A106 Gr.B مقابل A53 Gr.B – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

ASTM A106 الدرجة B و ASTM A53 الدرجة B هما درجتان من أنابيب الصلب الكربوني المحددة على نطاق واسع والتي يواجهها المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع. غالبًا ما تتركز معضلة الاختيار حول التوازنات مثل درجة حرارة الخدمة مقابل الميزانية، الحاجة إلى مادة غير ملحومة مقابل قبول الأنابيب الملحومة، والصلابة المطلوبة لتحميل الصدمات أو التحميل الدوري مقابل الاستخدام الهيكلي البسيط. تنشأ القرارات النموذجية في أنابيب النفط والغاز، وأنابيب توليد الطاقة، والأنظمة الميكانيكية، والإطارات الهيكلية.

الفرق العملي بين الاثنين هو أن A106 الدرجة B يتم إنتاجها وتحديدها بشكل أساسي للتطبيقات ذات درجات الحرارة والضغط العالية (مثل أنابيب خطوط الأنابيب وأنابيب الغلايات) وعادة ما يتم توفيرها كأنابيب غير ملحومة، بينما A53 الدرجة B هي درجة أنابيب ذات غرض عام أكثر تُقدم إما كأنابيب غير ملحومة أو ملحومة/ERW وتستخدم عادةً للتطبيقات الهيكلية وضغط درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة. نظرًا لأن الدرجتين تتداخلان في الكيمياء والسلوك الميكانيكي، غالبًا ما يتم مقارنتهما عندما يتعين على المشتري تحقيق التوازن بين التكلفة والتوافر وظروف الخدمة المطلوبة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الرئيسية:
• ASTM/ASME: ASTM A106 (أنابيب الصلب الكربوني غير الملحومة لخدمة درجات الحرارة العالية)؛ ASTM A53 (أنابيب الصلب الكربوني، سوداء ومغلفة بالغمس الساخن، ملحومة وغير ملحومة).
• ASME: ASME SA106 و SA53 (تسميات مكافئة لسياقات أنابيب الضغط ومواد الغلايات).
• EN / JIS / GB: هناك درجات EN و JIS/GB قابلة للمقارنة بشكل فضفاض (مثل EN 10216 للأنابيب غير الملحومة، EN 10255/10217 للأنابيب الملحومة، والمعادلات الصينية GB/T)، ولكن يتطلب التوافق المباشر التحقق من المطابقة الكيميائية والميكانيكية.
• تصنيف حسب نوع الصلب:
• كلا من A106 Gr.B و A53 Gr.B هما من الصلب الكربوني (ليس من الفولاذ المقاوم للصدأ، وليس من الفولاذ المسبوك، وليس من HSLA وفقًا لمعايير الميكروسبائك الحديثة، على الرغم من أن بعض المصانع قد تضيف عناصر ميكروسبائكية طفيفة).
• هما ليسا من الفولاذ الأدوات أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

كلا الدرجتين هما من الصلب منخفض الكربون مع كميات صغيرة من المنغنيز والسيليكون وحدود شوائب منخفضة. تم تصميمهما لتسهيل التصنيع (التشكيل، اللحام) وقوة كافية عند درجات حرارة معتدلة أو مرتفعة بدلاً من أن تكون لهما قابلية عالية للتصلب أو مقاومة للتآكل.

جدول: الخصائص التركيبية النموذجية (استشر معيار ASTM المسيطر وشهادة اختبار المصنع للحدود الدقيقة)

عنصر	A106 Gr. B (نموذجي/مواصفات)	A53 Gr. B (نموذجي/مواصفات)
الكربون (C)	حتى ~0.30% (تصميم منخفض الكربون للحفاظ على قابلية اللحام والصلابة)	حتى ~0.30% (نفس النهج المنخفض الكربون)
المنغنيز (Mn)	عادة ~0.3–1.0% (تعزيز وإزالة الأكسدة)	عادة ~0.3–1.0% (وظيفة مماثلة)
السيليكون (Si)	بشكل عام ~0.1–0.4% (مزيل للأكسدة)	بشكل عام ~0.1–0.4%
الفوسفور (P)	منخفض، غالبًا ≤0.035% (مراقب للصلابة عند درجات الحرارة المرتفعة)	مراقب ولكن غالبًا مع حد أعلى مسموح به من A106 (عادة ≤0.04–0.05%)
الكبريت (S)	منخفض، غالبًا ≤0.035% (مراقب للمرونة والصلابة)	مراقب؛ غالبًا مع حد أعلى مسموح به قليلاً من A106 (عادة ≤0.04–0.05%)
Cr، Ni، Mo، V، Nb، Ti، B، N	عادة لا تضاف بكميات كبيرة عمدًا؛ قد تكون هناك آثار صغيرة أو ميكروسبائك حسب ممارسة المصنع	نفس الشيء - لا توجد سبائك متعمدة لزيادة القابلية للتصلب؛ قد تظهر آثار ميكروسبائكية

