الخطر الكامن في البخار الرطب: كيف تؤثر المياه المُحمَّلة على أداء صمامات الأمان

غلايتك تمرّ في الفحص بنجاح. مقياس الضغط: طبيعي. ومقياس الحرارة: طبيعي. وعداد التدفق: طبيعي. ثلاثة أجهزة قياس، ولا عطل في أيٍّ منها.

لكن البخار الخارج من غلايتك ربما لم يكن جافًّا تمامًا منذ البداية.

في الظروف التشغيلية النموذجية، يتراوح معامل جفاف البخار بين ٠٫٩٥ و٠٫٩٨ — ما يعني أن كل طن متري من البخار يحمل ٢٠ إلى ٥٠ كجم من الماء المختلط. ولا يمكن لمقياس الضغط أو مقياس الحرارة اكتشاف ذلك. لكن عندما يصل هذا الماء إلى صمام الأمان ، فإن العواقب تمتد بعيدًا عن مجرد انخفاض إنتاجية مبادل الحرارة.

محمول بنابض صمام الأمان (قطر داخلي ١٠٠/١٥٠ مم، ضغط تشغيل اسمي ٢٥/١٦ بار) في منشأة تصنيع. وتتحكم النابض في قوة إعادة الإغلاق، ويتأثر مباشرةً بخدمة البخار الرطب.

تتناول هذه المقالة تأثير الرطوبة المُحمَّلة على صمامات التفريغ الضاغطي، استنادًا إلى المعايير المنشورة والنتائج التنظيمية والبيانات التجريبية.

1. صمامات الأمان مُصنَّفة للعمل مع البخار الجاف — لكن بخار الغلايات غالبًا لا يكون جافًّا تمامًا

صمام الأمان ويستند اعتماد السعة إلى البخار المشبع الجاف. ووفقًا لمتطلبات جمعية الهندسة الميكانيكية الأمريكية (ASME) والهيئة الوطنية لفحص الغلايات (National Board)، فإن سعة الاعتماد المُسجَّلة على الصمام تُعبَّر عنها بالرطل (أو الكيلوجرام) من البخار المشبع في الساعة. أما طريقة معامل التصريف فتستخدم معادلات التدفق النظرية التي وُضِعت لظروف البخار الجاف.

وبالتطبيق العملي، فإن بخار الغلاية عند ظروف التشغيل المُصنَّفة يمتلك عادةً معامل جفاف يتراوح بين ٠,٩٦ و٠,٩٧ فقط. فعلى سبيل المثال، تحدّد المعايير الصينية للغلايات محتوى الرطوبة في البخار المشبع بنسبة ٣٪ كحد أقصى للغلايات ذات الأنابيب المائية، و٤٪ كحد أقصى للغلايات الأسطوانية — وهي نسب تقابل معاملي جفاف قدرهما ٠,٩٧ و٠,٩٦ على التوالي.

وبالتالي، هناك فجوة بين الظروف المعتمدة والظروف الميدانية: فالصمام مُصنَّف لوسيلة نادراً ما توجد بالضبط كما ورد في المواصفات.

وعندما تنخفض النسبة إلى ٠,٩٥، يحمل كل طن متري من البخار ٥٠ كجم من الماء. ويصل هذا الماء إلى صمام الأمان المدخل ويغيّر أداء الصمام.

٢. التدفق ثنائي الطور: عدم تأكيد معروف

وعندما يفتح صمام الأمان ويُفرِّغ خليطاً من البخار والماء، يكون نظام التدفق ثنائي الطور. وهذه ليست حالة حدية — بل هي تحدي هندسي معترف به لا توجد له طريقة حسابية مُوثَّقة بالكامل.

ويتناول الملحق دال من توصية المعهد الأمريكي للبترول رقم ٥٢٠ (API RP 520) حساب سعة الإفراغ ثنائي الطور، لكنه يشير إلى أن الموضوع لا يزال مثيراً للجدل: فلم تُوثَّق أي طريقة حسابية عبر الاختبارات، ولا توجد إجرائية معترف بها لاعتماد سعة الإفراغ ثنائي الطور.

الطُّرُقُ الحالية — نموذج التوازن المتجانس (HEM) ونموذج عدم التوازن المتجانس (HNE) — تعتمد على افتراضات تبسيطية. وتُظهر البيانات التجريبية أن نموذج HEM قد يقلِّل من تقدير تدفق الكتلة في الظروف الفعلية. واضطر الباحثون إلى إدخال عوامل تصحيح تجريبية أعلى بكثير من معامل تفريغ الغاز لمواءمة النتائج التجريبية.

