التحكم في كمية الحرارة المُدخلة أثناء لحام الأنابيب ثنائية الطور: منع تشكل طور سيغما المُسبب لتصلّب منطقة التأثير الحراري (HAZ)

إذا قمت بلحام الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج أو الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج فائق الجودة (DSS/SDSS)، فأنت تسير على حبل مشدود. فإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، ستحصل على كمية زائدة من الفريت وفقدان في المتانة. وإذا كانت مرتفعة جدًا، فإنك تستدعي القاتل الصامت للوصلات المزدوجة: هشاشة الطور سيغما (σ) في منطقة التأثير الحراري (HAZ).

يُشكّل طور سيغما مركبًا بينمعدنيًّا يجعل اللحامات هشةً ويُدمّر مقاومتها للتآكل. وعلى الرغم من أنه يتكون في المعدن الأساسي أثناء المعالجة الحرارية غير السليمة، فإنه في عمليات اللحام ينتج مباشرةً عن سوء التحكم في الحرارة. تحكم الدخول الحراري .

توفر هذه المقالة تحليلاً فنيًّا متعمِّقًا لكيفية ضبط مدخلات الحرارة لمنع تشكُّل طور سيغما أثناء لحام أنابيب الديوبلكس، مما يضمن السلامة الميكانيكية ومقاومة التآكل النقطي.

المشكلة: لماذا يتكون طور سيغما في المنطقة المتأثرة حراريًّا (HAZ)

يحدث ترسيب طور سيغما عندما تتعرَّض المنطقة المتأثرة حراريًّا (HAZ) للحام لدرجات حرارة تتراوح تقريبًا بين ٦٠٠°م و٩٥٠°م لفترة طويلة جدًّا . وفي البنية المجهرية الديوبلكسية، يتبلور طور سيغما أساسًا عند واجهات الفريت/الأوستينيت. ويتمدد هذا الطور باستهلاك الفريت (δ)، الذي يحتوي على نسب عالية من الكروم والموليبدينوم — وهما العنصران المسؤولان عن مقاومة التآكل في مواد الديوبلكس. .

والآلية المسببة لذلك هي تفاعل يوتكتويدي: δ → σ + γ₂ (أوستينيت ثانوي) . وعندما يتكون طور سيغما، فإنه يجذب الكروم والموليبدينوم من المادة المحيطة. وبمجرد أن يترسب هذا الطور، فإن إزالته تتطلب معاملة تلدين حلّي كاملة (بين ١٠٥٠°م و١١٠٠°م)، وهي عملية غير عملية بالنسبة للأنابيب الكبيرة أو المجموعات الأنابيبية الضخمة. وفي الحالة كما تم لحامها (as-welded)، يُعد طور سيغما طورًا صلبًا وهشًّا يقلل بشكل كبير من قابلية التحمل للصدمات ومقاومة التآكل النقطي.

المتغير الأساسي: إدخال الحرارة ومعدل التبريد (t12/8)

ورغم أن التركيب الكيميائي يُعَدُّ عاملًا حاسمًا، فإن الدورة الحرارية هي المحفِّز. والمعيار الصناعي لقياس هذه الدورة هو زمن التبريد من 1200°م إلى 800°م (t12/8) وهذا النطاق يغطي النافذة الحرجة لكلٍّ من تكوُّن الأوستنيت وترسيب طور سيغما.

ولتجنب ترسيب طور سيغما مع الحفاظ على توازن الأطوار، تحتاج عمومًا إلى زمن t12/8 يتراوح بين 8 و15 ثانية وإذا تجاوز زمن t12/8 حوالي 15 ثانية (وهو ما يحدث عند استخدام إدخال حراري مرتفع)، فإنك تتعرَّض لخطر تشكُّل طور سيغما. .

وبالنسبة للصلب المزدوج الحاوي على 22% كروم (مثل درجة 2205)، فإن مقدار إدخال الحرارة الموصى به للحام الأنبوب يتراوح عادةً بين 0.5 كيلو جول/ملم و2.5 كيلو جول/ملم لسمك جدار يتراوح بين 10 و15 ملم ومع ذلك، تشير الدراسات الحديثة إلى أن هذه الحدود ليست ثابتة؛ بل تتغير وفقًا لسُمك الجدار وهندسة المفصل.

