كيف يحافظ المعدن على قوته ومقاومته للتآكل في درجات الحرارة العالية؟ يحقق فولاذ الكروم والموليبدينوم، المستخدم على نطاق واسع في تكرير النفط والصناعات الكيميائية، ذلك من خلال تركيبته الفريدة من السبائك. يستكشف منشور المدونة هذا خواص فولاذ الكروم والموليبدينوم ومقاومته للحرارة ومقاومته للتآكل. اكتشف اعتبارات التصميم والتصنيع وسبب أهمية هذه المادة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي. تعمق في هذا المقال لتتعلم كيف يمكن للفولاذ الموليبدينوم-الكروم أن يعزز مشروعك الهندسي التالي.
فولاذ الكروم والموليبدينوم، المعروف أيضًا باسم الفولاذ المقاوم للهيدروجين في درجات الحرارة المتوسطة، هو سبيكة عالية الأداء تتميز بقوتها المعززة في درجات الحرارة العالية ومقاومتها للزحف. ويتحقق هذا التحسن من خلال الإضافة الاستراتيجية لعناصر السبائك، وخاصة الكروم (Cr ≤10%) والموليبدينوم (Mo).
لا يقتصر التأثير التآزري لعناصر السبائك هذه على تعزيز الخواص الميكانيكية للصلب فحسب، بل يضفي أيضًا مقاومة ممتازة للتقصف الهيدروجيني وأداءً فائقًا في درجات الحرارة العالية. وتجعل هذه الخصائص من فولاذ الكروم والموليبدينوم مادة لا غنى عنها في مختلف التطبيقات الصناعية المتطلبة، بما في ذلك تكرير النفط ومعدات معالجة الهيدروجين الكيميائي والأجهزة ذات درجات الحرارة العالية.
في مجال تصنيع أوعية الضغط، أثبت فولاذ الكروم والموليبدينوم الموليبدينوم نفسه كخيار مفضل للمواد بسبب مزيجه الفريد من الخصائص. إن قدرته على الحفاظ على السلامة الهيكلية تحت درجات الحرارة والضغوط المرتفعة، إلى جانب مقاومته للتدهور الناتج عن الهيدروجين، يجعله مناسبًا بشكل خاص للبيئات الصعبة التي تواجهها الصناعات التحويلية.
يتعمق هذا المقال في الجوانب المتعددة الأوجه لصلب الكروم والموليبدينوم الموليبدينوم في سياق مشروع جيوتاي لتخليق الميثانول. سنستكشف الخصائص المميزة للمادة وندرس الاعتبارات الحاسمة في مختلف مراحل تنفيذ المشروع، بما في ذلك تحسين التصميم، وعمليات التصنيع، وبروتوكولات الاختبار غير المتلفة، وأنظمة المعالجة الحرارية، والإجراءات التشغيلية أثناء بدء تشغيل المصنع وإيقاف تشغيله. من خلال معالجة هذه العوامل بشكل شامل، نهدف إلى تقديم رؤى يمكن أن تسهم في التشغيل الآمن والفعال والموثوق لمعدات الصلب الموليبدينوم الكروم في تخليق الميثانول والعمليات الصناعية المماثلة عالية المخاطر.
تعمل إضافة عناصر مثل الكروم والموليبدينوم والشب على تحسين مقاومة الفولاذ للأكسدة في درجات الحرارة العالية والقوة في درجات الحرارة العالية.
آلية العمل هي كما يلي: يوجد الكروم في المقام الأول في الأسمنتيت (Fe3C)، ويعزز الكروم المذاب في الأسمنتيت درجة حرارة تحلل الكربيدات، مما يمنع حدوث الجرافيت، وبالتالي يعزز مقاومة الفولاذ للحرارة.
يتمتع الموليبدينوم بتأثير تقوية المحلول الصلب على الفريت ويمكنه أيضًا زيادة ثبات الكربيدات، مما يفيد قوة الفولاذ في درجات الحرارة العالية.
يسمح تضمين كمية مناسبة من الفاناديوم للفولاذ بالحفاظ على بنية دقيقة الحبيبات في درجات حرارة أعلى، مما يعزز الاستقرار الحراري للفولاذ وقوته.
تعمل عناصر مثل الكروم والموليبدينوم على تعزيز ثبات الكربيدات، مما يمنع تحللها، وبالتالي يقلل من فرصة تكوين الميثان بسبب تفاعل الكربيدات والكربون المترسب مع الهيدروجين.