من الناحية العملية: إذا انخفض جفاف البخار عن ٠,٩٥، تصبح السعة الفعلية للصمام غير مؤكدة. فقد تتجاوز القيمة المُحدَّدة على اللوحة التعريفية، أو قد تكون أقل منها. وكل انحراف من هذين الانحرافين يشكِّل خطرًا على السلامة.

٣. تآكل القطرات: آلية تلف مزمنة

كثافة قطرات الماء تفوق كثافة البخار بعدة مئات المرات. وعندما تتسارع خليط البخار والماء عبر فراغات مقعد الصمام وقرصه، تتصرف تلك القطرات كجسيمات كاشطة.

نوع ذو طرف مُفلنج ومحمَّل بنابض صمام الأمان (الفئة ١٥٠، هيكل من سبائك الكربون الصلب WCB). ويتصل الفلنج الداخل عند نقطة دخول البخار الرطب، حيث تصطدم القطرات المحبوسة أول مرة بأسطح المقعد والقرص بسرعة عالية.

إن شركات تصنيع الصمامات الرئيسية تعترف الآن بهذا الأمر. وأصدرت شركة آي إم آي كريتيكال إنجينيرينغ نشرة فنية في عام ٢٠٢٤ تفيد بأن البخار الرطب يتسبب في تآكل الأجزاء الداخلية الحرجة للصمام (مثل القرص والمقعد)، ما يخلق مخاطر أمنية وقد يؤدي إلى انقطاعات غير مُخطَّط لها. وطوَّرت الشركة خطًّا منتجاتٍ مخصَّصًا يُسمى «إيرو سولف ويت ستيم»، وأفادت بتنفيذ أكثر من ٢٠٠ تركيبًا — مما يدل على أن تآكل البخار الرطب مشكلة تشغيلية متكررة.

بالنسبة للمشغلين: قد يتآكل صمامٌ يجتاز اختبارات القبول الخاصة بالبخار الجاف بشكل أسرع عند استخدامه مع البخار الرطب.

٤. عطل البقاء في وضع الفتح بعد التلامس مع الماء

وبينما يُعَد التآكل مصدر قلق مزمن، فإن عطل البقاء في وضع الفتح بعد التلامس مع الماء هو مصدر قلق حاد.

وثَّقت لجنة التنظيم النووي الأمريكية (NRC) ملاحظة تفيد بأن الصمامات ذات النابض المُصمَّمة لخدمة البخار، صمامات الأمان بعد خضوعها لتفريغ سائل، تظهر احتمالية أعلى من التقدير السابق (٣ × ١٠⁻²) في الالتصاق في وضع الفتح أو التسرب الشديد.

توضح تقييمات اللجنة التنظيمية النووية (NRC) أن هذه الاحتمال يفوق بكثير الرقم المذكور وهو ٣×١٠⁻٢. صمام الأمان وتشير مراجعتها الفنية لبيانات الاختبارات التي أجرتها معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) إلى أنه من أصل نحو ٢٦ اختبارًا مائيًّا، أدّى نحو ثلثها إلى اهتزاز القرص مقابل المقعد — إما مسببًا تلفًا داخليًّا أو مُستلزمًا إيقاف التشغيل يدويًّا خلال ثوانٍ لمنع حدوث ذلك.

المبدأ الحركي: صمام الأمان تعتمد هذه الصمامات على تمدُّد السائل أسفل القرص لتوليد قوة الرفع. ويتمدد البخار الجاف بسهولة، ما يولِّد رفعًا مستقرًّا. أما في حالة التدفق السائل أو ثنائي الطور عالي الرطوبة، فيتغيَّر سلوك التبخر اللحظي. وقد يهتز القرص، أو لا يصل إلى ارتفاع الرفع الكامل، أو — في أسوأ الحالات — يبقى مفتوحًا بعد أن كان من المفترض أن يعود إلى وضع الإغلاق.

مجموعة صمام أمان يعمل بالقائد (بدن مصنوع من حديد الزهر الرمادي وأنابيب قائد من الفولاذ المقاوم للصدأ). وتكتسب عملية العودة الموثوقة إلى وضع الإغلاق أهميةً خاصةً بسبب وجود القائد وخطوط الاستشعار؛ إذ قد تؤدي ظاهرة الاهتزاز أو الالتصاق الناجمة عن المياه في دائرة القائد إلى آثار متسلسلة.

الحوادث التاريخية ذات صلة هنا. فحادث وحدة جزيرة ثري مايل رقم ٢ (١٩٧٩) تضمَّن عطلًا في صمام التفريغ المُدار كهربائيًّا (PORV) بقي مفتوحًا، ما أدّى إلى تفريغ الماء وفشل إعادة إغلاقه. وعلى الرغم من أن صمامات التفريغ المُدارة كهربائيًّا تختلف عن الصمامات المحمَّلة بالزنبركات، صمامات الأمان إلا أن الفيزياء الأساسية — أي تفريغ الماء الذي يؤدي إلى عدم اعتمادية إعادة الإغلاق — لا تزال ذات صلة.

