ما هي الشفة؟
الشفة، وهي مصطلح عام، تشير عادةً إلى جسم معدني قرصي الشكل مزود بفتحات ثابتة، يُستخدم لتوصيل أجزاء مختلفة. يُستخدم هذا النوع من القطع على نطاق واسع في الآلات، لذا قد يبدو غريبًا بعض الشيء، ولكن اسمه مشتق من الكلمة الإنجليزية flange. تُستخدم الشفة لتوصيل أجزاء الأنابيب ببعضها، حيث تحتوي على فتحة في نهاية الأنبوب، ويتم ربط الشفتين معًا بإحكام باستخدام براغي، ويتم إحكام إغلاق الشفة بحشية.
الفلنجة عبارة عن أجزاء على شكل قرص، وهي الأكثر شيوعاً في هندسة خطوط الأنابيب، وتستخدم الفلنجات في أزواج.
فيما يتعلق بأنواع وصلات الشفة، هناك ثلاثة مكونات:
- حواف الأنابيب
- حشية
- وصلة البرغي
في معظم الحالات، يُستخدم نوع محدد من الحشيات والمسامير المصنوعة من نفس مادة شفة الأنبوب. وتُعدّ شفة الفولاذ المقاوم للصدأ أكثر أنواع الشفاه شيوعًا. أما الشفاه، فتتوفر بمجموعة متنوعة من المواد لتناسب متطلبات الموقع. ومن أكثر مواد الشفاه شيوعًا: مونيل، وإنكونيل، وكروم موليبدينوم، وذلك حسب متطلبات الموقع. ويعتمد اختيار المادة الأنسب على نوع النظام الذي ترغب في استخدام الشفة فيه وفقًا لمتطلباته الخاصة.
7 أنواع شائعة من الفلنجات
تتوفر أنواع مختلفة من الفلنجات التي يمكن اختيارها وفقًا لمتطلبات الموقع. ولضمان مطابقة تصميم الفلنجة المثالية، يجب ضمان التشغيل الموثوق به وعمر الخدمة الطويل، مع مراعاة السعر الأنسب.
1. شفة ملولبة:
تُزود الفلنجات الملولبة، التي تحتوي على لولب في تجويف الفلنجة، بوصلات ملولبة خارجية. والهدف من الوصلة الملولبة هنا هو تجنب اللحام في جميع الحالات. ويتم توصيلها بشكل أساسي عن طريق مطابقة اللولب مع الأنبوب المراد تركيبه.
2. حواف اللحام المقبسية
يُستخدم هذا النوع من الفلنجات عادةً للأنابيب الصغيرة حيث يتميز قطر منطقة الضغط والحرارة المنخفضة بوصلة يتم فيها وضع الأنبوب داخل الفلنجة لضمان التوصيل بلحام فيليه أحادي أو متعدد المسارات. وهذا يتجنب القيود المرتبطة بالأطراف الملولبة مقارنةً بأنواع الفلنجات الملحومة الأخرى، مما يجعل التركيب بسيطًا.
3. حواف التداخل
شفة التداخل هي نوع من أنواع الشفاه التي تتطلب لحام طرفها القصير لحامًا طرفيًا بوصلة لاستخدامها مع شفة داعمة لتشكيل وصلة شفة. وقد جعل هذا التصميم هذه الطريقة شائعة في العديد من الأنظمة التي تكون فيها المساحة المادية محدودة، أو حيث يلزم فكها بشكل متكرر، أو حيث تتطلب صيانة دورية مكثفة.
4. حواف منزلقة
تُعدّ الفلنجات المنزلقة شائعة الاستخدام، وتتوفر بأحجام متنوعة لتناسب الأنظمة ذات معدلات التدفق العالية. يُسهّل اختيار الفلنجة المناسبة للقطر الخارجي للأنبوب عملية التركيب. يتطلب تركيب هذه الفلنجات بعض الدقة الفنية، إذ يستلزم لحامًا زاويًا على كلا الجانبين لتثبيت الفلنجة بالأنبوب.
