كيفية منع التحسس في اللحامات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

يحدث التحسس عندما تترسب كربيدات الكروم عند حدود الحبوب في نطاق 425-815 درجة، مما يؤدي إلى استنفاد الكروم إلى ما دون عتبة التخميل البالغة 10.5%.

تعتبر درجات الكربون المنخفضة-(304L، 316L مع C أقل من أو تساوي 0.030%) أكثر وسائل الوقاية فعالية من حيث التكلفة-للمكونات الملحومة التي تعمل تحت درجة حرارة 425 درجة.

تعمل الدرجات المستقرة (321 مع Ti، 347 مع Nb) على ربط الكربون إلى كربيدات مستقرة، مما يجعلها مثالية لخدمة درجات الحرارة العالية-التي تزيد عن 425 درجة.

يعمل التلدين-بعد اللحام (1040–1150 درجة + التبريد السريع) على استعادة مقاومة التآكل في المكونات الحساسة بالفعل-.

تعتبر المدخلات الحرارية التي يتم التحكم فيها (أقل من أو تساوي 1.5 كيلو جول / مم لـ GTAW)، ودرجات الحرارة البينية المنخفضة (أقل من أو تساوي 150 درجة)، وتقنيات حبة سترينجر من التدابير التكميلية الأساسية.

مصدر:أستم A240/A240M؛ دليل ASM المجلد . 1؛ ليبولد وكوتيكي، لحام المعادن وقابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ، وايلي، 2005.

آلية التحسس للتآكل بين الحبيبات

الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ- مثل 304، و316، و321، و347 - تعتمد على طبقة سلبية من أكسيد الكروم (Cr₂O₃) ذاتية الإصلاح لمقاومة التآكل. يتطلب هذا الفيلم ما لا يقل عن 10.5% بالوزن من الكروم في محلول صلب ليظل ثابتًا وواقيًا.

عندما يتم تسخين الدرجات القياسية (على سبيل المثال، 304 مع C أقل من أو تساوي 0.08%) إلى نطاق درجة الحرارة 425–815 درجة (800–1500 درجة فهرنهايت)، فإن الكربون - ذو قابلية ذوبان محدودة في مصفوفة الأوستينيت - يهاجر إلى حدود الحبوب ويتحد مع الكروم لتكوين كربيدات غنية بالكروم-، بشكل أساسي Cr₂₃C₆. وتسمى هذه العملية بالحساسية.

العواقب وخيمة:

• تتشكل المناطق المستنزفة من الكروم- على طول حدود الحبوب، حيث ينخفض ​​الكروم إلى أقل من 10.5%.
• تصبح هذه المناطق أنودية بالنسبة إلى المصفوفة السائبة، مما يؤدي إلى إنشاء خلية كلفانية.
• في البيئات المسببة للتآكل (الأحماض، الكلوريدات، أحماض البوليثيونيك)، ينتشر التآكل الحبيبي (IGC) بسرعة على طول الحدود الضعيفة.
• النتيجة: سقوط الحبوب، وفقدان السلامة الميكانيكية، والفشل الكارثي المحتمل - حتى عندما تبدو المادة السائبة غير متأثرة.
• اختبار الصناعة القياسي للحساسية هو ASTM A262 الممارسة A (حفر حمض الأكساليك) أو الممارسة B–E (كبريتات الحديديك / غمر حمض النيتريك)، والتي تكشف الهجوم بين الحبيبات عن طريق فحص المعادن أو فقدان الوزن.

مصدر:ASTM A262 - الممارسات القياسية لاكتشاف القابلية للهجوم بين الحبيبات في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؛ دليل ASM المجلد. 13ب: التآكل، 2005.

خطر التحسس في منطقة الخطر 425-815 درجة​​​​​​​

أثناء اللحام، يتعرض المعدن الأساسي المجاور لخط الصهر إلى تدرج حراري من نقطة الانصهار (~1450 درجة) وصولاً إلى درجة الحرارة المحيطة. المنطقة الواقعة بين خط الاندماج والمعدن الأساسي غير المتأثر هي المنطقة المتأثرة بالحرارة - (HAZ).

ضمن منطقة HAZ، يوجد حتما نطاق ضيق في نطاق 425-815 درجة - نافذة التوعية. العامل الحاسم ليس ما إذا كانت منطقة HAZ ستصل إلى هذا النطاق (كما هو الحال دائمًا)، ولكن كم من الوقت تبقى هناك.

يحدد مخطط تحسس الوقت-درجة الحرارة-(TTS) هذه العلاقة:

• عند 650-700 درجة (أنف منحنى C)، يمكن أن يبدأ التحسس في أقل من 5-15 دقيقة لـ 304 مع 0.06% C.
• عند 425 درجة، قد يستغرق الأمر مئات الساعات - ولكن في اللحام متعدد التمريرات-، يمكن أن يكون الوقت التراكمي كبيرًا.
• تؤدي درجات الكربون المنخفضة- (304L، C أقل من أو تساوي 0.030%) إلى تحويل منحنى TTS بشكل كبير إلى اليمين، مما يتطلب ساعات في درجة حرارة الذروة قبل بدء التحسس.
• هذا هو السبب وراء أهمية معلمات اللحام: ارتفاع مدخلات الحرارة، والتبريد الأبطأ، والتسخين المسبق، والأقسام السميكة، كلها تعمل على إطالة الوقت في منطقة الخطر وزيادة خطر التحسس.

مصدر:ليبولد، جي سي وكوتيكي، دي جي، لحام المعادن وقابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ، وايلي، 2005، الفصل 4؛ أستم A240/A240M.

درجات الكربون المنخفضة-تقضي على الحساسية

المنطق بسيط: عدم وجود فائض من الكربون يعني عدم هطول كميات كبيرة من كربيد الكروم. يحدد ASTM A240 حد الكربون "L-grade" بأنه أقل من أو يساوي 0.030% بالوزن، مقارنة بأقل من أو يساوي 0.08% بالوزن للدرجات القياسية. يؤدي هذا الانخفاض بنسبة 63% في توافر الكربون إلى تحويل منحنى TTS إلى أقصى اليمين بحيث يتم التخلص بشكل فعال من التحسس في ظل ظروف اللحام العادية.

مقارنة مخاطر التركيب الكيميائي والتوعية

مصدر:ASTM A240/A240M - المواصفات القياسية للكروم والكروم-ألواح وصفائح وأشرطة النيكل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لأوعية الضغط.

الاعتبارات الأساسية المتعلقة بدرجات-الكربون المنخفضة

مقايضة قوة الخضوع-الإيقاف: 304L لديه حد أدنى من الإنتاجية يبلغ 170 ميجا باسكال مقابل . 205 ميجا باسكال لـ 304. بالنسبة لأوعية الضغط المصممة وفقًا للقسم الثامن من ASME، يجب مراعاة ذلك في حسابات سمك الجدار.

حد الخدمة طويل الأمد-: بالنسبة للخدمة المستمرة التي تزيد عن 425 درجة، حتى 304L يمكنه في النهاية التحسس على مدار آلاف الساعات. تُفضل الدرجات المستقرة (321/347) لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة.

التوفر: تعد 304L و316L من بين أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ المتوفرة على نطاق واسع على مستوى العالم، مما يجعلها الخيار الأول العملي للتصنيع الملحوم.

مصدر:كود ASME للغلايات وأوعية الضغط، القسم الثامن، القسم 1؛ أستم A240/A240M.

الدرجات المستقرة (321 / 347) تقفل الكربون مع التيتانيوم أو النيوبيوم

ويعمل تحقيق الاستقرار على مبدأ مختلف عن مبدأ خفض الكربون. بدلاً من التخلص من الكربون، تضيف الدرجات المستقرة عنصرًا ذو درجة تقارب أعلى للكربون من الكروم:

الدرجة 321: يشكل التيتانيوم (Ti أكبر من أو يساوي 5 × C، ولكن أقل من أو يساوي 0.70%) كربيد التيتانيوم (TiC)، الذي يترسب عند درجات حرارة أعلى من تكوين Cr₂₃C₆، مما يؤدي إلى عزل الكربون قبل أن يتمكن من الاندماج مع الكروم.

الدرجة 347: يشكل النيوبيوم (Nb أكبر من أو يساوي 10 × C، ولكن أقل من أو يساوي 1.00%) كربيد النيوبيوم (NbC)، مع ثبات حراري أكبر من TiC.

مقارنة الدرجات المستقرة

مصدر:أستم A240/A240M؛ مجلد دليل ASM. 1: الخصائص والاختيار - الحديد والفولاذ والسبائك-عالية الأداء.

السكين-هجوم الخط: تحذير الدرجة الثابتة

الدرجات المستقرة لها قيد واحد مهم. أثناء اللحام، تصل منطقة الاندماج إلى درجات حرارة عالية بدرجة كافية (~1300 درجة) لإعادة -إذابة TiC وNbC. عند التبريد خلال نطاق التحسس، يصبح الكربون حرًا مؤقتًا ويمكن أن يشكل Cr₂₃C₆ في نطاق ضيق جدًا مجاور لخط الاندماج - وهي ظاهرة تسمى هجوم خط السكين- (KLA).

تتطلب الوقاية من جيش تحرير كوسوفو:

• التلدين-بعد تثبيت اللحام عند درجة 870–925 درجة، مما يسمح لـ Ti أو Nb بإعادة-التقاط الكربون.
• باستخدام 347 على 321 في خدمة ذات درجة حرارة عالية-، حيث يتشكل NbC-بشكل أكثر سهولة من TiC بعد الذوبان.
• الجمع بين درجة ثابتة وممارسة منخفضة الكربون (على سبيل المثال، 347 مع C أقل من أو يساوي 0.04%) للتطبيقات الهامة.

