الانضمام إلى الزوج غير المحتمل: دروسي المريرة في اللحام P91 إلى 304H غير القابل للصدأ

هل سبق لك أن حاولت لحام مادتين, من الناحية المعدنية, يكرهون بعضهم البعض تمامًا? هذا ما نفعله من أجل لقمة العيش. اسمي ليس مهما, لكنني كنت ألوح بإبرة وأوقع على الأشعة السينية لدفع ثلاثين عامًا حتى الآن. أنابيب الغلايات, رؤوس السخان الزائد, أنابيب البخار الرئيسية - سمها ما شئت, ربما أحرقت قضيبًا عليه, أو شاهدت فشل لحام شخص آخر لأنه لم يستمع.

هذه القصة, الجزء المتعلق بلحام الفولاذ الكرومي A335-P91 بالفولاذ المقاوم للصدأ TP304H? هذه قصة مكتوبة بالعرق, بعض الإخفاقات, ونوبة ليلية معينة في محطة توليد الكهرباء في لويزيانا والتي ما زلت أحلم بها أحيانًا. العرق البارد, أنت تعرف?

نحن نتحدث عن لحام معدني مختلف, أو دي إم دبليو. يبدو سريريًا. في الواقع, إنه مثل تزاوج محرك ديزل مع توربين نفاث وتوقع أن يستمر الاقتران لمدة أربعين عامًا. P91 هو قوتك العالية, محارب مقاوم للزحف للضغط العالي. 304H هو مقاومتك للأكسدة, غير القابل للصدأ بريما دونا ل ارتفاع درجة الحرارة. أنها تخدم أغراض مختلفة. لكن في بعض الأحيان, في العالم الحقيقي للتحديث والإصلاح, عليهم أن يصبحوا واحدًا.

أولاً, اللاعبون: لماذا لا يلعبون بشكل جيد

دعونا نحصل على الأساسيات, من دفتري الميداني الدهني, ليس كتابا مدرسيا.

A335-P91 هو فولاذ مارتنسيتي. 9% الكروم, 1% الموليبدينوم, مع رشة من الفاناديوم والنيوبيوم. نحن نحبها لأنها تتمتع بقوة هائلة في درجات الحرارة المرتفعة التي تصل إلى 600 درجة مئوية أو نحو ذلك. ال “H” في 304H يعني فقط أنها نسخة عالية الكربون من المعيار 18-8 غير القابل للصدأ, مما يمنحها قوة زحف أفضل. انها الأوستنيتي تماما, جميع البلورات المكعبة التي تركز على الوجه.

الحق قبالة الخفافيش, المشاكل تحدق في وجهك:

• عدم تطابق التمدد الحراري: هذا هو الشيء الكبير. P91 لديه معامل التمدد الحراري حولها 13-14 × 10⁻⁶ / درجة مئوية. 304H? أشبه 18-19 × 10⁻⁶ / درجة مئوية. لذلك تقوم بتسخين هذا الأنبوب حتى درجة حرارة التشغيل, قل 570 درجة مئوية. الجانب غير القابل للصدأ يريد أن ينمو تقريبًا 30% أكثر من الجانب P91. يحاول هذا الترس التفاضلي تمزيق اللحام عند خط الاندماج مباشرةً. يقوم بإعداد سلالات دورية في كل مرة يبدأ فيها المصنع ويغلق. نحن نسمي ذلك التعب الحراري ذو الدورة المنخفضة.

