تعریف سریع: نرم شدن HAZ در جوش لوله LSAW X65/X70 نرم شدن HAZ یک کاهش موضعی در استحکام است که در اثر بازگشت فریت سوزنی غیرتعادلی به فریت چند ضلعی پایدار در طول جوشکاری ایجاد می شود. تحت کنترل DNV-OS-F101 و API 5L، در خطوط لوله LSAW دریایی که در آن از طراحی مبتنی بر کرنش استفاده می شود، بسیار مهم است. خرابیها معمولاً زمانی آشکار میشوند که گرمای ورودی بالا (بیش از 3.0 کیلوژول بر میلیمتر) زمان خنکسازی $t_{8/5}$ را افزایش میدهد و باعث میشود نمونههای کششی جوش متقاطع در HAZ کمتر از حداقل مقاومت کششی تعیینشده (SMTS) شکسته شوند.
در متالورژی لوله های خطی کم آلیاژ با استحکام بالا (HSLA)، فولادهای فرآیند کنترل مکانیکی حرارتی (TMCP) پارادوکس خاصی را ارائه می دهند. در حالی که آنها برای استحکام بالا (X65، X70) با شیمی ناب و جوش پذیری عالی اجازه می دهند، از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند. فرآیند تولید استحکام را در فولاد منجمد می کند. فرآیند جوشکاری آن را آزاد می کند.
برای مهندسین جوش و متالورژیست هایی که با لوله LSAW (جوشکاری زیر غوطه ور طولی) سر و کار دارند، 'ناحیه نرم' در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) یکی از دلایل مکرر شکست صلاحیت روش است. برخلاف فولادهای معمولی که سخت می شوند و می ترکند، فولادهای TMCP نرم می شوند و تسلیم می شوند. این مقاله مکانیسم این نرم شدن، پارامترهای حیاتی زمان خنکسازی، و نحوه پیمایش انطباق تحت DNV-OS-F101 را شرح میدهد.
مکانیسم متالورژیکی نرم شدن
چرا فولاد TMCP هنگام گرم شدن استحکام خود را از دست می دهد؟
فولاد TMCP خواص مکانیکی خود را از پالایش دانه و چگالی جابجایی بدست میآید که از طریق نورد کنترلشده و خنکسازی سریع بهجای آلیاژسازی سنگین به دست میآید. این یک ریزساختار از ریز فریت سوزنی دانه یا بینیت تولید می کند. این حالت یک شرط 'غیر تعادلی' است.
در طول جوشکاری LSAW، HAZ بین بحرانی (ICHAZ) و HAZ ریز دانه (FGHAZ) تا دمای بین $A_{c1}$ (تقریباً 720 درجه سانتیگراد) و $A_{c3}$ (تقریباً 850 درجه سانتیگراد) گرم می شوند. این ورودی گرما به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و فریت سوزنی شکل متابولیسم را به آستنیت تبدیل می کند. پس از خنک شدن، اگر سرعت کمتر از خنکسازی آسیاب اصلی باشد (که تقریباً در SAW تضمین شده است)، آستنیت به فریت چند ضلعی و بینیت دانهای با ثبات ترمودینامیکی، اما از نظر مکانیکی ضعیفتر تبدیل میشود.
شفاف کننده فنی: نقش معادل کربن ($P_{cm}$) از قضا، فولادهای تمیزتر می توانند مشکل سازتر باشند. کربن بسیار کم X65 ($C < 0.05%$) برای استحکام به شدت به سرعت خنک کننده وابسته است. با سختی پذیری کمتر، این مواد شیمیایی بدون چربی بیشتر مستعد تشکیل فریت چند ضلعی نرم در HAZ هستند، اگر سرعت خنک سازی به شدت کنترل نشود.
تله زمان خنک کننده $t_{8/5}$
چگونه زمان خنک کننده شدت منطقه نرم را تعیین می کند؟
میزان نرم شدن مستقیماً با زمانی که جوش از 800 درجه سانتیگراد تا 500 درجه سانتیگراد خنک می شود، متناسب است که با $t_{8/5}$ نشان داده می شود.
