حمضي مقابل غير حمضي – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يقرر المهندسون وفرق الشراء بشكل روتيني بين درجات الصلب المخصصة لبيئات الخدمة الحامضية والفولاذ غير الحامضي التقليدي. غالبًا ما يتوازن الاختيار بين مقاومة التآكل (خصوصًا في البيئات التي تحتوي على كبريتيد الهيدروجين، H2S)، ومقاومة التشقق الناتج عن الهيدروجين، وقابلية اللحام، وقابلية التصنيع، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار أنابيب النفط والغاز upstream وخطوط الأنابيب، والمكونات المحتفظة بالضغط لمصانع الكيمياء، وتطبيقات الأوعية الضاغطة أو الهيكلية المعرضة لبيئات عدوانية.

التمييز الفني الرئيسي بين هاتين الفئتين هو تركيبها ومعالجتها لمقاومة ظواهر التشقق المرتبطة بالهيدروجين التي تحدث في البيئات التي تحتوي على H2S. نظرًا لأن هذه أوضاع الفشل تعتمد بشكل كبير على علم المعادن والميكروهيكل، يتم مقارنة الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية وغير الحامضي بشكل متكرر في التصميم، ومواصفات المواد، وتخطيط التصنيع.

1. المعايير والتسميات

المعايير الشائعة وكيفية ارتباطها عمومًا بفئات المواد:

• ASTM / ASME
• ASTM A106 — أنابيب فولاذية كربونية غير ملحومة للخدمة في درجات حرارة عالية (كربون).
• ASTM A333 — أنابيب فولاذية كربونية وسبائكية للخدمة في درجات حرارة منخفضة (كربون / سبائك).
• ASTM A335 — أنابيب فولاذية سبائكية للخدمة في درجات حرارة عالية (سبائك).
• ASTM A240 / ASME SA-240 — ألواح وصفيحات وشرائط من الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للحرارة (مقاوم للصدأ).
• EN (أوروبي)
• EN 10025 — الفولاذ الهيكلي بما في ذلك درجات HSLA (HSLA/كربون).
• EN 10028 — الفولاذ لأغراض الضغط، بما في ذلك الفولاذ السبائكي (كربون / سبائك).
• JIS (ياباني)
• JIS G3101 — الفولاذ المدرفل للهيكل العام (كربون).
• JIS G3454 / G3455 — أنابيب فولاذية كربونية وسبائكية للضغط (كربون / سبائك).
• GB / صيني
• GB/T 1591 — فولاذ هيكلي عالي القوة منخفض السبيكة (HSLA).
• GB/T 8163 — أنابيب فولاذية غير ملحومة لنقل السوائل (كربون / سبائك).
• معايير الأداء / الصناعة المحددة
• NACE MR0175 / ISO 15156 — المواد للاستخدام في البيئات التي تحتوي على H2S في إنتاج النفط والغاز (تنطبق على الفولاذ الكربوني والسبائكي والمقاوم للصدأ؛ تحدد متطلبات المواد، والمعالجة الحرارية، ومتطلبات الصلابة للخدمة الحامضية).
• API (مثل، API Spec 5L لخط الأنابيب) — يحدد متطلبات فولاذ الأنابيب؛ غالبًا ما تشير الامتثال للخدمة الحامضية إلى NACE/ISO.

ملاحظة: أحكام NACE/ISO هي إجرائية وتركز على الأداء بدلاً من أن تكون تسمية "درجة حامضية" واحدة — تصف كيف يجب اختيار الفولاذ (الكربوني، السبائكي، المقاوم للصدأ، HSLA)، ومعالجته حراريًا، واختباره للتأهل للبيئات الحامضية.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

جدول: التركيزات التركيبية النموذجية والأدوار (نوعية، دالة بدلاً من عددية)

