مضخات الملاط: القوى العاملة في التطبيقات الكاشطة والمسببة للتآكل

في الصناعات التي يكون فيها نقل المخاليط من المواد الصلبة والسوائل مطلبًا أساسيًا، غالبًا ما تكون مضخة الطرد المركزي القياسية وصفة للفشل السريع ووقت التوقف عن العمل المكلف. يكمن الحل في فئة متخصصة من المعدات المصممة للتعامل مع التآكل المستمر والظروف الصعبة للمخاليط الصلبة والسوائل: مضخة الملاط. تم تصميم مضخات الملاط من أجل المرونة والقوة والكفاءة في مواجهة التآكل والتآكل، وهي أصول مهمة في التعدين ومعالجة المعادن والتجريف وتوليد الطاقة. توفر هذه المقالة فحصًا تفصيليًا لأنواع مضخات الملاط، ومبادئ التشغيل، وميزات التصميم الرئيسية، وعلوم المواد، والاعتبارات الحاسمة لاختيارها وتشغيلها.

1. المقدمة: التحدي الفريد المتمثل في ضخ الملاط

إن ضخ الملاط - وهو خليط من السائل (الماء عادة) والجسيمات الصلبة - يمثل تحديات تتجاوز بكثير تحديات ضخ السوائل الصافية. يقدم وجود المواد الصلبة قوتين تدميريتين أساسيتين:

• كشط: التآكل الميكانيكي لمكونات المضخة الداخلية بسبب انزلاق الجزيئات الصلبة أو اصطدامها بالأسطح.

• التآكل: التآكل المتسارع الناتج عن التأثير التراكمي للجزيئات الصلبة التي يحملها السائل بسرعة عالية.

وتتأثر شدة هذه التأثيرات بعوامل مثل:

• حجم الجسيمات وتوزيعها: الرمال الناعمة مقابل الصخور الكبيرة.

• شكل الجسيمات: الجزيئات الحادة والزاويّة أكثر كشطًا من الجزيئات المستديرة.

• صلابة الجسيمات: بالمقارنة مع صلابة مواد المضخة.

• تركيز المواد الصلبة: نسبة المواد الصلبة بالوزن أو الحجم في الخليط.

• سرعة التدفق: تزيد السرعات العالية بشكل كبير من معدل التآكل.

تم تصميم مضخات الملاط خصيصًا للتعامل مع هذه العوامل، والتضحية ببعض الكفاءة الهيدروليكية من أجل المتانة والموثوقية الهائلة.

2. أنواع مضخات الطين

يمكن تصنيف مضخات الملاط على نطاق واسع بناءً على تصميمها وتطبيقها:

أ) مضخات الطين الطاردة المركزية:
النوع الأكثر شيوعًا، يستخدم دافعة دوارة لنقل الطاقة الحركية إلى الملاط.

• مضخات الطين الأفقية: العمود الفقري القياسي. العمود أفقي، وعادةً ما يتم تركيب المضخة على اللوح الأساسي باستخدام محرك الدفع. إنها قوية ويمكن الوصول إليها للصيانة ولكنها تتطلب نظام شفط أو تحضير مغمور بالمياه.

• مضخات الملاط العمودية (مضخات الكابولي أو الخزان): هذه المضخات ليس لها محامل مغمورة. يقع المحرك فوق الحوض، ويربطه عمود طويل بالمكره المغمور في الملاط. يعد هذا التصميم مثاليًا للأحواض والخزانات حيث يمكن أن يؤدي ترسيب المواد الصلبة إلى إتلاف المحامل المغمورة الموجودة في المضخات العمودية الأخرى.

• مضخات الطين الغاطسة: تم تصميمه للعمل مغمورًا بالكامل في الملاط، وغالبًا ما يستخدم في التجريف، ونزح مياه الخنادق، والضخ من الحفر العميقة. إنها قابلة للحمل للغاية ولكنها تتطلب إحكامًا قويًا وعزلًا كهربائيًا.

ب) مضخات الملاط ذات الإزاحة الإيجابية (PD):
يستخدم لضخ الملاط عالي اللزوجة أو غير المستقر أو عالي التركيز حيث قد تواجه مضخة الطرد المركزي صعوبات.

