الخلاصة

الأنابيب الفولاذية منخفضة الكربون، والمعروفة أيضًا باسم الأنابيب الفولاذية الطرية، هي المعدن الأساسي للصناعة اليوم. ينتشر استخدامه بشكل دقيق للغاية - بدءًا من الهياكل الهيكلية لناطحات السحاب، إلى الخطوط التي توصل المياه إلى منازلنا - لدرجة أنه مدفون تحت امتناننا الجماعي. ومع ذلك، فإن حقيقة أنه شائع جدًا لا ترجع إلى الحظ. إنها مسألة توازن هندسي دقيق.

لا يرتبط انتشار الفولاذ منخفض الكربون بكونه أكثر المواد قوة أو صلابة أو مقاومة للتآكل. لا تنبع أهميته من أي قوة أو جمال كبيرين ولكن من مزيج من القوة المقبولة والليونة المذهلة، والأهم من ذلك قابلية التصنيع التي لا مثيل لها. وتتميز قابلية التصنيع هذه بحقيقة واحدة بسيطة: فهي تتمتع بقابلية لحام ممتازة.

هذه مقالة يجب أن يعرفها كل مهندس. سنُجري فحصًا كميًا لكيميائيتها وخصائصها الميكانيكية باستخدام ASTM A53 Grade B الشائع كنقطة مرجعية لدينا، ثم سنتعمق في كيمياء لحامها ونناقش ما يجعلها متسامحة للغاية بل ونحدد هذه السمة باستخدام مفهوم مكافئ الكربون (CEq).

خصائص أنابيب الصلب منخفض الكربون ودليل اللحام

 

الخواص الكمية لأنابيب الصلب منخفض الكربون

يحدد التركيب الكيميائي خصائص أي فولاذ. في حالة الفولاذ “منخفض الكربون”، يُفهم من ذلك أنه يحتوي على نسبة كربون أقل من 0.301 تيرابايت 3 تيرابايت. هذا المكون الواحد، أو عدم وجوده، هو العامل الرئيسي الذي يحدد خصائصه.

سوف نأخذ ASTM A53 الدرجة B كمثال لغرض المناقشة، وهي إحدى المواصفات الأساسية لأنابيب الصلب منخفض الكربون المناسبة للاستخدام العام في نظام السوائل والضغط المنخفض.

1. الخواص الكيميائية

التركيب الكيميائي هو “الوصفة” التي تحدد الخواص الميكانيكية النهائية وقابلية اللحام.

الجدول 1: التركيب الكيميائي، ASTM A53 درجة B (بحد أقصى %)

العنصر الحد الأقصى للمحتوى (%) الآثار الهندسية والأهمية الهندسية
ج (كربون) 0.30% العنصر المحدد. هذه النسبة المنخفضة هي ما يصنفها على أنها “منخفضة الكربون”. وهي تضمن صلابة منخفضة وليونة عالية (صلابة)، مما يجعل الأنبوب قابلاً للتحمل والتشكيل.
المنغنيز (Mn) 1.20% عامل تقوية أساسي. يعزز المنجنيز القوة والصلابة، ولكن بدرجة أقل من الكربون. كما أنه يتحد أيضًا بشكل مفيد مع الكبريت لتكوين كبريتيد المنجنيز الذي يمنع “القصور الساخن” (الهشاشة) أثناء الدرفلة على الساخن، وبالتالي يحسن قابلية التصنيع.
ف (الفوسفور) 0.05% الشوائب. يجب أن يكون الفوسفور محدودًا للغاية. ففي التركيزات الأعلى، يمكن أن ينفصل الفوسفور عند حدود حبيبات الفولاذ، مما يسبب تقصفًا شديدًا، خاصةً في درجات الحرارة المنخفضة.
S (كبريت) 0.045% الشوائب. الكبريت ضار للغاية بقابلية اللحام. يمكن أن يسبب تشققًا ساخنًا في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. يعد الحفاظ عليه منخفضًا أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج لحامات سليمة وموثوقة.

2. الخواص الميكانيكية

وتؤدي الوصفة الكيميائية، عند إخضاعها لعملية التصنيع (الدرفلة واللحام)، إلى الخواص الميكانيكية النهائية. هذه هي مقاييس الأداء الملموسة التي يستخدمها المهندسون للتصميم والحساب.

الجدول 2: الخواص الميكانيكية، ASTM A53 درجة B

الممتلكات الحد الأدنى للقيمة الآثار الهندسية والأهمية الهندسية
قوة الشد 60,000 رطل لكل بوصة مربعة (415 ميجا باسكال) هذا هو قوة الشد القصوى (UTS), أو أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تتمزق. وهو يمثل نقطة الفشل المطلق للأنبوب.
قوة المردود 35,000 رطل لكل بوصة مربعة (240 ميجا باسكال) الخاصية الأكثر أهمية للتصميم الإنشائي. مقاومة الخضوع هي النقطة التي تبدأ عندها المادة في التشوه بلاستيكياً (بشكل دائم). يقوم المهندسون بتصميم أنظمة للحفاظ على استمرار ضغوط العمل بأمان أدناه هذا الرقم، مع ضمان عدم ثني الأنبوب أو تمدده بشكل دائم.
الاستطالة ~30% (بمقياس 2″) المقياس الرئيسي لليونة. الاستطالة 30% تعني أن العينة يمكن أن تتمدد إلى 1.3 ضعف طولها الأصلي قبل أن تنكسر. هذه القيمة العالية هي ميزة أمان بالغة الأهمية. فهي تشير إلى صلابة عالية، مما يعني أن الأنبوب سوف يتشوه بشكل واضح ويتسرب قبل فترة طويلة قبل أن يتحطم - “فشل مطيل” (آمن) بدلاً من “فشل هش” (كارثي).

التعمق في علم المعادن في قابلية اللحام

أعظم جودة وظيفية لأنابيب الصلب منخفض الكربون هي سهولة لحامها. وهذا ما يجعله بسيطًا وسريعًا وموثوقًا في التصنيع - في الورشة وفي الحقل.هذه الخاصية ليست حدثًا عشوائيًا هذه الخاصية ليست مصادفة؛ إنها نتيجة مباشرة ومتوقعة لكيميائية الكربون المنخفضة.

1. “السبب”: تجنب المارتينسيت في HAZ

تتعلق قابلية اللحام بسهولة لحام مادة ما للحصول على وصلة لحام سليمة وخالية من الشقوق. وتكمن الصعوبة السائدة في لحام الفولاذ في معدلات التسخين والتبريد، وتحديدًا في المنطقة المجاورة للحام، وهي ما تسمى بالمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).

إن عدو قابلية اللحام هو بنية مجهرية مجهرية تسمى مارتينسايت.

· ما هو المارتينسايت؟ وهو عبارة عن بنية شديدة الصلابة والقوة والهشاشة تشبه الإبرة تتشكل في الفولاذ.

· كيف تتشكل؟ يتشكل عندما يتشكل الفولاذ مع محتوى كافٍ من الكربون يتم تبريده بسرعة كبيرة من درجة حرارة عالية (أوستنيتي). هذا التبريد السريع هو بالضبط ما يحدث في منطقة HAZ بعد مرور شعلة اللحام.

هذا هو سر نجاح الفولاذ منخفض الكربون:
ونظرًا لأن محتوى الكربون منخفض جدًا (على سبيل المثال أقل من 0.30%)، فإن ”الصلابة” منخفضة جدًا أيضًا. من المستحيل من الناحية الميكانيكية تشكيل هيكل مارتينسيتي بالكامل في منطقة HAZ، حتى مع التبريد السريع للحام التقليدي.

بدلاً من أن تصبح هشة، تبرد منطقة HAZ من أنابيب الفولاذ منخفض الكربون لتبلور بنية لينة وسهلة الليونة ومتسامحة من الفريت والبيرلايت - هذه البنى المجهرية تشبه إلى حد كبير المعدن الأم. وبالتالي، يحتفظ مفصل اللحام بصلابته ولا يكون عرضة لآلام التكسير على البارد الشائعة في الفولاذ متوسط وعالي الكربون.

2. القياس الكمي لقابلية اللحام: مكافئ الكربون (CEq)

في حين أن الكربون هو عامل التصلب الرئيسي، إلا أنه ليس العامل الوحيد. فالعناصر الأخرى، وخاصة المنجنيز (Mn)، تساهم أيضًا في صلابة الفولاذ ويجب أخذها في الاعتبار.

ولتحديد هذا التأثير الكلي، يستخدم المهندسون أداة مقبولة على نطاق واسع تسمى مكافئ الكربون (CEq). وهي معادلة تترجم إمكانات التصلب لجميع عناصر السبائك إلى نسبة كربون واحدة “مكافئة”. والمعادلة الأكثر شيوعًا، التي وضعها المعهد الدولي للحام (IIW)، هي:

CEq = %C + %TTMn/6 + (%TTMr+%Mo+%V)/5 + (%Ni+%TTTTV)/15

هذه المعادلة هي مفتاح التنبؤ بسلوك اللحام. فهي توفر عتبتين هامتين وقابلتين للتنفيذ للمهندسين:

· CEq < 0.40% (قابلية لحام ممتازة):  هذه هي المجموعة التي تندرج فيها عملياً جميع أنابيب الصلب منخفض الكربون (مثل ASTM A53). لا تحتاج هذه الأنابيب إلى أي تسخين مسبق ويمكن لحامها بجميع طرق اللحام القياسية والاقتصادية (SMAW، GMAW/MIG، TIG) باستخدام المواد الاستهلاكية القياسية.

· CEq > 0.40% (قابلية لحام ضعيفة):  وهذا أمر شائع بالنسبة لسبائك الفولاذ والفولاذ الكربوني المتوسط. هناك خطر كبير من تطور المارتينسيت والتشقق البارد الهيدروجيني. هناك حاجة إلى إجراءات خاصة ومكلفة للحام هذه المواد، على سبيل المثال:

التسخين المسبق: يجب أن يتم تسخين الوصلة قبل اللحام لإبطاء معدل التبريد ومنع تكون المارتنسيت.

أقطاب كهربائية منخفضة الهيدروجين: يلزم وجود قضبان لحام خاصة لمنع دخول الهيدروجين في اللحام، مما قد يسبب التشقق.

إن انخفاض CEq لأنابيب الفولاذ الطري هو أكبر فائدة تصنيعية. فهو يعفيك من الاضطرار إلى إجراء هذه العمليات الخاصة المكلفة والتي تستغرق وقتًا طويلاً، مما يؤدي إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للتصنيع.

التطبيقات (حيث تلتقي الخصائص وقابلية اللحام)

إن التوازن الفريد بين الخصائص وقابلية اللحام يجعل أنابيب الصلب منخفض الكربون الخيار المثالي لمجموعة واسعة من التطبيقات.

1. نقل السوائل (على سبيل المثال، ASTM A53, API 5L Gr. B. API 5L): إن الجمع بين قوة الخضوع المضمونة (لاحتواء الضغط) وقابلية اللحام الجيدة يجعلها مثالية لخطوط الأنابيب الطويلة أحادية الوصلة. يمكن تشكيلها بسهولة كما أن ليونة عالية توفر وضع فشل آمن “قبل التسرب قبل الكسر”، مما يجعلها الخيار الافتراضي لتوزيع البخار منخفض الضغط والغاز الطبيعي والهواء والماء.

2. التطبيقات الهيكلية (على سبيل المثال, ASTM A500): وتعد قابلية اللحام أمرًا بالغ الأهمية هنا. فنسبة المتانة العالية إلى الوزن وسهولة قطعه وتشكيله ولحامه تجعله المعدن المفضل لإطارات المباني ودعامات الجسور والدعامات الهيكلية والدرابزين وقواعد الماكينات.

الخاتمة: التوازن الهندسي

إن انتشار أنابيب الصلب منخفض الكربون ليس من قبيل الصدفة. فهي ليست المادة الأقوى أو الأكثر صلابة. بل هو أفضل من صمم توازن السمات المفيدة (القوة الكافية والليونة الجيدة) مع أعلى مستوى من قابلية المعالجة (قابلية اللحام على مستوى عالمي وتكلفة منخفضة).

ويُعد المحتوى المنخفض من الكربون، وما يرتبط به من انخفاض نسبة الكربون في الفولاذ عالي الكربون، العامل التقني الرئيسي لنجاحه، فهو يتيح التصنيع السريع وغير المكلف والموثوق به دون المخاطر المعدنية للفولاذ عالي الكربون، مما يجعله الأساس الحقيقي للهندسة المعاصرة.