SA387 11CL2 مقابل 22CL2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SA‑387 (المشار إليه أيضًا باسم ASTM A387) هو عائلة من الفولاذات منخفضة السبيكة من الكروم والموليبدينوم للأجزاء التي تحتوي على ضغط في خدمة درجات الحرارة المرتفعة. يقوم المهندسون وفرق الشراء غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين عضوين محددين بشكل شائع: 11CL2 (غالبًا ما يسمى نوع P11) و22CL2 (غالبًا ما يسمى نوع P22). تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار الحد الأدنى من السبيكة لتحقيق قوة الزحف المقبولة عند درجة الحرارة، والتوازن بين قابلية اللحام ومتطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام، أو تحسين تكلفة الشراء مقابل أداء دورة الحياة.
التباين العملي الأساسي بين هذه الدرجات هو محتوى السبيكة المستهدف لتحقيق قوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف: التركيبة ذات الكروم الأعلى والموليبدينوم الأعلى في درجة 22CL2 توفر قوة أكبر وقدرة على الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما تقدم 11CL2 محتوى سبيكة أقل يحسن قابلية اللحام ويقلل من تكلفة المواد. نظرًا لأن كلاهما مصمم لتطبيقات الضغط عند درجات الحرارة المرتفعة، يتم مقارنتهما بشكل شائع عندما يختار المصممون المواد للمراجل، والمبادلات الحرارية، والأنابيب، وأوعية الضغط التي تعمل عبر نطاقات درجات حرارة مماثلة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الرئيسية:
- ASTM/ASME: SA‑387 / A387 (درجات 11، 22؛ فئات 1، 2، إلخ)
- EN: التسميات المعادلة غالبًا ما تقع ضمن درجات P (مثل P11 / P22) أو معادلات EN 10222/10028 حسب شكل المنتج.
- JIS/GB: قد تحدد المعايير الوطنية فولاذات Cr‑Mo قابلة للمقارنة مع رموز درجات مختلفة.
- نوع المادة:
- كلا من SA387 11CL2 و22CL2 هما فولاذات منخفضة السبيكة من الكروم والموليبدينوم مصممة لخدمة درجات الحرارة المرتفعة. ليست فولاذات مقاومة للصدأ وليست HSLA بمعنى الفولاذات الهيكلية عالية القوة الميكروسبكية؛ إنها سبائك أوعية ضغط مقاومة للحرارة مع إضافات متعمدة من Cr وMo.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
يوفر الجدول أدناه نطاقات نموذجية تمثيلية (wt%) التي تم مواجهتها في مواصفات SA‑387/A387 درجة 11 فئة 2 ودرجة 22 فئة 2 أو الممارسات الشائعة في المصانع. يجب دائمًا أخذ الكيمياء التعاقدية الدقيقة من شهادة المصنع أو الطبعة المعمول بها من المعيار.
