خمس عشرة خرافة حول تسخين الأنابيب الفولاذية

عملية
التسخين المسبق هو تسخين قطعة العمل المراد لحامها إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة قبل اللحام أو أثناءه. ويُشترط التسخين المسبق وفقًا للمواصفات قبل اللحام وبعده. مع ذلك، يمكن استخدام طرق أخرى في ظروف معينة. وسواءً كان التسخين المسبق مطلوبًا أم لا، فإنه يتمتع بعدة مزايا:
• تقليل إجهادات الانكماش في اللحام والمعدن الأساسي المجاور، وهو أمر ينطبق بشكل خاص على اللحامات ذات قيم الإجهاد العالية.
• إبطاء معدل التبريد خلال نطاق درجة الحرارة الحرجة أثناء تبريد اللحام، مما يمنع التصلب المفرط ويقلل من مرونة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).
• إن إبطاء معدل التبريد في نطاق درجة الحرارة 400 درجة فهرنهايت يسمح بمزيد من الوقت للهيدروجين للهروب من اللحام والمعدن الأصلي المجاور، مما يجنب حدوث التشققات الناجمة عن الهيدروجين.
• إزالة الملوثات.
• لا يتم تحديد كمية التسخين المسبق وفقًا للحد الأدنى من المواصفات، ولكن من خلال واحدة أو أكثر من الطرق التالية:

جداول الحساب
لقد توفرت على مر التاريخ مجموعة متنوعة من "جداول حساب التسخين المسبق". يأتي العديد منها على شكل مساطر حسابية خطية أو دائرية، وتتنبأ بدرجة حرارة التسخين المسبق من خلال تحديد مادة وسمك المعدن الأساسي.

مكافئ الكربون
يُعد مكافئ الكربون (CE) طريقة لتحديد ما إذا كان التسخين المسبق مطلوبًا وإلى أي مدى.
إذا كانت قيمة CE ≤ 0.45%، فيمكن اختيار التسخين المسبق بشكل تعسفي
إذا كانت 0.45 ≤ CE ≤ 0.60%، فإن نطاق درجة حرارة التسخين المسبق هو من 200 درجة فهرنهايت إلى 400 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية - 200 درجة مئوية).
إذا كانت نسبة CE > 0.60%، فإن نطاق درجة حرارة التسخين المسبق يتراوح من 400 درجة إلى 700 درجة فهرنهايت (200 درجة - 350 درجة مئوية).
عندما تكون قيمة CE > 0.5، فكر في تأجيل الفحص النهائي غير المدمر (NDE) لمدة 24 ساعة على الأقل لتحديد ما إذا كان قد حدث تشقق متأخر.

معايير التصدع
عندما يكون مكافئ الكربون مساوياً أو أقل من 0.17% وزناً، أو عند استخدام الفولاذ عالي المقاومة، يمكن استخدام طريقة إيتو وبيسيو للكشف عن الشقوق (Pcm). تتيح هذه الطريقة التنبؤ بدقة بموعد التسخين المسبق، وموعد التسخين المسبق القسري، ودرجة الحرارة المطلوبة.
إذا كانت نسبة Pcm ≤ 0.15%، قم بالتسخين المسبق عند أي درجة حرارة
إذا كانت 0.15% < Pcm < 0.26–0.28%، قم بالتسخين المسبق إلى 200°– 400°F (100°–200°C).
إذا كانت نسبة Pcm > 0.26–0.28%، قم بالتسخين المسبق إلى 400°–700°F (200°–350°C).

اختبار الشرارة
يُستخدم اختبار الشرارة منذ عقود كطريقة لتقدير نسبة الكربون في الفولاذ الكربوني. فكلما زادت نسبة الكربون، كانت الشرارة أقوى، وازدادت الحاجة إلى التسخين المسبق. ورغم أن هذه الطريقة ليست دقيقة تمامًا، إلا أنها بسيطة، ويمكنها تحديد درجة حرارة التسخين المسبق المناسبة.

