صمامات الارتجاع

تُثبَّت صمامات الارتجاع (غير الراجعة) في الأنابيب للسماح بالتدفق في اتجاه واحد فقط؛ لمساعدة حماية المعدات والعمليات. يُوضَّح في هذا الدليل آلية العمل والفوائد والتطبيقات واختبار التصاميم المختلفة، بما في ذلك صمامات الرفع والقرص والأرجوحة والصفائح الرقيقة.

صمامات الارتجاع، أو الصمامات غير الراجعة، تُثبَّت في الأنظمة الأنبوبية للسماح بالتدفق في اتجاه واحد فقط. تعمل بالكامل بالتفاعل مع السائل في الخط ولا تتطلب أي تشغيل خارجي. في هذا النص، يُشار إلى الاتجاه المتوقع أو المرغوب للتدفق بـ ‘التدفق الأمامي’، والتدفق في الاتجاه المعاكس هو ‘التدفق العكسي’.

هناك عدة أسباب لاستخدام صمامات الارتجاع، تشمل:

• حماية أي جهاز يمكن أن يتأثر بالتدفق العكسي، مثل أجهزة قياس التدفق والغربالات وصمامات التحكم.
• للتحقق من ارتفاعات الضغط المرتبطة بالقوى الهيدروليكية، على سبيل المثال، المطرقة المائية. يمكن أن تسبب هذه القوى الهيدروليكية موجة ضغط تصعد وتهبط في الأنابيب حتى تتبدد الطاقة.

على الرغم من أن صمامات الارتجاع يمكنها إيقاف التدفق العكسي بفعالية، إلا أنه لا يجب استخدامها أبدًا بديلًا عن صمام العزل لاحتواء البخار الحي في قسم من الأنبوب.

مثل صمامات العزل، هناك عدد من تصاميم صمامات الارتجاع المختلفة، كل منها ملائم لتطبيقات محددة. تُناقَش الأنواع المختلفة من صمامات الارتجاع وتطبيقاتها في هذه الوحدة، إلى جانب طريقة التحجيم الصحيحة.

صمامات الارتجاع بالرفع

صمامات الارتجاع بالرفع مشابهة في التكوين لصمامات الكرة، باستثناء أن القرص أو السدادة تعمل تلقائيًا. فتحات الدخول والخروج مفصولة بسدادة مخروطية الشكل تستقر على مقعد معدني عادة؛ في بعض الصمامات، قد تُثبَّت السدادة على مقعدها باستخدام نابض. عندما يكون التدفق الداخل إلى الصمام في الاتجاه الأمامي، يرفع ضغط السائل المخروط عن مقعده، فيفتح الصمام. مع التدفق العكسي، يعود المخروط إلى مقعده ويُثبَّت في مكانه بضغط التدفق العكسي.

إذا استُخدم مقعد معدني، فإن صمام الارتجاع بالرفع مناسب فقط للتطبيقات حيث يُقبل كمية صغيرة من التسرب في ظروف التدفق العكسي. علاوة على ذلك، يحد تصميم صمام الارتجاع بالرفع عمومًا من استخدامه في تطبيقات الماء، وبالتالي يُستخدم بشكل شائع لمنع التدفق العكسي للمكثفات في صمامات البخار وعلى منافذ مضخات المكثفات الدورية.

الميزة الرئيسية لصمام الارتجاع بالرع تكمن في بساطته، ونظرًا لأن المخروط هو الجزء المتحرك الوحيد، فإن الصمام متين ويتطلب صيانة قليلة. بالإضافة إلى ذلك، يُحد استخدام مقعد معدني من مقدار تآكل المقعد. لصمام الارتجاع بالرفع قيودان رئيسيان؛ أولاً، إنه مصمم للتثبيت فقط في الأنابيب الأفقية، وثانيًا، حجمه محدود عادة إلى DN80، فوقها يصبح الصمام ضخمًا جدًا. صمام الارتجاع بالرفع من النوع المكبس هو تعديل لصمام الارتجاع بالرفع المعياري. يتضمن سدادة على شكل مكبس بدلاً من المخروط، ويُطبَّق على هذه الآلية مُخمِّد. يُنتج المُخمِّد تأثير تخفيف أثناء التشغيل، مما يُلغي الضرر الناتج عن التشغيل المتكرر للصمام، على سبيل المثال، في الأنظمة الأنبوبية المعرضة لارتفاعات مفاجئة في الضغط أو تغييرات متكررة في اتجاه التدفق (أحد الأمثلة هو مخرج الغلاية).

