أجزاء المضخة الرأسية هي المكونات الميكانيكية والهيدروليكية المكدسة التي تمتد من المحرك الموجود على مستوى سطح الأرض نزولاً عبر عمود إلى مجموعة الوعاء المغمور، وتشمل رأس التفريغ، ومحمل الدفع، وعمود الإدارة، ومحامل التوجيه، والدوارات، والموزعات، وقمع الشفط، والمصفاة. في المضخة التوربينية العمودية أو المضخة العمودية المعلقة، لا يتم ترتيب هذه الأجزاء جنبًا إلى جنب كما هو الحال في وحدة الشفط الطرفي الأفقية. بل يتم تكديسها على طول عمود رأسي واحد، مما يعني أن أي مشكلة تحدث عند مستوى معين تنتشر صعودًا أو هبوطًا على طول التكديس.
إن فحص المضخة من الأعلى إلى الأسفل هو أسرع طريقة لفهم وظيفة كل جزء منها والأماكن التي عادةً ما تتعرض فيها للأعطال.
يشرح هذا الدليل مكونات النظام بالترتيب الذي يتحرك فيه الماء وعزم الدوران فعليًّا: حيث يتحرك عزم الدوران لأسفل من المحرك، بينما يتحرك الماء لأعلى من الجرس.
الوجبات الرئيسية
- رأس التصريف — وليس الوعاء — هو الذي يحمل حمل الدفع المحوري للعنصر الدوار بأكمله.
- يحدد طول العمود وامتداد عمود الدوران عدد محامل التوجيه ما تحتاجه، وليس قوة المحرك.
- إن مجموعة الوعاء هي المرحلة الوحيدة التي تقوم بالعمل الهيدروليكي؛ أما كل ما يعلوها فيقوم بنقل التدفق وعزم الدوران.
- الغمر عند جرس الشفط يتحكم في قيمة NPSH المتاحة وسلوك الدوامة — ولا يمكن لمنحنيات المضخة معالجة مشكلة سوء السحب.
- تتجمع الأعطال حسب العمق: مشاكل في السدادات والوصلات في الجزء العلوي، وتآكل المحامل في منتصف العمود، والتآكل والتجويف في الجزء السفلي.
قراءة مضمخة عمودية من الأعلى إلى الأسفل
المضخة التوربينية العمودية (VTP) أو المضخة العمودية المعلقة هي في الأساس نظام نقل حركة عمودي مزود بمضخة طرد مركزي متعددة المراحل معلقة في الجزء السفلي. تصف شركة KSB المضخة الرأسية بأنها تصميم يعمل فيه العمود بشكل رأسي ويكون الطرف الهيدروليكي مغمورًا تحت مستوى السائل، مما يلغي الحاجة إلى التشغيل الذاتي ويقلل من طول الأنابيب الحساسة لمستوى NPSH (مصطلحات المضخات الرأسية من KSB).
افحص الماكينة بالطريقة التي يتبعها فني تركيب الآلات أثناء التشغيل التجريبي: ابدأ من شفة المحرك، ثم انتقل لأسفل عبر رأس التفريغ، وقم بعد أقسام الأعمدة وحوامل المحامل، ثم انتقل إلى مجموعة الوعاء وقمع الشفط. يوجد كل جزء إما لنقل عزم الدوران إلى الأسفل، أو لتوجيه التدفق إلى الأعلى، أو لتثبيت العمود في مواجهة الأحمال الشعاعية والمحورية. إذا تمكنت من تصنيف جزء ما ضمن إحدى هذه المهام الثلاث، فأنت تفهم دوره في المجموعة.
