ما هي دعامة "X-mas tree" في السخان الناري؟

"X-mas tree" (أو Christmas tree) اسم متداول في الورش والمناقصات لدعامة أنابيب مصبوبة في السخان الناري: دعامة تستقر عليها الأنابيب. إنها من المكونات الداخلية للسخان الناري، وتُصب بدرجات مختلفة بحسب ظروف الخدمة، مثل HK40 وHP-Nb وأنواع 25Cr-20Ni و50Cr-50Ni-Nb أو CT-15C، لا بدرجة واحدة. ولا علاقة لها بتجميعات صمامات رأس البئر المسماة "شجرة عيد الميلاد" المستخدمة في إنتاج النفط والغاز، فالاثنان يُصنعان ويُحددان ويُشتريان بطرق مختلفة تمامًا. إذا ذكر رسم أو مناقصة "X-mas tree" بجوار رقم سخان أو دعامات أنابيب أو علّاقات أو مادة مثل HK40، فالمقصود هو مسبوكة السخان.

لأن الاسم غير رسمي، فالرسم هو الذي يعرّف الجزء. أرسل الرسم، لا الاسم وحده.

ما وظيفة دعامات الأنابيب والعلّاقات وألواح الأنابيب والموجّهات؟

علّاقات السقف تعلّق الأنابيب الإشعاعية الأفقية، أو الطرف العلوي للأنابيب الرأسية، من الهيكل الفولاذي لسقف السخان. وفي التصاميم المعلقة من الأعلى تحمل الوزن الكامل للملف.
الدعامات الوسيطة ودعامات الجدار، ومنها أنواع X-mas tree والسُلّمية، تثبّت الأنابيب الإشعاعية الأفقية عند نقاط على طولها حتى لا تتدلى بين ألواح الأنابيب الطرفية.
ألواح الأنابيب صفائح مصبوبة بنمط من الثقوب. وفي قسم الحمل الحراري تحمل ألواح الأنابيب الوسيطة حزمة الأنابيب وتحافظ على الخطوة بينها بينما تنزلق الأنابيب عبرها أثناء تمددها.
موجّهات الأنابيب تُبقي الأنابيب الرأسية على استقامتها في أسفل القسم الإشعاعي أو أعلاه، فتسمح بالتمدد المحوري وتمنع الحركة الجانبية.

تتشارك جميعها في مهمة واحدة: حمل الأحمال عند حرارة عالية مع السماح للأنابيب بالحركة. فالدعامة التي تعلق تُدخل الانحناء في الأنبوب، والدعامة التي تتدلى تترك الأنابيب تنحني وتتلامس وترتفع حرارتها.

ما ظروف الخدمة التي تتعرض لها دعامات الأنابيب؟

درجة الحرارة. تقع الدعامات في غاز المداخن ولا يبردها مائع العملية، فتتبع حرارة معدنها حرارة غاز المداخن المحيط بها. لذلك يحدد API 560 درجة حرارة تصميم الدعامة من حرارة غاز المداخن الملامس لها مع إضافة هامش (لدعامات الحمل الحراري، زائد 55 °C، أي 100 °F، في الإصدار الخامس). وتضيف مواصفات المشترين المبنية على API 560 أنه لا يجوز الاعتداد بالطلاءات الحرارية المقاومة المطبقة للحماية من التآكل.
الزحف. الحمل الميت من الأنابيب والمائع، المستمر لسنوات عند درجة الحرارة، يجعل المسبوكة تزحف. لذلك تُحدد إجهادات التصميم من بيانات الزحف والانكسار، لا من المقاومة عند درجة حرارة الغرفة.
الدورات الحرارية. يؤدي بدء التشغيل والتوقف وتغيرات الإشعال إلى تسخين الدعامة وتبريدها، ويضيف الاحتكاك الناتج عن حركة الأنابيب حملًا عند مقاعد الأنابيب.
تآكل رماد الوقود. تترك السخانات التي تحرق الزيت المتبقي رمادًا غنيًا بمركبات الفاناديوم والصوديوم التي تنصهر عند درجات حرارة الأفران وتذيب الأكسيد الواقي على سبائك 25Cr. وكثيرًا ما تتعرض الدعامات والعلّاقات للهجوم حتى عندما لا تتعرض الأنابيب، الأبرد، له.
الكبريت والأكسدة. يستهلك الكبريت في الوقود والتعرض الطويل للغاز المؤكسد الساخن المعدنَ من السطح. ويحدد API 560 سماحية تآكل دنيا على الأسطح المكشوفة قدرها 1.3 mm (0.05 in) لمواد الدعامات الأوستنيتية و2.5 mm (0.10 in) للفريتية.

