لماذا تتشقق صهاريج تخزين القلويات المصنوعة من الفولاذ الأوستنيتي 316L؟ على الرغم من اشتهار الفولاذ 316L بمتانته، إلا أنه يمكن أن يحدث تشققات في ظروف معينة. تستكشف هذه المقالة العوامل المدهشة وراء هذه الإخفاقات، بما في ذلك التشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي في البيئات القلوية، وتأثير الضغوط المتبقية من اللحام والعمل على البارد، والعوامل البيئية. إن فهم هذه الأسباب أمر بالغ الأهمية لمنع حدوث مشكلات مستقبلية وضمان طول عمر هذه الخزانات. تعمق في معرفة التحليل التفصيلي والحلول العملية لهذا التحدي الهندسي الحرج.
تم توثيق التشقق الإجهادي الناجم عن التآكل القلوي، والمعروف أيضًا باسم "التقصف القلوي" أو "التشقق القلوي"، في العديد من المصادر الأدبية. ومع ذلك، تركز معظم الأبحاث على ظروف درجات الحرارة المرتفعة، في حين أن هناك أبحاث أقل نسبيًا عن التقصف القلوي للفولاذ المقاوم للصدأ في درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة.
على الرغم من أن الفشل الناجم عن التقصف القلوي يمكن أن يحدث في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، إلا أن مثل هذه الأعطال في درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة غير شائعة نسبيًا.
في محطة طاقة نووية محلية، كان خزان تخزين مولد الهيدروجين مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316L ويحتوي على محلول KOH، مع ضغط عمل يتراوح بين 700 و800 كيلو باسكال. بعد ثماني سنوات من الخدمة، ظهرت تشققات في الرأس السفلي للخزان.
تم إجراء فحص فيزيائي وكيميائي شامل وتحليل لحالة الإجهاد في مناطق مختلفة من الخزان لتحديد سبب التصدع. وبناءً على النتائج، اقترحت اقتراحات للتحسين.
يتألف خزان التسرب من أسطوانة ورأس بيضاوي الشكل، يتم لحامهما معًا. يمكن تقسيم الرأس إلى قسم مستقيم الحافة وقسم منحني، كما هو موضح في الشكل 1أ.
يوجد شق عابر على الجدار الخارجي للرأس ويقع عند الحافة المستقيمة. يبعد الطرف العلوي للشق حوالي 8 مم من خط اللحام، بينما يبعد الطرف السفلي حوالي 13 مم من خط اللحام. يبلغ الطول الإجمالي للشق حوالي 5 مم.
تم إجراء اختبار الاختراق السائل على الخزان وكشف عن عدم وجود أي شقوق إضافية على الجدار الخارجي للخزان، باستثناء الشق النافذ. ومع ذلك، تم اكتشاف شقوق متعددة على جانبي الجدار الداخلي بالقرب من اللحام. وشملت هذه الشقوق شقوقًا محورية متعامدة على اللحام وشقوقًا محيطية موازية للحام، كما هو موضح في الشكل 1ب.
كانت الشقوق المحورية موجودة فقط في قسم الحافة المستقيمة للرأس، في حدود 13 مم من خط اللحام. كان لها توزيع محيطي موحد وأطوال مختلفة. كان الطرف العلوي من الشق الأطول على بعد 1-2 مم من خط اللحام، بينما كان الطرف السفلي على بعد 13 مم تقريبًا. كان الطرف العلوي للشق الأقصر على بعد 4 مم تقريبًا من خط اللحام، بينما كان الطرف السفلي على بعد 10 مم تقريبًا. صُنف هذا الشرخ على أنه شرخ من النوع A، بينما صُنف الشرخ العابر أيضًا على أنه شرخ من النوع A.
كانت الشقوق المحيطية تقع على جانبي اللحام على بعد 1-3 مم من خط اللحام. صنفت الشقوق على جانب الأسطوانة على أنها شقوق من الفئة B1، وصنفت الشقوق على جانب الرأس على أنها شقوق من الفئة B2.
يظهر الرسم البياني العياني لتوزيع الشقوق في الخزان المسرب في الشكل 2.
