پکینگ نوعی از قدیمی‌ترین آب‌بندها به شمار می‌آید که در چین باستان نیز مورد استفاده قرار می‌گرفت. موتورهای بخار اولیه نیز از این نوع آب‌بندی بهره می‌بردند. توسعه فرآیندهای تولید و استخراج نفت خام در قرن نوزدهم موجب توسعه مواد مورد استفاده در پکینگ شد. در قرن نوزدهم، پکینگ‌ها بواسطه ساختار ساده، ارزان‌قیمت و دسترسی مناسب، از جمله آب‌بندهای پراستفاده به شمار می‌آمدند.

اصول عملکرد پکینگ به چه شکل است؟

بعد از این‌که پکینگ در حفره مخصوص آب‌بندی قرار داده شد، توسط پیچ‌های «گلند» (Gland) یا همان شیار آب‌بندی، به صورت محوری فشرده می‌شود. به هنگام حرکت نسبی شفت و پکینگ و به دلیل پلاستیسیته پکینگ، نیرویی شعاعی ایجاد و سبب تماس پکینک با شفت خواهد شد. در همین زمان، ماده روان‌کار نیز لایه نازک روغنی در سطح تماس ایجاد می‌کند که به آن «اثر یاتاقان» (Bearing Effect) می‌گویند. در فرورفتگی‌هایی که تماس ایجاد نشده است، شیاری روغنی ایجاد خواهد شد. بنابراین، بخش‌های تماسی و غیرتماسی، شکلی مارپیچ را ایجاد می‌کنند که نقش مهمی در جلوگیری از نشتی سیالات دارند و اساس عملکرد پکنیگ نیز بر اساس همین لایه‌های نازک و شکل‌های مارپیچ بنا شده است.

یک آب‌بندی خوب، اثر یاتاقان و «مارپیچی» (Labyrinth) را به خوبی حفظ می‌کند که برای این کار باید فشردگی و روغن‌کاری مناسبی داشته باشیم. اگر روغن‌کاری به خوبی انجام نگرفته باشد یا این‌که فشردگی زیادی داشته باشیم، لایه روغنی به خوبی تشکیل نمی‌شود و بین شفت و «پرکننده» (Filler)، اصطکاکی بدون روغن پدید می‌آید که سبب بروز مشکل در شفت و خوردگی می‌شود.

پکینگ

انواع پکینگ

پکینگ‌ها را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم‌بندی کرد که در ادامه به توضیح آن خواهیم پرداخت.

درزگیر نواری

«درزگیر نواری» (Felt Seal) همانطور که از نام آن پیداست، شامل نوارهایی است که در درون شیار و پوسته آب‌بند قرار می‌گیرند. در آب‌بندهای تماسی، این نوع از آب‌بندی به عنوان ساده‌ترین روش برای جلوگیری از نشتی روغن استفاده می‌شود و در موتورهایی با سرعت، دما و فشار پایین کاربرد دارد. آب‌بندهای نواری همچنین به عنوان محافظ گرد و غبار نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند اما برای آب‌بندی گازها مناسب نیستند.

زمانیکه از نوارهای درزگیر برای آب‌بندی مایعات استفاده می‌کنیم، هرقدر ویسکوزیته بالاتری داشته باشیم، آب‌بندی نیز بهتر خواهد بود. برای سیالاتی با ویسکوزیته پایین همچون نفت سفید، آب‌بندی بسیار ضعیفی خواهیم داشت. در صورت استفاده از درزگیرهای نواری، سرعت حرکت شفت باید پایین‌تر از ۳ متر بر ثانیه باشد. حتی در صورت استفاده از نوارهایی با کیفیت بسیار بالا، سرعت شفت نمی‌تواند بیش از ۱۰ متر بر ثانیه باشد. البته در صورتیکه قطر شفت مشخص باشد می‌توان این سرعت را به «دور در دقیقه» (rpm) تبدیل کرد.

البته در صورتیکه سطح شفت، صیقلی و روغن‌کاری مناسبی داشته باشیم، در صورت بهره‌گیری از نوارهای درزگیر با کیفیت، در مواردی می‌توان در سرعت‌هایی تا 20 متر بر ثانیه نیز به آب‌بندی مناسبی رسید. دمای این تجهیزات به طور معمول بیشتر از ۹۰ درجه سانتی‌گراد نخواهد بود و فشار عملیاتی نیز برابر با فشار اتمسفریک است.

