أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ فائقة الازدواج: الدرجات، PREN والحدود

ما الذي يجعل الازدواج الفائق من الفولاذ المقاوم للصدأ

الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق عبارة عن سبيكة ثنائية الطور مع توازن الفريت والأوستينيت تقريبًا 50:50، مخلوط بحوالي 25 بالمائة من الكروم، و3 إلى 5 بالمائة من الموليبدينوم، و6 إلى 8 بالمائة من النيكل، و0.20 إلى 0.32 بالمائة من النيتروجين. التعيين الحاكم هو الرقم المكافئ لمقاومة التنقر، PREN، المحسوب بالكروم بالإضافة إلى 3.3 مرة الموليبدينوم بالإضافة إلى 16 مرة النيتروجين. درجات الطباعة المزدوجة الفائقة تصل إلى PREN 40 وما فوق؛ دوبلكس قياسي 2205 يقع في 34 إلى 36 ؛ النوع 316L يقع في حوالي 24 إلى 26.

الدرجات التجارية هي UNS S32750، والمعروفة على نطاق واسع باسم 2507؛ UNS S32760، الذي يضيف النحاس والتنغستن لتحسين المقاومة في وسائط الكبريتيك والكلوريد؛ و UNS S32550، وهو عبارة عن وحدة مزدوجة فائقة السبائك منخفضة تستخدم بشكل أساسي في مكونات المضخة المصبوبة والمطاوعة. تم تحديد الثلاثة جميعًا للأنابيب والأنابيب من خلال ASTM A789 للأنابيب، وASTM A790 للأنابيب غير الملحومة والملحومة، وASTM A928 للأنابيب الملحومة الكهربائية المصنوعة من معدن الحشو.

السبب وراء دفع المهندسين للعلاوة هو مزيج لا يمكن توفيره في أي درجة أوستنيتي في نفس الوقت: قوة الخضوع تعادل ضعف 316 لتر تقريبًا، ومقاومة عالية لحفر الكلوريد وهجوم الشقوق في مياه البحر، ومناعة عملية ضد التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد عند درجات الحرارة التي تفشل فيها درجات الأوستنيتي. وضعفها محدد بنفس القدر: فهي مادة محدودة الحرارة ومادة حساسة للمعالجة الحرارية، وتعاقب إجراءات اللحام التي تتجاهل أيًا من الحقيقتين.

الكيمياء وحساب PREN

رقم PREN ليس رقمًا تسويقيًا؛ إنه مؤشر التصميم الذي يفصل بين الدوبلكس والفائق الدوبلكس وسبائك النيكل. نظرًا لأن النيتروجين يساهم بـ 16 ضعفًا من كتلته، فإن فرق 0.05 بالمائة في النيتروجين يحرك PREN بمقدار نقطة كاملة تقريبًا، وهذا هو السبب في أن التحكم في النيتروجين أثناء الذوبان وأثناء اللحام يعد مشكلة قبول حقيقية وليس مجرد حاشية معدنية.

يتم الاحتفاظ بالكربون بنسبة 0.030 بالمائة كحد أقصى في درجات الطباعة المزدوجة الفائقة لأن الكربون يتنافس على الكروم ويعزز حساسية مرحلة الأوستينيت. يعمل النحاس في نطاق 0.50 إلى 1.00 بالمائة في S32760 على تحسين المقاومة لحمض الكبريتيك، والتنغستن في نفس النطاق يرفع PREN دون نفس العقوبة على المتانة التي قد تجلبها إضافة الموليبدينوم المكافئة. لا يعد أي عنصر بديلاً للحصول على النيتروجين والمعالجة الحرارية بشكل صحيح.

بالنسبة للشراء، فإن الكيمياء التي يجب أن تظهر في شهادة المصنع هي تحليل المنتج بجميع العناصر المذكورة أعلاه، وليست شهادة توضح الدرجة ببساطة. يمكن أن يكون الأنبوب ضمن نطاق تركيب UNS ومع ذلك يفشل في اختبار التآكل لأن توازن الطور خاطئ، والتركيب وحده لن يكشف ذلك.

الخواص الميكانيكية والمسموحات التصميمية

يحدد ASTM A790 وA789 حدًا أدنى لقوة الخضوع يبلغ 550 ميجا باسكال وقوة شد لا تقل عن 800 ميجا باسكال لدرجات الطباعة المزدوجة الفائقة، مع استطالة بنسبة 15 بالمائة كحد أدنى في 50 مم، وغطاء صلابة يتم تطبيقه بشكل شائع عند 32 HRC. هذه هي قيم درجة حرارة الغرفة. ونظرًا لأن البنية المجهرية المزدوجة تحتفظ بقوتها بشكل أفضل من الأوستينيت عند درجة حرارة معتدلة، فإن ميزة التصميم لا تختفي عند درجة حرارة التشغيل، على الرغم من أن المادة تصل إلى سقفها العملي لأسباب أخرى عند درجة حرارة أعلى من 250 درجة مئوية تقريبًا.

قوة الإنتاجية العالية لها تأثير مباشر على سمك الجدار ووزنه. بالنسبة لخط مياه البحر المصمم على نفس جزء الضغط المسموح به، يمكن للأنبوب المزدوج الفائق عند 550 ميجا باسكال أن يحمل ما يقرب من ضعفي ونصف ضغط أنبوب 316 لتر عند 205 ميجا باسكال لنفس القطر والجدار، أو تحقيق نفس الضغط عند حوالي 40 بالمائة من الجدار. غالبًا ما يسترد هذا التخفيض جزءًا كبيرًا من علاوة أسعار المواد في المشاريع البحرية ومشاريع تحلية المياه، حيث يكلف دعم الفولاذ والعزل والتركيب كل الحجم مع الوزن.

متانة التأثير هي الخاصية التي تفصل بشكل واضح بين الإرسال المزدوج الفائق الذي تمت معالجته بشكل صحيح عن الإرسال المرفوض. نظرًا لأن المادة نصف فريت تقريبًا، فإنها تمر بمرحلة انتقالية من اللدنة إلى الهشة، وتكون درجة حرارة التحول مؤشرًا حساسًا لهطول الطور بين المعادن. عادةً ما يكون اختبار شاربي عند درجة حرارة تقل عن 46 درجة مئوية مطلوبًا للخدمة ذات درجات الحرارة المنخفضة، ويجب ذكر طاقة القبول في أمر الشراء بدلاً من تركها عند الحد الأدنى القياسي.

وضع مقاومة التآكل حسب الوضع

تأليب المقاومة هي الخاصية الرئيسية. في مياه البحر الطبيعية، تقع درجة الحرارة الحرجة للدرجة المزدوجة الفائقة أعلى بكثير من درجة الحرارة الحرجة البالغة 2205 وأعلى بكثير من 316 لتر، ولهذا السبب يمكن أن تعمل أنابيب المبادل الحراري فائقة المزدوجة وأنابيب مياه البحر في مياه البحر المكلورة دون نظام الجرعات والتنظيف المستمر الذي تتطلبه الدرجات الأوستنيتي.

يعتبر تآكل الشقوق هو الحد الأكثر واقعية، لأن المعدات الحقيقية تحتوي على حشوات ورواسب ولحامات واتصالات داعمة. يبدأ هجوم الشقوق عند درجة حرارة أقل من الحفر، ويجب أن يفترض التصميم وجود شق أينما توجد حشية أو رواسب. وجوه الحافة، والمفاصل من الأنبوب إلى الأنبوب ودعامات الأنابيب هي الأماكن التي تفشل فيها تركيبات الطباعة المزدوجة الفائقة، وليس التجويف الأملس.

إن تكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد هو المكان الذي تكون فيه الحالة الاقتصادية أقوى. تتشقق درجات الأوستنيتي في بيئات الكلوريد التي تزيد درجة حرارتها عن 60 درجة مئوية تقريبًا تحت إجهاد الشد، وتنهار العتبة في وجود الأكسجين والكلوريد المركز. تتميز تقنية Super duplex بمقاومة عالية لأن مرحلة الفريت توقف انتشار الشقوق، وتظل مقاومة عند درجات الحرارة حيث يصبح 316L وحتى أوستنيتيات الموليبدينوم بنسبة 6 بالمائة غير موثوقة.

