ما هي درجة المواد الأفضل لوصلات الأنابيب الملحومة بعقب في الخدمة في درجات الحرارة العالية؟

فهم متطلبات الخدمة في درجات الحرارة المرتفعة

إن اختيار درجة المواد الصحيحة لتجهيزات الأنابيب الملحومة المستخدمة في الخدمة ذات درجات الحرارة العالية هو توازن بين القوة الميكانيكية والأكسدة ومقاومة التآكل وقابلية اللحام ومقاومة الزحف والتكلفة. تشمل خدمة درجات الحرارة المرتفعة التطبيقات في أفران البتروكيماويات ومحطات الطاقة وأنظمة البخار والمبادلات الحرارية ووحدات تكسير المصافي حيث قد تتراوح درجات الحرارة من 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) إلى أكثر من 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت). قبل اختيار المادة، حدد الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل، ووجود الأنواع المسببة للتآكل (كبريتيد الهيدروجين، والكلوريدات، والغازات الكبريتية)، ومستويات الضغط، وعمر الخدمة المتوقع.

عوامل الاختيار الرئيسية لتركيبات اللحام التناكبي

يجب أن تدفع العوامل التالية اختيار المواد بدلاً من خصائص النقطة الواحدة:
الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل ودورات درجة الحرارة (التعب الحراري)
قوة زحف للإجهاد المستمر في درجات الحرارة العالية
مقاومة الأكسدة وتشكيل الحجم
بيئة التآكل (الأكسدة، الاختزال، المحتوية على الكلوريد)
قابلية اللحام ومتطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام
اعتبارات التكلفة والتوافر والتصنيع

العائلات المادية وسلوكها في درجات الحرارة المرتفعة

فيما يلي مجموعات المواد الشائعة المستخدمة في تجهيزات الأنابيب الملحومة بعقب وكيفية أدائها في سيناريوهات درجات الحرارة العالية.
الفولاذ الكربوني (WPB، WPL6، 20#)
يتم استخدام الفولاذ الكربوني (بما في ذلك الدرجات القياسية المشار إليها باسم WPB، وWPL6، و20#/A105) على نطاق واسع لخدمة درجات الحرارة المعتدلة بسبب الخواص الميكانيكية الجيدة والتكلفة المنخفضة. ومع ذلك، فإن استخدامها في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة يكون محدودًا بسبب الأكسدة والتقشر وفقدان القوة عند درجات الحرارة المرتفعة. تبلغ الحدود العليا النموذجية للخدمة المستمرة حوالي 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) لبعض الفولاذ الكربوني؛ أبعد من ذلك، يصبح الزحف والتقصف والتحجيم مصدر قلق كبير. إذا تم استخدامه فوق درجات الحرارة الموصى بها، فستكون هناك حاجة إلى طلاءات واقية أو عزل أو صناعة السبائك.

الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ (304/304L، 316/316L، 321/321H، 347/347H)
يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مقاومة أفضل للأكسدة والتآكل من الفولاذ الكربوني ويحتفظ بالصلابة عند درجات حرارة مرتفعة. تعتبر 304/304L و316/316L مناسبة حتى درجة حرارة 800 درجة مئوية تقريبًا في البيئات غير المؤكسدة ولكنها قد تعاني من الكربنة والحساسية في الأجواء الدورية أو الكبريتيدية. تحتوي الدرجات المستقرة مثل 321/321H و347/347H على التيتانيوم أو النيوبيوم لمنع ترسيب كربيد الكروم، مما يحسن مقاومة التآكل الحبيبي عند درجات حرارة تتراوح بين 425-850 درجة مئوية. للخدمة المستمرة في ظروف الأكسدة، غالبًا ما يُفضل 316/316L على 304 بسبب الموليبدينوم الذي يعمل على تحسين مقاومة الحفر.
الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج والمزدوج للغاية (S32205/S31803/S32750/S32760/S31254/S32507)
يجمع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بين الهياكل المجهرية من الحديد والأوستنيتي، مما يوفر قوة فائقة ومقاومة محسنة للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي والتآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد مقارنة بالدرجات الأوستنيتي. تعد درجات الطباعة المزدوجة (S32205/S31803) والطباعة المزدوجة الفائقة (S32750/S32760) ذات قيمة عندما يكون التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد والقوة الأعلى مصدر قلق يصل إلى 300-400 درجة مئوية تقريبًا. قد تكون درجة حرارة الخدمة المستمرة القصوى محدودة بتوازن الطور والتقصف عند التعرض لفترات طويلة بين 300-500 درجة مئوية؛ راجع بيانات الشركة المصنعة للنطاقات المسموح بها. توفر الدوبلكس ذات السبائك العالية مثل S31254 وS32507 مقاومة أفضل للتآكل وقدرة على درجة حرارة أعلى من الدوبلكس القياسي، ولكنها لا تزال لا تتطابق مع سبائك النيكل لدرجات حرارة عالية جدًا.
سبائك أساسها النيكل (عائلة إنكونيل، هاستيلوي)
تعتبر السبائك القائمة على النيكل (مثل Inconel 600/625/718 وHastelloy C276/C22) هي الاختيار الأمثل للبيئات شديدة الحرارة والتآكل. إنها توفر مقاومة أكسدة ممتازة، وقوة زحف، ومقاومة للتآكل في الأجواء الكبريتية والمكلورة والمؤكسدة. للخدمة المستمرة فوق 500 درجة مئوية وحتى 1000 درجة مئوية أو أكثر (اعتمادًا على سبيكة معينة)، تتفوق سبائك النيكل في الأداء على الفولاذ المقاوم للصدأ والدرجات المزدوجة. تحافظ درجات Hastelloy وInconel أيضًا على الخواص الميكانيكية تحت التحميل الحراري الدوري. وتتمثل المقايضة في ارتفاع تكلفة المواد والتصنيع بشكل كبير ومتطلبات محددة للحام/المعالجة الحرارية.
التيتانيوم وسبائك التيتانيوم
توفر سبائك التيتانيوم مقاومة ممتازة للتآكل في العديد من البيئات، ونسبة جيدة من القوة إلى الوزن، وثبات يصل إلى حوالي 400-600 درجة مئوية اعتمادًا على السبيكة. وهي ليست مناسبة لأكسدة الأجواء فوق درجات حرارة معينة حيث يحدث تقصف الأكسجين أو فقدان القوة. غالبًا ما يتم اختيار التيتانيوم لمقاومته العالية للتآكل في مياه البحر أو البيئات الكيميائية الغنية بالكلوريد أو المؤكسدة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة بدلاً من القوة الهيكلية شديدة الحرارة.

