از آنجا که فناوری نانو رویکردی جدید به همه علوم و فنون میباشد، کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف از جمله صنعت پمپ یافته است. بهعنوان مثال بخشی از افزایش راندمان پمپها در صنعت نفت و گاز را میتوان به پوششدهی سیلهای مکانیکی، پرهها و نازلها ارتباط داد. سیلهای مکانیکی، پرهها و نازلها از قطعات بحرانی در پمپها هستند. از دلایل آسیبدیدگی در پمپها، مواجهه قطعات آنها با پدیده های سایش، خوردگی، تنشهای حرارتی و کاویتاسیون میباشند. از اینرو این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش های سخت و مقاوم در صنعت پمپ» معطوف شده است.
در بسیاری از حوزه های مهندسی به منظور رسیدن به راندمان کاری بهینه، لازم است تا عملیات سطحی روی قطعات اعمال شود. بیش از یکصد سال است که از عملیات سطحی و استحکامبخشی موضعی سطح، به عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قطعات استفاده میشود. نخستین فرایندهای سطحی شامل نیتراسیون و کربوراسیون سطحی بود. بعدها آبکاری و انواع پوششها معرفی شد که هماکنون در داخل کشور نیز مورد استفاده قرار میگیرند. اگرچه این روشها سالها در دنیا مورد توجه قرار گرفتهاند، اما در دو دهه اخیر با ظهور فناوریهای نوین، فرآیندهای سنتی گذشته یا با این فناوری تکمیل و اصلاح شده و یا اینکه جایگزین مناسبی برای آنها معرفی شده است. معایبی از قبیل اعوجاج در قطعات حین فرایند نیتروژندهی مایع و گازی، مضرات زیست محیطی در فرایند آبکاری کروم سخت، تنها برخی از این عیوب هستند. ضمن اینکه خواص و بهبود عمر حاصل از روشهای نوین بسیار بیشتر از فرآیندهای سنتی است. از مهمترین و بهروزترین فرآیندها، می توان به ایجاد پوشش های نانوساختار بر روی سطوح اشاره کرد. این دسته از پوشش های سطحی به علت دارا بودن خواصی چون سختی، تراکم و چسبندگی خوب و قابلیت تطبیق ترکیب و ساختار پوشش با شرایط محیطی سایشی و خوردگی، توانستهاند جایگاه ویژهای در صنایع به خود اختصاص دهند.
حفظ و نگهداری پمپ ها و اجزای آنها در برابر خوردگی، سایش، فرسایش و عوامل مخرب دیگر، از موارد مهم و تاثیرگذار در افزایش راندمان اقتصادی است که بیاعتنایی به این مسائل سبب توقف تولید و همینطور بالا رفتن هزینه های تولید، تعمیر و نگهداری خواهد شد. در سالهای اخیر با گسترش علم و فناوری نانو، شرکتهای بزرگ سازنده پمپها، سعی در استفاده از فناوری نانو برای افزایش راندمان محصولات دارند. قابلیتهای زیاد فناوری نانو به خصوص در شاخه نانوپوشش ها بخش زیادی از فعالیتهای تحقیق و توسعه شرکتهای بزرگ را به استفاده از این فناوری معطوف کرده است. در این زمینه یکی از تجهیزات مهم در صنایع مختلف، پمپها میباشد.
براساس گزارش ارائه شده توسط گروه FREEDONIA در سال 2016 ، 76 بیلیون دلار تقاضا برای پمپ ها در جهان وجود خواهد داشت. از سوی دیگر گزارشات نشان می دهد که 20% از تقاضای الکتریسیته جهان برای سیستم های پمپ و 95 % مصرف انرژی به اجرای تجهیزات پمپ میباشد. لازم به ذکر است که تنها ساخت پمپ های پالایشگاه های گاز در داخل کشور، سالانه ۴۰۰ میلیون دلار صرفهجویی ارزی به همراه دارد و این تنها بخشی از هزینه های پمپ در کشور است. از اینرو فناوری نانو پوششها با کاهش اصطکاک و ایجاد مقاومت به عوامل مخرب، منجر به کاهش اتلاف انرژی، مصرف الکتریسیته و افزایش کارایی پمپها میگردد.
