تأثير التشكيل على البارد على مقاومة التآكل لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ وكيفية التحكم فيه

تُعدّ عمليات السحب على البارد، والدرفلة على البارد، والثني على البارد، والتمدد على البارد، واللف على البارد، من طرق المعالجة الشائعة لتصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ أو أنابيب الفولاذ المقاومة للحرارة المستخدمة في المبادلات الحرارية، وغيرها، وذلك باستخدام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة أو غير الملحومة. تُسهّل اللدونة الممتازة للفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصةً الفولاذ الأوستنيتي، عمليات التشكيل على البارد المذكورة أعلاه؛ إلا أن جميع هذه العمليات، كالحام، تُلحق ضرراً حتمياً بأداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، لا سيما مقاومتها للتآكل والحرارة. لطالما كان التخلص من هذا الضرر أو الحد منه أو التحكم فيه محور اهتمام في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ومعالجتها اللاحقة. يُعدّ التلدين النهائي قبل التسليم الطريقة الأكثر فعالية للتخلص من الآثار الضارة لعمليات التشكيل على البارد المذكورة. إلا أن هذه الطريقة، من جهة، تتطلب تسخيناً بدرجة حرارة عالية ومعالجة بالتخليل، مما يزيد بشكل ملحوظ من تكلفة التصنيع ودورة الإنتاج. إضافةً إلى ذلك، توجد مشاكل أخرى، مثل تصريف ومعالجة وتقييم الغازات العادمة ومياه الصرف الصحي، كالرذاذ الحمضي. لذا، يتجاهل بعض المصنّعين هذه العملية لخفض التكاليف أو الالتزام بالمواعيد النهائية. ويلجأ بعض المستخدمين إلى شراء هذه المنتجات توفيراً للمال، وهو أمر غير حكيم وغير مربح على الإطلاق. من جهة أخرى، قد يصعب تطبيق هذه العملية على بعض المنتجات أو في ظروف استخدام معينة. لذلك، أصبح التحكم في درجة التشكيل على البارد (تشوه التشكيل على البارد) وإجراء التلدين الموضعي لتخفيف الإجهاد عند درجات حرارة منخفضة طريقتين عمليتين أخريين للحد من آثارها الضارة أو التحكم بها، إلا أن ظروف تطبيقهما، بما في ذلك اختلاف أنواع الفولاذ، لا تزال محل جدل.

1. تأثير التلف الناتج عن التشكيل على البارد على أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ وإزالته
1.1 إن تلف أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بسبب التشكيل على البارد الناتج عن التشوه البلاستيكي في درجة حرارة الغرفة سيؤدي إلى تصلب التشكيل على البارد، أي زيادة صلابة وقوة المادة، وفقدان اللدونة الأصلية للمادة جزئيًا أو كليًا، وسيؤدي ذلك حتمًا إلى تلف مقاومة التآكل أو مقاومة الحرارة للمادة.
1.2 طرق القضاء على الضرر
تهدف المعالجة الحرارية النهائية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والمزدوج قبل التسليم، والمعالجة الحرارية النهائية بالتلدين لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي قبل التسليم، إلى القضاء الفعال على التلف الناتج عن عمليات التشكيل على البارد واللحام وغيرها من عمليات التشكيل على الساخن. ولذلك، تنص معايير أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ في معظم الدول، وخاصة المعايير الأوروبية الموحدة، على ضرورة توريد جميع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ غير الملحومة في حالة محلول صلب أو مُلدّنة. وقد أفاد مستخدمون محليون بظهور تآكل نقري في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316L غير الملحومة بمجرد نقعها في مياه البحر (مع العلم أن الفولاذ 316L ليس مادة مثالية للتآكل أو النقع في مياه البحر، إلا أن ظهور التآكل النقري بعد نقعة واحدة ليس أمرًا طبيعيًا). ويُرجّح أن تكون المعالجة الحرارية النهائية غير الكافية أو المعالجة غير المُتقنة سببًا في رداءة المنتج. وتُعدّ المعالجة الحرارية النهائية أو التلدين عملية بالغة الأهمية ولا غنى عنها في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ غير الملحومة.