٥. الفجوة في المعايير

تُصدِّق أقسام ASME الأول والثامن صمام الأمان السعة استنادًا إلى البخار المشبع الجاف. وتتبع بيانات السعة الصادرة عن المجلس الوطني نفس الأساس.

والنتيجة هي عدم تطابق منهجي: إذ تُختار الصمامات للبخار الجاف، بينما تعمل فعليًّا على البخار الرطب.

ويوجد استثناء واحد فقط: إذ يسمح المعيار الروسي GOST 24570-81 — دون أن يفرض ذلك — بأخذ نسبة خليط البخار والماء في الاعتبار عند تحديد الأبعاد صمامات الأمان للمراجل التي تعمل بالماء الساخن والمبدِّدات الحرارية. ومع ذلك، لا تزال معظم السلطات المختصة والمشاريع تعتمد بشكل افتراضي على تحديد الأبعاد استنادًا إلى البخار الجاف.

٦. توصيات عملية لمشغِّلي المراجل

١. اطرح سؤال النقاوة. وعند تحديد مواصفات صمام الأمان لا تفترض أن كسر الجفاف يساوي ١٫٠.

٢. اضبط تدفق الماء قبل وصوله إلى الصمام. صمام الأمان أنابيب المدخل التي تتراكم فيها التكثفات ستُفرِّغ الماء عند الرفع. ويجب أن تعمل مصائد البخار بشكل سليم، كما يجب أن تبقى خطوط التصريف خاليةً من العوائق.

٣. اختر المواد مع مراعاة التآكل. فتتدهور مواد المقاعد القياسية بسرعة أكبر تحت تأثير اصطدام البخار الرطب. وينبغي النظر في استخدام مواد أشد لسطوح الإغلاق في حالات الخدمة بالبخار الرطب.

٤. قصِّر فترات الفحص. صمام الأمان قد يتعرض الصمام في حالات الخدمة بالبخار الرطب لتلف في المقعد بسبب الاصطدام المستمر بقطرات الماء، حتى دون رفعه. وينبغي اعتبار فترات الاختبار الموصى بها من قِبل اللجنة الوطنية للبنية التحتية للسفن (NBIC) الحد الأقصى المسموح به، وليس الهدف المرجو، في ظروف البخار الرطب.

الخلاصة

يحمل كل طن متري من البخار ما بين ٢٠ و٥٠ كجم من الماء عند كسور الجفاف النموذجية. ولا تكشف أجهزة قياس الضغط أو درجة الحرارة عن وجود هذا الماء.

يقلل ذلك الماء من إنتاجية مبادلات الحرارة. عند صمام الأمان يؤثر ذلك على دقة السعة، وعمر المقعد، وفي أسوأ الحالات على قدرة الصمام على العودة إلى وضع الإغلاق بعد الرفع.

هل تقيس مصنعك درجة جفاف البخار عند مخرج الغلاية؟ ما ضغط ودرجة حرارة البخار لديك؟ وهل يحدد عقد التوريد كسر الجفاف المطلوب؟

المراجع

• أساس اعتماد السعة: قياسات القسم الأول/الثامن من معيار ASME ومعايير المجلس الوطني (National Board) الخاصة بصمامات التفريغ للبخار المشبع.

• قيود تحديد الأحجام في التدفق ثنائي الطور: التوصية العملية API RP 520، الملحق دال — تحديد أحجام صمامات السلامة والتفريغ للتدفق ثنائي الطور.

• التقليل من تقدير تدفق النموذج المتجانس (HEM): الدراسات التجريبية المنشورة حول اختبار تدفق صمامات التفريغ ثنائية الطور.

• احتمال بقاء الصمام مفتوحًا: التقييم التقني الذي أجرته لجنة التنظيم النووي الأمريكية (U.S. NRC) لـ صمام الأمان الأداء أثناء تصريف السائل (مراجعة بيانات الاختبارات التي أجرتها مؤسسة أبحاث الطاقة الكهربائية EPRI).

• آلية التآكل: الأدبيات التقنية لمصنّعي الصمامات، بما في ذلك نشرة منتج EroSolve Wet Steam الصادرة عن شركة IMI Critical Engineering (2024).

• سياق حادثة محطة تري مايل آiland الوحدة ٢ (TMI-2): الوثائق التاريخية الصادرة عن لجنة التنظيم النووي الأمريكية (U.S. NRC) بشأن حادثة وحدة تري مايل آيلاند ٢.