أضرار العمل البارد على مقاومة التآكل لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ والتحكم فيها

السحب على البارد، والدرفلة على البارد، والثني على البارد، والتمدد على البارد، واللف على البارد، كلها طرق معالجة شائعة لتصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ أو أنابيب الفولاذ المقاومة للحرارة للمبادلات الحرارية، وما إلى ذلك، باستخدام أنابيب الفولاذ الملحومة/غير الملحومة من الفولاذ المقاوم للصدأ. تُسهّل اللدونة الممتازة للفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصةً الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، عملية المعالجة الباردة (CW) المذكورة أعلاه بشكل عام؛ ومع ذلك، فإن جميع عمليات المعالجة الباردة هذه، مثل اللحام، ستؤثر حتمًا على أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصةً مقاومتها للتآكل أو الحرارة. لطالما كان القضاء على هذا الضرر أو تقليله أو السيطرة عليه محور الاهتمام في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ومعالجتها اللاحقة. يُعدّ الحل النهائي، أو المعالجة الحرارية بالتلدين قبل التسليم، الطريقة الأكثر فعالية للتخلص من الآثار الضارة لعملية المعالجة الباردة المذكورة أعلاه. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة، من جهة، تسخينًا عالي الحرارة ومعالجة بالتخليل، مما يزيد بشكل كبير من تكلفة التصنيع ودورة الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا مشاكل مثل تصريف ومعالجة وتقييم غازات العادم ومياه الصرف الصحي، مثل الضباب الحمضي. لذلك، يتجاهل بعض المصنّعين هذه العملية لخفض التكاليف أو الالتزام بالمواعيد النهائية. يشتري بعض المستخدمين هذه المنتجات لتوفير المال، وهو أمرٌ غير حكيم وغير مربح على الإطلاق. من ناحية أخرى، قد يصعب تطبيق هذه العملية على منتجات أو ظروف تطبيق معينة. لذلك، أصبح التحكم في درجة التشوه الناتج عن المعالجة الباردة (تشوه المعالجة الباردة) وإجراء التلدين الموضعي لتخفيف الإجهاد في درجات حرارة منخفضة طريقتين عمليتين أخريين للحد من آثارها الضارة أو السيطرة عليها، إلا أن ظروف تطبيقهما، بما في ذلك اختلاف أنواع الفولاذ، لا تزال موضع جدل.

1. الضرر والقضاء على العمل البارد على أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ
1.1 سيؤدي الضرر الذي يلحق بأداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ عن طريق العمل البارد الذي يتم تحقيقه عن طريق التشوه البلاستيكي في درجة حرارة الغرفة إلى تصلب العمل البارد، أي زيادة صلابة وقوة المادة، وفقدان اللدونة الأصلية للمادة جزئيًا أو كليًا، وسوف يؤدي ذلك حتماً إلى إتلاف مقاومة التآكل أو مقاومة الحرارة للمادة.
1.2 طرق إزالة الضرر
تهدف المعالجة الحرارية النهائية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والمزدوج قبل التسليم، والمعالجة الحرارية النهائية للتلدين لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي، إلى القضاء على أي ضرر في الأداء ناتج عن عمليات التشغيل البارد واللحام وغيرها من عمليات التشغيل الساخن المذكورة أعلاه. ولذلك، تنص معايير أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ في معظم الدول، وخاصة المعايير الأوروبية الموحدة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، على ضرورة توريد جميع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ غير الملحومة في حالة صلبة أو مُلَدَّنة. وقد أفاد المستخدمون المحليون أن أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316L غير الملحومة تُصاب بالتآكل النقطي بمجرد نقعها في مياه البحر (لا يُعد 316L مادة مثالية للتآكل أو النقع في مياه البحر، ولكن من غير الطبيعي وجود تآكل نقطي بعد نقع واحد). ومن المرجح أن تكون المعالجة النهائية أو المعالجة غير الكافية "منتجًا رخيصًا". وتُعد المعالجة الحرارية النهائية للتلدين عملية بالغة الأهمية ولا غنى عنها في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ غير الملحومة.
2. المعالجة الحرارية للأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ للثني البارد وتخفيف الضغط
الثني البارد هو طريقة شائعة للمعالجة الباردة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن لمصنعي أنابيب الفولاذ أو مستخدميها أو مصنعي تجهيزات الأنابيب المحترفين إجراؤها. غالبًا ما يكون إجراء المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد الثني البارد وكيفية إجرائها موضع خلاف بين المصنعين أو المستخدمين في الطلبات. وقد وردت هذه المسألة في معايير أنابيب الأنابيب الأجنبية، ولكن هناك بالفعل بعض النقاط التي تستحق المناقشة.