میزان تقاضا برای پمپ در صنایع مختلف توسط Flow Control. (نمودار نیاز به بازطراحی دارد)
مصرف بالای الکتریسیته در پمپ ها در مقایسه با صنایع و تجهیزات دیگر. (نمودار نیاز به بازطراحی دارد)
- چند چالش مهم در عملکرد پمپها
از مهمترین عوامل تخریب پمپها، میتوان به پدیدههای خوردگی، فرسایش و کاویتاسیون اشاره کرد. برای مثال فرسودگی و سایش پروانه و بدنۀ پمپ موجب کاهش بازدهی عملکرد پمپ و افزایش مصرف انرژی خواهد شد. از اینرو برای حل این چالش، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح»[1] و اعمال نانوپوشش ها توانسته اند درصد تخریب قطعات را کاهش دهند. در سال های اخیرفناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. فناوری نانوپوشش بهدلیل ماهیت نانویی پوشش ها، خواص متفاوت و منحصر به فردی به قطعه خواهد بخشید. افزایش فوقالعاده سختی تا محدوده 50 گیگاپاسکال، ضریب اصطکاک 01/0، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به سایش و خوردگی از جمله این خواص میباشد تا در نهایت یک ساختار سطحی هموار بر روی اجزای پمپ ایجاد گردد تا موجب بالا رفتن عمرکاری، بازدهی و توان بالاتر در پمپ شود. برای آشنایی بیشتر با نانوپوششها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.
تخریب پروانه پمپ در اثر پدیده کاویتاسیون
- انواع نانوپوششهای سخت و مقاوم
نانوپوششها به دستهای از روکشها اطلاق میشود که دارای دو ویژگی زیر باشد:
- در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
- نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی
دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانو پوششهای سخت و مقاوم
فناوری نانوپوشش به دلیل نیازهای صنعتی دستخوش تغییرات شده است، به طوری که تاکنون پوششهای نسل های مختلف توسعه یافتهاند. در زیر به این پوشش ها اشاره شده است.
- نسل اول: پوشش های دوجزیی TiN ، TiC،CrN و ZrN
- نسل دوم: پوششهای سه جزیی مانند پوششهای TiCN، TiAlN، TiSiN و AlCrN
- نسل سوم: پوششهای چندلایه و ابرشبکهای مانند پوششهای TiN/VN و TiN/TiAlN
- نسل چهارم: پوششهای نانوکامپوزیتی مانند پوشش TiAlSiN
- نسل پنجم: پوششهای خودروانکار جامد (DLC) با ضریب اصطکاک در حدود 05/0
- نسل ششم: پوششهای هیبریدی، ترکیبی از دو نسل مختلف (Triple & Quad coat)
| پوشش نانوکامپوزیتی پوشش نانولایه پوشش چندلایه پوشش گرادیانی پوشش چندجزئی پوشش تک لایه |
- برخی کاربردهای تجاریشده نانوپوششها در بهبود عملکرد پمپها
پمپ ها در صنایع مختلفی از جمله: نفت، گاز و پتروشیمی، آب، کشاورزی و صنایع غذایی، دارویی، انرژی و نیرو، حمل و نقل و غیره کاربردهای فراوانی دارند. با استفاده از نانو پوششها در صنعت پمپ، میتوان خوردگی، سایش، کاویتاسیون و مصرف الکتریسیته را به طور چشمگیری کاهش داد. همچنین با حذف روغن های معدنی در پمپها میتوان از آلودگی محیط زیست جلوگیری کرد. امروزه در سطح جهان نانوپوششهای مختلفی از جمله DLC، TiN، CrN ، TiAlN و غیره بر روی پره و نازل پمپ، سیلهای مکانیکی، شفت، رینگ و بلبرینگ پمپها اعمال میشود. در ادامه کاربرد نانوپوششها در پمپ های مورد استفاده در هر صنعت به اختصار توضیح داده میشود.
