متطلبات المعالجة الحرارية لما بعد اللحام لأنابيب الصلب الكربوني ASME B31.3

منذ طبعة عام 2014 من ASME B31.3، تم إعفاء أنابيب الصلب الكربوني السميك من متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) مع اشتراط اللحام متعدد الممرات فقط وعدم الحاجة إلى شرط التسخين المسبق. أثيرت مخاوف من أن مثل هذه الإعفاءات قد تكون غير آمنة.

تهدف هذه الورقة البحثية، التي يرعاها معهد بحوث الطاقة والموارد الطبيعية وكتبها أعضاء فريق مركز تقييم المخاطر، إلى دعم التغييرات في الحد الأدنى لمتطلبات درجة حرارة الحرارة الدنيا للمعالجة الحرارية الفائقة في الكودين B31.1 و B31.3 بالإضافة إلى تغييرات مماثلة في أماكن أخرى في الكودات.

درجة الحرارة الدنيا للتسخين المسبق

تختلف متطلبات الحد الأدنى لدرجة حرارة التسخين المسبق في ASME B31.3 اختلافًا كبيرًا بين الرموز والمعايير، وربما يعكس ذلك ظروف الخدمة المختلفة التي يتناولها كل معيار أو رمز. تنشأ مخاوف حقيقية عندما تبدو متطلبات أحد الكودات أو المعايير مفرطة من منظور تقني - مثال على ذلك متطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لمواد الصلب الكربوني.

إن متطلبات درجة حرارة PWHT التي حددتها الكود قريبة من درجات الحرارة الحرجة المنخفضة للفولاذ الكربوني، مما قد يؤدي إلى إعادة تسخين مناطق اللحام وإضعاف قوتها بشكل كبير. ومع ذلك، كشفت الدراسات أنه يمكن الحفاظ على صلابة ومتانة اللحامات P رقم 4 بعد المعالجة الحرارية الحرارية الحرارية الفائقة في درجات حرارة أقل من تلك المحددة في متطلبات الكود الحالية.

على الرغم من أنه قد تكون هناك مخاوف، إلا أنه يوجد دعم قوي للحفاظ على متطلبات التسخين المسبق الحالي ومتطلبات PWHT ل P رقم 4. وجدت دراسة أجريت برعاية معهد EPRI أنه يمكن إجراء التسخين المسبق للحرارة قبل التسخين عند درجات حرارة أقل مما هو مطلوب حاليًا في الكودين B31.1 و B31.3 مع الاستمرار في إنتاج خصائص مواد مقبولة - مما يوفر المزيد من المرونة في التصميم، وهامش أمان أكبر لوصلات المواد غير المتشابهة، وإزالة التشقق في مناطق اللحام في المواد P رقم 4 المعرضة للتأثر.

درجة الحرارة القصوى للتسخين المسبق

يتطلب ASME B31.3 أن تستوفي المواد الحد الأدنى من درجة حرارة التسخين المسبق التي يمكن عندها بدء المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). PWHT هي عملية محكومة يتم فيها تسخين اللحامات إلى ما دون درجة حرارة التحويل الحرجة الدنيا لفترة زمنية محددة لتقليل الضغوط المتبقية والتغيرات في البنية المجهرية الناتجة عن اللحام؛ بالإضافة إلى ذلك قد يساعد على زيادة الصلابة عن طريق زيادة عمليات التصلب أثناء المعالجة الحرارية لما بعد اللحام.

أدخلت طبعة عام 2014 من ASME B31.3 العديد من التنقيحات الهامة على متطلبات PWHT لأنابيب المعالجة، وخاصةً لحامات الفولاذ الكربوني التي تلبي متطلبات ASME القسم الثامن القسم 1 التي كانت تحتاج في السابق إلى التلدين بعد اللحام (PWA).

وقد تم تنفيذ هذا التغيير بناءً على طلب من RRAC، الذي سلط الضوء على أن درجات حرارة PWHT B31.1 وB31.3 من ASME B31.3 قريبة من درجات حرارة التحول الحرجة الدنيا للمواد مما يؤدي إلى خسائر غير ضرورية في قدرة التصلب بسبب التسخين الزائد. لمعالجة هذه المشكلة، أوصى التقرير بتغيير متطلبات PWHT بين 1200-1300 درجة فهرنهايت. بالإضافة إلى ذلك، يجب تحديد 150 درجة كحد أقصى فوق PWHT، بما يتماشى أكثر مع متطلبات BS 2633.

