حشية

يمكن تصنيع الحشيات عن طريق ثقب الشكل المطلوب من صفيحة من مادة مسطحة رقيقة، مما ينتج عنه حشيات صفائحية . تتميز الحشيات الصفائحية بسرعة إنتاجها وانخفاض تكلفتها، ويمكن تصنيعها من مجموعة متنوعة من المواد، من بينها المواد الليفية والجرافيت المتشابك ( وفي الماضي، الأسبستوس المضغوط ). تلبي هذه الحشيات متطلبات كيميائية مختلفة بناءً على خمول المادة المستخدمة. تتميز الحشيات الصفائحية غير المصنوعة من الأسبستوس بالمتانة، وتتكون من مواد متعددة، وتكون سميكة. من أمثلة المواد المستخدمة: المطاط المعدني، والكربوني، والمطاط الصناعي مثل EPDM، والنتريل، والنيوبرين، والمطاط الطبيعي، وSBR - ولكل منها خصائص فريدة تناسب تطبيقات مختلفة. ^{[ 3 ]} تشمل التطبيقات التي تستخدم الحشيات الصفائحية الأحماض، والمواد الكيميائية المسببة للتآكل، والبخار، أو المواد الكاوية الخفيفة. تمنع المرونة والقدرة الجيدة على استعادة الشكل الكسر أثناء تركيب الحشية الصفائحية. ^{[ 7 ]}

تعتمد فكرة استخدام المواد الصلبة على معادن لا يمكن تشكيلها من صفائح معدنية، ولكنها مع ذلك رخيصة الإنتاج. تتميز هذه الحشيات عمومًا بمستوى أعلى بكثير من مراقبة الجودة مقارنةً بالحشيات المصنوعة من الصفائح، كما أنها تتحمل درجات حرارة وضغوطًا أعلى بكثير. أما عيبها الرئيسي فهو ضرورة ضغط المعدن الصلب بشدة ليصبح مستويًا مع رأس الشفة ويمنع التسرب. كما أن اختيار المادة أكثر صعوبة؛ نظرًا لاستخدام المعادن بشكل أساسي، فإن التلوث أثناء التصنيع والأكسدة يشكلان خطرًا. ومن عيوبها أيضًا ضرورة أن يكون المعدن المستخدم أكثر ليونة من الشفة لضمان عدم انحنائها وبالتالي منع إحكام إغلاقها مع الحشيات اللاحقة. ومع ذلك، فقد وجدت هذه الحشيات مكانة مميزة لها في الصناعة.

تتكون الحشيات الحلزونية، التي اخترعها فليكسيتاليك عام 1912 ^{[ 8 ]} ، من مزيج من المعدن ومادة مالئة. ^{[ 9 ]} وعادةً ما تحتوي الحشية على معدن (عادةً ما يكون غنيًا بالكربون أو فولاذًا مقاومًا للصدأ ) ملفوف للخارج بشكل حلزوني دائري (مع إمكانية وجود أشكال أخرى)، بينما تُلف المادة المالئة (عادةً ما تكون جرافيتًا مرنًا) بنفس الطريقة ولكن بدءًا من الجانب المقابل. ينتج عن ذلك طبقات متناوبة من المادة المالئة والمعدن. تعمل المادة المالئة في هذه الحشيات كعنصر مانع للتسرب، بينما يوفر المعدن الدعم الهيكلي.

لقد أثبتت هذه الحشيات أنها موثوقة في معظم التطبيقات، لكنها لا تسمح بأحمال إحكام أقل لأن العنصر المعدني يحتاج إلى الضغط من أجل توفير إحكام فعال.

يتكون مانع التسرب ذو الضغط الثابت من عنصرين: حلقة حاملة صلبة مصنوعة من مادة مناسبة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ ، وعنصران مانعان للتسرب مصنوعان من مادة قابلة للانضغاط، مثبتان داخل قناتين متقابلتين، قناة على كل جانب من جوانب الحلقة الحاملة. عادةً ما تُصنع عناصر منع التسرب من مادة (مثل الجرافيت الموسع، أو البولي تترافلوروإيثيلين الموسع (PTFE)، أو الفيرميكوليت ، إلخ) مناسبة لسائل العملية والتطبيق.

