A106 Gr.B مقابل A106 Gr.C – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تصف ASTM A106 أنابيب الصلب الكربوني غير الملحومة المخصصة بشكل أساسي للخدمة في درجات الحرارة العالية. ضمن تلك العائلة، تعتبر الدرجة B والدرجة C هما الأكثر تحديدًا، وغالبًا ما يواجه المهندسون معضلة اختيار: هل يجب إعطاء الأولوية للتكلفة المنخفضة وقابلية اللحام الأفضل، أم إعطاء الأولوية للقوة الأعلى ودرجات الحرارة/الضغط المسموح بها الأعلى. تشمل سياقات القرار النموذجية أنابيب الضغط لخدمة البخار والهيدروكربونات، حيث تعتمد الخيارات على القوة والصلابة وقابلية اللحام والأداء على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة.

التمييز الفني الرئيسي بين A106 الدرجة B والدرجة C هو أن الدرجة C محددة لتحقيق قوة أعلى وغالبًا قدرة أعلى على تحمل درجات الحرارة، وهو ما يتحقق من خلال مستويات كربون ومنغنيز أعلى بشكل معتدل وتعديلات معدنية ذات صلة. وهذا يؤدي إلى تنازلات: زيادة القوة والصلابة مقابل تقليل قابلية اللحام وحساسية الصلابة عند الصدمات.

1. المعايير والتسميات

• المعيار الأساسي: ASTM A106 / ASME SA106 — أنابيب الصلب الكربوني غير الملحومة للخدمة في درجات الحرارة العالية.
• المكافئات الدولية والمعايير ذات الصلة: API 5L (أنابيب الخط؛ ليست متطابقة ولكنها تتداخل في حالات الاستخدام)، EN (معايير أنابيب الضغط والهياكل المختلفة)، معايير JIS وGB لأنابيب الصلب الكربوني — لكل منها تركيبات ومتطلبات ميكانيكية مختلفة.
• تصنيف المواد: كل من A106 Gr.B وGr.C هي فولاذ كربوني عادي (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ سبائكي بالمعنى الدقيق، وليس HSLA وفقًا لتعريفات الميكروسبائك الحديثة)، تستخدم كفولاذ كربوني مقاوم للحرارة لأنابيب الضغط.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

فيما يلي مقارنة نوعية للعناصر السبائكية ذات الصلة. يتم تحديد الحدود والنطاقات الدقيقة في المعيار ASTM ويمكن أن تختلف حسب الشركة المصنعة ودفعة الحرارة؛ تشير الجدول إلى المستويات النسبية النموذجية والدور.

تفسير: - عادةً ما يُسمح للدرجة C باحتواء كميات أعلى بشكل معتدل من الكربون والمنغنيز مقارنةً بالدرجة B لتلبية متطلبات القوة/الحرارة الأعلى. العناصر السبائكية الأخرى عمومًا منخفضة وليست مخصصة لإعطاء مقاومة للتآكل أو سلوك سبائكي عالي. - نظرًا لأن كلاهما أساسًا فولاذ كربوني، يتم التحكم في القوة وقابلية التصلب من خلال الكربون والمنغنيز، مع تأثير المعالجة (معالجة حرارية ومعدل تبريد) على التركيب المجهري الناتج.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

• التركيب المجهري النموذجي (كما تم تصنيعه، تم تطبيعه أو كما تم دحرجته): يهيمن تركيب المجهري الفريت + البيرلايت في كلا الدرجتين. تزداد نسبة البيرلايت (سمنتيت لاميلار + فريت) مع زيادة محتوى الكربون، مما يعطي قوة وصلابة أعلى.
• الدرجة B: مع كربون أقل قليلاً، يكون التركيب المجهري فريت أكثر خشونة نسبيًا مع أقل بيرلايت — مما يوفر قابلية أفضل للطرق والصلابة عند درجات الحرارة المحيطة.
• الدرجة C: يعزز الكربون والمنغنيز المتزايد المزيد من البيرلايت وزيادة قابلية التصلب، مما يزيد من القوة الشد والصلابة ولكنه يميل إلى تقليل الصلابة عند الصدمات (خصوصًا في منطقة التأثير الحراري بعد اللحام).