5. حواف مغلقة
تُعدّ هذه الأنواع من الفلنجات مناسبة تمامًا لإنهاء أنظمة الأنابيب. تأتي الصفيحة المغلقة على شكل قرص فارغ يُمكن تثبيته بمسامير. وبمجرد تركيبها بشكل صحيح مع الحشية المناسبة، فإنها تُوفر إحكامًا ممتازًا، كما يسهل إزالتها عند الحاجة.
6. حواف اللحام العنقي
تُشبه حواف اللحام العنقي حواف التداخل إلى حد كبير، ولكنها تتطلب لحامًا طرفيًا للتركيب. وبفضل متانة أداء هذا النظام وقدرته على الانحناء عدة مرات واستخدامه في أنظمة الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة، يُعد الخيار الأمثل لأنابيب العمليات الصناعية.
7. حواف خاصة
يُعدّ هذا النوع من الفلنجات الأكثر شيوعًا. ومع ذلك، تتوفر مجموعة واسعة من أنواع الفلنجات المتخصصة الأخرى لتناسب استخدامات وبيئات متنوعة. وتشمل الخيارات الأخرى فلنجات نيبو، وفلنجات ويلدو، وفلنجات التمدد، والفتحات، وأعناق اللحام الطويلة، وفلنجات التخفيض.
5 أنواع خاصة من الفلنجات
1. ويلدوFلانغ
تُشبه شفة ويلدو شفة نيبو إلى حد كبير، فهي عبارة عن مزيج من شفة اللحام التناكبي ووصلات التفرع. تُصنع شفة ويلدو من قطعة واحدة من الفولاذ المطروق الصلب، بدلاً من أجزاء منفصلة ملحومة معًا.
2. شفة نيبو
وصلة نيبوفلانج هي أنبوب فرعي مائل بزاوية 90 درجة، وهي منتج يُصنع بدمج حواف ملحومة طرفيًا مع وصلة نيبوليت مطروقة. على الرغم من أن وصلة نيبوفلانج تُعتبر قطعة واحدة متينة من الفولاذ المطروق، إلا أنها ليست منتجين مختلفين ملحومين معًا. يتضمن تركيب وصلة نيبوفلانج لحامها بجزء نيبوليت من المعدات لتمرير الأنبوب، ثم يقوم فريق تركيب الأنابيب بتثبيت جزء الحافة بمسامير على حافة الأنبوب الفرعي.
من المهم معرفة أن حواف نيبو متوفرة بأنواع مختلفة من المواد مثل الفولاذ الكربوني، والفولاذ الكربوني عالي ومنخفض الحرارة، وأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك النيكل. تُصنع حواف نيبو في الغالب بهيكل مُعزز، مما يمنحها قوة ميكانيكية إضافية مقارنةً بحواف نيبو القياسية.
3. حافة الكوع وحافة الجانب
يُعرف الكوع ذو الحافة (Elboflange) بأنه مزيج من كلمتي "فلنجة" و"إلبولت" (Elbolet)، بينما يُعرف الكوع ذو الحافة الجانبية (Latroflange) بأنه مزيج من كلمتي "فلنجة" و"لتروليت" (Latrolet). تُستخدم حواف الكوع لتوصيل الأنابيب بزاوية 45 درجة.
4. حواف حلقية دوارة
تُستخدم حواف الحلقات الدوارة لتسهيل محاذاة فتحات البراغي بين حافتين متجاورتين، وهو أمرٌ بالغ الأهمية في العديد من التطبيقات، مثل تركيب خطوط الأنابيب ذات الأقطار الكبيرة، وخطوط الأنابيب البحرية أو خطوط الأنابيب البحرية، والبيئات المشابهة. وتُناسب هذه الأنواع من الحواف السوائل ذات المتطلبات العالية في قطاعات النفط والغاز والهيدروكربونات والمياه والمواد الكيميائية، بالإضافة إلى تطبيقات البتروكيماويات وإدارة المياه الأخرى.