آفاق جديدة: إن سُمك الصفيحة يغيّر القواعد

تتحدى أبحاث حديثة الافتراض القائل بـ«أن إدخال الحرارة العالي دائمًا ما يكون ضارًّا». وقد بيّنت دراسة أُجريت عام ٢٠٢٥ على لحام الصفائح السميكة من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج أن الحد الأعلى لإدخال الحرارة يزداد بشكل ملحوظ بالنسبة للصفائح التي يتجاوز سُمكها ١٠ مم. .

• للأنابيب ذات الجدران الرقيقة (< ١٠ مم): يؤدي بطء تبدّد الحرارة إلى بقاء منطقة التأثير الحراري (HAZ) ساخنة. ولذلك فإن استخدام حسابات إدخال الحرارة القياسية أمرٌ بالغ الأهمية لتفادي الثقب أو ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط.

• للأنابيب ذات الجدران السميكة (> ١٤ مم): تؤدي كتلة الأنبوب إلى عمله كمصدر استيعاب حراري هائل، ما يسحب الحرارة بعيدًا بسرعة. وفي هذه الحالات، يتطلب تحقيق الانصهار السليم وتكوين الأوستنيت إدخال حرارة أعلى. وقد أكدت الدراسة أنه عند استخدام صفائح سميكتها ٢٠ مم، تم استخدام قيم لإدخال الحرارة تبلغ ٥ كيلوجول/مم و٧ كيلوجول/مم دون حدوث أي ترسيب لطور سيجما في منطقة التأثير الحراري (HAZ) .

خلاصة: يجب عليك حساب مدخلات الحرارة بالنسبة لسماكة المادة. وكلما زادت سماكة الأنبوب، زادت قيمة مدخلات الحرارة "الآمنة" المسموح بها، لأن معدل التبريد يظل سريعًا بما يكفي لتجنب منطقة سيجما في منحنى TTT.

تحدي السوبر دوبلكس (درجات الكروم ٢٥)

عند لحام درجات السوبر دوبلكس (مثل: ٢٥٠٧، زيرون ١٠٠)، يضيق هامش الخطأ. فهذه المواد ذات السبائك الأعلى تمتلك قوة دافعة أكبر لت precipitate تكوّن طور سيجما.

• حساسية المرور الجذري: في لحام الأنابيب، يكون المرور الجذري عُرضةً بشكل خاص للتلف. وتشير الدراسات إلى أنه ينبغي تنفيذ المرور الجذري باستخدام أعلى مدخلات حرارية (أكثر من ١٫٠ كيلوجول/ملم) مقارنةً بالمرورين أو الثلاثة الأولى التالية. ولماذا ذلك؟ إن انخفاض مدخلات الحرارة في المرور الجذري قد يؤدي إلى ترسب نيتريدات الكروميوم على السطح الداخلي بسبب غياب إعادة التسخين. .

• الملاءمة للغرض: ورغم أن المواصفات غالبًا ما تطلب غياب الطور سيغما تمامًا، فإن الواقع الصناعي (وخاصةً في مشاريع بحر الشمال بالمملكة المتحدة) يُظهر أن وجود كمية محدودة من طور سيغما في المنطقة المتأثرة بالحرارة عند درجات الحرارة المنخفضة (على بعد ٢–٥ مم من خط الانصهار) قد يُسمح به أحيانًا. وقد قبلت الدراسات وجود ما يصل إلى ٢,٥٪ من الحجم الكلي لطور سيغما في المنطقة المتأثرة بالحرارة، شريطة اجتياز اختبارات مقاومة الكسر المُقاسة بمعامل انفتاح رأس الشق (CTOD) واختبارات التآكل وفق معيار ASTM G48 . ومع ذلك، فإن هذا الحد يُطبَّق فقط لأغراض المؤهلات وليس كهدف إنتاجي.

إرشادات عملية لمهندس اللحام

لمنع تكوُّن طور سيغما في لحامات الأنابيب ذات الفولاذ المزدوج، تجاوز القواعد العامة مثل «استخدام حرارة منخفضة». ونفِّذ ضوابط التحكم التالية:

١. التحكم في درجة حرارة المرور بين الطلقات

يتكوَّن طور سيغما بشكل تراكمي. فعند إضافة طلقات لاحقة، تتعرَّض المنطقة المتأثرة بالحرارة الناتجة عن الطلقات السابقة لإعادة تسخين ضمن نطاق الخطر (٧٠٠–٩٠٠°م). ولذلك يجب التقيُّد الصارم بحد أقصى لدرجة حرارة المرور بين الطلقات. أما بالنسبة للفولاذ المزدوج عالي الأداء (المحتوي على ٢٥٪ كروم)، فإن الحد الأقصى لدرجة حرارة المرور بين الطلقات يكون عمومًا 150°C  . أما بالنسبة للفولاذ المزدوج القياسي (المحتوي على ٢٢٪ كروم)، فإن الحد الأقصى المعتاد هو ٢٠٠°م .

٢. تجنُّب فخ «العديد من الطلقات الصغيرة»

يبدو الأمر مُناقضًا للحدس، لكن استخدام عدد كبير من المرورات ذات إدخال الحرارة المنخفض يمكن أن يكون أكثر خطورةً من عدد أقل من المرورات الأكبر. فكل مرور صغير يُعيد تسخين منطقة التأثير الحراري (HAZ) السابقة، ما يؤدي فعليًّا إلى تقدم عمر المادة وترسيب الطورين سيغما والشي (χ). .

• الاستراتيجية: استخدم تسلسل لحامٍ يقلل إلى أدنى حدٍ عدد الدورات الحرارية المؤثرة على أي منطقة محددة من منطقة التأثير الحراري (HAZ).

٣. موازنة أرقام الفريت

يتكون طور سيغما بسهولة أكبر في الفريت. فإذا تجاوز محتوى الفريت في منطقة التأثير الحراري (HAZ) لديك ٧٠–٧٥٪، فإن خطر ترسيب طور سيغما يزداد بشكل كبير، لأن كمية الفريت غير المستقر المتاحة للتحول تكون أكبر.

• تأكد من أن غاز الحماية والمعادن المُملئة المستخدمة تشجع على إعادة تشكيل الأوستنيت بشكل كافٍ. وتساعد المعادن المُملئة القائمة على النيكل في ذلك، لكن انتبه: فزيادة نسبة النيكل توسّع نطاق درجات الحرارة التي يتكون فيها طور سيغما. .

٤. احسب إدخال الحرارة الفعّال

لا تعتمد على «الحدس» فقط. استخدم الصيغة التالية:

$$\text{مدخلات الحرارة (كيلو جول/مم)}=\frac{\text{الجهد (فولت)}\times \text{التيار (A)}\times 60}{\text{سرعة السير (مم/دقيقة)}\times 1000}$$

وبالنسبة لعمليات اللحام بالقوس التنغستني المحمي بالغاز (GTAW أو TIG)، تذكّر أن تأخذ عامل الكفاءة الحرارية (η) في الاعتبار، والذي يبلغ عادةً حوالي ٠٫٦ في عمليات TIG. .

الخاتمة

تَشَقُّقُ الطور سيغما هو وضع فشل يمكن منعه. وهو علامةٌ على أن اللحام تعرَّض لحرارةٍ عاليةٍ لفترةٍ طويلةٍ جدًّا— إما على المستوى العام (إدخال حراري عالٍ في الأنابيب الرقيقة) أو على المستوى المحلي (إعادة تسخين متعددة ناتجة عن طبقات لحام صغيرة).

يتطلَّب لحام الأنابيب ذاتية التماسك الحديث انتقالًا من «اتِّباع إجراءات اللحام المُحدَّدة» إلى فهم التاريخ الحراري . وبضبط أوقات التبريد t12/8، والالتزام بحدود درجة الحرارة بين الطبقات، وتعديل إدخال الحرارة وفقًا لسُمك جدار الأنبوب الفعلي، يمكنك إنتاج هياكل دقيقة في منطقة التأثير الحراري خالية من طور سيغما، وقوية، ومقاومة للتآكل.