تُعتبر حشوات اللولب المعدنية المعزولة على نطاق واسع مكونات ختم عالية الأداء في أنظمة خطوط الأنابيب الصناعية وأطراف المعدات. تتيح لها تركيبتها الفريدة من المواد والتوليفات التكيف مع ظروف العمل القاسية مثل درجات الحرارة العالية، والضغط العالي، وتآكل الوسط. فيما يلي مقدمة مفصلة من وجهات نظر **اختيار المواد**، و**تصميم الهيكل**، و**الخصائص الكيميائية**:
##一、اختيار المواد لجوانات معدنية ملفوفة على شكل حلزوني
تعتمد أداء حشوات **اللفائف المعدنية** بشكل كبير على المطابقة المعقولة لمادتين أساسيتين: **شريط اللف المعدني** (الذي يوفر الدعم الهيكلي والقوة) و **مادة التعبئة** (التي تضمن أداء الختم). يتم تحديد اختيار المواد بناءً على عوامل مثل درجة حرارة العمل، الضغط، نوع الوسط، ومتطلبات مقاومة التآكل.
### 1. مواد شرائط اللف المعدنية
تعمل الشريط المعدني كـ "هيكل" للحشية، مما يوفر القوة الميكانيكية، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل. تشمل المواد الشائعة:
- **الفولاذ الكربوني (CS)**
- **نطاق التطبيق**:مناسب للوسائط ذات درجة الحرارة المنخفضة (≤300℃) وغير التآكلية (مثل الهواء والماء والزيت) في خطوط الأنابيب الصناعية العامة.
- **المزايا**:تكلفة منخفضة، قوة ميكانيكية عالية، وسهولة في المعالجة.
- **القيود**:مقاومة ضعيفة للتآكل؛ عرضة للصدأ في البيئات الرطبة أو التآكل، مما يجعلها غير مناسبة للوسائط الحمضية أو القلوية أو المحتوية على الملح.
- **الفولاذ المقاوم للصدأ 304/304L**
- **نطاق التطبيق**:يستخدم على نطاق واسع في درجات الحرارة المتوسطة (≤600℃) والبيئات المسببة للتآكل الخفيف، مثل معالجة الطعام، ومعدات الأدوية، وأنابيب معالجة المياه.
- **المزايا**:مقاومة ممتازة للتآكل ضد الغلاف الجوي والماء والأحماض/القلويات الضعيفة؛ مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية.
- **ميزة 304L**:محتوى كربون أقل من 304، مما يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو الاستخدام في درجات حرارة عالية.
- **الفولاذ المقاوم للصدأ 316/316L**
- **نطاق التطبيق**:مثالي للوسائط التآكلية القوية (مثل مياه البحر، المحاليل المحتوية على الكلور، حمض الكبريتيك، وحمض الفوسفوريك) والبيئات عالية الحرارة (≤650℃)، ويستخدم عادة في الصناعات الكيميائية والبحرية والبتروكيماوية.
- **المزايا**:إضافة عنصر الموليبدينوم تحسن بشكل كبير مقاومة التآكل النقطي وتآكل الشقوق؛ مقاومة تآكل عامة أفضل من 304.
- **سبائك خاصة**
- **إنكونيل (مثل، 600/625)**:مقاوم لدرجات الحرارة العالية (≤1000℃) والتآكل الشديد (مثل حمض النيتريك، وملح الصهر عالي الحرارة)، يستخدم في الفضاء والطائرات والمفاعلات الكيميائية عالية الحرارة.
- **هاستيلوي (مثل، C276)**:مقاومة ممتازة للأحماض القوية (حمض الهيدروكلوريك، حمض الكبريتيك) والتآكل الناتج عن الكلوريد، مناسبة للبيئات الكيميائية القاسية.
- **تيتانيوم (Ti)**:خفيف الوزن، عالي القوة، ومقاوم للمياه البحرية، والكلور، ومعظم الأحماض العضوية، ولكن بتكلفة أعلى، يُستخدم في السيناريوهات المقاومة للتآكل عالية الجودة.
### 2. مواد التعبئة
يتم لف الحشوة بشريط معدني، مما يوفر المرونة وأداء الإغلاق من خلال ملء عدم انتظام سطح الشفة. تشمل الحشوات الشائعة:
- **ألياف غير الأسبستوس**
- **التكوين**:عادة ما يتم خلطها مع الألياف غير العضوية (ألياف زجاجية، ألياف سيراميكية) والمواد الرابطة العضوية، متوافقة مع المعايير البيئية (خالية من الأسبستوس).