استجابة المعالجة الحرارية: - يعمل التطبيع (التبريد الهوائي بعد الأوستنيتة) على تحسين حجم الحبيبات وتقليل تأثيرات التوزيع، مما يحسن التجانس والصلابة في كلا الدرجتين. - لا يُستخدم التبريد والتخمير عمومًا للمعيار A106 في تصنيع الأنابيب الروتينية لأن هذه ليست فولاذ سبائكي مصممة لمسارات مارتنسيتية؛ ومع ذلك، قد يتم ممارسة التصلب المحلي للتطبيقات الخاصة. يمكن أن يخلق التبريد مارتنسيت في درجات الحرارة العالية من الكربون ويتطلب تخمير لاحق لاستعادة الصلابة. - يمكن أن يحسن الدحرجة الحرارية الميكانيكية (الدحرجة المتحكم بها) القوة والصلابة عن طريق تحسين هيكل الحبيبات؛ يُستخدم هذا أحيانًا في درجات الحرارة المحددة الأعلى ولكنه ليس مطبقًا بشكل عالمي عبر جميع إنتاج A106.

4. الخصائص الميكانيكية

تلخص الجدول أدناه توقعات الخصائص الميكانيكية النسبية. يجب أخذ القيم المضمونة الدقيقة من مواصفات الشراء وتقارير اختبار المصنع.

تفسير: - توفر الدرجة C قوة أعلى على حساب بعض قابلية الطرق وتقليل صلابة التأثير، وهو أمر حرج بشكل خاص عند درجات حرارة الخدمة المنخفضة أو في مناطق التأثير الحراري للحام. تعتبر الدرجة B الخيار الأكثر قابلية للطرق والتسامح للتصنيع واللحام.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام اعتبارًا حاسمًا لأنظمة الأنابيب. اثنان من المقاييس التجريبية المستخدمة بشكل شائع لتقييم خطر التصدع البارد وتأثيرات قابلية التصلب هما معادل الكربون IIW وصيغة Pcm.

أمثلة على الصيغ: - معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm الدولي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير نوعي: - نظرًا لأن الدرجة C تحتوي عادةً على كميات أكبر قليلاً من الكربون والمنغنيز مقارنةً بالدرجة B، فإن حساب $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ سيكون أعلى بشكل معتدل، مما يشير إلى قابلية تصلب أكبر وزيادة خطر التصدع البارد المدعوم بالهيدروجين بعد اللحام. - الآثار العملية: من المرجح أن تكون هناك حاجة أو يُوصى بها بالتسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للدرجة C في الأقسام السميكة وفي خدمة درجات الحرارة المنخفضة. - بالنسبة للأنابيب ذات الجدران الرقيقة وظروف اللحام الشائعة، يتم لحام كلا الدرجتين بنجاح بشكل روتيني، ولكن يجب أن تعكس الضوابط الهندسية ومؤهلات إجراءات اللحام المخاطر الخاصة بالدرجة.

