การออกแบบซีลเชิงกลแบบลิ่ม PTFE มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอย่างไร?

ในฐานะซัพพลายเออร์ทางเทคนิคที่เชี่ยวชาญด้านซีลเชิงกลแบบลิ่ม PTFE ฉันใช้เวลากว่าทศวรรษในการทำงานร่วมกับวิศวกรกระบวนการ ทีมบำรุงรักษา และผู้ควบคุมอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การแปรรูปทางเคมี ยา และอาหารและเครื่องดื่ม คำถามหนึ่งผุดขึ้นมามากกว่าคำถามอื่นๆ: เหตุใดซีลลิ่ม PTFE บางตัวจึงมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าชนิดอื่นถึงสามเท่าในการใช้งานเดียวกัน คำตอบไม่ใช่แค่คุณภาพของวัสดุเท่านั้น แต่ยังอยู่ในรายละเอียดการออกแบบที่เปลี่ยนส่วนประกอบซีลธรรมดาให้กลายเป็นส่วนที่ขับเคลื่อนด้วยประสิทธิภาพของระบบของคุณ

ซีลลิ่ม PTFE ต่างจากซีลเชิงกลโลหะหรืออีลาสโตเมอร์ โดยอาศัยคุณสมบัติเฉพาะของโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน: ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ ความเฉื่อยทางเคมี และความสามารถในการปรับให้เข้ากับพื้นผิวที่ไม่ปกติ แต่คุณสมบัติเหล่านี้จะมีความสำคัญก็ต่อเมื่อการออกแบบได้รับการปรับให้เหมาะสมกับวิธีการทำงานของซีลเท่านั้น เมื่อฉันเริ่มต้นในสาขานี้ครั้งแรก ฉันพบว่าผู้ติดตั้งเปลี่ยนซีลที่ต่ำกว่ามาตรฐานภายในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ โดยถือว่าการเลือกวัสดุที่ไม่ดีเป็นสาเหตุ บ่อยกว่านั้น มันเป็นข้อบกพร่องด้านการออกแบบ—บางอย่างเล็กๆ เช่น มุมลิ่มที่ไม่ตรงกับแรงกดในกระบวนการ หรือการตกแต่งผิวหน้าที่ไม่คำนึงถึงของเหลวที่ถูกสูบ

เริ่มจากคุณลักษณะการออกแบบหลัก: ตัวลิ่ม PTFE นั่นเอง ลิ่มไม่ได้เป็นเพียงชิ้นส่วนรูปทรงของ PTFE ที่กดทับหน้าซีลเท่านั้น รูปทรงของมันกำหนดการกระจายแรงกดอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งส่วนต่อประสานการซีล ยกตัวอย่างเช่น ซีลเชิงกล WB2 ของเรา รุ่นนี้มีมุมลิ่ม 15 องศา ซึ่งปรับเทียบสำหรับการใช้งานแรงดันต่ำถึงกลาง (สูงถึง 150 psi) ทั่วไปในสายการผลิตอาหารและนม ความเรียวของลิ่มอย่างอ่อนโยนหมายความว่าเมื่อแรงดันในกระบวนการเพิ่มขึ้น ลิ่มจะค่อยๆ ดันลิ่มออกไปด้านนอก แทนที่จะใช้แรงรวมศูนย์ที่จุดเดียว ฉันเคยเห็นคู่แข่งใช้ลิ่มที่ชันกว่า (25 องศา) ในการใช้งานที่คล้ายกัน ซึ่งสร้างแรงเสียดทานที่มากเกินไปบน PTFE เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้เกิดการสึกหรอเร็วขึ้นและการรั่วไหลก่อนเวลาอันควร ลิ่มที่ชันกว่านี้อาจใช้งานได้กับกระบวนการทางเคมีที่มีแรงดันสูง แต่มันเกินความจำเป็น (และเป็นอันตราย) สำหรับกรณีการใช้งานที่มีความดันต่ำ

