المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

تُعد المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) عملية شائعة الاستخدام في أعمال التصنيع والإصلاح الميدانية، وتُستخدم لتقليل الإجهاد المتبقي بهدف تخفيف صلابة مادة اللحام وزيادة قوتها.

تعتمد متطلبات معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) على كل من مادة الأنابيب ومتطلبات مدونة ASME؛ ويقدم الجدول 331.1.1 نطاقات درجات حرارة الاستقرار الخاصة بمعالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) المطبقة على المواد المختلفة الواردة في البند 331.1.1.

القوة

المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) هي عملية تسخين وتبريد خاضعة للرقابة تُطبق على المكونات الملحومة بهدف تحسين خصائصها الميكانيكية وتخفيف الإجهادات المتبقية. تعمل المعالجة الحرارية بعد اللحام على زيادة قوة وصلابة المواد الملحومة، وتقليل عيوب اللحام، والحماية من التشققات التي تساهم فيها العوامل البيئية. كما تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام حركة الانزياح داخل الهياكل البلورية للمواد الملحومة، مما يساعد على تخفيف الضغوط المتبقية وتقليل تركيزات الضغط. عادةً ما تتطلب الأنابيب المعرضة للضغوط البيئية إجراء المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT)؛ وللاطلاع على مناقشة تفصيلية للمتطلبات الخاصة بمختلف مواد الأنابيب، يرجى الرجوع إلى البند 331.1.1 إلى جانب الجداول 331.1.1 و331.1.2 و331.1.3 في معيار ASME B31.3.

تُظهر هذه الصورة الملتقطة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الاختلافات في أسطح الكسر بين العينات التي خضعت للمعالجة الحرارية وتلك التي لم تخضع لها. وتُظهر العينات المعالجة حرارياً أسطح كسر أكثر نعومة، في حين تُظهر العينات غير المعالجة نمط كسر هش مع أنماط تشبه مجاري الأنهار.

الصلابة

المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) هي عملية إعادة تسخين وتبريد تُستخدم لزيادة صلابة المواد الملحومة، وتخفيف الإجهادات المتبقية، وتقليل مخاطر حدوث عيوب في اللحام مثل التشقق. وتكتسب المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) أهمية خاصة عندما تتعرض الأنابيب لضغوط أو إجهادات بيئية، كما هو الحال في خطوط أنابيب النفط والغاز أو محطات الطاقة النووية؛ وغالبًا ما تنص معايير محددة مثل القسم الثامن من معايير ASME على متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام لهذه الأنواع من تطبيقات الأنابيب.

تستخدم عمليات المعالجة الحرارية بعد التشكيل (PWHT) عادةً منحنى تسخين وتثبيت محكومًا بدرجات حرارة أقل من درجة حرارة التحول الأولية للمادة، وذلك لتقليل الآثار الجانبية السلبية المحتملة إلى أدنى حد، مثل تشقق إعادة التسخين والتشوه وفقدان المتانة. ومن الأهمية بمكان إدارة معدلات التسخين والتثبيت ودرجة حرارة التثبيت بفعالية من أجل تحقيق نتائج معالجة ناجحة.

تقارن الصور الملتقطة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الواردة أدناه عينات من أسلاك NiTi الملحومة، بعضها خضع لمعالجات PWHT وبعضها الآخر لم يخضع لها، حيث أسفرت المعالجات الأخيرة عن أسطح كسر أكثر نعومة خالية من الأنماط النهرية. وقد تبيّن أن معالجات PWHT تقلل بشكل كبير من حساسية المواد للتشقق بمساعدة العوامل البيئية، مع زيادة عمرها التشغيلي في الوقت نفسه.

مقاومة التآكل

في ظل ظروف التآكل، قد تصبح الوصلات الملحومة هشة وتتعرض للفشل. وتساعد معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) على التخفيف من هذا الخطر عن طريق خفض مستويات الإجهاد في منطقة اللحام؛ كما أنها تعزز المقاومة ضد التلف الناتج عن الهيدروجين وأشكال التآكل الأخرى.