عنصر	الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية (مقاوم لـ H2S)	الفولاذ غير الحامضي / القياسي
C (كربون)	مراقب ليكون منخفضًا نسبيًا لتقليل القابلية للتصلب ولتحديد خطر هشاشة الهيدروجين	نطاق أوسع؛ قد يكون أعلى حيث تكون القوة والقابلية للتصلب مطلوبة
Mn (منغنيز)	مراقب من أجل القوة وإزالة الأكسدة؛ ليس مرتفعًا بشكل مفرط لتقليل CE	مزيل أكسدة نموذجي وسبيكة قوة
Si (سيليكون)	منخفض إلى معتدل؛ يستخدم لإزالة الأكسدة ولكن محدود حيث تكون امتصاص الهيدروجين مصدر قلق	مستويات مزيل أكسدة نموذجية؛ يمكن أن يزيد Si العالي من القوة
P (فوسفور)	محفوظ عند مستوى منخفض جدًا — مخاوف من الهشاشة والانفصال	مراقب ولكن يُسمح أحيانًا بمستويات أثرية أعلى قليلاً
S (كبريت)	مقلل — الكبريتيدات والشوائب تعزز احتجاز الهيدروجين وبدء التشقق	قد يكون أعلى في الدرجات سهلة التشغيل؛ يحسن قابلية التشغيل ولكنه يقلل من مقاومة الحامض
Cr (كروم)	قد يكون موجودًا (سبيكة) لتحسين مقاومة التآكل واستجابة التصلب	موجود في الفولاذ السبائكي ودرجات المقاوم للصدأ
Ni (نيكل)	يستخدم بشكل متكرر لتحسين المتانة عند صلابة منخفضة ولتخفيف التشقق الناتج عن ضغط الكبريتيد (SSCC)	يستخدم في الفولاذ السبائكي والمقاوم للصدأ من أجل المتانة ومقاومة التآكل
Mo (موليبدينوم)	يستخدم بشكل انتقائي لتحسين القوة، والتصلب، ومقاومة التآكل في الظروف الحامضية	شائع في الفولاذ السبائكي من أجل القابلية للتصلب والقوة في درجات الحرارة المرتفعة
V, Nb, Ti (ميكروسبائك)	إضافات الميكروسبائك تستخدم لتنقيح حجم الحبيبات وتحسين المتانة دون محتوى كربوني مرتفع	تستخدم على نطاق واسع في الفولاذ HSLA لزيادة القوة عبر الكربيدات/النترات الدقيقة
B (بورون)	مراقب عمومًا — كميات صغيرة يمكن أن تؤثر على القابلية للتصلب؛ يجب إدارتها للخدمة الحامضية	يستخدم لتعزيز القابلية للتصلب في تركيزات منخفضة
N (نيتروجين)	عادة ما يكون مراقبًا؛ يمكن أن يؤثر النيتروجين على المتانة ويعزز النترات	مراقب حسب الدرجة؛ مهم لأداء المقاوم للصدأ

التفسير: تستهدف السبيكة للخدمة الحامضية تحقيق متانة داخلية عالية عند مستويات صلابة منخفضة نسبيًا، ومستويات شوائب مراقبة (P، S)، وسبيكة استراتيجية (Ni، Cr، Mo، عناصر الميكروسبائك) للحفاظ على اللدونة وتقليل القابلية لآليات التشقق الناتجة عن الهيدروجين. يسمح الفولاذ غير الحامضي بنوافذ تركيبية أوسع مضبوطة على القوة، والقابلية للتصلب، وقابلية التشغيل، أو التكلفة.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

تطور الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية والفولاذ غير الحامضي هياكل ميكروية مستهدفة مختلفة لأن المقاومة للتشقق المرتبط بالهيدروجين ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتوزيع الطور الميكروهيكلي والصلابة.

• الهياكل الميكروية النموذجية
• غير حامضي، منخفض السبيكة/HSLA: فيرّيت دقيق مع باينيت متناثر أو مارتنسيت معالج (اعتمادًا على أهداف القوة). غالبًا ما ينتج TMCP فيرّيت-بيرلايت مصقول أو فيرّيت إبرية مع متانة جيدة.
• الفولاذ السبائكي المعالج بالتبريد والصلب: مارتنسيت معالج عند مستويات قوة أعلى — قابلية تصلب وقوة أعلى ولكن حساسية أكبر للهيدروجين إذا كانت الصلابة مفرطة.

• الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية: مصمم لتجنب المارتنسيت الصلب غير المعالج في حالة اللحام أو الخدمة؛ الهياكل المستهدفة عادة ما تكون فيرّيت-باينيت دقيق أو مارتنسيت معالج جيدًا مع صلابة مضبوطة ومتانة كسر عالية.

• معالجة حرارية وطرق العمليات

• التطبيع / التلدين: ينقي هيكل الحبيبات ويحسن المتانة؛ غالبًا ما يستخدم لتأهيل الخدمة الحامضية لتقليل الضغوط المتبقية وضمان هيكل ميكروهيكلي لدن.
• التبريد والصلب: يزيد القوة من خلال التحول المارتنسيت يليها التلدين؛ يستخدم في كلا الفئتين ولكن يتم اختيار معلمات التلدين للخدمة الحامضية لتقليل الصلابة المحتفظ بها وتقليل خطر هشاشة الهيدروجين.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية المنضبطة (TMCP): تنتج فيرّيت وباينيت دقيقين مع متانة ممتازة؛ مفضلة لخطوط الأنابيب الهيكلية والخدمات الحامضية لتحقيق متانة عالية عند صلابة منخفضة.

يعد التحكم في معدلات التبريد، ودرجات التلدين، والصلابة النهائية أمرًا مركزيًا. تتطلب مواصفات المواد للخدمة الحامضية عادةً ضوابط عملية إضافية ومعالجات حرارية بعد اللحام (PWHT) لتقليل القابلية.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة نوعية للخصائص الميكانيكية

خاصية	الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية	الفولاذ غير الحامضي / القياسي
قوة الشد	متوسطة إلى عالية (متوازنة مع المتانة)	نطاق واسع من المنخفض إلى العالي جدًا حسب الدرجة
قوة الخضوع	متوسطة إلى عالية (مصممة لتلبية احتياجات الضغط/القوة)	نطاق واسع؛ يمكن أن تكون HSLA والمعالجة بالتبريد والصلب عالية جدًا
التمدد (اللدونة)	مؤكدة — تستهدف لدونة أعلى لمقاومة التشقق	متغيرة؛ قد تضحي الدرجات عالية القوة بالتمدد
متانة التأثير	عالية، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة المحددة لتجنب الفشل الهش	متغيرة؛ محددة حسب الدرجة والخدمة
الصلابة	مراقبة وعادة ما تكون محدودة لتقليل خطر هشاشة الهيدروجين	يمكن أن تكون أعلى للتطبيقات الحرارية أو الحرجة من حيث القوة

التفسير: تعطي الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية الأولوية لمتانة الكسر واللدونة عند مستويات صلابة مسموح بها لتخفيف التشقق الناتج عن الهيدروجين. يتم اختيار الفولاذ غير الحامضي عبر طيف أوسع من التوازن بين القوة واللدونة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، وإضافات السبيكة، والقابلية للتصلب. مقياسان تجريبيان شائعان:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

إرشادات نوعية: - تشير القيم المنخفضة لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ إلى قابلية لحام أسهل ومتطلبات تسخين مسبق / PWHT أقل. - غالبًا ما تتطلب الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية صلابة مسموح بها أقل في منطقة التأثير (HAZ) وتحكمًا صارمًا في المواد الاستهلاكية والإجراءات لتجنب احتجاز الهيدروجين. قد يعني هذا معلمات لحام أكثر تحفظًا، تسخينًا مسبقًا إلزاميًا، و/أو PWHT حسب الدرجة والسماكة كما تحددها NACE/ISO. - تعمل الميكروسبائك (Nb، V، Ti) على تنقيح حجم الحبيبات ولكن يمكن أن تزيد قليلاً من القابلية للتصلب، لذا يتم ضبط إجراءات اللحام لتجنب تشكيل مارتنسيت صلب في HAZ. - يجب أن تتلقى الفولاذ غير الحامضي الذي يحتوي على كربون أعلى أو قابلية تصلب قوية تسخينًا مسبقًا مناسبًا وPWHT لمنع التشقق البارد ولكن لا تتطلب موافقة خاصة للخدمة الحامضية ما لم تفرض التعرض للخدمة.

