בחירת חומרים לפי לחץ: מדריך מעשי לחומרי איטום

בציוד תעשייתי ובמערכות נוזלים, איטום יעיל הוא קריטי להבטחת שלמות תפעולית ולמניעת דליפת חומרים. בחירת חומרי האיטום, ובמיוחד יכולתם לעמוד בלחץ פנימי, היא גורם מהותי הקובע את הצלחת האיטום. בחירה שגויה עלולה להוביל לכשל בטרם עת של האיטום, דליפה וסכנות בטיחות פוטנציאליות. מדריך זה מתאר את חומרי האיטום העיקריים המומלצים עבור טווחי לחצים שונים.
א. יישומים בלחץ נמוך (0 – 5 מגה פסקל)
תרחישים נפוצים: מערכות פנאומטיות, מערכות הידראוליות בלחץ נמוך, טיפול במים, מכונות מזון ומשקאות, אטמי מוטות גומלין בעומס נמוך.
בחירת חומרים:

1. גומי ניטריל (NBR): הבחירה החסכונית והרב-תכליתית ביותר עבור יישומים בלחץ נמוך. הוא מציע עמידות מצוינת לשמנים הידראוליים, חומרי סיכה, דלקים ואוויר על בסיס נפט, ומספק תמורה יוצאת דופן. אידיאלי עבור רוב השימושים ההידראוליים והפנאומטיים בלחץ נמוך.
2. מונומר אתילן פרופילן דיאן (EPDM): עמידות מצוינת למים חמים, קיטור, נוזל קירור (גליקול), קטונים וחומצות/בסיסים חלשים. לא מתאים לשמנים מינרליים או דלקים. משמש בעיקר לאיטום חומרים על בסיס מים ונוזלי העברת חום במערכות בלחץ נמוך.
3. פוליאוריטן (PU/AU/EU): מאופיין בעמידות גבוהה לשחיקה ובחוזק מכני גבוה. תחת לחץ נמוך, עמידותו המעולה בפני שחול ותכונות הבלאי הופכות אותו לבחירה יוצאת דופן עבור אטמים גומלין (למשל, אטמי בוכנה ומוט), ועולה משמעותית על גומי סטנדרטי לאורך חיי השירות.

סיכום: עבור יישומים בלחץ נמוך, יש לתת עדיפות לתאימות של חומרי תקשורת. NBR היא האפשרות הרב-תכליתית המומלצת, PU מציע עמידות משופרת של שחיקה, ו-EPDM מיוחד למדיה מימית וקוטבית.
II. יישומים בלחץ בינוני (5 – 30 מגה פסקל)
תרחישים נפוצים: מכונות בנייה, מכונות הזרקה, כלי עבודה, מערכות הידראוליות בעוצמה בינונית.
בחירת חומרים:

1. פוליאוריטן (PU): הבחירה העיקרית עבור הידראוליקה בלחץ בינוני. חוזקו המכני הגבוה, קשיותו ועמידותו יוצאת הדופן לבליטה נלחמים ביעילות בעיוות הנגרם על ידי לחץ ובבליטה של ​​פערים, מה שהופך אותו לחומר המועדף לאטמי בוכנה ומוט.
2. גומי ניטריל (NBR): תרכובות NBR מחוזקות עדיין יכולות להתאים ליישומים בהם הלחץ נשאר מתחת ל-15-20 מגה פסקל והטמפרטורות מתונות, במיוחד ביישומי אטימה סטטית כמו טבעות O. עם זאת, עמידות השיחול שלה נמוכה משמעותית מזו של PU.
3. פלואוראלסטומר (FKM/Viton®): הבחירה המועדפת כאשר המדיה כוללת טמפרטורות גבוהות, דלקים או כימיקלים אגרסיביים (למשל, נוזלים חומציים), אפילו בטווח הלחץ הבינוני. FKM מספק עמידות כימית מעולה וביצועים בטמפרטורות גבוהות (עד 200°C+).

