کاسه‌نمدها معمولاً برای فشارهای نسبی پایین (۱ تا ۳ بار) طراحی می‌شوند. اما در برخی صنایع، تجهیزات تحت فشارهای بالا – بیش از ۱۰ بار – کار می‌کنند، جایی که عملکرد نادرست آب‌بندی می‌تواند موجب نشتی شدید، آسیب به محور، توقف خط تولید و هزینه‌های سنگین شود.
در چنین شرایطی انتخاب کاسه‌نمد به عوامل متعددی مانند نوع سیال، دما، سرعت دورانی، متریال، طراحی لبه آب‌بندی و سیستم پشتیبان بستگی دارد. این مقاله با یک نگاه تخصصی، به بررسی متریال‌ها، طراحی‌ها و مثال‌های موفق صنعتی در فشارهای بالا می‌پردازد.
۱. چالش‌های فشار بالا برای کاسه‌نمدها
- افزایش نیروی تماس لبه آب‌بندی با محور → سایش سریع‌تر.
- تغییر شکل الاستومر (Deformation) → باعث نشتی یا چسبندگی بیش از حد به شفت.
- فرار سیال از پشت لبه در صورت نبود پشتیبانی مکانیکی.
- گرمایش بیش از حد به علت اصطکاک بالا بین لبه و محور.
- پمپ شدن روانکار به بیرون به واسطه فشار بیش از حد.
۲. معیارهای اصلی انتخاب کاسه‌نمد در فشارهای بالای ۱۰ بار
- مقاومت فشاری متریال الاستومریلاستیک یا پلیمر باید تغییر شکل کنترل‌شده داشته باشد.
- پایداری حرارتیبه دلیل افزایش گرما در فشار بالا.
- تقویت ساختاری لبهاستفاده از فنرهای قوی‌تر و حلقه‌های پشتیبان (Back-up Ring).
- سرعت دورانیدر فشار بالا، سرعت زیاد می‌تواند منجر به تخریب سریع شود.
- طراحی چند مرحله‌ای آب‌بندیترکیب چند کاسه‌نمد یا استفاده از لایه‌های محافظ ثانویه.
۳. متریال‌های برتر برای فشارهای بالا
| متریال | محدوده دمایی (°C) | مقاومت فشاری | مزایا | محدودیت‌ها | کاربرد پیشنهادی |
|---|---|---|---|---|---|
| HNBR | -30 تا +150 | عالی | مقاومت مکانیکی و شیمیایی بالا، دوام عالی | قیمت بالاتر از NBR | پمپ‌های هیدرولیک صنعتی |
| FKM (Viton) | -20 تا +250 | بسیار خوب | مقاومت عالی به دما و فشار | حساس به قلیای قوی | کمپرسورهای گاز و روغن |
| PU (پلی‌اورتان) | -40 تا +100 | عالی | سختی بالا و مقاومت سایش | محدودیت دمایی | سیلندرهای هیدرولیک فشار بالا |
| PTFE پرشده با الیاف | -50 تا +200 | بسیار خوب | تغییر شکل کم، مقاومت سایشی و شیمیایی بالا | انعطاف کم، نصب دقیق لازم | سیالات شیمیایی پرفشار |
| FFKM | -15 تا +300 | بی‌نظیر | پایداری کامل در شیمیایی، حرارت و فشار | بسیار گران | پتروشیمی و صنایع حساس |
۴. طراحی‌های محبوب برای فشار بالا
۴.۱ کاسه‌نمد با حلقه پشتیبان (Back-up Ring)
یک حلقه از جنس PTFE یا نایلون پشت لبه قرار می‌گیرد تا از تغییر شکل لبه در فشار بالا جلوگیری کند. این روش عمر کاسه‌نمد را چند برابر افزایش می‌دهد.
۴.۲ کاسه‌نمد با فنر تقویت‌شده
فنرهای قوی‌تر یا از جنس Hastelloy که فشار اضافی را تحمل کنند و از شل شدن لبه جلوگیری کنند.
۴.۳ ترکیب چند کاسه‌نمد (Tandem Seal Arrangement)
دو یا چند کاسه‌نمد در کنار هم، با فضای روانکاری میان آنها که فشار را به صورت پله‌ای کاهش می‌دهد.
