النحاس أو البرونز للسباكة؟ كيفية اختيار السبيكة المناسبة عن طريق التطبيق

قام طاقم بلدي في بلدة ساحلية باستبدال 500 صمام كروي مدفون بعد ثمانية عشر شهرًا من الخدمة. لم تكن الصمامات مهترئة. لقد تم تجويفهم. بدت الجثث المقطوعة على مقعد وكأنها إسفنجة، مع غلاف نحاسي رقيق لا يزال يضغط، ولم يتبق تقريبًا أي زنك بالداخل. لم يكن هناك خطأ في التثبيت: كانت الخيوط نظيفة، وكان عزم الدوران صحيحًا، ولم يتجمد الخط أبدًا. كانت السبيكة ببساطة خاطئة بالنسبة للمياه التي تحتوي على ما يقرب من 400 ملغم/لتر من الكلوريد، ولم يكن للفشل أي علاقة بالتصنيع.

تشرح هذه القصة لماذا "النحاس أم البرونز؟" هو أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا في اختيار مواد السباكة، كما أنه من أكثر الأسئلة التي يتم الرد عليها بشكل سيء. تصف كلتا الكلمتين عائلات السبائك ذات نطاق واسع من الأداء الحقيقي. ولا يوجد أي منهما أفضل على المستوى العالمي. إن المتغير الذي يقرر الإجابة في معظم الحالات ليس قوة الشد أو السعر للكيلوغرام الواحد، بل محتوى الزنك وكيمياء ما يتدفق عبر الصمام.

وإليكم الخلاصة قبل الاستدلال:

• اختر النحاس بالنسبة للمياه الصالحة للشرب، والسباكة الداخلية، والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والخدمات العامة حيث تتم معالجة المياه، تكون درجة الحرارة معتدلة، والنظام ليس عدوانيًا بشكل مستمر. يوفر النحاس الخالي من الرصاص أو المقاوم لإزالة الزنك المحدد بشكل صحيح أفضل مزيج من التكلفة وإمكانية التشغيل الآلي وعمر الخدمة.
• اختر البرونزية لمياه البحر، والمياه قليلة الملوحة، والمياه الجوفية عالية الكلور، والبخار والمكثفات، والحلقات ذات درجة الحرارة العالية، والمنشآت المدفونة أو التي يتعذر الوصول إليها، وفي أي مكان يكون إصلاح فشل الصمام مكلفًا.
• تجاهل الملصق واقرأ رقم السبيكة. الجزء الذي يباع على أنه "برونز" والذي يحتوي على 8% زنك و7% رصاص هو نحاس أحمر، وسيتصرف مثل النحاس في الماء العدواني. يمكن للنحاس مع إضافات السيليكون أو الزرنيخ أن يتفوق على البرونز الرخيص في نفس الخط.

يشرح الجزء المتبقي من هذه المقالة سبب تطبيق هذه القواعد، ومكان تعطلها، وما الذي يجب التحقق منه في ورقة المواصفات أو تقرير اختبار المورد قبل الالتزام بأمر الشراء.

تعتمد الإجابة المختصرة على أي نوع من النحاس وأي نوع من البرونز

عبارة "النحاس أو البرونز" تفترض وجود مادتين. ومن الناحية العملية، يحتوي كتالوج السباكة على العشرات من سبائك النحاس تحت هذين العنوانين، والفجوة بين الخيار الأفضل والأسوأ داخل كل عائلة أكبر من متوسط ​​الفجوة بين العائلات.

يغطي النحاس كل شيء بدءًا من قضبان القطع الحرة التي تحتوي على 35% زنك و3% رصاص، والمصنوعة من أجل تصنيع براغي عالية السرعة، وحتى النحاس الأصفر المقاوم لإزالة الزنك، ونحاس السيليكون والنحاس البحري مع إضافة القصدير عمدًا. يغطي البرونز برونز القصدير الأصلي الذي يحتوي على 8% إلى 12% من القصدير، والنحاس الأحمر المحتوي على الرصاص والذي تسميه التجارة "برونز الصمام" بحكم العادة، وبرونز البزموت منخفض الرصاص، وبرونز الألومنيوم المستخدم في مضخات مياه البحر والمراوح.