التطبيق العملي: حتى عندما تبدو الكيمياء والمؤشرات التجريبية مواتية، غالبًا ما تفرض تأهيل الخدمة الحامضية اختبارات إضافية (اختبارات HIC/SSC) وضوابط لحام.

6. التآكل وحماية السطح

• الفولاذ الكربوني والسبائكي غير المقاوم للصدأ
• تحمي عبر الطلاءات الخارجية (أنظمة الطلاء، الإيبوكسي الملتحم، الجلفنة لمقاومة التآكل الجوي، الحماية الكاثودية للتطبيقات المدفونة/تحت البحر، أو التكسية/الطلاء لمقاومة التآكل الداخلي).

• تعتبر مخصصات التآكل وخطط الصيانة جزءًا من الاختيار.

• سبائك مقاومة للصدأ ومقاومة للتآكل

• تتحقق مقاومة التآكل عبر تشكيل فيلم غير نشط بشكل رئيسي من محتوى الكروم. بالنسبة للتآكل الموضعي في البيئات التي تحتوي على الكلوريد، فإن رقم مقاومة التآكل (PREN) هو مؤشر مفيد: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$

• يساعد PREN في مقارنة سبائك المقاوم للصدأ لمقاومة التآكل/التآكل ولكن لا ينطبق على الفولاذ الكربوني.

• البيئات الحامضية

• يخلق H2S آليات تآكل محددة (تآكل الكبريتيد، هجوم موضعي) ويعزز امتصاص الهيدروجين. يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار المقاومة الكيميائية ومقاومة آليات التشقق الناتجة عن الهيدروجين؛ الطلاءات وحدها ليست كافية إذا كان من الممكن حدوث H2S داخلي أو اختراق.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل
• الفولاذات سهلة التشغيل ذات محتوى مرتفع من الكبريت/الرصاص تقطع بشكل أسهل؛ مثل هذه الإضافات غير متوافقة مع متطلبات الخدمة الحامضية لأن الشوائب والكبريتيدات تزيد من القابلية للتشقق.

• الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية مع S منخفض وميكروسبائك مضبوطة أقل "سهولة التشغيل"، أحيانًا تتطلب قوى قطع أعلى وأدوات أكثر متانة.

• قابلية التشكيل والانحناء

• الفولاذات الحامضية منخفضة الكربون والدقيقة الحبيبات تتشكل بشكل جيد عمومًا، ولكن يتم تحديد حدود التشكيل بواسطة المتانة المطلوبة والتحكم في الضغوط المتبقية.

• تتطلب الفولاذات عالية القوة المعالجة بالتبريد والصلب انحناءات أكثر ضيقًا ومعالجات بعد التشكيل لتجنب بدء التشقق.

• التشطيب

• جودة السطح والنظافة أكثر أهمية لأجزاء الخدمة الحامضية لأن علامات التشغيل، والشقوق، أو الشوائب يمكن أن تعمل كنقاط بدء للتشقق الناتج عن الهيدروجين.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات لكل فئة درجة

الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية (مقاوم لـ H2S)	الفولاذ غير الحامضي / القياسي
أنابيب تحت البحر وسطحية، غلاف، وأدوات أسفل البئر في النفط والغاز مع تعرض لـ H2S	أعمال الفولاذ الهيكلي العامة، مواد البناء، أنابيب غير حرجة
مواد خطوط الأنابيب وخطوط التدفق التي تلبي NACE/ISO 15156	أنابيب العمليات غير المعرضة للسوائل الحامضية؛ خطوط الأنابيب التوزيعية
أجزاء محتفظة بالضغط في مصانع الكبريت أو التي تنتج الكبريتيد	أوعية ضغط للخدمات الجافة/الغازية بدون H2S
صمامات، تركيبات، وفلنجات لتطبيقات الخدمة الحامضية	مكونات السيارات، الآلات، صمامات وتركيبات غير حامضية

