SA387 Gr11 مقابل Gr22 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SA387 الدرجة 11 والدرجة 22 هما درجتان من الفولاذ المقاوم للضغط المرتبطتين ارتباطًا وثيقًا، وهما من درجات فولاذ الكروم–الموليبدينوم (Cr–Mo) التي يتم تحديدها على نطاق واسع للخدمة في درجات حرارة مرتفعة في الغلايات، والأوعية الضاغطة، ومعدات البتروكيماويات. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات والمصنعون بين تكاليف المواد، وقابلية اللحام، والصلابة، وقوة التحمل في درجات الحرارة المرتفعة عند الاختيار بين هاتين الدرجتين. تشمل سياقات القرار النموذجية مكونات الأنابيب والأوعية المعرضة لدرجات حرارة بخار عالية، والمبادلات الحرارية، والمكونات التي تكون فيها مقاومة الزحف وقابلية التصلب مهمة.
الفرق الرئيسي بين الدرجتين هو كمية سبائك الكروم والموليبدينوم: الدرجة 11 هي نوع منخفض من الكروم/الموليبدينوم مخصص لدرجات حرارة مرتفعة معتدلة، بينما تحتوي الدرجة 22 على كميات أعلى من الكروم والموليبدينوم لتوفير قوة أكبر ومقاومة للزحف عند درجات حرارة أعلى. بسبب ذلك، يتم تحديد Gr22 حيث تكون القوة العالية على المدى الطويل وقابلية التصلب مطلوبة؛ بينما يتم اختيار Gr11 حيث تكون التكلفة المنخفضة قليلاً وسهولة اللحام هي الأولويات، مع توفير خصائص جيدة في درجات الحرارة المرتفعة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الرئيسية:
- ASTM/ASME: SA387 (لوح) — الدرجة 11 (غالبًا ما يتم اختصارها إلى Gr11) والدرجة 22 (Gr22). مواصفات الأنابيب ذات الصلة: ASTM A335/ASME SA335 P11 وP22 (أنابيب).
- EN: توجد سبائك قابلة للمقارنة في معايير EN للصلب السبيكي لمعدات الضغط (يتطلب الاختيار مرجعًا متقاطعًا لأن المطابقة المباشرة ليست دقيقة).
- JIS / GB: المعايير اليابانية والصينية لديها عائلات مشابهة من 1.25Cr–0.5Mo و2.25Cr–1Mo، ولكن تحقق من التسميات الوطنية للتوافق.
- التصنيف: كل من SA387 Gr11 وGr22 هما فولاذ سبيكي (فولاذات فيريتية Cr–Mo) تستخدم للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة؛ ليست فولاذات مقاومة للصدأ، ولا فولاذات كربونية، ولا HSLA بالمعنى الحديث.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تدرج الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية المرتبطة عادةً بـ SA387 Gr11 وGr22. هذه هي النطاقات التمثيلية من الممارسات الصناعية والمراجع القياسية؛ تحقق دائمًا مع شهادة اختبار المصنع للقيم الدقيقة.
