أدى انفجار وحدة تبريد في سوبر ماركت إلى فتح تحقيق جنائي يركز على الصمام الإبري. أشار التحليل الأولي إلى فشل ناتج عن إجهاد الفولاذ المقاوم للصدأ، لكن إعادة البناء ثلاثي الأبعاد كشفت عن الجاني غير المتوقع: التآكل الناتج عن النفث عالي السرعة الناتج عن ثاني أكسيد الكربون في الحالة فوق الحرجة. تُظهر هذه الحالة أن الظروف عبر الحرجة يمكنها تسريع تدهور المكونات المصممة للدورات دون الحرجة بشكل كبير.
نمذجة التآكل باستخدام CFD وتحليل الإجهادات في SolidWorks 🔧
لفهم الفشل، تمت نمذجة تدفق ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج في ANSYS CFX. أظهرت المحاكاة أنه عند الوصول إلى ظروف قريبة من النقطة الحرجة، تولد كثافة ولزوجة المائع نفثًا عالي السرعة يصطدم مباشرة بإبرة الصمام. يتسبب هذا الاصطدام في تآكل دقيق موضعي، مما يقلل من سمك المادة. لاحقًا، تم استيراد الهندسة المتآكلة إلى SolidWorks لإجراء تحليل إجهادات ثابتة وإجهاد. أشارت النتائج إلى أن القسم الرقيق بسبب التآكل كان يركز إجهادات أعلى بكثير من حد الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ، مما أدى إلى بدء تشققات أدت إلى الكسر الكارثي. أكد المسح ثلاثي الأبعاد باستخدام GOM Inspect شكل السطح المتآكل، متطابقًا مع مناطق سرعة التدفق الأعلى التي تنبأت بها CFD.
دروس لتصميم الأنظمة عبر الحرجة 💡
افترض التصميم الأصلي تدفقًا متجانسًا وظروفًا مستقرة، لكن واقع الدورة عبر الحرجة أدخل نظام تآكل لم يؤخذ في الاعتبار. الدرس الرئيسي هو أن إجهاد المواد في أنظمة ثاني أكسيد الكربون لا يعتمد فقط على الأحمال الميكانيكية، بل على التفاعل الكيميائي والفيزيائي للمائع في الحالة فوق الحرجة. للتصاميم المستقبلية، من الضروري دمج محاكاة CFD متعددة الأطوار مع تحليل الإجهاد منذ المرحلة المفاهيمية، مع التحقق من خلال المسح ثلاثي الأبعاد الدوري في النماذج الأولية. تجاهل هذه الظاهرة يمكن أن يحول صمام التمدد إلى نقطة فشل حرجة ومتفجرة.
ما هي العوامل الحرجة التي تم تحديدها في محاكاة CFD للصمام الإبري في نظام ثاني أكسيد الكربون عبر الحرج والتي تفسر تكون وانتشار شقوق الإجهاد التي أدت إلى انفجار وحدة التبريد؟
(ملاحظة: إجهاد المواد يشبه إجهادك بعد 10 ساعات من المحاكاة.)