A516 Gr60 مقابل Gr70 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

ASTM A516 الدرجة 60 والدرجة 70 هما من أكثر الفولاذات الكربونية المستخدمة في أوعية الضغط على مستوى العالم. غالبًا ما يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بينهما عند تصميم الغلايات، والمبادلات الحرارية، وخزانات التخزين، وغيرها من المعدات الملحومة التي تحتفظ بالضغط. تشمل المقايضات النموذجية التي تؤثر على الاختيار القوة المطلوبة مقابل سهولة التصنيع، والتكلفة مقابل الأداء، وقابلية اللحام مقابل المتانة المعتمدة على السماكة.

التمييز الهندسي الرئيسي بين الدرجتين هو أن الدرجة 70 محددة لتوفير قوة دنيا أعلى من الدرجة 60 مع الحفاظ على قابلية مطابقة وخصائص تأثير مماثلة عند إنتاجها ومعالجتها حراريًا وفقًا للمواصفات المعمول بها. نظرًا لأن كلا الدرجتين مشمولتان بنفس مواصفة ASTM/ASME (A516/A516M)، فإنهما تقارن عادةً في التصميم والمشتريات كخيارات قابلة للتبادل عندما يجب موازنة القوة الهيكلية أو المتانة المعتمدة على السماكة مع التصنيع والتكلفة.

1. المعايير والتسميات

• المواصفة الأساسية: ASTM A516 / ASME SA‑516 (ألواح أوعية الضغط، فولاذ كربوني، للخدمة في درجات حرارة معتدلة وأقل). تشمل الدرجات في هذه المواصفة 55، 60، 65، و70؛ الدرجتان 60 و70 هما الأكثر استخدامًا.
• المكافئات الدولية والمعايير ذات الصلة:
• EN: لا توجد مواصفة دقيقة واحدة لمعايير الاتحاد الأوروبي، ولكن الفولاذات المستخدمة في أوعية الضغط تشمل سلسلة EN 10028 (مثل P235GH، P265GH) ومتغيرات EN 10025 للفولاذات الهيكلية حسب التطبيق.
• JIS/GB: تحدد الأكواد المحلية لأوعية الضغط والغلايات درجات مماثلة؛ يجب على المصممين رسم خريطة لمتطلبات الميكانيكا والمتانة بدلاً من افتراض التكافؤ المباشر.
• تصنيف المواد: كل من A516 Gr60 وGr70 هما فولاذات كربونية عادية/خفيفة مع سبائك مضبوطة وتعتبر فولاذات كربونية (ليست مقاومة للصدأ، ليست فولاذات أدوات، وليست فولاذات منخفضة السبائك عالية القوة (HSLA) بالمعنى الدقيق، على الرغم من أنه قد يكون هناك بعض السبائك الدقيقة).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تركز مواصفة A516 على ضمان خصائص الشد والتأثير الكافية من خلال حدود مضبوطة للكربون والمنغنيز والشوائب بدلاً من الاعتماد على السبائك الواسعة. يتم تحديد حدود التركيب المحددة بواسطة ASTM A516/A516M؛ غالبًا ما تزود الشركات المصنعة بشهادات مطحنة مفصلة.

جدول: العناصر التركيبية النموذجية — الوجود النوعي | العنصر | الوجود النموذجي والدور (A516 Gr60 / Gr70) | |---|---| | C (الكربون) | منخفض إلى معتدل. عادةً ما يتم تحديد الدرجة 70 لتحقيق قوة أعلى وبالتالي قد تحتوي على كربون أو سبائك دقيقة أعلى قليلاً من الدرجة 60. يتحكم الكربون في القوة الأساسية والصلابة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والمتانة عند مستويات عالية. | | Mn (المنغنيز) | معتدل. يزيد المنغنيز من القدرة على التصلب والقوة ويساعد في إزالة الأكسدة؛ يتم التحكم فيه لتحقيق توازن بين المتانة وقابلية اللحام. | | Si (السيليكون) | منخفض. يستخدم كعامل إزالة الأكسدة؛ عادةً ما يكون محدودًا. | | P (الفوسفور) | آثار (حدود قصوى). يتم الحفاظ عليه منخفضًا لتجنب الهشاشة. | | S (الكبريت) | آثار (حدود قصوى). يتم الحفاظ عليه منخفضًا؛ قد يتم تقليله عمدًا من أجل المتانة وجودة اللحام. | | Cr، Ni، Mo، V، Nb، Ti | عادةً ما تكون منخفضة جدًا أو غائبة في كيمياء A516 القياسية. قد تضيف بعض المصانع سبائك دقيقة مضبوطة (مثل V، Nb، Ti) بكميات صغيرة لتحسين حجم الحبيبات وزيادة القوة دون زيادات كبيرة في الكربون - خاصة في متغيرات الدرجة 70. | | B (البورون) | ليس نموذجيًا في A516؛ عندما يكون موجودًا بكميات ضئيلة، يؤثر على القدرة على التصلب. | | N (النيتروجين) | آثار. يتم التحكم فيه لتحقيق خصائص مضبوطة وتحسين الحبيبات في بعض العمليات. |

ملاحظة: يتم توفير الحدود العددية الدقيقة والحدود القصوى للكربون والمنغنيز والفوسفور والكبريت وعناصر أخرى في ASTM A516/A516M وشهادات المطحنة. يصف الجدول أعلاه استراتيجية السبائك: كربون معتدل ومنغنيز مضبوط من أجل القوة، وحدود شوائب ضيقة من أجل المتانة، وأقل قدر ممكن من السبائك بحيث تظل قابلية اللحام مواتية.

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - القوة: الكربون والمنغنيز هما المساهمان الرئيسيان في قوة الشد وقوة الخضوع. يمكن أن تزيد السبائك الدقيقة (Nb، V، Ti) من القوة من خلال تحسين الحبيبات وتقوية الترسيب مع عقوبة كربون أقل. - مقاومة التآكل: لا أي من الدرجتين مقاومة للصدأ؛ لا توفر السبائك هنا مقاومة تآكل ذات مغزى - يتطلب الأمر حماية سطحية. - القدرة على التصلب: يزيد المنغنيز والكربون من القدرة على التصلب؛ الزيادات الطفيفة في هذه العناصر في الدرجة 70 تجعلها أكثر عرضة للتصلب في منطقة الحرارة المتأثرة تحت التبريد السريع.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

تكون الهياكل الميكروية النموذجية لفولاذ A516 هي الفريت + اللؤلؤة (أو الباينيت حسب التركيب وتاريخ الدرفلة/الحرارة). نظرًا لأن فولاذ A516 مخصص للخدمة في ضغط درجات الحرارة المعتدلة، فإنه يتم عادةً تزويده في حالة طبيعية أو كما تم درفلتها لضمان هيكل ميكروي موحد ومتانة كافية.

• مقارنة الدرجات:
• Gr60: الهيكل الميكروي عمومًا فريت مع لؤلؤة متناثرة؛ الدرفلة المضبوطة والتطبيع تنتج مصفوفة فريتية-لؤلؤية دقيقة محسّنة من أجل المتانة.
• Gr70: هيكل أساسي مشابه ولكن قد يحتوي على نسبة لؤلؤة أعلى قليلاً أو ترسيبات أدق إذا كانت هناك سبائك دقيقة؛ هذا يؤدي إلى قوة خضوع وقوة شد أعلى دون تنازلات كبيرة في القابلية للانحناء إذا تمت معالجتها بشكل صحيح.
• استجابة المعالجة الحرارية:
• التطبيع/التحسين: يؤدي التطبيع بعد الدرفلة الساخنة إلى إنتاج هيكل حبيبي موحد ودقيق في كلا الدرجتين، مما يعزز المتانة.
• التبريد والتخمير: ليس نموذجيًا لمنتجات A516 النهائية المستخدمة في أوعية الضغط؛ سيحول الهيكل الميكروي إلى مارتنسيت/مارتنسيت مخفف وينتج صلابة وقوة أعلى ولكنه ليس مسارًا قياسيًا لفولاذ الضغط A516.
• الدرفلة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المضبوطة): تستخدمها بعض المصانع لتحقيق قوة أعلى ومتانة من خلال تحسين الحبيبات والتحكم في الترسيب؛ مفيدة للدرجة 70 لتحقيق أهداف قوة أعلى دون إلحاق الضرر بالمتانة.

4. الخصائص الميكانيكية

بدلاً من تقديم قيم عددية محددة (التي تحددها المواصفة المعمول بها وتعتمد على السماكة، واتجاه الاختبار، والمعالجة الحرارية)، يلخص الجدول التالي السلوكيات الميكانيكية النسبية الأكثر صلة بالتصميم والمشتريات.