في حالة خطوط الأنابيب ذات الأقطار الكبيرة، يُزود الأنبوب بشفة لحام طرفية قياسية في أحد طرفيه وشفة دوارة في الطرف الآخر. ويتم ذلك ببساطة عن طريق تدوير الشفة الدوارة على خط الأنابيب، مما يُمكّن المشغل من محاذاة فتحات البراغي بشكل صحيح وبسرعة فائقة.
من أهم المعايير المستخدمة في تصنيع حواف الحلقات الدوارة: ASME أو ANSI، DIN، BS، EN، ISO، وغيرها. يُعدّ معيار ANSI أو ASME B16.5 أو ASME B16.47 من أكثر المعايير شيوعًا في تطبيقات البتروكيماويات. تتميز حواف الحلقات الدوارة بإمكانية استخدامها في جميع أشكال الحواف القياسية الشائعة، مثل حواف اللحام، وحواف الانزلاق، وحواف التراكب، وحواف اللحام المقبسية، وغيرها، وذلك في جميع درجات المواد، وبمجموعة واسعة من الأحجام تتراوح من 3/8 بوصة إلى 60 بوصة، وضغوط تتراوح من 150 إلى 2500 رطل لكل بوصة مربعة. ويمكن تصنيع هذه الحواف بسهولة من الفولاذ الكربوني، والفولاذ السبائكي، والفولاذ المقاوم للصدأ.
5. حواف التمدد
تُستخدم حواف التمدد لزيادة حجم تجويف الأنبوب من أي نقطة معينة إلى أخرى من أجل توصيل الأنبوب بأي معدات ميكانيكية أخرى مثل المضخات والضواغط والصمامات التي وُجد أن لها أحجام مداخل مختلفة.
تُصنع حواف التمدد عادةً من حواف ملحومة طرفيًا، وتتميز بفتحة كبيرة جدًا في الطرف غير المفلنج. يمكن استخدامها لإضافة مقاس أو مقاسين فقط، أو حتى 4 بوصات، إلى قطر أنبوب التشغيل. يُفضل استخدام هذا النوع من الحواف على الجمع بين مخفضات اللحام الطرفي والحواف القياسية، نظرًا لانخفاض تكلفتها وخفة وزنها. من أكثر المواد شيوعًا المستخدمة في صناعة حواف التمدد الفولاذ المقاوم للصدأ A105 والفولاذ المقاوم للصدأ ASTM A182.
تتوفر حواف التمدد بتصنيفات ضغط وأحجام مختلفة وفقًا لمواصفات ANSI أو ASME B16.5، وهي متوفرة بشكل أساسي محدبة أو مسطحة (RF أو FF). أما حواف التخفيض، فتؤدي وظيفة معاكسة تمامًا لحواف التمدد، حيث تُستخدم لتقليل قطر تجويف الأنبوب. يمكن تقليل قطر تجويف الأنبوب بسهولة، ولكن ليس بأكثر من مقاس أو مقاسين. في حال محاولة تقليل القطر أكثر من ذلك، يُنصح باستخدام حل يعتمد على مزيج من وصلات التخفيض الملحومة طرفيًا والحواف القياسية.
تحديد حجم الفلنجات والاعتبارات الشائعة
إلى جانب التصميم الوظيفي للشفة، يُعدّ حجمها العامل الأكثر تأثيرًا في اختيارها عند تصميم نظام الأنابيب وصيانته وتحديثه. لذا، يجب مراعاة نقطة تلامس الشفة مع الأنبوب والحشيات المستخدمة لضمان اختيار الحجم المناسب. إضافةً إلى ذلك، إليك بعض الاعتبارات الشائعة:
- القطر الخارجي: القطر الخارجي هو المسافة بين حافتين متقابلتين لوجه الشفة.
