معرفة

بعد تحليل بنية القطعة، وخصائص المواد، والمتطلبات الفنية، وصعوبات عملية الصب في صب غلاف صمام تنظيم صمام البخار الرئيسي CB2، بالإضافة إلى دراسة مشاكل جودة الصب المحتملة، ومن خلال البحث في أسباب تشققات غلاف الصمام، وتغذية منطقة التصلب، وتصلب الحديد البارد في منطقة نهاية التصلب، تم حل العيوب الشائعة مثل المسامية والتشققات في عملية الصب بفعالية. وُضعت خطة عملية معقولة وعملية لعملية الصب، وتم تعزيز التحكم في عملية التصنيع، مما أدى إلى تحسين استقرار العملية والتشغيل. بعد التحقق من الإنتاج، كانت الجودة العامة لغلاف الصمام جيدة، وتلبي المتطلبات القياسية، وتم بنجاح تصنيع دفعات من غلاف صمام تنظيم صمام البخار الرئيسي CB2.

يُعد غلاف صمام تنظيم صمام البخار الرئيسي، كأحد المكونات الأساسية لوحدة توربينات الطاقة الحرارية فوق الحرجة 620 درجة مئوية، ليس فقط بحجم محيط كبير وبنية معقدة، ولكنه أيضًا لديه متطلبات عالية للغاية للأداء الشامل. يتكون غلاف الصمام هذا من مادة الفولاذ المقاوم للحرارة ZG13Cr9Mo2Co1VNbNB (المشار إليها باسم CB2). نظرًا لأن غلاف الصمام يعمل في بيئة عالية الحرارة والضغط، فإن متطلبات الجودة الداخلية ودقة الأبعاد صارمة للغاية [1-3]. ومع ذلك، نظرًا لبنيته المعقدة والاختلاف الكبير في سمك الجدار، فإن صعوبة التغذية أثناء عملية الصب عالية للغاية. بالإضافة إلى ذلك، فإن مادة CB2 لديها ميل كبير للتشقق، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في جودة غلاف الصمام هذا. تدرس هذه الورقة بعمق مخطط تحسين عملية الصب، مما يضمن جودة العملية والراحة التشغيلية، وبالتالي تحقيق جودة مستقرة وإنتاج دفعات لغلاف صمام تنظيم صمام البخار الرئيسي CB2.

 

1 المتطلبات الفنية لصمام تنظيم صمام البخار الرئيسي

 

1.1 هيكل الصب

يُعدّ غلاف صمام تنظيم البخار الرئيسي مُكوّنًا رئيسيًا في وحدات إعادة التسخين الثانوية بقدرة 1000 ميجاوات، والتي تعمل في ظروف درجات حرارة وضغط عالية. ولضمان استقراره وموثوقيته في مثل هذه البيئات القاسية، وُضعت معايير عالية جدًا لجودته الداخلية وأبعاده الخارجية. تبلغ أبعاد محيط صب غلاف صمام تنظيم البخار الرئيسي 2545 مم × 2512 مم × 2511 مم، بوزن قطعة يبلغ 22.5 طنًا. وهو هيكل مُعقّد وغير منتظم، يتكون من تقاطع جسم دوار غير منتظم وأنبوبين أفقيين موزعين بزاوية 90 درجة، بسمك جدار رئيسي يبلغ 110 مم فقط. يظهر هيكله في الشكل 1.

 

1.2 المتطلبات الفنية للصب

 

يُصنع غلاف صمام تنظيم البخار الرئيسي من مادة CB2. يوضح الجدولان 1 و2 التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية للمادة.

 

يجب أن يخضع غلاف الصمام لفحص جسيمات مغناطيسية كامل واختبار بالموجات فوق الصوتية. عند إجراء الاختبار بالموجات فوق الصوتية على الشفة وسطح الختم، يجب استخدام مسح مكافئ φ100 مم، ولا يُسمح بأي عيوب مفردة أو مساحية. بالنسبة لبقية الأسطح المعالجة لغلاف الصمام، وجميع فتحات الأنابيب، وعروات الرفع، يجب ألا تتجاوز العيوب المفردة والمساحية 4 مم²؛ وبالنسبة لبقية الأسطح غير المعالجة، يجب ألا يتجاوز العيب المفرد 1300 مم²، ويجب ألا يتجاوز العيب المساحي 1300 مم².

