حلول PWHT - ضمان المتانة والسلامة في الهياكل الملحومة

تقلل المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) من الإجهادات المتبقية التي يمكن أن تؤدي إلى تشويه وتشقق الهياكل الملحومة، بالإضافة إلى منع تطور الكسر الهش والتشقق الإجهادي والتآكل الإجهادي والتعب في هذه المواد. تتضمن المعالجة الحرارية لما بعد اللحام تسخين معدن اللحام إلى درجة حرارة محددة لفترة طويلة، ثم التحكم في هذه العملية لتجنب الإفراط في التليين والتقصف المزاجي والتشقق.

اللحام والمعالجة الحرارية

يُعد اللحام جزءًا لا يتجزأ من عملية إنشاء الهياكل الفولاذية، ولكن قد تؤدي الضغوط المتبقية إلى انهيارها. ولمعالجة هذا الخطر، يجب استخدام المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) بعد اللحام لتخفيف مستويات الإجهاد داخل الهيكل والحفاظ على سلامته.

تتضمن حلول PWHT عملية حرارية تتضمن تسخين المعدن الملحوم إلى درجات حرارة محددة لفترة طويلة، ثم تبريده تدريجيًا مرة أخرى بمرور الوقت. يساعد ذلك على تخفيف أي إجهادات متبقية في اللحام مع تحسين الخواص الميكانيكية وتحسين البنية المجهرية في نفس الوقت.

تعتمد متطلبات pwht على سبيكتك وسُمك المقطع العرضي ومتغيرات المشروع الأخرى؛ ولكن بشكل عام، يميل الفولاذ السميك المقطع إلى أن يتطلب ذلك بشكل أكثر تكرارًا بسبب القيود التي تسبب أسطحًا أكثر ضعفًا قد تتسبب في حدوث كسر هش في الكسر.

يمكن أن تساعد تقنية المعالجة الحرارية الفائقة PWHT في هذا الجهد من خلال تلطيف منطقة اللحام الصلبة (HAZ)، مما يساعد على منع حدوث كسور هشة أثناء الخدمة وزيادة قوة اللحام.

الضغوط المتبقية

الإجهادات المتبقية عبارة عن إجهادات داخلية متوازنة ذاتيًا في المكونات تنتج عن معدلات التسخين والتبريد غير المنتظمة المتزامنة، أو الاختلافات المحلية في معدلات الانكماش بين أجزاء اللحام، أو الإجهادات المرتبطة بتحويلات الطور في المعدن، أو الأحمال الخارجية التي تبقى بعد اكتمال اللحام. عندما تزيد هذه الإجهادات المتبقية من الأحمال الخارجية المطبقة خارجيًا فإنها تزيد من مستويات الشد في المواقع الحرجة من الهيكل مما يؤدي إلى ارتفاع التوتر في المواقع الحرجة لتخفيف الضغط، والذي بدوره يسبب بدوره ارتفاع التوتر في المواقع الحرجة بينما يقلل في الوقت نفسه من الإجهاد الضاغط في أماكن أخرى. يمكن أن يؤدي اللحام إلى إحداث إجهادات متبقية بسبب دورات التسخين/التبريد المتزامنة غير المنتظمة أو الاختلافات المحلية بين الأجزاء أو اختلاف معدلات التبريد بين الأجزاء أو الإجهاد المرتبط بالتحويلات الطورية بين مراحل عملية اللحام أو الإجهاد المرتبط بالتحويلات الطورية بسبب عدم انتظام ظروف التسخين/التبريد المتزامنة بين أجزاء اللحام؛ أو الاختلافات المحلية بين الانكماش بسبب اختلاف معدلات التبريد في مختلف الأجزاء أو الإجهاد المرتبط بالتحويلات الطورية الناجمة عن تغيرات الطور التي تحدث بسبب الاختلافات بين درجات حرارة اللحام أثناء التحولات الطورية لمعالجة اللحام؛ مما يؤدي في النهاية إلى فشل هيكلي بسبب الأحمال الخارجية المطبقة على الهياكل.

يمكن أن يكون للإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام نتائج كارثية، بما في ذلك التشويه والتشقق والكسر الهش. قد تؤدي تركيزات الإجهاد المتبقية التي تتجاوز قوة خضوع المادة إلى حدوث شقوق توتر أو انضغاط أحادية المحور في منطقة اللحام نفسها أو الأجزاء المجاورة من الهيكل.

تعتمد الضغوطات المتبقية في المكونات أو الهياكل الملحومة على العديد من العوامل، بما في ذلك هندسة وصلة اللحام، والمواد المستخدمة أثناء إجراءات اللحام، وعمليات التصنيع/الإصلاح المستخدمة، والمعالجات الحرارية بعد اللحام المطبقة بعد الانتهاء، وظروف التحميل وتاريخ الخدمة.

