صمامات العزل - الحركة الخطية

تُستخدم صمامات العزل لتحويل وسائط العملية، وتسهيل الصيانة، وإزالة المعدات والإيقاف. يُدرَس في هذا الدرس تشغيل وتطبيق وبناء صمامات البوابة والكرة والكروية والغطسية والحجابية.

صمامات العزل - الحركة الخطية

تُعد صمامات العزل مكونًا رئيسيًا في أي نظام سوائل حيث تُستخدم لإيقاف تدفق السائل إلى منطقة معينة من النظام. تُستخدم أحيانًا أيضًا للتحكم اليدوي في تدفق السائل. يُميِّز المعيار الأوروبي EN 736-1:1995 بين صمامات العزل والتنظيم والتحكم كالتالي:

• صمام عزل - صمام مُصمَّم للاستخدام فقط في الوضع المغلق أو المفتوح بالكامل.
• صمام تنظيم - صمام مُصمَّم للاستخدام في أي وضع بين المغلق والمفتوح بالكامل.
• صمام تحكم - جهاز مُشغَّل بالطاقة يُغير معدل تدفق السائل في نظام التحكم بالعملية. تُستخدم صمامات العزل في مجموعة واسعة من التطبيقات المختلفة حيث يُطلب التحكم من نوع التشغيل/الإيقاف، وتشمل:
• تحويل وسائط العملية.
• عزل التدفق لـ:
• تسهيل الصيانة
• السماح بإزالة المعدات
• السماح بإيقاف المنشأة

طُوِّرت مجموعة كبيرة من الأنواع والتصاميم المختلفة لصمامات العزل لتلبية هذا النطاق من التطبيقات وظروف التشغيل المتنوعة. تُصنَّف الصمامات عادة إلى مجموعتين (انظر الجدول 12.1.1)، وفقًا لحركة تشغيل جهاز الإغلاق (أو المسدِّد):

• صمامات الحركة الخطية - يتحرك المسدِّد في خط مستقيم. يشمل هذا الفئة صمامات البوابة والصمامات الكروية وصمامات الحجاب وصمامات القبض. تُغطى هذه الصمامات بعمق أكبر في هذه الوحدة.
• صمامات الحركة الدوائية - يدور المسدِّد حول محور عمودي على اتجاه التدفق. الصمامات الكروية وصمامات الفراشة هما أهم صمامات الدوران ذات الصلة بتطبيقات البخار وتُغطى بعمق أكبر في الوحدة 12.2، صمامات العزل - الحركة الدوائية.

صمامات الحركة الخطية

طُوِّرت صمامات الحركة الخطية من الأشكال المبكرة لبوابات الأقنية المُستخدمة للتحكم في تدفق الماء في قنوات الري. منذ ذلك الحين، طُوِّر عدد كبير من التصاميم والأنواع المختلفة للاستخدام في几乎所有 نوع من تطبيقات التدفق. على الرغم من أن صمامات الحركة الخطية تتميز بحركة خطية مستقيمة للمسدِّد، إلا أن تدفق السائل قد يكون عموديًا على هذه الحركة (كما في حالة صمامات البوابة)، أو في نفس الاتجاه، كما في الصمامات الكروية. الميزة الرئيسية لصمام الحركة الخطية هي أن يمكن تحقيق إغلاق محكم بإحكام المسدِّد على ساق مُسنَّنة.

صمامات البوابة

صمامات البوابة هي على الأرجح الصمامات الأكثر شيوعًا في الاستخدام اليوم بسبب انتشارها في أنظمة المياه المنزلية، لكن يجب ملاحظة أن شعبيتها في الصناعة تراجعت في السنوات الأخيرة. ومع ذلك، لا تزال تُستخدم حيث يُطلب تدفق غير مقطوع، لأن البوابة تتراجع بالكامل في الغطاء، مما يُنشئ الحد الأدنى من انخفاض الضغط، عندما يكون الصمام في الوضع المفتوح. صُممت صمامات البوابة خصيصًا للاستخدام في تطبيقات العزل. يتكون صمام البوابة من أربعة مكونات رئيسية: الجسم والغطاء والبوابة والساق. يُوضَّح صمام بوابة نموذجي في الشكل 12.1.1.

البوابة التي تنزلق بين المقاعد تُرفع في اتجاه عمودي على التدفق حتى تتجاوز مسار التدفق. حقيقة أن البوابة تتراجع بالكامل في الغطاء تضمن أن انخفاض الضغط عبر الصمام منخفض.

تُقسَّم صمامات البوابة إلى عدد من الفئات المختلفة، اعتمادًا على تصميم البوابة وأسطح جلوسها.

صمام بوابة الإسفين الصلب

البوابة بشكل إسفين وتجلس على أسطح مقابلة في جسم الصمام. الميزة الميكانيكية للخيط المُنشَّط، مع زاوية الإسفين، تُتيح تطبيق قوى جلوس كافية ضد ضغط السائل دون جهد مفرط على عجلة القيادة. يمكن أحيانًا تغطية المقعد بـ PTFE للمساعدة في إغلاق عالي النزاهة. يُوضَّح صمام بوابة إسفين صلب نموذجي في الشكل 12.1.1.

صمام بوابة الإسفين المرن

على الرغم من وجود عدة أنواع من صمامات بوابة الإسفين المرن، فإنها جميعًا تستخدم قرصًا مرنًا من جزئين، مُشكَّل كعجلتين على محور قصير جدًا. مرونة القرص تضمن جلوسًا محكمًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط. النوع الأكثر شيوعًا من صمامات بوابة الإسفين المرن المُستخدمة في تطبيقات البخار هو صمام الانزلاق المتوازن. تُمسك الصفائحان المُشكِّلتان للبوابة ضد المقعد بنابض، مُحتواة بينهما. يُحرك ضغط السائل القرص المنبعي عن مقعده، وتُنقل القوة إلى القرص المنزلي، مما يضمن إغلاقًا محكمًا. الدرجة العالية من المرونة في البوابة تسمح بالتمدد والانكماش عند تعريضها لتغيرات درجة الحرارة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في أنظمة البخار.

الصمامات الكروية

تُشكل الصمامات الكروية فئة رئيسية من صمامات الحركة الخطية؛ أصبحت أكثر شعبية من صمامات البوابة حيث تتوفر مجموعة واسعة من التكوينات لمعظم التطبيقات. حركة السائل عبر مقعد الصمام طولانية بالنسبة لحركة تشغيل المسدِّد؛ هذا يعني أنه بالنسبة لصمام يكون فيه المدخل والمخرج متقابلين أفقيًا، يجب أن يتبع السائل مسارًا متغيرًا. الميزة الرئيسية لهذا الترتيب هي أن الصمام الكروي يفتح أسرع من صمام البوابة حيث يحتاج القرص فقط للتحرك مسافة صغيرة عن مقعده للسماح بالتدفق الكامل. هذه ميزة عند التشغيل المتكرر للصمام. العيب هو أن السائل يجب أن يُغيِّر مساره، مما يُزيد من مقاومة التدفق ويُنشئ اضطرابًا. هذا يُؤدي إلى انخفاض ضغط أعلى عبر الصمام الكروي مقارنة بصمام البوابة.

الصمامات الكروية أقل احتمالًا للتسرب من صمامات البوابة، مما يعني أنها يمكن استخدامها لتطبيقات ضغط أعلى أو حجم أكبر، على سبيل المثال في أنظمة البخار، أو حيث يمكن أن يكون فقدان السائل خطيرًا أو مكلفًا. التكلفة الأعلى للصمامات الكروية مقارنة بصمامات البوابة تُعوَّض بالسلامة الإضافية التي تُقدمها، وانخفاض احتمال فقدان السائل.

ضغط السائل المُمارس على مساحة القرص يُنشئ حمولة محورية على الساق. هذا يجعل إغلاق الصمام صعبًا، لدرجة أنه يُقيد حجم الصمام الكروي القياسي إلى DN250. في أنظمة مغلقة بضغط تفاضلي عالٍ، يمكن استخدام مآخذ موازنة للتغلب على هذا التأثير، مما يسمح باستخدام صمامات بقطر اسمي يصل إلى 500 مم (الشكل 12.1.3(أ)). يحتوي المأخذ المتوازن على مأخذ رفع مسبق يعمل كصمام توجيهي. عند فتح الصمام، يُفتح المأخذ أولاً، مما يسمح للوسط بالمرور عبره بمعدل مُتحكَّم (الشكل 12.1.3(ب)). هذا يُقلل من الضغط التفاضلي عبر الصمام، مما يُتيح رفع القرص بسهولة عن مقعده (الشكل 12.1.3(ج)). للمساعدة في إغلاق الصمام، يجب تركيب صمامات العزل المُزوَّدة بمأخذ موازنة بشكل عكسي بحيث يعمل الضغط المنبعي على أعلى المأخذ.

صمامات الغطس

أحد العيوب الرئيسية لصمامات الحركة الخطية هو أن مقاعدها عرضة للتلف من الأوساخ والسحب السلكي، وبالتالي قد تتطلب صيانة دورية اعتمادًا على التطبيق. على الرغم من أن هذه المقاعد قابلة للاستبدال نظريًا، إلا أنها عادة تتطلب وقتًا وتكلفة كبيرة، وغالبًا يكون أكثر فائدة استبدال الصمام بالكامل. لحل هذه المشكلة، طُوِّرت صمامات الغطس. صمام الغطس هو نوع من الصمام الكروي التقليدي، حيث يُستبدل المقعد والمخروط التقليديان بغطس ومشبك فانوس. يُوصَّل الغطس بساق الصمام وعجلة القيادة، ويمر عبر حلقتين ختم مفصولتين بمشبك فانوس. عند التجميع، تُضغط مجموعتا حلقات الختم حول الغطس بالحمولة المُطبَّقة على طول الساق. تعمل مجموعة حلقات الختم العلوية كحشوة غطاء تقليدية، والمجموعة السفلية تعمل كمقعد. علاوة على ذلك، تضمن مساحة الختم الكبيرة بين الغطس والحلقات مستوى عالٍ من إحكام الإغلاق. صُمِّم صمام الغطس لمهام التخفيض ويجب استخدامه في الوضعين المفتوح أو المغلق بالكامل. عندما يكون الصمام مفتوحًا بالكامل، لا يُعرَّض السطح السفلي للغطس للسائل حيث أن بقية الجسم محمية بمجموعة حلقات الختم العلوية. هذا يعني أن أسطح الختم (جوانات الغطس) محمية من تآكل تدفق السائل.

إذا احتاج الصمام إلى صيانة، يمكن إزالة جميع الأجزاء الداخلية بسهولة بفك أُقط الغطاء وسحب الغطس. يمكن بعد ذلك إزالة الحلقات ومشبك الفانوس باستخدام أداة استخراج. هذه العملية بسيطة ويمكن تنفيذها دون الحاجة لإزالة الصمام من خط الأنابيب. بشكل عام، لا ينبغي استبدال الغطس أبدًا، لكن حلقات الختم قد تتآكل على مدى فترة طويلة مع التشغيل المتكرر.

الصمامات الحجابية

تُشكل الصمامات الحجابية النوع الرئيسي الثالث من صمامات الحركة الخطية. تُستخدم ساق الصمام لدفع حجاب مرن لأسفل، والذي بدوره يُغلق مسار السائل. هناك تصنيفان مختلفان للصمام الحجابي بناءً على هندسة جسم الصمام:

• نوع الحاجز - يُصب حاجز في الجسم، وعند الإغلاق، يستقر الحجاب على الحاجز، مُقيدًا التدفق (انظر الشكل 12.1.5(أ)).
• نوع الممر المستقيم - يمر التجويف أفقيًا عبر الجسم ويُستخدم حجاب إسفيني لعمل الإغلاق (انظر الشكل 12.1.5(ب)).

الميزة الرئيسية للصمام الحجابي هي أن الحجاب يعزل الأجزاء المتحركة للصمام عن سائل العملية. لذلك فهي مناسبة للتعامل مع السوائل العدوانية وتلك التي تحتوي على مواد معلقة. بالإضافة إلى ذلك، بما أن مجموعة الغطاء غير معرَّضة للسائل، يمكن صنعها من مواد رخيصة مثل الحديد الزهر، مما يُقلل من التكلفة الإجمالية. تطوير مواد حجابية جديدة يُتيح استخدام الحجابات على معظم السوائل. لكن يُحدد نطاق تطبيقها بالدرجة الحرارية التي يتحملها الحجاب - عادة أقل من 175 درجة مئوية. تُستخدم الصمامات الحجابية عمومًا على تطبيقات سوائل العملية.

خيارات ساق صمامات الحركة الخطية

تتوفر صمامات الحركة الخطية بعدد من تكوينات الساق المختلفة:

• ساق صاعدة/غير صاعدة - إذا كانت الساق صاعدة، فستتحرك عموديًا لأعلى عند فتح الصمام، على عكس الدوران فقط كما في الساق غير الصاعدة. تُشير الساق الصاعدة إلى درجة فتح الصمام، والتي تعكس بدورها تقريبًا كمية التدفق عبر الصمام. الصمامات ذات السواق الصاعدة تتطلب مع ذلك مساحة أكبر فوق الغطاء لإستيعاب الساق في الوضع المفتوح بالكامل. يُوصى باستخدام السواق غير الصاعدة على الصمامات ذات الحشوة الغدية، لأنها تُقلل من التآكل على الحشوة.

• براغي ساق داخلية/خارجية - على الساق ذات البرغي الخارجي، تقع الخيوط المُنشَّطة على الساق خارج جسم الصمام وغير معرَّضة لسائل العملية. بما أن الخيوط المُسنَّنة عرضة بشكل خاص للتآكل، يجب دائمًا استخدام البراغي الخارجية على السوائل ذات الخصائص الأكولية أو التآكلية. كما أنها مفيدة حيث يتعرض الصمام بشكل متكرر لتغيرات كبيرة في درجة الحرارة، لأن التمدد والانكماش في الساق قد يُسبب تآكل الخيوط داخل الجسم.

ختم الساق

لمنع تسرب وسائط العملية من حول ساق الصمام، يجب وضع حاجز بين السائل والبيئة. يُحقق ختم الساق عادة بأحد طريقين، وهما الحشوة الغدية وختم الطرد المرن. تتكون الحشوة الغدية من مادة بوليمرية، عادةً PTFE، مُحشوَّة بإحكام بين ساق الصمام والغطاء، مما يمنع أي وسائط عملية من التسرب.

في الصمامات ذات الختم بالطرد المرن، يُستخدم طرد معدني مرن. يُوصَّل من طرف واحد بالساق والطرف الآخر بالغطاء، مُنتجًا فعليًا حاجزًا بين السائل والبيئة. يتمدد هذا الطرد وينكمش مع حركة الساق صعودًا وهبوطًا. الطرد فعال لدرجة أنه يُنشئ ختمًا بـ ‘صفر انبعاثات’. يُثبَّت على الطرد جهاز مكافحة الالتواء، الذي يمنع الطرد من الدوران مع الساق. هذا الجهاز ضروري، وإلا فإن الالتواء المتكرر للطرد سيؤدي إلى فشل الختم.

على الرغم من أنها أقل تكلفة من الصمامات ذات الختم بالطرد المرن، فإن الصمام ذات الحشوة الغدية لا يُنشئ ختمًا محكمًا مثل الطرد. إذا لم يُستخدم الصمام ذو الحشوة الغدية لفترة طويلة، فإن الحشوة الغدية ستتصلب، وسيحدث تسرب في المرة التالية التي يُستخدم فيها الصمام. لا يعاني الصمام ذو الختم بالطرد المرن من هذه المشكلة. علاوة على ذلك، تتطلب الصمامات ذات الحشوة الغدية إعادة حشو دورية للغطاء، بينما لا يتطلب الطرد المعتاد صيانة لأكثر من 10000 دورة.