تصميم حلقات منع التسرب الدائرية، الجزء 2: موانع التسرب الشعاعية للضغط الخارجي

الشكل 1. يظهر في الشكل حلقة دائرية داخل أخدود شعاعي مع تثبيت الغطاء الطرفي. لاحظ استخدام حلقة داعمة وحواف مشطوفة. (الصورة مقدمة من باركر هانيفين، وقد قام المؤلف بتعديلها لهذه المقالة)

تتمثل المهمة الأولى لمهندسي المحيطات في منع تسرب الماء إلى الخارج. فقد يؤدي أي خلل في هيكل السفينة إلى إفساد يومٍ رائع في البحر.

بدأ نقاشنا حول تصميم مانع التسرب الحلقي بإلقاء نظرة على موانع التسرب السطحية في مجلة Marine Technology Reporter، يناير/فبراير 2026، الصفحات 20-23 .

تتضمن تلك المقالة معلومات أساسية ومهمة ذات صلة وثيقة بهذه المقالة، ولكن لن نكررها بالكامل هنا. ولتلخيص تلك المعلومات الأساسية:

• لا يوجد مرجع تصميمي أفضل لتصميم حلقات منع التسرب الدائرية من دليل باركر لحلقات منع التسرب الدائرية (ORD-5700). يتوفر ملف PDF للتحميل مجانًا (انظر "المراجع" أدناه). يُعد هذا الدليل مرجعًا أساسيًا لمهندسي المحيطات، ويحتوي على تفاصيل أكثر بكثير مما يمكن إيجاده في أي مقال.
• يُشكّل مانع التسرب الحلقي حاجزًا أمام تدفق السوائل. ويتكون نظام مانع التسرب الحلقي من حلقة دائرية مثبتة في أخدود.
• يجب استخدام مواد التشحيم الخاصة بالتجميع باعتدال. فهي تُستخدم لتقليل الاحتكاك والسماح للحلقة المطاطية بالاستجابة للضغط والتحرك داخل التجويف.
• السبب الرئيسي لفشل الحلقة المطاطية هو البثق من خلال فجوة.
• يتطلب مانع التسرب الشعاعي وجود فجوة للمساعدة في التجميع، وهو ما لا يتطلبه تصميم مانع التسرب السطحي.

يتم اختيار مانع التسرب الشعاعي عندما: 1) تكون مساحة الشفة محدودة لمانع التسرب الوجهي ومسامير تثبيت الغطاء النهائي، أو 2) كمانع تسرب احتياطي ثانوي لمانع التسرب الوجهي الأساسي.   في بعض الأحيان، يُستخدم مانعان للتسرب شعاعيان. مانع التسرب الأول الذي يتعرض للضغط هو المانع الأساسي. أما مانع التسرب الثاني الذي يتعرض للضغط، في حالة تعطل المانع الأساسي، فهو المانع الثانوي.

تمديد الحلقة المطاطية : إذا كان تصميم التجويف الأمثل يقع بين مقاسين للحلقة المطاطية، يمكنك تمديد الحلقة الأصغر لتناسب التجويف الأكبر. يمكنك تكبير الحلقة الأصغر، ولكن لا يمكنك تصغير الحلقة الأكبر. عند تمديد الحلقة المطاطية أثناء تركيبها في التجويف، يصبح مقطعها العرضي مسطحًا. عند تجاوز نسبة التمديد 2-3%، يجب تقليل عمق التجويف للحفاظ على الضغط اللازم. توصي شركة باركر بعدم تمديد الحلقة المطاطية بنسبة تزيد عن 5% لأن ذلك يقلل من عمرها الافتراضي. (المرجع: Parker ORD 5700، القسم 3.5، "التمديد").

لا يتجاوز التمدد المؤقت للقطر الداخلي للوصول إلى الأخدود أثناء التجميع عادةً 25-50%.

مقياس الصلابة : تتميز حلقات منع التسرب ذات الصلابة العالية بمقاومة أفضل للضغط. أما الحلقات ذات الصلابة المنخفضة فهي أكثر تحملاً لعيوب السطح. استخدام حلقة منع تسرب ذات صلابة 70 مع حلقة دعم ذات صلابة 90 يوفر أفضل ما في الحالتين.

