Phớt cơ khí hoạt động như thế nào? Cấu tạo và nguyên lý làm kín

Phớt cơ khí, còn gọi là Mechanical Seal, phốt cơ khí hoặc phớt máy bơm, là bộ phận làm kín được lắp tại vị trí trục quay đi xuyên qua thân thiết bị. Phớt có nhiệm vụ hạn chế nước, dầu, hóa chất hoặc lưu chất công nghệ rò rỉ ra ngoài trong khi trục vẫn quay.

Phớt cơ khí được sử dụng phổ biến trong máy bơm ly tâm, bơm hóa chất, bơm dầu, máy khuấy, máy nén và nhiều thiết bị quay công nghiệp. Để làm kín hiệu quả, phớt phải duy trì trạng thái làm việc ổn định giữa hai mặt chà, đồng thời kiểm soát ma sát và nhiệt phát sinh.

Sealtech Vietnam cung cấp nhiều dòng Mechanical Seal – phớt cơ khí theo mã hàng, mẫu cũ, kích thước trục, model bơm hoặc bản vẽ kỹ thuật.

Cấu tạo cơ bản của phớt cơ khí

Một bộ phớt cơ khí thông thường gồm những thành phần chính sau:

• Mặt chà quay: được lắp với trục hoặc ống lót trục và quay theo thiết bị.
• Mặt chà tĩnh: được cố định trong nắp chặn, gland hoặc thân bơm.
• Lò xo hoặc bellow: duy trì lực ép ban đầu giữa hai mặt chà.
• Gioăng làm kín phụ: thường là O-ring, vòng đệm, bellow cao su, PTFE hoặc graphite.
• Cơ cấu truyền động: truyền chuyển động quay từ trục sang mặt chà động.
• Vòng chặn và chi tiết giữ: định vị các bộ phận tại đúng vị trí làm việc.
• Chi tiết kim loại: thường được chế tạo từ inox hoặc hợp kim phù hợp với môi chất.

Trong đó, mặt chà phớt cơ khí là bộ phận trực tiếp tạo vùng làm kín động và có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống rò rỉ của toàn bộ cụm phớt.

Phớt cơ khí hoạt động như thế nào?

Khi thiết bị vận hành, trục kéo mặt chà động quay theo, trong khi mặt chà tĩnh được giữ cố định trong thân hoặc nắp chặn. Hai bề mặt được gia công có độ phẳng cao và được ép vào nhau bằng lực lò xo kết hợp với áp suất lưu chất.

Giữa hai mặt chà không phải lúc nào cũng hoàn toàn khô. Trong điều kiện vận hành bình thường, một lớp màng chất lỏng cực mỏng được duy trì tại vùng tiếp xúc để bôi trơn, giảm ma sát và hỗ trợ tản nhiệt.

Khe hở giữa hai mặt chà được kiểm soát rất nhỏ. Nhờ đó, phớt có thể hạn chế lượng lưu chất đi qua trong khi vẫn duy trì lớp màng cần thiết cho quá trình vận hành.

Quá trình làm kín diễn ra theo những bước nào?

1. Trục quay truyền chuyển động cho mặt chà động.
2. Mặt chà tĩnh được giữ cố định trong gland hoặc thân thiết bị.
3. Lò xo tạo lực ép ban đầu giữa hai mặt chà.
4. Áp suất lưu chất hỗ trợ duy trì trạng thái làm việc của cặp mặt chà.
5. Lớp màng chất lỏng cực mỏng hình thành giữa hai bề mặt.
6. Màng chất lỏng thực hiện nhiệm vụ bôi trơn và đưa nhiệt ra khỏi vùng ma sát.
7. O-ring, bellow hoặc gioăng phụ làm kín những vị trí lắp ghép còn lại.

Ba vị trí làm kín chính của phớt cơ khí

Khả năng làm kín của Mechanical Seal được hình thành tại ba vị trí cơ bản:

• Giữa mặt chà quay và mặt chà tĩnh: đây là vùng làm kín động quan trọng nhất.
• Giữa mặt chà quay và trục: thường được làm kín bằng O-ring, bellow cao su hoặc gioăng phụ.
• Giữa mặt chà tĩnh và gland: được làm kín bằng O-ring, gasket hoặc vòng đệm phù hợp.

Các O-ring làm kín phụ phải được lựa chọn đúng vật liệu. O-ring sai vật liệu có thể bị trương nở, co cứng, nứt hoặc mất đàn hồi khi tiếp xúc với lưu chất và nhiệt độ vận hành.

Vì sao cần có màng chất lỏng giữa hai mặt chà?

Nếu hai mặt chà ma sát trực tiếp trong điều kiện khô, nhiệt độ tại vùng tiếp xúc có thể tăng rất nhanh. Điều này có thể làm nứt mặt carbon, cháy gioăng cao su, biến dạng chi tiết và gây rò rỉ.

