تحليل الموثوقية والانفصال غير الطبيعي لعمل الصمامات المتسربة
تُعدّ خاصية "السقوط" في مصهر التسرب جوهر تصميمه الوظيفي، ولكن حدوث انخفاضات غير متوقعة أثناء التشغيل يُعدّ مصدر قلق رئيسي لموظفي العمليات. تُحلل هذه المقالة الظروف الحدية للتشغيل العادي والانفصال غير الطبيعي من منظور التوازن الميكانيكي وعطل المادة، وتقترح استراتيجيات للتحكم التقني.
1. الآلية الميكانيكية للحركات العادية
تشغيل قاطع الدائرة والفتح الميكانيكي
1. عتبة كسر المصهور:
يتعرض المصهور (سبائك النحاس والفضة) لكسر انتقالي طوري بسبب تراكم حرارة جول تحت الحمل الزائد أو تيار قصر الدائرة. يُلبي تيار المصهر الحرج المتطلبات التالية:
𝐼=𝐾⋅𝑆⋅√𝑡
من بينها، 𝐾 هو ثابت المادة (حوالي 1350 أمبير/ثانية -189 مم² لسبائك النحاس والفضة)، وS هي مساحة المقطع العرضي للمصهور، وt هو زمن العمل.
٢. ديناميكيات تحرير الزنبرك:
يُطلق زنبرك الضغط (قوة شد مسبقة تتراوح بين ٥٠ و٨٠ نيوتن) طاقة بعد كسور الانصهار، مما يدفع أنبوب الانصهار إلى الانفصال عن نقطة التلامس الساكنة بتسارع يتراوح بين ٣ و٥ م/ث². تتطلب هذه العملية التغلب على قوة التنافر الكهربائي (F=٠.٥L ′ I²) وقوة الاحتكاك (معامل الاحتكاك بين ٠.١٥ و٠.٢٥) بين نقطتي التلامس.
السقوط الاتجاهي بمساعدة الجاذبية
صُممت زاوية الميل بين أنبوب الانصهار والمحور الرأسي لتكون بين ٣٠ درجة و٤٥ درجة. بعد كسور الانصهار، ينزاح مركز ثقل أنبوب الانصهار، مُشكلاً عزم دوران:
M=mg⋅l⋅sinθ
من بينها، m هي كتلة أنبوب الانصهار (حوالي ٢-٥ كجم)، l هي مسافة إزاحة مركز الثقل (٠.١-٠.٣ م)، وθ هي زاوية الميل. عندما يتجاوز عزم الدوران عزم مقاومة العمود (2-5 نيوتن متر)، يُكمل أنبوب الصهر انخفاضًا اتجاهيًا بزاوية 60-75 درجة، مُشكلًا كسرًا واضحًا.
2. الأسباب النموذجية للانفصال غير الطبيعي
عطل ميكانيكي في الهيكل
1. إجهاد الزنبرك: عندما ينخفض معامل صلابة الزنبرك بأكثر من 15% بعد أكثر من 200 عملية، فإن قوة التحميل المسبق غير الكافية تؤدي إلى عدم انسياب التيار.
2. انحشار العمود: يؤدي شيخوخة شحم التشحيم (اختراق <200 مم/10) أو تسرب الرمل والغبار (حجم الجسيمات>50 ميكرومتر) إلى تجاوز عزم مقاومة العمود للقيمة التصميمية (>8 نيوتن متر).
عدم تطابق المعلمات الكهربائية
1. اختيار خاطئ للصهر: عندما يتجاوز التيار المُصنّف للصهر ثلاثة أضعاف تيار الحمل، قد يُسبب تيار الحمل الطبيعي اهتزازًا حراريًا (تردد 10-20 هرتز)، مما يؤدي إلى ارتخاء ميكانيكي.
٢. مقاومة تلامس زائدة: عندما تكون مقاومة تلامس نقطة التلامس أكبر من ٥٠٠ ميكرو أوم، يُسبب تسخين جول (Q=I²Rt) كربنة موضعية لأنبوب راتنج الإيبوكسي، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة الهيكل بأكثر من ٥٠٪.
تأثير التداخل البيئي
١. تأثير قوة الرياح: تُولّد قوة الرياح التي تزيد سرعتها عن ٦ (>١٠.٨ م/ث) قوة ديناميكية هوائية (Α𝑤=٠.٥ 𝜌𝑣 ٢ 𝐶𝑑𝐴) على أنبوب الانصهار، مما قد يُسبب سقوطًا عرضيًا إذا اقترن باتجاه عزم الجاذبية.
٢. حمل طبقة الجليد: عندما يزيد سمك طبقة الجليد على سطح أنبوب الانصهار عن ٥ مم، تزيد الكتلة الإضافية من إزاحة مركز الجاذبية بنسبة ٣٠٪ -٥٠٪، وتُخل بتوازن عزم الجاذبية.
