Status Saat Ini dan Bahaya Kegagalan Segel Tekanan Tinggi
Katup pompa bertekanan tinggi (≥10MPa) adalah komponen inti di bidang transmisi petrokimia dan hidrolik. Kegagalan segel dapat menyebabkan kebocoran sedang, penurunan efisiensi, dan bahkan kecelakaan keselamatan seperti kebakaran dan ledakan. Data menunjukkan bahwa 42% kegagalan katup pompa dalam kondisi tekanan tinggi disebabkan oleh masalah seal, 80% di antaranya disebabkan oleh pemilihan material yang salah atau desain struktur yang tidak masuk akal—masalah yang dapat diatasi secara efektif melalui desain yang dioptimalkan untuk komponen seperti Katup Kontrol Arah Cairan Tertutup, Pompa Diafragma Tertutup, dan Pompa Transfer Cairan Tertutup.
Analisis Tiga Mode Kegagalan Utama
1. Bahan "Ekstrusi Robek"
Ketika tekanan sistem melebihi batas anti-ekstrusi bahan segel, segel akan terjepit ke dalam celah segel (0,1-0,3 mm), menyebabkan bibir robek atau deformasi penampang. Misalnya, cincin U karet nitril (NBR) yang digunakan dalam pompa piston bertekanan tinggi 30MPa menghasilkan takik ekstrusi setelah 200 jam pengoperasian. Alasan utamanya adalah kekuatan anti-ekstrusi NBR hanya 12MPa di bawah 30MPa, yang tidak cukup untuk menahan dampak tekanan tinggi— kelemahan kritis untuk aplikasi tekanan tinggi yang melibatkan Pompa Hidraulik Tertutup Mikro atau Katup Tertutup Mini. Kinerja anti ekstrusi bahan karet berkorelasi positif dengan kekerasan dan modulus elastisitas; material dengan kekerasan lebih rendah dari 80 Shore A rentan terhadap kegagalan pada tekanan ≥20MPa.
2. Sedang “Kebocoran Permeasi”
Tekanan tinggi mengurangi tegangan antar muka antara molekul medium dan bahan segel, sehingga mempercepat permeasi. Bahkan tanpa kerusakan makroskopis pada segel, kebocoran kronis dapat terjadi. Dalam lingkungan nitrogen 25MPa, permeabilitas gas fluororubber (FKM) adalah 3,2 kali lipat dari tekanan normal; untuk segel FKM yang digunakan pada katup bola kimia (sejenis Sealed Fluid Direction Control Valve), kebocoran kumulatif mencapai 1,2L dalam 6 bulan, jauh melebihi standar yang diijinkan yaitu 0,1L/tahun. Cairan polar meresap melalui pembengkakan material, sementara gas meresap melalui difusi molekuler—memerlukan pemilihan material yang ditargetkan untuk media yang berbeda dalam Pompa Transfer Cairan Tertutup dan Pompa Diafragma Tertutup.
3. "Penuaan Termal" Akibat Gesekan
Tekanan tinggi meningkatkan tekanan kontak antara segel dan permukaan perkawinan, meningkatkan koefisien gesekan dan menghasilkan panas, yang mempercepat penuaan material dan membentuk lingkaran setan "suhu tinggi → pengerasan → gesekan yang intensif". Untuk katup hidrolik 20MPa, ketika tekanan kontak meningkat dari 5MPa menjadi 10MPa, koefisien gesekan meningkat dari 0,3 menjadi 0,5, dan suhu permukaan meningkat dari 60℃ menjadi 95℃. Khususnya, tingkat penuaan termo-oksidatif NBR pada suhu 95℃ adalah 2,8 kali lipat dibandingkan pada suhu 60℃—perhatian utama terhadap keandalan jangka panjang Pompa Hidraulik Tertutup Mikro dan Katup Tertutup Mini.
Strategi Optimasi Kolaboratif 3D
1. Peningkatan Materi
Indikator inti untuk bahan segel harus memenuhi: kekuatan anti-ekstrusi ≥20MPa, set kompresi (150℃×70 jam < 15%), dan tingkat pembengkakan sedang < 5%.
Untuk kondisi kerja 20-30MPa: Karet nitril terhidrogenasi (HNBR) lebih disukai, dengan kekuatan anti-ekstrusi 25MPa dan tingkat pembengkakan hanya 3% dalam minyak mineral—masa pakainya 4 kali lipat dari NBR, sehingga ideal untuk Pompa Diafragma Tertutup dan Pompa Transfer Cairan Tertutup.