تم تحليل التركيب الكيميائي لكل من الاسطوانة ومعدن قاعدة الرأس باستخدام مطياف القراءة المباشرة للشرارة. أظهرت النتائج أن كلا التركيبين الكيميائيين يستوفيان المتطلبات المحددة في معيار ASTM A473-2017.
أُخذت عينات من معدن قاعدة الماسورة والرأس وأخضعت للفحص المعدني باستخدام مجهر بصري. يوضح الشكل 3 البنية المجهرية لمعدن قاعدة الخزان.
وُجد أن البنية المجهرية لمعدن قاعدة البرميل تتكون من الأوستينيت مع كمية صغيرة من التوائم الملدنة، وكان حجم حبيباتها من الدرجة 6. وفي الوقت نفسه، كانت البنية المجهرية لمعدن قاعدة الرأس تتكون من الأوستينيت مع قدر كبير من التوائم المشوّهة وشرائط الانزلاق، وكان حجم الحبيبات 3.5.
تم استخدام جهاز اختبار صلابة رقمي من نوع فيكرز لقياس صلابة أجزاء مختلفة من الخزان. أظهرت النتائج أن صلابة الماسورة ومعدن قاعدة الرأس كانت 165 HV و248 HV على التوالي.
صلابة اللحام، جانب الأسطوانة المنطقة المتأثرة بالحرارةوكانت المنطقة المتأثرة بالحرارة في جانب الأسطوانة وجانب الرأس 171 HV، و188 HV، و165 HV، على التوالي. بلغ متوسط سمك جانب الأسطوانة وجانب الرأس 3.71 مم و4.24 مم على التوالي.
صُنعت الأسطوانة من فولاذ 316L في حالة التلدين بالمحلول العادي. لم يتم تحديد صلابة الفولاذ 316L في معيار ASTM A473-2017. ومع ذلك، ووفقًا لمعيار ألواح وشرائط الفولاذ المقاوم للصدأ المدرفلة على البارد (GB/T 3280-2015)، يجب ألا تتجاوز صلابة الفولاذ 316L 220 HV.
يمكن أن تعزى الصلابة العالية للرأس، والتي ترتبط بوجود قدر كبير من التوائم المشوهة وشرائط الانزلاق في الهيكل، إلى حقيقة أنه فولاذ 316L في حالة تصلب العمل على البارد.
1.5.1 تحليل سطح الشقوق
على الجدار الداخلي للخزان، تؤخذ عينات من الشقوق الموجودة على سطح الصهريج من الفئتين A وB لتحليلها. ويوضح موقع العينة في الشكل 4.
بعد تسطيح العينة وصقلها وحفرها باستخدام طريقة السطح القوسي، يتم فحصها باستخدام مجهر بصري. ويوضح الشكل 5 التشكل المجهري.
من الواضح أن كلا النوعين من الشقوق يمتد في اتجاه البنية البلورية على السطح.
الجزء الأوسط من الشق من النوع A عريض، بينما طرفاه ضيقان.
تُظهِر المنطقة المتأثرة بالحرارة على جانب الرأس منطقة ذات حبيبات خشنة ومنطقة ذات حبيبات دقيقة، بطول إجمالي يبلغ 4 مم تقريبًا.
لا تعرض المنطقة المتأثرة بالحرارة على جانب الأسطوانة سوى منطقة الحبيبات الخشنة بطول 0.8 مم تقريبًا، مع عدم وجود منطقة حبيبات دقيقة.
يُظهر المعدن الأساسي على جانب الرأس عددًا كبيرًا من توائم التشوه ونطاقات الانزلاق، والتي تتميز بالتشوه والتشوه العاليين. تحدث إعادة التبلور الساكن أثناء عملية اللحام بسبب التدفئة.
نتيجة لارتفاع درجة الحرارة بالقرب من اللحام، يحدث نمو الحبيبات بعد إعادة التبلور ويشكل منطقة حبيبات خشنة.
تحدث إعادة التبلور الساكن فقط في المنطقة البعيدة عن اللحام، ولا تنمو الحبيبات مما ينتج عنه منطقة حبيبات دقيقة.
يكون المعدن الأساسي على جانب الأسطوانة في حالة التلدين بالمحلول، مع تشوه وتشويه محدودين، وقوة دافعة غير كافية لإعادة التبلور.
