الفولاذ المقاوم للصدأ 316L مقابل 316H: محتوى الكربون، وقوة الزحف، واختيار درجة الحرارة العالية-

اطلب من أي مهندس مواد تسمية أكثر نوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي شيوعًا، وسيجيبك316Lو316H - في كثير من الأحيان دون أن ندرك أن هذين "الشقيقين" تم تصميمهما لوظيفتين متعارضتين تمامًا. 316L هو العمود الفقري القابل للحام والمقاوم للتآكل-المصانع الكيميائية والمعدات البحرية ومعالجة الأغذية. 316H هو-متخصص في درجات الحرارة المرتفعة، مصمم لمقاومة الزحف - التشوه البطيء والدائم الذي تتعرض له المعادن عند وضعها تحت ضغط عند درجة حرارة مرتفعة لسنوات أو عقود.

يعود الفرق الكامل بين الدرجتين إلى متغيرين: محتوى الكربون وحجم الحبيبات. 316L يغطى الكربون بنسبة 0.03% لمنع حساسية اللحام. 316H يتطلب الكربون بين 0.04% و0.10% بالإضافة إلى حجم حبيبات خشنة ASTM No. 7 أو أكثر خشونة، وكلاهما يزيد من قوة الزحف. هذه ليست مقارنة "أفضل أو أسوأ" - إنها مقارنة "الأداة المناسبة لدرجة الحرارة المناسبة". استخدام 316L فوق 425 درجة (800 درجة فهرنهايت) في خدمة الضغط قد يؤدي إلى فشل الزحف؛ إن استخدام 316H لخزان كيميائي ملحوم يؤدي إلى التآكل الحبيبي. وقد أدى اختيار الدرجة الخاطئة في أي من الاتجاهين إلى إغلاق المصانع، وتمزق الأوعية الدموية، والفشل الكارثي.

قاعدة القرار في جملة واحدة: أقل من 425 درجة (800 درجة فهرنهايت) وملحومة أو تآكل -حرج، اختر 316L؛ أعلى من 425 درجة حيث تكون قوة الزحف وتصنيفات درجات الحرارة المرتفعة برمز ASME -مهمة، اختر 316H. يعتبر الدرجان متكاملان وغير قابلين للتبديل - والخلط بينهما هو أحد أكثر أخطاء اختيار المواد شيوعًا- في صناعات المعالجة والطاقة.

التركيب الكيميائي - محتوى الكربون ومتطلبات حجم الحبوب

316 لتر و316Hتشترك في نفس الكيمياء الأساسية - 16-18% كروم، و10-14% نيكل، و2-3% موليبدينوم - وتختلف في محتوى الكربون وحجم الحبوب . 316L حيث يصل الكربون إلى 0.03% (أقصى قابلية للحام)، بينما يحدد 316H الكربون بنسبة 0.04-0.10% بالإضافة إلى حجم الحبوب الخشنة الإلزامي ASTM No. 7 أو خشن. الموليبدينوم في كلا الصفين هو ما يفصل عائلة 316 بأكملها عن 304: فهو يوفر مقاومة للتآكل والشقوق في بيئات الكلوريد.

كل من 316L (UNS S31603) و316H (UNS S31609) عبارة عن موليبدينوم-يحتوي على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي في السلسلة 300. يشير الحرف "L" في 316L إلى "منخفض الكربون" (أقل من أو يساوي 0.03%). يرمز "H" في 316H إلى "High Carbon" (0.04-0.10%)، ويحمل متطلبات إضافية لا تحتوي عليها أي درجة أخرى من سلسلة 300: حجم حبيبات خشنة برقم ASTM . 7 أو خشنة. متطلبات حجم الحبوب هذه هي ما يجعل 316H مختلفًا بشكل أساسي عن 316 العادي الذي يحتوي فقط على نسبة كربون مرتفعة - فالحبوب الخشنة ضرورية لمقاومة الزحف، ويتم التحقق من ذلك عن طريق فحص البنية المجهرية في تقرير اختبار المطحنة.

لماذا يشير محتوى الكربون إلى الدرجتين في اتجاهين متعاكسين؟

يلعب الكربون دورين متعارضين في سلسلة الفولاذ المقاوم للصدأ 316-. عند درجة الحرارة المرتفعة، يقوي الكربون المعدن عن طريق تكوين رواسب كربيد الكروم الدقيقة التي تثبت حدود الحبوب ضد التشوه الزحف - ولهذا السبب يحتاج 316H إلى 0.04% كحد أدنى من الكربون. لكن أثناء اللحام، يهاجر نفس الكربون إلى حدود الحبوب ويستنزف الكروم، مما يسبب تآكلًا بين الحبيبات (التحسس) - وهذا هو السبب في أن 316L يحصر الكربون بنسبة 0.03%. باختصار: الكربون هو مصدر قوة درجة الحرارة العالية-للكربون، وغياب الكربون في 316L هو مصدر سلامة اللحام. لا يمكنك الحصول على كلا الميزتين في كيمياء واحدة - وهذا هو سبب وجود الدرجتين.