جدول المقارنة السريعة: درجات الحرارة النموذجية ونطاقات الخصائص

إرشادات الاختيار العملي

اتبع نهجًا تدريجيًا لاختيار أفضل درجة لتركيبات اللحام التناكبي:
تحديد درجة حرارة التشغيل الدقيقة، ورحلات الذروة، والضغط.
التعرف على الأنواع المسببة للتآكل (الكلوريدات، الكبريت، الأكسدة بالبخار) وما إذا كانت البيئة تتأكسد أم تقلل.
للخدمة المستمرة ≥500 درجة مئوية أو عندما يكون الزحف أمرًا بالغ الأهمية، قم بإعطاء الأولوية لسبائك النيكل أو السبائك المقاومة للصدأ ذات درجة الحرارة العالية (على سبيل المثال، 321H، 347H) مع بيانات الزحف الموثقة.
عندما يكون التكسير الناتج عن إجهاد الكلوريد خطرًا ويتطلب القوة، فكر في درجات الطباعة المزدوجة أو فائقة الطباعة - تحقق من حدود درجة حرارة الخدمة المسموح بها.
خذ بعين الاعتبار التصنيع: تتطلب بعض المواد ذات السبائك العالية وقاعدة النيكل مواد مستهلكة متخصصة في اللحام ومعالجات حرارية بعد اللحام لتجنب التحسس أو التقصف.
موازنة تكلفة دورة الحياة: تؤدي زيادة صناعة السبائك إلى زيادة التكلفة الأولية ولكنها يمكن أن تقلل من وقت التوقف عن العمل وتكرار الاستبدال في الخدمة الشديدة.
اعتبارات اللحام والمعالجة الحرارية والتفتيش
يجب أن تكون تجهيزات اللحام التناكبي ملحومة بالإجراءات المناسبة: استخدام معادن الحشو المطابقة أو الموصى بها، والتحكم في مدخلات الحرارة، وتطبيق المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) عندما تتطلب مواصفات المادة ذلك (على سبيل المثال، تتطلب بعض أنواع الفولاذ الكربوني PWHT لاستعادة المتانة). بالنسبة للمواد المقاومة للصدأ (321/347) والمواد المزدوجة، تجنب التعرض لنطاقات درجة الحرارة التي تعزز تكوين الطور غير المرغوب فيه. تعتبر الاختبارات غير المدمرة (التصوير الشعاعي، واختراق الصبغة) وشهادات المواد التي يمكن تتبعها ضرورية للأنابيب الحرجة ذات درجة الحرارة العالية.

الاستنتاجات والاختيارات الموصى بها حسب نطاق درجة الحرارة

قائمة توصيات قصيرة حسب نطاق درجة الحرارة:
ما يصل إلى ~400 درجة مئوية: الفولاذ الكربوني (WPB/WPL6/20#) للخدمة غير المسببة للتآكل؛ الفولاذ الأوستنيتي (316/321) إذا كانت هناك حاجة للتآكل أو مقاومة الأكسدة العالية.
400-600 درجة مئوية: الأوستنيتات المستقرة (321H/347H) أو الأوستنيتيات ذات السبائك الأعلى؛ ضع في اعتبارك عائلة السبائك 625 أو 800 التي تتطلب القوة ومقاومة الأكسدة.
600-1000 درجة مئوية: يوصى باستخدام السبائك القائمة على النيكل (عائلة إنكونيل، هاستيلوي) لمقاومة الزحف على المدى الطويل والحماية من الأكسدة.
البيئات الكيميائية العدوانية أو الكلوريدية: مزدوجة أو فائقة الازدواج (لنسبة T عالية معتدلة) أو سبائك النيكل (لنسبة T أعلى).
يعتمد اختيار درجة المواد "الأفضل" على ظروف الخدمة المحددة. بالنسبة للبيئات شديدة الحرارة والإجهاد والتآكل، توفر سبائك النيكل عادة الأداء الأكثر موثوقية على المدى الطويل على الرغم من التكلفة المرتفعة. بالنسبة لدرجات الحرارة المعتدلة مع الأنواع المسببة للتآكل، غالبًا ما تكون الأوستينيتات المستقرة أو الدرجات المزدوجة هي الاختيار العملي. تحقق دائمًا من صحة الاختيار باستخدام أوراق بيانات الشركة المصنعة، وأكواد التصميم (ASME B16.9/B31.3)، وبيانات المواد الميكانيكية/الزحف الخاصة بالدرجة وهندسة التركيب.

مزيد من الخطوات والمراجع

استشر مهندس المواد لديك والشركة المصنعة لتركيبات اللحام التناكبي للحصول على تقارير اختبار المواد المعتمدة (MTRs)، والمواد الاستهلاكية الموصى بها للحام، وحدود درجة حرارة الخدمة. بالنسبة للخدمات الحيوية، قم بإجراء دراسة توافق المواد وفكر في اختبارات التآكل المعملية أو التجارب الميدانية لتأكيد الأداء على المدى الطويل.