Untuk kondisi kerja 30-40MPa: direkomendasikan Fluororubber (FKM) atau perfluoroelastomer (FFKM). FKM memiliki kekuatan anti ekstrusi sebesar 30MPa, sedangkan FFKM dapat mencapai 40MPa—cocok untuk Katup Kontrol Arah Cairan Tertutup bertekanan tinggi.
Menambahkan 15%-20% serat karbon ke FKM dapat meningkatkan kekuatan anti-ekstrusi sebesar 30% sekaligus mengurangi koefisien gesekan, sehingga meningkatkan kinerja Pompa Hidraulik Tersegel Mikro.
2. Inovasi Struktural
Desain gabungan "segel primer + perlindungan tambahan" diadopsi: Memasang penahan polytetrafluoroethylene (PTFE) (ketebalan 1,5-2 mm, kekerasan ≥50 Shore D) pada sisi segel bertekanan rendah dapat mengurangi risiko ekstrusi hingga 90%. Setelah melakukan retrofit pada pompa piston 35MPa (dilengkapi dengan Mini Sealed Valves), masa pakai seal diperpanjang dari 300 jam menjadi 1500 jam.
Mengoptimalkan penampang segel: Mengubah sudut bibir cincin Y dari 60° menjadi 45° memastikan distribusi tekanan kontak yang lebih seragam, mengurangi koefisien gesekan sebesar 15%—bermanfaat untuk Pompa Transfer Cairan Tersegel.
Menambahkan fillet 0,5 mm ke bagian bawah cincin-U mengurangi konsentrasi tegangan dan meningkatkan ketahanan sobek sebesar 20%, sehingga meningkatkan daya tahan Pompa Hidraulik Tersegel Mikro.
3. Pengendalian Proses
Ketepatan permukaan perkawinan secara langsung mempengaruhi kinerja penyegelan: Kekasaran permukaan penyegelan harus dikontrol dalam Ra0,4-0,8μm; Ra > 1,6μm akan membentuk saluran kebocoran. Setelah menggerinda katup 25MPa (Katup Kontrol Arah Cairan Tersegel), kebocoran berkurang dari 0,5mL/menit menjadi <0,01mL/menit.
Celah segel radial harus ≤0,1 mm; melebihi 0,2 mm secara signifikan meningkatkan risiko ekstrusi. Setelah mengurangi celah katup hidrolik 30MPa (digunakan dengan Pompa Diafragma Tersegel), jumlah kegagalan segel berkurang sebesar 75%.
Kasus Empiris Optimasi
Pompa injeksi air bertekanan tinggi 35MPa di ladang minyak awalnya menggunakan cincin-O NBR. Karena kekuatan anti-ekstrusi yang tidak mencukupi, kekasaran permukaan penyegelan Ra=1,6μm, dan tidak adanya desain penahan, masa pakai segel hanya 15 hari.
Rencana Pengoptimalan: Ganti NBR dengan FKM yang diperkuat serat karbon (kekerasan 85 Shore A) untuk meningkatkan kinerja anti-ekstrusi untuk tuntutan tekanan tinggi.
Pasang penahan PTFE setebal 2 mm untuk mencegah ekstrusi—penting untuk melindungi Katup Tersegel Mini di dalam pompa.
Giling permukaan penyegelan hingga Ra0,4μm dan kendalikan celah hingga 0,08 mm untuk menghilangkan saluran kebocoran.
Hasil Pengoptimalan: Masa pakai segel diperpanjang hingga 180 hari, kebocoran berkurang dari 1,2L/hari menjadi 0,05L/hari, dan kerugian waktu henti tahunan berkurang sekitar 500.000 RMB. Kasus ini memvalidasi efektivitas strategi 3D untuk Pompa Transfer Cairan Tertutup dan peralatan bertekanan tinggi serupa.
Kesimpulan
Optimalisasi segel katup pompa bertekanan tinggi pada dasarnya adalah "seni keseimbangan" antara kinerja material, desain struktural, dan presisi perkawinan. Tidak ada solusi yang “cocok untuk semua”; strategi yang disesuaikan harus dikembangkan berdasarkan kondisi kerja tertentu (tekanan, media, suhu, dan mode gerak). Direkomendasikan untuk membuat database korelasi "segel - permukaan kawin - parameter kondisi kerja" dan memverifikasi kelayakan skema melalui uji pendahuluan (misalnya, eksperimen simulasi tekanan tinggi) untuk menghilangkan risiko kegagalan pada sumbernya—memastikan keandalan jangka panjang dari Katup Tersegel Mini, Katup Kontrol Arah Cairan Tersegel, Pompa Diafragma Tersegel, Pompa Transfer Cairan Tersegel, dan Pompa Hidraulik Tersegel Mikro di lingkungan bertekanan tinggi.