- **الأداء**:مقاومة جيدة لدرجة الحرارة (≤400℃)، تكلفة منخفضة، ومناسبة للمياه العامة، البخار، ووسائط الزيت.
- **غرافيت**
- **أنواع**:الجرافيت الطبيعي أو الجرافيت الموسع، غالبًا ما يتم تشبعه بالراتنج أو المعدن لتعزيز القوة.
- **المزايا**:مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية (الجرافيت النقي ≤600℃ في البيئات المؤكسدة، ≤1000℃ في البيئات المختزلة)، وخمول كيميائي جيد (مقاوم لمعظم الأحماض، القلويات، والمذيبات العضوية)، وقابلية ضغط عالية.
- **التطبيق**:يستخدم على نطاق واسع في خطوط الأنابيب والمعدات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي في الصناعات البتروكيماوية والطاقة والمعادن.
- **PTFE (بوليتترافلوروإيثيلين)**
- **المزايا**:مقاومة التآكل تقريبًا لجميع المواد الكيميائية (باستثناء المعادن القلوية المنصهرة وغاز الفلور)، معامل احتكاك منخفض، وسطح غير لاصق.
- **القيود**:مقاومة حرارة ضعيفة (≤260℃)، ميل عالي للتدفق البارد تحت الضغط لفترة طويلة.
- **التطبيق**:مناسب للوسائط ذات درجة الحرارة المنخفضة والتآكل القوي (مثل حمض الهيدروفلوريك، غاز الكلور) في الصناعات الكيميائية والصيدلانية.
- **ألياف السيراميك**
- **الأداء**:مقاومة لدرجات الحرارة العالية جداً (≤1200℃)، عزل حراري جيد، ولكن مرونة منخفضة وهشاشة.
- **التطبيق**:يستخدم في الأفران ذات درجات الحرارة العالية، والغلايات، وحواف الأفران حيث يتطلب الأمر مقاومة شديدة للحرارة.
##二、تصميم هيكلي لجوانات معدنية ملفوفة على شكل لولب
يؤثر التصميم الهيكلي بشكل مباشر على تأثير الختم، ومقاومة الضغط، وقابلية التركيب للحشية. تشمل الأنواع الهيكلية الشائعة:
### 1. هيكل اللف الأساسي
- **شكل متعرج**:يتم لف الشريط المعدني والحشوة بالتناوب بطريقة لولبية، مما يشكل مقطعًا دائريًا متقاربًا مع قمم ووديان متناوبة. تسمح هذه البنية للحشية بالتشوه بشكل مرن تحت ضغط الفلنج، مما يضمن اتصالًا محكمًا مع سطح الفلنج.
- **الحلقات الداخلية/الخارجية**:
- **الحلقة الداخلية (حلقة التمركز)**:مصنوع من نفس المادة مثل الشريط المعدني، يمنع الحشوة من الضغط في الأنبوب أثناء التركيب، مما يضمن التمركز ويحسن مقاومة الضغط. إنه إلزامي للأنظمة عالية الضغط (الفئة 600 وما فوق).
- **الحلقة الخارجية (حلقة التوجيه)**:يوجه الحشية أثناء التركيب لتجنب عدم المحاذاة، ويحمي طبقة اللف من التلف، ويحد من الضغط المفرط على الحشية.
### 2. الأنواع الهيكلية الشائعة
نوع الهيكل
الميزات
سيناريوهات التطبيق
نوع أساسي (بدون حلقات)
هيكل بسيط، تكلفة منخفضة؛ مناسب للفلنجات ذات الضغط المنخفض وغير الحرجة.
أنابيب المياه العامة والهواء ذات الضغط المنخفض (≤1.6MPa).
مع الحلقة الداخلية
مقاومة ضغط محسّنة، تمنع خروج الحشوة.
أنابيب الضغط المتوسط، الصمامات، ومبادلات الحرارة.
مع الحلقات الداخلية والخارجية
أعلى استقرار هيكلي، تحديد دقيق، ومقاومة للضغط.
فلنجات المعدات عالية الضغط (≥6.4MPa) ودرجة الحرارة العالية (مثل، توربينات البخار، المفاعلات الكيميائية).
جوانات الجروح على شكل بيضاوي/شكل C
تصميم مقطع خاص، تكيف أفضل مع الحواف غير المستوية.
فلنجات مع تشوه طفيف أو تشطيب سطح منخفض.
