درجات مواد الأنابيب الفولاذية

يتم تحديد اختيار درجة الأنابيب الفولاذية الصحيحة بشكل أساسي من خلال ثلاثة قيود: بيئة الخدمة (التآكل ودرجة الحرارة)، والمتطلبات الميكانيكية (الضغط والصدمات والحمل)، ومتطلبات الشراء/التفتيش (معايير مثل API أو ASTM أو EN). بالنسبة لمعظم خطوط أنابيب النفط والغاز وخطوط أنابيب المرافق العامة، توفر درجات الكربون (درجات API 5L X؛ ASTM A106/A53) أفضل توازن بين التكلفة والأداء؛ وعندما تكون مقاومة التآكل أمرًا بالغ الأهمية، فإن الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ (سلسلة 304/316) هي الخيارات النموذجية؛ وبالنسبة لمياه البحر الحاملة للكلوريد أو المقاطع خفيفة الوزن عالية القوة، يُفضل استخدام الفولاذ المزدوج والفولاذ المقاوم للصدأ فائق الازدواج (مثل 2205 و2507). إن مستوى مواصفات منتج API (PSL1 مقابل PSL2)، ودرجة ASTM (A، B، C، TP304، إلخ)، وما إذا كان الأنبوب غير ملحوم أو ملحوم هي الأدوات العملية الثلاثة التي يستخدمها المهندس لتلبية موجز التصميم.

ما هي درجات ومعايير مواد الأنابيب الفولاذية؟

"درجات" أنابيب الصلب هي تسميات مختصرة تجمع بين مواصفات موحدة (ASTM، API، EN/ISO)، ومعرف درجة (A، B، X42، X42، X65، TP304، إلخ)، وأحيانًا عملية/النوع (غير ملحومة / ERW / EFW). وتحدد هيئات المعايير حدود التركيب الكيميائي، والخصائص الميكانيكية المطلوبة (الحد الأدنى لقوة الخضوع والشد)، وأنظمة الاختبار والفحص، وأحيانًا عمليات التصنيع المقبولة.

المعايير والهيئات الرئيسية التي يجب التعرف عليها:

• API 5L - تُستخدم على نطاق واسع لأنابيب الخطوط في النفط والغاز؛ تستخدم الأرقام X (X42، X56، X70) ومستويات مواصفات المنتج (PSL1، PSL2).

• ASTM / ASME (أمثلة على ذلك: A106, A53, A333, A252) - تغطية الضغط/الأنابيب الملحومة/غير الملحومة/المسلوقة، والخدمة في درجات الحرارة المنخفضة، والأكوام وغيرها.

• EN / ISO المعايير - تُستخدم على نطاق واسع في أوروبا وعلى الصعيد الدولي (على سبيل المثال سلسلة EN 10216 للأنابيب الفولاذية غير الملحومة). (انظر المعايير الرسمية في المشتريات).

• تسميات المواد - "TP304" أو "TP316L" هي الطريقة التي تسمي بها ASTM أنواع الأنابيب/الأنابيب غير القابلة للصدأ (TP = أنبوب/أنبوب).

سبب أهمية المعايير: فهي تحدد ما إذا كان الأنبوب سيفي بمتطلبات العقد من حيث الضغط ودرجة الحرارة والتعرض البيئي. تتطلب المستويات الأعلى من المواصفات اختبارات إضافية وإمكانية التتبع؛ وبالنسبة للأنظمة الحرجة فإن هذا الأمر غير قابل للتفاوض.

كيف يتم إنشاء الدرجات - التركيب والمعالجة وبصمة التصنيع

تنشأ درجة الأنبوب من علم المعادن ومسار الإنتاج:

• كيمياء السبائك الأساسية (الكربون والمنجنيز والسيليكون والكروم والنيكل والموليبدينوم والنيتروجين وغيرها) يحدد مقاومة التآكل والصلابة والقوة الأساسية. على سبيل المثال، تُنتج إضافة الكروم والنيكل درجات الأوستنيتي غير القابل للصدأ (304، 316)؛ إضافة الموليبدينوم يحسن مقاومة التنقر (316/316L).