لفهم هذه المقايضة-، تخيل أن ذرات الكربون تؤدي وظيفتين مختلفتين عند درجتي حرارة مختلفتين. في نطاق التحسس 425-870 درجة (800-1,600 درجة فهرنهايت) - الذي يتم الوصول إليه في الحرارة-المنطقة المتأثرة باللحام - يتفاعل الكربون مع الكروم لتكوين كربيدات الكروم عند حدود الحبوب، مما يؤدي إلى سرقة الكروم من المعدن المحيط وإنشاء مسارات تآكل مجهرية . 316L's يعني الكربون المنخفض جدًا- أنه لا يوجد ما يكفي من الكربون للتسبب في هذا الضرر، لذلك يظل 316L الملحوم مقاومًا للتآكل بدون معالجة حرارية بعد اللحام.

ولكن عند درجة حرارة عالية مستمرة (حوالي 500-700 درجة)، تنعكس القصة. الزحف - يحدث التمدد البطيء للمعدن تحت الحمل - في المقام الأول عن طريق انزلاق حدود الحبوب فوق بعضها البعض وعن طريق حركة الخلع. يعمل التشتت الدقيق لجزيئات كربيد الكروم عند حدود الحبوب مثل الدبابيس التي تثبت الحدود في مكانها، مما يؤدي إلى إبطاء الزحف بشكل كبير. هذه هي بالضبط آلية التقوية التي يوفرها الكربون العالي في 316H. 316L، مع عدم وجود كربون تقريبًا لتكوين كربيدات التثبيت هذه، والتي تزحف بشكل أسرع عند درجة الحرارة العالية. إضافة إلى الميزة، فإن حجم الحبوب الخشنة لـ 316H يعني حدودًا أقل للحبوب لكل وحدة حجم - وبما أن حدود الحبوب هي الحلقة الضعيفة في الزحف، فإن الحدود الأقل تساوي مقاومة أفضل للزحف.

متطلبات حجم الحبوب - ما الذي يجعل 316H حقًا "H"

متطلبات حجم الحبوب وفقًا لمعيار ASTM رقم. 7 أو الخشن هي السمة المميزة التي تفصل 316H عن العادي عالي-الكربون 316. تقلل الحبوب الخشنة إجمالي مساحة حدود الحبوب-، وبما أن تشوه الزحف يتركز عند حدود الحبوب، فإن المادة ذات الحبيبات الخشنة - تقاوم الزحف بشكل أفضل بكثير من المواد ذات الحبيبات الدقيقة - التي لها نفس الكيمياء. ولهذا السبب يجب أن يُظهر تقرير اختبار المواد لـ 316H حجم الحبوب - مادة 316 تحتوي على الكربون المناسب ولكن الحبوب الدقيقة ليست 316H ولن تؤدي نفس الشيء في خدمة الزحف.

يتم قياس حجم الحبوب بواسطة ASTM E112 ويتم تسجيله كرقم؛ الأرقام الأعلى تعني الحبوب الدقيقة. يحتوي 316L الملدن النموذجي على حجم حبيبات ASTM No. 5-8، وغالبًا ما يكون على الجانب الناعم بعد التلدين بالمحلول . 316H يتم إنتاجه عمدًا بحجم حبيبات ASTM No. 7 أو خشن (عادة رقم . 3-7 في الممارسة العملية)، ويتم تحقيقه من خلال محلول متحكم فيه - درجة حرارة ووقت التلدين. هذه إحدى الحالات القليلة في الفولاذ المقاوم للصدأ حيث تكون البنية المجهرية "الخشنة" "أفضل" -، وهي نقطة غير بديهية تربك المهندسين الذين تعلموا أن حجم الحبيبات الدقيقة يحسن من قوة درجة حرارة الغرفة ومتانتها. الحقيقة هي أن الحبوب الناعمة تساعد في درجة حرارة الغرفة، لكن الحبوب الخشنة تفوز في درجات الحرارة الزاحفة.

[المصدر] ASTM A240/A240M - المواصفات القياسية للكروم والكروم-لوحة وصفائح وشريط من الفولاذ المقاوم للصدأ من النيكل. ASTM E 112 - طرق الاختبار القياسية لتحديد متوسط ​​حجم الحبوب.

الخواص الميكانيكية

في درجة حرارة الغرفة في حالة التلدين، يتمتع 316H بمقاومة شد وخضوع دنيا أعلى قليلاً من 316L (515 ميجا باسكال مقابل 485 ميجا باسكال؛ 205 ميجا باسكال مقابل 170 ميجا باسكال)، لأن المحتوى العالي من الكربون يوفر تعزيزًا متواضعًا لهطول الأمطار. ومع ذلك، فإن هذا الفارق البالغ 6-15% يعد صغيرًا، وكلا الدرجتين قابلتان للطرق والتشكيل. إن اختلاف قوة درجة حرارة الغرفة-ليس هو السبب وراء اختيار درجة واحدة على الأخرى - فالفرق الحقيقي يظهر فقط عند درجة حرارة مرتفعة.