### 3. المعلمات الهيكلية الرئيسية
- **كثافة اللف**:عدد لفات اللولب لكل وحدة طول؛ الكثافة الأعلى تحسن استقرار الختم ولكن تقلل من المرونة.
- **السماكة**:الأبعاد الشائعة هي 3 مم، 4.5 مم، 6 مم، إلخ، يتم اختيارها بناءً على عمق أخدود الشفة ومتطلبات الضغط.
- **تشطيب السطح**:عادةً ما تكون السطح المعدني غير معالج أو مُعالج بالتمرير لتحسين مقاومة التآكل.
## ثالثاً،الخصائص الكيميائية لجوانات معدنية ملفوفة على شكل حلزوني
تعتمد الخصائص الكيميائية على تركيبة شريط المعدن والحشو، مما يحدد قابليتها للتكيف مع وسائط مختلفة:
### 1. مقاومة التآكل
- **توافق الوسائط**:
- حشوات مملوءة بالجرافيت مع شرائط من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L تظهر مقاومة ممتازة للأحماض العضوية، القلويات، ومحاليل الملح، لكنها غير مناسبة للوسائط المؤكسدة القوية (مثل حمض النيتريك المركز) حيث قد يتأكسد الجرافيت.
- حشوات مملوءة بـ PTFE مع شرائط من التيتانيوم مثالية للوسائط التآكلية القوية مثل حمض الهيدروفلوريك وغاز الكلور، ولكن قد ينتفخ PTFE في بعض المذيبات العضوية (مثل الكيتونات).
- شرائط سبائك إنكونيل مع حشوات ألياف السيراميك تقاوم الأملاح المنصهرة ذات درجات الحرارة العالية والغازات المحتوية على الكبريت، مناسبة لمفاعلات البتروكيماويات ذات درجات الحرارة العالية.
- **قابلية التكيف البيئي**:
- حشوات الفولاذ المقاوم للصدأ 304/316 مقاومة للتآكل الجوي ويمكن استخدامها في البيئات الخارجية أو الرطبة.
- تسربات الصلب الكربوني عرضة للصدأ في الظروف الرطبة وتتطلب طلاءات مضادة للتآكل (مثل الطلاء بالزنك) للاستخدام قصير الأمد في الوسائط غير التآكلية.
### 2. مقاومة درجات الحرارة العالية
- **درجة حرارة التشغيل المستمرة**:
- حشوات غير مملوءة بالأسبستوس: ≤400℃;
- حشوات مملوءة بالجرافيت: شريط 304 ≤600℃، شريط إنكونيل ≤1000℃؛
- حشوات مملوءة بألياف السيراميك: شريط إنكونيل ≤1200℃.
- **الاستقرار الحراري**:يحتفظ الشريط المعدني بالقوة الهيكلية عند درجات الحرارة العالية، بينما يقاوم الحشو (مثل الجرافيت) الأكسدة والتحلل، مما يضمن عدم حدوث تصلب أو تشقق.
### 3. مقاومة الضغط
- **الختم تحت الضغط**:توفر الشريط المعدني الصلابة لمقاومة ضغط الشفة، بينما يتشوه الحشو لملء الفجوات، مما يمكّن الحشية من التكيف مع بيئات الضغط العالي (حتى الفئة 2500 أو 42 ميغاباسكال للتصاميم الخاصة).
- **الضغط والارتداد**:تسمح البنية الحلزونية بالتشوه المرن تحت الضغط، مما يحافظ على أداء الختم حتى مع الانزياح الطفيف في الفلنجات الناتج عن تقلبات درجة الحرارة أو الضغط.
### 4. القيود في الأداء الكيميائي
- **الحساسية للأكسدة القوية**:تتأكسد المواد المالئة من الجرافيت بسهولة في حمض النيتريك المركز أو في بيئات الأكسجين عالية الحرارة، مما يؤدي إلى تدهور الأداء.
- **تدفق بارد من PTFE**:قد تظهر حشوات PTFE تدفقًا باردًا تحت ضغط عالٍ على المدى الطويل، مما يؤدي إلى تقليل تأثير الإغلاق، مما يتطلب إعادة شد دورية.
- **خطر التآكل الجلفاني**:يمكن أن يتسبب الاتصال بين المعادن المختلفة (مثل فلانشة من الصلب الكربوني مع حشوة من الفولاذ المقاوم للصدأ) في وسائل تآكلية في حدوث تآكل جلفاني، مما يتطلب اختيار مواد متطابقة.