تظل معظم الإجهادات المتبقية غير معروفة أو يتم التقليل من تقديرها بسبب طرق القياس التي تفتقر إلى الدقة، بالإضافة إلى عدم وجود توثيق كامل لدورات حياة الهياكل بأكملها. يتطلب التنبؤ بهذه الضغوط أو التخفيف من حدتها فهماً ونمذجة أفضل لكيفية تفاعل المكونات الهيكلية أثناء التصنيع وتاريخ التشغيل، بالإضافة إلى معرفة أفضل لوقت حدوث هذه التفاعلات.

التغييرات الهيكلية الدقيقة

كجزء من عملية اللحام، يتعرض معدن اللحام المنصهر لتدرجات حرارة عالية مما قد يؤدي إلى تغيرات في البنية المجهرية التي تقلل من خواصه الميكانيكية مثل الليونة والمتانة - مما يؤدي إلى خطر الكسر أثناء الخدمة أو أنماط فشل التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي. وهذا يعرض الهياكل الملحومة باستخدام هذه العملية لخطر الكسر.

تُعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) عملية أساسية يمكنها حل العديد من المشكلات المتعلقة باللحام مع تقوية وزيادة قوة الهياكل. وللحصول على أفضل النتائج من المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT)، من الضروري اتباع أفضل الممارسات مثل اختيار طريقة فعالة، ودرجات الحرارة المناسبة للتسخين/التبريد، ومراقبة الجودة أثناء عملية المعالجة وكذلك ضمان الجودة أثناء عملية الفحص بعد اللحام. من خلال الالتزام بهذه القواعد سيصبح الهيكل الخاص بك أقوى وأكثر موثوقية بمرور الوقت.

يمكن أن تساعد PWHT في تقليل الإجهادات المتبقية وإعادة توزيعها، ولكن قد تكون هناك أيضًا مزايا إضافية لعمليات التقسية أو الترسيب في درجات الحرارة الأعلى. قد تقلل عمليات التقسية أو الترسيب من الصلابة مع تحسين الليونة.

يعتمد نوع التلدين الذي تختاره على كل من المادة ونظام السبائك. مع زيادة محتوى الكربون أو السُمك، قد يتطلب الأمر على الأرجح التلدين بالحرارة الفائقة أو التلدين الإجهادي؛ وتفرض العديد من الرموز المعالجة بالحرارة الفائقة أو التلدين الإجهادي إذا تجاوزت مادة اللحام سُمكًا معينًا؛ ويمكن أن تتضمن المتطلبات الإضافية التركيب الكيميائي أو القابلية للتشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي.

التحسين

تعتمد قابلية اللحام لمكونات الصلب على عوامل مثل عملية اللحام وخصائص المواد؛ يجب على مهندسي التصميم الإنشائي أن يأخذوا في الاعتبار قابلية لحام المكونات التي يصممونها في الخدمة لتجنب خلق ميزات رفع الضغط التي تؤدي إلى فشل سابق لأوانه.

قد تكون هناك حاجة إلى حلول PWHT لمعالجة الإجهادات المتبقية والتغيرات في البنية المجهرية الناتجة عن عمليات اللحام، بما في ذلك الإجهادات المتبقية. يتضمن PWHT تسخين المواد عند درجة حرارة محددة لفترة زمنية طويلة من أجل إعادة توزيع هذه الإجهادات بشكل متساوٍ في جميع أنحاء هيكلها، مع خفض مستويات الصلابة وتحسين الليونة ومستويات الصلابة في الوقت نفسه لتلبية مواصفات التصميم.

نظرًا لأن درجة حرارة PWHT تعتمد على الخصائص المعدنية للمادة، فإن تحديدها يعتمد على مجموعة من العوامل بما في ذلك قابلية اللحام ومتطلبات الخدمة. على سبيل المثال، عادةً ما تحدد إجراءات اللحام التي تشمل الفولاذ الطري منخفض الكربون أو فولاذ الكروم الموليبدينوم مع متطلبات الصدمات الحد الأدنى لدرجات الحرارة المسبقة والتجاوز البيني اعتمادًا على السُمك.

يجب إدارة درجات حرارة PWHT بعناية من أجل منع التشوه المفرط والتقصف المزاجي للمكونات الكبيرة مثل أوعية الضغط والأنابيب، والتي تتطلب الدعم بواسطة ركائز مصممة خصيصًا لكل مكون. ومن أجل توفير توزيع الحرارة بشكل متساوٍ خلال هذه العملية، يجب أن تكون هذه الركائز متباعدة على فترات منتظمة من أجل توفير الدعم الكافي.