أشكال الأخدود على أوجه الختم. ويعتمد الأساس النظري لموانع تسرب الغاز الجاف على مبادئ محامل الدفع ذات الأخدود الحلزوني، مع الالتزام بمعادلة رينولدز ومعادلات نافيير-ستوكس.
تستخدم شركتنا طريقة العناصر المحدودة للحسابات العددية، مع برنامج خاص تم تطويره داخليًا لحساب توزيع ضغط غشاء الغاز على سطح الختم المحزوز الحلزوني، وتحديد سعة التحميل وصلابة غشاء الغاز ومعدل تسرب الغاز من مانع تسرب الغاز الجاف.
يعتمد ثبات وموثوقية تشغيل مانع تسرب الغاز الجاف على صلابة طبقة الغاز على سطح الختم. وينعكس تأثير كل من بارامترات العملية والبارامترات الهيكلية للأخدود الحلزوني على أداء مانع التسرب في المقام الأول في تأثيرها على صلابة طبقة الغاز؛ فكلما زادت الصلابة، كان استقرار مانع التسرب أفضل.
وبالإضافة إلى النظر في صلابة غشاء الغاز، تركز شركتنا أيضًا على معدل التسرب في مانع التسرب، بهدف تحقيق أعلى نسبة صلابة إلى التسرب الممكنة. وهذا يعني أن مانع التسرب يمتلك صلابة عالية ومعدلات تسرب منخفضة. يمكن فقط لموانع تسرب الغاز الجاف ذات نسبة الصلابة إلى التسرب القصوى والصلابة الكبيرة لغشاء الغاز أن تضمن التشغيل المثالي والمستقر وطويل الأجل.
تشمل البارامترات الهيكلية للأخاديد الحلزونية التي تؤثر على صلابة الفيلم الغازي عمق الأخدود، والزاوية الحلزونية، وعدد الأخاديد، ونسبة عرض الأخدود إلى نسبة عرض السد، ونسبة طول الأخدود إلى نسبة طول السد، مما يتطلب تحسينها من خلال برنامج متخصص. تشمل معلمات العملية التي تؤثر على صلابة غشاء الغاز ما يلي:
ولضمان موثوقية عمليات مانع تسرب الغاز الجاف، تم تجهيز كل مجموعة بنظام مراقبة وتحكم مطابق. يحافظ هذا النظام على تشغيل مانع التسرب في حالة تصميمه المثلى. وفي حالة تعطل مانع التسرب، يطلق النظام إنذارًا سريعًا، مما يتيح لموظفي الصيانة معالجة المشكلة على الفور.
سنعرض هنا نظام مانع تسرب الغاز الجاف الترادفي النموذجي.
يوضح الرسم التخطيطي أدناه النظام. في ظل الظروف العادية، يتم سحب تيار من الغاز من مخرج الوحدة، ويمر عبر مرحلتين من الترشيح (بدقة 3 ميكرومتر)، مما ينتج عنه غاز جاف ونظيف. يعمل هذا الغاز كمخزن مؤقت لمانع تسرب الغاز الجاف، ويدخل إلى حجرة الختم.
يتم التحكم في الضغط ليكون أعلى قليلاً من ضغط غاز المعالجة المرجعي أثناء العمليات العادية (عادةً 50 كيلو باسكال)، مما يمنع الشوائب مثل الغبار وزيت المكثفات في غاز المعالجة غير المكرر من دخول واجهة مانع التسرب، مما قد يؤثر سلبًا على أداء مانع تسرب الغاز الجاف. يستخدم النظام جهاز إرسال الضغط التفاضلي لقياس فرق الضغط بين الغاز العازل والغاز المرجعي.
تتحكم الإشارة في صمام تنظيم الحجاب الحاجز الهوائي الموجود عند مدخل الغاز العازل، مما يضبط ضغط المدخل للحفاظ على ضغط تفاضلي ثابت مع الغاز المرجعي. يعود معظم الغاز العازل الذي يدخل غرفة الختم إلى غاز المعالجة من خلال مانع تسرب متاهة.
يتسرب جزء صغير من خلال مانع تسرب الغاز الجاف في المرحلة الأولى، ويشار إليه بغاز التسرب في المرحلة الأولى. يتم حرق معظم هذا الجزء بأمان في الشعلة.
