هشاشة الطور سيغما: إدارة الخدمة عند درجات الحرارة العالية في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ

تتمثل هشاشة الطور سيغما في تكوّن مركب بيني صلب وهش من الكروميوم والحديد في الفولاذ المقاوم للصدأ، ويترسب هذا المركب ضمن النطاق التقريبي من ٦٠٠ إلى ٩٥٠ درجة مئوية، ما يؤدي إلى فقدان السبيكة لكلا الخاصيتين: المقاومة الصدمية والمقاومة للتآكل. والنتيجة العملية هي أن الأنبوب الذي كان ليِّنًا عند التركيب قد يصبح هشًّا وخطيرًا بعد فترة خدمة طويلة أو بعد تبريد بطيء خلال تلك الدرجة الحرارية، لا سيما في الدرجات ذات المحتوى العالي من الكروم والموليبدنوم وكذلك في الدرجات الثنائية (ديوبلكس). وتتم إدارة هذه الظاهرة عبر التحكم في زمن التعرُّض ودرجة الحرارة، وتحديد الدرجة المناسبة من الفولاذ، وإعادة تشكيل البنية المجهرية بواسطة التلدين الحلّي عند الحاجة. وفي شركة تشجيانغ ونكيانغ للفولاذ المقاوم للصدأ المحدودة، نتعامل مع ظاهرة الطور سيغما في مرحلة التصميم ومعالجة الحرارة، وليس كأمرٍ ثانوي.

ماهية طور سيغما وأسباب تكوّنه
سيغما هو مركّب بين فلزي منظم غني بالكروم (من النوع العام FeCr)، وهو شديد الصلادة وشبه عديم المطيلية. ويبدأ تشكّله عند حدود الحبيبات وفي واجهات الفريت-الأوستينيت، لأن هذه المواقع توفّر له كلًّا من إمداد الكروم والمسارات اللازمة للانتشار. ويعتمد تشكّل سيغما على الانتشار، لذا فهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بكلٍّ من درجة الحرارة والزمن معًا: فداخل النطاق الحرج، يحتاج السبيكة إلى التعرّض المستمر لفترة كافية لتوليد كمية ملحوظة من سيغما، ويكون معدل الترسيب أسرع ما يكون في منتصف هذا النطاق، وغالبًا ما يكون قرب ٧٠٠–٨٥٠ °م بالنسبة لمعظم الدرجات الأوستينيتية.
وهناك أمورٌ عدّة تجعل سيغما خادعًا. فبما أنه يستنزف الكروم من المصفوفة المحيطة ليكوّن نفسه، فإن المعدن المجاور يصبح فقيرًا في الكروم وأقل مقاومة للتآكل، وبالتالي فإن آلية واحدة تهاجم الأداء الميكانيكي والأداء الكيميائي في آنٍ واحد. كما يمكن أن يتكون أثناء التبريد البطيء بعد اللحام أو التشكيل بالطرق، وليس فقط أثناء التشغيل، ما يعني أن المكوّن قد يحتوي بالفعل على سيغما قبل أن يُستخدم لأي غرضٍ عملي.

أي الدرجات عُرضة لهذا التشكّل؟
تزيد القابلية مع ارتفاع محتوى الكروم والموليبدينوم، لأن كلا العنصرين يُشكّلان طور سيغما بقوة. وتكون الدرجات الأوستنيتية عالية السبائك مثل 316 و317 والدرجات الأوستنيتية الفائقة أكثر عرضةً لهذا التأثير مقارنةً بالدرجة البسيطة 304. وتُختار الدرجات المُثبَّتة بالتيتانيوم أو النيوبيوم، مثل 321 و347، للاستخدام عند درجات الحرارة المرتفعة جزئيًّا لأنها تقاوم التحسُّس، لكنها ليست محصَّنة تمامًا ضد طور سيغما في أعلى نطاق درجات الحرارة.
تتطلّب الدرجات ذات البنية الثنائية (دوبلكس) والدرجات الثنائية الفائقة عنايةً إضافيةً. فتحتوي درجتا 2205 و2507/إس32750 على نحو ٢٢–٢٥٪ كروم بالإضافة إلى الموليبدينوم ونسبة كبيرة من الفريت، وبما أن طور سيغما يتكون أسرع ما يكون في الفريت، فقد تظهر أطوارٌ تسبّب الهشاشة بسرعةٍ كبيرةٍ في مدى درجات الحرارة ٧٠٠–٩٠٠ °م. ولذلك تفرض عمليات تصنيع الدرجات الثنائية ضوابط صارمةً على كمية الحرارة المُدخلة ودرجة حرارة المرور بين الطبقات، ولذلك فإن أقصى درجة حرارة موصى بها للاستخدام العملي لدرجة 2205 تكون أقل بكثيرٍ من تلك الخاصة بالعديد من الدرجات الأوستنيتية. فإذا أُخضعت خطّة من الدرجة الثنائية لحرارة قريبة من ٨٥٠ °م لفترةٍ طويلةٍ جدًّا، فإن مقاومة الصدم قد تنخفض انخفاضًا حادًّا.