مبررات الاختيار: اختر الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية عندما تحتوي البيئة على H2S، عندما يكون امتصاص الهيدروجين أو التشقق الناتج عن ضغط الكبريتيد أوضاع فشل موثوقة، أو عندما تتطلب المعايير الصناعية تأهيل حامضي. اختر الفولاذ غير الحامضي حيث يكون التعرض غير ضار، وتفضل قيود التكلفة الدرجات القياسية، أو عندما تكون الصلابة العالية/مقاومة التآكل مطلوبة دون قيود حامضية.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تتطلب درجات الخدمة الحامضية أسعارًا مرتفعة بسبب التحكم الأكثر صرامة في الكيمياء، والمعالجة الحرارية أو الاختبارات الإضافية، وأحيانًا إضافات سبيكة خاصة (Ni، Cr، Mo). تضيف اختبارات التأهيل (HIC/SSC)، وتدقيقات NACE/ISO، وضوابط التصنيع تكلفة.
• التوافر: الفولاذ الكربوني القياسي وHSLA متاح على نطاق واسع في العديد من أشكال المنتجات (لوح، ملف، أنبوب). يمكن أن يكون للمواد المؤهلة للخدمة الحامضية أوقات تسليم أطول وقد تكون متاحة بشكل أكثر شيوعًا في أشكال محددة (خط الأنابيب، الغلاف، الأنابيب) من البائعين المتخصصين في مواد النفط والغاز.

يؤثر شكل المنتج على العرض: اللوح القابل للحام وخط الأنابيب الذي يلبي متطلبات الحامض شائع ولكنه قد يكون مقيدًا في درجات معينة وطرق عمليات. يمكن أن تكون درجات الحامض المخصصة المعالجة بالتبريد والصلب أكثر محدودية.

10. الملخص والتوصية

جدول يلخص التوازنات الرئيسية

مقياس	الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية	الفولاذ غير الحامضي / القياسي
قابلية اللحام	تتطلب تحكمًا صارمًا، صلابة HAZ مسموح بها أقل، قد تتطلب PWHT وإجراءات مؤهلة	نطاق أسهل من إجراءات اللحام؛ تعتمد قابلية اللحام على CE/Pcm
توازن القوة–المتانة	محسنة لتحقيق متانة عالية عند صلابة مضبوطة لمقاومة التشقق الناتج عن الهيدروجين	نطاق واسع؛ يمكن أن تركز على القوة أو الصلابة حيثما دعت الحاجة
التكلفة	أعلى بسبب التحكم في التركيب، والاختبار، والمعالجة	عمومًا أقل ومتاحة بسهولة أكبر

التوصيات الختامية: - اختر الفولاذ المخصص للخدمة الحامضية إذا كانت السوائل أو البيئة تحتوي على H2S أو أنواع كبريتيد أخرى، إذا كان التشقق الناتج عن الهيدروجين خطرًا موثوقًا، أو إذا كانت مواصفات المشروع (NACE/ISO) تتطلب تأهيل حامضي. هذه الفولاذات مناسبة عندما تكون السلامة على المدى الطويل في البيئات التي تحتوي على الكبريت أمرًا حاسمًا، حتى عند ارتفاع تكلفة المواد والتصنيع. - اختر الفولاذ غير الحامضي إذا كانت البيئة خالية من H2S، إذا كانت ميزانيات المشروع أو التوافر تفضل الدرجات القياسية، أو إذا كانت هناك حاجة إلى صلابة عالية/مقاومة للتآكل ولا توجد أوضاع فشل مرتبطة بالهيدروجين. تظل الفولاذات غير الحامضية الخيار الأفضل للأعمال الهيكلية العامة، والأنابيب غير الحامضية، والعديد من التطبيقات التصنيعية حيث تكون حماية التآكل القياسية كافية.

ملاحظة نهائية: يجب أن يتضمن اختيار المواد دائمًا كيمياء الخدمة، ودرجة الحرارة، والضغط، وطريق التصنيع، وإجراءات اللحام، وحدود الصلابة، والمعايير الصناعية ذات الصلة. حيثما كانت الخدمة الحامضية ممكنة أو غير مؤكدة، فإن التواصل المبكر مع متخصصي علم المعادن وكُتّاب المواصفات أمر ضروري لضمان اختيار الدرجة الصحيحة، واختبارات التأهيل، وممارسات اللحام.