قوة درجة الحرارة المرتفعة-وتقسيم الضغط المسموح به من ASME

يظهر الفرق الميكانيكي الحاسم فوق حوالي 425 درجة (800 درجة فهرنهايت). ASME كود الغلايات وأوعية الضغط القسم الثاني، الجزء د يسرد قيم الضغط المسموح بها لـ 316L فقط حتى 800 درجة فهرنهايت (427 درجة ) - بعد ذلك، 316L لا يحتوي على رمز - الضغط المسموح به لأن قوة زحفه ليست مضمونة بشكل موثوق . 316H، على النقيض من ذلك، مدرج حتى 1500 درجة فهرنهايت (816 درجة ). هذه الحقيقة الوحيدة هي القاعدة العملية التي تحكم قرار اختيار 316L مقابل 316H بالكامل في تصميم أوعية الضغط والأنابيب.

سبب السقف 800 درجة فهرنهايت (427 درجة) في 316L هو الزحف. عند درجات حرارة أعلى من 0.4 مرة تقريبًا من نقطة الانصهار (معبرًا عنها بالكلفن)، تبدأ المعادن في التشوه بشكل دائم تحت أحمال أقل بكثير من قوة خضوعها لدرجة حرارة الغرفة-. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يبدأ نظام الزحف هذا بحوالي 500 درجة (930 درجة فهرنهايت)، وبحوالي 600 درجة (1112 درجة فهرنهايت) يهيمن على التصميم. نظرًا لأن 316L لا يحتوي على الكربون ولا الحبوب الخشنة لمقاومة الزحف، فإن ASME ببساطة لا تنشر الضغوطات المسموح بها فوق 800 درجة فهرنهايت -، ولا يمكن للمصمم حرفيًا استخدام 316L لمكون الضغط المختوم بالرمز - عند 600 درجة . 316H، المصمم خصيصًا للزحف، ويحتفظ بالكود- بالضغط المسموح به على طول الطريق حتى 1500 درجة فهرنهايت (816 درجة).

[المصدر] كود ASME للغلايات وأوعية الضغط، القسم الثاني، الجزء د - خصائص (مترية). القيم المعروضة تمثيلية؛ راجع إصدار الكود الحالي للتصميم.

قوة الزحف

الزحف هو التشوه البطيء والدائم للمعدن الذي يتم احتجازه تحت الضغط عند درجة حرارة عالية - حتى عند ضغط أقل بكثير من قوة خضوع درجة حرارة غرفته-. يمكن للأنبوب الذي يحمل بسهولة 100 بار عند 20 درجة أن ينتفخ ببطء ويصبح رقيقًا ويتمزق على مدار أشهر أو سنوات تحت نفس الضغط عند 600 درجة. الزحف هو آلية الفشل السائدة في-المعدات ذات درجات الحرارة العالية مثل أنابيب الغلايات، ورؤوس السخان الفائق، وأنابيب أفران المصفاة، وأنابيب البخار - وهو بالضبط وضع الفشل الذي تم تصميم 316H لمقاومته بينما 316L ليس كذلك.

لفهم الزحف بشكل حدسي، فكر في تمديد قطعة من الكراميل الدافئ أو الجبن الطري. اسحب برفق وسيمتد ببطء وبشكل دائم - ولا يعود إلى الخلف. تفعل المعادن الشيء نفسه عند درجة حرارة عالية: تكتسب الذرات الموجودة داخل المعدن طاقة حرارية كافية لتتحرك وتعيد ترتيبها تحت الحمل. مع مرور الوقت، تتراكم هذه الحركة الذرية كتشوه دائم. وفي درجة حرارة الغرفة، تكون هذه الحركة بطيئة جدًا بحيث لا أهمية لها على مدى حياة الإنسان. عند 600 درجة، يحدث ذلك بسرعة كافية لتمزق وعاء الضغط في بضع سنوات - ولهذا السبب فإن الزحف، وليس قوة الخضوع، هو الذي يحكم تصميم درجة الحرارة المرتفعة-.

يتميز الزحف عادةً بقوة التمزق الزاحف: الإجهاد الذي يسبب الكسر بعد وقت محدد عند درجة حرارة محددة، ويتم الإبلاغ عنه عادة عند 100000 ساعة (حوالي 11.4 سنة). على سبيل المثال، قد تحتوي المادة على قوة تمزق زحف تبلغ 100,000-ساعة تبلغ 100 ميجا باسكال عند درجة حرارة 600 درجة، مما يعني أن المكون الذي تم تحميله إلى 100 ميجا باسكال سيظل على قيد الحياة، في المتوسط، لمدة 100,000 ساعة قبل التمزق. تستخدم رموز التصميم قيم التمزق الزحف هذه، مقسومة على عامل أمان، لضبط الضغط المسموح به عند درجة حرارة عالية - ولهذا السبب لا يحتوي 316L على ضغط مسموح به أعلى من 800 درجة فهرنهايت.