پکینگ

پکینگ

نوع دیگری که استفاده بیشتری نیز دارند «پکینگ» (Packing Seal) نام دارد که در دما و فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور مثال، پکینگ روغنی آزبستی می‌تواند آب‌بندی مناسبی را تا فشار 170psi و دمای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد فراهم کند. البته این نوع از پکینگ باید در سرعت‌هایی پایین مورد استفاده قرار بگیرند. زمانی که در یک پمپ آب از پکینگ استفاده می‌کنیم، سرعت پمپ نباید بیشتر از ۶ متر بر ثانیه باشد چراکه این نوع آب‌بندها در برابر خوردگی مقاوم نیستند و سطح تماس شفت و پکینگ و همچنین فشار آن بر روی شفت بسیار زیاد است و در نتیجه، خوردگی بالایی را بوجود می‌آورد.

اگر فشار عملیاتی بالایی داشته باشیم، پیچ‌های دستگاه باید با گشتاور بالاتری بسته شوند تا نیروی پکینگ بر روی شفت افزایش یابد و از این طریق، از نشتی جلوگیری شود. در این زمان سرعت شفت باید کاهش پیدا کند چراکه سرعت شفت و فشار با یکدیگر مرتبط هستند. زمانی که فشار پایین باشد، سرعت را می‌توان بالاتر برد اما زمانی که فشار بالایی داشته باشیم، سرعت باید به حدی پایین بیاید تا آب‌بندی در شرایط فشار بالا دچار مشکل نشود.

به طور کلی دلیل نشتی پکینگ را باید در دمای بالای حاصل از اصطکاک جستجو کرد که سبب می‌شود برخی از قطعات پکینگ دچار تبخیر یا سوختگی شوند و نشتی بوجود بیاید. در چنین مواردی باید پکینگ تعویض و پکینگ جدیدی جایگزین شود. پکینگ‌ها بسیار ارزان‌قیمت هستند و گزینه‌ای اقتصادی در مقایسه با سایر آب‌بندها به شمار می‌آیند. با این وجود، حجم و وزن پکینگ‌ها نسبت به سایر آب‌بندها بسیار بیشتر است.

پکینگ

از آن‌جایی که مدل‌سازی حرکتی در طراحی‌های مکانیکی و دینامیکی از اهمیت بالایی برخوردار است، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش شبیه سازی سیستم های مکانیکی در Simscape Multibody سیمیولینک متلب کرده که لینک آن در ادامه آمده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش شبیه سازی سیستم های مکانیکی در Simscape Multibody سیمیولینک متلب + اینجا کلیک کنید.

چه زمان باید از آب بندهای مکانیکی استفاده کنیم؟

برای بسیاری از تجهیزات و شرایط عملیاتی، استفاده از آب‌بندهای مکانیکی بر استفاده از پکینگ‌ بویژه نوارهای درزگیر اولویت بالاتری دارند. آب‌بندهای مکانیکی و به طور ویژه «آب‌بندهای دوبل» (Double Mechanical Seal) زمانی کاربرد خود را نشان می‌دهند که سیال پمپ شده در اثر نشتی، مشکلات زیست‌محیطی فراوانی بوجود بیاورد چراکه پکنیگ به طور ۱۰۰ درصد نمی‌تواند از نشتی جلوگیری کند. حتی زمانی که نشتی را با چشم نتوانیم مشاهده کنیم، بخارهای سمی نیز می‌توانند نوعی نشتی به شمار روند که حاصل استفاده از پکینگ‌ها هستند. بنابراین به هنگام استفاده از پمپ‌ها و همزن‌ها (میکسر) باید نوع آب‌بند را با دقت بیشتری انتخاب کنیم.

عوامل موثر در انتخاب آب بند مکانیکی به جای پکینگ

در ادامه قصد داریم برخی از عوامل تاثیرگذار در انتخاب آب‌بندهای مکانیکی به جای پکینگ را مورد بررسی قرار دهیم.

قابل اعتماد بودن و زمان توقف کار

اگر نیاز به آب‌بندی فوق‌العاده‌ای داشته باشیم، بنابراین باید از انواع مکانیکی آب‌بند استفاده کنیم و با وجود این‌که سرمایه اولیه این قطعات، بیشتر از پکینگ‌ها هستند اما در طی زمان، این هزینه باز می‌گردد. به عبارت دیگر، نرخ بازگشت سرمایه در این مورد از اصلی‌ترین عوامل برای جایگزینی روش آب‌بندی است.

