หลักการปิดผนึกวาล์ว

วาล์วมีหลายประเภท แต่หน้าที่พื้นฐานของมันเหมือนกัน คือการเชื่อมต่อหรือตัดการไหลของของเหลว ดังนั้นปัญหาการปิดผนึกของวาล์วจึงมีความสำคัญมาก

เพื่อให้แน่ใจว่าวาล์วสามารถตัดการไหลของของเหลวได้อย่างดีและป้องกันการรั่วซึม จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าซีลของวาล์วอยู่ในสภาพสมบูรณ์ สาเหตุของการรั่วซึมของวาล์วมีหลายประการ เช่น การออกแบบโครงสร้างที่ไม่เหมาะสม พื้นผิวสัมผัสการซีลชำรุด ชิ้นส่วนยึดหลวม การประกอบที่ไม่แน่นระหว่างตัววาล์วและฝาครอบวาล์ว เป็นต้น ปัญหาเหล่านี้ล้วนอาจนำไปสู่การซีลวาล์วที่ไม่เหมาะสม ทำให้เกิดปัญหาการรั่วซึม ดังนั้นเทคโนโลยีการปิดผนึกวาล์วเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพและคุณภาพของวาล์ว และจำเป็นต้องมีการวิจัยอย่างเป็นระบบและเจาะลึก

นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์วาล์ว เทคโนโลยีการซีลของวาล์วก็มีการพัฒนาอย่างมากเช่นกัน ปัจจุบัน เทคโนโลยีการซีลของวาล์วส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองด้านหลัก ได้แก่ การซีลแบบคงที่และการซีลแบบไดนามิก

โดยทั่วไปแล้ว ซีลแบบคงที่หมายถึงซีลระหว่างพื้นผิวคงที่สองพื้นผิว วิธีการซีลแบบคงที่ส่วนใหญ่ใช้ปะเก็น

สิ่งที่เรียกว่าซีลแบบไดนามิกนั้น ส่วนใหญ่หมายถึง...การปิดผนึกก้านวาล์วซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้ของเหลวภายในวาล์วรั่วไหลขณะที่ก้านวาล์วเคลื่อนที่ วิธีการซีลหลักของระบบซีลแบบไดนามิกคือการใช้กล่องบรรจุวัสดุอุด (stuffing box)