لماذا يقاوم 316H الزحف بشكل أفضل من 316L

يقاوم 316H الزحف من خلال آليتين معززتين يفتقر إليهما 316L: (1) يشكل الكربون العالي (0.04-0.10%) رواسب كربيد الكروم الدقيقة عند حدود الحبوب، والتي تثبت الحدود وتمنعها من الانزلاق؛ (2) حجم الحبوب الخشنة (رقم ASTM . 7 أو الخشن) يعني حدودًا أقل للحبوب لكل وحدة حجم، وبما أن حدود الحبوب هي الحلقة الضعيفة في الزحف، فإن الحدود الأقل تساوي أقل زحف . 316L ليس له أي آلية، لذلك فهو يزحف بشكل أسرع بشكل ملحوظ عند درجة حرارة عالية.

آلية 1 - تثبيت الكربيد. في 316H، يشكل الكربون مشتتًا من كربيدات M₂₃C₆ الغنية بالكروم عند حدود الحبوب. تعمل هذه الكربيدات مثل دبابيس يتم دفعها عبر حدود الحبوب، حيث تحبس الحبوب المجاورة معًا وتقاوم الانزلاق الحدودي الذي يؤدي إلى تشوه الزحف . 316L، مع عدم وجود كربون تقريبًا، تشكل عددًا أقل بكثير من هذه الكربيدات المثبتة، لذلك تنزلق حدود الحبوب بحرية أكبر تحت الحمل عند درجة حرارة عالية.

آلية 2 - حبة خشنة. يتركز التشوه الزاحف عند حدود الحبوب لأن الحدود هي المكان الذي يكون فيه التركيب الذري مضطربًا. تحتوي المادة ذات الحبيبات الدقيقة- على العديد من الحدود (روابط أكثر ضعفًا)؛ تحتوي المادة ذات الحبيبات الخشنة- على عدد قليل منها. من خلال اشتراط حجم حبيبات ASTM رقم . 7 أو أكثر خشونة، يقلل 316H من عدد الوصلات الضعيفة، مما يقلل بشكل مباشر من معدل الزحف. هذه حالة نادرة في علم المعادن حيث تكون المواد الخشنة أفضل - على العكس تمامًا من تفضيل-الحبوب الدقيقة لقوة درجة حرارة الغرفة- وصلابتها.

التأثير المشترك كبير. عند درجة حرارة 600 درجة (1112 درجة فهرنهايت)، تبلغ قوة التمزق الزاحف 100000 ساعة التي تبلغ 316H حوالي 30-60% أعلى من قوة 316L من الكيمياء الأساسية المكافئة. من الناحية العملية، يمكن لأنبوب الغلاية 316H أن يحمل نفس حمولة البخار عند 600 درجة لمدة أطول مرتين إلى ثلاث مرات من أنبوب 316L - أو يحمل حمولة أعلى لنفس العمر التصميمي. بالنسبة للمعدات التي يتراوح عمرها التصميمي بين 20 و30 عامًا، فإن هذا الفرق هو الفرق بين النجاح والفشل المبكر.

تطبيقات الزحف - حيث يكتسب 316H مكانته

316H هي المادة القياسية لخدمة درجات الحرارة المرتفعة-في نطاق 500-700 درجة (930-1,290 درجة فهرنهايت)، خاصة في توليد الطاقة والتكرير: مسخن الغلايات الفائق وأنابيب إعادة التسخين، ورؤوس البخار وأنابيب البخار، وأفران التكرير وأنابيب الإصلاح، وأوعية المفاعلات ذات درجة الحرارة العالية- والمبادل الحراري. أنابيب. ويتم اختياره على وجه التحديد حيث-قوة الزحف على المدى الطويل - وليس فقط القوة الساخنة على المدى القصير - هي معيار التصميم الحاكم.

-اختيار درجة الحرارة العالية

الرقم الأكثر أهمية في قرار 316L مقابل 316H هو 425 درجة (800 درجة فهرنهايت). تحت درجة الحرارة هذه، يكون 316L مقبولًا تمامًا وعادةً ما يكون الخيار الأفضل بسبب قابليته العالية للحام ومقاومته للتآكل الحبيبي. فوق درجة الحرارة هذه، في أي تطبيق ضغط يخضع لقانون -، لا يُسمح بـ 316L ويصبح 316H (أو سبيكة أخرى ذات تصنيف -زحف) إلزاميًا. احفظ هذه العتبة: فهي تحل الغالبية العظمى من أسئلة 316L مقابل 316H.

حد 800 درجة فهرنهايت لدرجات L- ليس اعتباطيًا - فهو مكتوب في قسم ASME BPVC II، الجزء D، والذي لا يدرج ببساطة الضغوطات المسموح بها لـ 316L أعلى من 800 درجة فهرنهايت. نظرًا لأن القسم الثامن من ASME (أوعية الضغط) وASME B31.3 (أنابيب المعالجة) يتطلبان من المصممين استخدام هذه الضغوط المسموح بها المدرجة، فلا يمكن للمكون المختوم بالكود- أن يستخدم بشكل قانوني 316L أعلى من 800 درجة فهرنهايت. وهذا صحيح حتى إذا أخبرك المورد أن 316L "يجب أن يصمد" عند 600 درجة -، فقد تبقى المادة ماديًا لفترة من الوقت، ولكن لا يوجد بها أساس ضغط معتمد من الكود-، ولا يتم ضمان عمر الزحف الخاص بها.