ระดับแรงกดไม่สามารถแยกออกจากการออกแบบลิ่มได้เช่นกัน สำหรับการใช้งานที่ต้องถ่ายโอนสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงกว่า 150 psi ซีลเชิงกล John Crane 59U ของเราใช้ลิ่ม PTFE เสริมแรงที่มีการออกแบบทรงเรียวคู่ เทเปอร์หลักจะจัดการกับแรงดันแบบไดนามิก ในขณะที่ส่วน "ล็อค" รองจะป้องกันไม่ให้ลิ่มถอยกลับภายใต้สุญญากาศที่รุนแรงหรือความผันผวนของแรงดัน ฉันมีลูกค้าในโรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่งใช้ซีลของคู่แข่งสามตัวบนปั๊มน้ำมันหล่อลื่นแรงดันสูงของพวกเขา ซึ่งทั้งหมดล้มเหลวภายใน 2 เดือน การเปลี่ยน John Crane 59U จะตัดการเปลี่ยนซีลทุกๆ 8 เดือน เนื่องจากการออกแบบลิ่มจะต้านภาระด้านข้างที่ทำให้เกิดการเสียรูปของ PTFE นั่นคือความแตกต่างระหว่างการออกแบบให้เหมาะกับสภาพการใช้งาน มากกว่าการออกแบบรูปทรงลิ่มขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน

ถัดไป การออกแบบหน้าซีลผสมพันธุ์จะโต้ตอบโดยตรงกับประสิทธิภาพของลิ่ม PTFE ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ฉันเห็นคือการจับคู่ซีลลิ่ม PTFE กับหน้าโลหะทั่วไปที่ไม่ขัดเงา PTFE สอดคล้องกับความผิดปกติของพื้นผิว แต่หากพื้นผิวมีความหยาบสูงกว่า 10 Ra ลิ่มจะไม่สามารถสร้างฟิล์มปิดผนึกที่สม่ำเสมอได้ ทีมวิศวกรของเราทดสอบซีลทั้งหมดของเรากับมาตรฐานการตกแต่งผิวหน้าสามแบบ: 8 Ra สำหรับการใช้งานมาตรฐาน, 6 Ra สำหรับกระบวนการทางเภสัชกรรมที่มีความบริสุทธิ์สูงและ 4 Ra สำหรับการจัดการของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ตัวอย่างเช่น ซีลเชิงกลของ John Crane 59B มีผิวหน้าที่ผ่านการเคลือบด้วยเลเซอร์สำหรับร่องขนาดเล็กที่สม่ำเสมอ ร่องเหล่านี้กักเก็บของเหลวหล่อลื่นเป็นชั้นบางๆ ช่วยลดแรงเสียดทานบนลิ่ม PTFE แม้ว่าของเหลวในกระบวนการจะไม่มีการหล่อลื่นตามธรรมชาติ (เช่น น้ำบริสุทธิ์หรือตัวทำละลายบางชนิด) ฉันติดตั้งสิ่งเหล่านี้จำนวนหนึ่งกับปั๊มน้ำฆ่าเชื้อของโรงงานเทคโนโลยีชีวภาพเมื่อปีที่แล้ว พวกเขาทำงานได้เป็นเวลา 10 เดือนโดยไม่มีการรั่วไหลแม้แต่ครั้งเดียว โดยที่ซีลก่อนหน้านี้จะล้มเหลวทุกๆ 3 เดือนเนื่องจากการเสียดสีระหว่างการทำงานแบบแห้ง

การกำหนดสูตรวัสดุภายในลิ่มเป็นอีกหนึ่งรายละเอียดการออกแบบที่มักถูกมองข้าม PTFE นั้นดี แต่ PTFE บริสุทธิ์นั้นมีความต้านทานแรงดึงต่ำและสามารถไหลเย็นได้ภายใต้แรงดันคงที่ ดังนั้นเราจึงเพิ่มสารตัวเติมที่ออกแบบเฉพาะให้กับแกนลิ่มตามการใช้งาน สำหรับการใช้งานเกรดอาหาร เราใช้ PTFE เสริมใยแก้วซึ่งรักษาความยืดหยุ่นในขณะที่ต้านทานการไหลของความเย็น ซึ่งช่วยให้ผนึกลิ่มกับการวางแนวเพลาที่ไม่ตรงเล็กน้อย ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ในการเสื่อมสภาพของปั๊ม สำหรับการใช้งานสารกัดกร่อน (เช่น การทำเหมืองหรือการแปรรูปแร่) เราใช้ลิ่ม PTFE ที่เติมคาร์บอนซึ่งมีความทนทานต่อการสึกหรอมากกว่า PTFE บริสุทธิ์ถึง 30% ซีลเชิงกล 152 ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อการถ่ายโอนของเหลวที่รุนแรง มีลิ่มที่มีทั้งตัวเติมคาร์บอนและแถบสึกหรอสีบรอนซ์แข็งที่ขอบด้านนอก ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้ลิ่มสวมเข้าไปในตัวเรือนซีลเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่าทรายหรืออนุภาคจะทะลุผ่านหน้าการซีลหลักไปแล้วก็ตาม