المحرك، ورأس التفريغ، ومحمل الدفع
يكون المحرك في الغالب محركًا ذو عمود مجوف رأسي (VHS) أو محركًا ذو عمود صلب رأسي (VSS) مُركَّبًا أعلى رأس التفريغ. يسمح المحرك VHS بمرور عمود الرأس عبر الدوار ويتم تثبيته بواسطة صمولة ضبط في الجزء العلوي — وتُستخدم هذه الصمولة من قِبل فرق الصيانة الميدانية لضبط خلوص تشغيل المكره داخل الأوعية الموجودة أسفلها بكثير. أما المحرك VSS فيستخدم وصلة صلبة أو فاصلة مع عمود رأس المضخة ويتطلب محمل دفع منفصل في رأس التفريغ أو في المحرك نفسه.
يؤدي رأس التفريغ ثلاث مهام في آن واحد. فهو يحول مسار التدفق الرأسي بزاوية تسعين درجة نحو شفة التفريغ، ويدعم الوزن الكلي للعمود والعنصر الدوار، ويحتوي على صندوق الحشو أو الختم الميكانيكي في المكان الذي يخرج فيه العمود من الغلاف المضغوط. يستقر الرأس على لوح قاعدي أو لوح أساسي مثبت بالجص في الأساس؛ واللوح القاعدي هو الذي ينقل الدفع المحوري ووزن المضخة إلى الهيكل الإنشائي.
موضع محمل الدفع
في تصميم محرك VHS، يوجد محمل الدفع داخل المحرك في الجزء العلوي، ويُعلق عليه الوزن الكامل لعمود النقل والدفاعات وقوة الدفع الهيدروليكية السفلية عبر عمود الرأس. ولهذا السبب تُحدد مواصفات محركات VHS من خلال قدرة الدفع بالرطل بالإضافة إلى قوة المحرك.
يُعد اختيار محرك دون مقارنة معدل الدفع الخاص به مع الدفع السفلي المحسوب لمجموعة الوعاء أحد أكثر الأخطاء شيوعًا في عمليات الشراء بمشاريع التحديث — فقد يؤدي استبدال المحرك بمحرك آخر بنفس القوة الحصانية إلى الحصول على محرك يكون محمل الدفع الخاص به أصغر من اللازم بالنسبة لعمق تركيب أكبر أو لتصميم مختلف للدفاعة.
الإحكام عند الرأس
يخرج العمود من رأس التفريغ إما عبر حشوة ضغط موجودة في صندوق الحشو أو عبر مانع تسرب ميكانيكي من نوع الخرطوشة. تتحمل الحشوة المياه الكاشطة ويسهل ضبطها ميدانيًّا، لكنها تتسرب دائمًا بحكم تصميمها. أما الموانع الميكانيكية فتعمل بعمود جاف وتبقى نظيفة، لكنها تتطلب مياه شطف أو نظام دعم للمانع، كما أنها لا تتحمل اهتزازات العمود المنقولة من الأسفل.
محامل الأعمدة والأنابيب، ومحامل عمود الإدارة، ومحامل التوجيه
يقع العمود بين رأس التفريغ ومجموعة الوعاء — وهو عبارة عن مجموعة من أقسام الأنابيب المزودة بحواف أو ملولبة، والتي تحيط بعمود النقل وتنقل السائل الذي تم ضخه إلى الأعلى. يبلغ طول أقسام العمود عادةً من خمسة إلى عشرة أقدام، بحيث يمكن التعامل معها بواسطة منصة واحدة أثناء التركيب والسحب. وينقسم العمود الداخلي إلى أقسام متطابقة متصلة بواسطة وصلات عمود ملولبة، مع وجود محمل توجيهي عند كل وصلة في العمود أو على فترات ثابتة.
تعمل محامل التوجيه على توسيط عمود النقل وتمتص الأحمال الشعاعية الناتجة عن اهتزاز العمود وحالات عدم المحاذاة الطفيفة. وهي تتوفر في نوعين رئيسيين: مشحم بالمنتج المحامل (المصنوعة من المطاط أو البرونز أو اللدائن الحرارية، والتي يتم تشحيمها بالسائل الذي يتم ضخه) و المشحمة بالزيت أو الشحم محامل داخل أنبوب مغلق. ويُعتبر عمود الدفع المغلق هو الخيار القياسي عندما يكون السائل الذي يتم ضخه متسخًا أو يحتوي على رمل أو منخفض التزييت، لأن مرور الماء الكاشط عبر العجلة المطاطية يؤدي إلى تآكلها وتحويلها إلى مسحوق في غضون موسم واحد.
