الحلقة O-ring المعدنية المجوفة هي حلقة مانعة للتسرب دائرية مصنوعة من أنابيب معدنية، عادةً ما تكون ذات مقطع عرضي دائري (مع إمكانية وجود أشكال بيضاوية أو مستطيلة، إلخ). تعمل هذه الحلقة عن طريق التشوه المرن تحت الضغط لملء الفجوات الدقيقة بين واجهات الختم، مما يحقق إحكامًا تامًا. وعلى عكس الأختام المرنة، صُممت هذه الحلقة خصيصًا لمواجهة تحديات الإحكام في البيئات القاسية التي تنطوي على درجات حرارة وضغط عاليين وفراغ عالٍ وتآكل شديد.
I. مبدأ العمل: التشوه المرن وختم خط الاتصال
يعتمد مبدأ إغلاق الحلقة المعدنية المجوفة O على آلية "اتصال الخط" الكلاسيكية، والتي تتضمن الخطوات الرئيسية التالية:
- التحميل المسبق والاتصال بالخط:
- عندما يتم شد الحواف أو الموصلات باستخدام البراغي، يطبق غطاء الأخدود قوة ضغط محورية على الحلقة المعدنية المجوفة O.
- تؤدي هذه القوة إلى تعرض جدار الحلقة المعدنية المجوفة إلىالتشوه المرن(التسطيح)، مع الضغط بقوة على جداره الخارجي أسفل أخدود الختم ولوحة الغطاء، مما يُشكل شريط ختم متصلًا بخط التماس. يوفر هذا التلامس الأولي الختم الثابت الأساسي.
- نظام الختم بمساعدة الضغط (تأثير تنشيط ذاتي):
- عندما يزداد ضغط النظام الداخلي، يعمل الضغط المتوسط على الجزء الداخلي من الحلقة O، إما من خلال فتحات التهوية في قاعدة الأخدود أو بشكل مباشر.
- ويؤدي الضغط إلى إجبار الحلقة O على التمدد للخارج، مما يضغط على شفة الختم (حافة التلامس التي تشكلت عن طريق التسوية) بشكل أكثر إحكامًا ضد سطح الختم المقابل.كلما زاد ضغط النظام، زاد ضغط التلامس المانع للتسربيعمل "تأثير تنشيط الذات" هذا على تعزيز موثوقية الختم بشكل كبير.
الفرق عن حلقات O المعدنية الصلبة:
- حلقات O المعدنية الصلبةتعتمد بشكل أساسي على قوى ضغط كبيرة لتشويه المعدن بلاستيكيًا لملء الفجوات. تتطلب هذه المواد قوى إحكام عالية، وغالبًا ما تكون غير قابلة لإعادة الاستخدام بعد تفكيكها.
- حلقات O معدنية مجوفةتعتمد بشكل أساسي على التشوه المرن لجدار الأنبوب، مما يتطلب قوى إحكام أقل بكثير ويوفر استردادًا مرنًا أفضل، مما يؤدي إلى إعادة الاستخدام بشكل فائق.
II. المزايا الأساسية
استناداً إلى مبدأ عملها والمادة المعدنية، توفر حلقات O المجوفة المعدنية المزايا البارزة التالية:
- تحمل واسع للغاية لدرجة الحرارة:أبرز ميزتها: حسب اختيار المادة (مثل: إنكونيل، الفولاذ المقاوم للصدأ 316، هاستيلوي)، فهي تتحمل درجات حرارة قصوى من-250 درجة مئوية إلى أكثر من 1000 درجة مئوية، متجاوزًا إلى حد كبير أي مادة مانعة للتسرب من البوليمر.
- أداء ممتاز في الختم تحت الضغط العالي والفراغ العالي:قادر على تحمل ضغوط فائقة تصل إلى مئات الميجا باسكال. في أنظمة التفريغ العالي، تضمن نفاذية الغاز المنخفضة جدًا للمعدن نفسه سلامة ممتازة للتفريغ.
- مقاومة ممتازة للتآكل:تتمتع السبائك الخاصة بالقدرة على مقاومة الأحماض القوية المختلفة، والقلويات، والمذيبات العضوية، وبيئات الأكسدة ذات درجات الحرارة العالية.
- لا زحف أو استرخاء، ختم طويل الأمد:لا تتسلل المواد المعدنية أو تتقدم في العمر مثل البلاستيك أو المطاط في درجات الحرارة العالية، مما يحافظ على قوة إحكام ثابتة على المدى الطويل ويمنع التسرب بسبب الاسترخاء.
- إمكانية إعادة الاستخدام:مع التصميم والتركيب الصحيحين، طالما لم يحدث سحق دائم (ضغط زائد)، يمكن تفكيكه وإعادة استخدامه عدة مرات، مما يقلل من تكاليف الصيانة طويلة الأمد.
- مقاومة الإشعاع:مناسب للبيئات المعرضة للإشعاع، مثل الصناعة النووية.