5-1. صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
پمپهای پیچی کاربردهای فراوانی در تاسیسات گازوییل رسانی، مشعلهای نفت سوز صنعتی، سرویس روغن کاری، فرآیندهای شیمیایی، صنایع نفت و هیدرولیک سنگین دارند. شکل زیر یک پمپ پیچی تولید شده توسط شرکت EMTEC با پوشش چندلایه PVD با سختی 1200 ویکرز و مقاومت به سایش عالی را نشان میدهد. شرکت ترمیکو از نانوپوششهای کاربید تنگستن-کبالت برای پوشش دهی سطح پوسته و پرههای پمپهای گریز از مرکز استفاد مینماید. از ویژگیهای این پوشش میتوان به زبری سطح پایین و تافنس بالای آن اشاره کرد.
پمپ پیچی تولید شده توسط شرکت EMTEC
شرکت Hardide از روشهای CVD دما پایین به منظور پوششدهی قطعات هیدرولیکی پمپ گل استفاده می نماید. این پوشش شامل زمینهی فلزی تنگستن و ذرات نانومتری کاربید تنگستن است که مقاومت به سایش و شیمیایی عالی و همچنین سختی بیش از HV 3500 دارد. این پوشش ها در لایه نشانی اجزای پمپهای گل، شیرها و پمپهای گریز از مرکز مورد استفاده قرار میگیرند.
پمپ گل شرکت Cameron که اکثر اجزای آن شامل پره ها، شفتها، نازلها، رینگهای، محرک های جریان، روتورها، یاتاقان ها، دریچه های توپی و کنترلی و … توسط شرکت هارداید و ionbondپوشش دهی می شوند.
5-2. آب و کشاورزی
سیستمهای هیدرولیکی در صنعت کشاورزی کاربردهای فراوانی دارند. استفاده از روغن های هیدرولیکی در این سیستمها یک خطر جدی برای محیط زیست محسوب می شود. استفاده از نانو پوشش ها بر روی سطوح پمپ های هیدرولیک در کنار کاهش آلودگی زیست محیطی، میتواند خواص سایشی و اصطکاکی مناسبی برای آنها فراهم نماید. یکی از پوششهای مناسب برای اجزای هیدرولیکی، خانواده نانوپوششهای کاربید های زیرکونیم میباشد. شرکت بالزرز به عنوان یکی از شرکتهای پیشرو در صنعت پوششدهی، برای بهبود کارایی و افزایش عمرکاری اجزای پمپهای پیچی از نانوپوششهای DLC و WC/C استفاده مینماید.
سایش پیستون و قسمتی از یاتاقان پمپ دارای پوشش و بدون پوشش کاربید زیرکونیم
5-3.صنایع غذایی و دارویی
نمونهای از تجهیزات مقاوم به سایش در صنعت قند و شکر پمپها هستند. از آن جا که پس از شستشوی نیشکر و چغندر قند، پسماند حاصل حاوی خاک است، تجهیزات مورد استفاده و به ویژه پمپهای مورد استفاده در این قسمت باید مقاومت به سایش بالایی داشته باشند. تصویر یک پمپ صنایع غذایی در Error! Reference source not found. نشان داده شده است. در صورت پوشش دادن سطح داخلی این پمپها با نانوپوشش های مقاوم به خوردگی و سایش، عمر کاری آنها افزایش مییابد. به این منظور میتوان از انواع نانوپوشش های مقاوم به سایش استفاده کرد.
تصاویر مربوط به پمپ مقاوم به سایش مدل AHLSTAR ساخته شده در شرکت Sulzer .
نانوپوششهای بر پایه الکترولس نیکل که توسط شرکت Surface Technology Inc. توسعه داده شده است، همگی دارای تاییدیه FDA هستند و اغلب آن ها هم مقاومت به سایش و هم مقاومت به خوردگی بالایی دارند. با افزایش درصد فسفر مقاومت به خوردگی و با کاهش درصد فسفر مقاومت به سایش و سختی افزایش مییابد. خوردگی این نانوپوششها در آزمون Salt Spray تحت استاندارد ASTM-B-117 بررسی شده است که تا 100 ساعت مقاومت به خوردگی از خود نشان داده اند. از این نانوپوششها میتوان در اکثر قطعات در معرض سایش و خوردگی در صنایع غذایی و نوشیدنی هم چون تیغههای برش، همزنها، پیستون هموژنایزر، قطعات پروانهای پمپ، شفتها، بلبرینگها و غیره استفاده کرد.