مكون العمود | الدالة في المكدس | وضع الاستخدام المعتاد | استبدال خلال |
|---|---|---|---|
مقطع أنبوب عمودي | ينقل تدفق التصريف إلى الأعلى؛ ويدعم وزن مجموعة الوعاء | التآكل الداخلي، تآكل الحواف | إصلاح شامل / سحب |
قسم عمود الإدارة | ينقل عزم الدوران من العمود الرئيسي إلى عمود الوعاء | الانحناء، وتآكل أعمدة الدوران في المحامل | قوة سحب المضخة |
وصلة العمود | يربط أجزاء عمود الإدارة، وينقل عزم الدوران | تآكل الخيوط، والتشقق الناتج عن الإجهاد | عند كل سحب أو عند الفحص |
محمل التوجيه (العنكبوت) | يجمع المحور الرئيسي في مكان واحد، ويمتص الحمل الشعاعي | التآكل الكاشط، الانتفاخ (المطاط) | أثناء فحص حامل المحمل |
حامل المحمل / العنكبوت | تثبيت المحامل بشكل متحد المركز في العمود | التآكل، تشقق اللحامات | عند استبدال المحمل |
يتم تحديد المسافة بين المحامل بناءً على نسبة النحافة للعمود وسرعة التشغيل، وليس بناءً على القدرة الحصانية. فالمضخة التي تعمل بسرعة دوران تبلغ 1,800 دورة في الدقيقة والمثبتة على عمق 200 قدم تحتاج إلى عدد أكبر بكثير من محامل التوجيه مقارنة بالمضخة التي تعمل بسرعة دوران تبلغ 1,200 دورة في الدقيقة والمثبتة على عمق 80 قدمًا، حتى لو كانت قوة كلتيهما 100 حصان، لأن السرعة الحرجة للعمود وسعة الدوران تعتمدان على المسافة غير المدعومة.
مجموعة الوعاء، والدوارات، والموزعات
تُعد مجموعة الأوعية القلب الهيدروليكي للآلة. وهي عبارة عن مجموعة من الأوعية المصبوبة، يحتوي كل منها على دافع واحد وناشر واحد، يتم تثبيتها معًا بمسامير لتشكل مضخة طرد مركزي متعددة المراحل مغمورة تحت سطح السائل. تصمم شركة «غولدز ووتر تكنولوجي» خط توربيناتها العمودية بناءً على هذه البنية المكونة من الأوعية المكدسة، مع اختيار عدد الأوعية بحيث يتناسب مع الارتفاع الديناميكي الإجمالي المطلوب (مضخات التوربينات العمودية من شركة «غولدز»).
تعمل كل مرحلة بنفس الطريقة. حيث تقوم المروحة — سواء كانت مغلقة أو شبه مفتوحة أو مفتوحة — بتسريع السائل بشكل شعاعي نحو الخارج، ثم تقوم قنوات الناشر المحيطة بها بتحويل تلك السرعة إلى ضغط وتحويل اتجاه التدفق مرة أخرى إلى الاتجاه المحوري حتى يتمكن من الدخول إلى المروحة التالية الموجودة أعلاها. قم بتكديس المزيد من الأوعية لزيادة الارتفاع؛ وقم بتوسيع المروحة والوعاء لزيادة التدفق.
يتم فصل الرأس والتدفق في هذا الشكل الهندسي، ولهذا السبب تهيمن مضخات VTP على خدمات تبريد الآبار العميقة والمكثفات.