سلم اختيار درجة الحرارة

الأكسدة - الحد الأقصى الآخر لدرجة الحرارة-

حتى 316H لديه درجة حرارة خدمة عليا. فوق حوالي 870 درجة (1600 درجة فهرنهايت) في الهواء، يبدأ مقياس أكسيد الكروم الواقي الموجود في 316H في الانهيار، وتتسبب الخدمة المستمرة في الأكسدة التدريجية (التقشير) وفقدان القسم. للحصول على خدمة مستمرة بدرجة حرارة أعلى من 870 درجة تقريبًا، قم بالتبديل إلى درجة مقاومة للحرارة-(مثل 310S أو 253MA) أو سبائك النيكل (مثل Inconel 625 أو 601). بين 816 درجة و870 درجة، يمكن استخدام 316H بشكل متقطع أو تحت حمل خفيف، ولكن يجب تقييم عمر الأكسدة كل حالة على حدة.

-يختلف التآكل الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة بشكل أساسي عن التآكل المائي الذي يسود عند درجات الحرارة المنخفضة. عند درجة الحرارة المنخفضة، يكون التآكل كهروكيميائيًا - ويحتاج إلى إلكتروليت سائل. عند درجة الحرارة المرتفعة، يكون التآكل أكسدة - يتفاعل المعدن مباشرة مع الأكسجين أو الكبريت أو الكربون الموجود في الغاز. يشكل الكروم الموجود في 316H مقياسًا وقائيًا Cr₂O₃ يقاوم الأكسدة حتى 870 درجة تقريبًا. وفوق ذلك، يصبح المقياس أقل حماية، ويتم استهلاك المعدن الأساسي تدريجيًا.

وهذا هو السبب في أن اختيار المواد "ذات الحرارة المرتفعة" له سؤالان مستقلان: "هل قوة الزحف كافية؟" و"هل سيتأكسد المعدن؟" - ويجب الإجابة على كليهما قبل تحديد الدرجة.

اللحام والتوعية

هنا تكمن المفارقة الأساسية في عائلة 316: إن الكربون نفسه الذي يمنح 316H قوة الزحف العالية عند درجة الحرارة- هو نفس الكربون الذي يجعل 316H عرضة لحساسية اللحام. عندما يتم لحام 316H وتمر المنطقة المتأثرة بالحرارة -عبر 425-870 درجة، يترسب الكربون الخاص بها على شكل كربيدات الكروم عند حدود الحبوب، مما يؤدي إلى استنفاد الكروم وخلق قابلية للتآكل بين الحبيبات إذا تعرض المكون لاحقًا لبيئة مائية مسببة للتآكل. 316L، مع عدم وجود كربون تقريبًا، ويتم اللحام بشكل نظيف دون هذا الخطر - وهذا هو السبب في أن 316L هو الاختيار القياسي للخدمة الملحومة ودرجات الحرارة المنخفضة والتآكل.

هذه المفاضلة-هي السبب وراء تكامل الدرجتين بدلاً من التنافس. 316 تعمل مكونات H (أنابيب الغلايات ورؤوس البخار) فوق 500 درجة في بيئات البخار أو غاز الاحتراق - حيث لا يحدث تآكل مائي بين الحبيبات، لذلك لا يعد التحسس مصدر قلق عملي. 316 تعمل مكونات L (الخزانات الكيميائية والأنابيب البحرية ومعدات الأغذية) تحت درجة حرارة 425 درجة في الماء أو بشكل معتدل البيئات الحمضية حيث يشكل التآكل الحبيبي تهديدًا حقيقيًا، لذا فإن ميزة الكربون المنخفض- تعتبر أمرًا ضروريًا. واختيار الدرجة الخاطئة يعكس هذا المنطق ويدعو إلى الفشل.

ممارسة اللحام لـ 316L مقابل 316H

هل يمكنك لحام 316L إلى 316H؟

نعم - 316L و316H متوافقان من الناحية المعدنية ويمكن لحامهما معًا، ولكن يجب مراعاة معدن الحشو ودرجة حرارة الخدمة معًا. بالنسبة للمفاصل ذات درجة الحرارة المنخفضة-، استخدم حشو ER316L حتى يقاوم معدن اللحام التحسس. بالنسبة للمفاصل الزاحفة ذات درجة الحرارة العالية-، يجب أن يحتوي معدن اللحام على كربون مطابق ونفس قوة الزحف مثل المعدن الأساسي 316H - باستخدام حشوة منخفضة من الكربون- في الوصلة الزحفية مما يؤدي إلى إنشاء رابط ضعيف من شأنه أن يزحف-يفشل أولاً. راجع الكود المعمول به (ASME B31.3، القسم VIII) للتعرف على المتطلبات المعدنية المحددة للحشو للمفاصل ذات درجة الحرارة العالية-316H.

