उच्च दबाव सील विफलता की वर्तमान स्थिति और खतरे
उच्च दबाव पंप वाल्व (≥10MPa) पेट्रोकेमिकल और हाइड्रोलिक ट्रांसमिशन क्षेत्रों में मुख्य घटक हैं। सील की विफलता से मध्यम रिसाव, दक्षता में कमी और यहां तक कि आग और विस्फोट जैसी सुरक्षा दुर्घटनाएं भी हो सकती हैं। डेटा से पता चलता है कि उच्च दबाव की स्थिति में 42% पंप वाल्व विफलताएं सील की समस्याओं के कारण होती हैं, जिनमें से 80% गलत सामग्री चयन या अनुचित संरचनात्मक डिजाइन के कारण होती हैं - ऐसी समस्याएं जिन्हें सीलबंद द्रव दिशा नियंत्रण वाल्व, सीलबंद डायाफ्राम पंप और सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंप जैसे घटकों के लिए अनुकूलित डिजाइन के माध्यम से प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है।
तीन प्रमुख विफलता मोड का विश्लेषण
1. सामग्री "एक्सट्रूज़न टियरिंग"
जब सिस्टम का दबाव सील सामग्री की एंटी-एक्सट्रूज़न सीमा से अधिक हो जाता है, तो सील सील गैप (0.1-0.3 मिमी) में दब जाएगी, जिससे होंठ फट जाएंगे या क्रॉस-सेक्शनल विरूपण हो जाएगा। उदाहरण के लिए, 30 एमपीए उच्च दबाव वाले पिस्टन पंप में उपयोग की जाने वाली नाइट्राइल रबर (एनबीआर) यू-रिंग ने 200 घंटे के ऑपरेशन के बाद एक्सट्रूज़न नॉच विकसित किए। मुख्य कारण यह है कि एनबीआर की एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत 30 एमपीए के तहत केवल 12 एमपीए है, जो उच्च दबाव प्रभाव का विरोध करने के लिए अपर्याप्त है - माइक्रो सील हाइड्रोलिक पंप या मिनी सील वाल्व से जुड़े उच्च दबाव अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण दोष। रबर सामग्री का एंटी-एक्सट्रूज़न प्रदर्शन कठोरता और लोचदार मापांक के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होता है; 80 शोर ए से कम कठोरता वाली सामग्री ≥20MPa दबाव में विफलता की संभावना होती है।
2. मध्यम "प्रवेश रिसाव"
उच्च दबाव मध्यम अणुओं और सील सामग्री के बीच अंतरापृष्ठीय तनाव को कम करता है, जिससे पारगमन में तेजी आती है। सील को स्थूल क्षति के बिना भी, दीर्घकालिक रिसाव हो सकता है। 25 एमपीए नाइट्रोजन वातावरण में, फ्लोरोरबर (एफकेएम) की गैस पारगम्यता सामान्य दबाव से 3.2 गुना है; रासायनिक बॉल वाल्व (एक प्रकार का सील द्रव दिशा नियंत्रण वाल्व) में उपयोग की जाने वाली एफकेएम सील के लिए, संचयी रिसाव 6 महीने में 1.2L तक पहुंच गया, जो 0.1L/वर्ष के स्वीकार्य मानक से कहीं अधिक है। ध्रुवीय तरल पदार्थ भौतिक सूजन के माध्यम से प्रवेश करते हैं, जबकि गैसें आणविक प्रसार के माध्यम से प्रवेश करती हैं - सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंपों और सीलबंद डायाफ्राम पंपों में विभिन्न मीडिया के लिए लक्षित सामग्री चयन की आवश्यकता होती है।
3. घर्षण-प्रेरित "थर्मल एजिंग"
उच्च दबाव सील और संभोग सतह के बीच संपर्क दबाव को बढ़ाता है, घर्षण गुणांक को बढ़ाता है और गर्मी पैदा करता है, जो सामग्री की उम्र बढ़ने में तेजी लाता है और "उच्च तापमान → सख्त → तीव्र घर्षण" का एक दुष्चक्र बनाता है। 20 एमपीए हाइड्रोलिक वाल्व के लिए, जब संपर्क दबाव 5 एमपीए से 10 एमपीए तक बढ़ गया, तो घर्षण गुणांक 0.3 से बढ़कर 0.5 हो गया, और सतह का तापमान 60 ℃ से 95 ℃ तक बढ़ गया। विशेष रूप से, 95℃ पर एनबीआर की थर्मो-ऑक्सीडेटिव उम्र बढ़ने की दर 60℃ पर 2.8 गुना है - जो माइक्रो सीलबंद हाइड्रोलिक पंप और मिनी सीलबंद वाल्वों की दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय है।
3डी सहयोगात्मक अनुकूलन रणनीति
1. सामग्री उन्नयन
सील सामग्री के लिए मुख्य संकेतक मिलने चाहिए: एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत ≥20MPa, संपीड़न सेट (150℃×70h <15%), और मध्यम सूजन दर <5%।
20-30MPa कार्य स्थितियों के लिए: हाइड्रोजनीकृत नाइट्राइल रबर (HNBR) को प्राथमिकता दी जाती है, जिसमें 25MPa की एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत और खनिज तेल में केवल 3% की सूजन दर होती है - इसकी सेवा जीवन NBR की तुलना में 4 गुना है, जो इसे सीलबंद डायाफ्राम पंप और सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंपों के लिए आदर्श बनाती है।