ضبط المكره
يتم ضبط الموضع المحوري للدوار داخل الوعاء من الجزء العلوي للمضخة باستخدام صامولة ضبط المحرك. فإذا تم ضبطه على ارتفاع زائد، فإن حافة الدوار تحتك بحلقة مانع التسرب في الوعاء، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة. أما إذا تم ضبطه على ارتفاع منخفض جدًّا، فإن الدوار يلامس جدران الوعاء، مما يؤدي إلى حدوث خدوش في ريش الدوار في غضون دقائق من بدء التشغيل.
توجد مواصفات الضبط في رسم التجميع؛ فلا تقم بضبطها بالعين المجردة بعد عملية السحب.
مغلقة مقابل شبه مفتوحة
تحافظ المراوح المغلقة على كفاءتها لفترة أطول لأن الغطاء الأمامي يحافظ على الفراغ التشغيلي بين المروحة وحلقة الإحكام. أما المراوح شبه المفتوحة فهي أرخص ثمناً، وتتحمل المواد الصلبة بشكل أفضل، لكنها تتلف بسرعة أكبر حيث يتسع الفراغ بين طرف الريشة وجدار الوعاء مع التآكل. ويعتبر اختيار نوع المروحة مفاضلة بين العمر التشغيلي ومقاومة التلوث، وهي مفاضلة خاصة بكل تطبيق على حدة.
جرس الشفط، والمصفاة، وظروف السحب
في الجزء السفلي من مجموعة الأوعية يتدلى جرس الشفط — وهو قطعة مصبوبة متسعة تعمل على تسريع تدفق السائل بسلاسة إلى فتحة المكره في المرحلة الأولى. ويوجد أسفله عادةً مصفاة سلة أو مصفاة مخروطية لمنع دخول الحطام الكبير إلى الأوعية. وتشكل هذه العناصر معًا نظام السحب الهيدروليكي.
تُظهر سلسلة المضخات الغاطسة ذات المحور الرأسي من شركة KSB كيفية دمج الشكل الهندسي للجرس والمصفاة في وحدة قاعية معلقة واحدة (مضخات KSB SSP الغاطسة العمودية).
هناك ثلاثة شروط للمدخلات تحدد ما إذا كان الجرس سيعمل وفقًا للتصميم أم لا:
- الغمر فوق الجرس، مما يضمن توفر NPSH ويحد من حدوث الدوامات السطحية.
- المسافة بين الأرضية والسيارة أسفل الجرس، مما يمنع تكوّن الدوامات في القاع وإعادة امتصاص المواد الصلبة العالقة.
- المسافة بين الجدار الجانبي والإطار, ، الذي يتحكم في التدفق المتقاطع وسرعة الدخول غير المتماثلة إلى فتحة الجرس.
إن مجموعة الوعاء التي تنتج المنحنى المحدد لها على منصة الاختبار ستظل تتعرض للتجويف والاهتزاز وتؤدي إلى كسر الأعمدة في حوض الرطوبة الذي لا يلتزم بهذه الفراغات. وقد وُضع معيار تصميم مأخذ السحب الصادر عن المعهد الهيدروليكي تحديدًا لأن جرس الشفط هو جزء سلبي — فهو لا يستطيع إصلاح حوض الرطوبة الذي يحرمه من التدفق أو يتسبب في حدوث دوامات فيه.
ما هي الأجزاء التي تتعطل عند أعماق مختلفة؟
تتجمع أعطال المضخات الرأسية حسب الارتفاع، وتستخدم خطة الفحص الجيدة العمق كمحور تنظيمي بدلاً من نوع القطعة.