الفرق بين الأخدود الخارجي والأخدود الداخلي : يُعتبر أخدود الحلقة المطاطية الموجود على القطر الخارجي للقابس أخدودًا "ذكريًا". وهو أسهل بكثير في التصنيع، والأكسدة، والتنظيف، والتجميع، والفحص. أما الأخدود الموجود على السطح الداخلي لغطاء الطرف المقابل فيُعتبر أخدودًا "أنثويًا". وهو أقل شيوعًا.

نهج التصميم

الشكل 2. يوضح تسلسل تصميم مانع التسرب الشعاعي: 1) تحديد الفجوة، 2) تحديد القطر الداخلي للأنبوب، 3) باستخدام هذين الرقمين، حساب القطر الخارجي للسدادة. (الصور مقدمة من شركة باركر سيل، وقد قام المؤلف بتعديلها لهذه المقالة).

بالرجوع إلى الشكل 2: تسلسل تصميم الختم الشعاعي هو:

• باستخدام جداول تصميم مانع التسرب الشعاعي ذي الحلقة الدائرية من باركر (ORD 5700، القسم 4.2، جدول التصميم 4-1)، ومخطط حدود البثق (انظر الشكل 4)، حدد أقصى فجوة مسموح بها. تُظهر المخططات إما "قطرية" أو "شعاعية"، لذا انتبه عند تطبيق الأرقام على "الثقب" (قطري) أو "الفجوة" (شعاعي = نصف قطري).
• حدد أقل كمية من المادة التي يمكن إزالتها من القطر الداخلي للأنبوب لإنتاج تجويف دائري. إن إزالة كمية كبيرة من المادة تُضعف غلاف الضغط.
• اطرح (ضعف المسافة بين الفتحتين) من قطر التجويف. هذا هو القطر الخارجي للقابس. إذا كنت تستخدم الألومنيوم المراد معالجته بالأكسدة، فعدّل الأبعاد للسماح بنمو الطبقة السطحية (انظر "الأكسدة" أدناه).

تحديد الفجوة : عند تصميم القابس والثقب المتوافقين، استخدم مواصفات باركر لتحديد القطر الخارجي للقابس والقطر الداخلي للثقب. (راجع Parker ORD 5700، جدول التصميم 4-1).

هناك بعض المقايضات:

كلما زاد حجم المقطع العرضي للحلقة الدائرية، زادت الفجوة المسموح بها.

كلما كان المقطع العرضي للحلقة الدائرية أصغر، قلت قوة الضغط المطلوبة، مما يجعل عملية التجميع أسهل.

يتطلب اختيار فجوة صغيرة عملية تصنيع أكثر دقة.

بالنسبة لحلقة دائرية نموذجية ذات مقطع عرضي 0.070 بوصة، يُسمح بخلوص قطري يتراوح بين 0.002 و0.005 بوصة. وهذا يعني أن أقصى فجوة شعاعية على أحد الجانبين تبلغ 0.0025 بوصة.

حلقة الدعم: أوصي دائمًا باستخدام حلقة دعم مع حلقة دائرية شعاعية. فهي رخيصة الثمن، ولا تشغل مساحة كبيرة، ومصممة لمنع خروج الحلقة الدائرية. (انظر الملاحظة رقم 4 أعلاه).

ضع حلقة الدعم على جانب الضغط المنخفض من الحلقة المطاطية. تتعرض الحلقة المطاطية للضغط أولاً. تعمل حلقة الدعم كحاجز خلفي للحلقة المطاطية، تمامًا مثل قفاز الماسك.

الشكل 3. تتمثل حالة الفشل الأساسية لحلقة منع التسرب في انزلاقها داخل الفجوة (يسار). تعمل حلقة داعمة (يمين)، مصنوعة من مادة ذات صلابة أعلى، كجهاز مضاد للانزلاق. (الصور مقدمة من باركر هانيفين، وقد قام المؤلف بتعديلها لهذه المقالة).

أُفضّل استخدام حلقات الدعم المصنوعة من مطاط بونا-إن من باركر بارباك، ذات صلابة 90، في حال احتجتُ إلى تمديد الحلقة المطاطية لتناسب تجويفًا أكبر قليلًا. كما يُعجبني أنها قطعة واحدة متصلة. أما حلقات الدعم المصنوعة من التفلون والمقطّعة بشكل غير متساوٍ، فلا تتمتع بخاصية التمدد، وتترك فجوة غير مرغوب فيها بين طرفيها إذا كانت المسافة بين مركزيهما كبيرة جدًا.