صمامات الارتجاع بالأرجوحة

يتكون صمام الارتجاع الأرجوحي من صمام أو قرص بنفس قطر فتحة الأنبوب، يتدلى في مسار التدفق. مع التدفق في الاتجاه الأمامي، يُجبر ضغط السائل القرص على الارتقاء، مما يسمح بالتدفق عبر الصمام. يسبب التدفق العكسي إغلاق القرص ضد المقعد ويوقف رجوع السائل عبر الأنبوب. في غياب التدفق، يكون وزن الصمام مسؤولًا عن إغلاق الصمام؛ ومع ذلك، في بعض الحالات، يمكن مساعدة الإغلاق باستخدام رافعة مرجحة. كما يمكن ملاحظة من الشكل 12.3.2، تكون الآلية بأكملها محجوبة داخل جسم، مما يسمح للصمام بالانسحاب خارج مسار التدفق.

تُنتج صمامات الارتجاع الأرجوحية مقاومة مرتفعة نسبيًا للتدفق في الموضع المفتوح، بسبب وزن القرص. بالإضافة إلى ذلك، تُحدث اضطرابًا، لأن الصمام ‘يطفو’ على تيار السائل. هذا يعني أن هناك عادة انخفاضًا أكبر في الضغط عبر صمام الارتجاع الأرجوحي مقارنة بالأنواع الأخرى.

مع التغيرات المفاجئة في التدفق، يمكن للقرص أن يصطدم بمقعد الصمام، مما يسبب تآكلًا كبيرًا للمقعد، ويُحدث مطرقة مائية على طول نظام الأنابيب. يمكن التغلب على ذلك بتركيب آلية تخفيف على القرص واستخدام مقاعد معدنية للحد من مقدار تآكل المقعد.

صمامات الارتجاع الصفائحية

تميل صمامات الارتجاع بالرفع والأرجوحة إلى أن تكون ضخمة مما يحد من حجمها ويُكلفها أكثر. للتغلب على ذلك، تم تطوير صمامات الارتجاع الصفائحية. بالتعريف، صمامات الارتجاع الصفائحية هي تلك المصممة للتركيب بين مجموعة من الفلنجات. يغطي هذا التعريف الشامل مجموعة متنوعة من التصاميم المختلفة، بما في ذلك صمامات الارتجاع بالقرص والإصدارات الصفائحية من صمامات الارتجاع الأرجوحية أو ذات القرص المنشق.

صمامات الارتجاع بالقرص

يتكون صمام الارتجاع بالقرص من أربعة مكونات رئيسية: الجسم، وقرص، ونابض، وحامل النابض. يتحرك القرص في مستوى عمودي على تدفق السائل، مقاومًا بالنابض المُثبَّت بالحامل. الجسم مصمم للعمل كطوق توسيم متكامل يُسهّل التثبيت. حيث يكون ختم ‘تسفر صفري’ مطلوبًا، يمكن تضمين مقعد طري.

عندما تكون القوة المؤثرة على القرص من ضغط المنبع أكبر من القوة المؤثرة من النابض ووزن القرص وأي ضغط مصب، يُجبر القرص على الرفع عن مقعده، مما يسمح بالتدفق عبر الصمام. عندما ينخفض فرق الضغط عبر الصمام، يُجبر النابض القرص على العودة إلى مقعده، مُغلقًا الصمام قبل حدوث التدفق العكسي. هذا موضح في الشكل 12.3.4. وجود النابض يُمكِّن تركيب صمام الارتجاع بالقرص في أي اتجاه.