1. ซีลแบบคงที่

การซีลแบบคงที่หมายถึงการสร้างซีลระหว่างสองส่วนที่อยู่กับที่ และวิธีการซีลส่วนใหญ่ใช้ปะเก็น แหวนรองมีหลายประเภท แหวนรองที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ แหวนรองแบบแบน แหวนรองรูปตัวโอ แหวนรองแบบห่อ แหวนรองรูปทรงพิเศษ แหวนรองแบบคลื่น และแหวนรองแบบม้วน แต่ละประเภทสามารถแบ่งย่อยได้อีกตามวัสดุที่ใช้
①แหวนรองแบนแหวนรองแบน คือแหวนรองที่วางราบอยู่ระหว่างสองส่วนที่อยู่กับที่ โดยทั่วไปแล้ว สามารถแบ่งได้ตามวัสดุที่ใช้ เป็นแหวนรองแบนพลาสติก แหวนรองแบนยาง แหวนรองแบนโลหะ และแหวนรองแบนวัสดุผสม แต่ละวัสดุมีขอบเขตการใช้งานที่แตกต่างกัน
②โอริง โอริงหมายถึงปะเก็นที่มีหน้าตัดเป็นรูปตัวโอ เนื่องจากหน้าตัดเป็นรูปตัวโอ จึงมีคุณสมบัติในการขันให้แน่นได้เองในระดับหนึ่ง ทำให้ประสิทธิภาพในการซีลดีกว่าปะเก็นแบบแบน
③รวมถึงแหวนรอง แหวนรองแบบห่อหุ้มหมายถึงแหวนรองที่ห่อหุ้มวัสดุชนิดหนึ่งไว้บนวัสดุอีกชนิดหนึ่ง แหวนรองแบบนี้โดยทั่วไปมีความยืดหยุ่นดีและสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการปิดผนึกได้ ④แหวนรองรูปทรงพิเศษ แหวนรองรูปทรงพิเศษหมายถึงแหวนรองที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ รวมถึงแหวนรองรูปวงรี แหวนรองรูปเพชร แหวนรองรูปเฟือง แหวนรองรูปหางนก เป็นต้น แหวนรองเหล่านี้โดยทั่วไปมีคุณสมบัติในการขันให้แน่นด้วยตัวเองและส่วนใหญ่ใช้ในวาล์วแรงดันสูงและแรงดันปานกลาง
⑤ ปะเก็นรูปคลื่น ปะเก็นรูปคลื่นเป็นปะเก็นที่มีรูปทรงเป็นคลื่นเท่านั้น โดยทั่วไปปะเก็นเหล่านี้ประกอบด้วยวัสดุโลหะและวัสดุที่ไม่ใช่โลหะผสมกัน มีคุณสมบัติโดยทั่วไปคือใช้แรงกดน้อยและมีประสิทธิภาพในการปิดผนึกที่ดี
⑥ พันแหวนรอง แหวนรองแบบพันหมายถึงแหวนรองที่เกิดจากการพันแถบโลหะบางๆ และแถบที่ไม่ใช่โลหะเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา แหวนรองประเภทนี้มีความยืดหยุ่นและคุณสมบัติการปิดผนึกที่ดี วัสดุที่ใช้ในการทำแหวนรองส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ วัสดุโลหะ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ และวัสดุผสม โดยทั่วไปแล้ว วัสดุโลหะมีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง วัสดุโลหะที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ทองแดง อลูมิเนียม เหล็ก เป็นต้น วัสดุที่ไม่ใช่โลหะมีหลายประเภท ได้แก่ ผลิตภัณฑ์พลาสติก ผลิตภัณฑ์ยาง ผลิตภัณฑ์ใยหิน ผลิตภัณฑ์ป่าน เป็นต้น วัสดุที่ไม่ใช่โลหะเหล่านี้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายและสามารถเลือกได้ตามความต้องการเฉพาะ นอกจากนี้ยังมีวัสดุผสมหลายประเภท ได้แก่ แผ่นลามิเนต แผ่นคอมโพสิต เป็นต้น ซึ่งก็เลือกได้ตามความต้องการเฉพาะเช่นกัน โดยทั่วไปแล้ว แหวนรองแบบลูกคลื่นและแหวนรองแบบพันเกลียวเป็นที่นิยมใช้มากที่สุด

2. ซีลแบบไดนามิก

ซีลแบบไดนามิก หมายถึง ซีลที่ป้องกันการรั่วไหลของของเหลวในวาล์วขณะที่ก้านวาล์วเคลื่อนที่ นี่คือปัญหาการซีลในระหว่างการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ วิธีการซีลหลักคือการใช้กล่องบรรจุ (stuffing box) ซึ่งมีสองประเภทพื้นฐาน ได้แก่ แบบต่อม (gland type) และแบบน็อตอัด (compression nut type) แบบต่อมเป็นรูปแบบที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน โดยทั่วไปแล้ว ในแง่ของรูปทรงของต่อม สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบผสมและแบบรวม แม้ว่าแต่ละรูปแบบจะแตกต่างกัน แต่โดยพื้นฐานแล้วจะมีสลักเกลียวสำหรับอัด แบบน็อตอัดมักใช้กับวาล์วขนาดเล็ก เนื่องจากขนาดเล็ก แรงอัดจึงมีจำกัด
ในกล่องบรรจุซีล เนื่องจากซีลสัมผัสโดยตรงกับก้านวาล์ว ซีลจึงต้องมีคุณสมบัติในการซีลที่ดี มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ สามารถปรับตัวให้เข้ากับความดันและอุณหภูมิของตัวกลาง และทนต่อการกัดกร่อน ปัจจุบัน วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ โอริงยาง ซีลถักโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน ซีลใยหิน และซีลพลาสติกขึ้นรูป วัสดุแต่ละชนิดมีเงื่อนไขและช่วงการใช้งานที่แตกต่างกัน และควรเลือกใช้ตามความต้องการเฉพาะ การซีลมีจุดประสงค์เพื่อป้องกันการรั่วไหล ดังนั้นหลักการซีลของวาล์วจึงได้รับการศึกษาจากมุมมองของการป้องกันการรั่วไหลด้วย ปัจจัยหลักสองประการที่ทำให้เกิดการรั่วไหล ประการแรกคือปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการซีล นั่นคือช่องว่างระหว่างคู่ซีล และประการที่สองคือความแตกต่างของความดันระหว่างทั้งสองด้านของคู่ซีล หลักการซีลของวาล์วยังได้รับการวิเคราะห์จากสี่ด้าน ได้แก่ การซีลของเหลว การซีลก๊าซ หลักการซีลช่องทางการรั่วไหล และคู่ซีลของวาล์ว

ความแน่นของของเหลว

คุณสมบัติการปิดผนึกของของเหลวถูกกำหนดโดยความหนืดและแรงตึงผิวของของเหลว เมื่อท่อแคปิลลารีของวาล์วที่รั่วเต็มไปด้วยก๊าซ แรงตึงผิวอาจผลักของเหลวหรือนำของเหลวเข้าไปในท่อแคปิลลารี ทำให้เกิดมุมสัมผัส เมื่อมุมสัมผัสน้อยกว่า 90° ของเหลวจะถูกฉีดเข้าไปในท่อแคปิลลารีและจะเกิดการรั่วซึม การรั่วซึมเกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกันของตัวกลาง การทดลองโดยใช้ตัวกลางที่แตกต่างกันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน คุณสามารถใช้น้ำ อากาศ หรือน้ำมันก๊าด เป็นต้น เมื่อมุมสัมผัสมากกว่า 90° การรั่วซึมก็จะเกิดขึ้นเช่นกัน เนื่องจากเกี่ยวข้องกับฟิล์มไขมันหรือแว็กซ์บนพื้นผิวโลหะ เมื่อฟิล์มพื้นผิวเหล่านี้ละลาย คุณสมบัติของพื้นผิวโลหะจะเปลี่ยนไป และของเหลวที่ถูกผลักออกไปในตอนแรกจะเปียกพื้นผิวและรั่วซึม จากสถานการณ์ข้างต้น ตามสูตรของปัวซง จุดประสงค์ของการป้องกันการรั่วซึมหรือลดปริมาณการรั่วซึมสามารถทำได้โดยการลดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีและเพิ่มความหนืดของตัวกลาง

ความแน่นของแก๊ส

ตามสูตรของปัวซง ความแน่นของก๊าซมีความสัมพันธ์กับความหนืดของโมเลกุลก๊าซและตัวก๊าซเอง การรั่วไหลแปรผกผันกับความยาวของท่อแคปิลลารีและความหนืดของก๊าซ และแปรผันตรงกับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีและแรงขับเคลื่อน เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีเท่ากับค่าเฉลี่ยของระดับความเป็นอิสระของโมเลกุลก๊าซ โมเลกุลก๊าซจะไหลเข้าไปในท่อแคปิลลารีด้วยการเคลื่อนที่ทางความร้อนอย่างอิสระ ดังนั้น เมื่อเราทำการทดสอบการปิดผนึกวาล์ว ตัวกลางที่ใช้ต้องเป็นน้ำเพื่อให้ได้ผลการปิดผนึกที่ดี และอากาศหรือก๊าซจะไม่สามารถให้ผลการปิดผนึกที่ดีได้

แม้ว่าเราจะลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีให้ต่ำกว่าโมเลกุลของก๊าซด้วยการเสียรูปพลาสติก เราก็ยังไม่สามารถหยุดการไหลของก๊าซได้ เหตุผลก็คือ ก๊าซยังคงสามารถแพร่ผ่านผนังโลหะได้ ดังนั้น เมื่อเราทำการทดสอบก๊าซ เราจึงต้องเข้มงวดมากกว่าการทดสอบของเหลว

หลักการปิดผนึกช่องทางการรั่วไหล

ซีลวาล์วประกอบด้วยสองส่วน คือ ความไม่สม่ำเสมอที่กระจายอยู่บนพื้นผิวคลื่น และความหยาบของคลื่นในระยะห่างระหว่างยอดคลื่น ในกรณีที่วัสดุโลหะส่วนใหญ่ในประเทศของเรามีความยืดหยุ่นต่ำ หากเราต้องการให้ได้สภาวะการปิดผนึก เราจำเป็นต้องเพิ่มข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับแรงอัดของวัสดุโลหะ กล่าวคือ แรงอัดของวัสดุต้องเกินกว่าความยืดหยุ่นของมัน ดังนั้น ในการออกแบบวาล์ว คู่ซีลจึงถูกจับคู่โดยมีความแข็งต่างกันในระดับหนึ่ง ภายใต้การกระทำของแรงดัน จะเกิดผลการปิดผนึกจากการเสียรูปพลาสติกในระดับหนึ่ง

หากพื้นผิวที่ใช้ในการปิดผนึกทำจากวัสดุโลหะ จุดที่ยื่นออกมาไม่เรียบจะปรากฏขึ้นก่อน ในระยะแรก สามารถใช้แรงกดเพียงเล็กน้อยเพื่อทำให้จุดที่ยื่นออกมาไม่เรียบเหล่านี้เกิดการเสียรูปพลาสติกได้ เมื่อพื้นที่สัมผัสเพิ่มขึ้น ความไม่เรียบของพื้นผิวจะกลายเป็นการเสียรูปพลาสติก-ยืดหยุ่น ในขณะนี้ จะเกิดความหยาบกร้านบนทั้งสองด้านในร่อง เมื่อจำเป็นต้องใช้แรงกดที่สามารถทำให้วัสดุที่อยู่ด้านล่างเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างรุนแรง และทำให้พื้นผิวทั้งสองสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด ร่องรอยที่เหลืออยู่เหล่านี้สามารถปิดได้ตามแนวเส้นต่อเนื่องและทิศทางรอบวง

ซีลวาล์วคู่

ชุดซีลวาล์วประกอบด้วยส่วนของที่นั่งวาล์วและชิ้นส่วนปิดที่ปิดสนิทเมื่อสัมผัสกัน ในระหว่างการใช้งาน พื้นผิวซีลโลหะอาจเสียหายได้ง่ายจากสารปนเปื้อน การกัดกร่อนจากสารปนเปื้อน อนุภาคสึกหรอ การเกิดโพรงอากาศ และการกัดเซาะ เช่น อนุภาคสึกหรอ หากอนุภาคสึกหรอมีขนาดเล็กกว่าความหยาบของพื้นผิว ความแม่นยำของพื้นผิวจะดีขึ้นแทนที่จะแย่ลงเมื่อพื้นผิวซีลสึกหรอ ในทางตรงกันข้าม ความแม่นยำของพื้นผิวจะแย่ลง ดังนั้น เมื่อเลือกอนุภาคสึกหรอ ต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างรอบด้าน เช่น วัสดุ สภาพการทำงาน คุณสมบัติการหล่อลื่น และการกัดกร่อนบนพื้นผิวซีล

เช่นเดียวกับอนุภาคสึกหรอ เมื่อเราเลือกซีล เราต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอย่างรอบด้าน เพื่อป้องกันการรั่วซึม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน รอยขีดข่วน และการสึกกร่อน มิเช่นนั้น การขาดคุณสมบัติใดๆ จะลดประสิทธิภาพการซีลลงอย่างมาก