- السماكة: يتم قياس السماكة من الحافة الخارجية للحافة.
- قطر دائرة البراغي: هذه هي المسافة بين فتحات البراغي النسبية مقاسة من المركز إلى المركز.
- حجم الأنبوب: حجم الأنبوب هو الحجم المقابل للشفة.
- القطر الاسمي: القطر الاسمي هو حجم القطر الداخلي لوصلة الشفة.
تصنيف الفلنجات ومستوى الخدمة
تُصنّف الفلنجات بشكل أساسي حسب قدرتها على تحمّل درجات حرارة وضغوط مختلفة. ويُشار إليها باستخدام حروف أو لواحق مثل "#" أو "lb" أو "class". هذه اللواحق قابلة للتبديل وتختلف باختلاف المنطقة أو المورّد. فيما يلي التصنيفات الشائعة المعروفة:
- 150#
- 300#
- 600#
- 900#
- 1500#
- 2500#
تختلف حدود تحمل الضغط ودرجة الحرارة نفسها تبعًا للمادة المستخدمة وتصميم الشفة وحجمها. ومع ذلك، فإن الثابت الوحيد هو تصنيف الضغط، الذي ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة.
نوع وجه الشفة
يُعدّ نوع سطح الفلنجة سمةً بالغة الأهمية، إذ يؤثر تأثيراً كبيراً على الأداء النهائي وعمر الفلنجة. لذا، نحلل فيما يلي بعضاً من أهم أنواع أسطح الفلنجات:
1. شفة مسطحة (FF)
يكون سطح حشية الشفة المسطحة في نفس مستوى سطح الإطار المثبت بالمسامير. عادةً ما تُستخدم الشفات المسطحة في المنتجات المصنعة بقوالب مطابقة للشفة أو غطاء الشفة. لا يُنصح بتركيب الشفات المسطحة على الشفات ذات الجوانب المقلوبة. ينص معيار ASME B31.1 على أنه عند وصل شفات الحديد الزهر المسطحة بشفات الفولاذ الكربوني، يجب إزالة السطح المرتفع من شفات الفولاذ الكربوني واستخدام حشية تغطي السطح بالكامل. يهدف ذلك إلى منع تناثر شظايا الحديد الزهر الصغيرة والهشة في الفراغ الناتج عن الحافة المرتفعة لشفة الفولاذ الكربوني.
يُستخدم هذا النوع من أسطح الفلنجات في تصنيع المعدات والصمامات لجميع التطبيقات التي يُصنع فيها الحديد الزهر. يتميز الحديد الزهر بهشاشته، ويُستخدم عادةً في التطبيقات ذات درجات الحرارة والضغط المنخفضين. يسمح السطح المستوي للفلنجتين بالتلامس الكامل على كامل السطح. تتميز الفلنجات المسطحة (FF) بسطح تلامس بنفس ارتفاع أسنان براغي الفلنجة. تُستخدم حلقات غسيل كاملة السطح بين فلنجتين مسطحتين، وعادةً ما تكون لينة. وفقًا لمعيار ASME B31.3، لا ينبغي تركيب الفلنجات المسطحة مع الفلنجات المرتفعة نظرًا لاحتمالية حدوث تسرب من وصلة الفلنجة الناتجة.
2. شفة ذات وجه مرتفع (RF)
تُعدّ الحافة المرتفعة النوع الأكثر شيوعًا في تطبيقات التصنيع، وهي سهلة التمييز. تُسمى محدبة لأن سطح الحشية يقع فوق سطح حلقة البرغي. يتطلب كل نوع من أنواع الحواف استخدام أنواع متعددة من الحشيات، بما في ذلك مجموعة متنوعة من حلقات التثبيت المسطحة والمركبات المعدنية مثل الحشيات الحلزونية والحشوات المزدوجة.