هذه نقطة دقيقة ولكنها مهمة كثيرًا ما يغفل عنها المهندسون. في الوصلة الملحومة عند درجة حرارة الغرفة، عادة ما يكون معدن اللحام أقوى من المعدن الأساسي، لذلك لا يزال اللحام الأضعف قليلاً مقبولاً. ولكن في خدمة الزحف، يمكن أن تكون المنطقة المتأثرة بمعدن اللحام والحرارة-هي أضعف أجزاء الزحف-في المفصل. تحتوي حشوة 316L المودعة في وصلة زحف 316H على كربون أقل وحبوب أدق من المعدن الأساسي 316H، لذلك سوف تزحف وتتمزق أولاً - وهي ظاهرة تُعرف باسم "تقليل عمر الزحف عند اللحامات". بالنسبة إلى اللحامات الحرجة{10}}ذات درجات الحرارة المرتفعة، يجب أن تتم مطابقة كيمياء الحشو وبنية الحبوب وحتى المعالجة الحرارية للحام بعناية للحفاظ على عمر الزحف.

مقاومة التآكل - مائي مقابل درجة حرارة عالية-

بالنسبة للتآكل العام، والنقر، ومقاومة تآكل الشقوق في البيئات المائية، فإن 316L و316H متكافئان بشكل أساسي، لأن هذه الخصائص تخضع للكروم والنيكل والموليبدينوم - والتي تكون متطابقة في الدرجتين. كلاهما لديه رقم مكافئ لمقاومة التنقر يبلغ حوالي 24-25، مما يجعل كلاهما مناسبًا للتعرض الخفيف للكلوريد ولكن ليس لخدمة مياه البحر الشديدة. ولا يظهر فرق التآكل بين الدرجات إلا بعد اللحام (التحسس) وعند درجة حرارة عالية (الأكسدة).

محتوى الموليبدينوم (2-3%) هو ما يمنح عائلة 316 بأكملها أفضليتها على 304. يعمل الموليبدينوم بشكل كبير على تحسين مقاومة التآكل والشقوق في بيئات الكلوريد. ولهذا السبب فإن 316/316L/316H هي الدرجة القياسية للفولاذ المقاوم للصدأ "الدرجة البحرية-" والدرجة الكيميائية"، بينما 304 هي الدرجة القياسية "للأغراض-العامة". نظرًا لأن 316L و316H يشتركان في نفس محتوى الموليبدينوم، فإن مقاومتهما لتنقر الكلوريد متطابقة - ليس للتسمية "L" أو "H" أي تأثير على هذه الخاصية.

التآكل الحبيبي - حيث تتباعد الدرجات بعد اللحام

بعد اللحام، يتباعد سلوك التآكل لـ 316L و316H بشكل حاد . 316L يقاوم التآكل بين الحبيبات في الحالة الملحومة - لأن انخفاض الكربون يمنع ترسيب كربيد الكروم في الحرارة -المنطقة المتأثرة. 316H، مع 0.04-0.10% كربون، يحساس بسهولة أثناء اللحام، و سيتعرض مكون 316H الملحوم المعرض لبيئة مائية متآكلة أقل من 400 درجة تقريبًا لهجوم حبيبي في المنطقة المتضررة من حرارة اللحام-. ولهذا السبب يتم حجز 316H الملحومة للاستخدام في درجات الحرارة العالية-والخدمة غير المائية.

التآكل الحبيبي (IGC) هو وضع الفشل الذي تم إنشاء الدرجات "L" لمنعه. ويحدث ذلك عندما تتشكل كربيدات الكروم عند حدود الحبوب أثناء اللحام، مما يؤدي إلى استنفاد المعدن المجاور للكروم تحت عتبة الغشاء السلبي - ~12%. تتآكل الحدود المستنفدة بعد ذلك بشكل تفضيلي، مما يتسبب في فقدان المعدن لقوته ويفشل في النهاية على طول حدود الحبوب. 316H مرتفع بشكل متعمد في الكربون، لذا فهو بطبيعته عرضة للحساسية-. بالنسبة لأي مكون ملحوم سيتعرض للماء أو المواد الكيميائية المعالجة أو حتى الهواء الرطب عند درجة حرارة منخفضة، فإن 316L - وليس 316H - هو الاختيار الصحيح. على العكس من ذلك، بالنسبة لأنبوب الغلاية عند 600 درجة في البخار الجاف، فإن التحسس غير ذي صلة، و316H صحيح.

ارتفاع درجة الحرارة-الأكسدة والكربنة

عند درجة حرارة عالية، تتحول آليات التآكل ذات الصلة من الهجوم المائي إلى الأكسدة، والكبريتات، والكربنة. هنا، يؤدي أداء 316H أداءً جيدًا (أو أفضل قليلاً من) 316L، لأن مقاومة الأكسدة يحكمها الكروم - المتطابق في كلا الدرجتين - ويمكن للكربون الأعلى في 316H تحسين مقاومة الكربنة عن طريق تشبع السطح - مسبقًا بالكربون. يشكل كلا الصفين مقياس Cr₂O₃ وقائيًا يصل إلى 870 درجة تقريبًا، والتي فوقها يلزم استخدام سبيكة مقاومة للحرارة أو قائمة على النيكل-.