قاعدة عامة
هناك طريقة أخرى أقل دقة ولكنها فعالة لاختيار درجة حرارة التسخين المسبق، وهي حساب الزيادة في درجة حرارة التسخين المسبق بمقدار 50 درجة مئوية (100 درجة فهرنهايت) لكل 10 نقاط من محتوى الكربون (0.10% وزناً). على سبيل المثال، إذا كان محتوى الكربون 0.25% وزناً، فإن درجة حرارة التسخين المسبق هي 125 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) أو على الأقل تبدأ من 125 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت). إذا كانت هناك طبقات طلاء أو مكونات أخرى بالقرب من اللحام، فإن درجة حرارة التسخين المسبق المحددة في مواصفات التصنيع الأصلية غير مناسبة. مع ذلك، إذا كانت كمية حرارة اللحام قريبة من الحد الأقصى المسموح به في العملية القياسية، فقد تتوازن الحرارة المنتقلة إلى المكونات الملحومة مع كمية حرارة اللحام، مما يؤدي إلى تسخين المعدن المتأثر إلى الحد الأدنى المطلوب للتسخين المسبق أو أعلى منه، بحيث يمكن تطبيق تسخين مسبق أقل حدة بوسائل خارجية. من المهم ملاحظة أنه يتم استخدام نطاقات وتحويلات غير دقيقة (من فهرنهايت إلى مئوية) هنا. هذا مقصود، فالتسخين المسبق ليس علماً دقيقاً. في كثير من الحالات، من الطبيعي الاستمرار في رفع درجة حرارة التسخين المسبق حتى حل المشكلة (مثل اختفاء الشقوق). في المقابل، في بعض التطبيقات المحددة، قد تحقق درجة حرارة تسخين مسبق أقل من الموصى بها أو المطلوبة في المواصفات النتيجة المرجوة.

التطبيق العملي
يجب أيضًا الاهتمام بالمهارات العملية لتجنب مشاكل تليين المواد الناتج عن التسخين المسبق. اختر عمليات اللحام والأقطاب الكهربائية التي تُنتج كمية أقل من الهيدروجين. يمكن لبعض التقنيات تقليل أو إزالة الإجهادات المتبقية. راقب بعناية للتأكد من استخدام طريقة التسخين المسبق بشكل صحيح. الأوصاف التالية مهمة للاستخدام الناجح لهذه التقنيات.

حجم وتقنيات لحام الأخاديد
تؤثر التقنيات المستخدمة في عملية اللحام بشكل كبير على انكماش اللحام لقطعة العمل، ونتائج الإجهاد المتبقي، والتحكم في مدخلات الحرارة، وتجنب الشقوق.
تنكمش اللحامات القصيرة بشكل أقل طولياً من اللحامات الطويلة. ويمكن أيضاً تقليل الإجهادات المتبقية باستخدام اللحام العكسي أو تسلسلات لحام خاصة.
التحكم في مدخلات الحرارة أو تقليلها. يمكن استخدام اللحامات الخطية ذات التذبذبات الصغيرة بدلاً من اللحامات المتذبذبة الكبيرة.

تقليل التشققات
يمكن تقليل أو إزالة فوهات القوس الكهربائي وشقوق اللحام باستخدام عمليات التصنيع المناسبة.
1) اللحامات ذات المقاطع العرضية المستديرة تكون أقل عرضة للتشقق عند اللحام مقارنة باللحامات ذات المقاطع العرضية الرقيقة والعريضة.
2) تجنب البدء أو التوقف المفاجئ. يتم التحكم في عملية اللحام وتشكيل اللحام باستخدام تقنيات اللحام ذات الميل الصاعد/الهابط أو عن طريق الطرق الكهربائية لمصدر طاقة اللحام.
3) يجب أن تكون كمية المادة المترسبة كافية لتجنب التشققات الناتجة عن انكماش اللحام أو اللحام العادي. ومن القواعد العامة لتجنب التشققات بسبب عدم كفاية المادة المترسبة (وهو شرط أساسي في العديد من مواصفات الإنتاج) ترسيب ما لا يقل عن 10 مم (3/8 بوصة) أو 25% من سُمك أخدود اللحام.

طرق التسخين المسبق
يمكن إجراء التسخين المسبق في الورشة أو في الموقع باستخدام التسخين باللهب (باستخدام وقود الهواء أو وقود الأسيتيلين)، أو التسخين بالمقاومة، أو التسخين بالحث الكهربائي. وبغض النظر عن الطريقة المستخدمة، يجب أن يكون التسخين المسبق منتظمًا، وأن يشمل كامل سماكة اللحام ما لم يُنص على خلاف ذلك. يوضح الشكل 1 المعدات التي تستخدم التسخين بالمقاومة (غير معزولة، كما سيتم توضيحه لاحقًا) والتسخين بالحث.

مراقبة التسخين المسبق
يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المعدات لقياس درجة الحرارة ومراقبتها. يجب تسخين القطعة المُجمّعة أو الملحومة مسبقًا لضمان تغلغل الحرارة بالكامل في المادة. يُفضّل، إن أمكن، اختبار أو تقييم درجة تغلغل الحرارة. عمومًا، في معظم تطبيقات اللحام، تكفي مراقبة درجة الحرارة على مسافة من حافة اللحام. يجب ألا تتسبب مراقبة أو قراءة قيمة درجة الحرارة في تلوث أخدود اللحام.

