การออกแบบผลิตภัณฑ์ — การออกแบบซีลแบบคงที่

หัวใจสำคัญของการออกแบบซีลคือการรับประกันว่า ผ่านผลกระทบรวมกันของโครงสร้าง ความคลาดเคลื่อน (tolerances) วัสดุ และปัจจัยอื่นๆ ผลิตภัณฑ์จะสามารถปิดกั้นเส้นทางการรั่วทั้งหมดตลอดอายุการใช้งานทั้งหมด

หากคุณตรวจสอบซีลเฉพาะเมื่อมันยังใหม่เอี่ยมเท่านั้น และเพิกเฉยต่อปัจจัยต่างๆ เช่น ความคลาดเคลื่อนของแหวนซีล ความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วน หรือประสิทธิภาพของซีลหลังจากผ่านกระบวนการแก่ตัว (aging) คุณอาจประสบปัญหารั่วไหลได้อย่างง่ายดายในภายหลัง ดังนั้น คุณจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยเหล่านี้ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบแรกเริ่ม

ข้อมูลสาธารณะแบ่งซีลออกเป็นสองประเภท คือ ซีลแบบคงที่ (static seals) และซีลแบบเคลื่อนไหว (dynamic seals) ซึ่งขึ้นอยู่กับว่ามีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างซีลกับชิ้นส่วนหรือไม่ขณะทำงาน จุดเน้นในการออกแบบสำหรับแต่ละประเภทนั้นมีความแตกต่างกันมากบทความนี้กล่าวถึงเฉพาะซีลแบบคงที่

เนื้อหา

1. หลักการซีลและโหมดการล้มเหลว

2. การออกแบบโครงสร้างแหวนซีล

1. โหมดการล้มเหลวในสถานะต่างๆ

2. แรงดันการสัมผัสและความยาวการสัมผัสภายใต้เงื่อนไข LMC

3. อัตราการเติม (Fill Rate) และแรงเครียดเฉพาะจุดภายใต้เงื่อนไข MMC

3. ความต้านทานต่อสภาพอากาศของแหวนซีล

1. นิยามของค่า Compression Set

2. ความสัมพันธ์ระหว่างค่าการยุบตัวภายใต้แรงกด (อัตราการบีบอัด) กับอุณหภูมิและระยะเวลาของการเสื่อมสภาพ

3. วิธีประเมินอย่างรวดเร็วหลังการเสื่อมสภาพ

4. ขอบเขตของบทความนี้และหัวข้อที่จะกล่าวถึงในอนาคต

1. หลักการซีลและโหมดการล้มเหลว

ผลิตภัณฑ์สร้างการปิดผนึกได้เนื่องจากวัสดุยาง (แหวนปิดผนึก) ถูกกดลงบนพื้นผิวที่สัมผัส จึงป้องกันไม่ให้ก๊าซหรือของเหลวรั่วผ่านเข้าไป

เมื่อพิจารณาจากมุมมองของเส้นทางการรั่ว ความล้มเหลวของการปิดผนึกมีสองรูปแบบหลัก ดังนี้

• การรั่วบริเวณรอยต่อ: เกิดขึ้นระหว่างแหวนปิดผนึกกับพื้นผิวที่สัมผัส เมื่อการประชิดกันไม่เพียงพอ ทำให้ของไหลไหลผ่านบริเวณรอยต่อหรือช่องว่าง

• การซึมผ่านวัสดุ: โมเลกุลของก๊าซหรือของเหลวสามารถผ่านวัสดุยางหรือพลาสติกเองได้ในระดับโมเลกุล

ในงานวิศวกรรมจริง การทดสอบการรั่วด้วยฟองอากาศภายใต้แรงดันบวกมักตรวจจับการรั่วบริเวณรอยต่อขนาดใหญ่ได้ง่ายกว่า ในขณะที่การตรวจสอบความล้มเหลวของการแยกฉนวนหลังการแช่น้ำจะเหมาะสมกว่าสำหรับการประเมินว่าผลิตภัณฑ์โดยรวมมีการรั่วที่ระดับระบบหรือไม่