30-40MPa कार्य स्थितियों के लिए: फ़्लुओरोरबर (FKM) या पेरफ़्लुओरोलेस्टोमेर (FFKM) की अनुशंसा की जाती है। एफकेएम में 30 एमपीए की एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत है, जबकि एफएफकेएम 40 एमपीए तक पहुंच सकता है - जो उच्च दबाव वाले सीलबंद द्रव दिशा नियंत्रण वाल्व के लिए उपयुक्त है।
एफकेएम में 15% -20% कार्बन फाइबर जोड़ने से घर्षण गुणांक को कम करते हुए इसकी एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत 30% तक बढ़ सकती है, जिससे माइक्रो सीलबंद हाइड्रोलिक पंपों का प्रदर्शन बढ़ जाता है।
2. संरचनात्मक नवप्रवर्तन
"प्राथमिक सील + सहायक सुरक्षा" का एक समग्र डिज़ाइन अपनाया गया है: सील के कम दबाव वाले हिस्से पर एक पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन (पीटीएफई) रिटेनर (मोटाई 1.5-2 मिमी, कठोरता ≥50 शोर डी) स्थापित करने से एक्सट्रूज़न जोखिम को 90% तक कम किया जा सकता है। 35MPa पिस्टन पंप (मिनी सीलबंद वाल्वों से सुसज्जित) को दोबारा लगाने के बाद, सील सेवा जीवन को 300 घंटे से बढ़ाकर 1500 घंटे कर दिया गया।
सील क्रॉस-सेक्शन को अनुकूलित करना: वाई-रिंग्स के लिप कोण को 60° से 45° तक बदलने से अधिक समान संपर्क दबाव वितरण सुनिश्चित होता है, जिससे घर्षण गुणांक 15% कम हो जाता है - जो सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंपों के लिए फायदेमंद है।
यू-रिंग्स के नीचे 0.5 मिमी फ़िलेट जोड़ने से तनाव एकाग्रता कम हो जाती है और आंसू प्रतिरोध 20% बढ़ जाता है, जिससे माइक्रो सीलबंद हाइड्रोलिक पंपों के स्थायित्व में सुधार होता है।
3. प्रक्रिया नियंत्रण
संभोग सतह की सटीकता सीधे सीलिंग प्रदर्शन को प्रभावित करती है: सीलिंग सतह की खुरदरापन को Ra0.4-0.8μm के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए; Ra > 1.6μm रिसाव चैनल बनाएगा। 25MPa वाल्व (एक सीलबंद द्रव दिशा नियंत्रण वाल्व) को पीसने के बाद, रिसाव 0.5mL/मिनट से कम होकर <0.01mL/मिनट हो गया।
रेडियल सील गैप ≤0.1 मिमी होना चाहिए; 0.2 मिमी से अधिक होने पर एक्सट्रूज़न जोखिम काफी बढ़ जाता है। 30 एमपीए हाइड्रोलिक वाल्व (सीलबंद डायाफ्राम पंप के साथ प्रयुक्त) के अंतर को कम करने के बाद, सील विफलताओं की संख्या में 75% की कमी आई।
अनुकूलन का अनुभवजन्य मामला
एक तेल क्षेत्र के 35MPa उच्च दबाव वाले जल इंजेक्शन पंप में मूल रूप से NBR O-रिंग्स का उपयोग किया जाता था। अपर्याप्त एंटी-एक्सट्रूज़न ताकत, Ra=1.6μm की सीलिंग सतह खुरदरापन और रिटेनर डिज़ाइन की अनुपस्थिति के कारण, सील सेवा जीवन केवल 15 दिन था।
अनुकूलन योजना: उच्च दबाव की मांगों के लिए एंटी-एक्सट्रूज़न प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए एनबीआर को कार्बन फाइबर-प्रबलित एफकेएम (कठोरता 85 शोर ए) से बदलें।
एक्सट्रूज़न को रोकने के लिए 2 मिमी-मोटा पीटीएफई रिटेनर स्थापित करें - पंप में मिनी सीलबंद वाल्वों की सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण।
सीलिंग सतह को Ra0.4μm तक पीसें और रिसाव चैनलों को खत्म करने के लिए अंतर को 0.08 मिमी तक नियंत्रित करें।
अनुकूलन परिणाम: सील सेवा जीवन को 180 दिनों तक बढ़ा दिया गया था, रिसाव को 1.2 लीटर/दिन से घटाकर 0.05 लीटर/दिन कर दिया गया था, और वार्षिक डाउनटाइम घाटे में लगभग 500,000 आरएमबी की कटौती की गई थी। यह मामला सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंपों और इसी तरह के उच्च दबाव वाले उपकरणों के लिए 3डी रणनीति की प्रभावशीलता को मान्य करता है।
निष्कर्ष
उच्च दबाव पंप वाल्व सील का अनुकूलन अनिवार्य रूप से सामग्री प्रदर्शन, संरचनात्मक डिजाइन और संभोग परिशुद्धता की "संतुलन कला" है। कोई "एक आकार-सभी के लिए फिट" समाधान नहीं है; विशिष्ट कार्य स्थितियों (दबाव, माध्यम, तापमान और गति मोड) के आधार पर अनुकूलित रणनीतियाँ विकसित की जानी चाहिए। "सील - संभोग सतह - कार्यशील स्थिति पैरामीटर" का एक सहसंबंध डेटाबेस स्थापित करने और स्रोत पर विफलता जोखिमों को खत्म करने के लिए प्रारंभिक परीक्षणों (उदाहरण के लिए, उच्च दबाव सिमुलेशन प्रयोगों) के माध्यम से योजनाओं की व्यवहार्यता को सत्यापित करने की सिफारिश की जाती है - उच्च दबाव वाले वातावरण में मिनी सीलबंद वाल्व, सीलबंद द्रव दिशा नियंत्रण वाल्व, सीलबंद डायाफ्राम पंप, सीलबंद द्रव स्थानांतरण पंप और माइक्रो सीलबंद हाइड्रोलिक पंप की दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करना।
