SA213 T11 مقابل T22 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SA213 T11 و SA213 T22 هما نوعان من الفولاذات منخفضة السبيكة من الكروم والموليبدينوم المستخدمة على نطاق واسع في أنابيب الغلايات والسخانات وأنابيب المبادلات الحرارية. غالبًا ما يوازن المهندسون والمهنيون في الشراء بين تكاليف المواد الأولية وسهولة التصنيع واللحام، وقوة التحمل عند درجات الحرارة العالية أثناء الخدمة (مقاومة الزحف). في العديد من المشاريع، يتلخص القرار في ما إذا كانت نسبة السبيكة الأعلى وقدرة T22 على تحمل درجات الحرارة المرتفعة تبرر تكلفتها الأعلى وعمليات اللحام والمعالجة الحرارية الأكثر تطلبًا مقارنةً بـ T11.
التمييز الفني الأساسي هو أن T22 يحتوي على سبيكة توفر قوة ومقاومة زحف أفضل بكثير عند درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بـ T11؛ عادةً ما يتم اختيار T11 حيث تكون القابلية الجيدة للتشكيل وسهولة اللحام وتكلفة أقل هي الأولويات لدرجات حرارة الخدمة المنخفضة إلى المتوسطة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الرئيسية:
- ASTM/ASME: SA213 (أنابيب للخدمة عند درجات الحرارة العالية)، A335 (أنابيب) — T11 و T22 تتوافق مع درجات Cr-Mo التي تتماشى عادةً مع P11 و P22 في مواصفات الأنابيب.
- EN / DIN: الدرجات المقارنة هي من عائلة 13CrMo44/14MoV6-3، ولكن يجب توخي الحذر عند الإشارة المباشرة.
- JIS / GB: المعايير الوطنية لديها سلسلة Cr-Mo مماثلة ولكن تحقق من التسميات والجداول الخاصة بالخصائص للتعويض.
- التصنيف:
- SA213 T11 و T22 هما فولاذان فيريتيك منخفضا السبيكة (فولاذ سبيكي) مصممان للخدمة عند درجات الحرارة العالية؛ هما ليسا فولاذًا مقاومًا للصدأ ولا HSLA بالمعنى التقليدي (تستهدف سبائكتهما قوة التحمل عند درجات الحرارة المرتفعة والزحف بدلاً من مقاومة التآكل فقط).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
تقدم الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن) التي يتم مواجهتها في الممارسة الصناعية وحسب النطاقات المستخدمة عادةً في ASME/ASTM. تعتمد الحدود الدقيقة على المصنع المحدد وإصدار المعيار؛ استشر دائمًا مواصفات المواد المسيطرة للشراء أو التصميم.
| عنصر | T11 النموذجي (تقريبًا نسبة الوزن %) | T22 النموذجي (تقريبًا نسبة الوزن %) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.65 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ~0.9 – 1.4 (اسمي ~1.0–1.25) | ~2.0 – 2.5 (اسمي ~2.25) |
| Ni | ≤ 0.40 (أثر) | ≤ 0.40 (أثر) |
| Mo | ~0.44 – 0.65 (اسمي ~0.5) | ~0.85 – 1.06 (اسمي ~1.0) |
| V | أثر / اختياري | أثر / اختياري |
| Nb (Cb) | أثر / غير محدد | أثر / غير محدد |
| Ti | أثر | أثر |
| B | أثر | أثر |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - يزيد الكروم من القدرة على التصلب وقوة التحمل عند درجات الحرارة العالية ويعزز تكوين الكربيدات المستقرة التي تحسن مقاومة الزحف. - يحسن الموليبدينوم قوة الزحف ومقاومة التليين عند درجات الحرارة من خلال استقرار الكربيدات وإعاقة الانتشار. - يتحكم الكربون والمنغنيز في القوة الأساسية والقدرة على التصلب؛ يزيد الكربون الأعلى من القوة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة. - السيليكون هو مزيل للأكسدة ويوفر قوة متواضعة ومقاومة للأكسدة. - يمكن أن تؤثر الإضافات الدقيقة (V، Nb، Ti) على حجم الحبيبات، وتقوية الترسيب، والصلابة التأثيرية، ولكن هذه عادةً ما تكون طفيفة في تركيبات T11/T22 القياسية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المسلمة (المعالجة بالتحجيم والتسخين) يظهر كل من T11 و T22 بنى مارتنسيتية / باينيتية معالجة مع انتشار كربيدات السبيكة (غنية بالكروم والموليبدينوم). يتم التحكم في حجم الحبيبات وتوزيع الكربيدات بواسطة درجة حرارة التحجيم ونظام التسخين. - يميل T22، مع محتوى أعلى من الكروم والموليبدينوم، إلى تشكيل نسبة أعلى من كربيدات السبيكة المستقرة وبنية مجهرية تقاوم التبلور عند درجات الحرارة المرتفعة بشكل أفضل من T11.
