فرار یا نشت سیال در محل خروج شفت از محفظه پمپ ها، کمپرسورها یا هر تجهیز دوار دیگری که به شکلی خاص و منحصر به خود، سیالی را جابجا می کند، از گذشته های دور نقطه ضعف و دغدغه صنعت گران سراسر دنیا بوده و هست. نزدیک به یکصد و پنجاه سال از شروع تحقیقات علمی برای جلوگیری از فرار سیالات از مرز مشترک شفت و محفظه پمپ های ابتدایی می گذرد ولی آنچه هنوز شاهد آنیم ، نشت سیالات در مجتمع های بزرگ و کوچک صنعتی است.

باور نادرستی که در ذهن بسیاری از صنعتگران حاکم بوده و حتی برهمین باور تصمیم گیری هایی انجام می گیرد، گمان غلط ایشان بر توانایی تام سیستم های آب بندی برای آب بندی منتقل کننده های سیالات گازی و مایع است.

ابتدائی ترین، ساده ترین، ارزانترین و در دسترس ترین سیستم نشت بندها، پکینگ ها (Packing) هستند. تاریخچه این نوع از سیستم های آب بندی به زمان استفاده از تلمبه های دستی در محلات کوچک و بزرگ شهرهای اروپائی جهت تامین آب شرب مردم برمی گردد. پکینگ ها غالباً مقطعی مربع با ابعادی بین 2 تا 50 میلیمتر دارند که به فراخور کاربرد و کارکرد آنها، دارای خاصیت الاستیک و شکل پذیری هستند. این سیستم ابتدائی بیشترین میزان نشتی را از خود نشان می دهد و با نیاز به تنظیم ادواری و شاید روزانۀ آنها، بیشترین وقت و هزینه را از اپراتورها می گیرد. بدیهی است فاصله کم Packing با شفت و سرعت بالای دوران شفت باعث افزایش پیوسته و فزاینده اندازه اصطکاک و در نتیجه حرارت بالایی در محل اتصال میگردد که در مرحله اول دلیلی بر تخریب شکل Packing (به صورت دندانه دار شدن) و در گام بعدی تخریب، موجب خوردگی و از بین رفتن سطح شفت پمپ میگردد. هر یک از موارد تخریبی مذکور یا مجموع آنها باعث افزایش فرار سیال به میزان قابل توجهی می باشد. تنظیم بسیار دقیق فضای بین پکینگ و بدنه شفت پمپ ها، فنی است که بیشتر به هنر میماند چرا که دقت مورد نیاز برای ایجاد یک فیلم سیال که انتقال حرارت، کاهش اصطکاک و آب بندی محیط را به عهده داشته باشد، نیازمند کارائی، تجربه و دانش منحصر به خود است.

تمام مشکلات سیستم پکینگ، علیرغم محاسن اندک آن، نسل جدید و مدرنی از آب بندها را با کارائیهایی جدید طلب می کرد تا بتواند جوابگوی صنایع پیشرفته و گران امروزی باشد. صنایع حساس و عظیمی مثل رآکتورهای اتمی، خطوط لوله، تاسیسات عظیم سکوهای نفتی، صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهها، کارخانجات و صنایع دارویی و غذایی، کارخانه های تولید سیمان و دهها صنعت دیگر که نشت سیالات سمی، خطرناک و به همان اندازه کمیاب، گرانقیمت و ارزشمند با فشار و دماهای بسیار متفاوت با یکدیگر، از یک و نیم قرن پیش، میتوانست به جان انسان یا انسانهای بیشماری خاتمه دهد.

آب بند مکانیکی یا مکانیکال سیل از ابتدای قرن بیستم به عرصه صنایع متفاوت پا گذاشت. مکانیکال سیلها تا به امروز جایگزین مناسبی برای پکینگ ها بودند، هر چند به علت مقرون به صرفه بودن تهیه و نصب پکینگ ها، این سیستم هنوز کاربردهای زیادی در بین صنایع کشور و در دیدی وسیعتر در صنایع دنیا دارد.
سیلهای مکانیکی، این ابزار و وسایل کوچک و بزرگ نیز که از تکنیک فوق العاده بالایی بهره میجویند، توانایی نشت بندی کامل سیالات را ندارد. مکانیکال سیلهای اولیه تنها از دو صفحه مدور فلزی و یک فنر ناموزون در پشت یکی از آنها شکل گرفت لیکن با وسعت روز به روز این دانش در عصر حاضر، کاربرد سیستم های آب بندی به شاخه ای از علم مکانیک تبدیل شده است. تولید و ساخت این سیستم های فوق العاده حساس، از کوچکترین و ضعیف ترین تا بزرگترین و حساس ترین آنها نیاز به تکنولوژی و دانش بسیار پیشرفته و منحصر به خود را دارد. در ساخت مکانیکال سیل ها، نوع سیال و شرایط کاری آنها مثل فشار، دما و ویسکوزیته سیال، سرعت چرخش شفت و . . . با دقت زیادی مورد نظر و محاسبه قرار میگیرد به شکلی که با تغییر یکی از این آیتم ها، اساس سیل از طراحی تا ساخت آن تغییر می کند.