تكفي حلقة دعم واحدة عند تطبيق الضغط من جانب واحد، وهو الحال عادةً في الأجهزة المغمورة. أما إذا تم تطبيق الضغط بالتناوب على جانبي الحلقة المطاطية، كما هو الحال في نظام تعويض الضغط، فيُوصى باستخدام حلقتين دعم، واحدة على كل جانب من الحلقة. (المرجع: Parker ORD-5700، القسم 6)

تبدأ أرقام قطع بارباك بالرقم "8-"، متبوعًا برقم الحلقة المطاطية المكون من ثلاثة أرقام. على سبيل المثال، الحلقة المطاطية 2-018 تستخدم حلقة دعم بارباك 8-018. منطقي جدًا.

استخدم منحنيات حدود حلقات منع التسرب من باركر (ORD-5700، القسم 3.1.4، الشكل 3.2) للتأكد من جدوى استخدام حلقات الدعم. (انظر الشكل 4). في موانع التسرب منخفضة الضغط، ستشير المنحنيات إلى خلوصات مسموح بها أوسع من تلك الموجودة في مخططات تصميم موانع التسرب الشعاعية الأساسية. في تطبيقات الضغط العالي، ستوضح المنحنيات ما إذا كانت إضافة حلقة دعم ستسمح باستخدام أبعاد الأخاديد القياسية في الكتالوج أو أفضل منها. تشير الأبعاد في المخطط إلى "الخلوصات الشعاعية"، لذا ضاعف قيمة "الخلوصات القطرية".

الشكل 4. "على الرغم من أن منحنى الصلابة 90 يعتمد على البيانات المستقاة من الحلقات الدائرية، إلا أنه يمكن أن يكون دليلاً مفيداً لأداء الحلقة الاحتياطية." (ORD-5700، القسم 3.1.4، الشكل 3.2.) (الصورة والنص مقدمان من شركة باركر هانيفين.)

من الأفضل دائمًا بناء نموذج أولي لاختبار الضغط للتأكد من جميع جوانب التصميم. وقد نقل إليّ أحد أساتذتي في الهندسة، الدكتور فرانك سنودغراس، حكمة بالغة، مثل: "الطبيعة دائمًا ما تنحاز إلى العيب الخفي".

تشطيب السطح : كقاعدة عامة، يجب ألا تتجاوز قيم خشونة سطح أسطح منع التسرب 32 جذر متوسط مربع. (انظر الشكل 5). من الممارسات الجيدة أيضًا تشكيل الأسطح عن طريق خراطة القطعة على مخرطة أو باستخدام أداة تشكيل سطحية تُنتج نمطًا دائريًا يتبع اتجاه الأخدود. غالبًا ما يُشار إلى هذه المواصفات في الرسم الهندسي بدائرة على شكل حرف C. قد تُنتج القطعة المصنعة باستخدام قاطع تفريز أو جهاز توجيه أخاديدًا دقيقة تقطع الحلقة المطاطية، مما قد يُسبب مشاكل لأنها تُضعف الحلقة المطاطية على امتداد عرضها. يجب فحص هذا النوع من التشطيب بدقة.

الشكل 5. يوضح الشكل التشطيبات السطحية الموصى بها لأخدود الحلقة المطاطية. الأسطح الرئيسية التي تتطلب تشطيبات ناعمة هي السطحان العلوي والسفلي، كما هو موضح هنا. أما السطحان الأمامي والخلفي للأخدود فيمكن أن يكونا أكثر خشونة. غالبًا ما تُترك زاوية ميل الأخدود (من 0 إلى 5 درجات) للفني. عادةً ما نستخدم في ورشتي زاوية 0 درجة. (الصورة مقدمة من باركر هانيفين، وقد قام الكاتب بتعديلها لهذه المقالة).

الأنودة: هي عملية طلاء خزفي للألمنيوم، تُصنع عن طريق أكسدة المادة السطحية. تُضاف طبقة سطحية بنصف السماكة المحددة. عادةً ما أشير إلى سماكة 0.002 بوصة، حيث تكون 0.001 بوصة داخل المادة الأساسية، و0.001 بوصة للخارج. يُغير هذا من أبعاد القطعة النهائية. يُعدّ مراعاة هذا التغيير بالغ الأهمية عندما تكون الفجوات القطرية للأختام الشعاعية ضيقة للغاية. يزداد القطر الخارجي بمقدار 0.002 بوصة، ويقل القطر الداخلي بمقدار 0.002 بوصة، بينما يبقى عمق الأخاديد ثابتًا حيث ينمو الجزء السفلي والعلوي للخارج في نفس الاتجاه، وتصبح الأخاديد أضيق، في حين أن بعض الأبعاد، مثل القطر الخارجي للأنبوب وطوله، تزداد، ولكنها لا تُؤثر على النتيجة النهائية. اضبط أبعاد القطعة ذات الصلة على الرسم قبل تسليمه إلى فني التشغيل.

شطف الحواف الأمامية : يُسهّل شطف الحواف الأمامية للثقب بزاوية 10-20 درجة عملية التجميع، وذلك لضغط الحلقة المطاطية. يكون القطر الخارجي للشطف أكبر قليلاً من القطر الخارجي للحلقة المطاطية. قم بتنعيم زوايا الشطف لإزالة الحواف الحادة التي قد تُلحق ضرراً غير مقصود بالحلقة المطاطية. كما أقوم بشطف الحافة الأمامية للمكبس للمساعدة في محاذاة وتوسيط السدادة في الثقب أثناء التجميع. قم أيضاً بتنعيم الزوايا الحادة لإزالة أي حافة حادة قد تُلحق الضرر بأسطح منع التسرب في الثقب. كما يُحسّن ذلك من جودة طبقة الأنودة.

العناية أثناء التركيب : تعامل مع حلقات منع التسرب المفتوحة بنفس العناية التي تتعامل بها مع الجروح المفتوحة. النظافة والتعامل الدقيق مع حلقات منع التسرب وأسطح منع التسرب أمران بالغا الأهمية.

ملاحظات إضافية:

• يتوفر فريق قسم هندسة التطبيقات في شركة باركر لمراجعة مشروعك، بما في ذلك درجات الحرارة والضغوط وتصميم الأخاديد (الحشوات) وعزم ربط البراغي وتشطيب الأسطح، وغيرها. وسيقدمون لك أفكارًا تصميمية بديلة إذا كان ذلك مفيدًا. يقع قسم حلقات منع التسرب والمانعات الهندسية في شركة باركر في ليكسينغتون، كنتاكي، الولايات المتحدة الأمريكية، هاتف: 859-269-2351-1، فاكس: 859-335-5128-1، الموقع الإلكتروني: www.parkerorings.com .
• يُساعد استخدام برنامج "Under Pressure" المجاني من شركة DeepSea Power & Light المهندس على تحديد الأبعاد المثلى لعلبة الضغط وغطاء النهاية. وهو مفيد للغاية في دراسة الاحتمالات المختلفة. يمكن تحميل البرنامج مجانًا من الرابط التالي: https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software

شكر وتقدير

يُقرّ المؤلف بفضل ميرت إنجراهام، فنيّ الماكينات في معهد سكريبس، الذي شاركني لأول مرة إرشادات تصميم حلقات منع التسرب (O-ring) التي وُضعت في معهد سكريبس في ستينيات القرن الماضي عندما كان المعهد في بداياته. ما زلت أحتفظ بتلك الملاحظات في نسختي من دليل ORD-5700. عندما كانت الدقة العالية مطلوبة، كنا نُطلق على ذلك اسم "تركيب ميرت".

الاقتباسات

شركة باركر هانيفين، ORD-5700، إصدار الذكرى ^{الخمسين} ، 2021   https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf

فليتني، روبرت، دليل الفقمات والختم، الطبعة السادسة، إلسيفير، 2014

"مختبر الهبوط" هو عمود عملي يُعنى بتقنيات واستراتيجيات مركبات الهبوط على المحيطات، وهي فئة فريدة من المركبات البحرية غير المأهولة، بالإضافة إلى الأشخاص الذين يصنعونها. ويهدف هذا العمود إلى خدمة مجتمع مركبات الهبوط على المحيطات العالمي على غرار مجلة "ميك" وغيرها من مجتمعات "اصنعها بنفسك".

نرحب بالتعليقات على هذه المقالة، أو باقتراحاتكم لقصص أخرى تهمكم. كما نشجع مجموعات غواصي المحيطات على الكتابة عن أعمالهم. للتواصل، يُرجى مراسلة كيفن هاردي عبر البريد الإلكتروني [email protected] .

شكراً لقراءتكم.