ثالثًا: تصميم أخدود التركيب والمعلمات الرئيسية
يُعد تصميم الأخدود أمرًا بالغ الأهمية لضمان عمل الحلقات الدائرية المعدنية المجوفة بشكل صحيح. الهدف الأساسي هو:لتوفير مساحة ضغط دقيقة للحلقة O مع تقييد تدفقها الجانبي.
1. أنواع الأخدود
- الأخدود المفتوح (الأكثر شيوعًا):يُصنع الأخدود في أحد وجهي الشفة، بينما يكون الوجه الآخر سطحًا مسطحًا للختم. مناسب لمعظم أختام الضغط الساكنة عالية الضغط.
- الأخدود المغلق (الأخدود المكون من جزأين):يُشكَّل الأخدود بتشكيل نصف أخدود في كل وجه من أسطح الشفة. يُسهِّل هذا وضع الحلقة الدائرية وتركيبها، ولكنه يتطلب دقة عالية في التصنيع.
2. تصميم أبعاد الأخدود الرئيسي
ترتبط أبعاد الأخدود ارتباطًا وثيقًا بالقطر الحر (OD) للحلقة الدائرية وسمك جدارها (WT). فيما يلي مبادئ التصميم الأساسية لحلقات O المعدنية المجوفة ذات المقطع العرضي الدائري (يجب تحديد الأبعاد المحددة وفقًا للمعايير أو توصيات الموردين):
- عرض الأخدود (W):
- يجب أن يكون أكبر قليلاً من القطر الحر للحلقة الدائرية (OD) لاستيعابها. عادةً،W ≈ OD + (10% ~ 20%) OD.
- يجب ألا يكون العرض مفرطًا، وإلا فقد يتشوه الحلقة O بشكل مفرط تحت الضغط ويتم دفعها إلى الفجوة، مما يتسبب في حدوث تلف.
- عمق الأخدود (د):
- هذه هيالأكثر أهمية المعلمة التي تحدد بشكل مباشر حلقة O نسبة الضغط.
- نسبة الضغط = (OD – D) / OD × 100%
- بالنسبة للأختام الثابتة، فإن نسبة الضغط الأولية الموصى بها تكون عادةً بين15% و 30%يمكن أن تؤدي النسبة المنخفضة جدًا إلى حدوث تسرب؛ ويمكن أن تؤدي النسبة المرتفعة جدًا إلى سحق الحلقة O، مما يتسبب في فقدان المرونة وجعلها غير قابلة لإعادة الاستخدام.
- يجب أن يكون عمق الأخدود (D) أقل من القطر الحر للحلقة O (OD).
- خشونة سطح الأخدود:
- خشونة سطح أسطح التلامس المانعة للتسرب أمر بالغ الأهمية. عادةً،را ≤ 0.8 ميكرومترمطلوب لضمان اتصال جيد بالخط وتقليل مسارات التسرب.
- زوايا الأخدود:
- يجب أن يكون الوصل بين الجزء السفلي من الأخدود والجدار الجانبي بنصف قطر مناسب (حافة صغيرة) لمنع تركيز الإجهاد وتسجيل الحلقة O.
3. التحكم في الضغط: النسبة المئوية للضغط
بعد التركيب، يُضغط ارتفاع الحلقة المطاطية. تُقاس درجة الضغط هذه بنسبة الضغط المئوية.
- نسبة الضغط = (الارتفاع الحر - الارتفاع المضغوط) / الارتفاع الحر × 100%
- للحلقات الدائرية المعدنية المجوفة ذات المقطع العرضي الدائري القياسي،ضغط 20% – 30%هو نطاق شائع وفعال. يجب ضمان ذلك من خلال حساب عمق الأخدود بدقة واختيار الحشيات أو الفواصل المناسبة.
رابعًا: التطبيقات النموذجية
- الفضاء الجوي:- المحركات، وأنظمة الوقود، وخطوط الأنابيب ذات درجات الحرارة العالية.
- البتروكيماويات:- المفاعلات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي والصمامات ووصلات الأنابيب.
- الصناعة النووية:- المفاعلات النووية والمعدات ذات الصلة.
- أفران التفريغ ومعدات أشباه الموصلات:أختام باب الغرفة تتطلب صيانة فراغية عالية للغاية.
- معدات السوائل فوق الحرجة.
خاتمة
تُعد الحلقة المعدنية المجوفة O-ring أحد الحلول المثالية لتحديات الختم في الظروف القاسية. ويعتمد نجاح تطبيقها بشكل كبير علىاختيار المواد الصحيحة(مطابقة الوسط ودرجة الحرارة)،تصميم أخدود دقيق(التحكم في الضغط)، وتركيب نظيف واحترافيعند اختيارها واستخدامها، يُنصح بشدة بالتشاور مع الموردين المحترفين أو الاطلاع على المواصفات القياسية (مثل سلسلة AMS) بالتفصيل لضمان التشغيل الآمن.
وقت النشر: ٢٠ أكتوبر ٢٠٢٥