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

مقدمة

درجتا ASTM A516 60 و 70 هما اثنان من أكثر درجات ألواح الفولاذ الكربوني استخدامًا في تصنيع المعدات الحاملة للضغط، خاصة الغلايات وأوعية الضغط وخزانات التخزين. غالبًا ما يوازن المهندسون ومتخصصو المشتريات بين القوة، والمتانة، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بين هاتين الدرجتين. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة تتحمل ضغط تشغيل أعلى (مفضلة للقوة) مقابل إعطاء الأولوية لمتانة الشقوق عند درجات حرارة منخفضة أو تحسين قابلية اللحام (مفضلة لانخفاض محتوى الكربون وزيادة اللدونة).

الفرق الرئيسي بين A516 درجة 60 ودرجة 70 هو مستوى القوة الميكانيكية المطلوب: حيث تحدد درجة 70 بحد أدنى لقوة أعلى من درجة 60. وبما أن هذه الدرجات تشترك في تركيبة كيميائية أساسية وطُرُق تصنيع مماثلة، فإنها تُقارن عادةً عندما تتطلب التصاميم توازنًا بين قدرة الضغط، مقاومة الكسور، واقتصاديات التصنيع.

1. المعايير والتسميات

• المواصفة الرئيسية: ASTM A516 / ASME SA-516 — "ألواح أوعية الضغط، فولاذ كربوني، للخدمات بدرجات حرارة متوسطة ومنخفضة."
• الرموز المرتبطة: كود ASME للغلايات وأوعية الضغط (القسم II وVIII) عند الاستخدام في أوعية الضغط.
• المعايير الدولية المكافئة (للمقارنة المرجعية): سلسلة EN 10028 (ألواح أوعية الضغط)، JIS G3115 (ألواح فولاذ أوعية الضغط)، و GB/T 3274/7131 في المعايير الصينية. يعتمد التكافؤ الدقيق على الخصائص المطلوبة واختبارات مثل متطلبات طاقة التأثير.
• التصنيف: كل من A516 Gr60 وGr70 هما فولاذ كربوني-منغنيسي (فولاذ كربوني غير سبائكي). ليست فولاذ مقاوم للصدأ، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA عالية السبائكية بمعنى سباكة ميكروية كبيرة؛ قد تضيف بعض المنشآت عناصر ميكروسبائكية بكميات صغيرة للوصول إلى الخصائص المطلوبة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكية

فيما يلي جدول توضيحي لنطاقات التكوين النموذجية (بنسبة الوزن %). هذه النطاقات تمثل النطاقات التجارية النموذجية لدرجات ألواح A516؛ يجب تأكيد التركيب الكيميائي المضمون في شهادة اختبار المصنع لكل دفعة.

العنصر	النطاق النموذجي أو الحد الأعلى (بنسبة الوزن %)
C (كربون)	0.18 – 0.28 (يعتمد على الدرجة والمصنع)
Mn (منغنيز)	0.60 – 1.35
Si (سيليكون)	0.10 – 0.35
P (فوسفور)	≤ 0.035 (حد أقصى)
S (كبريت)	≤ 0.035 (حد أقصى)
Cr (كروم)	آثار – حوالي 0.30 (إذا وجدت)
Ni (نيكل)	آثار – حوالي 0.40 (إذا وجدت)
Mo (موليبدنوم)	آثار – حوالي 0.10 (إذا وجدت)
V (فاناديوم)	عادة آثار (إذا تم استخدامه في السبائكية الميكروية)
Nb (نيوبوميوم)	عادة آثار (إذا تم استخدامه في السبائكية الميكروية)
Ti (تيتانيوم)	عادة آثار (إذا استُخدم لخفض الأكسدة)
B (بورون)	آثار إذا تم استخدامه عمدًا
N (نيتروجين)	منخفض (بالملايين)

ملاحظات: - لا تتطلب ASTM A516 إضافات سبائكية كبيرة؛ تلك الفولاذات هي أساسًا تركيبات كربون-منغنيز. بعض المصنعين يطبقون سبائكية ميكروية (V, Nb, Ti) أو معالجة مسيطر عليها لتحسين القوة والمتانة. - يتم تحقيق القوة الأعلى في Gr70 عادةً عبر التحكم الكيميائي وتطبيق المعالجة الحرارية الميكانيكية أو طرق الدرفلة بدلاً من السبائكية الثقيلة.

