كيفية تجنب تلف الأنابيب عند استخدام أجهزة التوسيع؟

كيف تؤثر التمدد الحراري على سلامة الأنابيب أثناء استخدام أداة التوسيع

الفيزياء الكامنة وراء التمدد الحراري الخطي في مواد الأنابيب الشائعة (الفولاذ، والنحاس، وبولي كلوريد الفينيل)

جميع مواد الأنابيب تميل إلى التمدد عند ارتفاع درجات الحرارة والانكماش عند انخفاضها، وفقًا لمبدأ أساسي يُوصَف بالمعادلة ΔL = αLΔT (وهي تعني ببساطة أن التغير في الطول يساوي معامل التمدد مضروبًا في الطول الأصلي مضروبًا في التغير في درجة الحرارة). ومع ذلك، فإن سلوك المواد المختلفة يختلف اختلافًا كبيرًا. فعلى سبيل المثال، يزداد طول الفولاذ بمقدار ٠٫٠٠٠٠٠٦٥ بوصة تقريبًا لكل بوصة من الأنبوب مع كل درجة فهرنهايت ارتفاعًا في درجة الحرارة. أما النحاس فيقترب من هذه القيمة قليلًا، إذ يزداد طوله حوالي ٠٫٠٠٠٠٠٩٠ بوصة لكل بوصة مع كل درجة فهرنهايت. أما مادة البولي فينيل كلورايد (PVC) فهي تتفوق بشكل ملحوظ، حيث تصل نسبة التمدد إلى نحو ٠٫٠٠٠٠٣ بوصة لكل بوصة مع كل درجة فهرنهايت، ما يجعلها مرنةً تقريبًا خمس مرات أكثر من الفولاذ. ولإعطاء فكرة أوضح عن هذا الأمر، تخيل أنبوبًا فولاذيًّا طوله ١٠٠ قدمٍ سُخِّن بمقدار ١٥٠ درجة فهرنهايت؛ فسيزداد طوله فعليًّا بما يقارب ١٫٢ بوصة. أما أنبوب PVC بنفس الطول تحت ظروف مماثلة، فيتمدَّد بما يتجاوز ٥٫٤ بوصة. وتؤدي هذه الاختلافات إلى إحداث نقاط ضغط جوهرية في أي مكان تلتقي فيه مواد مختلفة. ويصبح هذا الأمر مشكلةً بالغة التعقيد خصوصًا أثناء العمليات التي تتضمن استخدام أجهزة التوسعة (Expanders)، لأن ارتفاع درجة الحرارة محليًّا يضاعف هذه الحركات. وقد تصل القوى الناتجة أحيانًا إلى مستويات تفوق ٢٠٠٠٠ رطل، وهي قيمة ليست هينة على الإطلاق بالنسبة للمهندسين الذين يصمِّمون أنظمة الأنابيب.

لماذا يؤدي التوسع غير الخاضع للرقابة إلى إحداث إجهاد وانحراف وفشل في المفاصل بالقرب من مناطق الموسعات

عندما يُقيَّد الحركة الحرارية، تُطبِّق الأنابيب قوةً شديدةً على نقاط التثبيت والشفاه والمفاصل. وبالقرب من الموسعات — حيث تتراكز الأحمال الميكانيكية والحرارية الناتجة عن عمليات التسخين والتبريد الدورية — تهيمن ثلاث طرائق فشل رئيسية:

• تجمع الإجهادات عند المنعطفات واللحامات، وتتجاوز هذه القوة حد الخضوع
• سوء التصحيح الزاوي للوصلات الشفهية، مما يؤدي إلى انفجار الحشوات
• انفصال المفصل الجرسّي في أنظمة التوصيل بالدفع، مسببةً التسربات

وفقًا لدراسة حديثة أجرتها مؤسسة بونيون عام ٢٠٢٣، يُعزى نحو ثلثي حالات فشل الأنابيب في المنشآت الصناعية فعليًّا إلى سوء إدارة مشكلات الإجهاد الحراري. وعندما تتعرَّض الأنابيب لدورات متكرِّرة من التسخين والتبريد، يؤدي ذلك إلى تسارع تطوُّر الإجهاد التعبوي. وتتفاقم المشكلة في المناطق التي تكون فيها الأنابيب إما مُثبَّتة بإحكامٍ مفرط أو غير مدعومة بشكلٍ كافٍ. فعلى سبيل المثال، عندما تؤثِّر قوة ضغطٍ كبيرة جدًّا على أنابيب رقيقة الجدران، فإنها تميل إلى الانبعاج. ومن الناحية المقابلة، يمكن لقوى الشد أن تسبِّب انتشار الشقوق عبر المواد الهشَّة مثل البولي فينيل كلوريد (PVC). وإذا لم تكن أنظمة التوصيلات مدعومةً بشكلٍ كافٍ، فإن هذه الإجهادات لا تبقى محليَّةً فقط، بل تنتقل مباشرةً إلى مكوِّنات أخرى من المعدات مثل الصمامات والمضخَّات ومختلف الأجهزة القياسية. وهذا يخلق مخاطر جسيمة لما يسمِّيه المهندسون «الفشل الكارثي للوصلات الفلنجية». بل وقد تفشل الأنظمة ذات التصنيف القياسي تمامًا بشكلٍ كاملٍ عند مستويات ضغط منخفضة بشكلٍ مفاجئٍ تبلغ حوالي ٧٤٠ رطل/بوصة مربعة (psi) عند التعرُّض لهذه القوى غير الخاضعة للرقابة على مدى فترة زمنية.