 

2. التحديات التقنية والحلول

نظرًا لكبر حجم ووزن غلاف صمام تنظيم البخار الرئيسي، وتعقيد بنيته، ومتطلبات الجودة العالية للغاية، ازدادت صعوبة الإنتاج والتصنيع على دفعات. عند تصميم نظام الصب، يجب اتباع إجراءات عملية مستقرة وسهلة التنفيذ لضمان جودة كل منتج في الإنتاج على دفعات.

 

2.1 صعوبة التغذية والحلول

(1) صعوبة في تغذية غلاف الصمام

غلاف الصمام كبير الحجم ومعقد في الشكل والبنية. من تحليل بنية الجزء، تكون البقع الساخنة متناثرة، ويختلف السُمك بشكل كبير. ظروف تغذية التصلب المتسلسل سيئة. علاوة على ذلك، فإن مادة CB2، بسبب محتواها العالي من السبائك ونطاق التبلور الواسع، تحتوي على فولاذ منصهر لزج، وهي عرضة لعيوب مسامية الانكماش في منطقة الانتقال أثناء التصلب والتغذية. يحتوي غلاف الصمام هذا على منطقتين سميكتين وكبيرتين يصعب تغذيتهما: 1) المنطقة السميكة والكبيرة في الطرف السفلي من فتحة الأنبوب والبقعة الساخنة الكبيرة في جزء الحافة الوسطى معرضة لعيوب مسامية الانكماش أثناء التصلب والتغذية؛ 2) الجزء الأوسط له بنية معقدة، والبقع الساخنة متناثرة عند تقاطع الأضلاع والأنابيب العرضية، مما لا يفضي إلى تغذية التصلب المتسلسل ووضع الرافعات.

(2) حلول لمشاكل التغذية

بناءً على بنية صب غلاف الصمام، تُصمَّم الرافعات على شكل طبقات متكاملة؛ وتُضبط مواضع الرافعات عند النقاط الساخنة السميكة والكبيرة في الصب. يُستخدم برنامج محاكاة MAGMA لتحليل توزيع مجال درجة حرارة غلاف الصمام، وتحسين حجم وموضع الرافعات والمعادن المضافة؛ وفي المناطق المعرضة لمسامية الانكماش وعيوب تجويف الانكماش، تُضبط رافعات مساعدة أو عوازل لتحسين تأثير التغذية.

 

2.2 خطر التشقق والحلول

(1) الميل العالي للتشقق

صُنع غلاف الصمام هذا من مادة CB2، التي تحتوي على العديد من عناصر السبائك وتتميز بانكماش سائل كبير. انكماش الحجم أكبر بحوالي 20% من انكماش مصبوبات الكروم والموليبدينوم العامة. وهو فولاذ مارتنسيتي مقاوم للحرارة غني بالكروم، وإجهاد الصب وإجهاد التحول الطوري كبيران، مما يجعل المادة عرضة للتشقق. علاوة على ذلك، فإن فرق سمك جدار غلاف الصمام كبير، حيث يبلغ قطر أكبر نقطة ساخنة في المنطقة الوسطى 360 مم، بينما يبلغ قطر أصغر نقطة ساخنة في المنطقة الوسطى 110 مم. توجد مشاكل في تركيز الإجهاد في المواقع ذات الاختلافات الكبيرة في سمك الجدار في المنطقة الوسطى وعند الزوايا المستديرة حيث تلتقي الأنابيب، وقد تحدث شقوق أثناء التصلب بسبب اختلافات الإجهاد.

(2) حلول لمشاكل التشقق

لتحسين مقاومة المادة للتشقق، طُوّرت عملية معالجة حرارية خاصة لغلاف الصمام هذا. أثناء عملية التصنيع، تُضبط بدقة معاملات درجة الحرارة والوقت أثناء المعالجة الحرارية، وذلك لإزالة إجهاد الصب وتحسين البنية الدقيقة للمادة، مما يُحسّن بشكل كبير من أدائها العام.

عند تقاطعات الأنابيب والمناطق ذات الاختلافات الكبيرة في سمك جدار غلاف الصمام، يتم إضافة معدن إضافي ويتم تكبير الزوايا المستديرة لجعل مقطع سمك الجدار ينتقل بسلاسة ومنع الشقوق الناجمة عن تركيز الإجهاد.

