اللحام بالفولاذ الكربوني والفولاذ الكربوني

لا يحتاج الفولاذ الكربوني والمنغنيز الكربوني والفولاذ منخفض السبائك الذي يفي بمعايير متطلبات الصلابة بشكل عام إلى معالجة PWHT، على الرغم من أن الاختلافات بين رموز أوعية الضغط والأنابيب (كما هو مفصل في الجدول 1) غالبًا ما تعقد عمليات الترشيد.

الغرض من هذه المقالة هو وصف وتوضيح متطلبات وإعفاءات PWHT المطبقة على المواد الكربونية والمواد منخفضة السبائك.

تخفيف التوتر

وبما أن اللحام يتسبب في بقاء الإجهادات المتبقية داخل المعادن، خاصةً الفولاذ منخفض السبائك الكربونية، فقد يؤدي ذلك إلى التشقق والضعف. وللتخفيف من هذه التوترات الداخلية، تخضع المادة للمعالجة الحرارية PWHT، حيث يتم استخدام درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحوّل، ويتم نقعها لفترة زمنية طويلة قبل أن تبرد بشكل متجانس عبر المقطع العرضي ومساحة السطح.

يتطلب PWHT درجات حرارة يمكن أن تخفف من الإجهادات الناجمة عن اللحام مع تجنب تغيرات الطور المعدني وتقصف المزاج في الوقت نفسه، لذلك يجب إدارة أوقات التسخين والتثبيت عن كثب من أجل تعظيم الفوائد وضمان تحقيقها.

يجب فهم المعالجة الحرارية بموجات الضغط، التي تُستخدم عادةً في معدات الضغط، ولكن يتم إجراؤها أيضًا على هياكل أخرى مثل الجسور والمباني، وذلك لاتخاذ قرارات مستنيرة فيما يتعلق بأي هياكل تقوم ببنائها أو تجديدها. من الضروري معرفة متى تكون هذه العملية ضرورية وفوائدها، وذلك لاتخاذ قرارات بأقصى قدر من المعرفة فيما يتعلق ببنائها.

قد يوفر تخفيف الإجهاد الميكانيكي (MSR) طريقة واحدة لتخفيف الإجهادات المتبقية، ولكنه لا يوفر نفس المزايا المعدنية التي يوفرها المعالجة الحرارية الفائقة PWHT؛ وبالتالي لا ينبغي اعتباره حلاً بديلاً. قد تظل تقنية MSR مفيدة عندما يكون نقل الأجزاء مباشرةً إلى فرن المعالجة الحرارية الفائقة PWHT غير عملي أو غير ممكن، ولكن لا ينبغي اعتبارها خيارًا بديلًا للمعالجة.

تغير درجة الحرارة

اعتمادًا على إجراءات اللحام المستخدمة، قد تتجاوز الإجهادات المتبقية قوة خضوع المادة وتؤدي إلى فشل هش في منطقة اللحام. يقلل PWHT من هذه الإجهادات عن طريق إعادة التوزيع وبالتالي يقلل من خطر الفشل في هياكل الصلب الكربوني الملحومة باستخدام إجراءات اللحام PWHT.

لا تقلل معالجات اللحام PWHT من تخفيف الإجهاد فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا لتليين وتليين الهياكل الملحومة الصلبة - مما يزيد من الليونة مع تقليل مخاطر التشقق بمساعدة البيئة - وهو أمر مفيد بشكل خاص عند لحام اللحامات لتطبيقات أنابيب الخدمة الحامضة.

يمكن أن تساعد تغييرات PWHT على تقليل التآكل الناجم عن الهيدروجين في الفولاذ الكربوني وزيادة أداء إجهاده، فضلاً عن تقليل المخاطر. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن المعالجة بالحرارة الفائقة PWHT تختلف عن عمليات التقسية أو المعالجة بالمحلول أو التقادم (على الرغم من أن بعض تأثيراتها يمكن تحقيقها عن طريق المعالجة بالحرارة الفائقة PWHT).

يتم تحديد متطلبات PWHT في رموز مختلفة، حيث يتم تحديد حدود السماكة عادةً عند 32 مم لأوعية الضغط وتطبيقات الأنابيب التي تتطلب PWHT. قد يكون هناك أيضًا تباين بين الرموز بسبب اختلاف طاقات تشاربي أو معايير الفحص وكذلك اختلاف التركيب الكيميائي للفولاذ الكربوني أو فولاذ C-Mn الذي تغطيه، مما يجعل الترشيد غير محتمل.