تستمد حشيات التثبيت ذات الضغط الثابت اسمها من حقيقة أن شكل حلقة التثبيت يأخذ في الاعتبار دوران الشفة (الانحراف تحت تأثير شد البراغي). أما في جميع الحشيات التقليدية الأخرى، فعند شد مثبتات الشفة، تنحرف الشفة شعاعيًا تحت تأثير الحمل، مما يؤدي إلى أكبر ضغط وأعلى إجهاد للحشية عند حافتها الخارجية.

بما أن حلقة التثبيت المستخدمة في حشيات التثبيت ذات الإجهاد الثابت تأخذ هذا الانحراف في الحسبان عند تصميمها لحجم شفة معين، وفئة ضغط، ومادة محددة، فإنه يمكن تعديل شكل حلقة التثبيت لضمان توزيع إجهاد تثبيت الحشية بشكل موحد شعاعيًا على كامل منطقة منع التسرب. علاوة على ذلك، ولأن عناصر منع التسرب محصورة تمامًا بأسطح الشفة في قنوات متقابلة على حلقة التثبيت، فإن أي قوى ضغط تؤثر على الحشية أثناء التشغيل تنتقل عبر حلقة التثبيت، مما يمنع أي ضغط إضافي على عناصر منع التسرب، وبالتالي الحفاظ على إجهاد تثبيت ثابت للحشية أثناء التشغيل. وبذلك، تصبح الحشية محصنة ضد أنماط فشل الحشيات الشائعة، والتي تشمل استرخاء الزحف، والاهتزازات العالية للنظام، أو دورات النظام الحرارية.

إن المفهوم الأساسي الكامن وراء تحسين إمكانية منع التسرب لحشيات إجهاد التثبيت الثابت هو أنه (1) إذا كانت أسطح منع التسرب للشفة قادرة على تحقيق منع التسرب، (2) فإن عناصر منع التسرب متوافقة مع سائل العملية والتطبيق، و(3) يتم تحقيق إجهاد تثبيت الحشية الكافي عند التركيب اللازم لإحداث منع التسرب، فإن احتمال تسرب الحشية أثناء الخدمة يقل بشكل كبير أو يتم القضاء عليه تمامًا.

تُعدّ الحشيات ذات الغلاف المزدوج مزيجًا آخر من مواد الحشو والمواد المعدنية. في هذا التطبيق، يُصنع أنبوب معدني ذو نهايات على شكل حرف "C"، مع قطعة إضافية تُصنع لتناسب داخل حرف "C"، مما يجعل الأنبوب أكثر سمكًا عند نقاط الالتقاء. تُضخ مادة الحشو بين الغلاف والقطعة. عند الاستخدام، تحتوي الحشية المضغوطة على كمية أكبر من المعدن عند طرفي التلامس (نتيجة لتفاعل الغلاف مع القطعة)، ويتحمل هذان الموضعان عبء إحكام الإغلاق. بما أن المطلوب هو غلاف وقطعة فقط، يمكن تصنيع هذه الحشيات من أي مادة تقريبًا يمكن تشكيلها على هيئة صفائح، ثم إدخال مادة الحشو فيها. ^{[ 10 ]}

تُستخدم حشيات كامبروفايل (تُكتب أحيانًا "كامبروفايل" نظرًا لتصميمها الذي يُشبه شكل عمود الكامات، وهو جزء دوّار في محركات الاحتراق الداخلي. ^{[ 11 ]} ) في العديد من موانع التسرب القديمة نظرًا لمرونتها وأدائها الموثوق. تعمل حشيات كامبروفايل بفضل قلبها الصلب المُخدد المُغطى بطبقة ناعمة. يسمح هذا التصميم بضغط عالٍ جدًا دون إتلاف الحشية، مما يُؤدي إلى إحكام غلق ممتاز. على الرغم من ارتفاع تكلفة حشيات كامبروفايل في معظم التطبيقات، إلا أن ذلك يُعوَّض بعمرها الطويل وموثوقيتها العالية.