فرق الضغط المطلوب لفتح صمام الارتجاع يتحدد بشكل رئيسي بنوع النابض المستخدم. بالإضافة إلى النابض المعياري، هناك عدة خيارات للنابض متاحة:

• بدون نابض - يُستخدم حيث يكون فرق الضغط عبر الصمام صغيرًا.
• نابض نيمونيك - يُستخدم في تطبيقات درجات الحرارة العالية.
• نابض شديد التحمل - هذا يزيد من الضغط المطلوب للفتح. عند تركيبه في خط تغذية ماء الغلاية، يمكن استخدامه لمنع طغيان ماء الغلايات عند عدم وجود ضغط. مثل جميع صمامات الارتجاع الصفائحية، يتحدد حجم صمام الارتجاع بالقرص بحجم الأنابيب المرتبطة. هذا عادة يضمن أن الصمام مُحجَّم بشكل صحيح، لكن هناك حالات يكون فيها الصمام مُكبَّر أو مُصغَّر. غالبًا ما يُشير الصمام المُكبَّر إلى رجفة مستمرة في الصمام، وهي الفتح والإغلاق المتكرر للصمام الذي يحدث عندما يكون الصمام مفتوحًا جزئيًا فقط. سببه أنه عندما يفتح الصمام، ينخفض ضغط المنبع؛ إذا كان هذا الانخفاض في الضغط يعني أن فرق الضغط عبر الصمام ينخفض عن ضغط الفتح المطلوب، فسيُغلق الصمام فورًا. بمجرد إغلاق الصمام، يبدأ الضغط في البناء مرة أخرى، فيفتح الصمام وتتكرر الدورة. عادة يمكن تصحيح التحجيم الزائد باختيار صمام أصغر، لكن يجب ملاحظة أن هذا سيزيد من انخفاض الضغط عبر الصمام لأي تدفق. إذا لم يكن هذا مقبولًا، من الممكن التغلب على تأثيرات الرجفة بتقليل قوة الإغلاق على القرص. يمكن القيام بذلك إما باستخدام نابض معياري بدلاً من نابض شديد التحمل، أو بإزالة النابض تمامًا. بديل آخر هو استخدام مقعد طري؛ هذا لا يمنع الرجفة بل يقلل الضغط. يجب توخي الحذر، حيث قد يسبب ذلك تآكلاً مفرطًا في المقعد. التحجيم الصغير يُفرط في انخفاض الضغط عبر الصمام، وفي أسوأ الحالات قد يمنع التدفق تمامًا. الحل هو استبدال الصمام المُصغَّر بآخر أكبر. صمامات الارتجاع بالقرص أصغر وأخف من صمامات الارتجاع بالرفع والأرجوحة المعيارية وبالتالي أقل تكلفة. حجم صمام الارتجاع بالقرص محدود بـ DN125؛ فوق ذلك، يصبح التصميم معقدًا. عادة، يتضمن مثل هذا التصميم قرصًا مخروطيًا الشكل ونابضًا ذا قطر صغير يُثبَّت ويُوجَّه على طول الخط المركزي للمخروط، وهو أكثر صعوبة وتكلفة في التصنيع. حتى ذلك الحين، تظل هذه التصاميم محدودة الحجم بـ DN250. لا يجب استخدام صمامات الارتجاع بالقرص المعيارية على تطبيقات التدفق النابض الشديد، على سبيل المثال، على مخرج ضاغط هواء ترددي، حيث يمكن أن يؤدي الاصطدام المتكرر بالقرص إلى فشل حامل النابض ومستويات إجهاد عالية في النابض. هناك حاملات مصممة خصيصًا لمثل هذه التطبيقات. تُقلل هذه التصاميم عادة من مقدار مسار القرص، مما يزيد فعليًا من مقاومة التدفق وبالتالي يزيد من انخفاض الضغط عبر الصمام. تصميم صمامات الارتجاع بالقرص يسمح بتركيبها في أي موضع، بما في ذلك الأنابيب العمودية حيث يتدفق السائل لأسفل.

صمامات الارتجاع الصفائحية الأرجوحية

هذه مشابهة لصمامات الارتجاع الأرجوحية المعيارية، لكن ليس لها التكوين الكامل، بدلاً من ذلك، عندما يفتح الصمام، يُجبر الصمام إلى أعلى الأنبوب. وبالتالي، يجب أن يكون قطر الصمام أصغر من قطر الأنبوب، وبسبب ذلك، يزداد انخفاض الضغط عبر الصمام، الذي يكون غالبًا مرتفعًا للصمامات الأرجوحية. تُستخدم صمامات الارتجاع الأرجوحية بشكل رئيسي على الأحجام الأنبوبية الأكبر، عادة فوق DN125، لأن على الأنابيب الأصغر يصبح انخفاض الضغط الناتج عن ‘طفو’ القرص على تيار السائل كبيرًا. علاوة على ذلك، هناك توفير كبير في التكلفة عند استخدام هذه الصمامات على الأحجام الأكبر، بسبب كمية المادة الصغيرة المطلوبة لبناء الصمام. ومع ذلك، هناك مشكلة واحدة مع استخدام الصمامات الأكبر حجمًا؛ بسبب حجمها، تكون الأقراص ثقيلة بشكل خاص، ولذلك تمتلك كمية كبيرة من طاقة الحركة عند إغلاقها. تنتقل هذه الطاقة إلى المقعد والسائل عند إغلاق الصمام بشكل مفاجئ، مما قد يسبب تلفًا في مقعد الصمام ويُحدث مطرقة مائية.

تطبيقات صمامات الارتجاع الصفائحية

تُصبح صمامات الارتجاع الصفائحية النوع المفضل من صمامات الارتجاع لمعظم التطبيقات، نظرًا لتصميمها المدمج وتكلفتها المنخفضة نسبيًا. فيما يلي قائمة ببعض أكثر تطبيقاتها شيوعًا:

• خطوط تغذية الغلاية - يُستخدم صمام الارتجاع لمنع ماء الغلاية من الرجوع عبر خط التغذية إلى خزان التخزين عند إيقاف مضخة التغذية. علاوة على ذلك، يمكن تركيب صمام ارتجاع بالقرص بنابض شديد التحمل ومقعد طري في خط تغذية الغلاية لمنع التدفق بالجاذبية إلى الغلاية عند إيقاف مضخة التغذية.

• صمامات البخار - بخلاف صمامات البخار المنفذة إلى الغلاف الجوي، يجب دائمًا إدراج صمام ارتجاع بعد صمام البخار لمنع التدفق العكسي للمكثفات التي تطغى على مساحة البخار. سيمنع صمام الارتجاع أيضًا تلف صمام البخار من أي صدمة هيدروليكية في خط المكثفات. يجب ملاحظة أنه عند استخدام صمامات البخار ذات التصريف الانفجاري، يجب تركيب صمام الارتجاع على بعد متر واحد على الأقل بعد الصمام.

• دوائر المياه الساخنة - يجب تركيب صمام ارتجاع بعد كل مضخة لمنع التدفق العكسي عبر المضخة عند إيقافها (انظر الشكل 12.3.8).

• كاسحات التفريغ - يمكن استخدام صمامات الارتجاع ككاسحات تفريغ، بتركيبها بالعكس. عند إنشاء تفريغ، يفتح الصمام، مما يسمح بسحب الهواء من الغلاف الجوي (انظر الشكل 12.3.9).

• المزج - يجب تركيب صمام ارتجاع في كل خط إمداد لمنع التدفق العكسي عبر الخطوط المختلفة الذي سيؤدي إلى التلوث. تطبيق مزج شائع هو خلط الماء الساخن والبارد لتوفير مياه ساخنة (انظر الشكل 12.3.10).

• حماية الملحقات الأنبوبية - تُستخدم صمامات الارتجاع لمنع تلف أجهزة قياس التدفق وصمامات التحكم، وكلها يمكن أن تتلف بالتدفق العكسي. توقف صمامات الارتجاع أيضًا ترسب محتويات الغربالات في الأنابيب الصاعدة بواسطة السائل المتدفق عكسيًا.
• تطبيقات الغلايات المتعددة - يجب إدراج صمام ارتجاع على مخرج كل غلاية لمنع تدفق أي بخار إلى الغلايات التي قد تكون في وضع الاستعداد الساخن (انظر الشكل 12.3.11).