جدول: الاتجاهات المقارنة للخصائص الميكانيكية | الخاصية | A516 الدرجة 60 | A516 الدرجة 70 | الملاحظات | |---|---:|---:|---| | قوة الخضوع (نسبية) | أقل | أعلى | تم تحديد الدرجة 70 لتوفير قوة خضوع دنيا أعلى من الدرجة 60. | | قوة الشد (نسبية) | أقل | أعلى | عادةً ما تحتوي الدرجة 70 على قوة شد دنيا أعلى. | | الاستطالة / القابلية للانحناء | قابلة للمقارنة | قابلة للمقارنة | عند تزويدها وفقًا للمواصفة وللسماكات القابلة للمقارنة، تكون متطلبات الاستطالة مشابهة. | | المتانة التأثيرية (نسبية) | مشابهة | مشابهة | يتم تحديد متطلبات طاقة تأثير شاربي بواسطة المواصفة وظروف التصنيع؛ يمكن أن تحقق كلا الدرجتين متانة قابلة للمقارنة إذا تم إنتاجها بشكل صحيح. | | الصلابة | قابلة للمقارنة (قد تكون الدرجة 70 أعلى قليلاً) | أعلى قليلاً | يمكن أن تكون الدرجة 70 أكثر صلابة بشكل معتدل بسبب القوة الأعلى؛ تظل الصلابة معتدلة مقارنة بالفولاذات المعالجة بالتبريد. |

التفسير: الفرق في التصميم هو القوة: تم تصميم الدرجة 70 لتحمل إجهاد تصميم أعلى. تضمن متطلبات المتانة والقابلية للانحناء في ASTM A516 أن تلبي كلا الدرجتين قيم طاقة التأثير الدنيا لدرجات حرارة الخدمة المحددة، لذا فإن المتانة ليست بالضرورة مهدرة عند اختيار الدرجة 70 عندما يتم إنتاج اللوحة وفقًا للمواصفة.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام لفولاذ A516 جيدة عمومًا بسبب مستويات الكربون المنخفضة نسبيًا والمستويات المضبوطة من عناصر السبائك الأخرى. ومع ذلك، مع زيادة القوة (وبشكل ضمني الكربون المعادل)، تزداد قيود قابلية اللحام.

مؤشرات مفيدة للكربون المعادل وقابلية اللحام: - المعهد الدولي للحام الكربون المعادل: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (لتوقع متطلبات التسخين المسبق في السبائك المعقدة): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - كل من A516 Gr60 وGr70 لديهما $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ منخفضة نسبيًا مقارنة بالفولاذات عالية القوة، مما يعني أن عمليات اللحام العامة (SMAW، GMAW، SAW) يمكن تطبيقها بسهولة. - قد تحتوي الدرجة 70 على $CE_{IIW}$ أعلى قليلاً بسبب مستوى الكربون/المنغنيز أو السبائك الدقيقة الأعلى؛ لذلك، بالنسبة للأقسام السميكة أو عند استخدام إجراءات إدخال حرارة عالية، يُوصى غالبًا بتسخين مسبق معتدل ودرجات حرارة بينية مضبوطة للدرجة 70 لتجنب تصلب منطقة الحرارة المتأثرة وقابلية التشقق البارد. - استخدام المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (عند تحديدها)، والالتزام بممارسات WPS/التأهيل شائعة لكلا الدرجتين في معدات الضغط.

6. التآكل وحماية السطح

• لا أي من A516 Gr60 أو Gr70 مقاومة للصدأ؛ ستتآكل إذا تعرضت لبيئات أو سوائل تآكلية. تشمل استراتيجيات حماية التآكل الطلاءات (الإيبوكسي، البولي يوريثين)، أنظمة الطلاء، الحماية الكاثودية، والتغليف بالغمس الساخن (مع مراعاة قيود السماكة وتحضير السطح).
• PREN (عدد مقاومة التآكل) ينطبق على السبائك المقاومة للصدأ وليس له صلة بفولاذ A516 الكربوني. للتوضيح فقط: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر لا ينطبق على درجات A516 لأن Cr وMo وN موجودة بمستويات آثار أو صفر ولا تمنح مقاومة تآكل محلية.
• مبررات الاختيار: اختر حماية السطح بناءً على بيئة التشغيل (جو، مياه البحر، تعرض كيميائي) بدلاً من الدرجة - كلا الدرجتين تتطلبان تدابير مماثلة للتحكم في التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: يتم استخدام قطع البلازما، والغاز الأكسجيني، وقطع اللهب بشكل شائع؛ قد تتطلب الدرجة 70 قوة طاقة أعلى قليلاً ولكن لا تغير اختيار العملية.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين تعملان بشكل مشابه؛ قد تزيد قوة وصلابة الدرجة 70 من تآكل الأدوات بشكل طفيف.
• التشكيل والانحناء: تكون الدرجة 60 أكثر قابلية للتشكيل قليلاً بسبب قوة الخضوع المنخفضة؛ تتطلب الدرجة 70 قوى تشكيل أعلى واعتبارات لزوايا الانحناء الضيقة. بالنسبة لعمليات التشكيل البارد عند زوايا ضيقة، غالبًا ما تُفضل الدرجة 60 عندما لا تكون القوة هي القيود الرئيسية.
• التشطيب: يتبع تحضير السطح، والطحن، وتكييف الحواف الممارسات القياسية؛ عندما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة لخدمة الضغط، يجب أخذ الاعتبار في تسلسل التصنيع.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات الشائعة لكل درجة | A516 الدرجة 60 | A516 الدرجة 70 | |---|---| | غلايات وأوعية ضغط منخفضة إلى معتدلة حيث تهم التكلفة وقابلية التشكيل | غلايات ضغط أعلى، خزانات تخزين، وأوعية ضغط حيث يتطلب الأمر إجهادًا مسموحًا أعلى | | المبادلات الحرارية والمكونات المصنعة التي تتطلب تشكيلًا أو انحناءً أسهل | الأوعية والأنابيب المعرضة لضغوط أعلى أو هوامش أمان أرق حيث تكون القوة الأعلى مفيدة | | التطبيقات الهيكلية حيث تتطلب المتانة عند درجات حرارة معتدلة ولكن القوة القصوى ليست حرجة | التعديلات أو الإصلاحات حيث يكون من الضروري مطابقة المادة الأصلية عالية القوة |

