عملية اللحام بالمواجهة (Butt Fusion) في أنابيب ووصلات البولي إيثيلين
من زاوية هندسية، يُعدّ اللحام بالمواجهة في أنابيب ووصلات البولي إيثيلين من أكثر طرق الوصل موثوقية لتحقيق الاستمرارية الإنشائية والهيدروليكية في شبكات نقل الموائع. تتناول هذه المقالة جميع الجوانب الفنية والتنفيذية للتقنية—بما في ذلك التصميم والمعدات وضبط الجودة والمقارنة مع البدائل—بنهجٍ متدرّج.
أهمية اللحام بالمواجهة في البنية التحتية الحديثة
في خطوط نقل المياه والغاز الطبيعي وموائع المخاليط المعدنية وحتى أنظمة الري المضغوطة، يؤثّر اختيار طريقة الوصل مباشرةً في الاعتمادية والسلامة وكلفة دورة الحياة. وبما أنّ منطقة الوصل متجانسة مع جسم الأنبوب، فإن اللحام بالمواجهة يُلغي مراكز تركّز الإجهاد ويُحسّن مقاومة الزلازل وهبوط التربة وصدمة الماء بشكل ملموس. لذلك توصي كثير من المواصفات التصميمية عالميًا بهذه الطريقة للأقطار المتوسطة والكبيرة.
الآلية الفيزيائية للاندماج
عند تسخين طرفي قطعتين من البولي إيثيلين إلى ما فوق نقطة التبلور (نحو 125 °م) وفي نطاق 200–220 °م، تغادر سلاسل البوليمر الطور البلوري إلى طور غير متبلور فتتحرك بحرية وتتداخل. ثم، مع تطبيق ضغط مُتحكَّم به، تمتزج السلاسل عبر الحد الفاصل، وبعد التبريد تعيد منطقة اللحام بناء البنية الأصلية للأنبوب. أي انحراف في الحرارة أو الضغط أو الزمن عن القيم الموصى بها قد يسبب عيوبًا مثل اللحام البارد أو احتراق البوليمر أو المسامية.
خطوات التنفيذ القياسية
النقل والتخزين
تُوضَع الأنابيب على دعامات أفقية مستوية لمنع التفلطح/البيضاوية. التنظيم الجيد في ساحات التخزين يقلّل كمية الإزالة أثناء التسوية (Facing).
إعداد السطح
- إزالة الزوائد والجزيئات بقطعة قماش خالية من الوبر مبللة بإيزوبروبانول 99%.
- التجفيف التام؛ إذ قد تتحول الرطوبة إلى بخار مُحدِث للمسامية.
التثبيت والمحاذاة
تُثبت المشابك طرفي الأنبوب على محور واحد. عادةً ما تقل سماحية عدم التطابق المحوري عن 10% من سماكة الجدار.
التسوية الميكانيكية (Facing)
تزيل أداة دوّارة مقدار 0.2–0.5 مم من كل طرف. يدل خروج رايش موحّد وتماس السكين الكامل مع الطرفين على اكتمال العملية.
التسخين (Soak)
تُدخل صفيحة التسخين المطلية بـ PTFE ويُطبَّق ضغط ابتدائي (Bead-Up) لتشكيل خرز صغير، ثم يُخفَّض الضغط لتمكين نفاذ الحرارة. أزمنة مرجعية لـ PE100:
| القطر الخارجي (مم) | ضغط مرحلة Bead-Up (بار) | زمن النفاذ الحراري (ثانية) |
|---|---|---|
| 110 | 0.15 | 40 |
| 250 | 0.10 | 80 |
| 400 | 0.08 | 120 |
الانتقال السريع (Change-over)
يجب ألا يتجاوز الفاصل بين سحب الصفيحة وإعادة تماس الطرفين 8 ثوانٍ للأقطار الصغيرة و12 ثانية للأقطار الكبيرة.
ضغط الاندماج
يُضبط الضغط النهائي حسب المعيار (مثلًا 0.15 بار لقطر 250 مم، SDR 11) لتشكيل خرزين خارجيين متناظرين.
التبريد تحت الضغط
قبل المناولة أو النقل، يُوصى بمدة تبريد لا تقل عن 10 دقائق لكل 25 مم من سماكة الجدار. يساعد وضع الأنبوب في الظل وبعيدًا عن الرياح على تجانس التبريد.
المعدات والتقنيات الحديثة
- ماكينات CNC هيدروليكية بالكامل: ملفات ضغط/حرارة مُسبقة تقلّل أخطاء المشغّل.
- أنظمة تسجيل البيانات: حساسات رقمية تولّد مخططات ضغط–زمن متصلة للتتبع والتدقيق.
- سخانات بالحثّ الكهرومغناطيسي: تحكّم أدق بالحرارة وتسخين سطحي متجانس.
