کاربردهای نانوپوشش های سخت و مقاوم در سیل های مکانیکی

از آنجا که فناوری نانو، یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می­باشد، این فناوری کاربردهای گسترده­ای در صنعت نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی یافته است. به­عنوان مثال بخشی از افزایش راندمان پمپ­ها در صنعت نفت و گاز را می­توان به پوشش­دهی سیل­های مکانیکی ارتباط داد. سیل­های مکانیکی یک قطعه بحرانی در پمپ‎ها هستند. مهمترین دلیل آسیب‎دیدگی در پمپ‎ها سطوح لغزش آن‏هاست که به دلیل روانکاری نامناسب تخریب می‎شوند. از این­رو این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش سخت و مقاوم در سیل­های مکانیکی در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی» معطوف شده است.

یک سیستم از محلی دچار از کارافتادگی می­شود که ضعیف‎تر باشد. این قانون به صورت کلی به تمام حوزه‎های صنایع قابل تسری 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 نیتریداسیون و کربوراسیون سطح بود. بعدها آبکاری انواع پوشش­ها معرفی شد که هم­اکنون در داخل کشور نیز مورد استفاده قرار می­گیرد. اگرچه این روش­ها سال­ها در دنیا مورد توجه قرار گرفته­اند اما در دو دهه اخیر با ظهور فناوری­های نوین، فرایندهای 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 به روزترین فرایندها، 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 بزرگ مانند صنعت نفت،گاز و پتروشیمی به خود اختصاص دهند.

در صنعت نفت،گاز و پتروشیمی، حفظ و نگهداری تجهیزات 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 بردن هزینه های تولید و تعمیر و نگهداری خواهد شد. در سال­های اخیر با گسترش علم نانو، شرکت­های بزرگ نفتی سعی در استفاده از فناوری نانو در بخش­های مختلف صنایع نفت و گاز دارند. پتانسیل­های زیاد فناوری نانو به خصوص در شاخه نانوپوشش ها باعث شده است که بخش فراوانی از فعالیت­های تحقیق و توسعه شرکت­های بزرگ نفتی به استفاده از این فناوری معطوف شود. در این زمینه یکی از تجهیزات مهم در صنعت نفت، گاز و صنایع وابسته استفاده از سیل­های مکانیکی در پمپ­ها و تجهیزات مورد استفاده در این صنایع می­باشد.

موارد کاربرد سیل­های مکانیکی در بخش­های مختلف صنعت نفت

• اهمیت بکارگیری نانوپوشش­ها در سیل­های مکانیکی

قابلیت اطمینان و به صرفه بودن اقتصادی پمپ­ها به سبب افزایش دوره‎ی زمانی تعمیر تجهیزات بسیار حائز اهمیت می‎باشد. سیل­های مکانیکی پمپ­ها کوتاه‎ترین زمان تعویض را بین قطعات مختلف پمپ‎ها دارند. بنابراین بیشترین تاثیر بر روی دوره‎ی زمانی تعویض ناشی از سیل­های مکانیکی می‌باشد. بررسی‎های بین‎المللی نشان می‎دهد که سیل­های مکانیکی عامل 39% از کارافتادگی پمپ‎ها و همچنین این کار افتادگی حدود 44% تمامی هزینه‎های تعمیر پمپ­ها است.

هزینه‎ی تعمیر پمپ‎ها و دلائل از کارافتادگی پمپ‎ها

• چند چالش­ مهم در عملکرد سیل­های مکانیکی

چهار مشکل عمده در صنعت نفت و گاز عبارتند از : پدیده خوردگی، فرسایش، خستگی و سایش

سیل­های مکانیکی یک قطعه بحرانی در پمپ‎ها هستند. مهمترین دلیل آسیب‎دیدگی در پمپ‎ها سطوح لغزش آن‏هاست که به دلیل روانکاری نامناسب تخریب می‎شوند. در گذشته مواد مورد استفاده برای درزگیرها از جنس مواد سخت مانند کاربید تنگستن، گرافیت و کربن، برنز، فولاد زنگ­نزن و استلایت ساخته می­شدند. به منظور جلوگیری از پدیده­ی Galling سطوح در تماس با یکدیگر معمولا سختی نابرابر داشتند و یکی از قطعات نقش خود روانکار داشت در حالیکه سطح دوم از مواد مقاوم به سایش ساخته می­شدند. مشکلی مانند سایش و همچنین مشکلات ذاتی قطعات شامل مقاومت به ترکیبات شیمیایی، استحکام محدود و غیره، منجر به از کار افتادگی آن­ها شده و می­بایست حداقل یکی از این قطعات تعویض شوند. آنالیزی که بر روی تخریب سیل­ها توسط شرکت Eagleburgmann انجام شد نشان می­دهد که تخریب 55% از سیل­های مکانیکی ناشی از حرکت خشک سطوح است. لذا حدود 21% تمام خرابی پمپ­ها ناشی از حرکت خشک سطوح در درزگیرهای مکانیکی است. استفاده از نانوپوشش­ها در این قطعات سبب بهبود خواص، افزایش عمر کاری تجهیزات و صرفه­جویی اقتصادی می­شود. در فناوری نانوپوشش به­دلیل ماهیت نانویی، خواص متفاوت و منحصر به فردی در سطح قطعه ایجاد خواهد شد. افزایش فوق­العاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال و ضریب اصطکاک 05/0 از جمله این خواص می­باشد. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش­ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.

دلایل تخریب سیل­های مکانیکی

رسوبات سخت در سطح سیل و افزایش ضخامت آن­ها (الف)، که منجر به جدایش سطوح سیل می­شود.

• 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)

• برخی کاربردهای تجاری­شده نانوپوشش­ها در بهبود عملکرد سیل­های مکانیکی

سیل­های مكانيكي در تجهيزات دوار شامل توربين‎ها، كمپرسورها و پمپ‎ها مورد استفاده قرار مي‎گيرد. قابليت اطمينان سیل، متغير اصلي براي قابليت اطمينان تمام تجهيز است. عملکرد سیل­های مکانیکی بر روي كارايي پمپ­ها موثر است. زماني كه سیل­ مکانیکی به درستي كار كند، چندان مورد توجه قرار نمی­گیرد، اما زماني كه شروع به نشت مي‎كند، مشكلات عدیده ای ایجاد مي‎شود.

سیل­ مکانیکی شامل دو جزء اصلي است: قطعه چرخان و قطعه ثابت، که قطعه چرخان به صورت محوري وارد قطعه ثابت مي‎شود.

عواملی مانند شرایط کاری شدید و محیط عملکردی مخرب، انباشت رسوبات سخت بر روی سطوح و ایجاد ذرات سایشی، حرارت اصطکاکی، مواد سخت سازنده، عدم تنظيم دقيق فاصله و ضخامت لايه‎ي روانكار و سایر عوامل، سبب تخریب سیل­های مکانیکی می­شود و هزینه­های بالایی برای این صنایع داشته است.

.

قطعات مورد استفاده در سیل­ مکانیکی

انواع مختلف پوشش ها شامل DLC، HVOF، پاشش پلاسما و پوشش‎هاي حاصل از PVD براي پوشش­دهی سیل­های مكانيكي مورد استفاده قرار می­گیرند. مشكل پوشش‎هاي DLC و PVD ضخامت كمتر از µm 10 اين پوشش‎هاست و امكان كنده شدن آن‎ها در اثر ذرات سخت وجود دارد. از طرف ديگر پوشش‎هاي PVD و پاشش حرارتي امكان پاشش بر روي سطح خارجي قطعات را دارند. از پوشش هارداید ایجاد شده به روش رسوب‎دهي شيميايي فاز بخار (CVD) براي كاربردهاي متنوع از جمله صنعت نفت و گاز استفاده می­نمایند. پوشش هاردايد به صورت اتم به اتم از فاز گازي بلوري شده و يك پوشش مناسب با قابليت اعمال بر روي سطوح پيچيده را فراهم مي‎كند.

بنابراين اين پوشش نه تنها سطوح سیل اصلي را محافظت مي‎كند، بلكه امكان استفاده از آن در سطوح ثانويه و سطوح داخلي سیل ها مانند O-ring و ساير سطوحی كه در معرض جريان فرسايشي قرار دارند نيز وجود دارد.

نمونه­ای از سیل­های صنعتی مورد استفاده

شرکت Eagleburgmann، با بهر­ه­گیری از پوشش DiamondFace (پوشش از جنس بلورهای خالص الماس) امکان استفاده از سیل­ها برای محیط­های مختلف کارکرد پمپ سیل­های نفتی و گازها را فراهم کرده است. این پوشش با کاهش ضریب اصطکاک، افزایش مقاومت به سایش و مقاومت شیمیایی، کاهش زبری سطح و همچنین افزایش چسبندگی، سبب افزایش عمرکاری و کاهش چشم­گیر هزینه‎های ناشی از تعویض سیل­های مکانیکی می­گردد.