آب سیالی است که با درجه فشار و دما در سطح متعارف، با ساده ترین پمپ ها و حتی تلمبه های دستی قابل جابجایی و انتقال است ، هرچند همین سیال با درجه دما و فشار بالا این خاصیت را ندارد ولی سیالاتی همانند اسیدها با درجه خلوص نزدیک به صد، سیالات و گازهای سمی، سیالات گران قیمت و استراتژیک پتروشیمی، میعانات نفتی و دهها مثال دیگر از این دست، به هنگام جابجایی نیازمند پمپها و کمپرسورهایی هستند که از دقت بسیار بالایی برخوردار باشند. پکینگ ها و کاسه نمدهای ابتدایی قابلیت نشت بندی و هرز روی این گونه سیالات را دارند ولی زمانی که هر قطره از سیالی ویژه، ارزش مالی فزاینده ای داشته باشد، پکینگ و کاسه نمد جای خود را به مکانیکال سیل داده، سیستمی جایگزین می گردد که در کنار توجیه زیست محیطی، صرفه اقتصادی بالایی را برای کاربران نیز به دنبال خواهد آورد.

مقایسه پکینگ و مکانیکال سیل بحثی نیست که در این مقوله جایی داشته باشد ولی در بحث از آب بندی در سیستم های انتقال سیالات است که هنوز علم و دانش دهها ساله متخصصان برای ادعای آب بندی مطلق آنها، راه را تا آخر نپیموده است. در تمام سیل ها، برآیند چند نیروی هیدرودینامیک و هیدرواستاتیک باعث ایجاد فیلم سیالی بین2 سطح آب بند، یعنی SEAT و SEAL FACE میگردد. این فیلم سیال که به فراخور کاربرد سیل دارای بُعدی میکرونی است، مانع از نشت سیال به فضای خارج از مکانیکال سیل میگردد. به عبارتی، در کلیه مکانیکال سیل ها حداقل 2 نیروی مختلف برای بسته شدن صفحات مذکور وجود دارد، یکی نیروی حاصله از فنر که نیرویی مکانیکی است و دیگری نیروی هیدرواستاتیک سیال درونِ محفظه سیل. این دو نیرو باعث بسته شدن کامل سیل در شرایط خاموش بودن سیستم میشود ولی پس از راه اندازی (روشن شدن) پمپ، حداقل 3 نیروی مختلف دیگر برای جدا کردن این دو صفحه بوجود می آید. اولین نیرو، فشار هیدرواستاتیک فیلم سیال است که به شکل مایع، گاز یا مخلوطی از این دو می باشد. نیروی دوم، نیروی گریز از مرکز (نیروی جانب مرکز) و نیروی سوم حاصل از فشار هیدرودینامیکی سیال محبوس در ناصافی های هر دو سطح آب بند است. هر چند این سطوح قبل از مونتاژ LAP و POLISH میگردد و به ظاهر دارای سطوحی صاف و کاملاً هموار هستند اما در اثر چرخش سطح متحرک و فشار هیدرودینامیکی سیال، مقداری از سیال به داخل خراشها و ناصافی های میکروسکوپی لغزیده و محبوس میشود. همین سیال حبس شده در اثر نیروهای هیدرواستاتیک و هیدرودینامیکی سیال داخل محفظه آب بندی فشرده شده و ایجاد نیروی مخالفی را جهت باز شدن دو صفحه از یکدیگر باعث می گردد. بنابر این اگر برآیند نیروهایی که باعث بسته شدن صفحات آب بندی میگردد، بیشتر شود، باعث از بین رفتن فیلم سیال، حرارت زیاد و در نتیجه راندمان پایین پمپ میشود ولی اگر برآیند نیروهای باز کننده سطوح بزرگتر شود، صفحات مذکور از هم فاصله ای غیر استاندارد می گیرد و رفته رفته نشت سیال رو به افزایش می گذارد. اصلی ترین و حساس ترین محاسبات، روی تعادل همین دو نیرو صورت می پذیرد.
برای حفظ و ثبات این تعادل در کل مجموعه SEALING یک پمپ یا کمپرسور، علم کار خود را پایان یافته ندانسته، هر قطعه از این مجموعه، از کوچکترین فنرها تا سطح شفت و محفظه این مجموعه (STUFFING BOX)، زمینه بررسی های علمی و دانشی بسیار دقیق و تخصصی است. بکارگیری استاندارد (American Petroleum Index) API برای سیستمهای آب بندی، شاید آخرین، علمی ترین و بهترین روش حفظ تعادل در یک مجموعه SEALING است.
به هر حال کاربرد این استاندارد نیز در کنار تغییرات محاسباتی و فنی اجزای پمپ ها و کمپرسورها و خود مکانیکال سیلها، هنوز در رسانیدن میزان نشت سیال به نقطه صفر ناتوان بوده است، هر چند مزایای استفاده از این استاندارد در افزایش عمر سیل و مجموعه آب بندی یک پمپ و نهایتاً کاهش چشمگیر فرار سیال بر کسی پوشیده نیست.
پیشرفته ترین و آخرین دستاورد دانش سیستمهای آب بندی، سیلی است به نام سیل گازهای خشک یا DRY GAS SEAL که در این صنعت به اختصار DGS نامیده می شود. در این سیل، بنا به تعریفی خلاصه، با تعبیه GROOVE هایی با عمق 5 میکرون روی یکی از سطوح آب بندی، از نیروی حاصله از فشار سیال برای آب بندی همان سیل بهره می جوید. ناگفته نماند که این سیستم نیز توانایی آب بندی مطلق سیال را نداشته لیکن به علت وسعت تعریف، باید فصلی جداگانه به آن اختصاص دهیم. موضوع این نوع سیستم آب بندی در شماره بعدی نشریه به طبع و نظر خوانندگان ارجمند خواهد رسید.
البته که در میان تمام انواع سیستمهای آب بندی، سیستمی با نام کوپل مغناطیسی (MAGNETIC COUPLING) خودنمایی میکند که به علت عدم ارتباط شفت با محیط بیرون پمپ، نشت سیال را به صفر رسانده است. در این سیستم ، مگنت روی روتور درونی، تحت تاثیر چرخش مگنت دیگری که نیروی چرخشی پمپ را منتقل نموده و با فاصله ای موثر، شفت را احاطه کرده است، به دوران در میآید. این سیستم نیز مشکلات خود را دارد. توضیح کامل ساختمان و اصول کارکرد این سیستم بسیار جدید با تکنولوژی منحصر به فرد خود نیازمند طرح مقوله ای جداگانه است که در فصل سوم این بحث و در شماره های بعدی این نشریه به تفضیل به آن خواهیم پرداخت.