الحد الأدنى من وقت الانتظار

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام لأنابيب الصلب الكربوني عن طريق المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT). ويهدف هذا لتجنب التشقق بمساعدة البيئة لمفاصل أنابيب الصلب الكربوني وأيضًا لتقليل الضغوط المتبقية الناتجة عن اللحام مع زيادة صلابة معدن اللحام. بالإضافة إلى ذلك، تساعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام على تخفيف التدهور البيئي والحماية من التآكل.

تختلف متطلبات PWHT حسب الكود ومجموعة المواد. على سبيل المثال، يحدد B31.3 الحد الأدنى لزمن التثبيت 15 دقيقة للفولاذ منخفض السبائك و20 دقيقة للفولاذ 2.25%TCr-1%Mo على التوالي على أساس الحد الأقصى لمستويات الكربون وسماكات اللحام المسموح بها في كل مجموعة؛ وينطبق هذا الحد الأدنى لزمن التثبيت على كل من اللحامات ذات الممر الواحد واللحامات متعددة الممرات.

قد لا يكون PWHT ضروريًا دائمًا؛ على سبيل المثال، في حالة الأوعية الفولاذية الملحومة مثل صهاريج تخزين النفط. على الرغم من أنها مصممة لتحمل ضغوط تصل إلى 5000 رطل لكل بوصة مربعة، إلا أن خطر الفشل الهش يظل قائمًا بسبب التدرجات الشديدة لدرجات الحرارة والضغوط في وصلات اللحام.

يمكن أن تكون عمليات المعالجة الحرارية الفائقة للحرارة الفائقة مكلفة وغير مريحة؛ ولهذا السبب، توفر بعض السلطات القضائية إعفاءات لأنابيب الصلب الكربوني. وعلاوة على ذلك، تهدف متطلبات سلسلة كود B31.3 إلى تحقيق توازن فعال بين السلامة والكفاءة عندما يتعلق الأمر بمتطلبات المعالجة الحرارية الفائقة PWHT.

الحد الأقصى لوقت الانتظار

المعيار ASME B31.3 هو معيار وطني أمريكي يغطي متطلبات الأنابيب المستخدمة في مصافي البترول، والمواد الكيميائية والصيدلانية والهيدروجينية ومصانع النسيج والورق واللب والمفاعلات النووية ومحطات أشباه الموصلات وكذلك مرافق توليد الطاقة ومحطات ضواغط الغاز الطبيعي وكذلك محطات توليد الطاقة. وتتناول المواد والمكونات اللازمة لتصميم التصنيع والتجميع والتركيب وفحص التركيب وفحص فحص الأنابيب.

كما في حالة اللحامات، يجب تعديل درجات حرارة التسخين المسبق بناءً على سُمك كل لحام. قد تتطلب اللحامات الرقيقة درجات حرارة تسخين مسبق أقل من اللحامات الأكثر سمكًا للحامات الخاصة بها؛ ومع ذلك، يظل الوقت اللازم لكل مرحلة ثابتًا.

قبل المراجعة، تم وضع حدود سُمك اللحام الإلزامية PWHT قبل المراجعة بناءً على الممارسة والخبرة الهندسية الجيدة. ومع تقدم ميكانيكا الكسر منذ التطبيق الأولي لهذه الحدود وفقًا للممارسات والخبرة الهندسية الجيدة؛ وقد تم تنقيحها منذ ذلك الحين في ضوء منحنيات الإعفاء المحسوبة القائمة على الصلابة التي تتطلب متطلبات سماكة جدار أدنى أعلى في الفولاذ الكربوني مقارنةً بمثيلاتها القديمة.

يتطلب لحام PWHT في معظم الحالات الآن 19 مم كحد أقصى لسماكة اللحام - أقل بكثير من الرموز الإنشائية العامة مثل BS 5400 للجسور) أو الرموز المتخصصة الأخرى مثل ASME B31.1 التي تحكم أوعية الضغط وأنابيب الطاقة وAPI 650 التي تحكم بناء صهاريج التخزين الكبيرة.