تأثير السبائكية على السلوك: - الكربون يزيد القوة وقابلية التقسية لكنه يقلل من قابلية اللحام واللدونة. مستويات الكربون المتوسطة تحافظ على توازن جيد. - المنغنيز يحسن قابلية التقسية وقوة الشد ويعزز إزالة الأكسدة ولكن زيادته قد تزيد من التقسية وتؤثر على المتانة. - السيليكون يساعد في إزالة الأكسدة؛ كميات صغيرة منه لا تغير بشكل كبير السلوك الميكانيكي. - عناصر السبائكية الميكروية (V, Nb, Ti) تصغر حجم الحبيبات، تعزز تقوية الترسيب، ويمكنها رفع القوة دون تقليل المتانة بشكل ملحوظ عند استخدامها بكميات مضبوطة.

3. البنية المجهرية والاستجابة للمعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - يُظهر لوح A516 في الحالة المدرفلة عادة بنية من الفيريت-اللؤلؤة في الحالة المنتجة. الاختلافات بين درجة 60 و70 هي في الغالب كمية (تدرجات الكربون والمنغنيز، حجم الحبيبات، كثافة التشوه) وليست نوعية. - يمكن للمعالجة الحرارية الميكانيكية المسيطر عليها (TMCP) أن تؤدي إلى حبيبات فيريتية أدق وبعض المحتويات الباينيتية، مما يحسن القوة والمتانة مقارنة باللوح المدرفل التقليدي.

الاستجابة للمعالجة الحرارية: - عادةً ما يُورد A516 في حالة مدرفلة ومطبّعة (مُصانة)؛ عملية التبريد والتلطيف الكامل غير شائعة لهذه المواصفة لأنها مخصصة للخدمات بدرجات حرارة متوسطة وبناء ملحوم. - التبريد المطبّع (تسخين فوق الحرارة الحرجة وتبريد مسيطر عليه) ينقي حجم الحبيبات ويحسن المتانة؛ وهو طريقة مقبولة لتحسين متانة الشقوق دون سبائكية زائدة. - التبريد السريع والتلطيف يمكن أن يحقق مستويات قوة أعلى وأنماط متانة مختلفة ولكنه لا يُطلب عادةً لدرجة A516 القياسية؛ هذا النوع من المعالجات يغير فئة المنتج وقد يؤثر على إجراءات اللحام ومتانة الشق. - المسارات الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المسيطر عليها + التبريد المعجل) تُستخدم من قبل المصانع لتوفير خصائص Gr70 مع بنية حبيبية دقيقة ومتانة جيدة عند درجات حرارة منخفضة.

4. الخواص الميكانيكية

تختلف الحدود الكمية في المواصفة حسب الدرجة، السماكة، واختبار الصدمات الاختياري. وبدلاً من ذكر قيم رقمية دقيقة (يجب استخراجها من مواصفة ASTM/ASME الحالية وشهادات اختبار المصنع)، نلخص المقارنة النسبية أدناه.

الخاصية	A516 درجة 60	A516 درجة 70
قوة الشد	نطاق أقل (مناسب للضغوط المعتدلة)	أعلى (مصمم للخدمات عالية الضغط)
مقاومة الخضوع	حد أدنى أقل	حد أدنى أعلى
الاستطالة (اللدونة)	مقارنة؛ غالبًا ما تكون اللدونة أعلى قليلاً عند نفس السماكة	لدونة أقل قليلاً بسبب القوة الأعلى، لكنها لا تزال مناسبة للتشكيل
متانة التأثير	محددة بمواصفات اختبار شاربي V-notch عند الحاجة؛ جيدة مع المعالجة المناسبة	يمكن أن تحقق متانة مساوية أو أعلى حسب المعالجة؛ غالباً ما تحدد للخدمات ذات الضغط الأعلى والسماكات الأكبر
الصلادة	أدنى قليلاً	أعلى قليلاً

التفسير: - توفر درجة 70 هوامش قوة أعلى، مما يتيح استخدام سماكات أقل لنفس الضغط أو ضغوط تشغيل أعلى للسماكة نفسها. - المتانة تتحكم بها الكيمياء، السماكة، والمعالجة الصناعية — يمكن لدرجة 70 المعالجة بشكل صحيح أن تمتلك متانة مساوية أو متفوقة لدرجة 60، ولكن مع زيادة القوة، يصبح الانتباه الدقيق لمتانة الشقوق واختبار الصدمات ضروريًا. - يجب على المهندسين مراجعة شهادات الخواص الميكانيكية الفعلية ومتطلبات اختبار التأثير (درجة الحرارة، الطاقة) لتطبيقاتهم.