• هجرة الكربون: عند درجات حرارة اللحام, وحتى في درجات حرارة الخدمة, الكربون طائر مهاجر. إنه يحب الطيران من حيث يوجد الكثير منه (P91, الذي يحتوي على محتوى الكربون لائق) إلى حيث يوجد جاذبية قوية (304هـ, التي تحتوي على الكثير من الكروم). الكروم هو مادة كربيد سابقة. لذلك يحزم الكربون حقائبه, يتحرك عبر اللحام, ويشكل شريطًا مستمرًا من كربيدات الكروم على الجانب المقاوم للصدأ من خط الصهر. تلك الفرقة هشة كالزجاج. نحن نسميها “منطقة منزوعة الكربنة” على الجانب P91 و “منطقة مكربنة” على الجانب المقاوم للصدأ. إنه كسر ينتظر حدوثه. لقد رأيت ذلك. انها ليست جميلة.

• اختلافات الأكسدة: ويعتمد P91 على تكوين طبقة أكسيد الكروم أيضًا, لكنها أرق. في درجات حرارة عالية, إذا لم تحصل على ملف تعريف اللحام بشكل صحيح, يمكن للجانب P91 أن يتأكسد بشكل تفضيلي بجوار الفولاذ المقاوم للصدأ, خلق درجة.

• المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) كابوس: يتطلب P91 PWHT لتلطيف المواد الصلبة, مارتنسيت هش يتشكل عندما يبرد. يجب عليك تسخين تلك المنطقة بأكملها إلى حوالي 760 درجة مئوية لبضع ساعات. ولكن 304هـ? عندما تحمله عند 760 درجة مئوية, تحدث أشياء سيئة. تترسب كربيدات الكروم داخل الحبوب وعند حدود الحبوب، وهذا هو التحسس. إنه يسلب الفولاذ المقاوم للصدأ من مقاومته للتآكل ويجعله عرضة لفشل سيء يسمى “هجوم بخط السكين” في وقت لاحق. إذن أنت عالق: المعالجة الحرارية لحفظ P91, وقمت بإتلاف 304H. لا تعامل بالحرارة, واللحام P91 صعب وهش وسيتشقق أثناء الخدمة. ملعون إذا فعلت, ملعون إذا لم تفعل ذلك.

قصة لويزيانا: الفشل الذي علمني أكثر من أي ندوة

كان هذا مرة أخرى في, أظن, 2007. محطة توليد مشتركة كبيرة خارج باتون روج. كان لديهم رأس منفذ التسخين الزائد, مادة بي91, وكانوا يربطون قسمًا بديلاً جديدًا من الأنابيب 304H. لقد كان التحديثية, اللحام الميداني. الشركة الهندسية, بعض الملابس الفاخرة من الشمال, قد حددت معيار 309L من المعدن المقاوم للصدأ. هذا هو المعتاد “الذهاب إلى” للانضمام غير القابل للصدأ إلى الكربون أو الفولاذ منخفض السبائك. 309يحتوي L على نسبة أعلى من السبائك للتعامل مع التخفيف.

طاقم المناوبة الليلية, الرجال الطيبين, لقد قاموا بلحامها. اتبعت الإجراء إلى الرسالة, أو هكذا ظنوا. بدا اللحام جميلا. قبعات رائعة. لقد فعلوا PWHT, تسخين اللحام بالكامل والجانب P91 لمدة ساعتين. عادت الأشعة السينية بشكل مثالي. لا الخبث, لا المسامية. الجميع عاليا.

بعد ستة أشهر, تلقيت مكالمة محمومة. كانت الوحدة معطلة. تسرب. قدت سيارتي إلى هناك, وغرق قلبي عندما رأيت ذلك. لم يفشل اللحام في المنتصف. لقد فشل عند خط الاندماج على الجانب P91. نظيفة, صدع محيطي, كما لو أن شخصًا ما أخذ سكينًا وقام بتقطيع الأنبوب بجوار اللحام مباشرةً. لم يكن المسيل للدموع ليونة. كانت هشة. يمكنك أن ترى أن الشق يجري عبر المنطقة الخالية من الكربون التي كنت أتحدث عنها.