| عنصر | 11CL2 (wt% تمثيلي) | 22CL2 (wt% تمثيلي) |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.08 – 0.35 | 0.08 – 0.35 |
| P (max) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S (max) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 0.90 – 1.35 | 2.00 – 2.60 |
| Ni (max) | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.44 – 0.65 | 0.80 – 1.15 |
| V | عادة منخفضة / أثر | عادة منخفضة / أثر |
| Nb, Ti, B, N | أثر / مسيطر | أثر / مسيطر |
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - يزيد الكروم (Cr) من مقاومة الأكسدة وقوة درجات الحرارة العالية ويساهم في القابلية للتصلب. - يزيد الموليبدينوم (Mo) من قوة الزحف ويثبت الكربيدات عند درجات الحرارة المرتفعة؛ كما يعزز Mo القابلية للتصلب. - يزيد الكربون من القوة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة إذا كان مفرطًا؛ تحافظ كلا الدرجتين على كربون منخفض لتحقيق توازن بين الصلابة عند درجة حرارة الغرفة وقابلية اللحام. - المنغنيز والسيليكون هما مزيلات للأكسدة ويساهمان في القوة. - تؤثر العناصر الدقيقة المضافة (V، Nb، Ti) عند وجودها بكميات صغيرة على التحكم في حجم الحبيبات وتقوية الترسيب، ولكن درجات SA‑387 تقوى بشكل أساسي بواسطة كيمياء Cr/Mo والمعالجة الحرارية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
المعالجة النموذجية والبنية المجهرية: - عند الدرفلة أو المعالجة الحرارية والتصلب، تطور كلا الدرجتين بنية مجهرية من المارتنسيت/الباينيت المعالجة حسب معدل التبريد ومحتوى السبيكة. - 11CL2 (أقل Cr/Mo): يميل إلى التحول عند درجات حرارة أعلى ويظهر كربيدات أكثر خشونة بعد التصلب مقارنةً بـ 22CL2؛ البنية المجهرية كافية لخدمة الزحف المعتدلة. - 22CL2 (أعلى Cr/Mo): يظهر قابلية تصلب أعلى ويشكل توزيعًا أدق من الكربيدات المعالجة التي تكون أكثر فعالية في مقاومة الزحف والتليين عند درجات الحرارة المرتفعة.
تأثير المعالجات الحرارية: - المعالجة الحرارية والتصلب (الطريقة الشائعة): تصقل حجم الحبيبات وتنتج مزيجًا من المارتنسيت/الباينيت المعالج مع تحسين التوازن بين الصلابة والقوة. - التبريد والتصلب: يمكن استخدامه لمتطلبات القوة الأعلى، ولكن كلا الدرجتين تستخدم عادة في الحالة المعالجة/المعالجة الحرارية لخدمة أوعية الضغط. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المسيطر عليها): يمكن أن تحسن من قوة العائد والصلابة من خلال تصغير الحبيبات والتحكم في الترسيب؛ تكون أكثر فعالية في 22CL2 بسبب السبيكة ولكن تتطلب تحكمًا دقيقًا في العملية. - المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT): مطلوبة للعديد من تطبيقات الضغط لتصلب المنطقة المتأثرة بالحرارة واستعادة الصلابة؛ تعتمد جداول PWHT على السماكة، ورمز التصميم، ومحتوى السبيكة.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر الجدول التالي مقارنة نوعية لخصائص الأداء الميكانيكي الشائعة تحت ظروف المعالجة الحرارية القياسية (المعالجة والتصلب). تعتمد القيم المطلقة على السماكة، والكيمياء الدقيقة، والمعالجة الحرارية؛ استشر شهادة المادة ورمز التصميم للحصول على الأرقام الدنيا المضمونة.
| الخاصية | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| قوة الشد (سلوك نموذجي) | متوسطة | أعلى (تحسن عند درجات الحرارة المرتفعة) |
| قوة العائد | متوسطة | أعلى |
| التمدد (المرونة) | أعلى قليلاً (مرونة أفضل عند درجة حرارة الغرفة) | أقل قليلاً (تبادل من أجل القوة) |
| صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة، معالجة حرارية) | جيدة، تعتمد على المعالجة الحرارية | جيدة، يمكن أن تكون قابلة للمقارنة إذا تمت معالجتها بشكل صحيح ولكن تتطلب تحكمًا |
| الصلابة (معالجة حرارية) | متوسطة | أعلى في حالة المعالجة الحرارية المماثلة |
لماذا تحدث هذه الاختلافات: - يزيد الكروم والموليبدينوم الأعلى في 22CL2 من القابلية للتصلب وترسيب الكربيدات المستقرة التي تحافظ على القوة عند درجات الحرارة. وهذا يزيد من قوة الشد والعائد، خاصة في نظام الزحف، على حساب تقليل معتدل في المرونة ما لم يتم تحسين التصلب والمعالجة الحرارية. - يؤدي محتوى السبيكة الأقل في 11CL2 إلى تحسين قابلية اللحام قليلاً وغالبًا ما يؤدي إلى زيادة قياسات التمدد عند درجة حرارة الغرفة.