5. قابلية اللحام

تتعلق اعتبارات قابلية اللحام بمحتوى الكربون، قابلية التقسية، والسبائكية المتبقية. يتم استخدام معادلتين شائعتين لمعادلة الكربون لتقدير قابلية اللحام، ويجب استخدامهما نوعيًا:

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

و

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

التفسير: - القيم الأقل لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ تشير إلى سهولة اللحام وانخفاض خطر التشقق البارد؛ عادة ما تمتلك درجتا A516 مكافئات كربون منخفضة إلى متوسطة. - قد تمتلك درجة 70 مكافئ كربون أعلى قليلاً من درجة 60 اعتمادًا على التركيب والمعالجة، لذا يوصى غالباً بالتسخين المسبق والتحكم بدرجات الحرارة بين اللحامات في القطاعات السميكة أو اللحام في درجات حرارة منخفضة. - معالجة ما بعد اللحام (PWHT) غير مطلوبة في الغالب لمعظم ألواح أوعية الفولاذ الكربوني، لكنها قد تكون مفروضة حسب كود التصميم أو ظروف الخدمة؛ يجب الالتزام بمتطلبات كود ASME وإجراءات تأهيل اللحام.

6. المقاومة للتآكل وحماية السطح

• درجتا A516 60 و 70 هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ؛ المقاومة الطبيعية للتآكل محدودة بتركيبة الفولاذ والبيئة المحيطة. تشمل استراتيجيات حماية التآكل الطلاءات (دهانات، إيبوكسيات)، التغطية بالزنك (تغليف بالغمس الساخن أو تطبيق أساسيات غنية بالزنك)، والحماية الكاثودية للخدمات المدفونة أو المغمورة.
• مؤشرات مقاومة التآكل لفولاذ مقاوم للصدأ مثل PREN غير مناسبة لـ A516 لأنه ليس سبيكة مقاومة للتآكل. وللإشارة، يتم حساب PREن كالتالي:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

لكن هذا المؤشر ينطبق فقط على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والثنائي.

• يجب أن يأخذ اختيار حماية السطح في الاعتبار سائل التشغيل، ودرجة الحرارة، والتآكل الميكانيكي. بالنسبة للبيئات العدوانية، يُفضل استخدام المواد المقاومة للصدأ أو الحلول المبطنة/المطلية بدلاً من الاعتماد على الفولاذ الكربوني العادي.

7. التصنيع، سهولة التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: كلا الدرجتين يتم قطعهما والقطع باللهب بسهولة؛ القطع بالبلازما والليزر شائعان. قد يتطلب القوة قليلاً أكبر أو زيادة في تآكل الأدوات بسبب القوة الأعلى قليلاً في Gr70.
• الثني/التشكيل: غالباً ما يكون Gr60 أكثر سهولة في عمليات التشكيل بسبب الدكتيلية الأعلى قليلاً عند نفس السماكة. يمكن تشكيل Gr70 ولكنه قد يتطلب أنصاف أقطار انحناء أكبر أو إجهاد انحناء أقل.
• سهولة التشغيل: لا تُعتبر كلاً من الدرجتين سبائك ذات سهولة تشغيل عالية؛ تُستخدم الأدوات ومعدلات التقدم القياسية. القوة الأعلى قليلاً في Gr70 قد تزيد من تآكل الأدوات.
• تشطيب السطح (الطحن، التلميع) يتصرف بشكل مشابه في الدرجتين؛ وتكون المعالجات قبل وبعد اللحام متشابهة.