وتسمح إضافة الفاناديوم للصلب بالحفاظ على بنية دقيقة الحبيبات في درجات حرارة أعلى، مما يزيد بشكل كبير من ثبات الفولاذ تحت درجات الحرارة والضغط المرتفعة.
يشير التقصف المزاجي لصلب الكروم والموليبدينوم الموليبدينوم إلى الظاهرة التي تنخفض فيها صلابة الصلب عند تشغيله على مدى فترة طويلة في نطاق درجة حرارة تتراوح بين 370 درجة مئوية و595 درجة مئوية.
هذا هو نطاق درجة الحرارة الدقيق الذي تعمل فيه معدات الهيدروجين شائعة الاستخدام. وقد أظهرت الدراسات التجريبية أنه في فولاذ الكروم والموليبدينوم الموليبدينوم من درجة أوعية الضغط، يكون التقصف المزاجي أشد عندما يكون محتوى الكروم بين 2% و3%.
عناصر مثل الفسفور والأنتيمون والقصدير والزرنيخ والسيليكون والمنجنيز لها تأثير كبير على التقصف المزاجي. التقصف قابل للانعكاس؛ يمكن إزالة التقصف من المواد التي تعرضت للتقصف الشديد من خلال المعالجة الحرارية المناسبة.
نظرًا لإضافة عناصر السبائك مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم، يتم تقليل سرعة التبريد الحرجة للصلب، مما يعزز استقرار الأوستينيت فائق التبريد.
إذا كانت سرعة تبريد اللحام سريعة، فإن التحول من الأوستينيت إلى بيرلايت في المنطقة شديدة السخونة في المنطقة المتأثرة بالحرارة من غير المرجح أن يحدث.
وبدلاً من ذلك، يتحول إلى مارتينسايت عند درجات حرارة منخفضة، مما يشكل بنية مروية.
في ظل العمل المشترك للإجهاد المتبقي المعقد في وصلة ملحومة والهيدروجين المنتشر، فإن البنية المروية في منطقة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة معرضة بشدة للتشقق المتأخر الناتج عن الهيدروجين.
في ظل ظروف تشغيلية محددة، يجب ألا تتمتع المواد المختارة بمقاومة فائقة للتآكل الهيدروجيني فحسب، بل يجب أن تتحكم أيضًا بفعالية في الميل نحو الهشاشة المزاجية.
يجب أن يمتلكوا أيضًا قابلية اللحام. يحدد التركيب الكيميائي التركيب، ويحدد التركيب الأداء، ويحدد الأداء الاستخدام. وفي النهاية، يكمن المفتاح في التحكم في التركيب الكيميائي.
3.1.1.1 تدابير ضد التآكل الهيدروجيني
لا يتعرّض فولاذ الموليبدينوم الكروم للتآكل الهيدروجيني حتى تحت الضغط العالي عند درجات حرارة منخفضة (200 درجة مئوية تقريباً). ومع ذلك، قد يتعرض للتآكل الهيدروجيني عند تشغيله في بيئات هيدروجينية عالية الحرارة والضغط العالي.
عادة، نختار عادةً مواد فولاذ الموليبدينوم الكروم لظروف تشغيل محددة استنادًا إلى منحنى نيلسون الذي يتوافق مع درجة حرارة التشغيل والضغط الجزئي للهيدروجين.
كما يتضح من منحنى نيلسون، كلما زاد محتوى الكروم والموليبدينوم زادت مقاومة التآكل الهيدروجيني.
في المنحنى، إذا كانت ظروف تشغيل الوعاء فوق الخط المتصل، فهذا يشير إلى حدوث تآكل هيدروجيني. وإذا كانت تحت الخط المتصل، فهذا يشير إلى عدم حدوث تآكل هيدروجيني.
3.1.2 تدابير السيطرة على الميل المزاجي
من خلال تنظيم محتوى عناصر مثل P، Sb، Sb، Sn، As، Si، Mn في المادة، يمكن التحكم في ميل المزاج إلى الهشاشة.
عادةً ما يتم استخدام معامل حساسية التقصف المزاجي J للفولاذ العادي ومعامل حساسية التقصف المزاجي x لمعدن اللحام لهذا الغرض. بالنسبة للفولاذ الشائع الاستخدام 2.25Cr-1Mo، يتم استخدام مؤشرات التحكم التالية:
في التطبيقات الهندسية العملية، من الضروري أيضًا التحكم في محتوى العناصر المتبقية من النحاس والنيكل. يجب ألا يتجاوز محتوى النحاس 0.20%، ويجب ألا يتجاوز محتوى النيكل 0.30%.