كيف تفشل دعامات الأنابيب المصبوبة؟

التدلي بالزحف والتشوه. تتدلى الأذرع وتهبط مقاعد الأنابيب ويتبعها الملف. والسبب المعتاد هو تشغيل المعدن بحرارة أعلى من حرارة التصميم، غالبًا بعد تغيير الوقود أو معدل الإشعال.
الهدر بسبب رماد الوقود. ترقق وتنقّر وتراكم قشور على الأوجه الساخنة للدعامات والعلّاقات في السخانات التي تحرق الزيت. ووجدت دراسة منشورة لمادة علّاقة دعم من Fe-25Cr-20Ni تآكلًا ساخنًا شديدًا تحت ترسبات كبريتات الصوديوم وخامس أكسيد الفاناديوم.
التقصّف بعد خدمة طويلة. تتقادم سبائك 25Cr المصبوبة عند درجة الحرارة. فتتخشّن الكربيدات وقد يتكوّن طور سيغما، فيصبح المعدن هشًا عندما يبرد. وقد تصمد دعامة متقادمة أثناء الخدمة ثم تتشقق عند التوقف أو أثناء المناولة، كما يصعب إصلاح المادة المتقادمة باللحام.
التشقق من عيوب الصب. الانكماش ومسامية الغاز والشوائب الرملية عند ملتقيات الأضلاع ومقاعد الأنابيب تبدأ منها الشقوق تحت الزحف والدورات الحرارية. وأفادت إحدى المصافي بأن دعامات مصبوبة تشققت انطلاقًا من فراغات الصب فغيّرت نهجها نتيجة لذلك. وسلامة المقاطع عالية الإجهاد لا تقل أهمية عن الدرجة.

بأي درجة يجب أن تُصب دعامة أنابيب السخان الناري؟

اختر أولًا بحسب درجة حرارة المعدن التصميمية، ثم بحسب الوقود.

HK40 (25Cr-20Ni) هي الدرجة القياسية للدعامات المصبوبة في المواضع الإشعاعية الساخنة. وتسمح مواصفات المشترين المبنية على API 560 عادةً بسبيكة 25Cr-20Ni المصبوبة حتى درجة حرارة تصميم تقارب 1,093 °C (2,000 °F) حيث يكون الوقود نظيفًا.
HH (25Cr-12Ni) وHF (20Cr-10Ni) تُستخدمان عند درجات حرارة أدنى، مثلًا في مواضع الحمل الحراري. وتستبعد بعض مواصفات المشترين سبيكة 25Cr-12Ni للدعامات، لذا راجع مواصفة المشروع.
50Cr-50Ni-Nb وفق ASTM A560 هي الحل لهجوم رماد الوقود. ويذكر API 560 الدرجة A560 50Cr-50Ni-Cb بدرجة حرارة تصميم قصوى قدرها 982 °C (1,800 °F). وهي أعلى تكلفة وأقل مطيلية من HK40، فلا تُجدي إلا حيث يكون هجوم الرماد هو الآلية المحددة للعمر.
HP-Nb (25Cr-35Ni-Nb) تُستخدم حيث تحتاج الدعامة إلى مقاومة زحف أعلى مما يوفره HK40، أو حيث طابق المصمم درجة الدعامة مع ملف من HP.

قاعدة رماد الوقود. ينص API 560 على أنه عندما تتجاوز درجة حرارة تصميم الدعامة 650 °C (1,200 °F) ويحتوي الوقود على أكثر من 100 ppm من الفاناديوم والصوديوم معًا، يجب حماية الدعامة. والخيارات هي غطاء بسماكة 50 mm (2 in) من خرسانة حرارية كثيفة قابلة للصب، لا تقل كثافتها عن 2,080 kg/m³ (130 lb/ft³)، للدعامات الإشعاعية أو التي يمكن الوصول إليها، أو سبيكة مقاومة لرماد الوقود مثل 50Cr-50Ni-Nb. وتحدد بعض مواصفات المشترين الحد بطريقة مختلفة، مثل 100 ppm من الفاناديوم وحده أو 150 ppm من الصوديوم والفاناديوم معًا، لذا اقرأ مواصفة المشروع.