مصدر:ليبولد وكوتيكي، لحام المعادن وقابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ، وايلي، 2005، الفصل 6؛ أستم A240/A240M.

ما بعد-تلدين محلول اللحام يستعيد مقاومة التآكل بعد التحسس

عند حدوث التحسس بالفعل - سواء من اللحام غير المناسب للدرجات القياسية أو من خدمة درجة الحرارة العالية الممتدة - - فإن التلدين بالمحلول هو العملية الوحيدة التي يمكنها استعادة البنية المجهرية بالكامل.

تتضمن العملية ثلاث خطوات حاسمة:

التسخين: ارفع المكون إلى 1040-1150 درجة. عند درجات الحرارة هذه، تذوب كربيدات Cr₂₃C₆ مرة أخرى في مصفوفة الأوستينيت، مما يعيد الكروم إلى المحلول الصلب.

التثبيت: حافظ على درجة الحرارة لمدة لا تقل عن دقيقة واحدة لكل ملليمتر من السمك، مما يضمن ذوبان الكربيد بالكامل في جميع أنحاء -المقطع العرضي.

التبريد السريع: يتم إخماد الماء أو تبريد الهواء بسرعة خلال نطاق 425-815 درجة بسرعة كافية لمنع -إعادة ترسيب الكربيدات.

حل الصلب المعلمات حسب الدرجة

مصدر:أستم A240/A240M؛ أستم A182/A182M؛ دليل ASM المجلد . 4: المعالجة الحرارية.

يعمل التحكم في إدخال الحرارة ودرجة الحرارة البينية على تقليل مخاطر التحسس

تؤثر متغيرات إجراء اللحام بشكل مباشر على الدورة الحرارية لمنطقة HAZ. في حين أنه لا يمكن لأي إجراء لحام أن يمنع المرور عبر نطاق التحسس بشكل كامل، إلا أن التحكم المناسب يمكن أن يقلل بشكل كبير من مدة التعرض.

معلمات اللحام: ممارسات منخفضة المخاطر-مقابل عالية المخاطر-

مصدر:ASME القسم التاسع - مؤهلات اللحام؛ AWS D18.1 – لحام الأنابيب وأنظمة الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.

القواعد الحاسمة لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

لا تقم أبدًا بتسخين الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ما لم يكن ذلك مطلوبًا على وجه التحديد من خلال إجراء مؤهل. التسخين المسبق يمتد الوقت في نطاق التحسس.

استخدم GTAW (TIG) مع خرزات سترينجر لتمرير الجذر والتمريرات الحرجة - فهو يوفر أقل مدخلات حرارة وأفضل تحكم.

الحد من درجة حرارة الممر الداخلي إلى أقل من أو يساوي 150 درجة (يتم قياسها باستخدام مقياس بيرومتر ملامس على بعد 25 مم على الأقل من مكان اللحام). استخدم العصي المؤقتة أو الأشعة تحت الحمراء للتحقق.

بالنسبة لـ GMAW (MIG)، استخدم وضع النبض لتقليل متوسط ​​إدخال الحرارة مع الحفاظ على الاختراق المناسب.

تجنب نسج - خرزات سترينجر لتركيز المدخلات الحرارية وتقليل عرض HAZ.

بالنسبة إلى SMAW (العصا)، استخدم -أقطابًا كهربائية صغيرة بقطر (2.5-3.2 مم) ذات تيار كهربائي منخفض وطول قوس قصير.

مصدر:أوس D18.1؛ ASME القسم التاسع؛ ليبولد وكوتيكي، 2005.

مقارنة شاملة: ما هي استراتيجية الوقاية التي تناسب تطبيقك؟

مقارنة-الإستراتيجيات المتعددة الأبعاد

مصدر:أستم A240/A240M؛ أستم A182/A182M؛ ASME القسم التاسع؛ أوس D18.1؛ ليبولد وكوتيكي، 2005.

دليل الاختيار المستند إلى التطبيق-

مصدر:التوصية الهندسية لشركة JN Alloys بناءً على معايير ASTM وASME وAWS؛ خبرة في مشاريع الصناعة في التطبيقات البتروكيماوية والبحرية.

الأسئلة المتداولة

س: هل يمكن تحسس 304L أثناء اللحام؟

A: في ظل ظروف اللحام العادية، لا يتحسس 304L (C أقل من أو يساوي 0.030%) لأن محتوى الكربون منخفض جدًا بحيث لا يشكل كربيدات كروم كبيرة. ومع ذلك، فإن التعرض لفترة طويلة فوق 425 درجة على مدى آلاف الساعات يمكن أن يسبب الحساسية في النهاية، حتى في درجات L-. للخدمة فوق 425 درجة، استخدم الدرجات المستقرة (321 أو 347) بدلاً من ذلك.