ملاحظات: - يتم تحديد الحدود والنطاقات المسموح بها بدقة في مواصفات ASTM. يظهر الجدول التركيب العملي النموذجي والقواعد العامة التي تشير إلى أن A106 غالبًا ما يكون لديه تحكم أكثر صرامة في P/S ويهدف إلى خدمة درجات الحرارة المرتفعة. - استراتيجية السبائك: الحد الأدنى من السبائك يحافظ على قابلية اللحام والصلابة عند درجات حرارة الخدمة المطلوبة؛ يتم توفير القوة بشكل أساسي بواسطة الكربون والمنغنيز بالإضافة إلى المعالجة الحرارية الميكانيكية المسيطر عليها عند الاقتضاء.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون والمنغنيز من القوة ولكنهما أيضًا يزيدان من القابلية للتصلب وخطر التشقق البارد في منطقة اللحام؛ وبالتالي يتم الحفاظ على الكربون المنخفض. - السيليكون هو بشكل أساسي مزيل للأكسدة ولا يغير الخصائص الميكانيكية بشكل ملحوظ عند هذه المستويات. - المحتوى الأعلى من الفوسفور والكبريت يقلل من الصلابة وبالتالي يتم الاحتفاظ بهما عند مستويات أقل في الدرجات المخصصة للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة والحساسة للصدمات.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• البنية المجهرية النموذجية (كما تم تصنيعها، أو تم تطبيعها أو كما تم لفها): الفريت واللؤلؤة. كلا الدرجتين تظهران بشكل رئيسي بنية مجهرية من الفريت واللؤلؤة النموذجية للصلب منخفض الكربون.
• A106 الدرجة B: لأنها محددة لخدمة درجات الحرارة العالية، يتم توفيرها عادةً في حالة مطبقة (حسب ممارسة المصنع) لتحسين الصلابة وإنتاج بنية فريت-لؤلؤة موحدة. يعمل التطبيع على تحسين حجم الحبيبات وزيادة الصلابة عند درجات الحرارة المرتفعة.
• A53 الدرجة B: تُقدم عادةً كما هي ملحومة أو كما هي مدلفنة؛ لا يتم تحديد المعالجة الحرارية عادةً. تبقى بنيتها المجهرية فريت-لؤلؤة ولكن قد تظهر حبيبات أكثر خشونة إذا لم يتم تطبيعها.
• استجابة للمعالجات الحرارية:
• التطبيع: يحسن الحبيبات ويزيد من صلابة الصدمات لكلاهما؛ يتم تطبيقه بشكل متكرر على A106 لتلبية متطلبات الصلابة الأكثر صرامة واعتبارات الزحف عند درجات الحرارة العالية.
• التبريد والتقسية: عمومًا لا يتم تطبيقها على هذه الدرجات لأنها ليست مخصصة كصلب مقسى ومقوى؛ قد يؤدي محاولة التبريد/التقسية إلى إنشاء مارتنسيت صلب غير مرغوب فيه وتقليل الصلابة ما لم يتم التحكم فيه بعناية.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تحقق طرق المصانع الحديثة توازنًا أفضل بين القوة والصلابة من خلال الدرفلة المسيطر عليها لكلا الدرجتين، ولكن قد تستخدم مصانع A106 التطبيع بشكل أكثر تكرارًا بسبب توقعات الخدمة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية لهذه الدرجات على شكل المنتج، وسمك الجدار، وطريقة التصنيع، والإصدار القابل للتطبيق من المعيار. القيم أدناه هي أوصاف مقارنة نوعية: تحقق دائمًا من الحدود الدنيا في جدول ASTM/ASME القابل للتطبيق أو شهادة اختبار المصنع.

جدول: السلوك الميكانيكي المقارن (نوعي)

الخاصية	A106 Gr. B	A53 Gr. B
قوة الشد	متوسطة - محددة لتلبية متطلبات الخدمة من الضغط/درجة الحرارة؛ غالبًا ما تكون مشابهة لـ A53 ولكن أحيانًا مع تحكم أكثر صرامة	متوسطة - قابلة للمقارنة مع A106 في العديد من الحالات لسمك الجدار وطريقة التصنيع المماثلة
قوة العائد	متوسطة - كافية لأنابيب الضغط؛ قد تكون مشابهة أو أعلى قليلاً إذا كانت مطبقة/مدرفلة بشكل مسيطر عليه	متوسطة - قوة عائد اسمية مشابهة، ولكن تختلف مع شكل المنتج الملحوم مقابل غير الملحوم
التمدد (المرونة)	جيدة - حالة مطبقة تحسن المرونة والصلابة	جيدة - عمومًا كافية للتشكيل والتطبيقات الهيكلية
صلابة الصدمات	عادة ما تكون أكثر تحكمًا لـ A106 (خاصة عند التطبيع وتحديدها لدرجات الحرارة/الضغط العالية)	متغيرة؛ قد تكون أقل من A106 المطبوعة إذا لم يتم التحكم في P/S بشكل صارم أو إذا لم يتم تطبيعها
الصلابة	منخفضة إلى متوسطة (متوافقة مع الصلب منخفض الكربون)	منخفضة إلى متوسطة

