المحاكاة العددية للمعالجة الحرارية بعد اللحام

في معدات الضغط، يمكن أن تؤدي الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام إلى حدوث عيوب في التصنيع وزيادة احتمالية حدوث كسر هش ناتج عن إجهاد منخفض. وقد أصبحت المحاكاة العددية وسيلة لا غنى عنها للتنبؤ بالمناطق التي ستتراكم فيها هذه الإجهادات المتبقية بمرور الوقت.

غالبًا ما تختلف نتائج المحاكاة عن تلك التي يتم الحصول عليها من خلال الاختبارات الميدانية، وذلك بسبب الاختلافات في المدة التي تستغرقها درجة الحرارة للوصول إلى ذروتها.

تأثير درجة الحرارة

تُعد المعالجة الحرارية المحاكية لتخفيف الإجهاد (SPWHT) طريقة فعالة لتقييم الأداء الميكانيكي لمعدات الضغط. وتتمثل هذه الطريقة في تسخين المكونات إلى درجة حرارة محددة لفترة طويلة قبل تبريدها ببطء مرة أخرى. ويمكن أن تساعد المعالجة الحرارية المحاكية لتخفيف الإجهاد (SPWHT) بشكل فعال في التخفيف من عدم التجانس والإجهاد في المكونات الملحومة، مع زيادة الليونة والمتانة.

ومع ذلك، قد تتسبب عمليات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) أيضًا في تغييرات ضارة في البنية المجهرية للمنطقة المتأثرة بالحرارة ذات الحبيبات الخشنة (CGHAZ) في المكونات الملحومة أثناء المعالجة، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة الكسر وتلف الإجهاد. لذلك، من الضروري أن نفهم تمامًا تأثيرها على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية للمنطقة المتأثرة بالحرارة ذات الحبيبات الخشنة (CGHAZ) قبل البدء في عملية PWHT.

توفر محاكاة SPWHT وسيلة فعالة ومجدية من حيث التكلفة لتقييم آثار دورات PWHT المتكررة على الخصائص الميكانيكية للمعدن الأساسي. وللأسف، غالبًا ما تستخدم المحاكاة الحالية مناهج نوعية مبسطة ونماذج تكوينية غير دقيقة للزحف، لا تأخذ في الاعتبار تأثيرات درجة الحرارة وحالة الإجهاد على الإجهادات المتبقية.

تأثير الزمن

غالبًا ما تكون المدة التي تستغرقها المعالجات الحرارية بعد اللحام (PWHT) للوصول إلى درجات حرارة تخفيف الإجهاد والتصلب طويلة بما يكفي لتسبب تشوهات أو انهيارًا للمكونات الهيكلية، مما يستلزم إجراء المعالجات الحرارية بعد اللحام للتطبيع فقط على تلك الهياكل القادرة على تحمل مثل هذه الدرجات العالية من الحرارة، مثل تلك المكونة من أشكال كبيرة ومعقدة مثل أوعية الضغط ذات الأطراف المقعرة الملحومة. ولحماية السلامة الهيكلية أثناء هذه المعالجات ذات درجات الحرارة العالية، يجب ألا تخضع لها سوى الهياكل القادرة على تحمل وزنها بنفسها، وهو ما قد يمثل تحديًا عند التعامل مع الهياكل الكبيرة ذات الأشكال المعقدة، مثل أوعية الضغط التي تحتاج إلى مثل هذه المعالجات.

لا يمكن لتقنيات حيود الأشعة السينية وحفر الثقوب سوى قياس الإجهادات المتبقية السطحية؛ فهي لا تستطيع توثيق ديناميكياتها خلال دورات التسخين-الاحتفاظ بالحرارة-التبريد. ويُعد الفهم الأساسي لهذا السلوك أمرًا ضروريًا لتحسين دورات التسخين بعد التصنيع (PWHT) لبعض المواد مثل زيركالوي-4، حيث يمكن لدورة واحدة من دورات PWHT وحدها أن تخفض الضغوط المتبقية العرضية والطولية بما يصل إلى 140 ميجا باسكال؛ ويتطلب تحقيق هذا التأثير دراسة سلوك استرخاء الإجهاد عند درجات حرارة وأوقات انتظار مختلفة.

تأثير الضغط

نظرًا لمحدودية طرق الاختبار واعتبارات التكلفة، يجب دراسة المعالجة الحرارية بعد اللحام في معدات الضغط بشكل أساسي باستخدام المحاكاة العددية. ولذلك، من الأهمية بمكان اختيار نموذج تكويني مناسب وموثوق به لظاهرة الزحف، من أجل الحصول على نتائج محاكاة دقيقة.

كجزء من الدورة الحرارية لعملية اللحام، يخضع معدن اللحام في أوعية الضغط (منطقة التأثير الحراري - HAZ) لدورة تسخين وتبريد معقدة تؤدي إلى تغيرات كبيرة في البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية لمعدن اللحام (منطقة التأثير الحراري - HAZ). وقد تؤدي هذه التغيرات إلى انخفاض الصلابة عند الصدم وقوة الشد، فضلاً عن حدوث تشققات متأخرة في منطقة التأثير الحراري (HAZ).

طور الباحثون معالجة التسخين بعد اللحام (PWHT) كنهج لتحسين أداء الهياكل الملحومة من خلال تخفيف إجهادات اللحام وتقليل مخاطر حدوث التشققات [1، 2]. تتضمن معالجة PWHT تسخين المكونات حتى نطاق درجة حرارة مثالي، ثم إبقائها عند تلك الدرجة لمدة مناسبة، ثم تبريدها ببطء — وتؤدي هذه المعالجة إلى تحسين البنية المجهرية لللحام، وتقليل الإجهادات المتبقية، وتسهيل إطلاق الهيدروجين القابل للانتشار.

تأثير البيئة

هناك محاكاة متنوعة للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). تتضمن بعضها تعديل درجة الحرارة ومدة المعالجة؛ بينما تركز أبحاث أخرى على التأثيرات البيئية على المعالجة الحرارية بعد اللحام؛ بل إن بعض الدراسات بحثت في ظاهرة الزحف خلال مرحلة التسخين — مما أدى إلى فهم أفضل لتطور الإجهادات المتبقية خلال عملية المعالجة الحرارية بعد اللحام.

ومن العوامل الرئيسية الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار عند المعالجة الحرارية للمعادن الأساسية تأثيرها على خصائصها الميكانيكية، حيث يُحدث التركيب الكيميائي تأثيرًا كبيرًا على القوة والليونة بعد إجراء معالجة PWHT. ويمكن أن تساعد عمليات المعالجة المحاكاة لـ PWHT في تحديد الظروف المثلى للمعالجة الحرارية لأي مادة صفائحية معينة.

تعد المعالجة الحرارية بعد اللحام خطوة أساسية في عملية لحام المكونات المعرضة للتآكل، مثل منصات النفط ومحطات الغاز الطبيعي المسال، التي يتعين عليها تحمل الظروف البيئية القاسية. وتتمثل هذه العملية في تسخين منطقة اللحام إلى نطاق درجة حرارة محدد لفترة زمنية طويلة، قبل تبريدها ببطء للحد من الإجهادات المتبقية الناتجة عن عملية اللحام، وكذلك لتقليل احتمالية حدوث تشققات متأخرة.