في الخدمة الحامضة، يكون الموقف أكثر دقة. يعتبر الطباعة المزدوجة الفائقة مقبولة بموجب NACE MR0175 / ISO 15156، ولكن يتم قبول الشروط القياسية على الضغط الجزئي لكبريتيد الهيدروجين، ودرجة الحموضة في الموقع، ودرجة الحرارة، وبشكل حاسم، على الصلابة وفي غياب العمل البارد فوق المستوى المسموح به. يمكن أن يتجاوز الانحناء المشكل على البارد أو نهاية الأنبوب المشغول بالبرودة حد الصلابة ويخرج عن المعيار، على الرغم من أن شهادة المعدن الأساسي متوافقة تمامًا.

حدود درجة الحرارة وهطول الأمطار بين المعادن

تتميز تقنية Super duplex بحد أدنى وحد أعلى لدرجة الحرارة، وكلاهما حدود صارمة وليست إرشادات. يتم تحديد الحد الأعلى من خلال استقرار الطور: بين 600 و1000 درجة مئوية تقريبًا، تترسب المراحل المعدنية الغنية بالكروم والموليبدينوم، بشكل أساسي طور سيجما، بسرعة عند حدود الفريت والأوستينيت. تستهلك مرحلة سيجما الكروم والموليبدينوم من المعدن المحيط، وتدمر المتانة وتخفض مقاومة التآكل إلى أقل من 316L. فوق حوالي 250 إلى 300 درجة مئوية في الخدمة المستمرة، تصبح مرحلة الفريت هشة بشكل تدريجي، ويجب تجنب نظام التقصف عند 475 درجة مئوية تمامًا.

هذا هو السبب في أن المعالجة الحرارية بعد التشكيل أو اللحام ليست تلدينًا عامًا ولكنها تصلب بمحلول محدد عند درجة حرارة 1020 إلى 1100 درجة مئوية يتبعها تبريد سريع، عادةً ما يتم تبريده بالماء أو الهواء القسري، بسرعة كافية لمنع إعادة ترسيب سيجما أثناء المرور عبر نطاق 600 إلى 1000 درجة مئوية. التبريد البطيء من خلال تلك النافذة، أو فرن التلدين الذي لا يمكنه توفير معدل التبريد المطلوب، ينتج أنبوبًا يجتاز اختبار الشد ويفشل في اختبار التآكل.

يتطلب التشكيل الساخن فوق حوالي 1100 درجة مئوية، أو أي عملية تصنيع تحمل الفولاذ في نطاق سيجما، حلًا كاملاً لاحقًا للصلب. تعد الحرارة الموضعية، مثل لهب تخفيف الضغط أو إصلاح اللحام غير المتحكم فيه، مصدرًا شائعًا للبكرات المرفوضة، والقاعدة الصحيحة هي أن الطباعة المزدوجة الفائقة لا يتم تخفيف الضغط بها أبدًا بالمعنى التقليدي، لأن نطاق درجة حرارة تخفيف الضغط يتداخل مع نطاق هطول الأمطار.

اللحام واختيار الحشو والتأهيل

اللحام هو المكان الذي يتم فيه كسب أو خسارة توازن الطور. يجب أن ينتهي معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة بحوالي 35 إلى 55 بالمائة من الفريت، ويعتمد هذا التوازن على مدخلات الحرارة، ودرجة حرارة الممرات البينية، ومحتوى غاز النتروجين وتركيبة الحشو. الممارسة الموصى بها هي إدخال الحرارة في نطاق حوالي 0.5 إلى 1.5 كيلوجول/مم، ودرجة حرارة الممرات البينية أقل من حوالي 150 درجة مئوية، وغطاء أو غاز داعم يحتوي على النيتروجين، عادة 2 إلى 3 بالمائة، لتعويض النيتروجين المفقود من حوض اللحام.

عادةً ما يكون معدن الحشو مخلوطًا بشكل زائد مقارنة بالمعدن الأساسي، مع محتوى النيكل بحوالي 2 إلى 4 بالمائة أعلى من الأصل لتعزيز إعادة تشكيل الأوستينيت في معدن اللحام، ومع وجود ما يكفي من الموليبدينوم والنيتروجين للحفاظ على PREN. يتم استخدام المواد الاستهلاكية المطابقة للتكوين في بعض المواقف، ولكن يجب دائمًا إثبات المؤهل عن طريق الاختبار بدلاً من افتراضه من الشهادة، وذلك باستخدام التكوين المشترك الفعلي ونطاق إدخال الحرارة الذي سيتم استخدامه في الإنتاج.