ولدرجة 50Cr-50Ni أيضًا سقف. فقد أظهرت اختبارات منشورة في رماد غلايات حقيقي ارتفاع تآكلها بحدة عند 1,050 °C، ويذكر المنتجون حدود خدمة قرب 950 °C. وفوق ذلك تكون الحماية الحرارية المقاومة أو تغيير التصميم هو الطريق المعتاد.

كيف تُصمَّم دعامات الأنابيب للصب؟

أساس الإجهاد. تحدد مواصفات المشترين التي تتبع API 560 إجهاد الحمل الميت بنصف الإجهاد المسبب لزحف 1% في 10,000 ساعة أو نصف إجهاد الانكسار في 10,000 ساعة، أيهما أقل، وتطبق معامل صب قدره 0.8 على جميع قيم الإجهاد.
مقاطع متجانسة. الملتقيات الثقيلة المجاورة لأذرع رفيعة تتصلب أخيرًا وتنكمش. والتقويرات السخية والتغيرات التدريجية في المقطع تعطي مسبوكات أسلم، وملتقيات الأضلاع بالجسم هي حيث يتركز الفحص.
مقاعد الأنابيب. يجب أن يسمح المقعد بانزلاق الأنبوب محوريًا. ونصف قطر المقعد وعرضه وتشطيبه تأتي من الرسم، وبعض التصاميم تتطلب تشغيل المقعد آليًا.
سماحية التآكل. تُضاف سماحية API 560 (1.3 mm للأوستنيتي، و2.5 mm للفريتي، على كل سطح مكشوف) إلى المقطع اللازم للمقاومة.
الوسم. تُصب الدرجة ورقم الصبة عادةً على المسبوكة أو تُختم بها، بحيث يمكن تتبع كل دعامة إلى شهادتها بعد التركيب.
التجميعات بالمسامير أو البراغي. كثيرًا ما تُصب دعامات X-mas tree والدعامات السُلّمية الكبيرة على أجزاء وتُجمع بمسامير أو قضبان قفل، مما يبقي كل مسبوكة بحجم يمكن صبه سليمًا واستبداله لاحقًا.

كيف تُفحص دعامات الأنابيب المصبوبة؟

يضع API 560 خط الأساس ويضيف المشتري إليه. وقد اشترطت إصدارات API 560 ما يلي:

الفحص البصري للدعامات والعلّاقات والموجّهات الإشعاعية المصبوبة، باستخدام MSS SP-55 مرجعًا لعيوب السطح، مع فحوص أبعاد وفق خطة عينات متفق عليها؛
الفحص بالسائل النافذ وفق ASTM E165 للمسبوكات الأوستنيتية (والجسيمات المغناطيسية للفريتية)، مع تخصيص تقاطعات الأضلاع لفحص بنسبة 100%، والتحقق بالسائل النافذ من كل إصلاح؛
التصوير الإشعاعي للمقاطع الحرجة عندما يحدده المشتري، وفق ASTM E446 أو E186، والتصوير الإشعاعي لإصلاحات اللحام الكبيرة. ويُعد الإصلاح كبيرًا عندما يزيد عمق التجويف المُعدّ على 20% من المقطع أو يزيد طوله على 250 mm (10 in)؛
إصلاحات اللحام المنفذة بإجراءات ولحّامين مؤهلين وفق ASME Section IX.

وفوق ذلك يطلب المشترون عادةً شهادات التحليل الكيميائي والشد لكل صبة، والتحقق الإيجابي من المادة (PMI) لكل قطعة، وشهادة طرف ثالث على الفحص.