2. ثني الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ على البارد ومعالجة تخفيف الإجهاد الحراري
يُعدّ التشكيل على البارد طريقة شائعة لمعالجة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن لمصنّعي الأنابيب الفولاذية أو مستخدميها أو مصنّعي تجهيزات الأنابيب المحترفين القيام بها. وغالباً ما يكون إجراء المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد التشكيل على البارد، وكيفية إجرائها، موضع خلاف بين المصنّعين والمستخدمين في الطلبات. وقد نُصّ على هذه المسألة في معايير خطوط الأنابيب الأجنبية، ولكن ثمة جوانب تستحق النقاش.
2.1 ثني الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ على البارد ومعالجة تخفيف الإجهاد الحراري
يُعدّ التشكيل على البارد طريقة شائعة لمعالجة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن لمصنّعي الأنابيب الفولاذية أو مستخدميها أو مصنّعي تجهيزات الأنابيب المحترفين القيام بها. وغالباً ما يكون إجراء المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد التشكيل على البارد، وكيفية إجرائها، موضع خلاف بين المصنّعين والمستخدمين في الطلبات. وقد نُصّ على هذه المسألة في معايير خطوط الأنابيب الأجنبية، ولكن ثمة جوانب تستحق النقاش.
2.2 للتطبيقات التي تتحمل الأحمال الدورية أو بيئات التآكل الإجهادي
فيما يتعلق بالتطبيقات التي تتحمل الأحمال الدورية أو بيئات التآكل الإجهادي، تختلف لوائح المعايير الأوروبية والأمريكية اختلافًا طفيفًا. ينص المعيار الأمريكي على أنه بالنسبة للمواد التي تتطلب اختبار الصدم، يجب إجراء معالجة تخفيف الإجهاد أو المعالجة بالمحلول الصلب عندما يكون الحد الأقصى لاستطالة الألياف المحسوبة 5% بعد الانحناء أو عند وجود متطلبات أخرى. تُعد الأنابيب على شكل حرف U المستخدمة في المبادلات الحرارية، مثل سخانات مياه التغذية والمكثفات في محطات الطاقة التي تعمل في وسائط الماء/البخار ذات درجة الحرارة والضغط العاليين، حساسة لتشقق التآكل الإجهادي بسبب أيونات الكلوريد ومحتوى الأكسجين في الوسط. لذلك، ينص المعياران الأمريكيان (الوحيدان في العالم) ASTMA688/A688M وA803/A803M لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة وغير الملحومة لسخانات مياه التغذية، والمعيار الياباني JISG3463 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للغلايات والمبادلات الحرارية، على أنه يمكن للمستخدمين اشتراط إخضاع الأنابيب على شكل حرف U لمعالجة حرارية موضعية لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء. ينص معيار تصنيع المفاعلات النووية الفرنسي RCC-M3319 على أنه يجب أن تجتاز الأنابيب على شكل حرف U اختبار تآكل الإجهاد MgCl2 بعد الانحناء لتحديد ما إذا كانت المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد مطلوبة بعد الانحناء.