• مضخات الفص الدوارة: لطيف على المواد الصلبة، جيد للمخاليط الحساسة للقص أو الجزيئات الكبيرة.

• مضخات الحجاب الحاجز المكبس: ممتاز لتطبيقات الضغط العالي والتعامل مع الملاط الذي يحتوي على نسبة عالية جدًا من المواد الصلبة. إنهم يستخدمون حاجزًا لعزل الملاط عن الزيت الهيدروليكي والأجزاء المتحركة للمضخة، مما يقلل من التآكل.

ستركز هذه المقالة في المقام الأول على مضخات الملاط الطاردة المركزية، لأنها تمثل الغالبية العظمى من التطبيقات.

3. ميزات ومكونات التصميم الرئيسية

يعد تصميم مضخة الملاط الطاردة المركزية بمثابة دراسة لتخفيف الأضرار.

• البناء الثقيلة: تم تصميم كل مكون ليكون أكثر سمكًا وأقوى من نظيره السائل الصافي لمقاومة التآكل وامتصاص الاهتزازات الناتجة عن ضخ الخلائط غير المستوية.

• المكره: عادةً ما تحتوي على دوارات أقل وأكثر سمكًا وأوسع (غالبًا 3-5) للسماح بمرور المواد الصلبة وتقليل الانسداد. لقد تم تصميمه للعمل بسرعات أبطأ (سرعة محددة أقل) لتقليل التآكل الكاشط.

• حلزوني (غلاف): يتميز بغلاف كبير أو شبه حلزوني أو متحد المركز لتقليل السرعة وتوفير مساحة واسعة للمواد الصلبة للمرور من خلالها، مما يقلل من نقاط التآكل.

• بطانات: تم تصميم العديد من مضخات الملاط ببطانات قابلة للاستبدال داخل الغلاف. وهذا يسمح باستبدال الأجزاء المتآكلة بجزء صغير من تكلفة استبدال غلاف المضخة بالكامل. يمكن أن تكون البطانات متناظرة (للارتداء الموحد) أو غير متماثلة (لإطالة العمر في المناطق شديدة التآكل).

• نظام الختم: ولعل النظام الفرعي الأكثر أهمية. غالبًا ما تفشل الأختام الميكانيكية القياسية بسرعة.

  • ختم الطارد: غرفة محكمة الغلق ومملوءة بالزيت ومزودة بمروحة عكسية تخلق ضغطًا حاجزًا لمنع دخول الملاط إلى منطقة الغدة. يتطلب الماء النظيف للتشغيل الفعال.

  • ختم مياه الغدة (الإرواء): يُدخل الماء النظيف والمضغوط إلى صندوق الحشو لإزالة الجزيئات الكاشطة من وجوه الختم.

  • الختم الميكانيكي الخارجي: يستخدم ختمًا مصممًا خصيصًا بأوجه صلبة (على سبيل المثال، كربيد السيليكون مقابل كربيد السيليكون) ونظام سائل حاجز للحفاظ على بيئة الختم نظيفة.

4. علم المواد: اختيار الدرع المناسب

اختيار المواد هو خط الدفاع الأول ضد التآكل. يعتمد الاختيار على كشط الملاط وتآكله وحجم الجسيمات.

• حديد أبيض عالي الكروم (27% كروم): معيار الصناعة للملاط عالي الكشط. إنه صلب للغاية (600-700 BHN) ويوفر مقاومة ممتازة للتآكل ولكنه يمكن أن يكون هشًا وعرضة للتآكل من الملاط الحمضي.

• المطاط الطبيعي (اللدائن): يتفوق على المعدن في العديد من التطبيقات التي تتضمن مواد كاشطة دقيقة وحادة (مثل الرمل والحصى). تسمح مرونتها بامتصاص طاقة الجزيئات المصطدمة والمرونة دون أن تتكسر. ومع ذلك، فهو غير مناسب للصخور الكبيرة والحادة أو الزيوت/المذيبات.

• البولي يوريثين: يوفر توازنًا ممتازًا بين المقاومة العالية للتآكل والمتانة. غالبًا ما يتم استخدامه للبطانات والدفاعات والمكونات الأخرى التي تتعامل مع الملاط الكاشط بشكل معتدل.