หมายเหตุสำคัญ: ผลการทดสอบไม่สามารถบ่งชี้กลไกการล้มเหลวที่แน่นอนได้โดยอัตโนมัติ ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์อาจไม่แสดงฟองภายใต้แรงดันบวก แต่กลับล้มเหลวในการฉนวนภายใต้แรงดันลบ สิ่งนี้ไม่ได้พิสูจน์ว่าเกิดจากการซึมผ่านของวัสดุ — อาจเกิดจากช่องรั่วบริเวณรอยต่อ ข้อบกพร่องเฉพาะจุดที่แหวนปิดผนึก หรือเส้นทางการรั่วอื่นๆ ก็เป็นได้

2. การออกแบบโครงสร้างแหวนซีล

คู่มือการออกแบบสาธารณะทั้งหมดเน้นย้ำว่า ในการออกแบบแหวนปิดผนึก คุณต้องพิจารณาปัจจัยร่วมกันทั้งหมด ได้แก่ ปริมาณการบีบอัด ความเต็มของร่อง สถานะการยืด/การติดตั้ง ความเรียบของพื้นผิว และค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ การบีบอัดน้อยเกินไปจะทำให้การสัมผัสไม่ดีพอ ในขณะที่การบีบอัดมากเกินไปอาจเร่งการเปลี่ยนรูปถาวร เพิ่มแรงประกอบให้สูงเกินไป หรือก่อให้เกิดความเสียหายเฉพาะจุด

สำหรับการออกแบบเชิงวิศวกรรม คุณสามารถใช้การวิเคราะห์แบบจำลององค์ประกอบจำกัด (FEA) เพื่อจำลองพฤติกรรมของแหวนปิดผนึกภายใต้สภาวะการยืดและการประกอบ เป็นต้น และประเมินความน่าเชื่อถือจากตัวเลขสำคัญ รายการที่ต้องตรวจสอบอย่างละเอียดมีดังนี้

หมายเหตุ: ตัวเลขนี้เป็นตัวชี้วัดเชิงวิศวกรรมแบบแทนค่า (proxy indicators) ไม่ใช่การวัดโดยตรงของการรั่วไหล

1. โหมดการล้มเหลวในสถานะต่างๆ

ระหว่างการทบทวนโครงสร้าง ให้ตรวจสอบก่อนว่ามีโหมดความล้มเหลวที่ชัดเจนเกิดขึ้นภายใต้การจับคู่ขนาดต่าง ๆ และสถานะการประกอบหรือไม่ เช่น:

• การยุบตัวของริมฝีปากซีล

• การม้วนงอหรือการบีบตัว

• การยื่นออกของวัสดุบริเวณท้องถิ่น

• การระบุจุดที่มีความเข้มข้นของแรงเครียดผิดปกติอย่างชัดเจน

ขั้นตอนนี้จะบ่งบอกว่าซีลยังคงอยู่ในสภาวะการทำงานตามปกติหรือไม่ แม้ว่าอัตราการบีบอัดเชิงนามจะดูเหมาะสม แต่หากเกิดการยุบตัวหรือพับของริมฝีปากซีลภายใต้การประกอบสุดขีด ความน่าเชื่อถือก็ยังอาจลดลงได้

2. ความดันการสัมผัสและความยาวการสัมผัสภายใต้สภาวะ LMC (Least Material Condition)

สำหรับซีลแบบคงที่ สภาวะ LMC (ขนาดแหวนซีลที่อยู่ที่ค่าต่ำสุดของช่วงความคลาดเคลื่อน และช่องว่างร่องที่อยู่ที่ค่าสูงสุดของช่วงความคลาดเคลื่อน) มักเป็นจุดที่อ่อนแอที่สุด เนื่องจากการจับคู่ดังกล่าวทำให้ความดันการสัมผัสและความยาวการสัมผัสลดลงได้ง่ายกว่า