في خدمة الأفران والمصلح، تعد الكربنة - امتصاص الكربون من غاز المعالجة إلى المعدن - آلية تحلل شائعة تؤدي إلى هشاشة السبيكة. نظرًا لأن 316H يحتوي بالفعل على المزيد من الكربون، فهو يتمتع "بسعة" كربون أعلى قبل أن تصبح الكربنة ضارة، مما يمنحه ميزة طفيفة على 316L في الأجواء الكربنة. وهذا سبب آخر لكون 316H هو الدرجة المفضلة في خدمة أفران التكرير والبتروكيماويات. بالنسبة للأجواء الكبريتيدية (عالية -H₂S) عند درجة حرارة عالية، ومع ذلك، لا تعتبر أي درجة مثالية، وينبغي النظر في سبائك النيكل الأعلى - مثل Incoloy 825 أو Inconel 625.

التكلفة والتوافر

يتم تسعير 316L و316H بشكل متطابق بشكل أساسي - ويكون فرق التكلفة ضئيلًا (عادةً في حدود 2-5%، وغالبًا ما يكون صفرًا) لأنه يتم إنتاج كلا الدرجتين بنفس مسار تكرير AOD ويكون الفرق مجرد تعديل متواضع للكربون بالإضافة إلى خطوة التحكم في حجم الحبوب. وهذا يعني أن التكلفة لا ينبغي أبدًا أن تؤثر على قرار 316L مقابل 316H؛ يجب أن يتم الاختيار بالكامل على أساس درجة حرارة التشغيل ومتطلبات اللحام والتآكل.

على عكس 304L مقابل 304 - حيث تحمل الدرجة L-علاوة صغيرة على المعيار 304 -، فإن المقارنة بين 316L و316H تكون محايدة من حيث التكلفة- تقريبًا. يتطلب كلا النوعين نفس سعر السبائك الأساسية (مدفوعًا بمحتوى الموليبدينوم بنسبة 2-3%، وهو المكون الباهظ الثمن)، وتكون التكلفة الإضافية لتحقيق نطاق الكربون والحبوب الخشنة لـ 316H بسيطة. وهذا أمر محظوظ، لأنه يزيل السعر من المعادلة بالكامل: إذ يستطيع المهندسون الاختيار على أساس الجدارة الفنية البحتة، وهي على وجه التحديد الكيفية التي ينبغي بها اتخاذ القرار الحاسم المتعلق بالسلامة.

التوفر

316L هو الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر تخزينًا وتوافرًا على نطاق واسع في العالم، وهو متوفر في كل أشكال المنتجات (الصفائح والألواح والقضبان والأنابيب والأنابيب والتجهيزات والفلنجات) من كل موزع ومطحنة للفولاذ المقاوم للصدأ. 316H بشكل أساسي، وهو أقل شيوعًا ولكنه لا يزال متاحًا بسهولة، خاصة في أشكال المنتجات الأنبوبية (ASTM A213/A312 TP316H) واللوحة (ASTM A240 316H) المستخدمة في تطبيقات الطاقة والتكرير. بالنسبة لتطبيقات ضغط درجة الحرارة العالية-، يكون توفر 316H أمرًا راسخًا من خلال المطاحن التي تخدم صناعات الغلايات والبتروكيماويات.

ملاحظة عملية: نظرًا لأن 316L هو المهيمن جدًا في السوق، فإن العديد من الموزعين والمصنعين يستخدمونه بشكل افتراضي - حتى بالنسبة للتطبيقات التي يجب أن تستخدم 316H. عند طلب خدمة ذات درجة حرارة عالية-، حدد بوضوح "316H" وتحقق في تقرير اختبار المواد من أن (1) الكربون يبلغ 0.04-0.10%، و(2) حجم الحبيبات هو رقم ASTM . 7 أو أكثر خشونة. المادة التي تلبي فقط الكيمياء 316 (مع الحد الأقصى للكربون بنسبة 0.08%) ولكنها تفتقر إلى متطلبات حجم الحبوب ليست 316H ولن تقدم أداء الزحف المطلوب.

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي يرمز إليه حرف "H" في 316هـ؟

ج: يشير الحرف "H" إلى "High Carbon". يحدد 316H محتوى الكربون بنسبة 0.04-0.10% (أعلى من 0.03% كحد أقصى في 316L) بالإضافة إلى حجم الحبوب الخشنة ASTM No. 7 أو أكثر خشونة. تعمل هاتان الميزتان معًا على زيادة قوة الزحف إلى أقصى حد لخدمة درجات الحرارة المرتفعة-. تم تقديم التسمية "H" لتمييز الزحف-المصنف 316 عن 316 العادي وعن 316L منخفض الكربون.