• أوعية النفخ - عندما يستقبل وعاء النفخ نفخًا من أكثر من غلاية، يجب تركيب صمام ارتجاع صفاحي على كل خط نفخ منفصل. سيمنع هذا نفخ إحدى الغلايات من الرجوع إلى غلاية أخرى. في العديد من البلدان، هذا متطلب قانوني.
• أوعية التسارع - يُثبَّت صمام ارتجاع صفاحي عند مخرج البخار المتسارع من وعاء التسارع؛ هذا يضمن أن البخار من أي صمام تعويض لا يتدفق عكسيًا إلى وعاء التسارع (انظر الشكل 12.3.12). يُثبَّت صمام ارتجاع أيضًا بعد صمام البخار الذي يصرف وعاء التسارع.

صمامات الارتجاع بالقرص المنشق

صمام الارتجاع بالقرص المنشق أو صمام الارتجاع باللوح المزدوج مصمم للتغلب على قيود الحجم وانخفاض الضغط لصمامات الارتجاع الصفائحية الأرجوحية وذات القرص. الصمام الأرجوحي منشق أساسيًا ومُعلَّق في مركزه، بحيث تتأرجح لوحات القرص في اتجاه واحد فقط. تُثبَّت لوحات القرص على المقعد بنابض لَوّي مُثبَّت على المفصل. لإبقاء المفصل في مركز مسار التدفق، يمكن استخدام دبابيس تثبيت مثبتة خارجيًا. هذه الدبابيس مصدر شائع للتسرب من الصمام. يضمن تصميم محسَّن المفصل داخليًا، وبما أن آلية الصمام محجوبة بالكامل داخل الجسم، يُمنع التسرب إلى الغلاف الجوي (انظر الشكل 12.3.13)

الصمام مُغلق عادة، حيث تبقى لوحات القرص مغلقة بالنابض اللَّوّي. عندما يتدفق السائل في الاتجاه الأمامي، يسبب ضغط السائل فتح لوحات القرص بالارتكاز، مما يسمح بالتدفق. يُغلق صمام الارتجاع بالنابض بمجرد توقف التدفق، قبل حدوث أي تدفق عكسي.

الفتح والإغلاق المتكرر لصمام الارتجاع بالقرص المنشق سيسبب سريعًا تلفًا في المقعد إذا سُمح لأقدام لوحات القرص بالاحتكاك بالمقعد أثناء الفتح. للتغلب على ذلك، ترتفع أقدام لوحات القرص أثناء الفتح الأولي للصمام وتتدحرج اللوحات على المفصل فقط بدلاً من سطح المقعد.

صمام الارتجاع بالقرص المنشق له عدة ميزات على أنواع صمامات الارتجاع الأخرى:

• تصميم القرص المنشق غير محدود الحجم وقد أُنتجت هذه الصمامات بأحجام تصل إلى DN5400.
• انخفاض الضغط عبر صمام الارتجاع بالقرص المنشق أقل بشكل ملحوظ من الأنواع الأخرى.
• قادرة على الاستخدام بضغوط فتح أقل.
• يمكن تركيب صمامات الارتجاع بالقرص المنشق في أي موضع، بما في ذلك الأنابيب العمودية.

أنواع أخرى من صمامات الارتجاع

الأنواع المذكورة أعلاه من صمامات الارتجاع هي الأكثر شيوعًا في أنظمة البخار والمكثفات والسوائل. ومع ذلك، هناك عدة أنواع أخرى متاحة أيضًا. الأنواع الثلاثة المذكورة أدناه مناسبة بشكل رئيسي لتطبيقات السوائل وبالتالي قد توجد في أنظمة المكثفات:

• صمام الارتجاع بالكرة - يتكون من كرة مطاطية تستقر عادة على مدخل الصمام، مُغلقة المدخل. عندما يُمارس ضغط على الكرة، تتحرك عن مقعدها على طول سكة قيادة، مما يسمح للسائل بالمرور عبر المدخل. عندما ينخفض ضغط السائل، تنزلق الكرة إلى موضعها على مقعد المدخل. ملاحظة: تُستخدم صمامات الارتجاع بالكرة عادة فقط في أنظمة السوائل، حيث يصعب الحصول على ختم محكم باستخدام الكرة.
• صمام الارتجاع بالغشاء - يُوضع غشاء مطاطي مرن في مخروط مماثن أو مثقوب بالاتجاه الذي يشير إلى تدفق السائل في الأنبوب (انظر الشكل 12.3.15). التدفق في الاتجاه الأمامي يُنحّي الغشاء إلى الداخل، مما يسمح بالمرور الحر للسائل. عند عدم وجود تدفق أو وجود ضغط خلفي، يعود الغشاء إلى موضعه الأصلي، مُغلقًا الصمام. ملاحظة: يحد مادة الغشاء عادة من تطبيق صمام الارتجاع بالغشاء على السوائل تحت 180 درجة مئوية و16 بار.

• صمام الارتجاع بالقرص المائل - هذا مشابه لصمام الارتجاع الأرجوحي، لكن مع الصمام المُثبَّت أمام مركز ضغطه ومُرجَّح أو مُحمَّل بنابض لأخذ وضعية مغلقة عادة (انظر الشكل 12.3.16). عندما يكون التدفق في الاتجاه الأمامي، يرتفع القرص وي ‘طفو’ في التيار مقدمًا أدنى مقاومة للتدفق. القرص مُوازَن بحيث مع انخفاض التدفق، سينحرف نحو وضعه المغلق، مُغلقًا قبل بدء التدفق العكسي فعليًا. التشغيل سلس وصامت تحت معظم الظروف. ملاحظة: بسبب تصميم صمام الارتجاع بالقرص المائل، فهو محدود الاستخدام في تطبيقات السوائل فقط.

رسوم بيانية لفقدان الضغط

نظرًا لأن معظم أنواع صمامات الارتجاع مناسبة للاستخدام في أنظمة السوائل والغازات، يُظهر المصنِّعون عادة انخفاض الضغط عبر الصمام في شكل رسم بياني لفقدان الضغط للماء. يُوضَّح نموذج لرسم بياني لفقدان الضغط في الشكل 12.3.17. يُظهر انخفاض الضغط عبر صمام ارتجاع معين لحجم صمام وتدفق ماء معين بالمتر المكعب/ساعة.

لتحديد انخفاض الضغط عبر صمام الارتجاع للسوائل الأخرى، يجب حساب تدفق الحجم المكافئ للماء، يتم ذلك باستخدام الصيغة في المعادلة 12.3.1:

بمجرد تحديد تدفق الحجم المكافئ للماء، يمكن قراءة انخفاض الضغط عبر الصمام من الرسم البياني باستخدام نفس الطريقة كالماء، باختيار تدفق الحجم المكافئ للماء بدلاً من تدفق الحجم الفعلي.

يجب ملاحظة أن تدفق الحجم (بالمتر المكعب/ساعة) يُصرَّح به عادة لتطبيقات السوائل، بينما في تطبيقات البخار، يُستخدم عادة تدفق الكتلة (بالكجم/ساعة). للتحويل من كجم/ساعة إلى متر مكعب/ساعة، يُضرب تدفق الكتلة بالحجم النوعي (بالكجم/م3) للضغط ودرجة الحرارة المحددة (انظر المعادلة 12.3.2).

بشكل بديل، إذا كانت قيمة Kv للصمام محددة، يمكن تحديد انخفاض الضغط عبر الصمام باستخدام الطريقة الموضحة في الوحدة 12.2. مثال 12.3.1 حدد انخفاض الضغط عبر صمام ارتجاع DN65 يمرر 1200 كجم/ساعة من البخار المشبع عند 8 بار ضغط مطلق. استخدم خصائص انخفاض الضغط الموضحة في الشكل 12.3.17. الحل: الخطوة الأولى هي حساب تدفق الحجم: من جداول البخار عند 8 بار ضغط مقياس، vg = 0.2149 م3/كجم

باستخدام الشكل 12.3.18، سيكون انخفاض الضغط عبر الصمام حوالي 0.085 بار.