ในส่วนของขั้วต่อ ประสบการณ์ที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่า สำหรับยางซิลิโคน การออกแบบเบื้องต้นควรกำหนดแรงดันบวกเริ่มต้นไว้ที่ >500 กิโลพาสคาล และความยาวบริเวณที่สัมผัสกันไว้ที่ >0.6 มิลลิเมตร ค่านี้เป็นค่าอ้างอิงที่สามารถรับประกันความแน่นสนิทต่ออากาศได้ที่ 28 กิโลพาสคาล หลังจากผ่านการทดสอบเป็นเวลา 1,008 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 125°C (เทียบเคียงได้กับความลึกน้ำประมาณ 3 เมตร)

หมายเหตุเพิ่มเติม:

① หากจำเป็น ควรพิจารณาการเปลี่ยนรูปของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกันภายใต้แรงที่กระทำด้วย

② แรงดันสัมผัสและความยาวสัมผัสเป็นการตรวจสอบในระดับมหภาค (macro-level) แต่ในระดับจุลภาค (micro-level) ยังจำเป็นต้องพิจารณาช่องทางรั่วที่อาจเกิดขึ้นจากความหยาบของผิว

3. อัตราการเติม (Fill Rate) และแรงเครียดเฉพาะจุดภายใต้สภาวะ MMC (Maximum Material Condition)

ภายใต้สภาวะ MMC แหวนซีลจะมีแนวโน้มถูกบีบอัดเกินขนาดมากขึ้น ดังนั้นควรให้ความสำคัญกับประเด็นต่อไปนี้:

• อัตราการเติมหน้าตัดสูงเกินไปหรือไม่ (ต้องไม่เกิน 100%)

• แรงเครียดเฉพาะจุดเกินขีดความสามารถของวัสดุหรือไม่ (ต้องไม่เกินค่าแรงดึงสูงสุดของยาง) และมีแนวโน้มที่จะเกิดการยุบตัวหรือไม่

• มีความเสี่ยงต่อการถูกดันออก (extrusion) หรือไม่

3. ความต้านทานต่อสภาพอากาศของแหวนซีล

ส่วนแรกที่กล่าวมาแล้วนั้นครอบคลุมประสิทธิภาพของแหวนซีลในขณะที่ยังใหม่ และการวิเคราะห์ด้วยองค์ประกอบจำกัด (FEA) สามารถให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแม่นยำสำหรับกรณีนี้ได้

แต่วัสดุยางจะเกิดการบิดเบือนแบบถาวรภายใต้แรงอัด (permanent compression set), การผ่อนคลายแรงเครียด (stress relaxation), การเสื่อมสภาพจากความร้อน (thermal aging) และการลดลงของสมบัติทางกายภาพเมื่อเวลาผ่านไป จึงทำให้พื้นผิวที่ใช้ในการปิดผนึกค่อยๆ สูญเสียแรงสัมผัสเดิมที่มีต่อกัน

การผ่านการตรวจสอบเบื้องต้นไม่ได้หมายความว่าชิ้นส่วนจะยังคงเชื่อถือได้จนถึงสิ้นอายุการใช้งาน ท่านจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ

1. นิยามของค่า Compression Set

การบิดเบือนแบบถาวรภายใต้แรงอัด (Compression set) เป็นดัชนีสำคัญที่ใช้ประเมินว่ายางยังคงรักษาความยืดหยุ่นไว้ได้ดีเพียงใดหลังจากถูกอัดไว้เป็นเวลานาน

ซึ่งหมายความว่า หลังจากแหวนซีลถูกอัดและผ่านกระบวนการเสื่อมสภาพมานาน เมื่อปล่อยแรงกดออกแล้ว แหวนซีลจะไม่สามารถคืนรูปร่างเดิมได้อย่างสมบูรณ์ ยิ่งค่าการบิดเบือนแบบถาวรภายใต้แรงอัดมีค่ามากเท่าใด ความสามารถในการคืนรูปก็ยิ่งแย่ลงเท่านั้น และความเสี่ยงที่จะสูญเสียการสัมผัสปิดผนึกอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อถึงสิ้นอายุการใช้งานก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

(บทความนี้แสดงแผนผังของการบิดเบือนแบบถาวรภายใต้แรงอัดไว้ที่นี่)

(บทความแสดงอุปกรณ์ทดสอบมาตรฐานในอุตสาหกรรมสำหรับการวัดค่าการยุบตัวคงที่ของแหวนซีล — คือก้อนยางขนาดมาตรฐานที่วางอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น)