التفسير: - غالبًا ما يتم تحديد A106 الدرجة B عندما تكون الصلابة ودرجات الحرارة المرتفعة مطلوبة؛ A53 الدرجة B هي درجة ذات غرض عام فعالة من حيث التكلفة. بالنسبة للعديد من استخدامات الأنابيب عند درجات الحرارة المحيطة، فإن الأداء الميكانيكي قابل للمقارنة؛ بالنسبة لأنابيب الضغط ذات درجات الحرارة المرتفعة أو الخدمة الحرجة، يُفضل عادةً A106.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام للصلب منخفض الكربون جيدة عمومًا، ولكن القابلية للتشقق البارد الناتج عن الهيدروجين وتصلب منطقة اللحام تعتمد على المعادل الكربوني والميكروسبائك.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (لا حاجة لاستبدال رقمي هنا): - المعادل الكربوني (شكل IIW) المستخدم عادةً: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm لخطر التشقق البارد في منطقة اللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - كلا الدرجتين لهما محتوى منخفض من الكربون والسبائك، مما يؤدي إلى قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ ملائمة لعمليات اللحام التقليدية. - A106 Gr. B: بسبب التحكم الأكثر صرامة في الشوائب والتطبيع الشائع، فإنه عادةً ما يظهر قابلية لحام جيدة باستمرار في التصنيع للأنابيب التي ستعمل عند درجات حرارة مرتفعة. - A53 Gr. B: أيضًا قابلة للحام، خاصة عندما لا تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) مطلوبة؛ ومع ذلك، قد تتطلب الأنابيب الملحومة A53 ذات الحدود الأعلى من P و S أو الضغوط المتبقية مزيدًا من الاهتمام للتحضير أو التحكم في الهيدروجين للأقسام السميكة أو الخدمة عند درجات حرارة منخفضة. - بالنسبة للأنابيب الحرجة، اتبع مواصفات إجراءات اللحام (WPS)، ومتطلبات التحضير/PWHT، واختبار العينات؛ دائمًا استند إلى البيانات الكيميائية الفعلية واستخدم الصيغ أعلاه لتصفية خطر التشقق.

6. التآكل وحماية السطح

• لا A106 Gr.B ولا A53 Gr.B مقاومان للصدأ؛ كلاهما يتطلب حماية سطحية في البيئات التآكلية.
• طرق الحماية النموذجية: أنظمة الطلاء والتغليف (إيبوكسي، بولي يوريثان)، الرش الحراري، مثبطات التآكل، والتغليف بالغمس الساخن حيثما كان ذلك مناسبًا (عادةً ما يتم تغليف A53 بالغمس الساخن للاستخدام الخارجي/الهيكلي).
• بالنسبة للبيئات التي تتطلب مقاومة تآكل محسنة (بيئات كلوريدية، حمضية، أو بحرية)، حدد الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك مقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد على الطلاءات.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات الكربونية غير المقاومة للصدأ. للمرجع، PREN هو: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ولكن هذا ينطبق فقط على الدرجات المقاومة للصدأ التي تحتوي على محتوى كبير من Cr و Mo و N.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين يمكن تشغيلهما بسهولة باستخدام أدوات قياسية؛ محتوى الكربون المنخفض يتجنب تآكل الأدوات المفرط. قابلية التشغيل متشابهة لكليهما، مع اختلافات طفيفة تعتمد على الميكروسبائك وشكل المنتج.
• قابلية التشكيل/الانحناء: المرونة الجيدة تسمح بالانحناء والتشكيل البارد لكلا الدرجتين؛ بالنسبة للأقسام ذات الجدران السميكة أو المنتجات الملحومة، يجب أن تتبع الارتدادات ونصف قطر الانحناء الممارسات القياسية.
• الخيوط والانضمام: كلاهما مناسب للخيوط، واللحام القائم، واللحام بالتماس؛ قد تحتوي أنابيب A53 الملحومة على قيود على اللحام لبعض ظروف الخدمة (مثل اتجاه اللحام الطولي مقابل تصنيف الضغط).
• التشطيب: كلاهما يقبل المعالجات السطحية الشائعة والاختبارات غير التدميرية (UT، RT، MPI) حيثما كان ذلك مطلوبًا.