סיכום: בתרחישי לחץ בינוני, עמידות בפני שיחול היא בעלת חשיבות עליונה. פוליאוריטן (PU) הוא הבחירה העיקרית לאטמים דינמיים, בעוד שפלואוראלסטומר (FKM) נבחר עבור סביבות כימיות תובעניות וטמפרטורה גבוהה.
III. יישומים בלחץ גבוה ואולטרה-גבוה (מעל 30 מגה פסקל, עד 100 מגה פסקל+)
תרחישים נפוצים: מגבהים הידראוליים, משאבות בלחץ גבוה במיוחד, חיתוך בהזרקת מים, ציוד לראשי בארות נפט וגז, מערכות לבדיקת כלי לחץ.
בחירת חומרים:

1. פוליאוריטן (PU): פוליאוריטן שעברו ניסוח והנדסה מיוחדים (למשל, פוליאוריטן יצוק) נותרים אופציה בת קיימא לאטמים דינמיים בלחץ גבוה, אך דורשים ניסוח ותכנון אטמים מדויקים, מה שמחייב לעתים קרובות שימוש בטבעות גיבוי נגד שיחול.
2. חומרים מרוכבים מסיבי ארמיד / פלסטיקה הנדסית (PEEK, Filled PTFE): אלו חומרים קריטיים עבור יישומים בלחץ גבוה במיוחד. הם אינם אלסטומרים אלא פלסטיקה בעלת ביצועים גבוהים עם חוזק מכני ומודולוס יוצאי דופן.
• PTFE ממולא: הוספת חומרי מילוי כמו סיבי זכוכית, נחושת או סיבי פחמן ל-PTFE משפרת באופן דרסטי את חוזק הדחיסה שלו ואת עמידותו בפני שחול. משמש בדרך כלל עבור טבעות גיבוי וטבעות איטום להגנה על אטמים ראשוניים מפני שחול ונזק.
•​PEEK:​​ מציע חוזק גבוה במיוחד, קשיחות ועמידות בפני טמפרטורה, משמש לייצור טבעות אטם וטבעות תמיכה בסביבות לחץ גבוה במיוחד.

3. אטמי מתכת (נחושת או נירוסטה): תחת לחץ קיצוני (למשל, >70 מגה פסקל), טמפרטורה גבוהה או לחץ הלם גבוה, אלסטומרים ופלסטיק מגיעים לקצה גבול היכולת שלהם. טבעות O או C ממתכת הופכות לפתרון האולטימטיבי. הן אוטמות באמצעות דפורמציה פלסטית, ומציעות אמינות גבוהה אך בדרך כלל לשימוש חד פעמי ודורשות עומס התקנה גבוה מראש.

סיכום: עבור תנאי לחץ גבוהים במיוחד, האסטרטגיה עוברת מ"איטום אלסטי" ל"בלימה קשיחה". פלסטיקה הנדסית בעלת חוזק גבוה (PTFE מחוזק, PEEK) ומתכות חיוניים, כאשר עיצובים מתמקדים במזעור עיוות וחילוץ.
IV. גורמי בחירה מרכזיים נוספים
לחץ אינו הקריטריון היחיד; הבחירה חייבת לכלול הערכה הוליסטית:

•טמפרטורה: טווח טמפרטורות הפעולה של החומר חייב לכלול באופן מלא את טמפרטורת המערכת. חום גבוה מאיץ הזדקנות; טמפרטורות נמוכות גורמות לשבירות.
• תאימות מדיה: זהו התנאי המוקדם העיקרי. החומר הנבחר אסור שיהיה חלוד, נפוח או מתכלה על ידי המדיום האטום.
• סוג תנועה: אטם סטטי, אטם דינמי גומלין או אטם סיבובי? כל סוג תנועה מטיל דרישות שונות לעמידות בפני שחיקה, יצירת חום ומוליכות תרמית.
• תאימות חומרה: תכנון מרווח המערכת, גימור פני השטח וקשיותו משפיעים ישירות על עמידות האטם בפני שחול וקצב הבלאי.

סיכום:
בחירת חומרי איטום היא אתגר הנדסי מערכות, כאשר לחץ משמש כגורם מבדיל מרכזי:

•​לחץ נמוך: התמקדות במדיה.​​NBR/EPDM הם עמודי התווך.
• לחץ בינוני: דגש על עמידות בפני שחול. PU/FKM הן האפשרויות העיקריות.
• לחץ גבוה: התמקדות בחוזק. חומרים מרוכבים ומתכות לוקחים פיקוד.

עקרון הבחירה הפרגמטי הוא: תוך עמידה בדרישות המדיה והטמפרטורה, יש לבחור חומרים בעלי עמידות בפני שיחול וחוזק מכני נאותים בהתבסס על לחץ עבודה, ולהבטיח עיצוב נכון של חריץ האיטום ומרווח. החומר היקר ביותר אינו בהכרח הטוב ביותר; הבחירה האופטימלית היא זו המתאימה ביותר לתנאי ההפעלה הספציפיים.