6. التآكل وحماية السطح

• كل من A106 الدرجة B والدرجة C هي فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ ولا توفر مقاومة للتآكل تتجاوز ما يقدمه فولاذ الكربون العادي.
• طرق حماية السطح النموذجية:
• أنظمة الطلاء أو التغطية (طلاء إيبوكسي، بولي يوريثان، طلاءات قير).
• التغليف (طلاء الزنك) — يستخدم في العديد من التطبيقات الجوية أو الخارجية، ولكن قد تكون تغليف أنابيب الخدمة في درجات الحرارة العالية محدودة بسبب ظروف الخدمة.
• التغليف أو التبطين (مثل، تغطية اللحام، التبطين البوليمري) للسوائل الداخلية العدوانية.
• رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه المواد لأن PREN ينطبق على السبائك المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• باختصار: اختر حماية التآكل المناسبة بشكل مستقل عن الدرجة؛ يجب ألا يكون الاختيار بين B وC مدفوعًا باعتبارات مقاومة التآكل (فهما متشابهان أساسًا) ولكن من خلال الاحتياجات الميكانيكية والتصنيعية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: ستقلل صلابة الدرجة C الأعلى ونسبة البيرلايت من عمر الأداة وقد تبطئ عمليات القطع قليلاً مقارنةً بالدرجة B. تنطبق ممارسات التشغيل القياسية لأنابيب الكربون؛ يجب اختيار فولاذ الأدوات والسرعات وفقًا لذلك.
• قابلية التشكيل والانحناء البارد: تعتبر الدرجة B، كونها أكثر قابلية للطرق، عمومًا أسهل في الانحناء والتشكيل البارد دون الحاجة إلى إجراءات تشكيل عند درجات حرارة مرتفعة. قد تتطلب الدرجة C أنصاف انحناءات أكبر أو تحكمًا أكثر دقة لتجنب التصدع، خاصةً للانحناءات ذات نصف القطر الضيق.
• الخيوط، الحواف، والتشكيل: يتم تصنيع كلا الدرجتين عادةً إلى تركيبات قياسية. يجب أن تكون مؤهلات إجراءات اللحام والتفتيش (مثل NDT) أكثر صرامة للدرجة C عندما ترفع السماكة أو قيود الوصلات من مخاطر HAZ.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر الدرجة B عندما تكون تكرار اللحام، والصلابة (خصوصًا HAZ)، وحساسية التكلفة هي القضايا الرئيسية. - اختر الدرجة C عندما تتطلب ظروف الخدمة قوة أعلى أو عندما تسمح رموز التصميم بالاستفادة من القوة الأعلى لتقليل سمك الجدار أو تلبية الضغوط المسموح بها الأعلى — بشرط أن تعوض ضوابط التصنيع عن تقليل قابلية اللحام/الصلابة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: تعتبر الدرجة B عمومًا هي الدرجة الأكثر إنتاجًا وتحديدًا وبالتالي غالبًا ما تكون لها تكلفة أقل عند التسليم مقارنةً بالدرجة C في العديد من الأسواق. قد تحمل الدرجة C تكلفة إضافية إذا كانت هناك حاجة إلى شهادة قوة أعلى أو ضوابط حرارة أكثر صرامة.
• التوافر: تتوفر كلا الدرجتين على نطاق واسع في أحجام الأنابيب غير الملحومة القياسية، ولكن تميل الدرجة B إلى أن تكون لها مخزونات أوسع. قد تكون الأحجام الخاصة، أو سماكات الجدران، أو المواد المعتمدة من الدرجة C مع اختبارات إضافية لها أوقات تسليم أطول.

أشكال المنتجات: - يتم عادةً تزويد مادة ASTM A106 كأنابيب غير ملحومة. يجب أن تؤكد طلبات المواصفات وتقارير اختبار المصنع الدرجة، وحالة المعالجة الحرارية (إن وجدت)، والخصائص الميكانيكية.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

الاستنتاجات: - اختر A106 الدرجة B إذا كنت بحاجة إلى مادة أنابيب كربونية متوازنة وفعالة من حيث التكلفة مع قابلية لحام فائقة، وقابلية طرق أفضل، وصلابة أكثر قوة للاستخدامات العامة في درجات الحرارة العالية وعمليات اللحام المتكررة. - اختر A106 الدرجة C إذا كنت بحاجة إلى قوة شد وقوة خضوع أعلى لخدمة درجات الحرارة المرتفعة أو الضغط العالي وتكون مستعدًا لتنفيذ ضوابط لحام أكثر صرامة، والتسخين المسبق/PWHT المحتمل، والتحقق من الصلابة بشكل أكثر تحفظًا، خصوصًا في الأقسام السميكة أو البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

ملاحظة نهائية: تحقق دائمًا من المتطلبات الكيميائية والميكانيكية المحددة مع مواصفات الشراء وشهادة اختبار المصنع. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، قم بإجراء مؤهلات إجراءات اللحام، والتحكم في الهيدروجين، واختبارات NDT والصلابة المناسبة المصممة وفقًا للدرجة المختارة وظروف الخدمة.