ما الخطأ الذي حدث? حشو 309L, عند درجة حرارة PWHT تلك, تصرفت مثل مغناطيس الكربون. لقد امتص الكربون مباشرة من P91, ترك ذلك ضعيفا, منطقة الحديدي. 309L نفسها, بعد احتجازه عند 760 درجة مئوية, ربما لم يكن في حالة جيدة أيضًا. لكن السبب الجذري? معدن الحشو الخاطئ لدرجات الحرارة المرتفعة, خدمة دورية. 309L جيد للكهرباء الساكنة, أشياء ذات درجة حرارة منخفضة. ليس هنا. كنا بحاجة إلى حشو قائم على النيكل.

لقد انتهى بنا الأمر إلى قطع قطعة البكرة بأكملها. أ $50,000 خطأ في المواد والعمل, ناهيك عن إيرادات الجيل الضائع. مدير المصنع, رجل يدعى مايك, لم يصرخ. لقد نظر إلي فقط وقال, “أصلحه. وتأكد أنها المرة الأخيرة.” ما زلت أتذكر تلك النظرة.

الإصلاح: الحل القائم على النيكل والإجراء الحقيقي

لقد أحرق هذا الفشل الدرس في ذهني. من أجل P91 إلى 304H, وخاصة في الخدمة الدورية ذات درجة الحرارة العالية (الذي 99% من الوقت), تستخدم حشوًا يعتمد على النيكل. فترة. معيار الصناعة الآن, وما استخدمناه لإعادة القيام به, هو ERNiCr-3 (مثل إنكونيل 82) لجذر TIG وتمرير ساخن, و اينيرفي-3 (مثل إنكونيل 182) لحام القطب الكهربائي.

لماذا النيكل? لأن النيكل له معامل تمدد حراري يقع في المنتصف بين P91 و304H. انها بمثابة المخزن المؤقت. والأهم من ذلك, النيكل ليس لديه تقارب كبير للكربون. لا يشكل كربيدات مستقرة كما يفعل الكروم. إذن مشكلة هجرة الكربون? لا يتوقف الأمر تمامًا، فالفيزياء هي الفيزياء، لكن الحشو المعتمد على النيكل لا يخلق تلك الحدة, الفرقة المستمرة من الكربيدات. التدرج الكربوني ألطف بكثير.

هذا هو الإجراء الحقيقي, الذي كتبناه بالدم بعد تلك المهمة في لويزيانا:

خطوة 1: التحضير هو كل شيء
لا يمكنك فقط الشطب واللحام. الشطبة هي شطبة مركبة, عادة حوالي 20 درجة زاوية المدرجة, مع هبوط حوالي 1.5 ملم. لكن المفتاح هو النظافة. غير القابل للصدأ صعب الإرضاء. P91 صعب الإرضاء. يجب عليك الطحن بعجلات مخصصة من الفولاذ المقاوم للصدأ. إذا كنت تستخدم عجلة تم لمسها بالفولاذ الكربوني, ستقوم بتضمين جزيئات الحديد في الشطبة المقاومة للصدأ. تصبح هذه الجسيمات مواقع بدء للتشقق لاحقًا. لقد رأيت ذلك. كان لدينا مجرب مرة واحدة, رجل طيب, لكنه أمسك المطحنة الخطأ. لقد جعلناه يعيد شطبة الأنبوب بأكمله. لقد كان غاضبا, لكنني أفضل أن أغضبه بدلاً من اللحام الفاشل.

خطوة 2: طبقة الزبدة (الصلصة السرية)
هذا هو المكان الذي تتفوق فيه الخبرة على الكتاب المدرسي. بدلاً من محاولة لحام P91 مباشرة بـ 304H دفعة واحدة, نحن “سمنة” الوجه المشطوف P91 أولاً. نأخذ قضيب ERNiCr-3 TIG ونضع طبقة, ربما 3 مم سميكة, مباشرة على شطبة P91 المعدة. يتم ذلك قبل أن يتم رفع الأنبوب.

لماذا الزبدة? عدة أسباب.

• أولاً, انها تسمح لنا أن نفعل “متوسط” PWHT. بعد الزبدة, نضع قسم الأنابيب P91 (فقط تلك النهاية) في فرن تسخين محلي أو استخدم سخانات السيراميك وقم بإجراء دورة PWHT كاملة عند درجة حرارة 760 درجة مئوية. يؤدي هذا إلى تهدئة المنطقة المتأثرة بالحرارة في P91 من ممر الزبدة, وهو يخفف من الضغط على طبقة الزبدة. بشكل حاسم, لأن طبقة الزبدة رقيقة ولم يتم ربط 304H بعد, نحن لا نحتفظ بكمية هائلة من الفولاذ عند درجة الحرارة الحساسة تلك. نحن نتعامل فقط مع الجانب P91.

• ثانية, يقوم بإنشاء واجهة متدرجة. أول ممر للزبدة يندمج مع P91, إنشاء منطقة تخفيف رقيقة. ثم تتم معالجة طبقة الزبدة بالحرارة. عندما قمنا لاحقًا بلحام P91 بالزبدة إلى 304H باستخدام نفس قضيب النيكل, يعتمد معدن اللحام بشكل أساسي على النيكل. يتم تقليل هجرة الكربون.

خطوة 3: معلمات اللحام
قمنا بإجراء عملية إعادة اللحام باستخدام TIG للجذر والتمريرتين التاليتين. تطهير الأرجون النقي من الداخل. لديك لتطهير غير القابل للصدأ, وإلا فإن السكريات الداخلية ترتفع (يتأكسد) ويخلق مقياسًا يمكن أن ينكسر ويدمر شفرات التوربينات لاحقًا.

وهنا جدول تقريبي من تلك الوظيفة, تم خدشها على قطعة من الورق ثم تم إدخالها لاحقًا في نظام WPS:

نحن نشاهد درجة الحرارة البينية مثل الصقر. إذا أصبح مرتفعا جدا, أنت في الأساس تقوم بتسخين الكتلة بأكملها أكثر من اللازم, مما يزيد من خطر التشقق الساخن في سبائك النيكل ويعزز المزيد من هجرة الكربون. نتركها تبرد إلى أقل من 100 درجة مئوية أحيانًا قبل بدء التمريرة التالية. بطيئة وثابتة.

خطوة 4: معضلة PWHT (مرة أخرى)
بعد اكتمال اللحام, لدينا مشترك مع P91 بالزبدة, مركز معدن لحام النيكل النقي, و 304 ه. هل نقوم بمعالجة الحرارة لكل شيء مرة أخرى? النهج الحديث, وماذا فعلنا, هو “مساومة” أو “هدأ” PWHT. نقوم بتسخين اللحام بالكامل والشريط على كلا الجانبين إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة P91 القياسية, حوالي 720-740 درجة مئوية, لفترة أقصر, قل ساعة واحدة. يوفر هذا بعض التخفيف لأي مارتنسيت طازج قد يكون قد تشكل في P91 HAZ من ممرات اللحام النهائية, ولكنه يقلل من الوقت الذي يقضيه 304H في نطاق التحسس. انها ليست مثالية. سيظل 304H حساسًا إلى حد ما بجوار اللحام. لكن هذا أفضل ما يمكننا القيام به. حتى أن بعض المواصفات تقول الآن أنه لا يوجد PWHT لهذه المفاصل إذا قمت بالزبدة والتحكم في إدخال الحرارة بدقة, لكني من المدرسة القديمة. أنا أحب نقع هدأ.

ماذا تقول الرموز والاتجاهات الجديدة

رموز مثل ASME القسم التاسع هي كتاب القواعد. إنهم يطلبون منك تأهيل سجل تأهيل الإجراء (PQR) مع اختبارات الشد والانحناء, ولهذه المواد, في كثير من الأحيان اختبار تأثير شاربي على P91 HAZ. عليك أن تثبت نجاح الإجراء الخاص بك.

الاتجاه الكبير الآن, وقد رأيت هذا في بعض محطات الغاز الجديدة في تكساس, تستخدم لحام TIG المداري الآلي لهذه DMWs الهامة. تتحكم الآلة في إدخال الحرارة وسرعة السفر بشكل مثالي, أفضل بكثير من يد الإنسان. أنه يقلل من التقلب. استخدمنا المداري للحصول على وظيفة في هيوستن العام الماضي, الانضمام إلى P91 إلى 304H على مصلح الهيدروجين. كان اتساق الخرزة شيئًا آخر. ولكن حتى ذلك الحين, الأساسيات - الزبدة, اختيار حشو المعدن, PWHT - لا يتغيرون. الآلة مجرد أداة.

شيء آخر ظهر هو استخدام “متدرج تركيبيا” سلك, ولكن هذا لا يزال في الغالب في المختبرات. مكلفة للغاية بالنسبة للعمل الميداني في الوقت الحالي.

الدروس التي لا يمكنك تعلمها في الفصل الدراسي

لذا, ما هي الوجبات الجاهزة من كل هذا, من فشل لويزيانا والوظائف منذ ذلك الحين?

أولاً, هذا الفشل الأولي لم يكن في الواقع فشلًا في اللحام. لقد كان فشلًا في هندسة المواد. اختار شخص ما معدن حشو يبدو جيدًا على الورق ولكنه كان مخطئًا بالنسبة لظروف العالم الحقيقي للتدوير الحراري وPWHT. نحن مرتاحون للغاية مع “الممارسة القياسية.”

ثانية, لا يمكنك هزيمة المعادن. يمكنك إدارتها فقط. لا يمكنك منع الكربون من الرغبة في التحرك, ولكن يمكنك اختيار معدن الحشو (النيكل) لا يؤدي ذلك إلى إنشاء شريط كربيد حاد. لا يمكنك جعل معاملات التمدد متطابقة تمامًا, ولكن يمكنك إنشاء منطقة عازلة بالنيكل لها معامل بينهما. أنت تدير المخاطر. أنت لا تقضي عليهم. أي شخص يخبرك أن لديهم لحامًا مثاليًا سيستمر إلى الأبد فهو إما يكذب أو لم يفعل ذلك لفترة كافية ليرى ما سيحدث بعد عشر سنوات وألف دورة حرارية.

ثالث, لقد تعلمت أن أثق في الفحص البصري أكثر من الأشعة السينية في بعض الأحيان. على ذلك لحام لويزيانا, كانت الأشعة السينية مثالية. لكن المفتش حاد البصر الذي يمتلك منظارًا جيدًا ربما رأى بعض التغير الطفيف في اللون عند خط الاندماج مباشرةً, أو تغيير في نمط مقياس الأكسيد, الذي ألمح إلى شيء خاطئ تحتها. الآن, أقضي الكثير من الوقت في النظر إلى اللحامات قبل وبعد المعالجة الحرارية. يمكنك أن تشعر بالضغط في المعدن في بعض الأحيان.

لقد وضعنا عملية إعادة اللحام هذه في الخدمة في وقت متأخر 2007. لقد تحققت من ذلك قبل بضع سنوات, خلال الانقطاع المخطط له. لقد صعدت إلى ذلك الرأس, مررت يدي على غطاء اللحام. كان لا يزال هناك. لا تزال صلبة. تغير اللون قليلا, ربما, ولكن لا الشقوق. هذا الشعور, هذا ما تعمل من أجله. إنه ليس الأجر. ومن المعروف أنك ارتكبت خطأ, فشل, وقمت بإصلاحه بيديك وعقلك, وأنه يتراجع 2000 رطل لكل بوصة مربعة من البخار المسخن عند 1000 درجات. هذه هي الوظيفة. إنه شيء جحيم.