متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) وفقًا لمعيار ASME B31-3

وفقًا للنتائج التي توصلت إليها شركة E2G من تقييماتها للكسر الهش، فإن تقليل أو إلغاء المعالجة الحرارية الإلزامية بعد اللحام (PWHT) قد يؤدي إلى زيادة حدوث التشققات الهشة، مع تقليل آثارها الإيجابية على تخفيف الإجهاد وزيادة صلابة معدن اللحام.

تحدد المواصفة ASME B31.3 متطلبات تصنيع/لحام أنابيب العمليات. ويورد الجدول 331.1 الاستثناءات من متطلبات المعالجة الحرارية الإلزامية بعد اللحام، من حيث مجموعات المواد وسماكة التحكم ونوع اللحام.

التسخين المسبق

أدخلت طبعة عام 2014 من معيار ASME B31.3، «أنابيب العمليات»، عدة تعديلات مهمة فيما يتعلق بممارسات التصنيع واللحام الخاصة بأنابيب العمليات. وكان أحد التغييرات الرئيسية هو إدراج متطلبات التسخين بعد اللحام (PWHT) بناءً على نوع مادة الأنابيب؛ وتوفر الفقرة 331.1.1، إلى جانب الجدولين 331.1.1 و331.1.2، هذه المعلومات؛ بالإضافة إلى ذلك، قد تكون هناك استثناءات في حالة استخدام تقنيات التسخين المسبق بشكل مناسب.

يجب مراقبة درجات حرارة التسخين المسبق بعناية باستخدام أقلام تلوين مخصصة لقياس درجة الحرارة، أو مقاييس الحرارة التي تعمل بالمزدوجات الحرارية، أو أي أدوات مناسبة أخرى لضمان وصولها إلى النطاق المحدد في مواصفات إجراءات العمل (WPS) والبقاء ضمنه. يجب أن تمتد منطقة عازلة بعرض 25 مم (1 بوصة) على الأقل إلى ما وراء كل حافة من حواف اللحام للحصول على أفضل النتائج.

بمجرد الانتهاء من عملية اللحام، يجب إخضاع المنطقة للمعالجة الحرارية وفقًا للجدول 330.1.1. تساعد هذه المعالجة على تقليل أو التخفيف من الآثار السلبية الناجمة عن درجات الحرارة المرتفعة أثناء اللحام أو التدرجات الحرارية والضغوط المتبقية الناتجة عن التشكيل والانحناء، كما تساعد على زيادة صلابة معدن اللحام.

للتأهل للاستثناء من التسخين المسبق، يجب لحام مادة الفولاذ الكربوني P1 بسماكة محددة مع تسخين مسبق بدرجة حرارة 95 درجة مئوية. وإلا، فسيتطلب الأمر بعد الانتهاء من اللحام إجراء معالجة حرارية لاحقة، مما يؤدي إلى زيادة التكاليف وتأخير بدء تشغيل أنظمة الأنابيب.

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

تنص قواعد التصميم الحالية في صناعات أوعية الضغط والأنابيب على ضرورة إجراء معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) إذا تجاوز سمك اللحام قيمة محددة، يتم تحديدها بناءً على خصائص اختبار شاربي للمادة المستخدمة. يوفر هذا النهج وسيلة سهلة ومباشرة لتحديد متى يكون التسخين بعد اللحام (PWHT) ضروريًا؛ وهو مقبول عمومًا في الممارسات الصناعية؛ ومع ذلك، من المهم تذكر أن القواعد المختلفة تنص على قيم حدية مختلفة يجب الالتزام بها.

يوثق تقرير معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) (المرجع 1) بوضوح كيف أن متطلبات درجات الحرارة الخاصة بعملية التسخين بعد اللحام (PWHT) في قطاع مرافق الطاقة مرتفعة بشكل مفرط؛ حيث تقترب هذه الدرجات من، بل وتصل في بعض الأحيان إلى، درجات الحرارة الحرجة لمواد الكروم والموليبدينوم (Cr Mo) بسمك 1-1/4 بوصة، مما قد يتسبب في تلف معدن اللحام أثناء عمليات الفحص أو الإصلاح أو الصيانة، ويؤدي إلى إطالة فترات انقطاع التيار بشكل كبير خلال هذه الأنشطة.