يُقسّم غلاف الصمام إلى أقسام لتثبيت معادن ورافعات إضافية لضمان تصلبه المتتالي الاتجاهي ومنع تكوّن الشقوق الساخنة. وبما أن الشقوق الساخنة تتشكل نتيجة تمزق الغشاء السائل أثناء تصلب الفولاذ المصهور، فإن تثبيت معادن ورافعات إضافية يسمح بتجديد الفولاذ المصهور بسلاسة أثناء الانكماش البارد للصب، مما يمنع تمزق الغشاء السائل وحدوث الشقوق الساخنة.

 

2.3 التحكم في دقة الأبعاد

(1) صعوبة في التحكم بالأبعاد

يتميز غلاف الصمام بحجمه الكبير وبنيته المعقدة، مع انكماش غير متناسق في أجزائه العلوية والسفلية، ومتطلبات دقة أبعاد عالية. يتميز القلب الرئيسي في منتصف غلاف الصمام بكثافة عالية، وتؤثر قوى تحمل نوى الرمل المختلفة على الانكماش، مما يُسهّل حدوث انحرافات في أبعاد سمك الجدار. يوجد ضلعان كبيران في المنتصف، مما يعيق فصل غلاف الصمام وإزالة القالب. يزيد استخدام طرق تشكيل تجميع القلب من صعوبة التحكم في الأبعاد.

(2) الحلول

(لم يُقدَّم أي حلول محددة في النص الأصلي لهذا القسم). من خلال محاكاة وزارة الطاقة (DOE) بشروط حدودية مختلفة، يتم اختيار قيمة الانكماش الخطي الأنسب للمؤسسة. ويُعتمد نموذج تحكم عددي لتحسين دقة أبعاد النموذج. ولمعالجة مشكلة ارتفاع القلب الرئيسي في المنتصف، صُمِّم هيكل قلب مُجزَّأ، واعتمدت طريقة تشكيل تجميع القلب للتكيف مع الخصائص الهيكلية المعقدة لغلاف الصمام. ويُجرى كشف بيانات ثلاثي الأبعاد على النموذج والتجويف لضمان دقة الأبعاد واستقرار التشغيل أثناء عملية التشكيل.

 

3. تصميم عملية صب غلاف الصمام

يفرض تصنيع الإنتاج على دفعات متطلبات أعلى على تصميم عمليات الصب، الأمر الذي يتطلب تجارب متعددة للتحقق من استقرار العملية وإمكانية تكرارها، وبالتالي ضمان إنتاج مستقر وعالي الجودة للمنتج.

 

3.1 تصميم مخطط تغذية الصب

بناءً على توزيع مجال درجة الحرارة لجزء غلاف الصمام المُحاكى بواسطة برنامج MAGMA كما هو موضح في الشكل 2، تم تصميم الرافعات والبوابات ومكاوي التبريد بشكل معقول وفقًا لهيكل الجزء وحجم الوحدة ومبادئ تصميم عملية الصب [8].

 

تصميم عملية صب غلاف الصمام هذا: بناءً على تعقيد هيكل الصمام وخصائص المادة، تُجرى عملية التغذية على أقسام ومناطق، مقسمةً إلى ثلاث طبقات. الطبقة الأولى هي منطقة الأنبوب الأفقي السفلي، والطبقة الثانية هي المنطقة المحيطة بالأنبوب الأفقي الأوسط، والطبقة الثالثة هي الحافة الكبيرة العلوية. يُصمم حجم وشكل وموضع الرافعات بناءً على نقاط التقاء هذه الطبقات الثلاث ومتطلبات التغذية الخاصة بها.

 

نسبة حجم الناهض إلى حجم الصب، M riser / M casting، هي تقريبًا 1 إلى 1.2 [9].

 

يضمن التصميم الملائم للرافعة تغذية جميع أجزاء المسبوكة بشكل كافٍ أثناء التصلب. يُستخدم الحديد البارد لإنشاء مناطق طرفية اصطناعية عن طريق عزل مناطق مختلفة، والتحكم في معدل تبريد أجزاء مختلفة من غلاف الصمام، وتعزيز التصلب المتتالي، مما ينتج عنه هيكل أكثر كثافة. باستخدام برنامج محاكاة التصلب MAGMA، تم تحسين تصميم التغذية والرافعات بشكل متكرر. يظهر التصميم النهائي للتغذية والرافعة لغلاف الصمام في الشكل 3.

