منظور از دمای پایین چیست؟

نخست آنکه در اینجا منظور از دماهای پایین، دمای سیال پمپ شونده و نه دمای محیط است.  

دماهای بین صفر تا 50-( منفی 50) درجه سانتیگراد:  دامنه دمای سرمایش

و دماهای بین -50 تا -195 ( منفی 195):  دامنه دماهای cryogenic

در نظر گرفته می شوند. البته خود این دو دامنه نیز تقسیم یندی درونی دارند که از چارچوب این گفتار خارج است.

اصولاً چرا باید در چنین دماهایی پمپاژ داشته باشیم؟

برخی از آبگون ها( مایعات) فشار بخار بالایی دارند به صورتی که در دما و شرایط عادی فاز گازی به شدت فرار و آتش زایی دارند و نانتقال و انبارش و نگهداری آنها در فاز گازی بسیار دشوار است.

پروپیلین، اتان، متان و اتیلن چهار نمونه از این مواد هستند.

از سوی دیگر برخی مواد که فشار بخار بالایی نیز ندارند مثلاً اکسیژن در موارد مهمی مانند فضاپیماها  باید به صورت مایع جابجا شوند تا فضای کمتری اشغال و نسبت شیمیایی بسیار بهتری برای مشارکت در واکنش داشته باشند.

دماهای پایین چه تأثیری بر فیزیک و اجزای پمپ دارد؟

دمای پایین آبگون، دو اثر مشخص بر قطعات چرخنده و محوری پمپ دارد:

انقباض شدید و کاهش مقاومت مکانیکی

انقباض شدید باعث می شود قطعاتی مانند casing wear ring  و impeller wear ring  تا حد چسبیدن و جام مکانیکی به پروانه و محور پمپ نزدیک شوند. به صورتی که گاه طراح پمپ ناچار به حذف این قطعات می شود.

از سوی دیگر انقباض، طراحی پروانه پمپ را نیز محدود می کند و طراح گاه از گزینش پروانه  semi closed یا   closed   چشم پوشی می کند.

در گروه پمپهای BB کنترل دمای بیرینگها نیز کار آسانی نخواهد بود.

کاهش مقاومت مکانیکی اجزای پمپ در اثر سرما، اثر بزرگ و چشمگیر دیگر پمپاژ فراسرد است:

به خاطر می آوریم که مقاومت مکانیکی و نیز درصد ازدیاد طول انواع فولادها هر دو با کاهش دما، کاهش می یابند. که این پدیده در پمپها به عنوان ماشین آلاتی که عموماً فولادی بوده و نیز در معرض بارهای ضربه ای هستند، قابل چشم پوشی نیست.

دیاگرام زیر رابطه دما با مقاومت مکانیکی را نشان می دهد.

تصویر شماره دو رابطه دمای پایین با مقاومت ضربه ای مواد

پمپاژ در دماهای پایین:  چالشها و راهکارها

همانگونه که دیدیم دماهای پایین رفتار مکانیکی مواد سازنده پمپ را تحت تأثیر قرار می دهند. از این رو، بسیار روشن است که گزینش ماتریال مناسب برای ساخت پمپی که با شرایط دمای پایین سازگار باشد، اهمیت به سزایی دارد.

ماتریال ساخت در پمپهای ویژه دمای پایین

فولادهای ضد زنگ و فولادهای کربنی متدوال مانند ASTM- A216-77 WCB  گزینه خوبی برای هیدروکربنهای نه چندان خورنده تا دماهای (30-) درجه سانتی گراد هستند :هم استحکام خوبی دارند و هم مقاومت کافی در برابر خوردگی این گروه از هیدروکربن ها.

ولی این فولادههای پایه در دماهای پایین تر، ترد و شکننده می شوند و باید آنها را فولادهای گریدهای بالاتر و یا فولادهای عملیات حرارتی شونده، جایگزین کرد.

یک نمونه خوب و متداول از فولادهای مناسب برای دماهای پایین، ASTM A352-79 grade LC-3 است.

این فولاد به خوبی در برابر دماهای پایین تا حدود (100-) درجه سانتی گراد تاب می آورد.

تصویر شماره سه  ویژگیهای مکانیکی و شیمیایی A352

مواد مورد مصرف برای اجزای خیس پمپ( Wet Parts):

شفت و ایملر پمپهای دمای پایین، از فولاد معمول 316 ساخته می شوند و در این زمینه نباید به دنبال مواد ویژه ای بود.

درباره قطعات واسطه میان شفت و پوسته پمپ اما، داستان چیز دیگری است:

باید به دنبال موادی بود که اثر انقباض انبساط را به حداقل ممکن رسانده و لقی( clearance) این نواحی را که به اندازه کافی محدود هستند، محدودتر نکند.

برای این قطعات، 17-4 PH  گزینه خوبی به شمار می رود.

ترکیب شیمیایی این فولاد را  می توانید در جدول زیر ملاحظه فرمایید.

تصویر شماره چهار ترکیب شیمیایی 17-4 PH

سیلهای استاتیک در پمپاژ دمای پایین

بیشترین دشواری در پمپاژ دمای پایین به سیلهای استاتیک (مانند اورینگها) بر می گردد.

ماتریال مورد استفاده در این سیلها، بیشتر Silicon rubber است گرچه این ماده، میل به متخلخل شدن داشته و جذب چگالیده ها(میعانات) گازی را افزایش می دهد.

در زمان Shut down یا درخلال تغییرات دمای محیطی-فرایندی ، این میعانات خلل و فرج در اورینگ را بیشتر و بیشتر کرده و به معنای واقعی کلمه، اورینگ را منفجر می کنند. روشن است که بهترین سیلها نیز بدون اورینگ، کارایی ندارند بنابراین می بینیم که چگونه یک قطعه ساده، یک خرابی عمده را سبب می شود.