تعد معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) تقنية معترف بها لزيادة متانة الهياكل الملحومة في المصانع الكيميائية ومصافي النفط والمنشآت الصناعية الأخرى. تساعد هذه العملية على تقليل مخاطر فشل اللحامات إلى أدنى حد، مع زيادة قوة المواد في الوقت نفسه من خلال رفع كل من مقاومة الشد ومقاومة الخضوع. علاوة على ذلك، تساعد معالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT) على منع تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد، فضلاً عن أشكال التآكل الأخرى التي قد تصيب هذه المواد.

تؤدي العديد من عمليات اللحام إلى توليد إجهادات متبقية في منطقة اللحام تتجاوز الحدود التصميمية للمادة، مما يؤدي إلى نمو الشقوق الناتجة عن الإجهاد. ويمكن أن يساهم التسخين بعد اللحام (PWHT) في خفض هذه الإجهادات المتبقية بشكل كبير وتغيير مسارات ومعدلات انتشار الشقوق.

تتطلب العديد من المكونات الملحومة في الأنابيب إجراء المعالجة الحرارية بعد اللحام بالبلازما (PWHT). يمكن أن تقلل المعالجة الحرارية بعد اللحام بالبلازما من قابلية اللحامات للتدهور المعدني، وتزيد من القوة والليونة، كما تعزز مقاومة التآكل في الظروف القاسية. ولكن للأسف، قد يكون للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) تداعيات سلبية على قابلية اللحام وأداء الخدمة؛ ولذلك من الضروري تقييم فوائدها وتكاليفها بدقة قبل الشروع في هذه المعالجة. وفي هذا التقرير، نستعرض أصل هذه المعالجة وأسسها، بالإضافة إلى المتطلبات الحالية والاستثناءات المتعلقة بها في بيئات الخدمة النووية.

المتانة

المعالجة الحرارية بعد اللحام (التي يُشار إليها أيضًا باسم «تخفيف الإجهاد») هي عملية حرارية تهدف إلى تقليل مخاطر حدوث كسر هش ناتج عن الإجهادات المتبقية التي تنشأ أثناء عمليات اللحام. يمكن أن تتراكم الإجهادات المتبقية في مناطق اللحام مع إجهادات الحمل لتتجاوز حدود تصميم المادة، مما يؤدي إلى حدوث تشققات وإجهاد مادي، وفي النهاية إلى الكسر الهش إذا تُركت دون معالجة؛ ويعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) حركة الانزياح داخل البنى البلورية لتحرير هذه التوترات، وهي ضرورية كلما كان هناك احتمال لحدوث تشققات مدعومة بالبيئة في وصلات اللحام.

يتم تحديد متطلبات اختبار الحرارة بعد اللحام (PWHT) من خلال العديد من القواعد التنظيمية، وتختلف الشروط وفقًا لمواد الأنابيب ورقم مجموعتها. تتضمن المواصفة ASME B31.3 لوائح إلزامية لاختبار الحرارة بعد اللحام (PWHT) بناءً على تركيب مواد الأنابيب؛ ومع ذلك، توجد استثناءات من الاختبار الإلزامي في حالة إجراء اللحامات على أنابيب أكثر سمكًا مصنوعة من مواد لحام محددة.

تصبح متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) في أنابيب محطات توليد الطاقة أقل أهمية مع زيادة قطر الأنبوب مع الحفاظ على سماكة الجدار ثابتة، وذلك بسبب انخفاض قيم ظل الزاوية بين متجه الإجهاد الطولي واتجاه اللحام (ثيتا “th”). وبالتالي، فإن الإجهادات المتبقية الناتجة أثناء اللحام تصبح مصدر قلق أكبر في حالة الأنابيب ذات الجدران السميكة مقارنةً بتلك ذات الجدران الرقيقة.