 

3.2 تصميم نظام الصب

مادة صب غلاف صمام تنظيم صمام البخار الرئيسي لديها سيولة ضعيفة وعرضة لشوائب الأكسدة. إن تصميم نظام صب معقول والتحكم في جودة الصب هما مفتاح ضمان جودة غلاف الصمام. يعتمد غلاف الصمام هذا على تصميم فوهة مزدوجة الطبقة، والذي يمكن أن يتجنب بشكل فعال خطر كسور الصب. على أساس الفوهة مزدوجة الطبقة، يتم زيادة درجة الفتح. يستخدم غلاف الصمام هذا فوهتين مستقيمتين φ120 مم وثماني فوهات داخلية φ100 مم. بالاقتران مع حالة الإنتاج الفعلية، يتم اعتماد صب كيس واحد φ80 مم مع عين كيس مزدوج، مما يجعل عين كيس ΣS: ΣS أفقي: ΣS داخلي ≈ 1:2:3، وسرعة ارتفاع السائل الفولاذي هي 16 مم/ثانية. يمكن أن يضمن مخطط الصب هذا دخول السائل الفولاذي إلى التجويف بسلاسة وسرعة، مما يقلل من مشاكل الغاز المحبوس والشوائب الناتجة عن الملء غير المستقر. كما تم اعتماد صبّ غاز الأرجون الواقي لتقليل درجة أكسدة السائل الفولاذي بفعالية [10]. ووفقًا لاختبارات الإنتاج على دفعات، فإن نظام الصب هذا قادر على رفع السائل الفولاذي بسرعة وسلاسة، مما يُحسّن كفاءة الصب ويضمن جودة صب غلاف الصمام. يوضح الشكل 4 تصميم نظام الصب.

3.3 تحليل نتائج محاكاة التصلب

بناءً على برنامج محاكاة التصلب لعمليات الصب، تم تحسين عملية الصب لغلاف الصمام المعرض لعيوب UT. صُمم مخططان للمقارنة كما هو موضح في الشكل 5. أولًا، استُخدم معيار سلامة تجويف الانكماش للتحليل. أظهر المخطط 1 مؤشرات واضحة لتجويف الانكماش في المواضع المحددة بدوائر في الشكل 6(أ). بعد التحسين، في المخطط 2، وُضع تبريد خارجي مخصص مطابق في هذا الموضع، ولم تُظهر المحاكاة أي مؤشر في هذا الموقع المحدد بدوائر في الشكل 6(ب)، مما أدى إلى حل عيب تجويف الانكماش هذا.

استُخدم معيار نياما لتحليل المخططين 1 و2. في المخطط 1، وُضع تدرج تغذية بنسبة 1:20 عند موضع السهم في الشكل 7(أ)، بينما في المخطط 2، وُضع تدرج تغذية بنسبة 1:10 عند نفس الموضع، كما هو موضح في الشكل 7(ب). بالإضافة إلى ذلك، استُخدم التبريد الخارجي لجعل البنية الدقيقة أكثر إحكامًا. أشارت نتائج نياما إلى أنه عند ضبط معامل نياما على 0.3، ظهرت عيوب مسامية واضحة عند الموضع المُحاط بالدائرة في المخطط 1، كما هو موضح في الشكل 8(أ)؛ أما في المخطط 2، فلم تُلاحظ سوى بعض العروض النقطية عند الموضع المُحاط بالدائرة، كما هو موضح في الشكل 8(ب).

 

بناءً على التحليل المقارن لنتائج المحاكاة المذكورة أعلاه، تم اختيار المخطط 2 في النهاية. أظهر هذا المخطط عيوبًا نقطية فقط في مواضع محلية باستثناء موقع الناهض، ولم يُلاحظ وجود تجويف انكماش أو عيوب مسامية واضحة على غلاف الصمام ككل.

 

تتمتع شركة فيجور بخبرة تزيد عن 20 عامًا وفريق عمل محترف في عمليات الصب والتشكيل. إذا كان لدينا أي مساعدة أو لديكم منتجات تحتاجون إلى تطوير، فلا تترددوا في التواصل معنا على info@castings-forging.com