در یک جمع بندی به اختصار میتوان بیان داشت که؛
در بسیاری از تماسها با مجتمعهای صنعتی، کاربران سیستمهای آب بندی از نشت کم و زیاد سیستمهای انتقال سیال خود گله داشته به دنبال سیستمی مناسب برای آب بندی یا هر راهکار دیگری برای قطع کامل فرار سیالات گران بها یا حتی کم ارزشی هستند که باعث آلایش محیط اند. در پاسخ با توجه به موارد مذکور در خصوص اساس سیستمهای آب بندی باید عنوان داشت که بنا بر آنچه در بالا بیان گردید، هیچیک از سیلهای مکانیکی توان ساختاری لازم را برای آب بندی 100% سیال خود نداشته و اگر بر فرضی محال مکانیکال سیلی پس از نصب روی سیستم مربوطه آن را کاملاً آب بندی نموده و به دیگر عبارت از فرار یک سیال مطلقاً جلوگیری نماید، این پدیده دلیلی بر خرابی آب بند یا اشتباه اُپراتور در نصب را تداعی نموده و در چند دقیقه، باعث تخریب کامل سیل و سیستم مربوطه میگردد. لذا هر مکانیکال سیل پس از نصب، در حدی تعریف شده دارای نشت به داخل پمپ یا خارج پمپ بوده وهمین میزان نشتی دلیلی بر صحت عملکرد سیل و نصب آن روی سیستم مربوطه میباشد. به بیانی دیگر، در مقایسه بین دو مکانیکال سیل با یک شرایط سیستماتیک و متریال یکسان و همچنین تساوی شرایط محیط نصب آنها، آن مکانیکال سیل از کیفیت بالاتری برخوردار است که دارای نشتی “کمتری” می باشد و نه آب بندی مطلق.

سید کمال میرحسینی
شرکت سیستمهای آب بندی پارس (بورگمن پارس)