ประสิทธิภาพแบบไดนามิกหรือวิธีการทำงานของซีลในขณะที่ปั๊มเปิดและปิดคือจุดที่การออกแบบสร้างหรือทำลายความน่าเชื่อถืออย่างแท้จริง ลิ่ม PTFE ที่แข็งเกินไปไม่สามารถปรับให้เข้ากับการเคลื่อนที่ของเพลาในระหว่างการสตาร์ทได้ ทำให้เกิดช่องว่างที่ทำให้เกิดการรั่วไหลในการวิ่งครั้งแรก ยืดหยุ่นเกินไป และสามารถเปลี่ยนรูปได้ภายใต้แรงเหวี่ยงสูงที่ความเร็วปั๊มสูง ทีมออกแบบของเราได้ทดสอบพิกัด Durometer ของลิ่มที่แตกต่างกันกว่า 12 แบบ ก่อนที่จะเลือกใช้เครื่องวัดระดับกลาง 55 Shore D สำหรับการใช้งานมาตรฐานส่วนใหญ่ ความสมดุลนี้หมายความว่าลิ่มจะสอดคล้องกับหน้าซีลเมื่อปั๊มไม่ได้ใช้งาน และขยายออกเล็กน้อยด้วยแรงเหวี่ยงเมื่อทำงานที่ 3,600 RPM—สร้างฟิล์มซีลที่สอดคล้องกัน ลูกค้าในโรงงานบำบัดน้ำในเขตเทศบาลเปลี่ยนมาใช้ 152 Mechanical Seal ของเราจากลิ่มที่มีความทนทานสูงของคู่แข่ง และรายงานว่าปั๊มของพวกเขารั่วไหลจาก 4 ชั่วโมงเหลือเพียง 15 นาที นั่นคือชัยชนะในการปฏิบัติงานที่ช่วยเพิ่มเวลาหยุดทำงานที่หลีกเลี่ยงได้นับพันรายการ

ความต้านทานต่อสิ่งแวดล้อมเป็นข้อพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญอีกประการหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุณหภูมิที่สูงหรือของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน PTFE บริสุทธิ์สามารถรองรับอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -450°F ถึง 500°F แต่เมื่อรวมกับสารเคมีที่รุนแรง (เช่น กรดซัลฟิวริกเข้มข้นหรือคลอรีน) ลิ่มจำเป็นต้องมีชั้นป้องกันด้านนอก ซีลลิ่ม PTFE ทั้งหมดของเรามีการเคลือบด้านนอกแบบเฉื่อยทางเคมีซึ่งไม่ทำให้คุณสมบัติการซีลของ PTFE ลดลง แต่ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันการซึมผ่านของของเหลว ครั้งหนึ่งฉันเคยไปเยี่ยมชมโรงงานเยื่อกระดาษและกระดาษ ซึ่งซีลที่มีอยู่บวมและแตกร้าวหลังจากสัมผัสสุราขาวเป็นเวลา 6 สัปดาห์ การเปลี่ยนซีลลิ่มเคลือบของเรา—โดยเฉพาะซีลเครื่องกล John Crane 59U สำหรับบริการกัดกร่อนแรงดันสูง—ช่วยยืดอายุการใช้งานของซีลได้นานกว่า 6 เดือน การออกแบบการเคลือบมีความบางพอที่จะไม่รบกวนความยืดหยุ่นของลิ่ม แต่มีความหนาพอที่จะป้องกันของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนไม่ให้ทำลายโครงสร้าง PTFE

