Q355NH مقابل SPA-H – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا بين Q355NH و SPA-H عند تحديد مواصفات أغطية أو هيكليات أو صلب ثقيل للصناعة الضغطية. يعتمد القرار غالبًا على التوازن بين المقاومة مقابل قابلية اللحام، المتانة في الخدمة عند درجات الحرارة المنخفضة مقابل التكلفة والتوافر الإقليمي. تشمل سياقات القرار النموذجية تصميم أوعية الضغط (حيث تهم متانة الصدمة والامتثال للكودات)، المقاطع الإنشائية (حيث توفر مقاومة الخضوع الأعلى وزنًا أقل)، وسير العمل في التصنيع (حيث تؤثر متطلبات إجراءات اللحام والتسخين المسبق على التكلفة).

الفرق العملي الرئيسي بين الدرجتين يكمن في استراتيجيات السبائكية والمعالجة: فـ Q355NH هو فولاذ مجلفن النوع يحتوي على سبائك دقيقة وعالي المقاومة (HSLA) يتم معالجته حراريًا بشكل مُسيطر عليه ليحقق مقاومة عالية ومتانة صدمة بعد المعالجة الحرارية، بينما SPA-H (المستخدم تجاريًا للدلالة على صفائح الكربون التقليدية لأوعية الضغط مثل ASTM/ASME A516 Grade 70 في العديد من الأسواق) يحدد لخصائص الليونة وقابلية اللحام اللازمة لأوعية الضغط. وبما أن تركيبتهما الكيميائية متشابهة في العناصر الأساسية لكن تختلف في محتوى السبائك الدقيقة والعناصر المسموح بها بنسب ضئيلة، فإن اختلافات الأداء تبقى دقيقة لكنها مهمة للتصميم والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

• Q355NH
• غالبًا ما يتم تحديده بموجب المعايير الصينية (سلسلة GB/T 1591) ويُورد لتلبية المكافئات EN/ISO في بعض الأسواق.
• التصنيف: فولاذ عالي المقاومة منخفض السبائك (HSLA) / فولاذ إنشائي مع متانة شق محسنة؛ "N" تدل على المعالجة بالتطبيع؛ "H" تعني متطلبات اختبار الصدمة الإضافية (المتانة في درجات الحرارة المنخفضة).
• SPA-H
• اسم تجاري/تسويق شائع عند التوريد لأوعية الضغط؛ غالبًا مرتبط بمواصفات ASTM/ASME لأوعية الضغط مثل ASTM A516 Grade 70 / ASME SA-516 Grade 70 في العديد من كتالوجات الموردين (يجب التأكد من المعادلة الدقيقة عبر شهادة المطحنة).
• التصنيف: فولاذ كربوني تقليدي لأوعية الضغط (فولاذ كربوني تقليدي لصفائح الغلايات وأوعية الضغط).

ملاحظة: يجب دائمًا التحقق من المعيار المحدد بدقة في شهادات اختبار المطحنة (MTC). قد تستخدم الأسواق والموردون أسماء تجارية مختلفة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكية

يوضح الجدول أدناه نطاقات العناصر النموذجية الشائعة في شهادات المطحنة وبيانات المنتج. هذه نطاقات تمثيلية؛ يجب تأكيد القيم الفعلية من شهادة المطحنة المقدمة.

العنصر	Q355NH النموذجي (النطاقات التمثيلية)	SPA-H النموذجي (النطاقات التمثيلية، مثل A516 Gr70)
C	0.10 – 0.20 %	0.16 – 0.28 %
Mn	0.6 – 1.6 %	0.70 – 1.20 %
Si	0.10 – 0.50 %	0.10 – 0.35 %
P	≤ 0.035 %	≤ 0.035 %
S	≤ 0.035 %	≤ 0.035 %
Cr	آثار – 0.30 % (إذا وجدت)	آثار – 0.30 % (إذا وجدت)
Ni	آثار – 0.40 %	آثار – 0.40 %
Mo	غالبًا منخفض جدًا أو غير موجود؛ حتى ~0.10 % ممكن	آثار – 0.10 %
V	قد يحتوي على سبائك دقيقة (آثار، مثل 0.01–0.12 %)	عادة غير مضافة
Nb (Cb)	قد يحتوي على سبائك دقيقة (آثار، ≤0.06 %)	عادة غير مضافة
Ti	احتمالية سبائك دقيقة (آثار)	عادة غير مضافة
B	آثار إذا استُخدم للتحكم في القابلية للتقسية	عادة غير مضافة
N	مستويات أثرية؛ محكمة لمتانة الصدمة	مستويات أثرية