5. قابلية اللحام
عوامل رئيسية في قابلية اللحام: - يحكم المعادل الكربوني والقابلية للتصلب القابلية للتشقق البارد وضرورة التسخين المسبق وPWHT. - يزيد محتوى السبيكة (Cr، Mo) من القابلية للتصلب؛ وبالتالي، تتطلب 22CL2 عادةً ممارسات تسخين مسبق وPWHT أكثر تحفظًا من 11CL2 للسماكة المعادلة.
صيغ تجريبية مفيدة (تفسير نوعي؛ لا توجد حسابات عددية مقدمة): - المعهد الدولي للحام المعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill أو Pcm (يعبر عن قابلية التشقق اللحامي): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير: - ستنتج 22CL2 عمومًا $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ أعلى من 11CL2 بسبب محتواها الأعلى من Cr وMo، مما يعني ضوابط لحام أكثر صرامة (تسخين مسبق، درجة حرارة بينية، PWHT). - كلا الدرجتين قابلتان للحام مع الإجراءات المناسبة؛ الممارسة الشائعة هي تطبيق التسخين المسبق وPWHT الإلزامي وفقًا لرمز ASME للمراجل وأوعية الضغط للأجزاء الضاغطة، مع اختيار درجات حرارة PWHT ومددها لتخفيف الضغوط الناتجة عن الهيدروجين والضغوط المتبقية ولتصلب HAZ.
6. التآكل وحماية السطح
- لا تعتبر أي من الدرجتين مقاومة للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل العام والتآكل الموضعي في البيئات العدوانية.
- استراتيجيات الحماية: الطلاء، بطانات الإيبوكسي، الطلاءات البوليمرية، والتغليف (حسب درجة حرارة التصميم والخدمة) هي طرق حماية سطحية نموذجية. بالنسبة لمقاومة الأكسدة/التقشر عند درجات الحرارة العالية، يوفر محتوى Cr في 22CL2 مقاومة أفضل قليلاً للتقشر مقارنةً بـ 11CL2، ولكن لا يمكن لأي منهما استبدال الفولاذ المقاوم للصدأ للخدمة التآكلية.
- PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ، ومع ذلك من أجل الاكتمال: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- استخدم سبائك مقاومة للتآكل أو تغليف/بطانة عندما يكون هناك هجوم كيميائي أو خطر تآكل محلي مرتفع؛ بالنسبة للعديد من تطبيقات المراجل والبخار، يتم معالجة مخاوف التآكل من خلال التحكم في كيمياء المياه بدلاً من الاعتماد على مقاومة التآكل للمعادن الأساسية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا الدرجتين يمكن تشغيلهما بسهولة في الظروف المعالجة/المعالجة الحرارية. يمكن أن يوفر محتوى السبيكة الأقل قليلاً في 11CL2 سهولة تشغيل أفضل بشكل طفيف؛ قد تتطلب 22CL2 تغييرات أكثر تكرارًا في الأدوات عند التشغيل إلى نفس الصلابة.
- قابلية التشكيل/الانحناء: يمكن تشكيل كلاهما عند تزويدهما في الحالة المعالجة؛ يجب أن تتبع الحد الأدنى من أنصاف أقطار الانحناء ودرجات حرارة التشكيل الممارسات القياسية للفولاذات Cr‑Mo المعالجة. يمكن أن تزيد القابلية للتصلب الأعلى في 22CL2 من خطر التشقق أثناء التشكيل البارد للأقسام الأكثر سمكًا.
- إنهاء السطح: كلاهما يقبل طرق إنهاء شائعة (طحن، تفجير بالرصاص، طلاء). غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد التشكيل أو اللحام مطلوبة لتلبية متطلبات الصلابة والضغط.