نشتی محصولات ارزشمند

با وجود اینکه استفاده از پکینگ‌ها به طور معمول مانع از بروز نشتی می‌شود اما در مواردی، مقدار بسیار کمی نشتی خواهیم داشت که از این مقدار کم بسته به نوع سیال ممکن است نتوان صرف‌نظر کرد. همچنین به دلیل عمر کوتاهی که پکینگ‌ها دارند، دفعات نشتی و خرابی آن‌ها نیز بیشتر خواهد بود. البته این خرابی همواره مشکلی اساسی به شمار نمی‌آید اما در صنایع مختلف، حجم نشتی به دلیل مسائل زیست‌محیطی و مالی، اهمیت بالایی دارد و چه بسا همین نشتی سبب خرابی دستگاه مربوطه شود.

علاوه بر این، هزینه تعویض پکینگ و استفاده از افراد مجرب برای این کار، هزینه‌ای مجزا به همراه دارد که اگر از نشتی محصولات با ارزش بوسیله آب‌بندهای مکانیکی جلوگیری شود، به طور قطع هزینه استفاده از آب‌بندهای مکانیکی جبران خواهد شد. برای این‌کار بهتر است در طول هفته میزان حجم سیال نشتی اندازه‌گیری شود تا تخمین مناسبی از میزان نشتی در طول سال بدست آید. حال این مقدار را باید در تعداد پمپ‌های موجود یا تجهیزات آب‌بندی شده ضرب کرد تا حجم هدررفت سالیانه محاسبه و بر اساس آن تصمیم‌گیری مناسبی اتخاذ شود.

تعمیر و نگهداری

استفاده از پکینگ به نیروی کار بیشتری برای تعویض نیاز دارد و به هنگام بهره‌گیری از این سیستم‌ها باید هزینه نیروی انسانی را نیز مد نظر قرار داد.

دسترسی به محفظه آب بندی

از آن‌جایی که پکینگ‌ها در طول زمان دچار خوردگی می‌شوند و گلند را نیز باید به طور مجدد تنظیم کرد، بنابراین باید به هنگام انتخاب پکینگ برای آب‌بندی، دسترسی «محفظه آب‌بندی» (Stuffing Box) نیز مورد توجه باشد.

آلودگی و رقیق شدن محصول

با توجه به این‌که بیشتر دستگاه‌هایی که از پکینگ برای آب‌بندی استفاده می‌کنند، برای سرد شدن نیاز به یک دور چرخش آب دارند، این چرخش آب ممکن است غلظت مواد را کاهش دهد یا سبب آلودگی فرآورده نهایی شود.

مصرف انرژی

آب‌بندهای مکانیکی، مصرف انرژی را در مقایسه با پکینگ بسیار کاهش می‌دهند. به طور متوسط، پکینگ‌ها ۶ برابر بیشتر از سایر آب‌بندها انرژی مصرف می‌کنند. برای درک بهتر این مطلب باید بگوییم استفاده از پکینگ در محفظه آب‌بندی مانند این است که خودروی خود را با ترمز دستی بالا حرکت دهید. به خوبی مشخص است که این کار، مصرف سوخت خودروی شما را افزایش می‌دهد. به همین شکل، پکینگ‌ها که به دور شفت به صورت فشرده متصل شده‌اند نیز مصرف انرژی را افزایش می‌دهند. در برخی موارد به پمپ‌هایی دسترسی داریم که عملکرد و سرعت پایینی دارند و این امر، مشکلات را بیش از پیش افزایش می‌دهد.

عمر یاتاقان

از عوامل اصلی خراب شدن یاتاقان‌ها و بلبرینگ‌ها در تجهیزات دوار، آلودگی ماده روان‌کار در درون آن‌ها است. مطالعات انجام شده نشان می‌دهند که آلودگی به میزان تنها 0/002 درصد، عمر یاتاقان‌ها را تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد. توجه داشته باشید که این مقدار برابر با ۲ قطره آب در یک لیتر روغن است. طراحی پکینگ‌ها به گونه‌ای است که به طور دائم در برابر نشتی و آلودگی قرار دارند و هر قدر که بتوان این نشتی و آلودگی را کاهش داد، عمر قطعات افزایش پیدا می‌کنند.

توجه داشته باشید که حذف نشتی و افزایش عمر یاتاقان‌ها، کاهش مدت زمان توقف دستگاه را نیز به همراه دارد چراکه بسیاری از خرابی‌های آب‌بندها به دلیل حرکات اضافی شفت و خرابی یاتاقان‌ها بوجود می‌آیند. در تصویر زیر نحوه نشتی از یک پکینگ را مشاهده می‌کنید.