عيوب اللحام

يمكن للإجهادات المتبقية أن تسبب عيوب اللحام المرئية وغير المرئية على حد سواء، بما في ذلك الانقطاعات والمسامية والتناثر؛ وتشمل العيوب المرئية انقطاع اللحام والمسامية والتناثر؛ وتشمل العيوب غير المرئية التي يتم اكتشافها الاندماج غير الكامل، وانخفاض الليونة وضعف الخواص الميكانيكية. كما أن الإجهادات المتبقية تؤثر أيضًا على مقاومة اللحامات للتشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي مع زيادة قابليتها للتعرض للفشل الناتج عن الإجهاد - خاصةً مع الهياكل المعقدة أو تطبيقات الخدمة طويلة الأجل.

كقاعدة عامة، كلما زاد محتوى الكربون والسبائك في مواد اللحام وسُمك المقطع العرضي للهياكل، زادت حاجتها المحتملة للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). ويرجع ذلك إلى أن الإجهادات المتبقية في اللحام تقلل من صلابة الكسر في حالة المارتينسيت المقسّى وبالتالي تتطلب المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT).

ومع ذلك، فإن متطلبات PWHT لها بعض الاستثناءات. فوفقًا للقواعد القياسية الحالية الخاصة بالنسيج، يمكن إعفاء بعض الهياكل من متطلبات PWHT إذا تم لحامها باستخدام إجراءات إصلاح مصممة خصيصًا ومحددة بعامل طاقة محسوب باستخدام نهج ميكانيكا الكسر.

اللحام هو عملية نشطة ويمكن أن تتعرض اللحامات التي تنتجها لإجهاد كبير أثناء مرحلة التبريد، مما يخلق ضغوطًا يجب إدارتها من أجل استخدام هذه اللحامات في التطبيقات الحرجة. ويمكن تحقيق ذلك من خلال تقليل سرعة انتقال القطب الكهربائي، وتقييد استخدام التيار أثناء عمليات اللحام واستخدام غازات التدريع ذات التركيب المناسب لنوع المادة وسماكتها.

السلامة

اللحام هو جزء لا يتجزأ من بناء وصيانة أصول النفط والغاز والمعالجة الكيميائية. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الأداء غير السليم للحام إلى إضعاف المعدات عن غير قصد عن طريق إحداث إجهادات متبقية في المواد وإضعاف القوة. وللتخفيف من هذا التأثير، يجب إجراء المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) بانتظام بعد اللحام من أجل تقليل الإجهادات المتبقية في مواد اللحام والتحكم في مستويات الصلابة بعد عمليات اللحام وفي بعض الحالات زيادة القوة الميكانيكية.

PWHT هو إجراء عزل يستخدم سخانات مقاومة عالية الحرارة لرفع درجات حرارة اللحام حتى حوالي 300 درجة فهرنهايت - 1,125 درجة فهرنهايت اعتمادًا على نوع الفولاذ ومحتواه من الكربون. يتم تطبيق الحرارة باستخدام سخان مقاومة كهربائي مصمم لحجم الأنبوب الذي يناسب اللحام العلوي المراد معالجته. يجب على جميع الكهربائيين المشاركين في التركيب فهم الآثار المترتبة على السلامة أثناء عمليات المعالجة الحرارية العالية المقاومة للحرارة؛ يجب تطويق جميع التوصيلات بشكل صحيح بينما يجب تطويق المنطقة كمنطقة خطر لحماية الأفراد المجهولين الذين يلامسون الكابلات الكهربائية عالية الجهد.

تختلف متطلبات PWHT بين رموز التصنيع. على سبيل المثال، تتباين عتبة السُمك التي يصبح عندها المعالجة الحرارية الفائقة PWHT ضرورية بشكل كبير؛ على سبيل المثال BS 1113 [22] و2633 [23] تحد من ذلك بالنسبة للفولاذ الكربوني المنغنيز الذي يصل سمكه إلى 0.25% من الكربون بينما يسمح PD 5500 وPr EN 13445 باستخدامه على اللحامات التي يصل سمكها إلى 140 مم، شريطة أن تفي بمتطلبات صلابة ميكانيكا الكسر المحددة.