كيفية اختيار مواد الصمامات في ظروف درجات الحرارة العالية

في نظام نقل السوائل،صمام مقاوم للحرارة العاليةيُعد الصمام عنصر تحكم أساسي، وتتمثل وظائفه الرئيسية في التنظيم، والتحويل، ومنع التدفق العكسي، والقطع، والتحويل الجانبي. ويُستخدم هذا الصمام على نطاق واسع في المجالات الصناعية والمدنية. يُعد صمام درجة الحرارة العالية نوعًا شائع الاستخدام في الصمامات، ويتميز بخصائص محددة، منها: أداء تبريد ممتاز، وإمكانية التبريد العميق، وقابلية جيدة للحام، وقدرة عالية على امتصاص الصدمات، ومقاومته للتلف الناتج عن العنف، وانخفاض هشاشته الحرارية. وتوجد أنواع عديدة نسبيًا من صمامات درجة الحرارة العالية، وأكثرها شيوعًا هي صمامات درجة الحرارة العاليةصمامات الفراشةدرجة حرارة عاليةصمامات كروية، ومرشحات درجات الحرارة العالية، ودرجات الحرارة العاليةصمامات البوابة.

ما هي أنواع صمامات درجات الحرارة العالية؟

تشمل الصمامات المقاومة للحرارة العالية صمامات البوابة المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الإغلاق المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الفحص المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الكرة المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الفراشة المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الإبرة المقاومة للحرارة العالية، وصمامات الخنق المقاومة للحرارة العالية، وصمامات تخفيض الضغط المقاومة للحرارة العالية. ومن بينها، تُعد صمامات البوابة، والصمامات الكروية، وصمامات الفحص، وصمامات الكرة، وصمامات الفراشة من أكثرها استخدامًا.

ما هي ظروف تشغيل صمامات درجات الحرارة العالية؟

تشمل ظروف العمل ذات درجات الحرارة العالية بشكل رئيسي درجات الحرارة المنخفضة، ودرجات الحرارة العالية Ⅰ، ودرجات الحرارة العالية Ⅱ، ودرجات الحرارة العالية Ⅲ، ودرجات الحرارة العالية Ⅳ، ودرجات الحرارة العالية Ⅴ، والتي سيتم تقديمها بشكل منفصل أدناه.

درجة حرارة أقل من المرتفعة

تعني درجة الحرارة المنخفضة أن درجة حرارة تشغيل الصمام تتراوح بين 325 و425 درجة مئوية. في حالة الماء والبخار، تُستخدم بشكل أساسي صمامات WCB وWCC وA105 وWC6 وWC9. أما في حالة الزيوت المحتوية على الكبريت، فتُستخدم بشكل أساسي صمامات C5 وCF8 وCF3 وCF8M وCF3M، المقاومة لتآكل الكبريتيد. وتُستخدم هذه الصمامات في الغالب في أجهزة تخفيض الضغط الجوي وأجهزة التكسير المتأخر في مصافي النفط. في هذه الحالة، لا تُستخدم الصمامات المصنوعة من CF8 وCF8M وCF3 وCF3M لمقاومة تآكل المحاليل الحمضية، بل تُستخدم في منتجات الزيوت المحتوية على الكبريت وخطوط أنابيب النفط والغاز. في هذه الحالة، تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى لهذه الصمامات 450 درجة مئوية. 

درجة حرارة عالية Ⅰ

عندما تتراوح درجة حرارة تشغيل الصمام بين 425 و550 درجة مئوية، يُصنف ضمن فئة الصمامات عالية الحرارة من الفئة الأولى (يُشار إليها اختصارًا بفئة PI). المادة الأساسية لصمامات فئة PI هي "فولاذ عالي الجودة مقاوم للحرارة، متوسط ​​الكربون، من الكروم والنيكل والعناصر الأرضية النادرة والتيتانيوم، من الفئة الأولى"، حيث يُعدّ CF8 الشكل الأساسي وفقًا لمعيار ASTMA351. ولأن فئة PI اسم خاص، فإن مفهوم الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الحرارة (P) مُدرج هنا. لذا، إذا كان وسط التشغيل هو الماء أو البخار، فعلى الرغم من إمكانية استخدام الفولاذ المقاوم للحرارة WC6 (درجة حرارة التشغيل ≤ 540 درجة مئوية) أو WC9 (درجة حرارة التشغيل ≤ 570 درجة مئوية)، بينما يمكن استخدام الفولاذ المقاوم للحرارة C5 (ZG1Cr5Mo) مع المنتجات النفطية المحتوية على الكبريت، إلا أنه لا يُمكن تصنيفها ضمن فئة PI. 

ارتفاع درجة الحرارة II

تتراوح درجة حرارة تشغيل الصمام بين 550 و650 درجة مئوية، ويُصنف ضمن فئة الصمامات عالية الحرارة من الفئة الثانية (يُشار إليها اختصارًا بـ P II). يُستخدم صمام P II عالي الحرارة بشكل أساسي في أجهزة التكسير التحفيزي للنفط الثقيل في المصافي. ويحتوي على صمام بوابة مقاوم للتآكل ومبطن ببطانة عالية الحرارة، يُستخدم في فوهة ثلاثية الدوران وأجزاء أخرى. المادة الرئيسية لصمام P II هي "فولاذ مقاوم للحرارة مُقوى بالكروم والنيكل والتيتانيوم والتنتالوم متوسط ​​الكربون عالي الحرارة من الفئة الثانية"، ويُشكل CF8 الشكل الأساسي وفقًا لمعيار ASTMA351. 

درجة حرارة عالية III

تتراوح درجة حرارة تشغيل الصمام بين 650 و730 درجة مئوية، ويُصنف ضمن فئة الصمامات عالية الحرارة من الفئة الثالثة (يُشار إليها اختصارًا بـ PⅢ). تُستخدم صمامات الفئة PⅢ عالية الحرارة بشكل أساسي في وحدات التكسير التحفيزي للنفط الثقيل الكبيرة في مصافي النفط. المادة الرئيسية المستخدمة في تصنيع صمامات الفئة PⅢ عالية الحرارة هي CF8M وفقًا لمعيار ASTMA351. 

درجة حرارة عالية Ⅳ

تتراوح درجة حرارة تشغيل الصمام بين 730 و816 درجة مئوية، ويُصنف ضمن فئة درجات الحرارة العالية IV (يُشار إليه اختصارًا بـ PIV). الحد الأقصى لدرجة حرارة تشغيل صمام PIV هو 816 درجة مئوية، لأن أعلى درجة حرارة مُحددة في معيار ASMEB16134 لدرجة حرارة الضغط المُختارة لتصميم الصمام هي 816 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت). بالإضافة إلى ذلك، بعد تجاوز درجة حرارة التشغيل 816 درجة مئوية، يقترب الفولاذ من دخول منطقة درجة حرارة التشكيل. في هذه الحالة، يكون المعدن في منطقة التشوه اللدن، ويتمتع بلدونة عالية، مما يُصعّب عليه تحمل ضغط التشغيل العالي وقوة الصدم دون أن يتشوه. المادة الأساسية لصمام P IV هي CF8M وفقًا لمعيار ASMEA351، وهو عبارة عن "فولاذ مقاوم للحرارة مُقوّى بعناصر من الكروم والنيكل والموليبدينوم والتيتانيوم والتنتالوم، متوسط ​​الكربون، عالي الحرارة IV". الفولاذ المقاوم للحرارة F310 (بما في ذلك محتوى الكربون ≥01050%) والمعيار CK-20 وASTMA182. 

درجة حرارة عالية Ⅴ

تتجاوز درجة حرارة تشغيل الصمام 816 درجة مئوية، ويُشار إليه بالفئة P5. يجب أن تعتمد صمامات الفئة P5 عالية الحرارة (صمامات الإغلاق، وليست صمامات الفراشة التنظيمية) أساليب تصميم خاصة، مثل تبطينها بعازل حراري أو تبريدها بالماء أو الغاز لضمان التشغيل السليم. لذا، لا يُحدد حد أقصى لدرجة حرارة تشغيل صمامات الفئة P5 عالية الحرارة، لأن درجة حرارة تشغيل صمام التحكم لا تتحدد فقط بنوع المادة، بل أيضاً بأساليب التصميم الخاصة، ويبقى المبدأ الأساسي لأسلوب التصميم واحداً. يمكن اختيار مواد مناسبة لصمامات الفئة P5 عالية الحرارة، بما يتناسب مع وسط التشغيل وضغط التشغيل وأساليب التصميم الخاصة. في صمامات الفئة P5 عالية الحرارة، يُصنع صمام الفراشة عادةً من سبائك HK-30 وHK-40 عالية الحرارة، وفقاً لمعيار ASTMA297. تتميز هذه السبائك بمقاومتها للتآكل، ولكنها لا تتحمل الصدمات وأحمال الضغط العالي.