في مجال نقل السوائل، تُستخدم المضخات متعددة المراحل على نطاق واسع في الصناعات الرئيسية، مثل البتروكيماويات، وترشيد استهلاك المياه، والطاقة، والتعدين، لما تتميز به من مزايا أساسية، مثل ارتفاع الضغط ومعدل التدفق العالي. وباعتبارها المكون الأساسي الذي يتحمل الضغط وينقل السوائل في المضخات متعددة المراحل، فإن سلامة هيكل المضخة ودقته البعدية وأداء مواده تحدد بشكل مباشر كفاءة تشغيلها وموثوقيتها وعمرها الافتراضي. وتتطلب عملية الصب، باعتبارها المسار التقني الرئيسي لتصنيع هياكل المضخات، تحكمًا دقيقًا في جميع مراحل العملية، بما في ذلك اختيار المواد، وتصميم القالب، والصهر والصب، والمعالجة الحرارية، والفحص اللاحق، وذلك لتلبية المتطلبات الصارمة للمضخات متعددة المراحل في ظل ظروف عمل معقدة.
1. اختيار المواد اللازمة لصب جسم المضخة للمضخات متعددة المراحل: الفرضية الأساسية لتلبية متطلبات ظروف العمل
غالبًا ما تكون بيئة عمل جسم المضخة متعددة المراحل مصحوبة بضغط عالٍ، وتآكل السوائل بسرعة عالية، وتآكل متوسط (مثل المحاليل الحمضية والقلوية، والسوائل التي تحتوي على جسيمات صلبة)، وتغيرات دورية في درجة الحرارة. لذلك، يجب مراعاة ثلاثة مؤشرات أساسية عند اختيار المواد: الخواص الميكانيكية، ومقاومة التآكل، وقابلية التكيف مع العمليات، لتجنب حدوث عيوب مثل التشقق أو التآكل أو تسرب جسم المضخة نتيجة اختيار غير مناسب للمواد.
من منظور التطبيقات الصناعية، يُعدّ الحديد الزهر الرمادي الأكثر استخدامًا في المضخات متعددة المراحل لنقل المياه النظيفة والوسائط منخفضة الحرارة والضغط، نظرًا لأدائه الممتاز في الصب، وامتصاصه للصدمات، ومزاياه من حيث التكلفة. من بينها، يُمكن لـ اتش تي 250 وHT300، بقوى شد تصل إلى 250 ميجا باسكال و300 ميجا باسكال على التوالي، تلبية متطلبات معظم التطبيقات المدنية والصناعية الخفيفة. ومع ذلك، يُعدّ الحديد المطيل الخيار الأمثل للمضخات متعددة المراحل الصناعية التي تنقل وسائط عالية الحرارة (أكثر من 200 درجة مئوية) وعالي الضغط (أكثر من 10 ميجا باسكال) مثل مُكثّفات البخار والزيت الساخن. لا يمتلك كيو تي 450-10 وQT500-7 قوة تُقارب قوة الفولاذ فحسب، بل يُعزز هيكلهما الكروي المصنوع من الجرافيت بشكل كبير من متانة المادة ومقاومتها للتعب، مما يُقاوم بفعالية الأحمال الدورية الناتجة عن نبضات السوائل.
في ظروف العمل المسببة للتآكل، يصبح استخدام مواد سبائك خاصة أمرًا بالغ الأهمية. عند نقل مواد تآكلية قوية تحتوي على أيونات الكلوريد والكبريتيدات، إلخ، يمكن للفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316L تحقيق مقاومة ممتازة للتآكل بفضل الغشاء السلبي المُكوّن من عناصر الكروم والنيكل. من بينها، يتميز الفولاذ 316L، مع إضافة الموليبدينوم، بمقاومة أفضل بكثير للتآكل الحفري والشقوق مقارنةً بالفولاذ 304، وهو مناسب للتطبيقات في الصناعات الكيميائية وتحلية مياه البحر وغيرها. في البيئات الحمضية والقلوية عالية التركيز، يجمع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (مثل 2205) ذو البنية ثنائية الطور من الفريت والأوستينيت بين القوة العالية ومقاومة التآكل، ويمكنه تلبية متطلبات التشغيل المستقر طويل الأمد لأجسام المضخات في الظروف القاسية.