آثار المعالجة الحرارية: - التحجيم (التبريد الهوائي من فوق النطاق الحرج) ينقي حجم حبيبات الأوستينيت السابقة ويذيب الكربيدات؛ يتبع ذلك التسخين لتطوير التوازن المطلوب بين الصلابة والقوة. - التحكم في التبريد والتسخين يؤثر على صلابة درجة حرارة الغرفة مقابل القوة ولكنه أقل شيوعًا لمنتجات الأنابيب المدرفلة على الساخن المخصصة للخدمة — الممارسة القياسية هي التحجيم والتسخين المناسبين لشكل المنتج. - بالنسبة لكلا الدرجتين، يتم استخدام المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) عادةً لتسخين منطقة اللحام وتقليل الضغوط المتبقية والصلابة؛ يتطلب T22 عادةً تحكمًا أكثر صرامة (درجة حرارة PWHT الدنيا، وقت الانتظار) لتلبية أداء الزحف. - يمكن استخدام المعالجة الحرارية الميكانيكية المنضبطة (TMCP) لتنقية حجم الحبيبات وتحسين الصلابة في الأقسام السميكة، ولكن بالنسبة للأنابيب، تكون المتغيرات السائدة هي دورات التحجيم والتسخين.
4. الخصائص الميكانيكية
الخصائص الميكانيكية أدناه هي نطاقات دالة للأنابيب المعالجة بالتحجيم والتسخين وتعتمد بشكل كبير على سمك الجدار، والمعالجة الحرارية الدقيقة، والتشطيب. استخدم جداول الرموز المناسبة للتصميم.
| الخاصية | T11 النموذجي (معالج بالتحجيم والتسخين) | T22 النموذجي (معالج بالتحجيم والتسخين) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~420 – 560 ميغاباسكال | ~450 – 620 ميغاباسكال |
| قوة الخضوع (0.2% انزلاق، ميغاباسكال) | ~240 – 360 ميغاباسكال | ~300 – 420 ميغاباسكال |
| التمدد (%) | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة) | متوسطة؛ تعتمد على المعالجة الحرارية | متوسطة؛ غالبًا ما تكون أقل قليلاً من T11 إذا كانت نسبة الكربون/القدرة على التصلب أعلى |
| الصلابة (HB) | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
التفسير: - يقدم T22 عمومًا قوة خضوع وقوة شد أعلى، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى الذي يعزز قوة الزحف. - قد يوفر T11 قابلية تشكيل أفضل قليلاً ويمكن أن يكون أسهل في تلبية متطلبات الصلابة لبعض الأشكال، بسبب محتواه الأقل من السبيكة والقدرة على التصلب الأقل. - الفرق في صلابة درجة حرارة الغرفة متواضع في المواد المعالجة بشكل صحيح؛ الميزة الرئيسية للخدمة لـ T22 هي الاحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة (مقاومة الزحف).