پوششهای سیل پمپ فرآوری مواد غذایی
سیلهای پمپهای مکانیکی فرآوری مواد غذایی از فولادهای ضد زنگ مانند 316L ساخته میشوند. این قطعات برای بهبود خواص سایشی با اکسیدهای سرامیکی و فلزی مانند اکسید کروم، پوششهای TiN، DLC و یا مواد حاوی کاربید لایهنشانی میشوند. پوششهای در تماس با غذا دارای سختی 7000-1400 ویکرز می باشند که به دلیل مقادیر بالاتر سختی این پوششها نسبت به مواد ساینده در غذا از پدیده سایش جلوگیری می کنند. این پوششها حتی برای جلوگیری از سایش در برابر مواد بسیار ساینده مورد استفاده قرار میگیرند. به دلیل ویژگیهایی نظیر صافی و پرداخت سطوح سیلها، به پوشش نیاز است. نکته جالب در مورد سیلها این است که میتوان اکثر پوششهای PVD را بر روی آنها اعمال کرد.
5-4. صنایع دریایی
از اواخر دهه80 میلادی، شرکت بالزرز پوششهایPVD را برای پیستونها، توزیع کنندهها و پمپ های تک سیلندر در موتورهای دیزلی دریایی استفاده کرده است. پیستونها در پمپ های تزریقی موتورهای بزرگ توسط انواع پوششهای DLC لایهنشانی می شوند که به اقتصاد بهتر و کاهش ایجاد گازهای مضر کمک می کند. تعدادی از پوشش های کاربردی در صنایع دریایی به طور خلاصه در جدول زیر آمده است.
خلاصه ای از پوشش های مورد استفاده در صنایع دریایی
| کاربرد | جنس پوشش | روش پوشش دهی | توضیحات | |
| 1 | قطعات حساس پمپ ها | TiN, CrN, ZrN
TiCN, TiAlN, AlTiN TiAlCrN, TiAlVN |
PVD | کاهش خوردگی کاویتاسیونی/ کاهش میزان سایش و خستگی |
| 2 | پمپ های فشار بالا | DLC پوشش | PVD-PACVD | سختی و مقاومت به خوردگی بسیار بالا |
| 3 | پیستونها در پمپ های تزریقی موتورهای بزرگ | DLCانواع پوشش | PVD-PACVD | کاهش ایجاد گازهای مضر/ کاهش مصرف سوخت |
| 4 | شفت، پره ها و ایمپلرها | پوششهای سرامیکی و فلزی | پلاسمای شعله ای/ سایر روش ها | مقاومت به خوردگی، سایش، فرسایش و کویتاسیون |
5-5. صنایع عمومی
شرکت بالزرز از نانو پوششهای DLC بر روی قطعات پمپ های مورد استفاده در صنایع عمومی استفاده می کند. همچنین این شرکت از پوششهای CrN نیز در برخی پمپ ها استفاده میکند. این پوشش با ضخامت 50 میکرون برای کاربردهای دقیق و تحت سایش خراشی کاربرد دارد.
پوشش TiAlN با مقاومت به سایش عالی، مقاومت فشاری و مقاومت به دمای بالا تا 900 درجه سانتیگراد، در پمپ ها و قطعات ماشین های هیدرولیک وقطعات موتورها کاربرد زیادی دارد.
نمودار ها مقایسه خواص سایشی و خوردگی پوششهای این شرکت با روشهای مختلف پوشش دهی را نشان می دهد.
تصویر شماتیک و یک قطعه لایه نشانی شده از پمپ انژکتوری دیزلی توسط شرکت بالزرز (پوشش DLC-Balinit)
عمر سرویس در نمونه بدون پوشش و با پوشش WC/C یا Bilinit DLC
نیروی بالا در بسیاری از موتورهای هیدرولیک، روانکاری را مشکل می سازد و سایش چسبنده رخ می دهد. پوشش DLC ، اصطکاک استاتیک بین غلطک و فولاد خاکستری پیستونها را تا 40% و همچنین هدر رفتن انرژی در استارت موتور را 18% کاهش می دهد و لازم به ذکر است که فرآیند Stick-slip رخ نمیدهد.