الارتفاع | الأجزاء المعرضة للخطر | نمط الفشل السائد | أول أعراض ظاهرة |
|---|---|---|---|
عند المحرك / رأس التفريغ | محمل الدفع، الختم الميكانيكي، الحشوة، عمود الرأس | الحمل الزائد على القوة الدافعة، تآكل سطح مانع التسرب، تسرب الحشوة | الحرارة، التسرب، اللعب المحوري |
العمود العلوي | وصلات عمود الدوران، محامل التوجيه العلوية | إجهاد الوصلات، وتآكل المحامل الناتج عن عدم محاذاة المحاور | الاهتزاز في الرأس |
في منتصف العمود | أجزاء عمود الدوران، محامل التوجيه الوسطى | دوران العمود، تآكل المحامل، الإجهاد | الاهتزازات، تقلبات التيار |
مجموعة الوعاء | الدوارات، الناشرات، حلقات إحكام الوعاء، عمود الوعاء | التآكل، التآكل الناتج عن التكهف، فقدان الفراغ | انخفاض الضغط الرأسي وانخفاض التدفق، وفقدان الكفاءة |
جرس الشفط / المصفاة | قالب الجرس، شبكة المرشح، المحمل السفلي | التآكل الرملي، انسداد الحطام، التلف الناتج عن الدوامات | ضجيج التجويف، أمبير المحرك |
يُعد تآكل محامل العمود الأوسط أكثر أنواع الأعطال التي غالبًا ما يتم تجاهلها أثناء "إعادة تجميع المضخة"، التي تركز فقط على الأوعية. فقد تُعاد المضخة إلى الخدمة بأوعية في حالة ممتازة، ومع ذلك تتلف تمامًا في غضون أشهر، وذلك لأن ثلاثة محامل في العمود الأوسط أعيد استخدامها بعد تجاوزها حد التآكل المسموح به بمقدار الضعف.
قائمة مراجعة الأجزاء الخاصة بخطة الفحص
عند سحب المضخة، قم بإجراء الفحص بنفس الترتيب الذي أُخرجت به الأجزاء من البئر، أي من الأعلى إلى الأسفل:
- رأس التفريغ: افحص الجص الموجود في قاعدة اللوح، وافحص هيكل الرأس بحثًا عن أي تشققات عند فوهة التفريغ، وكذلك تجويف صندوق الحشو أو حجرة الختم.
- وصلة المحرك وعمود الدوران: افحص الخيوط، والانحراف، وسطح تثبيت صامولة الضبط.
- محمل الدفع (المحرك أو المضخة): قم بقياس الفراغ المحوري واستمع لتحديد ما إذا كان هناك تلف في مسار الدوران.
- أجزاء الأعمدة: فحص أسطح الحواف، والتآكل الداخلي عند الوصلات، وفقدان الطلاء الخارجي في منطقة الرش.
- أجزاء عمود الإدارة: قم بقياس استقامة الأجزاء على كتل V؛ افحص مناطق أعمدة الدوران الموجودة أسفل كل محمل.
- وصلات العمود: استبدل أي منها تعاني من تلف في الخيط أو تضييق واضح.
- محامل التوجيه: قم بمقارنة القطر الداخلي للمقياس مع القطر الخارجي لعنق العمود؛ واستبدلها كمجموعة، وليس كل قطعة على حدة.
- تجميع الوعاء: افتح على الأقل المرحلتين الأولى والأخيرة؛ قم بقياس الفراغ بين المروحة والوعاء؛ افحص ريش الناشر للتأكد من عدم وجود تآكل.
- عمود الوعاء ومحامل الوعاء: تحقق من استقامة العمود وملاءمة المحامل.
- جرس الشفط والمصفاة: افحصهما للتأكد من عدم وجود تآكل بسبب الرمل، أو فقدان ألواح المصفاة، أو وجود تآكل في أطواق الرمل السفلية أو محامل الأكمام.
قم بتدوين أرقام قطع الغيار ومواقع الأوعية الموسومة برقمها التسلسلي قبل التفكيك. لا يمكن دائمًا تبادل الأوعية بين المراحل بعد استخدامها، لأن أنماط تآكل حلقة الإحكام تتطابق مع المكره الذي عملت معه.