پنجره هدف: برای X65/X70، ویژگیهای بهینه معمولاً به $t_{8/5}$ بین 8 تا 20 ثانیه نیاز دارند.
واقعیت LSAW: LSAW فرآیندی با رسوب بالا است. ورودی گرما اغلب از 2.5 تا 4.5 کیلوژول بر میلی متر متغیر است. در لولههای دیواری سنگین (بیش از 25 میلیمتر)، ورودی گرمای 3.5 کیلوژول بر میلیمتر میتواند منجر به بیش از 30 ثانیه $t_{8/5}$ شود.
نتیجه: در $t_{8/5} > 25s$، تشکیل فریت پروتکتوئید بلوکی بر ریزساختار غالب است. این فاز فاقد چگالی دررفتگی فلز پایه است که منجر به افت سختی 30-60 HV10 می شود.
محدودیت منفی: عملیات حرارتی استاندارد PWHT پس از جوش (PWHT) در دمای 600 درجه سانتیگراد + به طور کلی
ممنوع است. برای مواد TMCP X65/X70 برخلاف فولادهای نرمال شده، فولادهای TMCP در صورت قرار گرفتن در معرض دماهای کاهش تنش، از کاهش جهانی قدرت تسلیم رنج می برند (اغلب 50 تا 80 مگاپاسکال کاهش می یابد) و در واقع لوله X65 را به X52 کاهش می دهد.
سوالات میدانی رایج در مورد نرم شدن HAZ در جوشکاری لوله X65/X70 LSAW
چرا DNV-OS-F101 در کاهش کشش جوش متقاطع سختگیر است؟
DNV-OS-F101 (و ISO 3183) وجود منطقه نرم را تصدیق می کند اما تأثیر آن را محدود می کند. این کد معمولاً اجازه میدهد استحکام کششی جوش متقاطع کمتر از مقاومت واقعی فلز پایه باشد، مشروط بر اینکه با SMTS (حداقل مقاومت کششی مشخص شده) مطابقت داشته باشد . اگر از طراحی مبتنی بر کرنش (SBD) استفاده نشود، برخی از ضمائم مقادیر 95 درصد SMTS را مجاز میکنند. نگرانی این است که یک منطقه نرم گسترده و شدید به عنوان متمرکز کننده کرنش عمل می کند که منجر به انحراف مسیر شکستگی و کاهش ظرفیت فروپاشی پلاستیک می شود.
آیا تطبیق بیش از حد فلز جوش می تواند نرم شدن HAZ را جبران کند؟
بله. این استراتژی کاهش اولیه است. با حصول اطمینان از اینکه استحکام تسلیم فلز جوش (WM) به طور قابل توجهی از مقاومت تسلیم فلز پایه (BM) بیشتر است (Overmatch > 100 MPa)، فلز جوش سفت تر یک اثر محدودیت ایجاد می کند. این 'محافظ' از محلی سازی کرنش در HAZ نرم باریک جلوگیری می کند و باعث تغییر شکل پلاستیک به فلز پایه در طول رویدادهای بارگیری جهانی می شود.
آیا ضخامت دیواره لوله بر عرض ناحیه نرم تأثیر می گذارد؟
غیر مستقیم بله. لوله دیواری ضخیم تر (مثلاً 30 میلی متر) به عنوان یک هیت سینک کارآمدتر عمل می کند و به طور بالقوه $t_{8/5}$ (جریان حرارتی سه بعدی) را کاهش می دهد. با این حال، جوشکاری LSAW بر روی لوله های دیوار ضخیم اغلب به SAW پشت سر هم چند سیمی با ورودی گرمای عظیم نیاز دارد تا از نفوذ اطمینان حاصل شود، که مزیت خنک کننده را خنثی می کند. چرخه های حرارتی تجمعی در ریشه و پاس داغ جوش های دیواره ضخیم اغلب وسیع ترین مناطق نرم را ایجاد می کنند.