ونظرًا لارتفاع درجة الحرارة بالقرب من اللحام، يحدث نمو الحبيبات مباشرةً، مما يشكل منطقة حبيبات خشنة.
بما أن درجة الحرارة في المنطقة البعيدة عن اللحام أقل من درجة حرارة نمو الحبيبات فإن الاسترداد فقط يحدث دون إعادة التبلور، ولا توجد منطقة حبيبات دقيقة مماثلة لتلك الموجودة على جانب الرأس. ونتيجة لذلك، لا يمكن تحديد مدى المنطقة المتأثرة بالحرارة مباشرةً.
كل من الماسورة والرأس الأم مصنوعان من مواد أصلية من فولاذ 316L المقاوم للصدأمع توصيل حراري مماثل. يكون مدى المناطق المتأثرة بالحرارة على جانبي اللحام متماثلًا تقريبًا.
استنادًا إلى مدى المنطقة المتأثرة بالحرارة على جانب الرأس، يُستدل على أن عرض المنطقة المتأثرة بالحرارة على الماسورة يبلغ 4 مم تقريبًا.
يلاحظ أن أحد طرفي بعض التشققات من النوع A يقع في المنطقة المتأثرة بالحرارة، بينما يقع الطرف الآخر في قسم الحافة المستقيمة للرأس، ويقع المركز في قسم الحافة المستقيمة للرأس.
يقع الجزء المتبقي من الشقوق من النوع A عند الحافة المستقيمة للرأس.
تقع جميع الشقوق من النوع B في المناطق المتأثرة بالحرارة على جانبي اللحام.
1.5.2 1.5.2 تحليل مقطع التصدع
يصور الشكلان 6 و7 البنى المجهرية لنوعي الشقوق في اتجاه سمك الجدار.
تمتد التشققات من النوع A من الجدار الداخلي إلى الجدار الخارجي للخزان، متبعةً البلورة، بأعماق متفاوتة. تمتد الأجزاء الحادة من هذه التشققات على كامل سمك جدار الخزان تقريباً، مع وجود طرف تشقق متشعب وحدود حبيبية غير حساسة. وهي تمتلك الخصائص النموذجية للتشقق الإجهادي الإجهادي بين الحبيبات.
توجد الشقوق من النوعين B1 و B2 بشكل رئيسي في المناطق المتأثرة بالحرارة على جانبي اللحام. تمتد هذه التشققات على طول الحبيبات مع وجود طرف تشقق متشعب وحدود حبيبية غير حساسة، مما يعرض الخصائص النموذجية للتشقق الإجهادي بين الحبيبات.
تبلغ الصلادة الدقيقة للشقوق من النوع A و B1 و B2 242 HV و 171 HV و 157 HV على التوالي.
ويرجع الانخفاض الحاد في الصلابة في منطقة التشقق من النوع B2 إلى حدوث إعادة التبلور الساكن بعد عملية اللحامالذي يحول حبيبات الأوستينيت المشوهة الأصلية.
للحصول على مزيد من المعلومات حول موضع منشأ التصدع من النوع A على الجدار الداخلي للخزان، تم تشريح عمق التصدع وقياسه في المركز وعلى كلا الجانبين على طول اتجاه طوله. وترد النتائج في الشكل 8.
يوجد أعمق جزء من التصدع على طول اتجاه سُمك الجدار في المنتصف، مما يشير إلى أن منشأ التصدع من النوع A يقع في منتصف اتجاه طوله ويمتد من سطح الجدار الداخلي باتجاه الجانبين.
إن الإجهاد المتبقي يُستخدم جهاز التحليل لتقييم الإجهاد المتبقي للأسطوانة والرأس، مع استخدام اللحام كحدود. يتم إجراء الاختبار في اتجاهين، 0 درجة (موازٍ لاتجاه اللحام) و90 درجة (عمودي على اتجاه اللحام)، وتظهر النتائج في الشكل 9.
تبلغ مناطق إجهاد الشد المتبقية على جانب الأسطوانة عند اتجاه 0 درجة و90 درجة حوالي 20 مم و12 مم، على التوالي، من خط مركز اللحام. أما على جانب الرأس، فإن مناطق إجهاد الشد المتبقية عند اتجاهي 0 درجة و90 درجة تبعد حوالي 17 مم و15 مم عن خط مركز اللحام على التوالي.
تقع الشقوق من النوع A والنوع B داخل مناطق إجهاد الشد المتبقية.
توجد الشقوق من النوع A والنوع B في منطقة إجهاد الشد المتبقي في الخزان، وكلاهما يمتد على طول سمك الجدار من الجدار الداخلي إلى الجدار الخارجي في اتجاه البلورة.
تبدأ التشققات من النوع A في منطقة المعدن الأساسي للرأس وتنتشر على طول السطح بشكل عمودي على اللحام على كلا الجانبين.
تقع التشققات من النوع B في المنطقة المتأثرة بالحرارة على جانبي اللحام وتمتد موازية للحام على طول السطح.
يتم تصنيع الرأس من خلال عملية ختم على البارد.
تتكون الحافة المستقيمة للرأس من الخفقان حافة الصفيحة الأصلية إلى الداخل، مما يؤدي إلى تشوه كبير في اللدونة وإجهاد الشد المتبقي.
تحت التأثير المطول لإجهاد الشغل البارد الأولي المتبقي، ودرجة حرارة 65-70 ℃، وظروف الخدمة لمحلول قلوي KOH القلوي، يتولد تكسير إجهادي إجهادي بين الخلايا الحبيبية عموديًا على اللحام.
يختفي الإجهاد المتبقي الأصلي بسبب انتعاش وإعادة تبلور حبيبات الأوستينيت بعد اللحام في المنطقة المتأثرة بالحرارة.
ينتج إجهاد الشد المتبقي في اللحام في المنطقة المتأثرة بالحرارة بسبب انكماش حبيبات الأوستينيت المبردة. يكون هذا الإجهاد متعامدًا بشكل أساسي على اللحام، وتحت التأثير المطول لظروف خدمة المحلول القلوي KOH عند 65-70 ℃، يتولد تكسير إجهادي بين الحبيبات موازٍ للحام.
يمكن تفسير آلية التشقق في الخزان بنظرية التشقق الغشائي للتشقق الإجهادي الناجم عن التآكل الإجهادي القلوي.
في بيئة المحلول القلوي KOH، يتشكل غشاء سلبي على سطح الجدار الداخلي للخزان، ولكنه ينكسر تحت إجهاد الشد المتبقي العالي.
بمجرد أن ينكسر غشاء التخميل، لا يتم إصلاحه على الفور على سطح المعدن في منطقة الكسر.
بعد ذلك يتلامس المعدن العاري مع غسول KOH، ويتركز OH- في منطقة الكسر السطحي، مما يؤدي إلى تفاعل مع المعدن العاري.
يتفاعل المعدن المكشوف مع الغسول المركز لتكوين طبقة أكسيد معدنية، ولكن هذه الطبقة تنكسر مرة أخرى تحت الضغط، مما يؤدي إلى تكرار دورة التخميل - الكسر، مما يتسبب في استمرار توسع الشق وتمدده. وفي النهاية، يتشقق الخزان ويتسرب.
(1) التشققات المحيطية والمحورية على الجدار الداخلي لخزان التخزين ناتجة عن التشقق الإجهادي الناجم عن التآكل الإجهادي الناجم عن القلويات.
تنتج التشققات المحيطية بشكل رئيسي عن إجهاد الشد المتبقي في اللحام بينما تنتج التشققات المحورية بشكل رئيسي عن إجهاد الشد المتبقي في الشغل البارد على الحافة المستقيمة للرأس.
(2) لتجنب التشققات المحيطية، من المهم التحكم في حرارة اللحام المدخلات وتقليل الإجهاد المتبقي في اللحام.
لمنع حدوث تشققات محورية، يجب إضافة عملية تخفيف الضغط بعد التشكيل على البارد الرأس لتقليل الإجهاد المتبقي من الشغل على البارد.
(3) لضمان التشغيل الآمن للمعدات، يجب تعزيز تدابير الاختبار غير المتلفة مثل اختبار الاختراق أثناء التشغيل لمزيد من الحماية.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO