หลักการปิดผนึกวาล์ว

วาล์วมีหลายประเภท แต่หน้าที่พื้นฐานเหมือนกัน คือการเชื่อมต่อหรือตัดการไหลของตัวกลาง ดังนั้น ปัญหาการปิดผนึกของวาล์วจึงเด่นชัดมาก

เพื่อให้มั่นใจว่าวาล์วสามารถตัดการไหลของตัวกลางและป้องกันการรั่วไหลได้ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าซีลของวาล์วยังคงสภาพสมบูรณ์ สาเหตุของการรั่วไหลของวาล์วมีหลายประการ ได้แก่ การออกแบบโครงสร้างที่ไม่ถูกต้อง พื้นผิวสัมผัสซีลที่ชำรุด ชิ้นส่วนยึดที่หลวม ข้อต่อระหว่างตัววาล์วและฝาครอบวาล์วที่หลวม เป็นต้น ปัญหาเหล่านี้อาจนำไปสู่การปิดผนึกวาล์วที่ไม่เหมาะสม ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาการรั่วไหลได้ ดังนั้นเทคโนโลยีการปิดผนึกวาล์วเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพและคุณภาพของวาล์ว และจำเป็นต้องมีการวิจัยอย่างเป็นระบบและเจาะลึก

นับตั้งแต่มีการผลิตวาล์ว เทคโนโลยีการปิดผนึกของวาล์วก็ได้รับการพัฒนาอย่างมากเช่นกัน จนถึงปัจจุบัน เทคโนโลยีการปิดผนึกวาล์วได้สะท้อนให้เห็นในสองประเด็นหลัก ได้แก่ การปิดผนึกแบบคงที่และการปิดผนึกแบบไดนามิก

ซีลแบบสถิตย์ (static seal) มักหมายถึงซีลที่เชื่อมระหว่างพื้นผิวสถิตย์สองพื้นผิว วิธีการซีลของซีลแบบสถิตย์ส่วนใหญ่ใช้ปะเก็น

สิ่งที่เรียกว่าซีลไดนามิกนั้นส่วนใหญ่หมายถึงการปิดผนึกก้านวาล์วซึ่งป้องกันไม่ให้ตัวกลางในวาล์วรั่วซึมจากการเคลื่อนไหวของก้านวาล์ว วิธีการปิดผนึกหลักของการปิดผนึกแบบไดนามิกคือการใช้กล่องบรรจุ

1. ซีลแบบคงที่

การปิดผนึกแบบคงที่ หมายถึง การสร้างซีลระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่สองชิ้น และวิธีการปิดผนึกส่วนใหญ่ใช้ปะเก็น แหวนรองมีหลายประเภท แหวนรองที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ แหวนรองแบน แหวนรองรูปตัว O แหวนรองแบบพันรอบ แหวนรองรูปทรงพิเศษ แหวนรองแบบคลื่น และแหวนรองแบบพันรอบ แต่ละประเภทสามารถแบ่งย่อยได้อีกตามวัสดุที่ใช้
①แหวนรองแบนแหวนรองแบนคือแหวนรองแบนที่วางราบระหว่างชิ้นส่วนสองชิ้นที่อยู่กับที่ โดยทั่วไปสามารถแบ่งตามวัสดุที่ใช้ได้เป็นแหวนรองแบนพลาสติก แหวนรองแบนยาง แหวนรองแบนโลหะ และแหวนรองแบนคอมโพสิต วัสดุแต่ละชนิดมีการใช้งานที่แตกต่างกัน
②โอริง โอริงหมายถึงปะเก็นที่มีหน้าตัดเป็นรูปตัว O เนื่องจากหน้าตัดเป็นรูปตัว O จึงมีคุณสมบัติในการขันแน่นได้เอง จึงมีประสิทธิภาพในการปิดผนึกที่ดีกว่าปะเก็นแบบแบน
③รวมแหวนรอง ปะเก็นแบบหุ้ม หมายถึง ปะเก็นที่หุ้มวัสดุบางชนิดไว้กับวัสดุอื่น โดยทั่วไปแล้วปะเก็นชนิดนี้จะมีความยืดหยุ่นที่ดีและสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการปิดผนึกได้ ④แหวนรองรูปทรงพิเศษ แหวนรองรูปทรงพิเศษ หมายถึง ปะเก็นที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ เช่น แหวนรองรูปวงรี แหวนรองรูปเพชร แหวนรองแบบเฟือง แหวนรองแบบหางเหยี่ยว เป็นต้น โดยทั่วไปแล้วแหวนรองเหล่านี้จะมีคุณสมบัติในการขันแน่นได้เอง และส่วนใหญ่ใช้ในวาล์วแรงดันสูงและปานกลาง
5. แหวนรองแบบคลื่น ปะเก็นแบบคลื่นคือปะเก็นที่มีรูปร่างเป็นคลื่นเท่านั้น โดยทั่วไปปะเก็นประเภทนี้จะประกอบด้วยวัสดุโลหะและวัสดุที่ไม่ใช่โลหะผสมกัน โดยทั่วไปแล้วจะมีแรงกดน้อยและให้ประสิทธิภาพการปิดผนึกที่ดี
⑥ พันวงแหวนปะเก็น ปะเก็นแบบพันวงแหวนหมายถึงปะเก็นที่เกิดจากการพันแผ่นโลหะบางๆ และแผ่นโลหะที่ไม่ใช่โลหะเข้าด้วยกันให้แน่น ปะเก็นประเภทนี้มีความยืดหยุ่นและคุณสมบัติการปิดผนึกที่ดี วัสดุที่ใช้ทำปะเก็นส่วนใหญ่มี 3 ประเภท ได้แก่ วัสดุโลหะ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ และวัสดุผสม โดยทั่วไปแล้ววัสดุโลหะมีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง วัสดุโลหะที่นิยมใช้ ได้แก่ ทองแดง อลูมิเนียม เหล็ก เป็นต้น วัสดุที่ไม่ใช่โลหะมีหลายประเภท เช่น ผลิตภัณฑ์พลาสติก ผลิตภัณฑ์ยาง ผลิตภัณฑ์ใยหิน ผลิตภัณฑ์ป่าน เป็นต้น วัสดุที่ไม่ใช่โลหะเหล่านี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายและสามารถเลือกใช้ได้ตามความต้องการเฉพาะ นอกจากนี้ยังมีวัสดุผสมอีกหลายประเภท เช่น ลามิเนต แผ่นคอมโพสิต เป็นต้น ซึ่งสามารถเลือกใช้ได้ตามความต้องการเฉพาะ โดยทั่วไปแล้ว แหวนรองแบบลูกฟูกและแหวนรองแบบพันวงแหวนส่วนใหญ่จะใช้กัน

2. ซีลไดนามิก

ซีลไดนามิกหมายถึงซีลที่ป้องกันไม่ให้ของเหลวภายในวาล์วรั่วซึมจากการเคลื่อนที่ของก้านวาล์ว ซึ่งเป็นปัญหาในการปิดผนึกระหว่างการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ วิธีการปิดผนึกหลักคือกล่องบรรจุ กล่องบรรจุมีสองประเภทหลัก ได้แก่ กล่องบรรจุแบบแกลนด์และแบบน็อตอัด ปัจจุบันกล่องบรรจุแบบแกลนด์เป็นรูปแบบที่นิยมใช้กันมากที่สุด โดยทั่วไปแล้ว ในแง่ของรูปร่างของแกลนด์สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ แบบรวมและแบบอินทิกรัล แม้ว่าแต่ละรูปแบบจะแตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีสลักเกลียวสำหรับอัด โดยทั่วไปแล้ว น็อตอัดมักใช้กับวาล์วขนาดเล็ก เนื่องจากขนาดที่เล็กของกล่องบรรจุประเภทนี้ แรงอัดจึงมีจำกัด
ในกล่องบรรจุ เนื่องจากวัสดุบรรจุสัมผัสโดยตรงกับก้านวาล์ว วัสดุบรรจุจึงจำเป็นต้องมีการปิดผนึกที่ดี ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ สามารถปรับให้เข้ากับความดันและอุณหภูมิของตัวกลาง และทนทานต่อการกัดกร่อน ปัจจุบันวัสดุบรรจุที่นิยมใช้กัน ได้แก่ โอริงยาง โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนแบบถัก แอสเบสตอส และฟิลเลอร์สำหรับขึ้นรูปพลาสติก ฟิลเลอร์แต่ละชนิดมีเงื่อนไขและช่วงการใช้งานที่แตกต่างกัน ควรเลือกให้เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะ การปิดผนึกมีจุดประสงค์เพื่อป้องกันการรั่วไหล ดังนั้นหลักการปิดผนึกวาล์วจึงถูกศึกษาจากมุมมองของการป้องกันการรั่วไหล ปัจจัยหลักสองประการที่ทำให้เกิดการรั่วไหล ประการหนึ่งคือปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อประสิทธิภาพการปิดผนึก นั่นคือ ช่องว่างระหว่างคู่ปิดผนึก และอีกประการหนึ่งคือความแตกต่างของความดันระหว่างทั้งสองด้านของคู่ปิดผนึก หลักการปิดผนึกวาล์วยังถูกวิเคราะห์จากสี่แง่มุม ได้แก่ การปิดผนึกของเหลว การปิดผนึกก๊าซ หลักการปิดผนึกช่องรั่วไหล และคู่ปิดผนึกวาล์ว

ความแน่นของของเหลว

คุณสมบัติการปิดผนึกของของเหลวถูกกำหนดโดยความหนืดและแรงตึงผิวของของเหลว เมื่อก๊าซถูกเติมเข้าไปในแคปิลลารีของวาล์วที่รั่ว แรงตึงผิวอาจผลักของเหลวหรือนำของเหลวเข้าไปในแคปิลลารี ทำให้เกิดมุมสัมผัส เมื่อมุมสัมผัสน้อยกว่า 90° ของเหลวจะถูกฉีดเข้าไปในแคปิลลารีและเกิดการรั่วไหล การรั่วไหลเกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติของตัวกลางที่แตกต่างกัน การทดลองโดยใช้ตัวกลางที่แตกต่างกันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันภายใต้สภาวะเดียวกัน คุณสามารถใช้น้ำ อากาศ หรือน้ำมันก๊าด เป็นต้น เมื่อมุมสัมผัสมากกว่า 90° การรั่วไหลก็จะเกิดขึ้นเช่นกัน เนื่องจากเกี่ยวข้องกับฟิล์มจารบีหรือขี้ผึ้งบนพื้นผิวโลหะ เมื่อฟิล์มเหล่านี้ละลาย คุณสมบัติของพื้นผิวโลหะจะเปลี่ยนไป และของเหลวที่ถูกผลักออกไปในตอนแรกจะเปียกและรั่วไหล จากสถานการณ์ข้างต้น ตามสูตรของปัวซอง วัตถุประสงค์ในการป้องกันการรั่วไหลหรือลดปริมาณการรั่วไหลสามารถทำได้โดยการลดเส้นผ่านศูนย์กลางของแคปิลลารีและเพิ่มความหนืดของตัวกลาง

ความแน่นของก๊าซ

ตามสูตรของปัวซอง ความหนาแน่นของก๊าซสัมพันธ์กับความหนืดของโมเลกุลก๊าซและก๊าซ การรั่วไหลจะแปรผกผันกับความยาวของท่อแคปิลลารีและความหนืดของก๊าซ และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีและแรงขับเคลื่อน เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคปิลลารีเท่ากับองศาความอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซ โมเลกุลของก๊าซจะไหลเข้าสู่ท่อแคปิลลารีด้วยการเคลื่อนที่เชิงความร้อนอย่างอิสระ ดังนั้น เมื่อทำการทดสอบการปิดผนึกวาล์ว ตัวกลางต้องเป็นน้ำจึงจะทำให้เกิดการปิดผนึกได้ ส่วนอากาศหรือก๊าซไม่สามารถทำให้เกิดการปิดผนึกได้

แม้ว่าเราจะลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นเลือดฝอยใต้โมเลกุลของก๊าซด้วยกระบวนการเปลี่ยนรูปพลาสติก (Plastic Deformation) ก็ยังไม่สามารถหยุดการไหลของก๊าซได้ เหตุผลก็คือก๊าซยังสามารถแพร่กระจายผ่านผนังโลหะได้ ดังนั้น เมื่อทำการทดสอบก๊าซ เราจึงจำเป็นต้องเข้มงวดกว่าการทดสอบของเหลว

หลักการปิดผนึกของช่องรั่วไหล

ซีลวาล์วประกอบด้วยสองส่วน คือ ความไม่สม่ำเสมอของการกระจายตัวบนพื้นผิวคลื่น และความหยาบของคลื่นที่ระยะห่างระหว่างจุดสูงสุดของคลื่น ในกรณีที่วัสดุโลหะส่วนใหญ่ในประเทศของเรามีความเครียดยืดหยุ่นต่ำ หากต้องการให้ซีลปิดผนึกได้ จำเป็นต้องเพิ่มข้อกำหนดเกี่ยวกับแรงอัดของวัสดุโลหะให้สูงขึ้น นั่นคือ แรงอัดของวัสดุจะต้องสูงกว่าความยืดหยุ่น ดังนั้น เมื่อออกแบบวาล์ว คู่ซีลจะต้องจับคู่กับความแข็งที่แตกต่างกันในระดับหนึ่ง ภายใต้แรงกด จะทำให้เกิดการปิดผนึกแบบพลาสติกเสียรูปในระดับหนึ่ง

หากพื้นผิวซีลทำจากวัสดุโลหะ จุดที่ยื่นออกมาไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวจะปรากฏให้เห็นเร็วที่สุด ในระยะแรก สามารถใช้แรงเพียงเล็กน้อยในการทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกของจุดที่ยื่นออกมาไม่สม่ำเสมอเหล่านี้ เมื่อพื้นผิวสัมผัสเพิ่มขึ้น ความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวจะกลายเป็นการเสียรูปพลาสติกยืดหยุ่น ในเวลานี้ ความหยาบทั้งสองด้านของร่องจะยังคงอยู่ เมื่อจำเป็นต้องใช้แรงที่อาจทำให้วัสดุด้านล่างเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างรุนแรง และทำให้พื้นผิวทั้งสองสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด เส้นทางที่เหลือเหล่านี้สามารถชิดกันตามแนวเส้นต่อเนื่องและทิศทางรอบวงได้

คู่ซีลวาล์ว

คู่ซีลวาล์วคือส่วนของบ่าวาล์วและชิ้นส่วนปิดที่ปิดลงเมื่อสัมผัสกัน ในระหว่างการใช้งาน พื้นผิวโลหะที่ปิดผนึกอาจเสียหายได้ง่ายจากตัวกลางที่ติดขัด การกัดกร่อนของตัวกลาง อนุภาคสึกหรอ การเกิดโพรงอากาศ และการสึกกร่อน เช่น อนุภาคสึกหรอ หากอนุภาคสึกหรอมีขนาดเล็กกว่าความหยาบของพื้นผิว ความแม่นยำของพื้นผิวจะดีขึ้นแทนที่จะลดลงเมื่อพื้นผิวปิดผนึกสึกหรอ ในทางกลับกัน ความแม่นยำของพื้นผิวจะลดลง ดังนั้น เมื่อเลือกอนุภาคสึกหรอ จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น วัสดุ สภาพการทำงาน ความลื่นไหล และการกัดกร่อนบนพื้นผิวปิดผนึกอย่างครอบคลุม

เช่นเดียวกับอนุภาคที่สึกหรอ การเลือกซีล เราต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอย่างครอบคลุมเพื่อป้องกันการรั่วไหล ดังนั้น การเลือกวัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อน รอยขีดข่วน และการสึกกร่อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ มิฉะนั้น การไม่มีข้อกำหนดใดๆ จะทำให้ประสิทธิภาพการปิดผนึกลดลงอย่างมาก