نشتی پکینگ

خوردگی بوش و شفت

بسیار از تجهیزات دوار در محدوده پکینگ در درون یک «بوش» (Sleeve) قرار گرفته‌اند تا از خوردگی شفت در آن‌ ناحیه جلوگیری شود. اگر از این بوش‌ها استفاده نشود، بعد از مدتی باید شفت به طور کامل تعویض شود. این کار علاوه بر این‌که هزینه زیاد تعویض شفت را شامل می‌شود،‌ برای مدتی نیز حرکت دستگاه را متوقف می‌کند که این امر نیز خود شامل هزینه‌های مختلفی است.

همچنین، مشکل دیگری که در پکینگ‌ها وجود دارد این است که اگر در دستگاه‌ها از بوش استفاده کنیم همواره باید بوش یدک را برای تعویض به همراه داشته باشیم. علاوه بر این، قطر شفت در محدوده بوش نیز باید کوچک‌تر باشد و این امر، مقاومت شفت در برابر خمش را کاهش می‌دهد. توجه داشته باشید که شکستگی شفت امری غیرعادی نیست و به دلیل «خستگی» (Fatigue) ناشی از خمش مداوم شفت بوجود می‌آید. جداسازی بوش از شفت نیز کار ساده‌ای نیست و با دشواری‌هایی همراه است و علاوه بر صرف زمان زیاد برای جداسازی، احتمال آسیب به خود شفت نیز وجود دارد.

پکینگ و خوردگی شفت

چه زمانی باید از پکینگ استفاده کنیم؟

در بسیاری از موارد، همچنان بهره‌گیری از پکینگ‌ها و نوارهای درزگیر، گزینه مناسبی در آب‌بندی سیستم‌های دوار به شمار می‌آید. زمانی‌که عوامل ذکر شده در بالا اولویت نداشته باشند و به تعداد کافی نیز نیروی انسانی در اختیار داشته باشیم، بهره‌گیری از پکینگ در کاهش هزینه‌ها بسیار موثر خواهد بود.

عوامل موثر در انتخاب پکینگ

در ادامه، برخی از عوامل موثر در انتخاب پکینگ را مرور می‌کنیم.

هزینه

پکینگ‌ها نسبت به آب‌بندهای مکانیکی هزینه کمتری را شامل می‌شوند. بهره‌گیری از آب‌بندهای مکانیکی باید بر این هزینه پایین غلبه کند. زمانیکه تجهیزات بزرگ‌تری داشته باشیم که به فلزات و الاستومرهای بیشتری در آب‌بندها نیاز داشته باشند، بحث هزینه، بیشتر به چشم می‌آید.

سادگی نصب

نصب یک پکینگ نیازی به باز کردن شفت ندارد مگر این‌که بخواهیم آب‌بند مکانیکی نصب کنیم. به همین دلیل، نصب پکینگ بسیار ساده‌تر از نصب آب‌بند مکانیکی خواهد بود و این کار در مدت زمان کوتاه‌تری نیز به انجام می‌رسد.

شرایط تجهیزات

در آب‌بندهای مکانیکی، دستگاه باید در شرایط مناسب عملیاتی قرار داشته باشد تا آب‌بندی به خوبی انجام شود اما در استفاده از پکینگ، نیازی به تنظیم دقیق شفت‌ها و همراستا بودن پمپ و شفت‌ها نیست.

حرکات شعاعی و همراستا نبودن

بسیاری از آب‌بندهای مکانیکی تنها می‌توانند تا حد بسیار کمی حرکات و لرزش‌های شعاعی را تحمل کنند و بسیاری از آن‌ها نیز در برابر حرکات محوری، مقاوم نیستند. به طور مثال، دستگاه‌های کاغذسازی همگی دارای حرکات محوری هستند و برای آب‌بندی آن‌ها به طور معمول از پکینگ بهره می‌گیرند.

سادگی نصب و نگهداری

پکینگ‌ها عملکرد ساده‌ای دارند و به همین دلیل نصب آن‌ها نیاز به تخصص خاصی ندارد و از این‌رو، به راحتی می‌توان از ‌آن‌ها استفاده کرد.

از جمله مواردی که استفاده از پکینگ نسبت به آب‌بندهای مکانیکی اولویت بیشتری دارد، تجهیزاتی همچون پمپ‌های دوغابی هستند که در معادن و صنایع نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند. با وجود این‌که در این تجهیزات، آب‌بندهای مکانیکی کارایی بیشتری دارند اما به دلیل اندازه بزرگ تجهیزات، حرکات زیاد شفت و پروانه‌ها و همچنین محیط ساینده، استفاده از پکینگ‌ها محبوبیت بیشتری دارد.