النتائج في الخدمة
أوضح عَرَضٍ لتشقُّق سيغما هو انخفاضٌ حادٌّ في مقاومة التصادم عند درجة حرارة الغرفة. فقد تنخفض قدرة المعدن، الذي كان يمتص طاقةً عاليةً في اختبار شاربي عند التصنيع، إلى جزءٍ صغيرٍ من تلك القيمة بعد تكوُّن طور سيغما، ما يرفع خطر الكسر الهش أثناء إيقاف التشغيل أو التغيرات الحرارية أو إعادة الاختبار الهيدروستاتيكي عندما يكون المعدن باردًا. أما قابلية التمدد عند درجات الحرارة العالية فتتأثر بشكل أقل، لذا لا تظهر الخطورة غالبًا إلا عند تبريد المنشأة لأغراض الصيانة.
تعود عقوبة التآكل إلى نقص الكروم حول جسيمات سيغما. وتتسارع الهجمات المحلية والثقوب والتآكل بين الحبيبات في هذه المناطق المنقوصة، ما يُضعف بالضبط تلك السبائك التي اختيرت للاستخدام في ظروف تشغيل قاسية. وفي المواد الثنائية الطور (دوبلكس)، يشكِّل الانخفاض المجمع في كلٍّ من المتانة ومقاومة التآكل السبب الرئيسي وراء اعتبار تجنُّب الأطوار المسببة للهشاشة شرطًا أساسيًّا في عملية التصنيع.

الوقاية عبر التصميم والمواصفات
أول ما يجب فعله هو إبقاء المعدن خارج النطاق الحرج أثناء التشغيل. حدِّد أقصى درجة حرارة مسموح بها أثناء التشغيل ووثِّقها، والتزم بها؛ وبذلك تتجنب ظهور طور سيغما أثناء التشغيل في معظم الحالات. وفي حالة الأنابيب المزدوجة، يعني ذلك الالتزام بسقف درجة الحرارة الذي حددَه المصنِّع، بدلًا من الحدود الأعلى المُستخدمة للصلب الأوستنيتي. أما حيث تكون درجات الحرارة العالية أمرًا لا مفر منه، فاختر درجةً مستقرة أو مُصمَّمة خصيصًا لدرجات الحرارة العالية، وخذ في الاعتبار التعرُّض التراكمي طوال عمر التصميم.
تُعَدُّ ضوابط التصنيع ذات أهميةٍ بالغةٍ أيضًا. فالتبريد السريع خلال نطاق الترسيب بعد اللحام أو التشكيل الحراري يقلل من الوقت المتاح للانتشار، وبالتالي تقل فرص نمو طور سيغما. أما في الفولاذ المقاوم للصدأ ذي البنية الثنائية (الدوبلكس)، فإن التحكم في كمية الحرارة المُدخلة ودرجة حرارة المرور بين الطبقات ومعدل التبريد يحافظ على التوازن الصحيح بين الفريت والأوستينيت ويحد من تكوُّن المركبات بين الفلزية. وتُعَدُّ عمليات إعادة اللحام المتكررة في نقطة واحدة خطرًا خفيًّا، لأن كل عملية لحام تضيف دورة حرارية إضافية عبر المنطقة الخطرة.