2. ความสัมพันธ์ระหว่างค่าการยุบตัวภายใต้แรงกด (อัตราการบีบอัด) กับอุณหภูมิและระยะเวลาของการเสื่อมสภาพ

โดยหลักการแล้ว ปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ แรงดัน (อัตราการบีบอัด), อุณหภูมิ และเวลา

(บทความแสดงกราฟค่าการยุบตัวคงที่ของยางซิลิโคน VMQ เทียบกับอัตราการบีบอัด สำหรับยาง VMQ การบีบอัดน้อยเกินไปหรือมากเกินไปจะไม่ให้สมรรถนะที่ดีที่สุดในระยะยาว)

(หมายเหตุ: เมื่อการบีบอัดเบาเป็นพิเศษ ค่า "ร้อยละ" ของการยุบตัวคงที่อาจดูสูงมาก)

(บทความแสดงกราฟค่าการยุบตัวคงที่หลังการอายุการใช้งานที่อุณหภูมิต่าง ๆ — อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้ความสามารถในการคืนรูปแย่ลง)

(บทความแสดงอายุการใช้งานโดยประมาณของวัสดุซีลชนิดต่าง ๆ ที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน — เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงเท่านั้น)

(บทความแสดงกราฟค่าการยุบตัวคงที่ของยาง NBR เทียบกับระยะเวลาการอายุการใช้งาน)

3. วิธีประเมินอย่างรวดเร็วหลังการเสื่อมสภาพ

ในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม คุณสามารถนำค่าการยุบตัวภายใต้แรงอัดหลังการใช้งาน (compression set) ที่วัดได้หลังการเสื่อมสภาพกลับไปใช้ในแบบจำลองการออกแบบเริ่มต้น เพื่อตรวจสอบอย่างรวดเร็วว่ามีค่าความปลอดภัยเพียงพอหรือไม่ และประเมินความเสี่ยงของการล้มเหลวเมื่อสิ้นอายุการใช้งาน

ตัวอย่างเช่น หากอัตราการอัดเริ่มต้นในการออกแบบคือ 10% แต่หลังจากผ่านการแก่ตัวเป็นเวลา 1008 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 125°C ค่าการยุบตัวภายใต้แรงอัดเพิ่มขึ้นเป็น 17% แสดงว่าซีลน่าจะล้มเหลวอย่างมากหลังการเสื่อมสภาพ ท่านควรเพิ่มอัตราการอัดเริ่มต้น หรือเลือกยางที่มีสมรรถนะการยุบตัวภายใต้แรงอัดดีกว่า

หมายเหตุ: วิธีนี้เหมาะสำหรับการตรวจสอบเบื้องต้นหรือการประเมินแนวโน้มเท่านั้น ไม่สามารถใช้ทำนายอัตราการรั่วไหลสุดท้ายได้โดยตรง

4. ขอบเขตของบทความนี้และหัวข้อที่จะกล่าวถึงในอนาคต

บทความนี้ให้กรอบแนวคิดเชิงคุณภาพสำหรับการออกแบบซีล แต่ยังไม่ครอบคลุมประเด็นสำคัญหลายประการ เช่น ความสัมพันธ์ระหว่างความหยาบของผิวหน้ากับประสิทธิภาพการปิดผนึก ผลกระทบของอุณหภูมิต่ำต่อสมรรถนะของซีล วิธีการเชิงปริมาณในการคำนวณอัตราการรั่วไหล และการสร้างแบบจำลองการแก่ตัวตามอุณหภูมิ

ส่งเสริม

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] เฉียน หยี่หุ่ย, เซียว หู่จื้อ, เหนี่ย มู่หุ่ย, และคณะ ทำนายอายุการใช้งานของยางไนไตรล์ภายใต้แรงกดในน้ำมันหม้อแปลง[C]// รายงานการประชุมนานาชาติครั้งที่ 5 ว่าด้วยการวัด การสอบเทียบเครื่องมือ และระบบอัตโนมัติ ค.ศ. 2016 (ICMIA 2016) ปารีส: สำนักพิมพ์แอตแลนติส, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.