راه حل های مهندسی برای نرم شدن HAZ در جوش لوله X65/X70 LSAW
کاهش نرم شدن HAZ نیاز به ترکیبی از انتخاب دقیق مواد و پارامترهای جوشکاری کنترل شده دارد. هنگام تهیه لوله، اطمینان از اینکه ترکیب شیمیایی دارای سختی پذیری کافی (از طریق افزودن منگنز، مو یا نیکل) برای مقاومت در برابر تشکیل فریت در سرعت های خنک کننده کمتر است، ضروری است.
علاوه بر این، انتخاب روش صحیح ساخت لوله اولین خط دفاعی است. برای خطوط پرفشار با قطر بزرگ، LSAW تولید شده با پروتکل های سختگیرانه TMCP برای حفظ چقرمگی و در عین حال به حداقل رساندن عرض ناحیه نرم مورد نیاز است.
ادغام محصول توصیه شده:
برای انتقال فشار بالا با قطر بزرگ: از درجه بالا استفاده کنید لوله خط جوش داده شده (LSAW) با شیمی خاص برای کاربردهای خدمات دریایی و ترش مهندسی شده است.
برای خطوط جریان با فشار بالا (قطر کوچکتر): در نظر بگیرید لوله خط بدون درز که در آن فرآیند Quench & Temper (Q&T) ریزساختار یکنواخت تری را فراهم می کند که کمتر به مکانیزم های نرم کننده مشابه TMCP حساس است.
سوالات متداول: دانش قبیله ای در مورد نرم شدن TMCP
حداکثر افت سختی قابل قبول در X65 HAZ چقدر است؟
در حالی که کدهایی مانند DNV-OS-F101 'حداقل سختی' را برای رد کردن تعیین نمی کنند، افت بیش از 40-50 HV10 کمتر از میانگین فلز پایه یک علامت هشدار قابل توجه است. این یک ریزساختار را نشان می دهد که قادر به محلی سازی کرنش است. هدف اکثر اپراتورها حفظ سختی HAZ بالای 180-190 HV10 برای درجه های X65 است.
چگونه زمان خنکسازی $t_{8/5}$ را برای LSAW محاسبه میکنید؟
برای صفحات ضخیم (جریان گرمای سه بعدی)، یک قانون میدانی سرانگشتی $t_{8/5} تقریبا (6700 برابر E) - 5$ است، که در آن E ورودی گرما بر حسب kJ/mm است. با این حال، مدلسازی عددی دقیق یا اندازهگیری مستقیم ترموکوپل در طول سوابق صلاحیت روش (PQR) برای دقت مورد نیاز است، زیرا دمای پیشگرم و بینگذر به طور قابلتوجهی این مقدار را تغییر میدهد.
چرا گذر ریشه بیشترین نرمی را متحمل می شود؟
پاس ریشه (و HAZ مجاور) در معرض چرخه های گرمایش مجدد از پاس های پر شدن بعدی قرار می گیرد. این چرخه های حرارتی می توانند ساختار از قبل نرم شده را معتدل کنند یا به طور مکرر آن را در محدوده بین بحرانی چرخانده و باعث درشت شدن دانه و کاهش سختی بیشتر شوند.
آیا نرمال کردن لوله پس از جوشکاری می تواند ناحیه نرم را برطرف کند؟
نرمال سازی کامل (گرمایش بالای $A_{c3}$ و خنک کننده هوا) ناحیه نرم را از بین می برد اما معمولاً خواص مکانیکی فلز پایه TMCP را از بین می برد. TMCP به استحکام X65/X70 از طریق تمرین نورد دست می یابد. نرمال سازی ساختار دانه را بازنشانی می کند، احتمالاً استحکام را به سطوح درجه B یا X42 کاهش می دهد، مگر اینکه فولاد دارای آلیاژ سنگین باشد (که معمولاً TMCP ندارد).