مبررات الاختيار: - اختر الدرجة 60 عندما تكون تعقيدات التصنيع، والانحناء/التشكيل، أو التكلفة المنخفضة قليلاً هي الأولوية ويسمح إجهاد التصميم بقوة خضوع أقل. - اختر الدرجة 70 عندما يتطلب التصميم إجهادات مسموح بها أعلى، أو أقسام أرق لنفس القوة، أو عندما تحدد المواصفة أو العميل الدرجة 70 للخدمة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون الدرجة 60 أقل تكلفة قليلاً من الدرجة 70 على أساس كل طن بسبب المعالجة الأقل لتحقيق أهداف القوة؛ ومع ذلك، فإن الفروق في التكلفة غالبًا ما تكون معتدلة وتعتمد على ظروف السوق ولوجستيات سلسلة التوريد.
• التوافر: تتوفر كلا الدرجتين على نطاق واسع في مصانع الألواح والموزعين بأحجام وسماكات ألواح شائعة لتصنيع أوعية الضغط. يختلف التوافر حسب السماكة، والتشطيب السطحي، وعرض اللوحة حسب المصانع المحلية؛ قد تكون الدرجة 70 أكثر توافرًا للتطبيقات عالية الضغط في بعض المناطق.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة | المقياس | A516 الدرجة 60 | A516 الدرجة 70 | |---|---:|---:| | قابلية اللحام | جيدة جدًا | جيدة جدًا (تحتاج إلى مزيد من الانتباه للأقسام السميكة) | | توازن القوة–المتانة | قوة معتدلة مع متانة جيدة | قوة أعلى مع الحفاظ على المتانة عند الإنتاج وفقًا للمواصفة | | التكلفة | أقل (غالبًا) | أعلى (غالبًا) |

التوصيات النهائية: - اختر A516 الدرجة 60 إذا كنت بحاجة إلى تشكيل/انحناء أسهل، أو تكلفة مواد أقل قليلاً، أو إذا كانت الإجهادات المسموح بها في التصميم تلبيها قوة الخضوع الأقل. إنها مناسبة تمامًا للأوعية ذات الضغط المعتدل، والمكونات التي تتطلب تصنيعًا كبيرًا، والمشاريع التي تكون فيها سرعة التصنيع وقابلية الانحناء هي الأولويات. - اختر A516 الدرجة 70 إذا كان تصميمك يتطلب قوة خضوع وحد أدنى أعلى وقوة شد (مما يسمح بأقسام أرق أو ضغوط عمل أعلى) مع تلبية معايير المتانة في المواصفة. تُفضل الدرجة 70 للأوعية ذات الضغط العالي، والألواح السميكة حيث تكون هوامش القوة حرجة، أو عندما تتطلب المواصفة أو متطلبات العميل الدرجة الأعلى.

ملاحظة نهائية: تأكد دائمًا من الحدود الكيميائية الدقيقة، والحد الأدنى الميكانيكي، ومتطلبات المتانة من النسخة الحالية من ASTM A516/A516M ومن شهادة المواد الخاصة بالمصنع. بالنسبة لمعدات الضغط الملحومة، اتبع الأكواد التصميمية المعمول بها (ASME القسم الثامن أو اللوائح المحلية)، وإجراءات WPS المؤهلة، وممارسات التسخين المسبق/المعالجة الحرارية بعد اللحام التي تحددها $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$ المحسوبة وحسب السماكة ودرجة حرارة الخدمة.