اخیراً نمونه Silicon rubber    بهبود یافته و پیشرفته استفاده می شود که هم کمتر خلل و فرج پذیر هست و هم کمتر جاذب میعانات گازی.

باید به خاطر داشت که مطالب بالا تنها در باره سیالات به فشار بخار نسبتاً بالا و مایل به چگالش صدق می کند و  اگر سیال پمپاژ، میل به بخار شدن نداشته باشد، همچنان می توان از اورینگهای متداول در ساختار سیل بهره جست.

آرایش و چیدمان سیلها در پمپاژ دمای پایین

در پمپاژ دمای پایین، مکانیکال سیلها بر پکینگ ارجحیت دارند چرا که فنر مکانیمال سیل می تواند خود را و سیل را با تغییرات دما، سازگار کند.

از سویی، نمناک بودن محیط سیل یا هر ماده قابل انجماد در سیل یا در  سطوح seal mating  می تواند کارکرد سیل را کاهش داده و نشتی را پدید آورد.

تصویر شماره پنجSilicon Rubber O-ring

آرایش سیلها به صورت چندتایی(tandem/double) می تواند به بهبود کارکرد سیل کمک کرده و محیط ایزوله ای برای سیل در برابر رطوبت هوای اشباع یا آلاینده های دیگر فراهم آورد.

گزینش چیدمان سیلها بیشتر به شرایط ایمنی فرایند پمپاژ و نیز سیاست شرکت سازنده بر می گردد ولی تجربه نشان داده است که در پمپاژ دمای پایین آرایش تک سیل( single seal arrangement) ارزانترین و قابل اعتمادترین گزینه است.

چرا که:

• نیازی به buffer نخواهد بود
• قطعات کمتر و احتمال خرابی کمتری خواهیم داشت
• سیلهای کمتر، هزینه کمتری برای خرید و نگهداری خواهند داشت.

بالانس فشار سیل در پمپاژ دمای بالا، کمی افزایش داده می شود ( از 65% به 75%) تا بتواند فشار کافی برای mating ring را فراهم آورد.

همچنین throttle bush  ها و seal spacer  ها هم برای محافظت از سطوح سیل و نیز پاکسازی آنها به
چیدمان سیل در پمپاژ دمای پایین افزوده می شوند.

برخی مکانیکال سیلها دارای wedge ring تفلونی ( PTFE) هستند. انقباض تفلون اما در دماهای پایین پمپاژ می تواند بازی محوری مکانیکال سیل را محدود کند. در دماهای کمتر از -32°C  این رینگ تفلونی می تواند با U-cap به همراه فنر ویژه خود جایگزین شود تا اثر انقباضی تفلون از میان برود.

تصویر شماره شش U-cap

درپمپاژ دمای پایین، بسیار مهم است که سمت اتمسفریک سیل را خشک و عاری از هرگونه نم نگه داریم. چنانچه نم در سوی اتمسفریک مکانیکال سیل فرصت یخ بستن پیدا کند، کارکد سیل به گونه چشمگیری کاهش خواهد یافت. دراین حالت باید از آبگونها یا گاز سازگار با پمپ برای زدودن نم بهره جست و با نم زدایی از این بخش جلوی یخ بستن سیل در سوی اتمسفریک را گرفت.

پیش از تحویل پمپ، سازنده باید سیل و همه سطوح سیل ها را پاکسازی کرده و پس از purge با یک گاز خنثی ( معمولا ازت) همه port ها را plug  نماید.ضمناً سازنده باید در MOI  پمپ توضیحات روشنی برای بهره بردار درباره تمیز و خشک نگه داشتن این ناحیه درج نماید.

آرایش و مدیریت سیلها به صورت TANDEM یا DOUBLE  در پمپاژ دمای پایین

در این حالت همان پیش بینی ها و تدابیر درباره SINGLE SEAL به کار می رود با این تفاوت که چون در این حالت، SEAL BUFFER هم خواهیم داشت، باید به نکاتی اضافه نیز توجه کرد:

• آبگون بافر باید کاملاً با ماتریال سیل و پمپ سازگار باشد.
• فشار بافر باید دست کم 20%  از فشار SEAL POT  بالاتر نگه داشته شود.
• Top seal در این حالت باید محافظت ویژه ای داشته باشد چرا که همه ریسکهایی که درباره یخ زدن سطوح اتمسفریک single seal  گفته شد در اینجا نیز وجود خواهد داشت. در این حالت، غالباً از یک سه راهی( T) استفاده می شود که یک راه این سه راهی برای ورود تیوب و سیالPURGE   و راه دیگر آن برای خروج PURGE  استفاده می شود.
• دستگاه ثابت سازنده سطح( Constant Level Quench Device ): در این چیدمان سیلها، این دستگاه یک فیلم ازآبگون را فراهم آورده و از تماس سطوح سیل با اتمسفر پیشگیری می کند. در این حالت چنانچه دما در حد (-90°C ( باشد توصیه میشود از موادی مانند متانول و چنانچه دما تا حد (-110°C ( است از اتانول استفاده شود.

تصویر شماره هفتQuench device

• PURGE با گاز خشک: این چیدمان سیل بسیار ساده و کارآمد بوده و به خوبی از عهده نم زدایی و خشک نگه داشتن ناحیه اتمسفریک سیل برمی آیدحتی اگر جریان تا اندازه 0.2 CFM باشد. گازهای نیتروزن و دی اکسید کربن برای این منظ.ر مناسب هستند و بسته به میزان flow    آنها می توانند اتمسفریک یا vent to flare شوند.