ثانيًا: تصميم قالب الصب: الخطوة الأساسية لضمان دقة هيكل جسم المضخة
بنية المضخة متعددة المراحل معقدة، إذ تتضمن قنوات تدفق متعددة متصلة على التوالي، وتجويفات للمكره، وأسطح مانعة للتسرب في الداخل. يجب أن تحافظ قنوات التدفق في المراحل المختلفة على محوريتها وتعامدها؛ وإلا، ستُسبب دوامات في جسم المضخة، وتزيد من الخسائر الهيدروليكية، بل وقد تؤدي إلى اهتزازها. لذلك، ينبغي أن يهدف تصميم قالب الصب إلى محاكاة دقيقة للهيكل وتحسين عملية الملء، مع التركيز على تجاوز الصعوبات التقنية التالية.
فيما يتعلق بتصميم هيكل القالب، تتمثل الخطوة الأولى في تخطيط سطح الفصل بناءً على النموذج ثلاثي الأبعاد لجسم المضخة، مع ضمان تجنبه مناطق الدقة الحرجة، مثل سطح الختم وسطح وصلة الشفة، مما يقلل من تأثير إزالة الوميض على دقة الأبعاد. بالنسبة لقنوات التدفق الداخلية المعقدة لجسم المضخة، ينبغي اعتماد عملية تجميع قلب رملي. تُقسّم قناة التدفق الكلية إلى عدة أنوية رملية قابلة للتصنيع بشكل منفصل (مثل قلب رمل قناة التدفق للمرحلة الأولى وقلب رمل قناة التدفق للمرحلة الثانية)، وتُثبّت دبابيس تحديد المواقع وفتحات تحديد المواقع على أنوية الرمل لضمان التحكم في خطأ محورية قناة التدفق بعد التجميع في حدود 0.1 مم/م. في الوقت نفسه، يجب تصميم القالب بشكل معقول مع نظام بوابات ورافعات: يجب أن يتجنب موقع البوابة مناطق تركيز الإجهاد في جسم المضخة (مثل جذر الشفة)، ويجب استخدام بوابات سفلية أو متدرجة لضمان امتلاء المعدن المنصهر بالقالب بسلاسة، وتجنب تأثيره على قالب الرمل الذي قد يتسبب في تشوهات الرمل وثقوب الرمل. يجب وضع الرافعات في الجزء الأكثر سمكًا من جدار جسم المضخة (مثل شفة جسم المضخة وتقاطع قنوات التدفق) لمنع تجاويف الانكماش والمسامية داخل الصب أثناء التغذية، مما يضمن كثافة الأجزاء المهمة من جسم المضخة.
فيما يتعلق باختيار مواد القالب ومراقبة دقة المعالجة، يُصنع جسم القالب (مثل صندوق الرمل ولوحة قاعدة القالب) عادةً بلحام صفائح فولاذية Q235، ويجب التحكم بدقة في استواءه ضمن 0.05 مم/م من خلال معالجة ماكينة الطحن. لإنتاج نوى الرمل، يجب اختيار العملية المناسبة بناءً على متطلبات الدفعة. للإنتاج بكميات صغيرة، يمكن استخدام عملية تصنيع نوى الرمل الراتنجي يدويًا، بينما للإنتاج بكميات كبيرة، تُفضل عمليات تصنيع نوى صندوق الرمل الساخن والبارد. يجب الحفاظ على تفاوت حجم نوى الرمل ضمن ±0.1 مم باستخدام معدات آلية. بالإضافة إلى ذلك، يجب تركيب قنوات عادم في القالب لطرد الغازات بسرعة من التجويف أثناء عملية ملء المعدن، مما يمنع احتباس الغاز وتكوين عيوب المسامية. بشكل عام، يجب توفير فتحة عادم واحدة بقطر 2-3 مم لكل 100 سم² من سطح قالب الرمل، ويجب أن تمتد فتحات العادم إلى سطح قالب الرمل لضمان إخراج الغاز بسلاسة.
ثالثًا. عملية الصهر والصب: الخطوات الأساسية لتحديد الجودة الجوهرية لجسم المضخة
تؤثر جودة المعدن المنصهر أثناء الصهر بشكل مباشر على التركيب الكيميائي ونقاءه وخواصه الميكانيكية، بينما تُحدد عملية الصب مدى قدرة المعدن المنصهر على ملء تجويف القالب بالكامل. ويشكلان معًا طبقة حماية داخلية لجسم مضخة الصب متعددة المراحل.