س: هل 316H أقوى من 316L؟

ج: في درجة حرارة الغرفة، يتمتع 316H بقوة دنيا أعلى قليلاً (515 ميجا باسكال مقابل 485 ميجا باسكال؛ 205 ميجا باسكال مقابل 170 ميجا باسكال). لكن الفرق المهم يكون عند درجة حرارة عالية: أعلى من 425 درجة (800 درجة فهرنهايت)، ويحتفظ 316H بقوة زحف أعلى بكثير من 316L، و316H هو الوحيد من الاثنين الذي يحتوي على قيم الضغط المسموح بها في الكود-المدرجة أعلى من 800 درجة فهرنهايت. بالنسبة لتطبيقات درجة حرارة الغرفة-، يكون فرق القوة صغيرًا جدًا بحيث لا يهم.

س: هل يمكنني استخدام 316L بدلاً من 316H في درجة حرارة عالية؟

ج: ليس لخدمة الضغط برمز ASME أعلى من 425 درجة (800 درجة فهرنهايت). 316L لا يحتوي على كود-الضغط المسموح به فوق درجة الحرارة هذه لأن الكربون المنخفض والحبيبات الدقيقة لا يمكن أن تضمن مقاومة الزحف. لدرجات حرارة أعلى من 425 درجة في تطبيقات الضغط، استخدم 316H. بالنسبة للتطبيقات التي لا تحتوي على ضغط أو تحميل خفيف، يتم استخدام 316L أحيانًا حتى 450 درجة تقريبًا، ولكن هذا خارج ممارسة التعليمات البرمجية ويجب أن يتم بحذر هندسي.

س: هل 316H قابل للحام؟

ج: نعم، 316H قابل للحام، ولكن ارتفاع نسبة الكربون فيه يجعل المنطقة المتضررة بالحرارة- عرضة للحساسية (ترسيب كربيد الكروم) أثناء اللحام. يعد هذا مقبولًا بالنسبة إلى-درجة الحرارة المرتفعة، والخدمة غير المائية، حيث لا يحدث تآكل مائي بين الحبيبات. لا تستخدم ملحومة 316H في خدمة مائية متآكلة ذات درجة حرارة منخفضة - استخدم 316L بدلاً من ذلك.

س: ما هي درجة حرارة الخدمة القصوى 316H؟

ج: 316H يحتوي على ضغط مسموح به في كود ASME مدرج حتى 816 درجة (1500 درجة فهرنهايت). ومع ذلك، بالنسبة للخدمة المستمرة في الهواء، تصبح الأكسدة محدودة فوق حوالي 870 درجة (1600 درجة فهرنهايت). من الناحية العملية، يتم استخدام 316H بشكل شائع في نطاق الزحف 500-700 درجة (930-1,290 درجة فهرنهايت). أعلى من 870 درجة متواصلة تقريبًا، قم بالتبديل إلى درجة مقاومة للحرارة أو سبائك النيكل.

س: ما هي درجة حرارة الخدمة القصوى 316 لتر؟

ج: بالنسبة لخدمة الضغط برمز ASME، يقتصر 316L على 425 درجة (800 درجة فهرنهايت). هذا ليس حدًا للتآكل ولكنه حد قوة الزحف-: فوق 800 درجة فهرنهايت، لا تكون مقاومة الزحف في 316L مضمونة بشكل موثوق، لذلك لا يتم نشر أي إجهاد مسموح به. بالنسبة لأي مكون يحتفظ بالضغط -أعلى من 800 درجة فهرنهايت، استخدم 316H.

س: 316L مقابل 316H مقابل 316 - كيف أختار؟

ج: استخدم 316L للصيانة الملحومة والتآكل -الحرج، ودرجة الحرارة المنخفضة - (أقل من 425 درجة) - للخزانات الكيميائية، والأنابيب البحرية، والمعدات الغذائية. استخدم 316H لخدمة زحف -درجة الحرارة العالية (425-816 درجة) - وأنابيب الغلايات وأنابيب البخار وأنابيب الفرن. استخدم عادي 316 (0.08٪ الحد الأقصى للكربون) بشكل أساسي كدرجة للأغراض العامة عندما لا ينطبق أي من الطرفين، على الرغم من أنه في الممارسة العملية، حل 316L محل 316 إلى حد كبير في التطبيقات الملحومة.

س: كيف يمكنني التحقق من أنني أتلقى 316H وليس 316 أو 316L؟

ج: تحقق من تقرير اختبار المواد (MTR). بالنسبة لـ 316H، يجب أن يُظهر تقرير منتصف المدة: (1) الكربون 0.04-0.10%، و(2) حجم الحبوب ASTM No. 7 أو أكثر خشونة. لا يستطيع XRF (PMI) المحمول التمييز بين 316/316L/316H لأنه لا يمكنه قياس حجم الكربون أو الحبوب. يجب التحقق من الكربون عن طريق OES أو التحليل الكيميائي المختبري، وحجم الحبوب عن طريق فحص المعادن وفقًا لمعيار ASTM E112. اطلب شهادة EN 10204 Type 3.1 للتأكد من صحة المادة 316H.