2.1 المعالجة الحرارية للانحناء البارد وتخفيف الإجهاد لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ
الثني البارد هو طريقة شائعة للمعالجة الباردة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن لمصنعي أنابيب الفولاذ أو مستخدميها أو مصنعي تجهيزات الأنابيب المحترفين إجراؤها. غالبًا ما يكون إجراء المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد الثني البارد وكيفية إجرائها موضع خلاف بين المصنعين أو المستخدمين في الطلبات. وقد وردت هذه المسألة في معايير أنابيب الأنابيب الأجنبية، ولكن هناك بالفعل بعض النقاط التي تستحق المناقشة.
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 صدمات، يجب إجراء تخفيف الإجهاد أو معالجة المحلول الصلب عندما يكون أقصى استطالة للألياف المحسوبة 5% بعد الانحناء أو عند وجود متطلبات أخرى. تُعدّ الأنابيب على شكل حرف U المستخدمة في المبادلات الحرارية، مثل سخانات مياه التغذية والمكثفات في محطات الطاقة العاملة في وسائط ماء/بخار عالية الحرارة والضغط، حساسة للتشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي بسبب أيونات الكلوريد ومحتوى الأكسجين في الوسط. لذلك، ينص المعياران الأمريكيان (الوحيدان عالميًا) ASTMA688/A688M وA803/A803M لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة وغير الملحومة لسخانات مياه التغذية، والمعيار الياباني JISG3463 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدمة في الغلايات والمبادلات الحرارية، على إمكانية طلب المستخدمين إخضاع الأنابيب على شكل حرف U لمعالجة حرارية موضعية لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء. تنص معايير تصنيع المفاعلات النووية الفرنسية RCC-M3319 على أن الأنابيب على شكل حرف U يجب أن تجتاز اختبار التآكل الإجهادي MgCl2 بعد الانحناء لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى معالجة حرارية لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء.
3. الأنابيب الملتوية والمبادلات الحرارية الملتوية
يُستخدم مبادل حراري مُكوّن من أنابيب ملتوية (أنابيب ملتوية مُشكّلة على البارد، TwistedTube) في الخارج. يتميز هذا المبادل بأن أنبوبًا فولاذيًا واحدًا يُلف بزاوية 60 درجة لكل خطوة، وتُشكّل 7 أنابيب فولاذية وحدة مبادل حراري ملتوية. يتميز بهيكله المدمج، وكفاءته الحرارية العالية، وقدرته على تقليل المنطقة الميتة الناتجة عن ركود التدفق الخارجي. يُعدّ هذا المبادل مثاليًا للمبادلات الحرارية في المساحات الضيقة. أظهرت الحسابات والتحليلات أن التشوه اللدن الناتج عن التشكيل البارد يتراوح بين 4% و14% فقط، وأن درجة حرارة تشغيله لا تتجاوز 540 درجة مئوية. ووفقًا لأحكام "قانون ASME للغلايات وأوعية الضغط"، لا يُشترط التلدين 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 التلدين لتخفيف الإجهاد أو التلدين المحلول للحصول على مقاومة جيدة للتآكل الإجهادي، وأداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 321 أفضل بكثير من أداء أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316.
4. أنابيب مزدوجة ملتوية من الفولاذ المقاوم للصدأ وأنابيب على شكل حرف U
أظهرت نتائج الاختبارات في الخارج أنه من غير المناسب إجراء عملية التلدين لتخفيف الإجهاد على أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة الملتوية أو أنابيب على شكل حرف U. تتطلب نتائج الاختبار الحالية R ≥ 5.33d0 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة 2205، ولكن R ≥ 1.5d0 لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ فائقة المزدوجة 2507. الأسباب هي: ① يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بمقاومة ممتازة للتآكل بالنقر والإجهاد، وكلما ارتفعت قيمة PRE المكافئة للتآكل بالنقر، كانت مقاومة المادة للتآكل بالإجهاد أفضل. ② سيؤثر التلدين لتخفيف الإجهاد الموضعي في درجات حرارة منخفضة على توازن الطور والمركبات المعدنية بين المعادن في المصفوفة، أي أن ترسب المراحل الهشة سيسبب ضررًا أكبر لمقاومة التآكل. تُظهر نتائج البحث هذه أن أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة قد تكون مادة أكثر ملاءمة للمبادلات الحرارية، كما أنها أيضًا أساس معايير جمعية اللحام الأمريكية وASMEB31.3 لتوخي الحذر الشديد بشأن لوائح المعالجة الحرارية الخاصة بها.