الأسئلة الشائعة
هل يمكنني تشغيل مضخة التوربين العمودي بدون ماء لبضع ثوانٍ أثناء بدء التشغيل؟
لا. تعتمد محامل التوجيه المُشحمة بالمنتج ومحامل الوعاء على السائل الذي يتم ضخه للتبريد والتشحيم. فحتى التشغيل الجاف لفترة وجيزة قد يؤدي إلى تكوّن طبقة زجاجية على المحامل المطاطية أو حدوث خدوش في المحامل البرونزية، وفي الوحدات المزودة بعمود نقل الحركة المغلق، يجب أن يبدأ تدفق زيت التشحيم قبل تشغيل المحرك.
كيف يمكنني معرفة ما إذا كانت المضخة التي أمتلكها تستخدم تصميم عمود نقل الحركة المفتوح أم المغلق؟
انظر إلى الجزء العلوي من رأس التفريغ. تحتوي وحدة العمود الدوار المغلق على زيتة تشحيم صغيرة أو خط تشحيم يغذي أنبوبًا يمتد لأسفل داخل العمود؛ حيث يدور العمود الدوار داخل هذا الأنبوب، معزولًا عن السائل الذي يتم ضخه. أما وحدة العمود الدوار المفتوح فلا تحتوي على مثل هذا الأنبوب — حيث يدور العمود داخل تدفق التفريغ ويتم تشحيمه بواسطة الماء نفسه.
هل أحتاج إلى إزالة المضخة مرة أخرى لاستبدال مانع التسرب الميكانيكي البالي؟
عادةً لا، إذا كان السدادة من النوع الكرتوشي المثبت في رأس التفريغ. يمكن تثبيت عمود الرأس، وفك الوصلة، واستبدال الكرتوش دون المساس بالعمود. كما يمكن إعادة حشو صناديق الحشو القديمة في مكانها.
إلا أن عطل الختم الناجم عن اهتزاز العمود سيتكرر سريعًا ما لم يتم تصحيح المشكلة الأساسية المتعلقة بعمود الإدارة أو المحمل.
ما الذي يتغير عند استخدام نفس مجموعة الوعاء في مضخة عمودية معلقة بدلاً من مضخة VTP للآبار العميقة؟
ويشبه المجمع الهيدروليكي هذا النوع، لكن العمود أقصر، وقد يتم استبدال قمع الشفط ببرميل أو وعاء شفط، وغالبًا ما تتعامل الوحدة مع مياه تبريد المكثف أو سوائل المعالجة بدلاً من المياه الجوفية. وتتجه المواد المستخدمة نحو مقاومة أعلى للتآكل، ويتغير نمط حمل الدفع نظرًا لأن مكون الارتفاع الساكن أصغر.
هل يُسمح بخلط أنواع مختلفة من حواف المروحة داخل مجموعة وعاء واحدة؟
فقط إذا كان المنحنى الذي قدمته الشركة المصنعة ورسم مجموعة الوعاء يدعمان صراحةً عملية التشذيب على مراحل. فالخلط العشوائي لقطع التشذيب عبر المراحل المختلفة يشوه توزيع الرؤوس لكل مرحلة، وقد يؤدي إلى دخول المراحل الوسيطة في دورة إعادة التدوير، كما يؤدي إلى إبطال معظم ضمانات الأداء.
الخاتمة
يمكن فهم التوربين الرأسي أو المضخة الرأسية المعلقة على أنه مركب رأسي: حيث يقع المحرك ورأس التفريغ على مستوى سطح الأرض، ويقوم العمود والعمود الدوار بنقل عزم الدوران إلى الأسفل عبر محامل التوجيه، وتقوم مجموعة الوعاء بالعمل الهيدروليكي أسفل سطح السائل، بينما تقوم قمع الشفط المزود بمصفاة بسحب السائل إلى الدافع الأول. لكل ارتفاع أنماط عطل خاصة به، ونقاط فحص خاصة به، وقائمة قطع غيار خاصة به.
قم بتحديد قطع غيار المضخة العمودية وفحصها وتخزينها بنفس الترتيب الذي توجد به في البئر من الأعلى إلى الأسفل، وبذلك يصبح من الأسهل بكثير الحفاظ على استمرار تشغيل الماكينة بين عمليات السحب المجدولة.