لا يتم استخدام التسخين المسبق. الهدف هو العكس، الحفاظ على برودة المفصل. إن المدخلات الحرارية العالية والنسيج الواسع ودرجات الحرارة البينية التي تزيد عن 150 درجة مئوية تزيد جميعها من خطر تكوين سيجما والفريت الزائد في المنطقة المتضررة بالحرارة. لا يتم تطبيق المعالجة الحرارية بعد اللحام على الازدواج الفائق، وأي إجراء يتضمن واحدًا يجب رفضه في مرحلة تأهيل الإجراء.

يجب أن يتضمن مؤهل إجراء اللحام، على الأقل، اختبارات الشد والانحناء، وتأثير شاربي على معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة، وعدد الفريت حسب النقاط وفقًا لمعيار ASTM E562، واختبار التآكل في كلوريد الحديديك، وفحص المعادن لجذر اللحام لمراحل الأوستينيت الثانوية والمراحل المعدنية. بالنسبة للخدمة الحامضة، يجب أن يُظهر المؤهل أيضًا الامتثال للصلابة عبر المفصل.

التفتيش والاختبار وقبول الأنابيب المسلمة

إن التحديد الإيجابي للمادة للأنبوب النهائي هو خط الدفاع الأول، لأن خلط حرارة 2205 في ترتيب مزدوج فائق هو وضع فشل متكرر ويبدو الاثنان متطابقين. يعد مضان الأشعة السينية كافيًا لفصل 2205 عن الطباعة المزدوجة الفائقة على الموليبدينوم والكيمياء الحاملة للنيتروجين، بشرط معايرة الجهاز لعائلة الصف؛ يُفضل قياس الطيف الضوئي للانبعاث عندما يكون قرار القبول محل نزاع.

يستحق ASTM A923 اهتمامًا خاصًا لأنه الاختبار الذي يكتشف وضع الفشل الذي لا يستطيع اختبار الشد رؤيته. الطريقة (أ) عبارة عن حفر ميتالوغرافي يكشف عن الطور بين المعادن، والطريقة (ب) عبارة عن اختبار تأثير شاربي مع حد أدنى محدد من الطاقة، والطريقة (ج) عبارة عن اختبار تآكل في كلوريد الحديديك لقياس فقدان الوزن. يجب أن يوضح أمر الشراء الطريقة المطلوبة ومعايير القبول المطبقة، لأن المورد الذي يقدم فقط شهادة الشد لم يثبت الممتلكات الأكثر أهمية.

يجب أن يشير فحص الأبعاد إلى ASME B36.19M لتحديد حجم الأنابيب غير القابل للصدأ والجدول الزمني، ويجب الاتفاق بشكل صريح على فئة تحمل سمك الجدار. يتم طلب الأنابيب غير القابل للصدأ في كثير من الأحيان إلى جدار أكثر إحكامًا من التحمل القياسي للمبادل الحراري وأعمال الضغط العالي، والفرق بين الجدار الاسمي والحد الأدنى يساوي عدة بالمائة من تكلفة المواد.

التطبيقات وأين يتم تطبيق الدرجة بشكل خاطئ

أقوى التطبيقات هي أنظمة مياه البحر: أنابيب مياه الإطفاء، وخطوط الصابورة والآسن، ورؤوس مياه التبريد، وخطوط التحلية ذات الضغط العالي والمحلول الملحي، وخطوط التدفق تحت سطح البحر التي تحمل سوائل الإنتاج الرطبة الحاملة للكلوريد. تعتبر ممتصات إزالة الكبريت من غاز المداخن وأنابيب الملاط الخاصة بها مناسبة طبيعية أخرى، وكذلك خطوط المعالجة الكيميائية التي تتعامل مع الكلوريدات مع الأحماض العضوية، وأنابيب مصنع التبييض في مطحنة اللب حيث تتعايش ظروف الكلوريد والأكسدة.

يتم تطبيق الدرجة بشكل خاطئ عندما يتم اختيارها فقط على PREN دون التحقق من وضع الفشل الفعلي. الأحماض المختزلة القوية، وحمض الهيدروكلوريك بأي تركيز ذي معنى، وخدمة حمض الهيدروفلوريك سوف تهاجم الازدواج الفائق، ولا يساعد PREN الأعلى في ذلك؛ سبائك النيكل أو البطانة غير المعدنية هي الإجابة الصحيحة. وبالمثل، فإن الخدمة ذات درجة الحرارة المرتفعة التي تزيد عن حوالي 250 درجة مئوية، أو أي عملية تقوم بتدوير المعدن عبر نطاق سيجما، يجب ألا تستخدم تقنية الطباعة المزدوجة الفائقة.