مقایسه عمر کاری پمپ گریز از مرکز با استفاده از پوشش DamondFace و بدون این پوشش

همچنین محققان شركت ARGONNE با استفاده از پوشش­های الماسه حاوی نانوذرات بلوري (UNDC) به افزایش بازدهی و صرفه اقتصادی بالای سیل­ها دست یافته­اند. پوشش UNDC براي سیل­های دوار با اصطكاك كم به صورت تجاري و توسط شركت ADT تجاری شده است. اين پوشش منجر به كاهش اصطكاك در فصل مشترك سیل به میزان 75% مي‎شود.

این تصویر در پاورقی استفاده شود: نمونه ای از پوشش UNDC پس از پولیش.

سیل نوع A05 UNDC كه شامل رينگ با پوشش UNDC (سمت چپ) و قطعه SiC دوار در سمت راست

مقایسه بین سطح سیل سیلیکون کاربید بدون پوشش (سمت راست) و با پوشش UNDC پس از کارکرد در آب که هیچ‎گونه سایشی در سطح آن مشاهده نمی‎شود.

این تصویر در پاورقی استفاده شود: تصویر از قطعه با پوشش الماسه و تصویر میکروسکوپی از سطح پوشش

انواع مختلفي از پوشش DLC با سختي HV 4000-1000 و ضخامت mm 10-1/0 جهت لایه­نشانی سیل­های مکانیکی مورد استفاده قرار می­گیرند. هنگامی که این پوشش در تماس با خود قرار می­گیرد حتی زمانی که روانکاری انجام نشود، میزان سایش  ناچیز 2/0– 08/0 نانومتر بر ساعت مشاهده می­شود. از طرف دیگر به دلیل حرارت تولیدی کم، ظرفیت سرمایشی کمی نیاز دارد. هزینه کلی سیل­های مکانیکی با پوشش DLC، به دلیل پایین آمدن هزینه تعمیر و نگهداری و قابلیت این پوشش در کارکرد در شرایط سخت به صورت چشم­گیری کاهش می­یابد. اين پوشش بسياري از خواص الماس را داراست و از لحاظ شيميايي خنثي و همچنین دارای زبری سطحی پایین می­باشد. در صورت استفاده از اين پوشش در سیل­های مكانيكي پمپ، به دليل زبری سطحی پایین، نيروي مورد نياز براي به كار انداختن تجهيز در حدود 20% كاهش می‎یابد.

سیل­های شركت AESSEAL مطابق با استاندارد API 682 ساخته مي‎شوند. يكي از محصولات اين شركت سیل مكانيكي مدل CSS مي‎باشد. سطح تماس اين سیل­ها با پوشش‎هايي از جمله كربن و الماس مصنوعي پوشش داده مي‎شوند.

سیل مكانيكي از نوع CSS

شركت WCIS TOTALSEAL از فناوري نانو جهت پوشش‎دهي Sleeve شفت‎ها در سیل­های مكانيكي استفاده كرده و مدعي است اين پوشش نسبت به پوشش مرسوم كاربيد تنگستن عمري معادل 3 تا 4 برابر بیشتر دارد. اين شركت برخي از ويژگي‎هاي نانوپوشش مورد استفاده خود (NANO) در مقايسه با پوشش‎هاي پاشش حرارتي را استحکام چسبندگی دو برابری، افزایش 4 برابری مقاومت سایشی، بهبود چکش­خواری و تافنس بیان کرده است. اين پوشش به دلیل دارا بودن خواصی چون سختي (در حدود HV1100) و چگالي بالا (تخلخل كمتر از 1%) از خوردگي در فصل مشترك پوشش و بستر جلوگيري مي‏كند.

پوشش سیل شفت برای خطوط انتقال نفت خام.

خلاصه مدیریتی

افزایش عمرکاری و بهبود عملکرد سیل­های مکانیکی مورد استفاده در صنایع نفت و گاز، 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. متاسفانه به­دلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکرد سیل­ها نظیر انباشت رسوبات سخت بر روی سطح و ایجاد ذرات سایشی، حرارت اصطکاکی، مواد سخت سازنده،  عدم تنظيم دقيق فاصله و ضخامت لايه‎ي روانكار، سبب تخریب سیل­های مکانیکی می­شود و هزینه­های بالایی برای این صنایع داشته است. در این گزارش سعی شده تا با نگاهی به فناوری نانوپوشش ها بتوان مشکلات سیل­های مکانیکی 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 هموار نماید.

————————————————–

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]

 ====================================================================================