หนึ่งในคุณสมบัติการออกแบบที่ได้รับการประเมินต่ำที่สุดคือกลไกการยึดของลิ่มภายในตลับซีล หากไม่ได้ยึดลิ่มไว้อย่างแน่นหนา ลิ่มอาจเคลื่อนตัวหรือหลุดออกระหว่างการทำงาน ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างร้ายแรง ซีลของเราใช้ร่องยึดแบบ snap-in ที่หล่อเข้ากับลิ่มโดยตรงระหว่างการผลิต ซึ่งเชื่อถือได้มากกว่าคลิปยึดติดหรือโลหะ ซึ่งอาจสึกหรอหรือคลายตัวเมื่อเวลาผ่านไป ในระหว่างการทดสอบภาคสนามปี 2021 เราใช้ปั๊มจำนวนครึ่งโหลที่มีตลับซีลซึ่งมีการยึดคลิปโลหะหลวม และอีกครึ่งหนึ่งใช้การยึดร่องแบบหล่อของเรา ซีลแบบคลิปทั้งหมดล้มเหลวภายใน 5 เดือน ในขณะที่ซีลแบบร่องยังคงทำงานเต็มประสิทธิภาพหลังจากผ่านไป 12 เดือน มันเป็นรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ แต่เป็นสิ่งหนึ่งที่รับผิดชอบต่อ 70% ของการซีลล้มเหลวกะทันหันโดยไม่คาดคิดที่ฉันเห็นในภาคสนาม

ในฐานะซัพพลายเออร์ ฉันไม่เพียงแค่ขายซีลเชิงกลแบบลิ่ม PTFE เท่านั้น แต่ยังทำงานร่วมกับลูกค้าเพื่อให้การออกแบบตรงกับการใช้งานของลูกค้าอีกด้วย ซีลที่ใช้กับห้องปลอดเชื้อทางเภสัชกรรมจะใช้งานไม่ได้ในโรงงานเคมีแรงดันสูง และในทางกลับกัน นั่นเป็นเหตุผลที่เราไม่ผลักดันผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเดียวเหมาะกับทุกคน เราใช้เวลาในการตรวจสอบความดันในกระบวนการ อุณหภูมิ ประเภทของของไหล ความเร็วของปั๊ม และสภาพแวดล้อมในการทำงาน ก่อนที่จะแนะนำซีล ไม่ว่าคุณจะต้องการซีลเชิงกล WB2 สำหรับการแปรรูปอาหารด้วยแรงดันต่ำ, ซีลเชิงกล John Crane 59U สำหรับการถ่ายเทสารกัดกร่อนด้วยแรงดันสูง, ซีลเชิงกล John Crane 59B สำหรับการขนถ่ายของเหลวทางเภสัชกรรมที่ปลอดเชื้อ หรือ 152 ซีลเชิงกลสำหรับการใช้งานกับสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน สิ่งสำคัญคือการทำความเข้าใจว่าคุณลักษณะการออกแบบแต่ละอย่างโต้ตอบกับระบบของคุณอย่างไร

หากคุณกำลังประสบปัญหาซีลล้มเหลวบ่อยครั้ง การรั่วไหลมากเกินไป หรือการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิด วิธีแก้ปัญหาอาจง่ายกว่าที่คุณคิด การออกแบบซีลลิ่ม PTFE ที่เหมาะสมสามารถลดต้นทุนการบำรุงรักษาได้ 50% ขึ้นไป ลดการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผน และปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ ติดต่อทีมผู้เชี่ยวชาญด้านซีลของเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการใช้งานเฉพาะของคุณ และเรามาดูซีลเชิงกลแบบลิ่ม PTFE ที่จะมอบประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้สำหรับการทำงานของคุณ

อ้างอิง:

1. "หลักการออกแบบซีลเครื่องกล PTFE และแนวทางการใช้งาน" วารสารเทคโนโลยีการซีลของไหล ปี 2019 ฉบับที่ 25, ฉบับที่ 3, หน้า 12-18.
2. "คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของซีลลิ่ม PTFE แบบเสริมแรงในการใช้งานแบบไดนามิก" รายงานการประชุมสัมมนาผู้ใช้ปั๊มนานาชาติ ปี 2020 หน้า 45-52
3. "ความเข้ากันได้ทางเคมีและการเสื่อมสภาพของ PTFE ที่เติมแล้วสำหรับส่วนประกอบซีลเชิงกล" Tribology International, 2021, ฉบับที่ 162 มาตรา 107152
4. "การประเมินภาคสนามของการออกแบบซีลลิ่ม PTFE สำหรับการใช้งานปั๊มอุตสาหกรรม" นิตยสารเทคโนโลยีการบำรุงรักษา ปี 2022 ฉบับที่ 37, ฉบับที่ 6, หน้า 22-27.