في مرحلة الصهر، من الضروري صياغة معايير عملية صهر متمايزة بناءً على نوع المادة. بالنسبة لمواد الفولاذ المصبوب، تُستخدم عادةً أفران الحث متوسطة التردد للصهر، ويجب التحكم في درجة حرارة الصهر ضمن نطاق 1600-1660 درجة مئوية. في هذه الأثناء، تُضاف عناصر سبائكية مثل الفيروسيليكون والفيرومنغنيز لضبط التركيب الكيميائي ومنع زيادة هشاشة المسبوكات أو انخفاض متانتها نتيجةً لتقلبات التركيب. خلال عملية الصهر، يلزم أيضًا إزالة الخبث وإزالة الغازات. بإضافة عوامل التخبث، يمكن امتصاص الشوائب الموجودة في المعدن المنصهر.
يكمن جوهر عملية الصب في التحكم في درجة حرارة الصب وسرعته لضمان ملء المعدن المنصهر بسلاسة. ونظرًا لارتفاع درجة انصهار الفولاذ المقاوم للصدأ، يجب رفع درجة حرارة الصب إلى 1550-1600 درجة مئوية. يجب تعديل سرعة الصب ديناميكيًا وفقًا لسمك جدار جسم المضخة. بالنسبة للمناطق ذات الجدران الرقيقة التي يتراوح سمكها بين 5 و10 مم، يجب اعتماد سرعة صب أسرع (15-20 كجم/ثانية) لمنع التصلب المبكر للمعدن المنصهر أثناء عملية الملء. أما المناطق ذات الجدران السميكة التي يزيد سمكها عن 30 مم، فيجب تقليل السرعة بشكل مناسب (5-10 كجم/ثانية) لتقليل احتباس الغاز. بالإضافة إلى ذلك، يجب الحفاظ على ارتفاع مستوى سائل المعدن المنصهر باستمرار أثناء عملية الصب لتجنب انقطاع التدفق، مما يضمن ملء جميع أجزاء تجويف القالب بالكامل.
رابعًا: عملية المعالجة الحرارية: وسيلة ضرورية لتحسين الأداء الميكانيكي للمضخات
بعد الصب، غالبًا ما يواجه جسم المضخة متعددة المراحل مشاكل مثل تركيز الإجهاد الداخلي وعدم تناسق بنيته. في حال عدم إجراء معالجة حرارية، لن يؤثر ذلك على الخواص الميكانيكية لجسم المضخة فحسب، بل قد يُسبب أيضًا تشوهًا أو تشققًا نتيجةً لتحرر الإجهاد أثناء المعالجة أو الاستخدام اللاحق. لذلك، ينبغي صياغة عملية معالجة حرارية علمية بناءً على نوع المادة ومتطلبات الأداء لتحقيق هدف تخفيف الإجهاد الداخلي، وتحسين البنية الدقيقة، وتحسين الخواص الميكانيكية.
ينبغي أن تركز المعالجة الحرارية لأجسام مضخات الفولاذ المقاوم للصدأ على التوازن بين مقاومة التآكل والخواص الميكانيكية. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مثل 304 و316L، تُعدّ المعالجة بالمحلول العملية الأساسية - حيث يُسخّن المصبوبات إلى 1050-1100 درجة مئوية، ويُترك لمدة ساعة إلى ساعتين، ثم يُخمّد بسرعة في الماء لضمان ذوبان الكربون بالكامل في المصفوفة الأوستنيتية، مما يمنع ترسب الكربيد عند حدود الحبيبات، وبالتالي الحفاظ على مقاومة المادة للتآكل. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205، يلزم إجراء عملية حل " + الشيخوخة. تُتيح المعالجة بالمحلول الحصول على بنية مزدوجة موحدة، كما تُعزز معالجة الشيخوخة (الحفاظ على درجة حرارة 450-550 درجة مئوية لمدة ساعتين إلى ثلاث ساعات) المتانة عن طريق ترسيب المركبات بين الفلزات، مما يُلبي متطلبات ظروف العمل عالية الضغط.
V. فحص الجودة وإصلاح العيوب: خط الدفاع الأخير لضمان أن جسم المضخة يلبي المعايير قبل مغادرة المصنع
نظرًا لكونه مكونًا يتحمل الضغط، قد يؤدي هيكل المضخة متعددة المراحل إلى تسرب السائل أثناء التشغيل، بل وحتى إلى حوادث سلامة نتيجة عيوب في الجودة، مثل الشقوق والمسام وتجاويف الانكماش. لذلك، ينبغي إنشاء نظام شامل لفحص الجودة لإجراء فحص دقيق لمظهر وأبعاد وجودة هيكل المضخة الداخلية، وإجراء إصلاحات موحدة للعيوب المحددة المكتشفة.