3. الأنابيب الملتوية والمبادلات الحرارية الملتوية
يُستخدم في الخارج مبادل حراري مُكوّن من أنابيب ملتوية (أنابيب ملتوية مُشكّلة على البارد، TwistedTube). يتميز هذا النوع من المبادلات بأن أنبوبًا فولاذيًا واحدًا يُلفّ بزاوية 60 درجة لكل لفة، وتتكون وحدة المبادل الحراري الملتوية من 7 أنابيب فولاذية. ويُقال إن من مزاياه هيكله المُدمج، وكفاءته الحرارية العالية، وقدرته على تقليل منطقة الركود في التدفق الخارجي. يُعد هذا الهيكل مثاليًا للمبادلات الحرارية في المساحات الضيقة. تُشير الحسابات والتحليلات إلى أن التشوه اللدن الناتج عن التشكيل على البارد باللف لا يتجاوز 4% إلى 14%، وأن درجة حرارة التشغيل لا تتجاوز 540 درجة مئوية. ووفقًا لأحكام "كود ASME لأوعية الغلايات والضغط"، لا يُشترط إجراء عملية تلدين لتخفيف الإجهاد. ومع ذلك، بعد اختبار التآكل الإجهادي وفقًا لمعيار ASTMG36، ثبت أن الأنابيب الملتوية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316 و321 يجب أن تخضع لعملية تلدين تخفيف الإجهاد أو تلدين المحلول للحصول على مقاومة جيدة للتآكل الإجهادي، وأن أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 321 أفضل بكثير من أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316.
4. أنابيب ملتوية وأنابيب على شكل حرف U مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج
أظهرت نتائج الاختبارات التي أُجريت في الخارج عدم ملاءمة إجراء عملية التلدين لتخفيف الإجهاد على الأنابيب الملتوية أو الأنابيب على شكل حرف U المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج. تتطلب نتائج الاختبارات الحالية قيمة R ≥ 5.33d0 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205، بينما تتطلب قيمة R ≥ 1.5d0 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق 2507. وتتلخص الأسباب فيما يلي: أولًا، يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بمقاومة ممتازة للتنقر والتآكل الإجهادي، وكلما ارتفعت قيمة مكافئ التنقر (PRE)، تحسنت مقاومة المادة للتآكل الإجهادي. ثانيًا، يؤثر التلدين الموضعي لتخفيف الإجهاد عند درجات حرارة منخفضة على توازن الأطوار والمركبات البينية للمادة الأساسية، مما يؤدي إلى ترسب أطوار هشة تُلحق ضررًا أكبر بمقاومة التآكل. تُشير نتائج هذه الأبحاث إلى أن أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج قد تكون مادة أكثر ملاءمة للمبادلات الحرارية، كما أنها تُشكل الأساس الذي يدفع جمعية اللحام الأمريكية ومعايير ASMEB31.3 إلى توخي الحذر الشديد في لوائح المعالجة الحرارية الخاصة بها.
5. طريقة التلدين لتخفيف الإجهاد في الأنابيب على شكل حرف U
تستخدم الطرق المحلية والأجنبية التسخين المقاوم أو التسخين الموضعي في الفرن لإجراء عملية التلدين لتخفيف الإجهاد الموضعي على الأنابيب ذات الشكل U، إلا أن تحديد الطريقة الأكثر فعالية أو جدوى غالبًا ما يكون موضع جدل. تُظهر أحدث نتائج الأبحاث في الولايات المتحدة أن التسخين المقاوم هو طريقة أكثر جدوى وفعالية. وتتلخص الأسباب فيما يلي: ① يمكن إدخال التيار المتردد بتردد الطاقة مباشرةً من نقطة قطع الأنبوب ذي الشكل U على بُعد 250 مم عبر قطب التثبيت، ويمكن تسخين الجزء المنحني من الأنبوب إلى 1010-1065 درجة مئوية في وقت قصير (حوالي 10 ثوانٍ)، مع استهلاك منخفض جدًا للطاقة؛ ② يمكن استخدام مقياس حرارة بصري للتحكم التلقائي في درجة حرارة منطقة التسخين؛ ③ يُملأ الجدار الداخلي بغاز الأرجون لمنع الأكسدة بشكل فعال. ④ بعد التسخين، يمكن استخدام التبريد بالهواء القسري للتبريد السريع إلى أقل من 425 درجة مئوية في غضون 2 إلى 3 دقائق، مما يؤدي إلى ظهور طبقة أكسيد صفراء أو زرقاء فاتحة رقيقة وكثيفة، والتي يمكن أن تلبي متطلبات الاستخدام القياسية العالية دون الحاجة إلى التخليل.