أفضل الممارسات لاختيار وتركيب الموسع بشكل صحيح

مطابقة نوع الموسع وملف القوة الخاص به مع مادة الأنبوب وسماكة جداره

يتعلق اختيار الموسّع المناسب في الواقع بتوحيد مقدار القوة التي يُطبّقها مع القدرة الميكانيكية التي يمكن أن يتحمّلها الأنبوب. فأنابيب الفولاذ تمتلك مقاومة شدٍّ أعلى بكثير مقارنةً بأنابيب النحاس أو البولي فينيل كلورايد (PVC)، وبالتالي فهي قادرة على تحمل قوة توسع شعاعي أكبر. لكن لا تنسَ أيضًا سماكة الجدار، لأنها تلعب دورًا كبيرًا جدًّا في هذا السياق كله. أما بالنسبة لأنظمة التكييف والتبريد (HVAC) ذات الجدران الرقيقة أو تطبيقات الأنابيب الصناعية الأخف وزنًا، فإننا نحتاج عمومًا إلى الحفاظ على نسب التوسع منخفضة لتفادي مشكلات مثل الانثناء (التقوس) أو التشوه البيضاوي. وبالحديث عن المواد: يصبح البولي فينيل كلورايد (PVC) هشًّا جدًّا عندما تنخفض درجات الحرارة دون ٤٠ درجة فهرنهايت (أي ما يعادل حوالي ٤ درجات مئوية). واستخدام الموسِّعات الهوائية التي تعمل بضغط يتجاوز ٨٠٠ رطل لكل بوصة مربعة (psi) مع أنابيب PVC يزيد فعليًّا من احتمال انتشار الشقوق عبر المادة. أما النحاس فيسلك سلوكًا مختلفًا؛ إذ إنه أكثر ليونةً، ما يسمح بإنزاح أكبر دون حدوث تلف عند استخدام الموسِّعات الميكانيكية. وعند العمل على أي مشروع، تأكَّد من التحقُّق من عدة عوامل معًا: الدرجة المحددة لمادة الأنبوب المستخدمة، وتفاصيل جدول سماكة الجدار (Wall Schedule)، وأي مواصفات عزم الدوران (Torque Specs) التي يوصي بها المصنِّع. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة حول الوصلات الملحومة، حيث إن الإجهادات المتبقية من عملية اللحام قد تجعل الأنابيب أكثر عرضةً للتشوُّه تحت الضغط.

تجنب التوسع المفرط: حساب حدود الإزاحة الآمنة وفقًا لمعيار ASME B31.1/B31.9

يظل التوسع المفرط السبب الرئيسي لفشل الوصلات في الأنظمة الخاضعة للضغط. ويحدد معيار ASME B31.1 (الأنابيب المستخدمة في أنظمة الطاقة) وB31.9 (الأنابيب المستخدمة في خدمات المباني) أقصى توسع مسموح به استنادًا إلى نوع المادة ودرجة الحرارة والهندسة الهندسية. ويساعد معايرة أجهزة التوسيع وفقًا لهذه الحدود في ضمان بقاء التشوه ضمن النطاق المرن، وتفادي التشوه الدائم أو التشققات المجهرية:

التحقق بعد التوسع أمرٌ بالغ الأهمية: ويجب أن تؤكِّد قياسات الملف الشخصي بالليزر أن القطر الداخلي (ID) يظل ضمن مدى ±0.5% من القيمة الاسمية. وأي انحرافات تتجاوز هذه العتبة تزيد من خطر التسرب تحت تأثير الأحمال الحرارية المتكرِّرة.