تأثير السبائكية على الأداء: - الكربون والمنغنيز هما العاملان الرئيسيان في دفع المقاومة؛ زيادة الكربون تزيد المقاومة لكن تقلل من قابلية اللحام والمتانة إذا لم تُتحكم جيدًا. - عناصر السبائكية الدقيقة (Nb, V, Ti) في Q355NH تعزز تكرير الحبيبات وتقوية الرواسب، مما يحسن مقاومة الخضوع والمتانة بعد معالجة حرارية مُسيطر عليها مع زيادة بسيطة في ما يُعرف بمعادل الكربون. - الإضافات الصغيرة من Cr, Ni, أو Mo (تُرى أكثر في أنواع SPA-H أو لتلبية متطلبات متانة محددة) يمكن أن تزيد قليلاً من قابلية التقسية ومقاومة التآكل، لكنها عادة ما تكون منخفضة أو غائبة. - الحديد والكبريت محتفظ بهما عند مستويات منخفضة في كلا الدرجتين لحماية المتانة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• Q355NH
• المعالجة المعتادة: طرق دحرجة محكمة تليها المعالجة بالتطبيع (دلالة "N") أو معالجة ميكانيكية حرارية محكمة (TMCP) تليها التطبيع في بعض الحالات.
• البنية المجهرية النموذجية: ferrite–pearlite ناعمة الحبيبات أو ferrite مع جزر bainitic دقيقة ورواسب نانوية الحجم (NbC, VN, أو TiN) من السبائكية الدقيقة. التطبيع ينتج حبيبات أوستينيت أولية مكررة ويُحسن المتانة ضد الشق.
• استجابة المعالجة الحرارية: التطبيع والتبريد المُسيطر عليه يُكرران حجم الحبيبات وتوزيع الرواسب، مما يعزز مقاومة الخضوع والمتانة في درجات الحرارة المنخفضة بدون الحاجة لدورات تقسية وتلطيف ثقيلة.
• SPA-H (الفولاذ الكربوني التقليدي لأوعية الضغط)
• المعالجة المعتادة: صفائح مداراة ساخنة، حالة تطبيع اختيارية حسب المورد/المواصفة.
• البنية المجهرية النموذجية: ferrite–pearlite مع حبيبات أكبر نسبيًا بالمقارنة مع الفولاذ المضاف إليه سبائك دقيقة و TMCP عند عدم التطبيع.
• استجابة المعالجة الحرارية: التطبيع يمكن أن يحسن المتانة؛ فولاذ A516 التقليدي صُمم لتلبية متطلبات الصدمة عبر الكيمياء وممارسة الدحرجة بدلاً من إضافة سبائك دقيقة مكثفة. التقسية والتلطيف عادة ليست جزءًا من طريقة التوريد القياسية لهذه الصفائح.

الاستنتاج: سبائكية Q355NH إضافة إلى التطبيع يوفر توازنًا جيدًا بين المقاومة والمتانة، خصوصًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة خضوع أعلى ومتانة جيدة عند درجات حرارة منخفضة.

4. الخواص الميكانيكية

فيما يلي نطاقات نموذجية للخواص الميكانيكية؛ القيم المضمونة الدقيقة تأتي من المعيار المحدد وشهادة اختبار المطحنة.

الخاصية	Q355NH (نموذجي)	SPA-H (نموذجي، مثل A516 Gr70)
مقاومة الخضوع الدنيا (MPa)	~355 MPa (هدف التصميم لـ Q355)	~240–280 MPa (عادة ~260 MPa)
مقاومة الشد (MPa)	470 – 630 MPa (نطاق نموذجي)	415 – 585 MPa (نطاق نموذجي)
الاستطالة % (على 200 mm أو 50 mm)	≈ 20% (تختلف حسب السماكة)	≈ 18–22% (تختلف حسب السماكة)
متانة صدمة شاربي	محددة لدرجات حرارة منخفضة لـ Q355NH (مثلاً -20 إلى -50°C)	محددة لدرجات حرارة منخفضة في فولاذ أوعية الضغط (مثلاً -20°C)، تعتمد على السماكة
الصلادة (HB أو HRC)	متوسطة؛ أعلى من الصفائح الكربونية التقليدية بفضل تقوية HSLA	متوسطة؛ عمومًا أقل من Q355NH لنفس السماكة

التفسير: - يوفر Q355NH مقاومة خضوع دنيا محددة أعلى (ومن هنا "355") وعند معالجته بشكل صحيح يقدم متانة متفوقة أو مماثلة عند درجات الحرارة المنخفضة مقارنة بفولاذ أوعية الضغط التقليدي. - فولاذ SPA-H / A516 Gr70 يوفر مقاومة شد كافية ومرونة جيدة جدًا ومتانة مناسبة لخدمة أوعية الضغط، لكن المقاومة الأقل تعني إمكانية استخدام مقاطع أكثر سماكة أو وزنًا لتحمل نفس الحمولة.