الكشف والإصلاح
يظهر طور سيغما معدنيًّا تحت التآكل المجهرّي، ويُقاس تأثيره باختبارات الصدم التي تكشف فقدان المقاومة للصدمات. وبما أن هذا الطور صلبٌ، فإن عمليات قياس الصلادة والمحاليل المُكشِّفة المتخصصة يمكنها تحديد المناطق المشبوهة، كما تؤكِّد اختبارات التآكل نقص الكروم فيها. وعند اكتشاف وجود طور سيغما الضار في عنصر ما، يمكن إعادة ضبط البنية المجهرية بواسطة التلدين الحلّي: أي تسخين العنصر إلى درجة حرارة أعلى بكثير من مدى ترسب الطور، وعادةً ما تكون هذه الحرارة حوالي ١٠٤٠–١١٢٠ مئوية لكثير من الدرجات الأوستنيتية، مع الإبقاء على هذه الحرارة مدة كافية لإذابة المركبات بين الفلزية ثانيةً في المحلول، ثم تبريد سريع ل fixation البنية المتجانسة ومنع إعادة التكوُّن خلال النافذة الزمنية المناسبة.
يُجدي التلدين الحلّي نفعًا، لكنه ليس دائمًا عمليًّا على أنابيب مُركَّبة فعليًّا، لذا يبقى الوقاية الخيار الأفضل. أما بالنسبة للمواد الجديدة، فإن توفير الأنابيب في حالة تلدين حلّي وتبريد سريع مناسبَيْن، مع التحقق من ذلك عبر الاختبارات الكيميائية والميكانيكية، يضمن خلو الأنابيب منذ البداية من الأطوار المُسببة للهشاشة.

استنتاجات عملية
مرحلة سيجما هي ظاهرة زمنية ودرجة حرارة، تكون أكثر نشاطاً بين 600 و950 درجة مئوية تقريباً وأسرع في سبائك الكروم والموليبدينوم والثنائي. أبقيه خارجها باحترام حدود درجة حرارة العمل، ومراقبة الحام الوقائي وتشكيل الدورات الحرارية، وتحديد المواد المُحَمَّلة بالحلول. ابحث عنه باستخدام علم المعادن واختبار الأثر، وحيثما تستطيع، عكس ذلك عن طريق التسخين بالحلول تليها التخفيف السريع. توفر شركة وينشيانغ الصفات الأوستنيتية والمستقرة والثنائية في الحالة الصحيحة المعالجة بالحرارة ، مع اختبار الكيميائي والميكانيكي والتآكل الداخلي للتأكد من أن الهيكل الدقيق سليم قبل أن يصل الأنبوب إلى خدمة درجة حرارة

الأسئلة الشائعة
س: عند أي درجة حرارة تتشكل مرحلة سيغما في الفولاذ المقاوم للصدأ؟
الجواب: مرحلة سيغما تتساقط تقريباً بين 600 و 950 درجة مئوية، مع أسرع تكوين عادةً في منتصف هذه النطاق. التعرض لفترة طويلة أو التبريد البطيء من خلال النطاق يعزز ذلك ، خاصة في الصفات عالية الكروم ، عالية الموليبدينوم ، ودرجات ثنائية.
س: هل يمكن عكس هشاشة الطور سيغما؟
ج: نعم. تذويب الطور سيغما مجددًا في المصفوفة يتم عبر التلدين الحلّي عند درجة حرارة تتراوح تقريبًا بين ١٠٤٠ و١١٢٠ مئوية للدرجات الأوستنيتية، وتُمنع إعادة تشكّله بفعل التبريد السريع. أما في الأنابيب المُركَّبة فغالبًا ما يكون هذا الإجراء غير عملي، لذا يُفضَّل منع حدوثه عبر التحكم في درجة الحرارة.

للحصول على أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والثنائي المُعالَجة حراريًّا بالتلدين الحلّي والمُحقَّقة عبر الاختبارات الداخلية، يُرجى الاتصال بشركة تشيجيانغ ونكيانغ للفولاذ المقاوم للصدأ المحدودة على الرقم +٨٦ ٥٧٧ ٨٩٢٢ ٢٥٩٥ \/ https://www.chinawqsteel.com/