5. قابلية اللحام
تدور اعتبارات قابلية اللحام حول محتوى الكربون، والقدرة العامة على التصلب (Cr + Mo + سبيكة أخرى)، والحاجة إلى التسخين المسبق/PWHT.
- تزداد الصلابة وتكوين المارتنسيت في المناطق المتأثرة بالحرارة مع زيادة السبيكة والقدرة على التصلب؛ وبالتالي، فإن محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى في T22 يزيد من خطر تصلب HAZ والتشقق البارد الناتج عن الهيدروجين إذا كانت ضوابط اللحام غير كافية.
- مؤشرات قابلية اللحام الشائعة المفيدة للتفسير النوعي:
- معادل الكربون (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مؤشر أكثر تحفظًا):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - التفسير (نوعي): يشير CE أو Pcm الأعلى إلى مزيد من التسخين المسبق، وتبريد أبطأ، وغالبًا ما يتطلب PWHT لتجنب البنى المجهرية الهشة في HAZ. سيكون لدى T22 عادةً CE أعلى من T11 عند نفس محتوى الكربون، مما يشير إلى إجراءات لحام أكثر صرامة.
- الممارسة الموصى بها: التحكم في الهيدروجين في مواد اللحام، تطبيق التسخين المسبق المناسب، وإجراء PWHT وفقًا للرمز وجداول بيانات المواد — غالبًا ما يتم تحديد PWHT الأكثر صرامة لـ T22 لتلبية متطلبات الزحف والصلابة.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من T11 و T22 هما فولاذان غير مقاومين للصدأ ولا يوفران مقاومة كبيرة للتآكل الرطب أو البيئات العدوانية من خلال الكيمياء وحدها.
- الحمايات النموذجية: الطلاء، البرايمرات، الطلاءات عالية الحرارة، أو الطلاءات المعدنية حيثما كان ذلك مناسبًا. للخدمة الخارجية/الجو، قد يتم استخدام الجلفنة لبعض المكونات ولكنها غير شائعة للأنابيب عالية الحرارة.
- لأكسدة درجات الحرارة العالية (البخار/الفرن)، تتشكل قشور أكسيد السطح؛ تحسن السبيكة (Cr) من التصاق القشور ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية — هنا يستفيد T22 من محتوى الكروم الأعلى.
- مؤشرات تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذات منخفضة السبيكة: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر مخصص للفولاذ المقاوم للصدأ ولا يصف سلوك التآكل لفولاذات Cr-Mo الفيريتيك بشكل ذي معنى.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا الدرجتين يمكن تشغيلهما بشكل معقول عند معالجتهما بالتحجيم والتسخين؛ قد يكون T22 أكثر صعوبة قليلاً بسبب محتوى السبيكة الأعلى وتوزيع الكربيدات الأقوى.
- قابلية التشكيل والانحناء البارد: T11 الأقل سبيكة عمومًا أكثر تسامحًا في عمليات الانحناء والتشكيل؛ قد يتطلب T22 تحكمًا أكثر دقة في أنصاف أقطار الانحناء أو تشكيلًا عند درجات حرارة مرتفعة لتجنب التشقق في الأقسام السميكة.
- تشطيب السطح: الطحن، والتلميع، والاختبار غير التدميري هي معايير؛ بالنسبة للحام والتصنيع، يتم تطبيق ضوابط المتجر للهيدروجين وPWHT بشكل متكرر على T22.