5. قابلية اللحام

يركز تقييم قابلية اللحام لكلا الدرجتين على محتوى الكربون، قابلية التقسية، ووجود عناصر السبائكية الدقيقة. يوجد مؤشرين تجريبيين مستخدمين عادة:

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

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

التفسير النوعي: - قيم أقل لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ تدل على سهولة أفضل في القابلية للحام ومتطلبات تسخين أولي أقل. كل من Q355NH و SPA-H هما فولاذ كربوني منخفض السبائك مع مكافئات كربون متواضعة نسبيًا. - Q355NH: سبائكية دقيقة (Nb، V) وارتفاع بسيط في Mn في بعض دفعات الإنتاج قد تزيد من قابلية التصلب محليًا، مما يرفع حساسية المادة للتبريد السريع وتشققات الهيدروجين في وصلات اللحام السميكة. ونتيجة لذلك، قد يتطلب Q355NH ممارسات لحام أكثر حذرًا (تسخين أولي مناسب، التحكم بدرجة حرارة العبور، استخدام مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين) في القطاعات السميكة مقارنة بالفولاذ الكربوني العادي مثل A516. - ألواح SPA-H / A516 Gr70: عادةً ما تكون سهلة اللحام باستخدام الإجراءات القياسية؛ مقاومة الخضوع المنخفضة واحتواء أقل على عناصر السبائكية تقلل من مخاطر التشقق الناتج عن الهيدروجين، لكن اعتبارات التسخين الأولي والمعالجة الحرارية بعد اللحام تعتمد على السماكة، التقييد، ودرجة حرارة الخدمة.

أفضل ممارسة: تحديد مواصفات إجراء اللحام (WPS) بناءً على قيم CE/Pcm المقاسة من شهادة اختبار المصنع (MTC)، السماكة، والخواص اللازمة لمقاومة الصدمات؛ دائماً اتبع متطلبات التسخين الأولي والمعالجة الحرارية بعد اللحام كما هو محدد في الكود حيثما ينطبق.

6. التآكل والحماية السطحية

• كلا Q355NH و SPA-H هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ. مقاومة التآكل في البيئات الجوية أو المائية محدودة بدون حماية.
• خيارات الحماية السطحية الشائعة:
• التغليف بالزنك بالغمس الساخن (للحماية المتوسطة من التآكل؛ يجب التحقق من السماكة وملائمة المعدن الأساسي).
• طلاءات الإيبوكسي أو البوليمر، الإيبوكسي المترابط بالانصهار (FBE)، أو أنظمة متعددة الطبقات للبيئات القاسية.
• أنظمة الطلاء (تحضير السطح واختيار الطبقة الأساسية والطلاء العلوي حسب البيئة).
• مؤشرات الفولاذ المقاوم للصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الدرجات غير المقاومة للصدأ. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، مؤشر PREN هو:

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

وهذا لا ينطبق هنا لأن أي من الدرجتين ليست مقاومة للصدأ.

السماح بالتآكل: بالنسبة لأوعية الضغط، عادةً ما يدرج المصممون سماحًا للتآكل ويحددون الطلاءات والحماية الكاثودية حسب متطلبات ظروف الخدمة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: يمكن تطبيق القطع بالبلازما، القطع بالأكسجين-وقود والقطع بالليزر بسهولة على كلا الدرجتين؛ قوة Q355NH الأعلى قد تنتج صلادة حافة أعلى قليلاً مع القطع الحراري، لكن الفروق صغيرة.
• الثني والتشكيل: SPA-H (مشابهة لـ A516) أسهل عمومًا في التشكيل بسبب مقاومة الخضوع المنخفضة والليونة الجيدة. مقاومة الخضوع الأعلى لـ Q355NH قد تزيد من الرجوع المرن وتتطلب قوى تشكيل أعلى؛ إلا أن بنيته المجهرية المحسنة تسمح بقابلية تشكيل جيدة عند استخدام الإجراءات الصحيحة.
• قابلية التشغيل: كلاهما متوسط القابلية؛ ولا يعتبران سبائك سهلة التشغيل. قد تقلل السبائكية الدقيقة في Q355NH من قابلية التشغيل قليلاً مقارنة بـ SPA-H الكربوني العادي، لكن التأثير صغير في الألواح السميكة والعمل الإنشائي.
• التشطيب: الطحن السطحي، النفخ بالرذاذ، والتلميع تتصرف بشكل متشابه في كلا الدرجتين.