| عنصر | النطاق النموذجي — Gr11 (تقريبًا) | النطاق النموذجي — Gr22 (تقريبًا) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 wt% | 0.08 – 0.15 wt% |
| Mn | 0.30 – 0.70 wt% | 0.30 – 0.70 wt% |
| Si | 0.10 – 0.50 wt% | 0.10 – 0.50 wt% |
| P (max) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S (max) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | ~1.0 – 1.4 wt% (اسمي ~1.25%) | ~2.0 – 2.5 wt% (اسمي ~2.25%) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 wt% (اسمي ~0.50%) | ~0.85 – 1.15 wt% (اسمي ~1.00%) |
| V, Nb, Ti, B | توجد عادةً فقط كميكروسبائك متبقية/أثرية (≤0.05 wt% لكل منها) | توجد عادةً فقط كميكروسبائك متبقية/أثرية (≤0.05 wt% لكل منها) |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر استراتيجية السبائك على السلوك: - يزيد الكروم من قابلية التصلب، والقوة عند درجة الحرارة، ومقاومة الأكسدة؛ الكروم الأعلى في Gr22 يعطي قوة أكبر عند درجات الحرارة العالية ومقاومة أكبر للزحف مقارنة بـ Gr11. - يساهم الموليبدينوم في قوة الزحف وقابلية التصلب؛ الموليبدينوم الأعلى في Gr22 يعزز التأثير. - يحدد الكربون والمنغنيز والسيليكون القوة الأساسية وقابلية التصلب؛ يزيد الكربون من القوة ولكن يمكن أن يقلل من قابلية اللحام والصلابة إذا كان مفرطًا. - تعمل الميكروسبائك الطفيفة (V، Nb، Ti) على تحسين حجم الحبيبات ويمكن أن تحسن قوة الزحف عند وجودها عمدًا، ولكن الألواح SA387 النموذجية تعتمد عمومًا على توازن Cr–Mo بدلاً من الميكروسبائك الثقيلة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة حراريًا والمعتدلة (أو المعالجة بالتبريد والتسخين) تكون كلتا الدرجتين مصفوفة فيريتية مع مارتنسيت معتدل أو مكونات باينيتية اعتمادًا على معدل التبريد ومحتوى السبيكة. تميل Gr11، ذات القابلية الأقل للتصلب، إلى تشكيل مارتنسيت/باينيت معتدل أدق مع المعالجة الحرارية المناسبة؛ بينما Gr22، الأكثر سبكًا، تحقق قابلية تصلب أعلى وتحتفظ بمزيد من البنية المجهرية القابلة للتصلب بعد تبريد مماثل.
طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - المعالجة الحرارية: تحسن حجم الحبيبات وتوحد البنية المجهرية؛ تستفيد كلتا الدرجتين من المعالجة الحرارية لتحسين الصلابة قبل التسخين. - التبريد والتسخين (Q&T): بالنسبة لألواح SA387 المخصصة للقوة العالية، تزيد طريقة Q&T من قوة الخضوع وقوة الشد؛ يقلل التسخين من الضغوط المتبقية ويحسن الصلابة. تحقق Gr22 قوة معتدلة أعلى عند درجات حرارة تسخين مماثلة بسبب محتوى Cr–Mo الأعلى. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التدوير المنضبط والتبريد المعجل إلى تحسين حجم الحبيبات وتحسين الصلابة؛ التأثير مشابه من الناحية المفاهيمية لكلتا الدرجتين ولكن تجعل قابلية التصلب الأعلى في Gr22 التحكم في البنية المجهرية أكثر حساسية لمعدل التبريد.
ملاحظات عملية: - اختيار درجة حرارة التسخين أمر حاسم لتحقيق توازن بين القوة عند درجات الحرارة العالية والصلابة. يؤدي التسخين المفرط إلى تقليل القوة؛ بينما يمكن أن يترك التسخين غير الكافي مارتنسيت هش. غالبًا ما تتطلب Gr22 تسخينًا دقيقًا لتحقيق أهداف الزحف والصلابة.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الأداء الميكانيكي على المعالجة الحرارية، والسماكة، ودرجة حرارة الاختبار. يقدم الجدول التالي مقارنات نوعية وسلوكًا اتجاهيًا نموذجيًا بدلاً من قيم مضمونة دقيقة؛ تحدد مواصفات المشروع وشهادات المصنع القيم التعاقدية.
| الخاصية | SA387 Gr11 (اتجاهي) | SA387 Gr22 (اتجاهي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | متوسطة؛ كافية لدرجات حرارة مرتفعة معتدلة | أعلى؛ قوة شد محسنة بسبب محتوى Cr–Mo الأعلى |
| قوة الخضوع | متوسطة | أعلى |
| التمدد (المرونة) | عادةً أعلى قليلاً (أكثر مرونة) | أقل قليلاً من Gr11 عند درجة حرارة تسخين مكافئة |
| صلابة التأثير (RT ودرجات حرارة منخفضة) | جيدة عند المعالجة الحرارية/التسخين؛ الصلابة أسهل تحقيقها بسبب قابلية التصلب الأقل | جيدة عند المعالجة الحرارية المناسبة، ولكنها أكثر حساسية لدخل الحرارة ومعدل التبريد |
| الصلابة (HRC/Brinell) | متوسطة | صلابة محتملة أعلى بعد التصلب/التسخين |
لماذا تحدث هذه الاختلافات: - يزيد محتوى Cr وMo الأعلى في Gr22 من قابلية التصلب واستجابة التسخين، مما ينتج عنه قوة وصلابة أعلى. ومع ذلك، تميل زيادة قابلية التصلب إلى تقليل المرونة ويمكن أن تجعل تحقيق صلابة موحدة أكثر تطلبًا، خاصة في الأقسام السميكة أو مع معالجة حرارية غير صحيحة.