تسمح حشيات كامبروفايل بأحمال إحكام منخفضة، حيث يتشكل مانع التسرب بمجرد ضغط الغطاء المرن بالكامل. وبفضل الدعم الصلب الذي يوفره القلب المعدني، تتمتع هذه الحشيات بنطاق واسع للغاية من إجهاد الحشية المسموح به.

تُعدّ حشيات عظم السمكة بدائل مباشرة لحشيات كامبروفايل والحشيات الحلزونية. تُصنّع هذه الحشيات بالكامل باستخدام آلات CNC من مواد مماثلة، ولكن تصميمها يُعالج عيوبها المتأصلة. لا تنفك حشيات عظم السمكة أثناء التخزين أو في المصنع. كما أن حوافها الدائرية لا تُسبب أي تلف للشفة. وتمنع "خطوة التوقف" الإضافية ضغط حشيات عظم السمكة بشكل مفرط، وهو ما يحدث غالبًا عند استخدام تقنيات عزم الدوران الساخن أثناء بدء تشغيل المصنع. تحافظ عظام الحشية على مرونتها وتتكيف مع التغيرات الحرارية وارتفاعات ضغط النظام، مما ينتج عنه مانع تسرب متين وموثوق للشفة يتفوق بشكل ملحوظ على جميع الحشيات الأخرى من هذا النوع.

حشية الشفة هي نوع من الحشيات المصممة لتناسب بين قسمين من الأنابيب المتوهجة لتوفير مساحة سطح أكبر.

تأتي حشيات الشفة بأحجام متنوعة ويتم تصنيفها حسب قطرها الداخلي وقطرها الخارجي.

توجد معايير عديدة لتصنيع حشيات حواف الأنابيب. ويمكن تقسيم حشيات الحواف إلى أربع فئات رئيسية:

1. حشوات الصفائح
2. حشوات معدنية مموجة
3. حشوات حلقية
4. حشوات حلزونية

الحشيات الورقية بسيطة، يتم قصها حسب الحجم إما بفتحات براغي أو بدون فتحات للأحجام القياسية بسماكات ومواد مختلفة مناسبة للوسائط ودرجة الحرارة وضغط خط الأنابيب.

تُعرف الحلقات المطاطية أيضًا باسم RTJ. تُستخدم هذه الحلقات بشكل أساسي في خطوط أنابيب النفط والغاز البحرية ، وهي مصممة للعمل تحت ضغط عالٍ للغاية. تتكون من حلقات معدنية صلبة ذات مقاطع عرضية مختلفة، مثل البيضاوي والدائري والثماني الأضلاع، وغيرها. أحيانًا تحتوي على ثقب في مركزها لتفريغ الضغط.

تُستخدم الحشيات الحلزونية أيضًا في خطوط الأنابيب ذات الضغط العالي، وهي مصنوعة من حلقات خارجية وداخلية من الفولاذ المقاوم للصدأ ، ومركزها مملوء بشريط حلزوني من الفولاذ المقاوم للصدأ ملفوف معًا بالجرافيت ومادة PTFE ، على شكل حرف V. يؤثر الضغط الداخلي على سطحي حرف V، مما يجبر الحشية على إحكام الإغلاق على أسطح الشفة. تستخدم معظم تطبيقات الحشيات الحلزونية سماكتين قياسيتين: 1/8 بوصة و3/16 بوصة. مع الحشيات بسماكة 1/8 بوصة، يُنصح بضغطها إلى سماكة 0.100 بوصة. أما مع الحشيات بسماكة 3/16 بوصة، فيُنصح بضغطها إلى سماكة 0.13 بوصة.