لذا فإن السؤال الحقيقي ليس أي اسم معدني أفضل. وهي عبارة عن سبيكة محددة، وفي أي حالة مزاجية أو مصبوبة، وفي أي سماكة للجدار، ستتحمل مستوى السائل ودرجة الحرارة والسرعة والكلوريد في التركيب طوال فترة الخدمة المقصودة. بمجرد تأطير الأمر بهذه الطريقة، يصبح الاختيار عادةً واضحًا خلال دقائق قليلة من قراءة تحليل المياه والمخطط التخطيطي للنظام.

ما هو النحاس والبرونز في الواقع؟

كلتا العائلتين تعتمدان على النحاس. والفرق في السلوك يأتي مما يضاف إلى النحاس وكيفية تكوين الجزء، وليس من اللون.

النحاس: النحاس والزنك، والزنك هو الذي يتولى الحديث

النحاس هو النحاس المخلوط بالزنك، عادة ما بين 5% و45%. يجعل الزنك السبيكة أقوى وأرخص، وفي نهاية القطع الحر للنطاق، تصبح الآلة أسهل بشكل كبير. يحتوي قضيب النحاس النموذجي الذي يتم قطعه بحرية على حوالي 61% من النحاس، و35% من الزنك، و3% من الرصاص، ويتم تصنيع الآلات بمعدل لا يمكن أن يضاهيه أي برونز. يتم استخدام النحاس المطروق في أجسام الصمامات لإسقاط الرصاص وضبط نسبة النحاس والزنك من أجل قابلية التشكيل على الساخن.

الزنك هو أيضا نقطة الضعف. وهو العنصر الأكثر تفاعلاً بين العنصرين الرئيسيين، وفي المياه العدوانية يمكن إذابته بشكل انتقائي من السبيكة، تاركًا وراءه بنية نحاسية مسامية. هذه العملية، إزالة الزنك، هي السبب الوحيد الأكثر شيوعًا لفشل النحاس المبكر في السباكة. يحاربه مصممو السبائك بثلاث طرق: إضافة كميات صغيرة من الزرنيخ أو الأنتيمون أو الفوسفور لمنع التفاعل؛ خفض محتوى الزنك إلى أقل من 15% تقريبًا؛ أو التحول إلى نحاس السيليكون، الذي يستخدم السيليكون بدلاً من الزنك للحصول على القوة وهو محصن بطبيعته ضد المشكلة.

البرونز: النحاس والقصدير، ومصيدة "البرونز التجاري".

البرونز الحقيقي هو عبارة عن سبائك نحاس في المقام الأول مع القصدير، عادة بنسبة 5٪ إلى 12٪. القصدير باهظ الثمن، وهذا هو السبب وراء ارتفاع تكلفة البرونز لكل كيلوغرام، ولكنه أيضًا يجعل السبيكة أكثر مقاومة للترشيح الانتقائي، وأكثر تحملاً للكلوريدات، وأكثر استقرارًا في درجات الحرارة المرتفعة. يتم أيضًا صب برونز القصدير جيدًا، ولهذا السبب فإن العديد من أجسام الصمامات وأغطية المضخات القديمة مصنوعة من البرونز المصبوب بدلاً من النحاس المطروق.

هنا الفخ. في تجارة الصمامات، حصة كبيرة مما يُباع على أنه "برونز" هي في الواقع نحاس أحمر محتوي على الرصاص، وغالبًا ما يحتوي على 80% إلى 85% نحاس، و5% إلى 10% زنك، و5% إلى 7% رصاص. يطلق عليه اسم الصمام البرونزي أو النحاس شبه الأحمر لأنه تم استخدامه تقليديًا في أجسام الصمامات المصبوبة، ويعمل بشكل مقبول في المياه الصالحة للشرب النظيفة. ضع نفس الصب في مياه البحر أو في المياه الجوفية العدوانية، وسيبدأ محتواها من الزنك في الأهمية. الدرس العملي: لا تقبل أبدًا "البرونزية" كمواصفات. اطلب كتابةً تعيين UNS أو EN ومحتوى النحاس ومحتوى الزنك ومحتوى الرصاص.

سلوك التآكل هو العامل الحاسم الحقيقي

من السهل مقارنة الخواص الميكانيكية ونادرًا ما تكون حاسمة، لأن كلتا العائلتين تتعاملان بشكل مريح مع ضغوط السباكة العادية التي تتراوح من 10 إلى 16 بار. التآكل هو المكان الذي تتباعد فيه المادتان بشكل حقيقي، وحيث تظهر تكلفة الخطأ بعد ثمانية عشر شهرًا.

