التوسع في نطاق الصمامات البلاستيكية

على الرغم من أن الصمامات البلاستيكية تُعتبر أحيانًا منتجًا متخصصًا - خيارًا مثاليًا لمن يصنعون أو يصممون أنابيب بلاستيكية للأنظمة الصناعية أو لمن يحتاجون إلى معدات فائقة النظافة - إلا أن افتراض عدم استخدام هذه الصمامات بشكل عام هو افتراضٌ قصير النظر. في الواقع، للصمامات البلاستيكية اليوم استخدامات واسعة، إذ أن تزايد أنواع المواد وحاجة المصممين المتميزين إليها يعني تزايدًا في استخدام هذه الأدوات متعددة الاستخدامات.

خصائص البلاستيك

تتميز صمامات البلاستيك الحراري بمزايا عديدة، منها مقاومة التآكل والمواد الكيميائية والاحتكاك، وجدران داخلية ناعمة، وخفة الوزن، وسهولة التركيب، وعمر افتراضي طويل، وانخفاض تكلفة دورة الحياة. وقد أدت هذه المزايا إلى انتشار واسع للصمامات البلاستيكية في التطبيقات التجارية والصناعية، مثل توزيع المياه، ومعالجة مياه الصرف الصحي، ومعالجة المعادن والمواد الكيميائية، والأغذية والأدوية، ومحطات الطاقة، ومصافي النفط، وغيرها.

يمكن تصنيع الصمامات البلاستيكية من مواد متنوعة تُستخدم في تكوينات متعددة. أكثر الصمامات البلاستيكية الحرارية شيوعًا هي تلك المصنوعة من بولي فينيل كلوريد (PVC)، وبولي فينيل كلوريد مكلور (CPVC)، والبولي بروبيلين (PP)، وبولي فينيل فلوريد (PVDF). عادةً ما تُربط صمامات PVC وCPVC بأنظمة الأنابيب عن طريق نهايات مقابس مثبتة بالأسمنت المذيب، أو نهايات ملولبة ذات حواف؛ بينما تتطلب صمامات PP وPVDF توصيل مكونات أنظمة الأنابيب، إما بتقنيات التسخين الحراري، أو اللحام التناكبي، أو الصهر الكهربائي.

تتفوق الصمامات البلاستيكية الحرارية في البيئات المسببة للتآكل، ولكنها مفيدة بنفس القدر في خدمات المياه العامة نظرًا لخلوها من الرصاص1، ومقاومتها لإزالة الزنك، وعدم صدأها. يجب اختبار أنظمة وصمامات الأنابيب المصنوعة من كلوريد البوليفينيل (PVC) وكلوريد متعدد الفينيل (CPVC) واعتمادها وفقًا لمعيار المؤسسة الوطنية للصرف الصحي (NSF) رقم 61 للتأثيرات الصحية، بما في ذلك متطلبات الرصاص المنخفضة للملحق G. يمكن اختيار المادة المناسبة للسوائل المسببة للتآكل من خلال مراجعة دليل مقاومة المواد الكيميائية الخاص بالشركة المصنعة وفهم تأثير درجة الحرارة على متانة المواد البلاستيكية.

على الرغم من أن قوة البولي بروبيلين أقل بنصف قوة كلٍّ من PVC وCPVC، إلا أنه يتميز بمقاومة كيميائية فائقة التنوع لعدم وجود مذيبات معروفة له. يُظهر البولي بروبيلين أداءً جيدًا في أحماض الأسيتيك المركزة والهيدروكسيدات، كما أنه مناسب للمحاليل الأخف لمعظم الأحماض والقلويات والأملاح والعديد من المواد الكيميائية العضوية.

يتوفر البولي بروبلين كمادة مصبوغة أو غير مصبوغة (طبيعية). يتحلل البولي بروبلين الطبيعي بشدة بفعل الأشعة فوق البنفسجية، لكن المركبات التي تحتوي على أكثر من 2.5% من تصبغ الكربون الأسود تتمتع بمقاومة كافية للأشعة فوق البنفسجية.

تُستخدم أنظمة أنابيب PVDF في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية، من الصناعات الدوائية إلى التعدين، نظرًا لمتانتها ودرجة حرارتها العالية ومقاومتها الكيميائية للأملاح والأحماض القوية والقواعد المخففة والعديد من المذيبات العضوية. على عكس البولي بروبيلين، لا يتحلل PVDF بفعل أشعة الشمس؛ ومع ذلك، يتميز البلاستيك بشفافيته، ما يسمح بتعريض السائل للأشعة فوق البنفسجية. في حين أن تركيبة PVDF الطبيعية غير المصبوغة مثالية للتطبيقات الداخلية عالية النقاء، فإن إضافة صبغة مثل اللون الأحمر المخصص للطعام يسمح بتعريض السائل لأشعة الشمس دون أي تأثير سلبي على وسطه.

تواجه أنظمة البلاستيك تحديات تصميمية، مثل الحساسية للحرارة والتمدد والانكماش الحراريين، لكن المهندسين قادرون، بل ونجحوا، في تصميم أنظمة أنابيب طويلة الأمد واقتصادية للبيئات العامة والتآكلية. ويتمثل الاعتبار التصميمي الرئيسي في أن معامل التمدد الحراري للبلاستيك أكبر من معامل التمدد الحراري للمعادن - فعلى سبيل المثال، يبلغ معامل التمدد الحراري للبلاستيك خمسة إلى ستة أضعاف معامل التمدد الحراري للفولاذ.

عند تصميم أنظمة الأنابيب ومراعاة تأثيرها على وضع الصمامات ودعاماتها، يُعدّ الاستطالة الحرارية أحد الاعتبارات المهمة في اللدائن الحرارية. يمكن تقليل أو إزالة الإجهادات والقوى الناتجة عن التمدد والانكماش الحراري من خلال توفير مرونة في أنظمة الأنابيب من خلال التغييرات المتكررة في الاتجاه أو إدخال حلقات تمدد. من خلال توفير هذه المرونة على طول نظام الأنابيب، لن يُطلب من الصمام البلاستيكي امتصاص قدر كبير من الإجهاد.

لأن اللدائن الحرارية حساسة لدرجة الحرارة، فإن معدل ضغط الصمام ينخفض ​​مع ارتفاع درجة الحرارة. وتختلف المواد البلاستيكية باختلاف درجة الحرارة. قد لا تكون درجة حرارة السائل المصدر الوحيد للحرارة الذي يؤثر على معدل ضغط الصمامات البلاستيكية، إذ يجب أن يكون الحد الأقصى لدرجة الحرارة الخارجية جزءًا من اعتبارات التصميم. في بعض الحالات، قد يؤدي عدم تصميم الأنابيب لدرجة الحرارة الخارجية إلى ترهل مفرط بسبب نقص دعامات الأنابيب. تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى لصمامات PVC 140 درجة فهرنهايت؛ بينما تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى لصمامات CPVC 220 درجة فهرنهايت؛ بينما تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى لصمامات PP 180 درجة فهرنهايت؛ ويمكن لصمامات PVDF الحفاظ على ضغط يصل إلى 280 درجة فهرنهايت.

على الجانب الآخر من مقياس درجة الحرارة، تعمل معظم أنظمة الأنابيب البلاستيكية بكفاءة عالية في درجات حرارة أقل من الصفر. في الواقع، تزداد قوة الشد في الأنابيب البلاستيكية الحرارية مع انخفاض درجة الحرارة. ومع ذلك، تنخفض مقاومة معظم المواد البلاستيكية للصدمات مع انخفاض درجة الحرارة، وتظهر هشاشة في مواد الأنابيب المتأثرة. طالما ظلت الصمامات ونظام الأنابيب المجاور لها سليمين، وغير معرضين للخطر بسبب الصدمات أو ارتطام الأشياء، ولم تسقط الأنابيب أثناء المناولة، فإن الآثار السلبية على الأنابيب البلاستيكية تكون في أدنى حد.

أنواع الصمامات البلاستيكية الحرارية

تتوفر صمامات الكرة، وصمامات عدم الرجوع، وصمامات الفراشة، وصمامات الحجاب الحاجز بجميع أنواع المواد البلاستيكية الحرارية المختلفة لأنظمة أنابيب الضغط من الجدول 80، والتي تتميز أيضًا بخيارات تقليم وملحقات متعددة. يُعد صمام الكرة القياسي عادةً تصميمًا اتحاديًا حقيقيًا لتسهيل إزالة جسم الصمام للصيانة دون أي خلل في توصيل الأنابيب. تتوفر صمامات عدم الرجوع المصنوعة من البلاستيك الحراري على شكل صمامات كروية، وصمامات تأرجحية، وصمامات على شكل حرف Y، وصمامات مخروطية. تتوافق صمامات الفراشة بسهولة مع الحواف المعدنية نظرًا لتوافقها مع فتحات البراغي ودوائرها والأبعاد الكلية لمعيار ANSI Class 150. يُعزز القطر الداخلي الأملس للأجزاء البلاستيكية الحرارية التحكم الدقيق في صمامات الحجاب الحاجز.

تُصنّع العديد من الشركات الأمريكية والأجنبية صمامات كروية من مادة PVC وCPVC بأحجام تتراوح بين نصف بوصة و6 بوصات، مزودة بوصلات مقبسية أو ملولبة أو ذات حواف. يتضمن تصميم الوصلة الحقيقي لصمامات الكرة المعاصرة صامولتين تُثبّتان على الجسم، مما يضغط الأختام المرنة بين الجسم والوصلات الطرفية. وقد حافظ بعض المصنّعين على نفس طول تركيب صمام الكرة وخيوط الصواميل لعقود، مما يُسهّل استبدال الصمامات القديمة دون الحاجة إلى تعديل الأنابيب المجاورة.

يجب أن تكون صمامات الكرة المزوّدة بأختام مطاطية من إيثيلين بروبيلين ديين مونومر (EPDM) حاصلة على شهادة NSF-61G للاستخدام في مياه الشرب. يمكن استخدام أختام مطاطية من الفلوروكربون (FKM) كبديل للأنظمة التي تتطلب توافقًا كيميائيًا. كما يمكن استخدام FKM في معظم التطبيقات التي تتضمن أحماضًا معدنية، باستثناء كلوريد الهيدروجين، ومحاليل الأملاح، والهيدروكربونات المكلورة، وزيوت البترول.

صمامات الكرة المصنوعة من PVC وCPVC، بأحجام من 1/2 بوصة إلى 2 بوصة، تُعد خيارًا مثاليًا لتطبيقات المياه الساخنة والباردة، حيث يصل أقصى ضغط للماء غير الصدميّ إلى 250 رطل/بوصة مربعة عند درجة حرارة 73 فهرنهايت. أما الصمامات الكروية الأكبر، بأحجام من 2.5 بوصة إلى 6 بوصات، فتتمتع بضغط أقل يبلغ 150 رطل/بوصة مربعة عند درجة حرارة 73 فهرنهايت. تُستخدم صمامات الكرة المصنوعة من PP وPVDF (الشكلان 3 و4) بشكل شائع في نقل المواد الكيميائية، وهي متوفرة بأحجام من 1/2 بوصة إلى 4 بوصات مع وصلات مقبسية أو ملولبة أو ذات حواف، وعادةً ما تصل إلى أقصى ضغط للماء غير الصدميّ إلى 150 رطل/بوصة مربعة عند درجة حرارة الغرفة.

تعتمد صمامات الفحص الكروية المصنوعة من البلاستيك الحراري على كرة ذات كثافة نوعية أقل من كثافة الماء، بحيث إذا فُقد الضغط على الجانب العلوي، تغوص الكرة مجددًا على سطح الختم. يمكن استخدام هذه الصمامات في نفس خدمة صمامات الكرة البلاستيكية المماثلة، لأنها لا تُدخل مواد جديدة إلى النظام. قد تشمل أنواع أخرى من صمامات الفحص نوابض معدنية قد لا تصمد في البيئات المسببة للتآكل.

صمام الفراشة البلاستيكي، بأحجام تتراوح بين بوصتين و24 بوصة، شائع الاستخدام في أنظمة الأنابيب ذات القطر الأكبر. يتبع مصنعو صمامات الفراشة البلاستيكية أساليب مختلفة في بناء أسطح العزل والختم. يستخدم البعض بطانة مطاطية (الشكل 5) أو حلقة دائرية، بينما يستخدم آخرون قرصًا مطليًا بالمطاط. يصنع البعض الهيكل من مادة واحدة، لكن المكونات الداخلية المبللة تُستخدم كمواد للنظام، مما يعني أن هيكل صمام الفراشة المصنوع من البولي بروبيلين قد يحتوي على بطانة من مادة EPDM وقرص من مادة PVC أو عدة تكوينات أخرى مع مواد بلاستيكية حرارية شائعة وأختام مطاطية.

تركيب صمام الفراشة البلاستيكي سهل، إذ صُنعت هذه الصمامات على شكل رقاقة مزودة بأختام مطاطية مدمجة في هيكلها. لا تتطلب إضافة حشية. عند تثبيت صمام الفراشة البلاستيكي بين حافتين متزاوجتين، يجب التعامل مع عملية تثبيته بعناية، وذلك بزيادة عزم البرغي الموصى به على ثلاث مراحل. يتم ذلك لضمان إحكام متساوٍ على السطح، وتجنب أي ضغط ميكانيكي غير متساوٍ على الصمام.

سيجد متخصصو الصمامات المعدنية أن أفضل أعمال صمامات الغشاء البلاستيكية، المزودة بمؤشرات العجلة والموضع، مألوفة لديهم (الشكل 6)؛ ومع ذلك، يتميز صمام الغشاء البلاستيكي ببعض المزايا الفريدة، بما في ذلك الجدران الداخلية الناعمة لجسمه المصنوع من البلاستيك الحراري. وكما هو الحال مع صمام الكرة البلاستيكي، يمكن لمستخدمي هذه الصمامات تركيب تصميم الوصلة الحقيقية، وهو مفيد بشكل خاص لأعمال الصيانة على الصمام. أو يمكن للمستخدم اختيار وصلات ذات حواف. بفضل توفر جميع خيارات مواد الجسم والغشاء، يمكن استخدام هذا الصمام في مجموعة متنوعة من التطبيقات الكيميائية.

كما هو الحال مع أي صمام، يكمن سر تشغيل الصمامات البلاستيكية في تحديد متطلبات التشغيل، مثل اختيار الطاقة الهوائية مقابل الكهربائية، والتيار المستمر مقابل التيار المتردد. ولكن مع البلاستيك، يجب على المصمم والمستخدم أيضًا فهم نوع البيئة المحيطة بالمشغل. وكما ذكرنا سابقًا، تُعد الصمامات البلاستيكية خيارًا ممتازًا في البيئات المسببة للتآكل، بما في ذلك البيئات الخارجية المسببة للتآكل. ولذلك، تُعتبر مادة غلاف مشغلات الصمامات البلاستيكية عاملًا مهمًا. ويتوفر لدى مصنعي الصمامات البلاستيكية خيارات لتلبية احتياجات هذه البيئات المسببة للتآكل، مثل مشغلات مغطاة بالبلاستيك أو أغلفة معدنية مطلية بالإيبوكسي.

كما يوضح هذا المقال، توفر الصمامات البلاستيكية اليوم جميع أنواع الخيارات للتطبيقات والمواقف الجديدة