6. الخاتمة
(1) تؤدي عمليات التشكيل على البارد، كالسحب والدرفلة على البارد، إلى تصلب الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصةً الفولاذ الأوستنيتي، مما يُسبب انخلاعات في الشبكة البلورية، وتحولًا طوريًا مارتنسيتيًا، وترسيب الكربيدات، وزيادة في المغناطيسية، وإجهادًا متبقيًا، وبالتالي يُقلل من مقاومته للتآكل. يُمكن التخلص من هذه الآثار السلبية بفعالية عن طريق التلدين أو المعالجة الحرارية بالمحلول بعد التشكيل على البارد؛ لذا، يجب توريد أنابيب الفولاذ الأوستنيتي غير الملحومة وأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة المُشكّلة على البارد العميق في حالة مُلدّنة أو مُعالجة حراريًا بالمحلول لضمان مقاومتها للتآكل.
(2) بالإضافة إلى تشقق التآكل الإجهادي والظروف البيئية التي تنطوي على خطر إجهاد التآكل الناتج عن الإجهاد المتناوب، يُعد التحكم في درجة التشكيل على البارد وسيلة أخرى لتجنب آثاره السلبية. وهذا مهم بشكل خاص للتشكيل الموضعي على البارد، مثل الثني والتمدد على البارد، والتي يصعب تلدينها. طالما أن نصف قطر الثني على البارد لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يقل عن 1.5d0، ونصف قطر الثني على البارد لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي والمزدوج أكبر من 2.5d0، فليس من الضروري عمومًا إجراء تلدين لتخفيف الإجهاد بعد الثني على البارد.
(3) بالنسبة للانحناءات التي تتطلب مقاومة لتشقق التآكل الإجهادي، مثل انحناءات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على شكل حرف U للمبادلات الحرارية التي تعمل في ظروف درجة حرارة عالية وضغط عالٍ للماء أو البخار، يجب إجراء عملية تلدين فعالة لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء البارد بغض النظر عن حجم نصف قطر الانحناء البارد.
(4) يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 06Cr19Ni11Ti (321) بمقاومة أفضل لتشقق التآكل الإجهادي مقارنةً بالفولاذ 316L، وهو مادة أنسب لأنابيب الفولاذ الأوستنيتي المستخدمة في المبادلات الحرارية ذات الأنابيب على شكل حرف U. لا يُنصح باستخدام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج على شكل حرف U، أو لا ينبغي إخضاعها للمعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد الموضعي بعد الثني أو الليّ على البارد.
(5) يمكن لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملتوية على البارد أن تشكل نوعًا جديدًا من المبادلات الحرارية ذات بنية مدمجة وكفاءة تبادل حراري أعلى، وهو ما يستحق اهتمامًا واستكشافًا وتطويرًا من قبل أقسام التصميم والتطبيق ذات الصلة.
(6) أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة على شكل حرف U غير مناسبة أو لا ينبغي إخضاعها لعملية التلدين لتخفيف الإجهاد الموضعي بعد الانحناء البارد أو الالتواء.
(7) التسخين المقاوم هو طريقة معالجة حرارية لتخفيف الإجهاد الموضعي وهي أكثر توفيرًا للطاقة والوقت من التسخين غير المباشر في الفرن، كما أنه من السهل تحقيق التحكم الآلي، ويجب الترويج لها كأولوية.
(8) تتضمن معايير خطوط الأنابيب الأوروبية والأمريكية (ASMEB31.1-2012، ASMEB31.3-2012، BSEN13480-4:2012) بعض اللوائح المحدثة والمفصلة بشأن المعالجة الحرارية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بعد التشكيل على البارد/الساخن، والتي تستحق اهتمامًا كبيرًا.