مؤشرات درجة الحرارة
تنصهر هذه الأقلام أو الأدوات الشبيهة بالقلم الرصاص عند درجة حرارة معينة، ويمكن استخدامها لتحديد الحد الأدنى لدرجة الحرارة المطلوبة أثناء التسخين المسبق، أي درجة الحرارة التي ينصهر عندها القلم، بسهولة واقتصادية. لكن يعيبها أنها لا تعمل إذا كانت درجة حرارة قطعة العمل أعلى من درجة انصهار القلم. فعندما تكون درجة حرارة قطعة العمل مرتفعة جدًا، يلزم استخدام أقلام متعددة بدرجات انصهار مختلفة.

مراقبة درجة الحرارة إلكترونياً
في عمليات التسخين المسبق واللحام، يمكن استخدام أجهزة قياس مباشرة مثل مقاييس الحرارة التلامسية أو المزدوجات الحرارية ذات القراءة المباشرة (مع شاشات عرض تناظرية أو رقمية). يجب معايرة جميع أجهزة القياس أو توفير طريقة للتحقق من قدرتها على قياس نطاق درجة الحرارة. ولأن المزدوجات الحرارية قادرة على مراقبة البيانات وتخزينها باستمرار، يمكن استخدامها مع مسجلات المنحنيات أو أنظمة جمع البيانات في عمليات التسخين المسبق أو المعالجة الحرارية بعد اللحام. يوفر معيار AWS D10.10 مجموعة متنوعة من المخططات والأمثلة لوضع المزدوجات الحرارية.

المراقبة "المحلية"
استُخدمت العديد من الطرق "التقليدية" لعقود لتحديد ما إذا كانت درجة حرارة التسخين المسبق كافية. إحدى هذه الطرق، بالطبع، هي رشّ اللعاب أو سائل الدخان مباشرةً على قطعة العمل. صوت فرقعة اللعاب هو مؤشر درجة الحرارة. على الرغم من أنها ليست دقيقة للغاية، إلا أن العديد من ذوي الخبرة يستخدمونها.
ثمة طريقة أخرى أكثر دقة لتحديد درجة حرارة التسخين المسبق، وهي استخدام شعلة الأسيتيلين. يُضبط اللهب على درجة عالية من التفحيم، مما يؤدي إلى تجميع طبقة من السخام في المنطقة المراد تسخينها. بعد ذلك، تُضبط الشعلة على درجة متوسطة من الدخان، لتسخين منطقة السخام. وعندما يختفي السخام، يمكن أن تصل درجة حرارة السطح إلى أكثر من 200 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت).
تأكد من وصول درجة حرارة التسخين المسبق إلى كامل سُمك قطعة العمل ومنطقة اللحام. يقتصر معظم الرصد على السطح الخارجي لقطعة العمل. توفر الممارسة الموصى بها في معيار AWS D10.10 دليلاً مفيداً لمناطق التسخين المسبق، وتنص على ضرورة تسخين كامل سُمك قطعة العمل عند لحام الأنابيب ببعضها.
يجب توخي الحذر الشديد أثناء التسخين المسبق لتجنب ارتفاع درجة حرارة المعدن الأساسي، خاصةً عند استخدام طرق التسخين المقاوم أو التسخين الحثي. يشترط العديد من شركات الشحن الآن وضع أزواج حرارية أسفل كل لوحة تسخين مقاوم أو مجموعة ملفات حثية لمراقبة درجة الحرارة وتجنب ارتفاعها.

ملخص
سواءً كانت عملية التسخين المسبق مطلوبة أم لا، وبغض النظر عن طريقة التسخين المسبق المستخدمة، فإنها توفر الفوائد التالية: تقليل إجهادات الانكماش في اللحام والمعدن الأساسي المجاور، وهو أمر مفيد بشكل خاص لوصلات اللحام ذات القيود العالية؛ إبطاء معدل تبريد قطعة العمل في نطاق درجة الحرارة الحرجة، مما يمنع التصلب المفرط لقطعة العمل ويقلل من تليين اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة؛ إبطاء معدل تبريد قطعة العمل عند مرورها بنطاق درجة حرارة 200 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)، مما يتيح للهيدروجين وقتًا أطول للانتشار من اللحام والمعدن الأساسي المجاور، وبالتالي يمنع التشققات الناتجة عن الهيدروجين؛ إزالة الملوثات؛ عند التسخين المسبق، يُفضل تسخين كامل سُمك اللحام بالتساوي عند درجة حرارة التسخين المسبق المحددة. قد يتسبب التسخين الموضعي المفرط في تلف المادة، لذا حاول تجنبه.