ضبط الجودة والاختبارات
- فحص بصري: انتظام الخرز الخارجي، غياب الشقوق السطحية، وتناظر الحلقة مؤشرات أولية على صحة الوصلة.
- اختبار الانفجار القصير الأجل: تُضغط عيّنة حتى الفشل؛ ويجب أن يحدث الانهيار خارج منطقة اللحام.
- اختبار الانحناء ثلاثي النقاط: في مشاريع الغاز الحساسة تُثنى العيّنة حتى 180° دون انفصال طبقي.
- التسجيل والتوثيق: يُمنح كل لحام رمزًا فريدًا مع بيانات المشغّل والآلة والوقت ونتائج الاختبارات ضمن “دفتر اللحامات” كجزء من وثائق التسليم.
العيوب الشائعة وطرق المعالجة
| العيب | السبب المرجّح | الإجراء التصحيحي |
|---|---|---|
| لحام بارد | ضغط غير كافٍ أو زمن انتقال طويل | القطع وإعادة اللحام بالمعاملات الصحيحة |
| احتراق البوليمر | حرارة الصفيحة أعلى من المسموح | ضبط الثرموستات؛ استبدال طلاء PTFE |
| مسامية مركزية | رطوبة داخل الأنبوب أو هواء محبوس | تجفيف الأنبوب؛ الحفاظ على ضغط متجانس |
| عدم محاذاة | قاعدة غير مستوية أو فكوك مهترئة | صيانة المعدّة؛ استخدام فواصل/شيّم |
المواصفات والإرشادات المرجعية
- ISO 21307: ثلاثة ملفات للضغط (منخفض، ثنائي المراحل، مرتفع) مع جداول زمن/ضغط دقيقة.
- DVS 2207-1: نهج الضغط المنخفض؛ يركّز على عمر أنبوب يبلغ 100 سنة.
- ASTM F2620: بروتوكول أميركي شمالي بزمن تبريد أقصر.
- المعيار الوطني الإيراني 18648: مواءم للمشاريع المحلية في المياه والغاز.
التأهيل وفق هذه المراجع والحصول على شهادة سارية شرطٌ مسبق لدخول الورش الكبرى.
المقارنة مع طرق أخرى
| الخاصية | اللحام بالمواجهة | الالكتروفيوجن | اللحام بالسوكت |
|---|---|---|---|
| المتانة | مساوية للأنبوب | قريبة من الأنبوب | مناسب لضغوط منخفضة |
| كلفة الوصلة في المشاريع الطويلة | منخفضة | مرتفعة (كوابل/كوابلر باهظة) | متوسطة |
| متطلبات الحيّز | كبيرة | صغيرة | صغيرة |
| وصل أقطار غير متساوية | لا (يلزم محوّل) | نعم | محدود |
| السرعة في الأقطار الكبيرة | متوسطة | سريعة | — |
ملاحظات التصميم والتشغيل
- تباعد اللحامات: في الخطوط ذات الضغط الموضعي، يُترك مسافة لا تقل عن 3× قطر الأنبوب بين لحامين متتالين لتقليل تراكم الحرارة.
- التسخين المسبق للبيئة: دون 5 °م يُفضَّل حجرة مؤقتة مُسخّنة أو هواء ساخن.
- الحماية الكاثودية: في شبكات الغاز، وصلات PE باللحام بالمواجهة لا تتطلّب حماية (لا معدن)، مع احتمال الحاجة عند الفلنجات النهائية.
- المراقبة الدورية: في مياه الشرب تُجرى اختبارات هيدروليكية دورية وفق EN 805 لرصد أي تسرب سريعًا.
مستقبل اللحام بالمواجهة
- روبوتات لحام داخل الخندق: توجيه عن بُعد وتقليل مخاطر السلامة.
- بوليمرات ذكية بحساسات ضوئية: كشف عيوب على الخط دون إيقاف الخدمة.
- النموذج التوأم الرقمي: دمج بيانات اللحام الفورية مع CFD للتنبؤ بعمر الوصلة.
خلاصة
يوفّر اللحام بالمواجهة وصلة متجانسة ومتينة تُعدّ عماد كثير من شبكات نقل الموائع عالميًا. إن الالتزام بمتغيّراته الثلاثة—الحرارة والوقت والضغط—مع معدات مُعايرة ومشغّلين مدرّبين يضمن أداءً طويل الأمد وخاليًا من التسرب. كما ينبغي أن يستند الاختيار بين المواجهة والالكتروفيوجن أو السوكت إلى القطر وظروف التنفيذ ونظرة تكاليف الصيانة. واعتماد المعايير الموثوقة واستثمار تقنيات كالتسجيل الرقمي والتسخين بالحثّ يمهّدان لبنى تحتية أكثر أمانًا واقتصادًا واستدامة.