5. قابلية اللحام
تشمل اعتبارات قابلية اللحام محتوى الكربون، وقابلية التصلب، ووجود عناصر السبيكة التي تعزز تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ).
المفاهيم الرئيسية والصيغ التنبؤية: - استخدم صيغ معادلة الكربون لتقدير احتياجات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). صيغة معادلة الكربون المستخدمة بشكل شائع هي: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر تحفظًا للصلب الهيكلي هي معلمة قابلية اللحام $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي لـ SA387: - تحتوي Gr22 على محتوى أعلى من Cr وMo، مما يزيد من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنةً بـ Gr11. وهذا يعني أن Gr22 أكثر عرضة لتصلب HAZ وإمكانية حدوث تشققات باردة إذا تم لحامها دون اتخاذ الاحتياطات المناسبة. - الآثار العملية: - غالبًا ما يتطلب التسخين المسبق لكلتا الدرجتين في الأقسام السميكة أو درجات الحرارة المحيطة المنخفضة، ولكن عادةً ما تتطلب Gr22 تسخينًا مسبقًا أعلى وتحكمًا أكثر صرامة. - يُطلب عادةً PWHT (تسخين تخفيف الضغوط) للفولاذات Cr–Mo المستخدمة في درجات الحرارة المرتفعة لتسخين HAZ واستعادة مقاومة الزحف؛ عادةً ما يتم تحديد درجة حرارة PWHT ومدة الاحتفاظ بها بواسطة الكود (مثل ASME) ومتطلبات الخدمة. - استخدم مواد لحام منخفضة الهيدروجين وإجراءات مؤهلة؛ تحكم في درجة حرارة التداخل ومدخل الحرارة لتجنب صلابة HAZ المفرطة.
6. التآكل وحماية السطح
- كل من Gr11 وGr22 هما فولاذات سبيكية غير مقاومة للصدأ وبالتالي تتطلب حماية السطح من التآكل الجوي أو الكيميائي أو البحري.
- استراتيجيات الحماية النموذجية:
- أنظمة الطلاء/التغطية (إيبوكسي، بولي يوريثان، متورم للحماية من الحرائق).
- التغليف بالغمس الساخن ممكن لبعض أشكال المنتجات ولكن قد لا يكون متوافقًا مع متطلبات الخدمة في درجات الحرارة العالية أو PWHT المفروضة بواسطة الكود.
- الحماية الكاثودية إذا تم استخدامها في البيئات المدفونة أو البحرية.
- مؤشرات مقاومة الصدأ: PREN غير قابلة للتطبيق على فولاذات Cr–Mo الفيريتية لأن PREN تنطبق على مقاومة التآكل للفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنيتي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- توضيح: على الرغم من أن Gr22 تحتوي على محتوى أعلى من Cr وMo مقارنةً بـ Gr11، إلا أن مستوى Cr المطلق (~2–2.25%) أقل بكثير من مستويات الدرجات المقاومة للصدأ؛ فإنه يحسن مقاومة الأكسدة والزحف عند درجات الحرارة المرتفعة ولكنه لا يمنح مقاومة تآكل عامة كبيرة مقارنة بالفولاذات المقاومة للصدأ.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلتا الدرجتين تعملان بشكل مشابه لبقية الفولاذات السبيكية المتوسطة؛ قد تكون Gr22 أكثر صعوبة قليلاً وأقل قابلية للتشغيل إذا تم تسليمها في حالة تصلب أعلى. يجب تعديل أدوات القطع والمعلمات بناءً على الصلابة.
- قابلية التشكيل/الانحناء: المرونة كافية للتشكيل في الحالة المعالجة حراريًا/المعتدلة؛ تميل Gr11 إلى أن تكون أكثر تسامحًا بسبب مرونتها الأعلى قليلاً. للتشكيل البارد، تحقق من الصلابة والتسخين؛ قد يتطلب التشكيل الساخن لأشكال معقدة.