8. التطبيقات النموذجية

Q355NH (الاستخدامات النموذجية)	SPA-H / A516 Gr70 (الاستخدامات النموذجية)
عناصر هيكلية عالية القوة، مكونات الجسور، أذرع الرافعات، قطاعات ثقيلة حيث توفر مقاومة الخضوع الأعلى وزنًا أقل	أغلفة ورؤوس أوعية الضغط، المرجل ذات الضغط المنخفض إلى المتوسط، معدات حفظ الضغط العامة
أوعية الضغط التي تتطلب حد خضوع أعلى وصلابة تأثير منخفضة درجة الحرارة محددة (عندما يسمح الكود بذلك)	خزانات التخزين، المبادلات الحرارية، وألواح المراجل القياسية
المنشآت والمنصات البحرية الثانوية حيث يُطلب ألواح معالجة طبيعية بقابلية تأثير منخفضة درجة حرارة جيدة	أوعية الضغط وأنابيب الصناعة العملية حيث يتم تحديد ألواح الأوعية التقليدية

مبرر الاختيار: - اختر Q355NH عندما تحتاج إلى مقاومة خضوع أعلى لتوفير الوزن، أو عندما يتطلب الأمر لوحًا معالجة طبيعية مع ضمان صلابة تأثير منخفضة درجة الحرارة وأداء فولاذ عالي القوة منخفض السبائكية (HSLA). - اختر فولاذ SPA-H / A516 عندما يكون التطبيق خدمة أوعية ضغط تقليدية مع قبول الكود، إجراءات لحام أبسط، وحيث يكون انخفاض مقاومة الخضوع مقبولاً قليلاً.

9. التكلفة والتوافر

• Q355NH: يُصنع على نطاق واسع ويتوفر في الصين والعديد من الأسواق الآسيوية؛ التوافر في المناطق الأخرى يعتمد على سلاسل توريد الاستيراد. السعر يمكن أن يكون تنافسيًا للشراء بكميات كبيرة ويعتمد على السماكة وحجم اللوح.
• SPA-H / A516 Gr70: متوفر عالميًا من العديد من المصانع، خصوصًا في أمريكا الشمالية، أوروبا، وآسيا؛ سلسلة توريد راسخة لأحجام وأبعاد ألواح أوعية الضغط.
• التكلفة النسبية: في ظل ظروف السوق المماثلة، قد يحمل Q355NH مزية سعرية طفيفة للدفعات عالية الأداء أو متطلبات التأثير الصارمة؛ وعلى العكس، غالبًا ما تسيطر ديناميكيات التوريد الإقليمية على اختلافات الأسعار.

أشكال المنتج: كلا الدرجتين متوفرتان كألواح مدرفلة على الساخن؛ المعالجات الإضافية (المعالجة الطبيعية، السحب، القطع) تؤثر على أوقات التسليم.

10. الملخص والتوصية

المعيار	Q355NH	SPA-H (مثل A516 Gr70)
قابلية اللحام	جيدة، لكن السبائكية الدقيقة قد تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في التسخين الأولي	جيدة جدًا مع الإجراءات القياسية
توازن القوة - المتانة	مقاومة خضوع أعلى، بنية مجهرية محسنة، صلابة جيدة عند درجات حرارة منخفضة	شد وقابلية تمدد جيدة؛ مقاومة خضوع أقل لكن ليونة ممتازة لخدمة الأوعية
التكلفة والتوافر	تنافسي في آسيا؛ يعتمد على المصنع والمعالجة	متوفر عالميًا على نطاق واسع؛ معيار لأوعية الضغط

التوصية: - اختر Q355NH إذا كنت تحتاج مقاومة خضوع دنيا أعلى وفولاذ معالج (مُعالَج طبيعيًا/TMCP) لتحسين صلابة تأثير منخفضة الحرارة ونسبة قوة إلى وزن أفضل. Q355NH خيار جيد للتطبيقات الهيكلية وبعض أوعية الضغط حيث يسمح الكود واختبارات إجراءات اللحام باستخدامه. - اختر SPA-H (عادةً لوح ضغط من نوع A516 Gr70) إذا كنت تعطي الأولوية لممارسة أوعية الضغط المعتمدة، سهولة اللحام والتصنيع القصوى تحت إجراءات لحام قياسية، وتوفر عالمي واسع لتطبيقات المراجل والأوعية التقليدية.

ملاحظة أخيرة: تأكد دائمًا من المعيار المحدد، التركيب الكيميائي، والخصائص الميكانيكية المضمونة من شهادة اختبار المصنع للدفعة والسماكة المحددة. اختر إجراءات اللحام، التسخين الأولي، والمعالجة الحرارية بعد اللحام بناءً على مؤشرات مكافئ الكربون المقاسة والمتطلبات الكودية أو حسب طلب العميل التي تحكم المعدات النهائية.