الحشية المرنة مصطلح يُطلق على الحشية المصنوعة من مادة صفائحية مرنة، والتي تتكيف بسهولة مع تضاريس السطح حتى مع انخفاض قوة ربط البراغي. تُستخدم الحشيات المرنة في تطبيقات مثل المبادلات الحرارية ، والضواغط، وصمامات الغطاء، وشفاه الأنابيب.

يُعد مانع التسرب الحلقي (مانع تسرب RTJ) مانع تسرب عالي السلامة، وعالي الحرارة، وعالي الضغط، ويُستخدم في تطبيقات صناعة النفط، وحفر حقول النفط، ووصلات أوعية الضغط، والأنابيب، والصمامات، وغير ذلك.

يمكن وصف حركة حلقة منع التسرب (RTJ) بأنها تدفق غير منتظم في أخدود شفة منع التسرب المشوهة نتيجةً لحمل الضغط المحوري. تتميز حلقة منع التسرب الملونة (حلقة منع التسرب RTJ) بصغر مساحة التحميل، مما يؤدي إلى ضغط سطحي كبير بين سطح منع التسرب والأخدود، كما أن خصائص صيانتها ضعيفة وغير مناسبة لإعادة الاستخدام.

يمكن أن ينتج عدم انتظام الضغط عن عدة عوامل. أولها العامل البشري: تطبيق شد البراغي المسبق بشكل غير متماثل، مما قد يؤدي إلى عدم انتظام الضغط. نظريًا، عند ضغط الفلنجات، تكون أسطح منع التسرب متوازية تمامًا، ولكن عمليًا، لا يمكن أن يكون محور خط الأنابيب متمركزًا تمامًا، كما أن شد البراغي عند عزم الفلنجة يُحدث انقطاعًا فيها. مع الوصلات غير المتماثلة، تتشوه أسطح منع التسرب بدرجات متفاوتة، مما يقلل الضغط، وبالتالي يزيد الحمل التشغيلي، مما يزيد من احتمالية التسرب. ثالثًا، تؤثر كثافة ترتيب البراغي بشكل واضح على توزيع الضغط؛ فكلما كانت البراغي أقرب، كان الضغط أكثر انتظامًا.

أحكم ربط البراغي على الشفة. نتيجةً للاهتزازات وتغيرات درجة الحرارة وعوامل أخرى، مثل استرخاء إجهاد الحشية الحلزونية، سيقل شد البرغي تدريجيًا، مما يؤدي إلى فقدان عزم الدوران وحدوث تسريب. عمومًا، تُعد البراغي الأطول والأصغر قطرًا أفضل في منع فقدان عزم الدوران. يُعد استخدام برغي طويل رفيع طريقة فعالة لمنع فقدان عزم الدوران. كما أن تسخين البرغي لفترة معينة لتمديده، ثم الحفاظ على عزم دوران محدد، فعال جدًا في منع فقدان عزم الدوران. كلما كانت الحشية أرق وأصغر، زاد فقدان عزم الدوران. بالإضافة إلى ذلك، تجنب الاهتزازات القوية للآلة والأنبوب نفسه، واعزلهما عن اهتزازات المعدات المجاورة. لا يُستهان بالتأثيرات على سطح منع التسرب، إذ يُمكن تجنب صدم البراغي المُحكمة لمنع فقدان عزم الدوران.

من المهم إتقان عملية منع التسرب بشكل صحيح، وإلا سيحدث تسريب. فالسطح الأملس جدًا قد يسمح لمادة الحشية بالانفصال تحت الضغط. أما السطح غير المصقول فقد يُسبب مسارات للتسريب. يُنصح بصقل السطح بدقة تصل إلى 32 درجة RMS. هذا يضمن استواء السطح مع توفير خشونة كافية لتثبيت الحشية بإحكام تحت الضغط.

في الحشيات المطلية بقلب معدني، يُغطى كلا جانبي القلب بمادة مانعة للتسرب مرنة وقابلة للتشكيل. تتوفر حشيات معدنية معززة في فئة الضغط حتى 300. يمنع القلب المعدني القوي تسرب الضغط، بينما يضمن القلب المرن إحكامًا استثنائيًا.