أما التطبيق الخاطئ الشائع الثالث فهو متعلق بالتصنيع وليس بالمعادن. يتميز Super duplex بعدم تطابق تمدد حراري أعلى وموصلية حرارية أقل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ويعمل بسرعة، وهو أقل تحملاً بكثير للتركيب السيئ وإصلاح اللحام المفرط. المتجر الذي يتعامل معه مثل 316L سوف ينتج مكبات تفشل في اختبار التآكل، وعادة ما تتجاوز تكلفة هذا الفشل توفير المواد الذي يبرر الدرجة في المقام الأول.

التعليمات

س: ماذا يعني الازدواج الفائق من الناحية الفنية؟
ويصف الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بمقاومة تأليب مكافئة أعلى من حوالي 40، ويتم تحقيقها باستخدام ما يقرب من 25 بالمائة من الكروم، و3 إلى 5 بالمائة من الموليبدينوم و0.20 بالمائة أو أكثر من النيتروجين، مما يعطي توازن الفريت-أوستينيت بالقرب من 50:50 وحوالي ضعف قوة الخضوع لـ 316L.

س: كيف يتم حساب PREN وما هي القيمة التي يجب أن يصل إليها أنبوب فائق الازدواج؟
PREN يساوي الكروم بالإضافة إلى 3.3 مرة الموليبدينوم بالإضافة إلى 16 مرة النيتروجين، وذلك باستخدام تحليل المنتج في نسبة الكتلة. عادةً ما تصل درجات الطباعة المزدوجة الفائقة UNS S32750 وUNS S32760 إلى PREN 40 إلى 43، مقابل 34 إلى 36 للطباعة على الوجهين 2205 ومن 24 إلى 26 للطراز 316L.

س: ما هي درجة حرارة الخدمة القصوى للأنابيب فائقة الازدواج؟
تقتصر الخدمة المستمرة عمومًا على حوالي 250 إلى 300 درجة مئوية، لأن مرحلة الفريت تتقصف فوق هذا النطاق وتترسب مرحلة سيجما بين 600 و1000 درجة مئوية تقريبًا. عادة ما يتم أخذ حد درجة الحرارة المنخفضة للمتانة التي تم اختبارها ضد الصدمات إلى 46 درجة مئوية تحت الصفر.

س: لماذا يجب إخماد الماء على الوجهين الفائق بعد التلدين بالمحلول؟
مطلوب التبريد السريع من 1020 إلى 1100 درجة مئوية درجة حرارة التلدين للمرور عبر نطاق هطول سيجما من 600 إلى 1000 درجة مئوية بسرعة. ينتج التبريد البطيء طورًا بين المعادن يقلل من المتانة ومقاومة التآكل دون تغيير نتائج الشد.

س: هل يمكن استخدام الأنابيب المزدوجة الفائقة في الخدمة الحامضة؟
نعم، ضمن حدود NACE MR0175 / ISO 15156، التي تحدد الصلابة القصوى والضغط الجزئي لكبريتيد الهيدروجين ودرجة الحموضة وظروف درجة الحرارة. يجب أن تظهر مناطق العمل البارد واللحامات والمناطق المتأثرة بالحرارة أنها متوافقة، لأنها عادة ما تكون أكثر صلابة من المعدن الأساسي.

س: ما هي الاختبارات التي تثبت أن الأنابيب فائقة الازدواج التي تم تسليمها سليمة؟
إن التحديد الإيجابي للمادة، وتحليل المنتج باستخدام حساب PREN، واختبار الشد والصلابة، وتأثير Charpy عند درجة الحرارة المحددة، وعدد الفريت وفقًا لمعيار ASTM E562، والكشف عن الطور بين المعادن وفقًا لمعيار ASTM A923، واختبار تآكل كلوريد الحديد وفقًا لمعيار ASTM G48 الطريقة A معًا يوضح الخصائص التي لا يمكن لشهادة الشد وحدها أن توضحها.