• الفولاذ المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، CD4MCu، 316SS): يستخدم في المقام الأول عندما يكون التآكل مصدر قلق كبير إلى جانب التآكل. إنها أكثر ليونة من الحديد عالي الكروم ولكنها توفر مقاومة كيميائية أفضل بكثير.

• السيراميك ومركبات السيراميك: يستخدم في التطبيقات شديدة التآكل مثل أجزاء المضخة الصغيرة ذات الضغط العالي أو كألواح تآكل في موانع التسرب. إنها توفر صلابة شديدة ولكنها مكلفة للغاية وهشة.

5. مجالات التطبيق الحرجة

• التعدين ومعالجة المعادن: أكبر تطبيق. يُستخدم في كل مرحلة، بدءًا من نقل الخام في خط أنابيب النقل المائي وحتى تغذية المطاحن (تغذية الأعاصير) والتخلص من المخلفات.

• التجريف: ضروري لاستصلاح الأراضي، وصيانة الممرات المائية، واستخراج الرمال والحصى من مجاري الأنهار وقاع البحار.

• محطات الطاقة التي تعمل بالفحم: ضخ الرماد السفلي والرماد المتطاير الممزوج بالماء للتخلص منه.

• إنتاج الصلب والمعادن: التعامل مع الملاط الناتج عن مصانع الدرفلة ومنتجات النفايات الأخرى.

• البناء وحفر الأنفاق: حفريات نزح المياه وضخ المخلفات (الملاط) من آلات حفر الأنفاق.

• المعادن الصناعية والركام: معالجة الرمل والحصى والأسمنت والجبس.

6. الاختيار وأفضل الممارسات التشغيلية

يعد اختيار مضخة الملاط المناسبة مهمة هندسية للأنظمة.

1. توصيف الطين: إن التحليل الشامل لخصائص الملاط (SG، حجم الجسيمات، الرقم الهيدروجيني، التركيز) هو الخطوة الأولى الأساسية.

2. تحديد الرأس والتدفق: يجب أن تأخذ منحنيات النظام في الاعتبار الثقل النوعي العالي والطبيعة اللزجة للملاط.

3. حجم المضخة: تم تصميم مضخات الملاط للعمل عند أ سرعة أبطأ من مضخات المياه لتقليل التآكل. غالبًا ما تكون نقطة التشغيل المستهدفة على يمين أفضل نقطة كفاءة (BEP) على منحنى الأداء لتجنب إعادة التدوير وتآكل جانب الشفط.

4. تصميم الأنابيب: استخدم انحناءات ذات نصف قطر كبير، وتجنب الانكماشات/التوسعات المفاجئة، وتأكد من أن سرعة الأنابيب عالية بما يكفي لمنع الترسيب ولكنها منخفضة بما يكفي لتقليل التآكل.

7. مستقبل ضخ الملاط

يستمر الابتكار في التركيز على إطالة عمر المكونات وتقليل التكلفة الإجمالية للملكية.

• المواد المتقدمة: تطوير مواد ذات بنية نانوية، ومركبات مزدوجة الصلابة، وتحسين مادة البولي يوريثان.

• الصيانة التنبؤية: دمج أجهزة استشعار إنترنت الأشياء لمراقبة الاهتزاز ودرجة الحرارة والضغط في الوقت الفعلي، مما يسمح بالصيانة القائمة على الحالة قبل حدوث فشل كارثي.

• ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD): استخدام المحاكاة المتقدمة لتحسين تصميمات المكره والحواف لتقليل الاضطراب، وتحسين التعامل مع المواد الصلبة، وتقليل التآكل.

8. الاستنتاج

تعتبر مضخات الملاط بمثابة شهادة على البراغماتية الهندسية. لم يتم تصميمها لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الهيدروليكية ولكن لتحقيق أقصى قدر من طول العمر والموثوقية في أقسى البيئات. من خلال فهم التفاعل بين التصميم الميكانيكي القوي، وعلوم المواد المتقدمة، والتكامل الدقيق للنظام، يمكن للمهندسين اختيار وتشغيل هذه القوى العاملة الحيوية لضمان التدفق المستمر والفعال من حيث التكلفة لبعض الخلائط الأكثر تحديًا في العالم. إن عملهم الدؤوب أمر أساسي للبنية التحتية والصناعات التي تشكل العمود الفقري للاقتصاد العالمي.