۴.۴ کاسه‌نمد مکانیکی (Mechanical Seal Hybrid)
ترکیب لبه لاستیکی با المان مکانیکی برای کاربردهای بسیار حساس.
۵. اثر سرعت شفت بر فشارپذیری
در فشار بالا، اگر سرعت شفت بیش از حد مجاز باشد، گرمای ایجاد شده باعث سخت شدن یا ترک‌خوردگی لبه خواهد شد. جدول زیر یک راهنمای کلی است:
| فشار کاری | سرعت مجاز تقریبی (m/s) |
|---|---|
| ۱۰ بار | 8–10 |
| ۲۰ بار | 5–7 |
| ۳۰ بار | 3–5 |
۶. مثال‌های صنعتی
مثال ۱ – سیستم هیدرولیک پرس فلزی:
استفاده از کاسه‌نمد PU دوبل با حلقه پشتیبان PTFE، فشار ۱۶ بار را در دمای ۹۰°C به مدت یک سال بدون نشتی تحمل کرده است.
مثال ۲ – کمپرسور گاز طبیعی:
در فشار ۱۵ بار و دمای ۱۲۰°C، کاسه‌نمد FKM با فنر Hastelloy توانسته بیش از ۴۰۰۰ ساعت کار بی‌وقفه انجام دهد.
مثال ۳ – پمپ شیمیایی پرفشار:
استفاده از PTFE پرشده با گرافیت در فشار ۲۰ بار و تماس مداوم با اسید سولفوریک و دمای ۸۵°C عمر بیش از ۱۸ ماه داشته است.
۷. جدول مقایسه عملکرد متریال‌ها در فشار بالا
| متریال | فشار ماکزیمم (بار) | مقاومت حرارتی | مقاومت سایشی | هزینه نسبی |
|---|---|---|---|---|
| HNBR | 25 | خوب | عالی | متوسط |
| FKM | 20 | عالی | خوب | بالا |
| PU | 25 | متوسط | عالی | متوسط |
| PTFE پرشده | 30 | عالی | عالی | بالا |
| FFKM | 35+ | عالی | عالی | بسیار بالا |
۸. توصیه‌های نصب و نگهداری
- سطح محور کاملاً صیقلی و بدون خط یا خراش باشد (Ra ≤ 0.2 μm).
- گریس‌کاری مناسب لبه پیش از نصب برای کاهش اصطکاک اولیه.
- استفاده از ابزار نصب استاندارد برای جلوگیری از خمیدگی یا پارگی لبه.
- نصب سیستم تهویه فشار یا سیل کمکی برای کاهش فشار لحظه‌ای.
- بازرسی دوره‌ای هر ۲ تا ۴ ماه در سیستم‌های با کارکرد مداوم.
۹. انتخاب سریع بر اساس شرایط کاری
| نوع سیال | فشار | دما | متریال پیشنهادی | طراحی پیشنهادی |
|---|---|---|---|---|
| روغن هیدرولیک | 15–20 بار | < 100°C | PU/HNBR | دوبل با Back-up Ring |
| گاز یا بخار | 10–20 بار | < 250°C | FKM/PTFE | فنر قوی + پشتیبان |
| سیالات شیمیایی خورنده | 15–30 بار | < 200°C | PTFE/FFKM | دوبل با شیلد |
| آب و محلول آبی | 10–15 بار | < 90°C | HNBR/PU | دوبل گردگیردار |
جمع‌بندی
در فشارهای بالای ۱۰ بار، HNBR و PU به دلیل مقاومت مکانیکی و سایشی عالی، برای کاربردهای هیدرولیک بهترین انتخاب هستند. FKM در فشار بالا همراه با دمای زیاد عملکرد خوبی دارد، در حالی که PTFE پرشده و FFKM برای شرایط شیمیایی خورنده و فشار بسیار بالا بی‌رقیب‌اند.
کلید موفقیت در این شرایط، ترکیب متریال مناسب، طراحی تقویتی (Back-up Ring یا دوبل)، فنرهای مقاوم و رعایت اصول نصب و نگهداری است.