پوشش WC/C کارایی یاتاقانها را افزایش می دهد و طبق گزارش های واصله، تقریبا پس از 58000 دور، سایشی قابل مشاهده نبوده است، در مقابل غلتک های فولادی پوشش داده نشده به اندازه 10 میکرومتر سایش نشان داده اند. ساخت برخی اجزای پمپ های پیستونی محوری از فولاد پوشش داده شده با DLC به جای برنز، دوام پمپ های پیستونی محوری را بسیار افزایش می دهد.
سایش و دفرمه شدن قطعه برنزی در کنار سایش کمتر از یک میکرون برای قطعه با پوشش DLC
در پمپ های پره ای با روغن فاقد افزودنی، پره های بدون پوشش تنها پس از چند دقیقه قرار گیری در شرایط تست، دچار سایش می شوند. نمودار زیر نشان می دهد که پره های دارای پوشش DLC نسبت به نمونه بدون پوشش و نمونه با پوشش TiN عمر سرویس بسیار بیشتری دارند. اجزای این پمپ ها (شفت و رینگ) با انواع مختلف سایش مواجه می شوند. یک لایه سخت نازک TiAlN سایش را تا حد قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.
افزایش عمر قطعات پمپ با پوشش WC/C
کاهش تلفات با پوشش دهی شفت و رینگ در چرخدنده
برخی از پوششهای مورد استفاده در صنایع عمومی
| کاربرد | جنس پوشش | روش پوشش دهی | توضیحات | |
| 1 | پمپ های هیدرولیک و جا به جایی | ZrC | PVD/CVD
/ PACVD/ Spray |
ممانعت از آلودگی محیط زیست و خواص سایشی و اصطکاکی مناسب |
| 2 | پمپ پیچی/ شفت و رینگ | TiAlN | مقاومت به سایش و سختی بالا | |
| 3 | پمپ های پیستونی/
پره پمپ های پره ای |
DLC | دوام بسیار بالا/ کاهش اصطکاک استاتیک/ کاهش هدر رفت انرژی | |
| 4 | یاتاقان در پمپ پیستون شعاعی | WC/C | کاهش شدید سایش | |
خلاصه مدیریتی
افزایش عمرکاری و بهبود عملکرد پمپهای مورد استفاده در صنایع، بهعنوان یکی از پرکابردترین قطعات این صنایع، بسیار مورد توجه فناوران و شرکتهای دانشبنیان قرار گرفته است. از سوی دیگر فناوری نانو، به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی قرن بیست و یکم به عنوان راهکاری موثر برای بهبود فرآیندها و ارتقای عملکرد در این صنعت خواهد بود.
بهدلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکرد پمپها نظیر سایش، فرسایش و خوردگی شدید و همچنین تنش های حرارتی، تمامی این عوامل منجر به تخریب پمپها میشوند و هزینههای بالایی برای صنایع مصرفکننده در بر خواهد داشت.
در این گزارش سعی شده تا با نگاهی به فناوری نانوپوشش ها بتوان مشکلات پمپها در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی را مرور نمود و برای آنها راهکاری ارایه داد.
در این رهگذر کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، «مرکز توسعه نانوپوشش» را در سال 1393 تاسیس نمود. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی می باشد. لذا برای دستیابی به این مهم سازندگان تجهیزات لایهنشانی و مراکز خدمات فناوری را گرد هم آورده است تا بتواند از طریق حمایتهای مالی و معنوی خود مسیر رسوخ فناوری نانوپوشش در صنایع کشور را هر چه بیشتر تسهیل نماید.
[1]– در «مهندسی سطح» با اعمال فرایندهایی و با ایجاد روکشی از موادی بسیار سخت بر تجهیزات (بسته به روش مورد استفاده با ضخامت قابل کنترل بین 1 نانومتر تا 100 میکرومتر)، امکان افزایش سختی و مقاومت قطعات در برابر سایش و خوردگی وجود خواهد داشت.
————————————————–
تهیه و تنظیم:
- مرکز توسعه نانوپوشش گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