Lớp màng chất lỏng rất mỏng có ba nhiệm vụ chính:

• Bôi trơn vùng tiếp xúc giữa hai mặt chà.
• Giảm hệ số ma sát và lượng nhiệt phát sinh.
• Đưa nhiệt ra khỏi vùng làm kín.

Vì vậy, phớt cơ khí thông dụng không hoạt động theo nguyên tắc ép khô tuyệt đối. Thiết kế phớt phải tạo được trạng thái cân bằng giữa khả năng làm kín, ma sát, nhiệt độ và độ ổn định của lớp màng bôi trơn.

Phớt cơ khí làm kín như thế nào khi thiết bị dừng?

Khi trục ngừng quay, lò xo vẫn duy trì lực ép giữa hai mặt chà. Nhờ đó, phớt tiếp tục làm kín ở trạng thái tĩnh.

Khi thiết bị khởi động trở lại, lớp màng chất lỏng cần nhanh chóng hình thành để bôi trơn hai bề mặt. Vì vậy, cần bảo đảm khoang phớt đã có lưu chất hoặc hệ thống bôi trơn phù hợp trước khi khởi động.

Việc để phớt cơ khí thông dụng chạy khô có thể làm mặt chà quá nhiệt và hư hỏng trong thời gian ngắn.

Vật liệu mặt chà phớt cơ khí

Vật liệu mặt chà cần được lựa chọn theo lưu chất, áp suất, nhiệt độ, tốc độ quay, độ mài mòn và khả năng bôi trơn của môi trường.

Carbon Graphite

Carbon có khả năng tự bôi trơn và thường được sử dụng làm một mặt trong cặp ma sát. Carbon có thể kết hợp với Ceramic, Silicon Carbide hoặc Tungsten Carbide tùy ứng dụng.

Ceramic

Ceramic có độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt, phù hợp với nhiều loại bơm nước sạch, nước công nghiệp và lưu chất trung tính.

Silicon Carbide

Silicon Carbide, thường viết tắt là SiC, có độ cứng, khả năng chống mài mòn và kháng hóa chất tốt. Vật liệu này thường được cân nhắc cho hóa chất, nước thải, chất lỏng ăn mòn hoặc môi trường có hạt mịn.

Tungsten Carbide

Tungsten Carbide, viết tắt là TC, có độ cứng và khả năng chịu tải cao. Vật liệu phù hợp với bơm công nghiệp nặng, áp suất cao và môi trường có tính mài mòn.

Không nên lựa chọn cặp mặt chà chỉ dựa vào độ cứng. Cần xem xét khả năng bôi trơn, tính ăn mòn, nhiệt độ, áp suất và nguy cơ sốc nhiệt của ứng dụng.

Các loại phớt cơ khí phổ biến

Mechanical Seal có nhiều kiểu cấu tạo. Mỗi loại phù hợp với một nhóm điều kiện vận hành khác nhau. Có thể tham khảo nội dung phân loại phớt cơ khí theo cấu tạo để lựa chọn phù hợp hơn.

Phớt cơ khí bellow cao su

Rubber Bellow Seals sử dụng phần cao su đàn hồi dạng bellow để làm kín phụ và bù chuyển động nhỏ theo phương dọc trục.

Loại này có kết cấu tương đối đơn giản, dễ lắp và thường được sử dụng cho bơm nước, bơm tuần hoàn, HVAC và nhiều loại bơm công nghiệp thông dụng.

Phớt cơ khí bellow kim loại

Metal Bellow Seals sử dụng bellow kim loại để tạo lực ép và bù chuyển động dọc trục.

Dòng phớt này thường được cân nhắc cho dầu nóng, nhiệt độ cao, hóa chất hoặc những môi trường mà elastomer thông thường không phù hợp.

Phớt cơ khí nhiều lò xo

Phớt cơ khí nhiều lò xo cân bằng sử dụng nhiều lò xo nhỏ bố trí quanh trục, giúp phân bố lực ép tương đối đều lên cặp mặt chà.

Loại này phù hợp với nhiều bơm công nghiệp, bơm hóa chất và ứng dụng cần khả năng làm kín ổn định trong điều kiện áp suất cao hơn.

Phớt cơ khí tách đôi

Split Seals có kết cấu chia đôi, cho phép lắp quanh trục mà không cần tháo toàn bộ cụm bơm hoặc khớp nối.

Loại phớt này phù hợp với bơm lớn, máy khuấy và thiết bị có chi phí tháo lắp hoặc thời gian dừng máy cao.