كما أن متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للتطبيقات الهيكلية العامة في الجسور والمباني قد تكون مفرطة في التحفظ. وفي حين تتمتع بعض الهياكل بمقاومة كسر كافية لتجنب الحاجة إلى معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT)، فإن المكونات الهيكلية الكبيرة أو الوصلات الملحومة في المقاطع السميكة تتطلب عادةً معالجة حرارية مكثفة بعد اللحام مع فترات انتظار طويلة ومعدلات تسخين بطيئة؛ ولذلك يُفضل التمكن من الاستثناء من هذه العملية حيثما أمكن ذلك.

اختبارات القوة

يجب على المهندسين المسؤولين عن إنشاء وتشغيل أنظمة الأنابيب الضغطية أن يفهموا جميع المتطلبات المنصوص عليها في معيار ASME B31 عند القيام بذلك، مثل إجراءات اختبار التسرب للخطوط الداخلية والأغلفة؛ والاعتبارات المتعلقة بالفراغ؛ ومؤهلات تجميع الوصلات ذات الحواف، ومعايير القبول للفحص بالموجات فوق الصوتية، بالإضافة إلى أي مواصفات إضافية مطلوبة فيما يتعلق بالتصميم والتصنيع والتركيب وتوثيق عمليات الفحص لهذه الأنظمة.

يُجرى اختبار التسرب في أنظمة الأنابيب لتحديد أي نقاط تحتاج إلى إصلاح. وفي حين أن الاختبار الهيدروليكي يتطلب وصول سائل الاختبار إلى ضغط أعلى من الضغط التصميمي، فإن الاختبارات الهوائية تُجرى بدلاً من ذلك عند ضغوط أقل لا تؤدي إلى انفجار أو تمزق في نظام الأنابيب.

لضمان التشغيل الآمن للأنابيب، من الضروري ألا يتجاوز ضغط الاختبار قوة الخضوع للمادة أو القيمة المحددة لها عند درجة حرارة الاختبار. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة عند استخدام الفولاذ الكربوني، حيث قد لا يكفي سمكه لتغطية جميع الإجهادات الحلقية أو الطولية في المكونات.

في مولد البخار ذي التدفق القسري، يجب اختبار نظام الأنابيب عند ضغط يبلغ 1.5 ضعف الضغط التصميمي للنظام — ويتجاوز هذا الشرط المتطلبات المنصوص عليها في قواعد الغلايات وأوعية الضغط، التي تنص على إجراء اختبارات هيكلية قبل تجميع جميع المكونات.

الاختبار المائي

يُعد الاختبار الهيدروليكي، أو اختبار مقاومة ضغط السوائل، عنصراً أساسياً في ضمان الجودة، ويجب إجراؤه بعناية ودقة فائقتين.

تشمل المعدات اللازمة لإجراء اختبارات الضغط هذه مضخات المياه، ومقاييس الضغط المعايرة، وأجهزة تسجيل منحنيات الضغط، وصمامات الإغلاق. علاوة على ذلك، يجب أن يقوم أفراد مؤهلون بإجراء اختبارات الضغط.

يعتمد الاختبار الهيدروليكي على معادلة تأخذ في الاعتبار عدة عوامل، منها درجة حرارة الاختبار وحد الإجهاد المسموح به (الذي يُحسب بناءً على مقاومة الخضوع عند درجة حرارة محددة). يجب أن يتجاوز ضغط الاختبار الهيدروليكي الضغط التصميمي، ولكن يجب الحرص على عدم تجاوز حد الإجهاد المسموح به.

يُعد الاختبار المائي جزءًا لا يتجزأ من ضمان سلامة أي نظام أنابيب، حيث إنه يكشف عن العيوب التي قد لا يتم اكتشافها من خلال تقنيات التقييم غير التدميري (NDE) الأخرى. وللأسف، لا ينبغي اعتبار الاختبار المائي اختبارًا شاملاً للتأكد من صلاحية النظام للخدمة، حيث قد تظل هناك مشكلات لا تظهر من خلاله – فقد تظل الشقوق الدقيقة وعيوب اللحامات مخفية بفعل تدفق المياه؛ في حين أن العيوب الداخلية الأكبر حجمًا، مثل الانهيار الهيكلي، من المرجح ألا يتم اكتشافها من خلال الاختبار المائي وحده.