5. طريقة التلدين لتخفيف الضغط على الأنابيب على شكل حرف U
تستخدم كل من الطرق المحلية والأجنبية التسخين بالمقاومة أو التسخين الموضعي في الفرن لإجراء عملية التلدين لتخفيف الضغط الموضعي على الأنابيب على شكل حرف U، ولكن الطريقة الأكثر فعالية أو معقولة غالبًا ما تكون محور الجدل. تُظهر أحدث نتائج الأبحاث في الولايات المتحدة أن التسخين بالمقاومة هو طريقة أكثر منطقية وفعالية. الأسباب هي كما يلي: ① يمكن إدخال تيار متردد بتردد الطاقة مباشرة من نقطة قطع الأنبوب على شكل حرف U على بعد 250 مم من خلال قطب التثبيت، ويمكن تسخين قسم الأنبوب المنحني إلى 1010 ~ 1065 درجة مئوية في وقت قصير (حوالي 10 ثوانٍ)، مع استهلاك منخفض جدًا للطاقة؛ ② يمكن استخدام مقياس الحرارة البصري للتحكم تلقائيًا في درجة حرارة منطقة التسخين؛ ③ الجدار الداخلي مملوء بغاز الأرجون لمنع الأكسدة بشكل فعال؛ ④ بعد التسخين، يمكن استخدام تبريد الهواء القسري لتبريد سريع إلى أقل من 425 درجة مئوية في غضون 2 إلى 3 دقائق، مما يُظهر طبقة أكسيد رقيقة وكثيفة باللون الأصفر أو الأزرق الفاتح، والتي يمكنها تلبية متطلبات الاستخدام القياسية العالية دون التخليل.
6. الخاتمة
(1) تُسبب المعالجة الباردة، مثل السحب والدرفلة الباردة، تصلبًا باردًا للفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصةً الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، وتسبب خلعًا في الشبكة، وتحولًا طوريًا مارتنسيتيًا، وترسبًا للكربيد، وزيادةً في المغناطيسية، وإجهادًا متبقيًا، مما يُقلل من مقاومته للتآكل. يُمكن للتلدين أو المعالجة الحرارية بالمحلول بعد المعالجة الباردة أن يُزيل هذه الآثار السلبية بفعالية؛ لذلك، يجب توريد أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الملحومة والمعالجة الباردة العميقة في حالة محلول أو مُلَدَّن لضمان مقاومتها للتآكل بفعالية.
(2) بالإضافة إلى تشقق التآكل الإجهادي والظروف البيئية التي قد تؤدي إلى إجهاد التآكل الناتج عن تناوب الإجهادات، يُعد التحكم في درجة المعالجة الباردة وسيلةً أخرى لتجنب آثارها السلبية. وهذا مهمٌّ بشكل خاص في المعالجة الباردة الموضعية، مثل الانحناء والتمدد البارد، والتي يصعب تلدينها. طالما تم التحكم في نصف قطر الانحناء البارد لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بحيث لا يقل عن 1.5d0، وكان نصف قطر الانحناء البارد لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي والثنائي أكبر من 2.5d0، فليس من الضروري عادةً إجراء عملية تلدين لتخفيف الإجهاد بعد الانحناء البارد.
(3) بالنسبة للانحناءات التي تتطلب مقاومة التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، مثل انحناءات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على شكل حرف U للمبادلات الحرارية التي تعمل في ظل ظروف الماء أو البخار ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي، يجب إجراء عملية تخفيف إجهاد فعالة بعد الانحناء البارد بغض النظر عن حجم نصف قطر الانحناء البارد.
(4) يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 06Cr19Ni11Ti (321) بمقاومة أفضل للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي مقارنةً بالفولاذ 316L، وهو مادة أنابيب فولاذية أوستنيتية أكثر ملاءمةً لمبادلات الحرارة على شكل حرف U. أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة على شكل حرف U غير مناسبة، ولا ينبغي إخضاعها لعملية التلدين لتخفيف الإجهاد الموضعي بعد الثني أو الالتواء البارد.
(5) يمكن لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملتوية على البارد أن تشكل نوعًا جديدًا من المبادلات الحرارية ذات البنية المدمجة وكفاءة تبادل الحرارة الأعلى، الأمر الذي يستحق اهتمام واستكشاف وتطوير أقسام التصميم والتطبيق ذات الصلة.
(6) لا تصلح أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة على شكل حرف U ولا ينبغي أن تخضع للتخفيف الموضعي للإجهاد بعد الانحناء أو الالتواء البارد.
(7) التسخين بالمقاومة هو طريقة معالجة حرارية لتخفيف الضغط المحلي وهي أكثر توفيرًا للطاقة والوقت من التسخين غير المباشر في الفرن ويسهل تحقيق التحكم التلقائي فيها، ويجب الترويج لها كأولوية.
(8) تحتوي معايير خطوط الأنابيب الأوروبية والأمريكية (ASMEB31.1-2012، ASMEB31.3-2012، BSEN13480-4:2012) على بعض اللوائح المحدثة والمفصلة بشأن المعالجة الحرارية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بعد التشكيل البارد / الساخن، والتي تستحق اهتمامًا كبيرًا.