يُعد فحص المظهر والأبعاد خطوتين أساسيتين في مراقبة الجودة. لفحص المظهر، يجب استخدام الفحص البصري مع اختبار الاختراق (العلاج الطبيعي)، مع التركيز على التحقق من وجود شقوق، أو ثقوب رملية، أو شوائب خبث، أو أي عيوب أخرى على سطح جسم المضخة. يكشف اختبار الاختراق عن عيوب الفتحات السطحية، بحساسية تصل إلى 0.1 مم. لفحص الأبعاد، يجب استخدام أداة قياس ثلاثية الإحداثيات لقياس الأبعاد الرئيسية، مثل قطر الحافة، ومحورية قناة التدفق، واستواء سطح الختم لجسم المضخة، لضمان استيفاء التفاوتات البعدية لمتطلبات التصميم.
يُعد فحص الجودة الداخلي أساس ضمان التشغيل المستقر طويل الأمد لهيكل المضخة. يُستخدم اختبار الموجات فوق الصوتية (جامعة تكساس) للكشف عن عيوب الحجم، مثل تجاويف الانكماش والمسامية داخل هيكل المضخة، وهو قادر على تحديد العيوب الداخلية بعمق ≥ 2 مم، ويغطي نطاق الكشف كامل اتجاه سمك هيكل المضخة. أما بالنسبة للمناطق الحرجة (مثل جذر الشفة وتقاطع قنوات التدفق)، فيُطلب أيضًا اختبار التصوير الشعاعي (آر تي). من خلال اختراق الإشعاع للصب وتكوين صورة، يُمكن تحديد العيوب الخطية بدقة، مثل الشقوق والشوائب الداخلية، مما يضمن أن الكثافة الداخلية لهيكل المضخة تلبي المتطلبات القياسية.
بالنسبة للعيوب البسيطة التي تم العثور عليها أثناء التفتيش (مثل المسام التي يبلغ قطرها ≤ 2 مم والشقوق الدقيقة بطول ≤ 5 مم)، يمكن اعتماد عملية إصلاح اللحام النقطي، ولكن يجب التحكم في عملية الإصلاح بشكل صارم: قبل اللحام النقطي، يجب طحن المنطقة المعيبة وتنظيفها لفضح لون المعدن الأصلي؛ يجب أن تكون مادة اللحام من نفس تكوين مادة جسم المضخة (على سبيل المثال، يجب أن تستخدم أجسام المضخات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أقطابًا من الفولاذ المقاوم للصدأ من نفس المادة)؛ بعد اللحام النقطي، يجب إجراء المعالجة الحرارية المحلية للقضاء على إجهاد اللحام النقطي، ويجب إجراء إعادة التفتيش للتأكد من أن جودة المنطقة التي تم إصلاحها تلبي المعايير.
السادس. الخاتمة
يُعدّ تصنيع هياكل المضخات متعددة المراحل بالصب مشروعًا منهجيًا يجمع بين علوم المواد، وهندسة القوالب، وتقنيات المعالجة الحرارية، وفحص الجودة. يؤثر التحكم الدقيق في كل وصلة بشكل مباشر على الأداء التشغيلي وموثوقية سلامة مجموعة المضخات. مع التزايد المستمر في الطلب على المضخات متعددة المراحل ذات الرفع العالي، والكفاءة العالية، وعمر الخدمة الطويل في المجال الصناعي، يجب أيضًا تطوير تقنية الصب لتحقيق دقة وكفاءة أعلى، ومراعاة أكبر للبيئة - على سبيل المثال، من خلال تحسين معاملات الصهر والصب باستخدام تقنية المحاكاة العددية لتقليل تكاليف التجربة والخطأ؛ واستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع نوى رملية معقدة لتحسين دقة قنوات التدفق؛ وتعزيز عمليات المعالجة الحرارية منخفضة استهلاك الطاقة لتقليل استهلاك الطاقة أثناء عملية الإنتاج. لا يمكن تحسين مستوى جودة هياكل المضخات متعددة المراحل المصبوبة باستمرار إلا من خلال الترويج المستمر للابتكار التكنولوجي وتطوير العمليات، مما يوفر ضمانًا قويًا لاستقرار التشغيل في مجال نقل السوائل.