8. التطبيقات النموذجية
| SA213 T11 – الاستخدامات النموذجية | SA213 T22 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أنابيب السخانات والمجددات الاقتصادية لدورات البخار ذات درجات الحرارة المنخفضة، وسخانات المياه، وأنابيب الغلايات العامة حيث تكون قوة الحرارة المتوسطة كافية | أنابيب السخانات، وأنابيب البخار والرؤوس في محطات الطاقة، وأنابيب العمليات عالية الحرارة في البتروكيماويات، والمكونات حيث تتطلب قوة زحف أعلى وعمر أطول عند درجات الحرارة المرتفعة |
| أنابيب المبادلات الحرارية الاقتصادية لدرجات الحرارة المتوسطة | أجزاء الضغط الحرجة عالية الحرارة وأنابيب تتطلب ضغوطًا مسموحًا بها أعلى عند درجات الحرارة |
| قطع غيار في أنظمة مصممة أصلاً لخدمة 1–1.25% Cr حيث تكون قابلية اللحام والتحكم في التكلفة مهمة | تصاميم جديدة حيث تكون مدة الخدمة الممتدة، والضغط المسموح به الأعلى عند درجات الحرارة، أو تقليل سمك الجدار لتوفير الوزن/المساحة مرغوبة |
مبررات الاختيار: - اختر T11 عندما تكون درجات حرارة الخدمة والضغوط متوسطة وعندما تكون التكلفة الأقل، وسهولة التصنيع، وضوابط اللحام/PWHT الأبسط هي الأولويات. - اختر T22 عندما تكون قوة الزحف الأعلى وثبات الأكسدة/القشور عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة وعندما تبرر مدة الخدمة الأطول أو الضغط المسموح به الأعلى عند درجات الحرارة التكلفة الأعلى للمواد وضوابط التصنيع الأكثر صرامة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما تكون تكلفة T22 أعلى من T11 بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى؛ الموليبدينوم مكلف بشكل خاص ويساهم بشكل غير متناسب في السعر.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في أشكال الأنابيب والأنابيب، ولكن يمكن أن تؤثر أوقات التسليم وتقلبات التكلفة على الطلب على السبيكة (توافر الموليبدينوم). يتم تخزين أحجام الأنابيب القياسية وسمك الجدران الشائعة بسهولة من قبل الموردين الرئيسيين؛ قد تكون الأحجام الخاصة لها أوقات تسليم أطول.
- أشكال المنتجات: الأنابيب الملحومة وغير الملحومة، والأنابيب، والتجهيزات، والشرفات هي شائعة؛ يختلف التوافر في الألواح والمسبوكات حسب الطلب في السوق.
10. الملخص والتوصية
| السمة | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (قدرة أقل على التصلب) | أكثر تطلبًا (قدرة أعلى على التصلب؛ PWHT أكثر صرامة) |
| توازن القوة – الصلابة | جيد عند درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المتوسطة | قوة عالية عند درجات الحرارة العالية / مقاومة الزحف الممتازة |
| التكلفة | أقل | أعلى |
الاستنتاجات: - اختر SA213 T11 إذا: كان تصميمك يعمل عند درجات حرارة بخار أو عمليات متوسطة حيث لا تتطلب مقاومة زحف استثنائية، وتفضل تكلفة المواد الأقل، وضوابط اللحام والتصنيع الأبسط، وتحتاج إلى قابلية جيدة للتشكيل والصلابة أثناء الخدمة. - اختر SA213 T22 إذا: كانت التطبيق يتضمن درجات حرارة بخار أعلى أو ضغوط مستمرة حيث تكون مقاومة الزحف والاحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة أمرًا حاسمًا، وتقبل تكلفة المواد الأعلى وإجراءات اللحام/PWHT الأكثر صرامة، وتحتاج إلى مدة خدمة أطول أو ضغوط مسموح بها أعلى عند درجات الحرارة.
التوصية النهائية: استند في الاختيار إلى الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل والضغط في المشروع (متطلبات عمر الزحف)، وقدرة إجراء اللحام (التسخين المسبق/PWHT)، وتحليل تكلفة دورة الحياة. عند الشك، استشر جداول المواد ASME/ASTM المناسبة وأجرِ مراجعة تصميم تشمل الضغوط المسموح بها عند درجة حرارة الخدمة المقصودة ومؤهلات إجراءات اللحام.