ماذا يجب أن يتضمن طلب عرض السعر (RFQ) لدعامات أنابيب السخانات النارية؟

الرسم لكل بند مع رقم المراجعة، واسم البند المستخدم في السخان (علّاقة، دعامة وسيطة، X-mas tree، لوح أنابيب، موجّه).
الدرجة والمواصفة: مثلًا ASTM A351 HK40 أو A297 HH أو A560 50Cr-50Ni-Cb. سمِّ المواصفة، لا تسمية الدرجة وحدها.
درجة حرارة المعدن التصميمية، وقسم السخان (إشعاعي، صدمة، حمل حراري)، وما إذا كان السخان يحرق الغاز أم الزيت. وفي حالة الزيت، محتوى الوقود من الفاناديوم والصوديوم.
المواصفة الحاكمة: إصدار API 560، ومواصفة السخانات النارية الخاصة بالمشتري أو بمقاول EPC.
الفحص: معيار الفحص البصري، ونطاق الفحص بالسائل النافذ ومستوى القبول، ومناطق التصوير الإشعاعي ومستوى الشدة، وPMI، وفحوص الأبعاد، وجهة التفتيش الخارجية.
التشغيل الآلي لمقاعد الأنابيب وثقوب البراغي أو المسامير، وأي تجميع أو تركيب تجريبي للدعامات متعددة الأجزاء.
الوسم والشهادات والوثائق المطلوبة مع الشحنة.
الكمية وقطع الغيار وجدول التسليم وأي اعتماد للمورد يشترطه المستخدم النهائي.

للاستبدال دون رسم، يكفي للبدء رسم تخطيطي بالأبعاد وصور للدعامة القديمة وقراءة PMI لسبيكتها. وتسرد صفحة ما نحتاجه لتقديم عرض السعر البقية.

هل تصب Ni-Chrome دعامات أنابيب السخانات النارية؟

نعم. نصب علّاقات السقف والجدار، والدعامات الوسيطة، ودعامات X-mas tree، والدعامات السُلّمية، وألواح الأنابيب، وموجّهات الأنابيب، وقضبان القفل من HK40 وHH وHP-Nb و50Cr-50Ni-Nb، في قوالب رملية، مع صب الدرجة ورقم الصبة على المسبوكة.

أرسل رسمًا لدعامات الأنابيب →

الأسئلة الشائعة

هل دعامة X-mas tree في السخان الناري هي نفسها شجرة عيد الميلاد في رأس البئر؟

لا. دعامة X-mas tree في السخان الناري هي دعامة أنابيب مصبوبة داخل السخان، الجزء الذي تستقر عليه الأنابيب. أما شجرة عيد الميلاد في رأس البئر فهي تجميعة صمامات أعلى بئر نفط أو غاز. يشتركان في اللقب ولا شيء غيره.

لماذا تعمل دعامات الأنابيب بحرارة أعلى من الأنابيب؟

تُبرَّد الأنابيب من الداخل بمائع العملية. أما الدعامات فلا تُبرَّد إطلاقًا، فتستقر قريبًا من حرارة غاز المداخن المحيط بها.

متى يجب أن تكون الدعامات من 50Cr-50Ni-Nb بدلًا من HK40؟

عندما يحرق السخان زيتًا يحتوي على كميات معتبرة من الفاناديوم والصوديوم وتعمل الدعامة فوق نحو 650 °C. عندئذ يشترط API 560 إما غطاءً حراريًا مقاومًا أو سبيكة مقاومة لرماد الوقود. ومع الإشعال بالغاز النظيف يكون HK40 الخيار المعتاد.

هل يمكن إصلاح دعامات الأنابيب المتقادمة باللحام؟

غالبًا ليس بشكل موثوق. فالخدمة الطويلة عند درجة الحرارة تترك سبائك 25Cr هشة بسبب الكربيدات الخشنة وطور سيغما. وعادةً تُستبدل الدعامة المتقادمة المتشققة، وأي إصلاح يتطلب تقييمًا معدنيًا للجزء الفعلي.

أي مواصفة تغطي دعامات أنابيب السخانات النارية؟

API 560، Fired Heaters for General Refinery Service، يغطي درجة حرارة تصميم الدعامات والإجهادات المسموح بها والمواد وقاعدة رماد الوقود والفحص. أما المسبوكات نفسها فتُشترى وفق ASTM A297 أو A351 أو A560 بحسب الدرجة.

هل تُصب دعامات الأنابيب في الرمل أم بالطرد المركزي؟

في الرمل. فالدعامات والعلّاقات ودعامات X-mas tree وألواح الأنابيب أشكال غير منتظمة، لذا تُصب صبًّا ساكنًا في قوالب رملية. أما الصب بالطرد المركزي فهو للأجزاء المستديرة مثل الأنابيب والجلب.

المصادر

هل تحتاج إلى صب دعامات أنابيب؟ اطلع على المسبوكات التي نصنعها ودرجات السبائك لدينا، أو أرسل إلينا رسمًا.

مسبوكات دعامات الأنابيب في السخانات النارية: دعامات "X-mas trees" والعلّاقات وألواح الأنابيب