صُممت حواف RF لتركيز المزيد من الضغط على مساحة أصغر من الحشية، مما يُحسّن التحكم في ضغط الوصلة. تُحدد أقطار وارتفاعات حواف RF حسب مستوى الضغط والقطر في معيار ASME B16.5. يُحدد مستوى ضغط الحافة ارتفاع السطح المرفوع. تهدف حواف RF إلى تركيز المزيد من الضغط على مساحة أصغر من الحشية، مما يزيد من قدرة الوصلة على التحكم في الضغط. تُحدد أقطار وارتفاعات حواف RF حسب فئة الضغط والقطر في معيار ASME B16.5. تصنيفات حواف الضغط.
3. شفة حلقية (RTJ)
عندما يكون مطلوبًا وجود ختم معدني بين شفتين متقابلتين (وهو الشرط لتطبيقات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية، أي فوق 700/800 درجة مئوية)، يتم استخدام شفة وصلة الحلقة (RTJ).
تحتوي شفة وصلة الحلقة على أخدود دائري يستوعب حشية وصلة الحلقة (بيضاوية أو مستطيلة).
عند ربط شفتي وصلة حلقية معًا ثم شدهما، تتسبب قوة الشد الناتجة عن البراغي في تشويه الحشية الموجودة في أخدود الشفة، مما يُنشئ ختمًا معدنيًا محكمًا للغاية. ولتحقيق ذلك، يجب أن تكون مادة حشية الوصلة الحلقية أكثر ليونة (أكثر مرونة) من مادة الشفتين.
يمكن إحكام إغلاق حواف RTJ باستخدام حشيات RTJ من أنواع مختلفة (R، RX، BX) وأشكال مختلفة (على سبيل المثال، ثمانية الأضلاع / بيضاوية الشكل للنوع R).
أكثر أنواع حشيات RTJ شيوعًا هي من النوع R ذات المقطع العرضي الثماني، لأنها تضمن إحكامًا قويًا للغاية (المقطع العرضي البيضاوي هو النوع الأقدم). ومع ذلك، فإن تصميم "الأخدود المسطح" يقبل كلا النوعين من حشيات RTJ ذات المقطع العرضي الثماني أو البيضاوي.
4. حواف اللسان والأخدود (T & G)
تتلاءم شفتان من نوع اللسان والأخدود (T & G faces) بشكل مثالي: إحدى الشفتين بها حلقة بارزة والأخرى بها أخاديد حيث تتلاءم بسهولة (يدخل اللسان في الأخدود ويغلق الوصلة).
تتوفر حواف اللسان والأخدود بأحجام كبيرة وصغيرة.
5. حواف ذكرية وأنثوية (M & F)
على غرار حواف اللسان والأخدود، تتطابق الحواف الذكرية والأنثوية (أنواع الوجه M و F) مع بعضها البعض.
تحتوي إحدى الحواف على منطقة تمتد إلى ما وراء مساحة سطحها، وهي الحافة الذكرية، بينما تحتوي الحافة الأخرى على تجاويف متطابقة مصنعة في السطح المقابل، وهي الحافة الأنثوية.
تشطيب سطح الفلنجة
لضمان التوافق التام بين الشفة والحشية والشفة المقابلة، يتطلب سطح الشفة درجة معينة من الخشونة (في تشطيبات شفة RF وFF فقط). ويُحدد نوع خشونة سطح الشفة نوع تشطيبها.
تشمل الأنواع الشائعة الأسطح ذات الحواف الصلبة، والأسطح المسننة متحدة المركز، والأسطح المسننة حلزونياً، والأسطح ذات الحواف الملساء.
هناك أربعة أنواع أساسية من التشطيبات السطحية للشفة الفولاذية، ومع ذلك، فإن الهدف المشترك لأي نوع من أنواع تشطيب سطح الشفة هو إنتاج الخشونة المطلوبة على سطح الشفة لضمان ملاءمة قوية بين الشفة والحشية والشفة المقابلة لتوفير ختم عالي الجودة.
تاريخ النشر: 8 أكتوبر 2023