لا يمكن أن تتكون طبقة الغاز المستقرة، الضرورية للتشغيل المثالي على المدى الطويل، إلا في ظل فرق الضغط المناسب. ويحقق النظام ذلك من خلال تركيب صمام خنق عند مخرج غاز التسرب في المرحلة الأولى، وضبط فتحة الصمام لتوليد الضغط الخلفي المناسب. يعمل هذا الصمام أيضًا على الحد من التسرب إذا فشل مانع تسرب المرحلة الأولى.
وبالإضافة إلى ذلك، يتم إدخال غاز النيتروجين كغاز عازل من خلال مرشح وصمام تخفيض الضغط في مانع تسرب المتاهة اللاحق. ويكون ضغطه أعلى قليلاً من ضغط زيت صندوق المحمل (عادةً ما يكون الضغط الجوي)، مما يخلق نظام مانع تسرب موثوق به.
يضمن ذلك عدم دخول زيت التشحيم من صندوق المحمل إلى مانع تسرب الغاز الجاف ويمنع غاز المعالجة المتبقي من تلويث زيت التشحيم في منطقة المحمل.
يدخل جزء من غاز العزل إلى صندوق التحميل، بينما يختلط الباقي مع الكمية الصغيرة من غاز المعالجة الذي لم يتم حرقه من غاز التسرب في المرحلة الأولى، ويشار إليه بغاز التسرب في المرحلة الثانية. ويمكن تنفيس هذا الغاز بأمان إلى الغلاف الجوي كغاز غير ضار بالبيئة.
الطريقة الأساسية لتحديد ما إذا كان مانع التسرب يعمل بشكل صحيح هي مراقبة غاز التسرب في المرحلة الأولى. إذا حدث شذوذ، سيزداد الضغط ومعدل التدفق في مانع تسرب الغاز الجاف في المرحلة الأولى بشكل كبير.
إذا وصل إلى قيمة إنذار عالية محددة مسبقًا، يرسل جهاز إرسال الضغط إشارة إلى غرفة التحكم، مما يؤدي إلى إطلاق إشارة إنذار. هذا ينبه المشغلين للتحقق مما إذا كان ضغط نظام التحكم ضمن النطاق المصمم.
عندما تصل كمية تسرب الغاز إلى قيمة إنذار عالية للغاية، فهذا يشير إلى فشل مانع تسرب الغاز الجاف، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل النظام لمنع تلف المعدات.
موانع تسرب الغاز الجاف هي مكونات دقيقة للغاية تتطلب عناية خاصة أثناء التركيب والتفكيك والاستخدام. وينصح عادة بالاحتياطات التالية:
عادةً لا تتطلب موانع تسرب الغاز الجاف، المصممة لمجموعة واسعة من التطبيقات، أي صيانة في الظروف العادية.
ومع ذلك، من الضروري مراقبة تسرب مانع التسرب يوميًا. قد تشير الزيادة في التسرب إلى احتمال فشل مانع التسرب، وينبغي الانتباه إلى الجوانب التالية:
بعد أبحاث وتجارب مكثفة، تم اعتماد موانع تسرب الغاز الجاف على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية. وقد جعلت متطلبات الصناعة الحديثة المتزايدة لكفاءة الطاقة وخفض الاستهلاك وحماية البيئة من الموثوقية والحد الأدنى من التسرب وطول العمر والتشغيل المستقر لموانع تسرب العمود في ضواغط الطرد المركزي، التي تنقل كميات كبيرة من الغازات الخطرة، ضرورة.
بالمقارنة مع موانع التسرب الميكانيكية التلامسية التقليدية، توفر موانع التسرب الغازية الجافة مزايا لا مثيل لها: عمر خدمة أطول، وعدم تسرب وسيط المعالجة، وانخفاض تكاليف الصيانة. تتوافق هذه المزايا مع الأهداف التي تسعى إليها أنواع مختلفة من موانع تسرب العمود.
يمكن إعادة تركيب موانع تسرب الغاز الجاف بنجاح وتطبيقها على ضواغط الطرد المركزي ومضخات الطرد المركزي والمفاعلات وغيرها من المعدات، شريطة استيفاء الشرطين التاليين
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR