أين تستخدم الصمامات: في كل مكان!

يمكن العثور على الصمامات في أي مكان تقريبًا اليوم: في منازلنا، وتحت الشارع، وفي المباني التجارية وفي آلاف الأماكن داخل محطات الطاقة والمياه، ومصانع الورق، ومصافي النفط، والمصانع الكيميائية وغيرها من المرافق الصناعية والبنية التحتية.

صناعة الصمامات واسعة النطاق، وتتنوع قطاعاتها من توزيع المياه إلى الطاقة النووية، وصولاً إلى النفط والغاز في المنبع والمصب. تستخدم كلٌّ من هذه الصناعات الاستهلاكية النهائية أنواعًا أساسية من الصمامات؛ إلا أن تفاصيل البناء والمواد غالبًا ما تختلف اختلافًا كبيرًا. إليك مثال على ذلك:

أعمال المياه

في عالم توزيع المياه، غالبًا ما تكون الضغوط ودرجات الحرارة المحيطة منخفضة نسبيًا. يتيح هذان العاملان التطبيقيان عددًا من عناصر تصميم الصمامات التي لا تتوفر في المعدات الأكثر تعقيدًا، مثل صمامات البخار عالية الحرارة. تسمح درجة الحرارة المحيطة لخدمة المياه باستخدام مواد مرنة وأختام مطاطية غير مناسبة في أي مكان آخر. تسمح هذه المواد اللينة بتجهيز صمامات المياه لمنع التنقيط بإحكام.

من الاعتبارات الأخرى عند اختيار صمامات خدمة المياه اختيار مواد البناء. تُستخدم الحديد الزهر والمرن على نطاق واسع في أنظمة المياه، وخاصةً الأنابيب ذات القطر الخارجي الكبير. أما الأنابيب الصغيرة جدًا، فيمكن التعامل معها بكفاءة عالية باستخدام مواد الصمامات البرونزية.

عادةً ما تكون الضغوط التي تتحملها معظم صمامات شبكات المياه أقل بكثير من 200 رطل/بوصة مربعة. هذا يعني عدم الحاجة إلى تصميمات ذات جدران أكثر سمكًا وضغط أعلى. مع ذلك، تُصنع صمامات المياه في بعض الحالات لتحمل ضغوطًا أعلى، تصل إلى حوالي 300 رطل/بوصة مربعة. تُستخدم هذه التطبيقات عادةً في قنوات المياه الطويلة القريبة من مصدر الضغط. أحيانًا، توجد صمامات مياه ذات ضغط أعلى أيضًا عند أعلى نقاط الضغط في السدود العالية.

أصدرت جمعية أعمال المياه الأمريكية (AWWA) مواصفات تغطي العديد من أنواع الصمامات والمحركات المختلفة المستخدمة في تطبيقات أعمال المياه.

مياه الصرف الصحي

الجانب الآخر لمياه الشرب العذبة الداخلة إلى المنشأة أو الهيكل هو مياه الصرف الصحي. تجمع هذه الخطوط جميع السوائل والمواد الصلبة العادمة وتوجهها إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي. تتميز محطات المعالجة هذه بالعديد من الأنابيب والصمامات منخفضة الضغط لأداء مهامها المتعلقة بمعالجة مياه الصرف الصحي. في كثير من الحالات، تكون متطلبات صمامات مياه الصرف الصحي أكثر تساهلاً من متطلبات خدمة المياه النظيفة. تُعد صمامات البوابة الحديدية وصمامات عدم الرجوع الخيارين الأكثر شيوعًا لهذا النوع من الخدمات. تُصنع الصمامات القياسية في هذه الخدمة وفقًا لمواصفات AWWA.

صناعة الطاقة

تُولَّد معظم الطاقة الكهربائية المُولَّدة في الولايات المتحدة في محطات بخارية تعمل بالوقود الأحفوري وتوربينات عالية السرعة. يُتيح الكشف عن بنية محطة الطاقة الحديثة رؤيةً شاملةً لأنظمة الأنابيب عالية الضغط وعاليتي الحرارة. تُعدّ هذه الخطوط الرئيسية الأكثر أهمية في عملية توليد الطاقة البخارية.

تظل صمامات البوابة خيارًا رئيسيًا لتطبيقات تشغيل/إيقاف محطات الطاقة، على الرغم من وجود صمامات كروية ذات نمط Y لأغراض خاصة. تكتسب صمامات الكرة عالية الأداء وذات الخدمة الحرجة شعبية متزايدة لدى بعض مصممي محطات الطاقة، وتشق طريقها بقوة في هذا العالم الذي كان يهيمن عليه سابقًا الصمامات الخطية.

يُعد علم المعادن بالغ الأهمية للصمامات في تطبيقات الطاقة، وخاصةً تلك التي تعمل في نطاقات ضغط ودرجة حرارة فوق الحرجة أو فوق الحرجة. تُستخدم سبائك F91 وF92 وC12A، إلى جانب العديد من سبائك Inconel والفولاذ المقاوم للصدأ، بشكل شائع في محطات الطاقة الحالية. تشمل فئات الضغط 1500 و2500، وفي بعض الحالات 4500. كما تُشكل الطبيعة المُعدِّلة لمحطات الطاقة القصوى (التي تعمل فقط عند الحاجة)، ضغطًا هائلاً على الصمامات والأنابيب، مما يتطلب تصميمات متينة لتحمل هذا المزيج الشديد من الدورات ودرجة الحرارة والضغط.

بالإضافة إلى صمامات البخار الرئيسية، يتم تحميل محطات الطاقة بخطوط الأنابيب المساعدة، التي تحتوي على عدد لا يحصى من الصمامات البوابية والكروي والفحصية والفراشية والكروية.

تعمل محطات الطاقة النووية على نفس مبدأ التوربينات البخارية عالية السرعة. يكمن الاختلاف الرئيسي في أن البخار في محطة الطاقة النووية يُنتج من الحرارة الناتجة عن عملية الانشطار. تتشابه صمامات محطات الطاقة النووية مع نظيراتها التي تعمل بالوقود الأحفوري، باستثناء عراقتها ومتطلبات الموثوقية المطلقة. تُصنع الصمامات النووية وفقًا لمعايير عالية للغاية، وتغطي وثائق التأهيل والفحص مئات الصفحات.

إنتاج النفط والغاز

تستخدم آبار النفط والغاز ومنشآت الإنتاج بكثرة الصمامات، بما في ذلك العديد من الصمامات شديدة التحمل. على الرغم من أنه من غير المرجح حدوث تدفقات نفطية تنطلق على ارتفاع مئات الأقدام في الهواء، إلا أن الصورة توضح الضغط المحتمل للنفط والغاز تحت الأرض. ولهذا السبب، تُوضع رؤوس الآبار أو أشجار عيد الميلاد أعلى سلسلة الأنابيب الطويلة للبئر. صُممت هذه التركيبات، مع صماماتها وتجهيزاتها الخاصة، لتحمل ضغوطًا تزيد عن 10,000 رطل لكل بوصة مربعة. ورغم ندرة وجودها في الآبار المحفورة على اليابسة هذه الأيام، إلا أن الضغوط العالية جدًا غالبًا ما توجد في الآبار البحرية العميقة.

يخضع تصميم معدات رأس البئر لمواصفات معهد البترول الأمريكي (API)، مثل 6A، ومواصفات رأس البئر ومعدات شجرة عيد الميلاد. صُممت الصمامات المشمولة في 6A لضغوط عالية جدًا ودرجات حرارة معتدلة. تحتوي معظم معدات شجرة عيد الميلاد على صمامات بوابة وصمامات كروية خاصة تُسمى الخانقات. تُستخدم الخانقات لتنظيم تدفق البئر.

بالإضافة إلى رؤوس الآبار نفسها، تضم حقول النفط أو الغاز العديد من المرافق المساعدة. تتطلب معدات المعالجة اللازمة للمعالجة المسبقة للنفط أو الغاز عددًا من الصمامات. عادةً ما تكون هذه الصمامات مصنوعة من الفولاذ الكربوني المُصنّف للفئات الأدنى.

أحيانًا، يوجد سائل شديد التآكل - كبريتيد الهيدروجين - في تيار النفط الخام. هذه المادة، المعروفة أيضًا باسم الغاز الحامض، قد تكون قاتلة. للتغلب على تحديات الغاز الحامض، يجب اتباع مواد خاصة أو تقنيات معالجة المواد وفقًا لمواصفات NACE الدولية MR0175.

الصناعة البحرية

تحتوي أنظمة الأنابيب الخاصة بمنصات النفط البحرية ومنشآت الإنتاج على مجموعة متنوعة من الصمامات المصممة وفقًا لمواصفات متنوعة للتعامل مع تحديات التحكم في التدفق المتنوعة. كما تحتوي هذه المنشآت على حلقات تحكم متنوعة وأجهزة تخفيف الضغط.

بالنسبة لمنشآت إنتاج النفط، يُعدّ نظام أنابيب استعادة النفط أو الغاز القلبَ الأساسي. ورغم عدم وجوده دائمًا على المنصة نفسها، إلا أن العديد من أنظمة الإنتاج تستخدم أنابيبًا وأنظمة أنابيب تعمل في أعماق سحيقة تصل إلى 10,000 قدم أو أكثر. صُممت معدات الإنتاج هذه وفقًا لمعايير معهد البترول الأمريكي (API) الصارمة، وهي مُشار إليها في العديد من ممارسات API الموصى بها (RPs).

في معظم منصات النفط الكبيرة، تُطبّق عمليات إضافية على السوائل الخام القادمة من فوهة البئر. تشمل هذه العمليات فصل الماء عن الهيدروكربونات، وفصل الغاز وسوائل الغاز الطبيعي عن تيار السوائل. تُبنى أنظمة الأنابيب هذه عادةً وفقًا لمعايير B31.3 الصادرة عن الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، وصماماتها مصممة وفقًا لمواصفات صمامات API، مثل API 594 وAPI 600 وAPI 602 وAPI 608 وAPI 609.

قد تحتوي بعض هذه الأنظمة أيضًا على صمامات بوابة وكرية وصمامات عدم رجوع API 6D. ونظرًا لأن أي خطوط أنابيب على المنصة أو سفينة الحفر تقع داخل المنشأة، فإن المتطلبات الصارمة لاستخدام صمامات API 6D لخطوط الأنابيب لا تنطبق. وعلى الرغم من استخدام أنواع متعددة من الصمامات في أنظمة الأنابيب هذه، فإن الصمام الكروي هو النوع المفضل.

خطوط الأنابيب

على الرغم من أن معظم خطوط الأنابيب مخفية عن الأنظار، إلا أن وجودها عادةً ما يكون واضحًا. تُعد اللافتات الصغيرة التي تحمل عبارة "خط أنابيب بترول" مؤشرًا واضحًا على وجود أنابيب نقل تحت الأرض. هذه الأنابيب مُجهزة بصمامات مهمة على طولها. توجد صمامات إغلاق طارئة للأنابيب على فترات زمنية محددة وفقًا للمعايير والأكواد والقوانين. تؤدي هذه الصمامات وظيفة حيوية تتمثل في عزل جزء من خط الأنابيب في حالة حدوث تسرب أو عند الحاجة إلى صيانة.

تنتشر أيضًا على طول مسار خط الأنابيب مرافقٌ يخرج منها الخط من الأرض، ويسهل الوصول إليه. تُعدّ هذه المحطات موطنًا لمعدات إطلاق "الخنازير"، وهي أجهزة تُدخل في خطوط الأنابيب إما لفحص الخط أو تنظيفه. عادةً ما تحتوي هذه المحطات على عدة صمامات، إما على شكل بوابة أو كروية. يجب أن تكون جميع الصمامات في نظام خط الأنابيب مفتوحة بالكامل للسماح بمرور الخنازير.

تحتاج خطوط الأنابيب أيضًا إلى طاقة لمقاومة احتكاكها والحفاظ على ضغطها وتدفقها. تُستخدم محطات الضاغط أو الضخ التي تبدو كنماذج مصغرة من محطات المعالجة، دون أبراج التكسير العالية. وتضم هذه المحطات العشرات من صمامات الأنابيب البوابية والكروية والمانعة للرجوع.

تم تصميم خطوط الأنابيب نفسها وفقًا لمعايير ورموز مختلفة، في حين تتبع صمامات خطوط الأنابيب صمامات خطوط الأنابيب API 6D.

هناك أيضًا خطوط أنابيب أصغر تُغذّي المنازل والمنشآت التجارية. تُوفّر هذه الخطوط الماء والغاز، وهي محمية بصمامات إغلاق.

تُوفّر البلديات الكبرى، وخاصةً في شمال الولايات المتحدة، البخارَ لتلبية احتياجات التدفئة للعملاء التجاريين. تُجهّز خطوط إمداد البخار هذه بمجموعة متنوعة من الصمامات للتحكم في إمداد البخار وتنظيمه. على الرغم من أن السائل هو بخار، إلا أن الضغوط ودرجات الحرارة أقل من تلك المستخدمة في توليد البخار في محطات الطاقة. تُستخدم أنواع مختلفة من الصمامات في هذه الخدمة، إلا أن صمام السدادة العريق لا يزال خيارًا شائعًا.

المصفاة والبتروكيماويات

تُشكّل صمامات المصافي استخدامًا صناعيًا أكبر من أي قطاع صمامات آخر. وتُعدّ المصافي موطنًا للسوائل المسببة للتآكل، وفي بعض الحالات، لدرجات حرارة عالية.

تُحدد هذه العوامل كيفية بناء الصمامات وفقًا لمواصفات تصميم صمامات API، مثل API 600 (صمامات البوابة)، وAPI 608 (صمامات الكرة)، وAPI 594 (صمامات الفحص). ونظرًا للخدمة الشاقة التي تواجهها العديد من هذه الصمامات، غالبًا ما يلزم توفير حماية إضافية ضد التآكل. ويتجلى هذا التوفير في زيادة سماكة الجدار المحددة في وثائق تصميم API.

يمكن العثور على جميع أنواع الصمامات الرئيسية تقريبًا بوفرة في أي مصفاة كبيرة نموذجية. لا يزال صمام البوابة واسع الانتشار هو السائد، مع وجود أكبر عدد من المستخدمين، إلا أن صمامات ربع الدورة تستحوذ على حصة سوقية متزايدة. وتشمل منتجات ربع الدورة التي حققت نجاحًا كبيرًا في هذه الصناعة (التي كانت تهيمن عليها المنتجات الخطية سابقًا) صمامات الفراشة عالية الأداء ثلاثية الإزاحة وصمامات الكرة ذات المقاعد المعدنية.

لا تزال صمامات البوابة والكرات والصمامات الفحصية القياسية موجودة بأعداد كبيرة، وبسبب قوة تصميمها والاقتصاد في تصنيعها، فلن تختفي في أي وقت قريب.

تتراوح تصنيفات الضغط لصمامات التكرير من الفئة 150 إلى الفئة 1500، حيث تعد الفئة 300 الأكثر شعبية.

يُعدّ الفولاذ الكربوني البسيط، مثل صنف WCB (المصبوب) وصنف A-105 (المطروق)، من أكثر المواد شيوعًا في تصنيع الصمامات المستخدمة في خدمات المصافي. تتجاوز العديد من تطبيقات عمليات التكرير الحدود القصوى لدرجات حرارة الفولاذ الكربوني البسيط، وتُستخدم سبائك ذات درجات حرارة أعلى لهذه التطبيقات. ومن أشهر هذه السبائك فولاذ الكروم/الموليبدينوم، مثل 1-1/4% Cr، و2-1/4% Cr، و5% Cr، و9% Cr. كما يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل العالية في بعض عمليات التكرير القاسية.