- تشطيب السطح: عمليات الطحن والتشطيب مباشرة ولكن يتطلب الحذر مع توليد الحرارة لتجنب التسخين أو تصلب السطح.
- المعالجة الحرارية بعد التصنيع: عادةً ما تتطلب المكونات الملحومة أو المعالجة الباردة بشكل كبير PWHT لتلبية المتطلبات الميكانيكية والزحف للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة.
8. التطبيقات النموذجية
| SA387 الدرجة 11 (Gr11) | SA387 الدرجة 22 (Gr22) |
|---|---|
| رؤوس الغلايات، والبراميل، والأنابيب التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة حيث تكون التكلفة وقابلية اللحام من الاعتبارات | أنابيب درجات الحرارة العالية، مثل أنابيب السخانات والمجددات، والأوعية الضاغطة التي تتطلب قوة أعلى على المدى الطويل ومقاومة للزحف |
| المبادلات الحرارية والأجزاء الضاغطة حيث من المتوقع درجات حرارة بخار معتدلة | مكونات في مصانع البتروكيماويات ومحطات الطاقة التي تعمل عند درجات حرارة أو ضغوط بخار أعلى حيث تكون قوة الزحف المحسنة ضرورية |
| فلنجات، وتركيبات، وألواح حيث تكون سهولة اللحام ومحتوى السبيكة المنخفض مفيدة | أقسام سميكة أو مكونات ذات إجهاد أعلى حيث تكون قابلية التصلب وخصائص القوة الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة حرجة |
مبررات الاختيار: - اختر Gr11 عندما تكون درجة حرارة التصميم ومتطلبات الزحف/التمزق ضمن قدرة Gr11، وعندما تكون سهولة اللحام والتحكم في التكلفة مهمة، وعندما تكون الأداء في درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة كافية. - اختر Gr22 عندما تتطلب التطبيقات قوة عالية على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة للزحف، وإجهادات مسموح بها أعلى عند درجات الحرارة تبرر تكلفة السبيكة الأعلى والتحكم الأكثر صرامة في التصنيع.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما تكون Gr22 أكثر تكلفة من Gr11 بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى (الموليبدينوم عنصر سبيكة مكلف). تعتمد الزيادة في السعر على أسعار السوق للموليبدينوم والكروم والشكل (لوح، أنبوب، تشكيل).
- التوافر: يتم إنتاج كلتا الدرجتين عادةً بواسطة مصانع الألواح والأنابيب؛ قد تكون Gr22 أقل توافرًا قليلاً في بعض أحجام المنتجات والأشكال المتخصصة، ولكن كلاهما من فئات السبيكة القياسية مع إمدادات صناعية واسعة. يجب على المشتريات تأكيد أوقات التسليم والتحقق من شهادات المصنع للمعالجات الحرارية ونتائج الاختبارات الميكانيكية.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| المعيار | SA387 Gr11 | SA387 Gr22 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل) | أكثر تطلبًا (CE أعلى) |
| توازن القوة–الصلابة | جيد؛ أسهل لتحقيق الصلابة | قوة أعلى؛ يمكن تحقيق الصلابة مع HT المنضبط |
| التكلفة | أقل | أعلى |
التوصيات: - اختر SA387 Gr11 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة Cr–Mo فعالة من حيث التكلفة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة، وتفضل سهولة اللحام والتصنيع، وكانت درجة حرارة التصميم ومتطلبات الزحف ضمن قدرة Gr11. - اختر SA387 Gr22 إذا كانت التطبيق يتطلب قوة أعلى على المدى الطويل وقوة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، أو قابلية تصلب أعلى للأقسام السميكة، أو إذا كانت حدود الكود/الحرارة تحدد محتوى سبيكة أعلى على الرغم من التكلفة الأعلى للمواد والتصنيع.
نصيحة عملية نهائية: - حدد دائمًا حالة المعالجة الحرارية المطلوبة بدقة، ومعلمات PWHT، ومعايير القبول (الاختبارات الميكانيكية، طاقة التأثير عند درجات الحرارة المطلوبة) في مستندات الشراء. - تطلب تقارير اختبار المصنع وتأكد من أن إجراءات اللحام (التسخين المسبق، التداخل، المواد الاستهلاكية، PWHT) مؤهلة للدرجة والسماكة المختارة لتحقيق الأداء المقصود في الخدمة.