Những nguyên nhân thường làm phớt cơ khí hư hỏng

• Khởi động thiết bị khi khoang phớt chưa có lưu chất.
• Phớt hoạt động trong tình trạng thiếu bôi trơn hoặc làm mát.
• Cặn bẩn và hạt mài lọt vào giữa hai mặt chà.
• Trục bị cong, lệch tâm hoặc có độ đảo vượt giới hạn.
• Thiết bị rung mạnh hoặc thường xuyên xảy ra xâm thực.
• Bạc đạn bị mòn làm trục dao động trong quá trình quay.
• Lắp sai chiều, ép lệch hoặc làm trầy mặt chà.
• Lựa chọn sai vật liệu mặt chà hoặc elastomer.
• Đường làm mát, flushing hoặc đường hồi bị tắc.
• Áp suất, nhiệt độ hoặc tốc độ vượt giới hạn thiết kế.

Dấu hiệu phớt cơ khí đang gặp sự cố

• Lưu chất rò rỉ thành dòng tại vị trí trục.
• Khu vực phớt nóng bất thường.
• Xuất hiện tiếng rít, tiếng cọ hoặc rung động.
• Mặt carbon bị nứt, cháy hoặc mẻ.
• O-ring bị cứng, trương nở hoặc mất đàn hồi.
• Lò xo bị ăn mòn, gãy hoặc mất lực ép.
• Trục hoặc ống lót xuất hiện rãnh mòn.

Khi phớt rò rỉ, không nên chỉ thay bộ phớt mới mà bỏ qua tình trạng của bơm. Cần kiểm tra độ đảo trục, bạc đạn, độ đồng tâm, rung động, áp suất khoang phớt, đường flushing và bề mặt lắp.

Lưu ý khi lắp đặt phớt cơ khí

• Cô lập nguồn điện và xả hết áp suất trước khi tháo bơm.
• Làm sạch trục, gland, khoang lắp và các chi tiết liên quan.
• Không chạm tay trực tiếp vào bề mặt làm việc của mặt chà.
• Không đặt mặt chà trên bề mặt bẩn, cứng hoặc có hạt mài.
• Kiểm tra trục có bị xước, cong hoặc mòn tại vị trí lắp không.
• Bôi trơn O-ring bằng chất tương thích với vật liệu và lưu chất.
• Không dùng lực đóng trực tiếp lên mặt chà.
• Lắp đúng chiều và đúng chiều dài làm việc của phớt.
• Siết gland đều để tránh làm mặt tĩnh bị nghiêng.
• Quay thử trục bằng tay trước khi khởi động nếu thiết kế cho phép.

Lưu ý khi vận hành phớt cơ khí

• Xả khí và cấp đầy lưu chất cho khoang phớt trước khi khởi động.
• Không để bơm chạy khô nếu phớt không được thiết kế cho điều kiện này.
• Kiểm tra hệ thống làm mát hoặc flushing nếu có sử dụng.
• Không vận hành bơm kéo dài tại điểm làm việc không phù hợp.
• Theo dõi độ rung, nhiệt độ và lượng rò rỉ trong thời gian đầu.
• Dừng kiểm tra khi xuất hiện tiếng rít hoặc nhiệt độ tăng nhanh.

Cách chọn phớt cơ khí phù hợp

Để lựa chọn đúng Mechanical Seal, cần cung cấp các thông tin sau:

• Hãng và model máy bơm hoặc thiết bị.
• Đường kính trục tại vị trí lắp phớt.
• Kích thước và hình ảnh của phớt cũ.
• Môi chất cần làm kín.
• Nhiệt độ và áp suất vận hành.
• Tốc độ quay của trục.
• Vật liệu mặt chà và elastomer đang sử dụng.
• Điều kiện flushing, làm mát hoặc bôi trơn.
• Tình trạng rò rỉ và dạng hư hỏng của phớt cũ.

Đối với các bơm công nghiệp áp suất cao, có thể cần phớt cân bằng như phớt cơ khí H7N. Tuy nhiên, việc lựa chọn cần được kiểm tra theo kích thước, môi chất và thông số vận hành thực tế.

Ứng dụng của phớt cơ khí

Phớt cơ khí được sử dụng trong máy bơm nước, bơm hóa chất, bơm dầu, bơm thực phẩm, máy khuấy, máy nén, hệ thống xử lý nước và nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp.

Hiểu đúng nguyên lý hoạt động giúp kỹ thuật viên lựa chọn phớt phù hợp, lắp đặt chính xác và phát hiện sớm các nguyên nhân gây rò rỉ.

Sealtech Vietnam cung cấp phớt cơ khí cho máy bơm và thiết bị công nghiệp, mặt chà Carbon, Ceramic, Silicon Carbide, Tungsten Carbide, O-ring và các giải pháp làm kín theo điều kiện vận hành thực tế.