8. التطبيقات النموذجية

الاستخدامات النموذجية لـ A516 Grade 60	الاستخدامات النموذجية لـ A516 Grade 70
خزانات التخزين، أوعية الضغط ذات الضغط المنخفض إلى المتوسط، أجزاء الغلايات حيث تُفضّل المتانة على الحد الأقصى للضغط المسموح	غلايات وأوعية ضغط ذات ضغط أعلى، خزانات ومفاعلات حيث يُرغب في إجهادات مسموح بها أعلى أو سماكات أرق
مكونات مُصنعة حيث تكون قابلية التشكيل المحسنة مفيدة	تطبيقات تتطلب إجهاد تصميم أعلى أو تخفيض الوزن من خلال تقليل السماكة
خدمة بدرجات حرارة منخفضة مع إجراء اختبارات تأثير مناسبة إذا لزم الأمر	ألواح أكثر سماكة وخدمة ذات ضغط أعلى مع معالجة مُحكمة للحفاظ على المتانة

مبررات الاختيار:

• اختر الدرجة التي تجمع بين القوة والمتانة بما يتوافق مع إجهاد التصميم، هوامش السلامة المطلوبة، ومتطلبات اختبار التأثير ودرجة الحرارة، مع تقليل التكلفة وتعقيد التصنيع.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون Grade 70 أغلى قليلاً من Grade 60 بسبب القوة الأعلى وأحياناً المعالجة الأكثر تحكماً (TMCP). ولكن إذا سمحت Grade 70 باستخدام لوح أرق لتحقيق نفس التصميم، فقد تكون تكلفة المادة والتصنيع الإجمالية أقل.
• التوافر: كلا الدرجتين متوفران على نطاق واسع وبسماكات وعرض قياسية لألواح أوعية الضغط. تختلف توافر السماكات المحددة، التشطيبات السطحية، واختبارات التأثير الموثقة عند درجات حرارة منخفضة حسب المصنع؛ ينبغي التأكد من مهل التسليم وشهادات الاختبار عند الشراء.

10. الملخص والتوصيات

جدول ملخص (نوعي):

المعيار	A516 Gr60	A516 Gr70
قابلية اللحام	ممتازة (أسهل قليلاً)	جيدة جداً (قد تحتاج إلى تسخين مسبق أكثر للأجزاء السميكة)
توازن القوة والمتانة	جيد جداً للتطبيقات العامة	قوة أعلى؛ يمكن تحقيق المتانة المناسبة إذا تمت المعالجة بشكل صحيح
التكلفة	تكلفة مادة أقل	تكلفة مادة أعلى ولكن قد تقلل الوزن/التكلفة الإجمالية عبر استخدام سماكات أرق

التوصيات:

• اختر A516 Grade 60 إذا:
• يفضل التصميم الدكتيلية الأعلى وسهولة التصنيع.
• تكون ضغوط التشغيل والإجهادات المسموح بها معتدلة وتسمح باستخدام الدرجة منخفضة القوة.
• تكون السيطرة على التكلفة وإجراءات اللحام الأبسط ذات أولوية.
• يمكن تحقيق متطلبات متانة درجات الحرارة المنخفضة بمعالجة Grade 60.
• اختر A516 Grade 70 إذا:
• تتطلب الحد الأدنى من القوة أعلى لتلبية متطلبات الضغط أو الهيكل، أو إذا كان تقليل الوزن باستخدام ألواح أرق مرغوب.
• يحتاج المصمم إلى قيم إجهاد مسموح أعلى لتصميم الوعاء ومستعد لتحديد اختبارات تأثير مناسبة وربما ضوابط لحام أكثر صرامة.
• يستطيع المصنع توريد Gr70 بالمتانة المطلوبة (عبر TMCP أو الدرفلة المحكومة).

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين مناسبان لبناء أوعية الضغط عند تحديدهما وتوفيرهما وفق ASTM A516 والكود المعمول به (ASME). لأي اختيار حاسم، يجب على المهندسين مراجعة مواصفات ASTM/ASME الحالية، وطلب تقارير اختبارات المصنع (كيميائية وميكانيكية)، والتحقق من وثائق اختبار التأثير عند درجة حرارة الخدمة المطلوبة، واعتماد إجراءات اللحام للدرجة والسماكة المختارة.