8. التطبيقات النموذجية

A106 الدرجة B (الاستخدامات الشائعة)	A53 الدرجة B (الاستخدامات الشائعة)
خطوط بخار ذات درجات حرارة عالية، أنابيب غلايات، وأنابيب تكرير/بتروكيماويات حيث تكون الخصائص ذات درجات الحرارة المرتفعة والبناء غير الملحوم مطلوبة	أنابيب ميكانيكية وهيكلية ذات غرض عام، توزيع المياه والغاز، سياج/درابزين وقنوات ميكانيكية؛ متاحة كملحومة أو غير ملحومة
خطوط نقل وأنابيب عمليات حيث يتم تحديد مادة غير ملحومة مطبقة	مشاريع حساسة من حيث التكلفة حيث تكون الأنابيب الملحومة مقبولة ويتم تطبيق حماية من التآكل (تغليف/طلاء)
خدمة تتطلب أداءً موحدًا عند درجات حرارة مرتفعة وتحكمًا أكثر صرامة في الصلابة	أنظمة ضغط هيكلية وذات درجات حرارة منخفضة إلى متوسطة، سقالات، وتصنيع عام

مبررات الاختيار: - اختر A106 عندما تكون درجة حرارة الخدمة والضغط والصلابة حرجة وتكون مادة غير ملحومة ومطابقة مطلوبة. اختر A53 حيث تكون التكلفة والتوافر والأداء العام لأنابيب درجات الحرارة المحيطة أو الاستخدام الهيكلي هي القضايا الرئيسية.

9. التكلفة والتوافر

• A53 الدرجة B متاحة عادةً بشكل أوسع وغالبًا ما تكون أقل تكلفة، خاصة لأنها تُنتج في أشكال ملحومة (ERW) وغير ملحومة وغالبًا ما تكون مخزنة في العديد من المناطق.
• A106 الدرجة B غالبًا ما تُنتج كأنابيب غير ملحومة وقد تكون أكثر تكلفة لكل قدم خطي، خاصةً للأقطار الأكبر أو المواد المطابقة ذات التحمل الضيق.
• يعتمد التوافر على إنتاج المصنع المحلي والمخزون؛ قد تكون أوقات التسليم لأنابيب A106 غير الملحومة أطول للأحجام الخاصة أو سمك الجدران. يجب على المشتريات التحقق من المخزون الحالي للموزعين وطلب تقارير اختبار المصنع (MTRs) للتحقق من الكيمياء والمعالجة الحرارية.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة (نوعية)

المقياس	A106 Gr. B	A53 Gr. B
قابلية اللحام	جيدة جدًا (كيمياء مطبقة/مسيطر عليها)	جيدة جدًا (لكن تحقق من P/S ولحام اللحام لمنتج ERW)
توازن القوة والصلابة	محسنة لخدمة ضغط درجات الحرارة المرتفعة؛ تحكم أكثر صرامة في الصلابة	كافية للاستخدام العام في الأنابيب والهيكل؛ متغيرة حسب شكل المنتج
التكلفة	أعلى (غير ملحومة، غالبًا ما تكون مطبقة)	أقل (خيارات ملحومة وغير ملحومة متاحة على نطاق واسع)

التوصيات: - اختر A106 الدرجة B إذا: - كنت بحاجة إلى أنابيب غير ملحومة لخدمة درجات الحرارة العالية أو الضغط العالي. - كانت الصلابة ودرجات الحرارة المرتفعة مهمة. - كانت مواصفات المشروع تتطلب ASTM A106/ASME SA106 ويجب عليك تلبية جداول الخدمة ذات درجات الحرارة العالية المحددة. - اختر A53 الدرجة B إذا: - كنت بحاجة إلى أنبوب عام فعال من حيث التكلفة لدرجات الحرارة المحيطة إلى المتوسطة. - كان المنتج الملحوم أو ERW مقبولًا وكان التوافر الأسرع أو التكلفة الأقل مرغوبة. - كانت التطبيق هيكلية أو أنابيب عمليات غير حرجة حيث يلبي أداء A53 نطاق التصميم.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين مفهومتان جيدًا ومحددة على نطاق واسع. يجب دائمًا التحقق من الاختيار المناسب ضد كود التصميم الحاكم، وشهادة اختبار المصنع الفعلية، ومتطلبات NDE وإجراءات اللحام، وبيئة الخدمة (درجة الحرارة، الضغط، التآكل). عند الشك في خدمة الضغط أو درجات الحرارة العالية، حدد الدرجة والمعالجة الحرارية المطلوبة، واطلب MTR وأي اختبارات تأثير/صلابة مطلوبة للتأهيل.