إزالة الزنك: مشكلة النحاس، وليست مشكلة النحاس

إزالة الزنك هي عملية ترشيح انتقائية. يتسارع مع ارتفاع محتوى الكلوريد، ودرجة الحرارة المرتفعة، وانخفاض الرقم الهيدروجيني، والمياه الراكدة، وسرعة التدفق المنخفضة. إن بقاء الماء بلا حراك في صمام مغلق لعدة أشهر في خط ساخن مكلور هو أقرب إلى أسوأ الحالات. غالبًا ما تظهر الأعطال أولاً في السيقان الميتة والفروع المغطاة وصمامات العزل التي نادرًا ما يتم تشغيلها.

يقاوم النحاس المانع عملية إزالة الزنك من خلال الإضافات النزرة التي تعزز طبقة الحماية. يقيس اختبار إزالة الزنك القياسي، مثل اختبار الغمر ISO 6509 في محلول كلوريد النحاس، عمق الاختراق في عينة مقسمة ويصنف السبيكة على أنها مقاومة أو حساسة. يستحق هذا الاختبار طلبه لأي نحاس يمكن وضعه في خط مدفون أو نظام ساحلي. إنها محادثة مدتها خمس دقائق مع مورد جاد وتمنع معظم حالات الفشل الموصوفة سابقًا.

حيث يتفوق البرونز ببساطة على النحاس

يقاوم برونز القصدير إزالة الزنك جزئيًا بسبب وجود كمية أقل بكثير من الزنك الذي يمكن ترشيحه، وجزئيًا لأن السبائك الغنية بالقصدير تشكل أغشية سطحية أكثر استقرارًا في بيئات الكلوريد. وفي مياه البحر والمياه قليلة الملوحة، لا يكون هذا الاختلاف هامشيًا. قد يُظهر جسم الصمام النحاسي الأحمر المحتوي على الرصاص إزالة يمكن قياسها من الزنك خلال سنة إلى ثلاث سنوات، بينما يمكن أن يظل برونز القصدير الأصلي أو برونز الألومنيوم في نفس الخط صالحًا للخدمة لمدة خمسة عشر عامًا أو أكثر.

التآكل والسرعة والمواد الصلبة العالقة

التآكل ليس آلية الهجوم الوحيدة. يزيل الماء المتحرك الأفلام الواقية ميكانيكيًا، وتتآكل سبائك النحاس الأكثر ليونة بشكل أسرع. كقاعدة عامة للخدمة المستمرة، يجب أن يقتصر النحاس المقاوم لإزالة الزنك على حوالي 1.5 م/ث في المياه العدوانية، في حين أن برونز القصدير وبرونز الألومنيوم سيتحمل 2.5 إلى 3.5 م/ث، مع برونز الألومنيوم في الجزء العلوي من هذا النطاق. في حالة وجود الرمل أو الطمي أو المواد الصلبة العالقة، أو حيث يتم تفريغ المضخة مباشرة في التركيب، فإن هذا وحده يمكن أن يحسم الاختيار لصالح البرونز.

درجة الحرارة والأمونيا وتكسير الإجهاد

يصبح النحاس أكثر عرضة للخطر مع ارتفاع درجة الحرارة، كما أنه حساس للأمونيا ومركبات الأمونيوم، والتي يمكن أن تسبب تشققات التآكل الإجهادي في الأجزاء المجهدة والمتكونة على البارد. تعد أنظمة البخار والمكثفات، التي تجمع بين الحرارة وكيمياء المكثفات والمواد الكيميائية المعالجة القائمة على الأمونيا، من المناطق البرونزية التقليدية. يتعامل البرونز أيضًا مع التدوير الحراري المتكرر مع خطر أقل لإزالة الزنك الذي قد تسببه المياه الراكدة الساخنة على النحاس الهامشي.

عندما يكون السائل عدوانيًا حقًا، فإن الإجابة الهندسية الصادقة هي تحريكه إلى أعلى الطاولة بدلاً من إضافة طلاء. يعمل الطلاء بالنيكل، الذي يقدمه العديد من الموردين، على تحسين المظهر وإضافة حاجز متواضع على الأسطح الخارجية، لكنه لا يستطيع إيقاف عملية إزالة الزنك من داخل الجسم المبلل. الطلاء هو لمسة نهائية، وليس استراتيجية للتآكل.