3.1.3 تحديد حساسية التشقق
ترتبط حساسية التشقق بمكافئ الكربون، والتي يجب أن تحدد الشركة المصنعة قيمتها بناءً على عملية اللحام التقييم.
طريقة الحساب هي: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
مع زيادة قيمة المكافئ الكربوني، تتدهور قابلية لحام الفولاذ. عندما تكون قيمة Ceq أكبر من 0.5%، تزداد الحساسية للتشقق البارد، ويزداد اللحام و عمليات المعالجة الحرارية ستصبح أكثر صرامة.
بالنسبة لمواد الفولاذ Cr-Mo الشائعة الاستخدام التي تبلغ 485 ميجا باسكال ≤ UTS <550 ميجا باسكال، عادةً ما يقتصر Ceq على 0.48% تقريبًا.
عند محاكاة اللحام و المعالجة الحرارية بعد اللحام على ألواح اختبار لحام المنتجات، يمكن زيادة الحد الأقصى لمكافئ الكربون إلى 0.5%.
نظرًا لميل الفولاذ Cr-Mo إلى التصلب العالي، فإنه عرضة للتشقق المتأخر والتصدع عند اللحامات الزاوية.
ولذلك، فإن التصميم الهيكلي يجب الانتباه إلى النقاط التالية:
3.2.1 تقليل درجة التقييد وتصميم هيكل المفصل بشكل معقول.
3.2.3-2.2 يجب ألا يكون سطح اللحام به تقصير.
3.2.3 يجب تنفيذ التعزيز بالفتحة ككل، ويجب عدم استخدام هياكل التعزيز الحلقية.
3.2.4 يجب عدم استخدام فوهات من نوع التمديد الداخلي.
3.2.5 يجب أن يعتمد التوصيل بالملحقات على وجهين اختراق كامل الهيكل، ويجب عدم استخدام لحامات الزوايا.
3.2.6 يفضل استخدام مفصل مؤخرة الأسطوانة على شكل حرف U أخدود.
يحتوي فولاذ Cr-Mo على قيمة مكافئ كربون أكبر ويميل عمومًا إلى التصدع على البارد بدرجات متفاوتة. ويمكن منع ذلك من خلال التدابير التالية:
3.3.1 التحكم الصارم في محتوى الهيدروجين في قضيب اللحام واستخدام قطب كهربائي منخفض الهيدروجين القاعدي.
3.3.2 يجب إجراء التسخين المسبق قبل لحام مجموعة المعدات. من خلال التسخين المسبق ، فإن معدل تبريد مواد اللحام يمكن تقليلها لمنع تكوين الهياكل الصلبة الهشة.
يتم تحديد درجة حرارة التسخين المسبق بواسطة تقييم عملية اللحام. قبل تقييم عملية اللحام، يتم إجراء عملية لحام اختبار التصدع يجب إجراؤها على العينة لتحديد درجة حرارة التسخين المسبق، والتي يجب ألا تقل عن درجة حرارة التسخين المسبق أثناء عملية اللحام بأكملها.
في الوقت نفسه، يجب التحكم في درجة حرارة الطبقة البينية بحيث لا تقل عن درجة حرارة التسخين المسبق. يجب اتخاذ تدابير ما بعد التسخين مباشرة بعد اللحام.
يجب أن تخضع كل صفيحة من فولاذ Cr-Mo المستخدم في الغلاف للاختبار بالموجات فوق الصوتية.
بالنسبة لأوعية التفاعل ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي والجدران السميكة الجدران، بعد الفحص الإشعاعي 100% للوصلات التناكبية يجب إجراء اختبار بالموجات فوق الصوتية واختبار الجسيمات المغناطيسية الإضافية على وصلات اللحام المسموح به للاختبار بالموجات فوق الصوتية بعد المعالجة الحرارية والاختبار الهيدروستاتيكي.
يعد الاختبار بالموجات فوق الصوتية أكثر حساسية للشقوق والعيوب من الاختبار الإشعاعي، وبالتالي يجب إجراؤه بعناية، مع مراعاة توقيت الاختبار غير المدمر.
أثناء عملية تصنيع الوعاء، قد يتسلل غاز الهيدروجين إلى المعدن، مما يتسبب في حدوث تشققات طفيفة في الفولاذ، وهي ظاهرة تعرف باسم تقصف الهيدروجين.
للوقاية من التقصف الهيدروجيني، يجب إجراء المعالجة بنزع الهيدروجين بعد اللحام على الفور.
تتضمن المعالجة بنزع الهيدروجين تسخين اللحام والمادة الأم المجاورة له إلى درجة حرارة عالية بعد اللحام مباشرة، وبالتالي زيادة معامل انتشار الهيدروجين في الفولاذ.
وهذا يشجع على تدفق ذرات الهيدروجين الزائدة التشبع في معدن اللحام، وبالتالي يمنع حدوث تشققات باردة. قد تعتبر المعالجة بنزع الهيدروجين غير ضرورية إذا تم إجراء المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) مباشرةً بعد اللحام.
يجب أن تخضع الأوعية من أي سُمك مصنوعة من Cr-Mo للمعالجة الحرارية الشاملة بعد اللحام. لا تؤدي المعالجة الحرارية بعد اللحام للصلب Cr-Mo إلى التخلص من الإجهاد المتبقي ولكنه يعزز أيضًا الخواص الميكانيكية للصلب، وهو أمر مفيد في مقاومة التآكل الهيدروجيني.
قد يستسلم فولاذ Cr-Mo للفشل الهش عندما تكون درجة حرارة التشغيل منخفضة أو قريبة من درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشّ، ويصل الإجهاد إلى مستوى معين.
ومع ذلك، يمكن تجنب مثل هذا الفشل تقريبًا عندما يكون الضغط الفعلي في الوعاء أقل من خُمس قوة الخضوع من فولاذ Cr-Mo.
ولذلك، بالنسبة لأوعية الضغط المصنوعة من فولاذ Cr-Mo، يجب اعتماد إجراء زيادة درجة الحرارة قبل الضغط أثناء بدء التشغيل وخفض الضغط قبل درجة الحرارة أثناء الإغلاق لمنع حدوث عطل هش.
عند تنفيذ مواد الصلب الكروم-مو القياسية الدولية
نظرًا للاختلافات في تحديد عامل الأمان وطرق الحساب بين المعايير المحلية والدولية للإجهاد المادي المسموح به، عند استخدام مواد الصلب Cr-Mo من المعايير الدولية، يجب تطبيق القواعد المحلية لحساب الإجهاد المسموح به.
إذا أخذنا SA387Cr.11G1.2 SA387Cr.11G1.2 كمثال، فإن حساب الإجهاد المسموح به يكون على النحو التالي:
أولاً، احصل على قوة الشد و قوة الخضوع عند درجات حرارة مختلفة للمادة من ASME.
الإجهاد المسموح به في درجة حرارة الغرفة هو القيمة الأصغر بين مقاومة الشد في درجة حرارة الغرفة مقسومة على 3.0 ومقاومة الخضوع مقسومة على 1.5.
نظرًا لعدم وجود بيانات عن مقاومة الشد في درجات الحرارة العالية محليًا، يتم الحصول على الإجهاد المسموح به في درجات الحرارة العالية بقسمة مقاومة الخضوع في درجات الحرارة العالية على 1.6.
إذا كانت القيمة المحسوبة أكبر من الإجهاد المسموح به في درجة حرارة الغرفة، اعتمد القيمة في درجة حرارة الغرفة. خلاف ذلك، استخدم القيمة المحسوبة.
يكشف الإجهاد المسموح به لهذه المادة في ASME أنه عندما تتجاوز درجة الحرارة 450 درجة مئوية، ينخفض الإجهاد المسموح به بسرعة، وعند هذه النقطة يحكم حد الزحف الإجهاد المسموح به.
بما أن ASME لا توفر بيانات حد الزحف فوق 450 ℃، وبما أن ASME لا توفر بيانات حد الزحف فوق 450 ℃، وعوامل الأمان لحد الزحف في كل من المعايير المحلية و ASME متسقة، فإننا نعتمد مباشرةً الإجهاد المسموح به من ASME. يمكن الحصول على الإجهاد المحدد المسموح به عند درجة حرارة التصميم باستخدام الاستيفاء.
توضح هذه المقالة بعض المتطلبات المحددة لمواد الصلب Cr-Mo. في أعمال التصميم التفصيلية، من الضروري النظر في جميع الجوانب وفقًا للمواصفات القياسية، وإجراء تحليل شامل، وذلك لتحقيق تصميم آمن واقتصادي وعقلاني.