استراتيجيات الدعم والتثبيت لحماية الأنابيب المحيطة بمُوسِّعات التمدد

التوزيع الاستراتيجي للمثبتات، والموجهات، ودعائم الانزلاق لامتصاص الحركة الناتجة عن الموسِّعات

في الواقع، تُعَالِج أنظمة الدعم الجيدة الحركة الحرارية طوال العملية الكاملة لاستخدام أجهزة التوسيع، وليس فقط كقيود سلبية، بل وتوزِّع القوى بنشاط عبر النظام. وتتولى المراسي قوة الدفع الناتجة عن الضغط وتحوِّل أي حركة محورية عند تلك النقاط الثابتة. أما الموجهات فتقيِّد الحركة الجانبية مع السماح في الوقت نفسه ببعض الحركة إلى الأمام/الخلف. وتوجد دعائم الانزلاق لمعالجة التغير في الموضع المتوقع من خلال أسطحها ذات الاحتكاك المنخفض، وعادةً ما تُركَّب على مسافة تتراوح بين ٤ و١٠ أقطار لأنابيب من الوصلات ومناطق التوسع. وتعمل هذه المكونات الثلاثة معًا بكفاءة عالية لمعالجة المشكلات الرئيسية التي يواجهها المهندسون في الموقع: تراكم الإجهادات عند نقاط اللحام، والوصلات التي تخرج عن المحاذاة، وأنابيب التي تنثني جانبيًّا تحت الضغط.

يتطلب تحديد الموضع الصحيح النظر في معدلات التمدد الحراري جنبًا إلى جنب مع طريقة ترتيب النظام ككل، بدلًا من الاعتماد على تقديرات تقريبية للمسافات. وتُستخدم الدعامات الأساسية لمنع الانحناء وضمان استقامة جميع العناصر عند التعامل مع وزن المكونات نفسها. أما الدعامات الثانوية فتلعب دورها في تقليل الاهتزازات والتحكم في الترددات الرنينية المزعجة. كما أن بطانات العزل الموجودة داخل أجهزة التثبيت تؤدي غرضًا عمليًّا حقيقيًّا أيضًا: فهي تمنع احتكاك الأجزاء المعدنية ببعضها مباشرةً، مما يسمح بحركة حرة على طول المحور مع الحفاظ في الوقت نفسه على التحكم في القوى الناتجة عن التمدد. أما عند النقاط الثابتة التي لا يُسمح فيها مطلقًا بأي حركة — مثل مداخل المضخات أو شفاه الصمامات — فإننا نستخدم دعامات غير قابلة للضبط لتثبيت كل شيء بإحكام تام. لكن قد تتطلب بعض الحالات إجراء تعديلات ميدانية، ولذلك يوفّر المصنعون إصدارات قابلة للتعديل دون الإضرار بالأداء الكلي للنظام. وتُظهر الخبرة الصناعية أنَّ التنسيق السليم بين جميع هذه العناصر يؤدي إلى توزيع الإجهادات الميكانيكية والحرارية على النظام بأكمله. وقد أثبت هذا النهج الهندسي أنه يطيل عمر المعدات بشكلٍ ملحوظ، حيث تشير سجلات الصيانة إلى تحسُّنٍ بنسبة تقارب ٧٠٪ مع مرور الزمن.

أسئلة شائعة

ما أهمية التمدد الحراري في أنظمة الأنابيب؟

يؤدي التمدد الحراري دورًا حاسمًا في أنظمة الأنابيب، إذ يمكن أن يتسبب في تمدد أو انكماش الأنابيب بشكل كبير مع تغيرات درجة الحرارة، مما يؤدي إلى نقاط إجهاد، وانحراف في المحاذاة، واحتمال حدوث فشل هيكلي.

لماذا تكون مادة البولي فينيل كلوريد (PVC) أكثر عرضةً للتمدد الحراري مقارنةً بالفولاذ؟

تتمتع مادة البولي فينيل كلوريد (PVC) بمعامل تمدد حراري أعلى من الفولاذ، ما يجعلها تتمدد بنسبة تقارب خمسة أضعاف النسبة التي يُظهرها الفولاذ تحت نفس تغير درجة الحرارة. وقد يؤدي هذا إلى آثار تمدد أكثر وضوحًا في أنابيب PVC، لا سيما في الظروف ذات درجات الحرارة المرتفعة.

ما الطرق المستخدمة لتخفيف آثار التمدد الحراري في الأنابيب؟

يتمثل أحد الأساليب الرئيسية لإدارة وتخفيف آثار التمدد الحراري في اختيار الموسّعات المناسبة بدقة، وملاءمة نوع الموسع لمادة الأنبوب وسماكة جداره، وكذلك في وضع أنظمة الدعم والتثبيت بشكل استراتيجي.

كيف يمكن تجنّب التمدد الزائد في الأنظمة المشغَّلة تحت ضغط؟

وبالالتزام بالإرشادات مثل ASME B31.1/B31.9، ومعايرة أجهزة التوسيع وفقًا لحدود المواد ودرجة الحرارة المحددة، يمكن تجنُّب التوسيع المفرط، مما يضمن بقاء التشوه ضمن النطاق المرن.