التمدد الحراري – التحدي الهندسي للسخانات الطويلة

يتعلم كل مهندس صيانة في النهاية الطريقة الصعبة التي يتحرك بها المعدن عند تسخينه. هذه حقيقة أساسية في الميكانيكا. نظرًا لأن أنبوب التسخين الكهربائي برأس واحد-طويل جدًا-يبلغ طوله 1200 مم يحقق درجة حرارة التشغيل، فإنه يمكن أن يتوسع كثيرًا. إذا لم يؤخذ هذا التوسع في الاعتبار أثناء التصميم والتركيب، فقد تكون النتائج سيئة: سخانات عالقة ويكاد يكون من المستحيل إزالتها، أو أجزاء قالب مكسورة، أو أغلفة سخان منحنية، أو توصيلات داخلية مكسورة. لذا، فإن أي شخص مسؤول عن تحديد أو تركيب أو صيانة سخانات ذات خرطوشة طويلة يحتاج إلى معرفة كيفية فهم التمدد الحراري والتعامل معه.

إن الحساب وراء التمدد الحراري بسيط، لكن الناس في كثير من الأحيان لا يفكرون فيه بما فيه الكفاية. عادة ما يكون معامل التمدد للفولاذ المقاوم للصدأ وأغلفة Incoloy حوالي 0.000017 م/م/درجة (17 ميكرومتر/م/درجة). يمكن أن يزيد التمدد الطولي الكامل لسخان خرطوشة الرأس الواحد - الطويل جدًا 1200 مم (1.2 م) البالغ طوله 1200 مم (1.2 م) والذي يعمل عند درجة حرارة عملية تبلغ 400 درجة (مع ارتفاع درجة الحرارة بحوالي 380 درجة عن البيئة المحيطة) عن 8 مم. يمكن أن يكون هذا النمو أكثر من 10 ملم عند درجات حرارة التشغيل الأعلى التي تصل إلى 500-600 درجة. عندما يكون الجو باردًا، قد يبرز المدفأة المناسبة تمامًا عندما يكون الجو حارًا. أو ما هو أسوأ من ذلك، إذا تم وضعه بإحكام شديد على قاع ثقب مسدود، فلن يكون لديه أي مكان ليتطور وقد ينحني أو ينتفخ أو يضع ضغطًا محوريًا مدمرًا على المعدن المحيط به.

ولهذا السبب يترك المصممون والفنيون المهرة دائمًا مساحة تمدد حراري في نهاية الثقوب العمياء. قد تكون الفجوة الصغيرة بمقدار 2-3 مم كافية لسخانات الخرطوشة الأقصر، ولكن بالنسبة للوحدة الطويلة جدًا-1200 مم، يكون الفصل الموصى به أكبر بكثير-عادةً **5 مم إلى 10 مم** عند الطرف المغلق للتجويف. إذا لم تكن هناك مساحة كافية، فسوف يقوم المدفأة بالضغط على قاع الحفرة أثناء توسعها. يؤدي هذا إلى إنشاء ضغوط انضغاطية يمكن أن تكسر جدران العفن الضعيفة، أو تغير شكل غلاف السخان، أو تضغط بشكل غير متساو على عزل أكسيد المغنيسيوم الداخلي (MgO). في ظروف سيئة للغاية، يمكن أن ينهار الغلاف أو يمكن أن يعلق المدفأة للأبد، مما يعني استخدام طرق باهظة الثمن مثل الحفر أو EDM لإخراجه.

نهاية الرصاص (الإنهاء) لها مشاكلها الخاصة مع التوسع. يتحرك الجزء البارد فيما يتعلق بحجرة الأسلاك أو لوحة التثبيت عندما يصبح السخان مقاس 1200 مم أكثر سخونة. إذا كانت أسلاك التوصيل مثبتة جيدًا بحيث لا يمكنها التحرك، فإن هذا النمو المحوري يمكن أن يسحب مباشرة على نقاط النهاية الداخلية، مما قد يؤدي إلى فك الوصلات ببطء، أو الضغط على تقاطع سلك المقاومة، أو حتى كسر الخيوط الداخلية عبر العديد من الدورات الحرارية. ولإصلاح هذه المشكلة، تأتي العديد من السخانات الطويلة-عالية الجودة مزودة بتكوينات سلكية مرنة، أو نهايات محملة بنابض-، أو تراخي إضافي للسلك مدمج في التجميع. تحتوي بعض التصميمات على قسم بارد عائم أو ميزات تخفيف الضغط-التي تتولى الحركة دون الضغط على التوصيلات الكهربائية.

إن إضافة التوسع الشعاعي (القطر) يجعل الأمور أكثر تعقيدًا. يتمدد الغمد إلى الخارج كلما زادت سخونته، وعادة ما يصل قطره إلى 0.05 إلى 0.15 ملم، اعتمادًا على المادة ودرجة الحرارة. إذا كانت الفتحة ضيقة جدًا، فإن هذا التمدد الشعاعي يجعل السخان مرتبطًا طوال طوله. وتتفاقم المشكلة مع السخان البالغ الطول-1200 ملم نظرًا لأن مساحة السطح الأكبر تعني المزيد من نقاط الاتصال التي تنتج الاحتكاك. يضع الربط مزيدًا من الضغط على الآليات، ويوقف التوسع الحر، ويمكن أن يسبب نقاط اتصال موضعية أو تشوهًا في الغلاف. الجواب هو تعيين خلوص التثبيت الذي يعمل لكل من الإدخال البارد والتشغيل الساخن. بالنسبة لمعظم الأقطار التي تصل إلى 20 مم، فإن الخلوص القطرى **0.05 مم إلى 0.10 مم** (أكبر قليلاً من السخانات القصيرة) يمنحك المساحة التي تحتاجها مع الحفاظ على الاتصال الحراري الجيد. يُنصح بشدة باستخدام التوسيع الدقيق أو الشحذ للحصول على هذا التسامح.

فيما يلي بعض الممارسات المقترحة للتعامل مع التمدد الحراري في سخانات 1200 مم:
- وضع المدفأة في الحفرة بحيث تلامس القاع برفق، ثم سحبها للخلف قليلًا (لتتناسب مع فجوة التمدد المحسوبة) قبل وضعها في مكانها النهائي. - وضع مركب -درجة حرارة عالية، وغير-مركب مضاد-موصل على الغلاف لتقليل الاحتكاك وإيقاف الغليان أثناء دورات التمدد والانكماش. - اختيار مواد غمد مثل Incoloy التي تظل أقوى و يكون تحجيمًا أقل عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يقلل من فرصة الاستيلاء. - راقب الإشارات المبكرة للمشكلات المرتبطة بالتوسع، بما في ذلك صعوبة إزالة السخانات أو التغييرات في السحب الحالي التي لم تكن متوقعة.

لا يمثل التمدد الحراري مشكلة في التصميم أو عملية التصنيع. إنها مجرد سمة طبيعية للمعادن. يمكن أن يعمل سخان خرطوشة الرأس المفرد -العالي الجودة البالغ طوله 1200 مم-الطويل- لسنوات دون أن يتعطل أو يتعطل مبكرًا إذا تم تركيبه بشكل صحيح مع وجود فجوات التمدد الصحيحة، والخلوصات القطرية، وإدارة الرصاص، وعمليات التثبيت. حتى أفضل-السخان المصمم سوف يتعطل في النهاية إذا لم تعتني به. سيكلفك هذا الكثير من المال في فترات التوقف والاستبدال.

من خلال اتباع قواعد التمدد الحراري منذ بداية عملية التصميم والتركيب، يتأكد المهندسون وفرق الصيانة من أن سخاناتهم الطويلة تظل أجزاء موثوقة من النظام الحراري بدلاً من التسبب في صعوبات مع الميكانيكيين طوال الوقت.