أختام صمام الفراشة: تحليل التركيب والمواد والتطبيق

تحظى صمامات الفراشة بتقدير واسع النطاق لفعاليتها من حيث التكلفة وسرعة تشغيلها، حيثأداء الختميُحدد بشكل مباشر موثوقية الصمام وعمره الافتراضي. تتنوع تصميمات أختام الصمامات بشكل كبير، حيث يُناسب كل منها ظروف تشغيل محددة. تتناول هذه المقالة هياكل أختام الصمامات الأساسية وموادها وتطبيقاتها العملية.

​1. هياكل ووظائف الختم الأساسي​

تتكون أختام صمام الفراشة من ​حلقة المقعد​و ​سطح ختم حافة القرص، يتم تصنيفها إلى نوعين رئيسيين:

• ​الأختام الناعمة:​
  تتميز بـمقعد مطاطي(مطاط، PTFE) مُركّب في جسم الصمام أو القرص. يضغط الغطاء حافة القرص (عادةً معدنية) داخل القاعدة الناعمة، مما يُشوّهها لضمان إغلاق مُحكم.
  المزايا:ضغط مانع للتسرب منخفض، تسرب قريب من الصفر (ممكن من الفئة السادسة)، تكلفة منخفضة، عزم دوران ضئيل.
  العيوب:مقاومة محدودة لدرجة الحرارة/الضغط/المواد الكيميائية؛ عرضة للتآكل وتلف الجسيمات؛ غير مناسبة للاختناق المتكرر.
• ​الأختام المعدنية الصلبة (تصميم الإزاحة الثلاثية - الشكل 1):​​
  استخدم مواد مانعة للتسرب من معدن إلى آخر (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك). عناصر التصميم الرئيسية:
  • ​الإزاحة الأولى:إزاحة محور الجذع عن مركز خط الأنابيب.
  • ​الإزاحة الثانية:محور الجذع منحرف عن مركز وجه ختم القرص.
  • ​الإزاحة الثالثة (الحرجة):​يسمح ملف الختم ذو الزاوية المخروطية بالتلامس بين الخطوط والمناطق الصغيرة.
    المزايا:مقاومة استثنائية لدرجة الحرارة/الضغط/التآكل/التجويف؛ عمر طويل؛ إمكانية إعادة الاستخدام.
    العيوب:تكلفة تصنيع عالية؛ ضغط مرتفع على المقعد؛ زيادة عزم الدوران؛ تسرب محتمل للضغط المنخفض (عادةً من الفئة الرابعة).

​الشكل 1: هيكل الختم المعدني ثلاثي الإزاحة​
(مرئيًا: يوضح اتصال الخط المخروطي مما يزيل الاحتكاك الانزلاقي أثناء التشغيل)

​2. مقارنة الأداء الرئيسية​

​الأختام الناعمة مقابل الأختام الصلبة:​

• ​درجة الحرارة:​تتحمل الأختام الناعمة درجات حرارة تتراوح بين -50 درجة مئوية و200 درجة مئوية (تعتمد على PTFE/المطاط)، بينما تتحمل الأختام المعدنية درجات حرارة قصوى تتراوح بين -196 درجة مئوية و600 درجة مئوية+.
• ​الضغط:الأختام الناعمة تناسب ≤ PN25 (≈ ANSI 150). الأختام المعدنية تناسب PN16-PN150 (≈ ANSI 900).
• ​التسرب:تحقق الأختام الناعمة تسربًا فائقًا قريبًا من الصفر (الفئة السادسة). تصل الأختام المعدنية إلى الفئتين الرابعة والخامسة، وتتحسن تحت الضغط العالي.
• ​توافق الوسائط:تتميز الأختام الناعمة بتحملها للماء والهواء والسوائل المحايدة. أما الأختام المعدنية فتتحمل البخار والهيدروكربونات والمواد الصلبة والسوائل المسببة للتآكل والغازات الساخنة.
• ​المتانة:تتميز الأختام المعدنية بمقاومة فائقة للجسيمات والتآكل والتلف. تتدهور الأختام الناعمة بسرعة عند الاستخدام الكاشط أو المتكرر.
• ​التكلفة والتشغيل:تتميز الأختام الناعمة بتكلفة أقل وتتطلب عزم دوران أقل. أما الأختام المعدنية فتتطلب استثمارًا أوليًا وعزم دوران أعلى، لكنها تتميز بعمر افتراضي أطول في الظروف القاسية.
• ​التطبيقات:تُستخدم الأختام الناعمة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وأنظمة المياه، والغاز منخفض الضغط. أما الأختام المعدنية، فهي أساسية في التكرير، وخطوط البخار، والمعالجة الكيميائية، والنفط/الغاز.

​3. مواد مقعد الختم الناعم​

يحدد اختيار المواد حدود الأداء:

• ​NBR (مطاط النتريل):- مقاوم للزيوت والهيدروكربونات (من -20 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية).الاستخدام: الماء، الهواء المضغوط، السوائل المعتمدة على البترول.
• ​EPDM (إيثيلين بروبيلين ديين):يقاوم الماء الساخن / البخار (<150 درجة مئوية)، والأوزون، والقلويات.الاستخدام: أنظمة التدفئة، الأغذية/المشروبات، الهواء الرطب.
• ​FKM (فلوروكربون فيتون®):​يتعامل مع الزيوت والوقود والأحماض ودرجات الحرارة العالية (-20 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية).الاستخدام: المعالجة الكيميائية، خطوط الوقود، الوسائط الحمضية.
• ​PTFE (بولي تترافلوروإيثيلين):خامل كيميائيًا (من -٥٠ درجة مئوية إلى ٢٠٠ درجة مئوية)، قليل الاحتكاك. يُستخدم في:
  • مقاعد نقية:مقاومة للتآكل، وختم معتدل.
  • المقاعد المقواة (زجاج/جرافيت):مقاومة أفضل للتدفق البارد.
  • المقاعد المبطنة (شفة/أنبوب الفقاعة):يجمع بين المرونة والمقاومة الكيميائية.

​4. مواد ومعالجات ختم المعادن​

يعتمد الأداء على اقتران المواد وهندسة السطح:

• ​استراتيجية المواد:​
  • يمنع اقتران المواد المختلفة التآكل (على سبيل المثال، الفولاذ المقاوم للصدأ مقابل Stellite®).
  • صلابة سطح المقعد > صلابة سطح القرص (حوالي ~HRC 2-5)، مما يجعل القرص قابلاً للاستبدال.
• ​تحسينات السطح:​
  • ​التغطية الصلبة:**ستيلايت 6®(على أساس الكوبالت، HRC 40-50) أوتتميز طبقات Inconel 625®**​ (القائمة على النيكل) بمقاومتها للتآكل والتلف.الحل الأساسي للخدمة الشاقة.
  • ​تصلب الحالة:​تعمل عملية التصلب أو النترتة باللهب/البلازما/الليزر (≥HV 1000) على تعزيز مقاومة التآكل/التآكل.
  • ​الرذاذ الحراري:​ تطبيق HVOF ​WC (كربيد التنغستن)​ أو ​أكسيد الكرومتوفر الطلاءات متانة سطحية قصوى.
• ​السبائك الغريبة:​الفولاذ Hastelloy® أو الفولاذ المزدوج المستخدم في البيئات شديدة التآكل (بتكلفة عالية).

​5. القيود ومعايير الاختيار​

​الاعتبارات الرئيسية:​

• ​حدود الختم الناعم:مجموعة الضغط الدائم، عدم التوافق الكيميائي (التورم / التدهور)، التدفق البارد / الزحف (PTFE / المطاط)، تلف الجسيمات.
• ​حدود الختم الصلب:​ تسرب محتمل للضغط المنخفض، وتكلفة/عزم دوران أعلى.
• ​سائقو الاختيار:خصائص الوسائط (T، P، التآكل، المواد الصلبة)، متطلبات التسرب، وتيرة دورة الحياة، شدة التشغيل، والميزانية.

​الخلاصة:​
يتم تحديد اختيار صمام الفراشة من خلال ​التآزر بين بنية الختم والمواد. ​الأختام الناعمةتتميز (EPDM/NBR/PTFE) بالتفوق في تطبيقات المياه/الهواء منخفضة الضغط والحساسة للتكلفة.أختام FKM الناعمة أو مركبات PTFE​ معالجة الوسائط المسببة للتآكل. ​أختام معدنية ثلاثية الأوفست​ مع ​الأسطح الصلبة/Stellite®تُعدّ هذه المواد إلزامية للبخار، والهيدروكربونات، ونسبة T/P العالية، والتدفقات التآكلية. تُناسب المواد القائمة على النيكل ظروفًا قاسية. يُعدّ التقييم الدقيق لمعايير التشغيل وخصائص المواد أمرًا بالغ الأهمية؛ إذ يُؤدي تجاهل مواصفات مانعات التسرب إلى مخاطر التسرب، والفشل المبكر، وتكاليف التوقف المُكلفة.