س: ما الفرق بين التآكل الحبيبي (IGC) والهجوم الخطي بالسكين (KLA)؟

A: يحدث IGC في HAZ حيث تم تسخين المعدن إلى نطاق حساسية 425-815 درجة، مما يشكل نطاقًا حساسًا واسعًا نسبيًا. KLA هو شكل محدد من IGC في الدرجات المستقرة (321، 347) حيث تصل منطقة الاندماج إلى درجات حرارة عالية بما يكفي لإذابة كربيدات التثبيت (TiC، NbC)، وعند التبريد، يتشكل شريط ضيق من Cr₂₃C₃ مباشرة عند خط الدمج. جيش تحرير كوسوفو أضيق ولكن يمكن أن يكون أعمق وأكثر عدوانية من IGC التقليدية.

س: هل التلدين بمحلول ما بعد اللحام ضروري دائمًا لعمليات اللحام 304L؟

A: لا. بالنسبة إلى اللحامات 304L في درجة الحرارة المحيطة إلى المعتدلة-(أقل من 425 درجة)، فإن التلدين بالمحلول ليس مطلوبًا عادةً لأن المحتوى المنخفض من الكربون يمنع حدوث حساسية كبيرة. التلدين اللاحق - مخصص لـ: (1) الدرجات القياسية (304، 316) الملحومة بدون حشو درجة L-، (2) الخدمة الحرجة حيث لا يوجد أي تسامح مع التحسس، أو (3) إعادة تأهيل المكونات الحساسة بالفعل-.

س: لماذا لا ينصح بالتسخين المسبق للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؟

A: على عكس الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد والمارتنسيتي، فإن الدرجات الأوستنيتي غير قابلة للتصلب عن طريق التبريد - ولا تشكل مارتنسيت هشًا. يعمل التسخين المسبق للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على إطالة الوقت الذي تقضيه HAZ في نطاق التحسس 425-815 درجة، مما يعزز ترسيب الكربيد. الاستثناء الوحيد هو تطبيقات محددة للغاية حيث يكون تكسير الهيدروجين أمرًا مثيرًا للقلق، وهو أمر نادر في الدرجات الأوستنيتي.

س: هل يجب أن أستخدم 321 أو 347 لتطبيقات الفلنجة ذات درجة الحرارة العالية-؟

A: بالنسبة للخدمة التي تزيد عن 425 درجة، يفضل الصف 347 بشكل عام على 321 للأسباب التالية: (1) NbC أكثر استقرارًا حراريًا من TiC، ويعاد التشكيل بسهولة أكبر بعد الذوبان في حوض اللحام؛ (2) 347 يتمتع بمقاومة زحف أفضل-للتمزق عند درجات حرارة مرتفعة؛ (3) 347 أقل عرضة لهجوم خط السكين{10}}. ومع ذلك، قد يتم اختيار 321 لأسباب تتعلق بالتكلفة أو التوفر عندما تكون درجة حرارة الخدمة معتدلة (425-540 درجة).

س: كيف أقوم باختبار التحسس بعد اللحام؟

A: طريقة الصناعة القياسية هي ASTM A262، والتي تتضمن خمس ممارسات: الممارسة أ (حفر حمض الأكساليك، الفحص السريع)، الممارسة ب (كبريتات الحديديك - حمض الكبريتيك، فقدان الوزن)، الممارسة ج (حمض النيتريك، فقدان الوزن لدرجات تحمل Mo-)، الممارسة E (كبريتات النحاس - حمض الكبريتيك، اختبار الانحناء)، والممارسة F (كبريتات النحاس - 50% حمض الكبريتيك، لـ مو الدرجات). الممارسة (أ) هي الأكثر شيوعًا للفحص السريع؛ توفر الممارسات B–F نتائج كمية.

س: هل يمكن أن يحدث التحسس في الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج؟

A: نعم، لكن الآلية والشدة تختلفان. تحتوي الدرجات المزدوجة (2205، 2507) على بنية مجهرية ثنائية الطور (الأوستينيت + الفريت). يمكن أن يحدث ترسيب كربيد الكروم في مرحلة الفريت، لكن شبكة الأوستينيت المستمرة توفر مسارًا لإعادة انتشار الكروم من الفريت، مما يجعل التحسس أقل حدة. تتميز درجات الطباعة المزدوجة الحديثة التي تحتوي على نسبة منخفضة من النيتروجين والكربون (على سبيل المثال، 2205 مع C أقل من أو تساوي 0.030%) بمقاومة عالية للحساسية.