8. التطبيقات النموذجية
| 11CL2 (SA387 درجة 11 CL2) | 22CL2 (SA387 درجة 22 CL2) |
|---|---|
| مكونات المراجل والأفران التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة حيث تكون التكلفة وقابلية اللحام من الأولويات | مكونات درجات الحرارة العالية (سخانات، سخانات إعادة، رؤوس سميكة) حيث تكون قوة الزحف الممتازة والاستقرار على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة |
| أصداف أوعية الضغط والأنابيب حيث تكون درجة حرارة التصميم أقل ضمن نطاق الخدمة | أجزاء الضغط للأقسام الأكثر سمكًا وخدمة درجات الحرارة الأعلى في محطات الطاقة ووحدات البتروكيماويات |
| أنابيب وتركيبات اقتصادية حيث تكفي PWHT والقوة المعتدلة | أنابيب حرجة عالية الحرارة، مكونات ذات جدران سميكة، وأجزاء تتعرض لضغوط مستمرة أعلى عند درجات الحرارة |
مبررات الاختيار: - اختر 11CL2 عند انخفاض درجات الحرارة والضغوط ضمن نطاق التصميم الآمن لها، وعندما تكون تقليل تكلفة السبيكة وتسهيل التصنيع/اللحام مطلوبين. - اختر 22CL2 عندما تتطلب متطلبات الخدمة المتوقعة (درجات حرارة أعلى، ضغوط مستمرة أعلى، أقسام أكثر سمكًا) تحسين الزحف وقوة درجات الحرارة المرتفعة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما تكون 22CL2 أعلى في تكلفة المواد من 11CL2 بسبب محتوى Cr وMo الأكبر. يختلف الفرق مع أسعار السوق لعناصر السبيكة.
- التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين على نطاق واسع في الألواح والمسبوكات لمعدات الضغط؛ يعتمد التوافر حسب شكل المنتج (لوح، مسبوكات، أنابيب) ووقت التسليم على جداول المصنع والطلب الإقليمي. غالبًا ما تكون 11CL2 متاحة بشكل أكثر شيوعًا في مجموعة واسعة من الأحجام بسبب استخدامها الأوسع في التطبيقات الحساسة للتكلفة.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (قابلية تصلب أقل) | أكثر تطلبًا (أعلى Cr/Mo) |
| التوازن بين القوة والصلابة | قوة متوسطة؛ مرونة جيدة | قوة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة؛ صلابة جيدة إذا تمت معالجتها حراريًا |
| التكلفة | أقل | أعلى |
الاستنتاجات والتوصيات العملية: - اختر 11CL2 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ ضغط Cr‑Mo فعال من حيث التكلفة لخدمة درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة حيث تكون اللحام الأسهل وتكلفة السبيكة الأقل من الأولويات، وحيث تكون الضغوط ودرجات الحرارة التصميمية ضمن الحدود المسموح بها لمادة الدرجة 11. - اختر 22CL2 إذا كانت التطبيق يتطلب مقاومة زحف محسنة وقوة مستمرة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة (أو أقسام أكثر سمكًا حيث تكون القابلية للتصلب مطلوبة)، ويمكنك استيعاب إجراءات لحام أكثر صرامة وتكلفة مواد أعلى.
ملاحظات نهائية: - تحقق دائمًا من الكيمياء الدقيقة والخصائص الميكانيكية المضمونة على شهادة المصنع للدفعة التي يتم شراؤها. - اتبع رموز التصميم المعمول بها (ASME القسم II/حالة الرمز، ASME BPVC، معايير EN) للضغوط المسموح بها، وPWHT المطلوبة، والاختبارات. يجب أن يتم الاختيار في سياق درجة الحرارة التشغيلية، والضغط، والعمر المتوقع، ومواصفات إجراءات اللحام (WPS/PQR)، وخطط الفحص أثناء الخدمة.