• المعالجة الحرارية الميكانيكية والمعالجة الحرارية التحكّم في حجم الحبيبات والبنية المجهرية (المعالجة الطبيعية، المروية والمخففة، والمصلبة). بالنسبة للأنابيب الخطية، غالبًا ما تستخدم الصفوف X الحديثة المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم فيها (TMCP) لزيادة الصلابة دون استخدام السبائك الثقيلة.

• طريقة التصنيع (غير الملحومة، والمتفجرات من مخلفات الحرب، والمتفجرات من مخلفات الحرب، والمفجرات من مخلفات الحرب، والمفجرات من مخلفات الحرب، والمفجرات من مخلفات الحرب، والمفجرات من مخلفات الحرب) تؤثر على الضغوطات المتبقية، وتباين الخواص وأنماط الخلل النموذجية - حيث أن درز المتفجرات من مخلفات الحرب له أنماط فشل مختلفة عن الأنبوب غير الملحوم.

• اختبارات ما بعد التصنيع (الشد، الصلابة، الشق على شكل حرف V، التسطيح، التسطيح، الهيدروستاتيكي، PWHT في بعض الحالات) والفحوصات غير المدمرة (UT، التصوير الإشعاعي) لتحديد مدى التوافق.

هذه المكونات الثلاثة (الكيمياء، والمعالجة، والاختبار) هي ما تقنن المعايير.

درجات أنابيب الكربون وسبائك الصلب منخفضة السبائك

الفولاذ الكربوني هو الأكثر شيوعًا في أنابيب الخطوط وتوزيع المرافق والتطبيقات الإنشائية بسبب التكلفة والسلوك الميكانيكي الذي يمكن التنبؤ به. فيما يلي مقارنة عملية لدرجات أنابيب الكربون/السبائك المنخفضة المحددة بشكل متكرر وأين تناسبها.

الجدول 1 - درجات أنابيب الكربون/السبائك المنخفضة الشائعة والاستخدامات النموذجية

ملاحظات ونقاط عملية

• يتطلب ASTM A106 تصنيعًا غير ملحوم؛ ويمكن أن يكون A53 ملحومًا أو غير ملحوم - وهذا تمييز عملي في المشتريات كثيرًا ما يدفع إلى اختيار البائع والتكلفة.

• يتم إنتاج الدرجات X من API 5L من API 5L بشكل طبيعي/ميكانيكي حراري لتلبية قوة أعلى مع الحفاظ على صلابة الشق؛ بالنسبة لخطوط الأنابيب الطويلة، تسمح الدرجات X الأعلى (X56-X70) بجدران أرق وحمولة فولاذية إجمالية أقل.

الفولاذ المقاوم للصدأ، المزدوج والمزدوج للغاية

يتم اختيار درجات الفولاذ المقاوم للصدأ والدرجات المزدوجة عندما يكون التآكل الكيميائي أو التآكل الناتج عن مياه البحر أو المتطلبات الصحية أو نسب القوة إلى الوزن المرتفعة أمرًا بالغ الأهمية.

العائلات الأساسية غير القابل للصدأ المستخدمة في الأنابيب

• أوستنيتي (السلسلة 300): TP304 / TP304L، TP316 / TP316L هي الخيارات الشائعة. يشتمل 316/316L على الموليبدينوم لتحسين مقاومة التنقر وهو شائع في تطبيقات مياه البحر والمواد الكيميائية والغذائية.

• حديدي/مارتنزيتي: تُستخدم في التطبيقات المتخصصة في درجات الحرارة العالية أو التطبيقات المغناطيسية، وهي أقل شيوعًا في الأنابيب العامة.

• مزدوج (على سبيل المثال، 2205) وفائق الازدواج (على سبيل المثال، 2507): توفر حوالي ضعف قوة الأوستنيتيين من السلسلة 300، ومقاومة فائقة للتشقق الإجهادي الناتج عن تآكل الكلوريد، ومقاومة جيدة للتنقر عند خلطها بالميثيل؛ وهي مفضلة لخدمة مياه البحر، والأنابيب البحرية، والتطبيقات التي توفر فيها الجدران الرقيقة الوزن والتكلفة.

الجدول 2 - مقارنة مبسطة بين التآكل والميكانيكية (نوعية)

عواقب التصميم الرئيسية

• يمكن أن تقلل الازدواجية والازدواجية الفائقة من سُمك الجدار بشكل كبير لنفس تصنيف الضغط بسبب ارتفاع الضغط المسموح به؛ ومع ذلك، فإنها تتطلب إجراءات لحام ماهرة وتحكم دقيق في مدخلات الحرارة.

• تعتبر المواد الأوستنيتيّة (304/316) أسهل بكثير في التصنيع واللحام، ولكنها قد تكون معرضة لخطر الإصابة بتكلس كلوريد الكبريتيدات المكلورة في بعض الظروف البحرية أو المالحة.

API 5L PSL 1 مقابل PSL2 - ماذا تعني مستويات المواصفات في الممارسة العملية

استخدامات API 5L مستويات مواصفات المنتج (PSL1 وPSL2). والفرق ليس مجرد تسويق، حيث تفرض PSL2 ضوابط أكثر صرامة واختبارات إضافية.

الاختلافات العملية

• PSL1:: متطلبات خط الأساس لأنابيب الخطوط (الخواص الكيميائية والميكانيكية والاختبارات القياسية). مناسبة للعديد من الاستخدامات البرية والاستخدامات منخفضة المخاطر.

• PSL2:: حدود كيميائية أكثر صرامة، ومتطلبات أكثر صرامة للخصائص الميكانيكية، واختبار تأثير تشاربي الإلزامي للعديد من الدرجات/الأحجام، وسجلات تصنيع أكثر تفصيلاً وإمكانية التتبع؛ مطلوب حيثما كان التحكم في الكسر، أو الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة، أو التشغيل عالي الموثوقية (على سبيل المثال، بعض خطوط الأنابيب تحت سطح البحر وخطوط الأنابيب عالية الضغط).

الجدول 3 - آثار تعاقدية مختارة

عند طلب PSL2: يجب على كاتب المواصفات أن يسأل عما إذا كان خط الأنابيب يواجه درجات حرارة منخفضة، أو عملية حرجة للكسر، أو تأخيرات طويلة في الإصلاح (في البحر)، أو متطلبات تنظيمية؛ إذا كانت الإجابة بنعم، فإن PSL2 هو أمر حكيم.

غير الملحومة مقابل الملحومة (المتفجرات من مخلفات الحرب/المتفجرات من مخلفات الحرب/المتفجرات من مخلفات الحرب الإلكترونية/المتفجرات من مخلفات الحرب الإلكترونية)

يؤثر مسار التصنيع على التوافر والتكلفة وبعض جوانب الأداء الميكانيكي.

• سلس:: المسحوب أو المبثوق من البليت؛ ويفضل تاريخياً للخدمة في درجات الحرارة العالية والضغط العالي لعدم وجود درزات لتركيز العيوب. ASTM A106 غير ملحوم حصرياً.

• لحام المتفجرات من مخلفات الحرب (ملحومة بالمقاومة الكهربائية):: شائع في الأقطار الأصغر والعديد من أحجام الأنابيب الخطية؛ والمتفجرات من مخلفات الحرب الحديثة مع الفحص المناسب قوية ومستخدمة على نطاق واسع.

• UOE / JCOE (مُشكَّلة وملحومة):: تُستخدم لأنابيب الخطوط ذات الأقطار الكبيرة والأطوال الطويلة؛ وتؤدي عمليات UOE الخاضعة للرقابة الدقيقة مع الاختبار غير القابل للكشف والاختبار الهيدروستاتيكي إلى إنتاج أنابيب عالية الجودة.

مذكرة المشتريات العملية: ستسمح العديد من مواصفات المشروع بتصنيع الأنابيب الملحومة وغير الملحومة إذا كانت عملية التصنيع والاختبار غير الملحوم تفي بمتطلبات المعيار - ولكن بعض المعايير (A106) تفرض التصنيع غير الملحوم.

الخواص الميكانيكية والمتانة وتوقعات الاختبار

بالإضافة إلى أرقام الخضوع/الشد، فإن الصلابة في درجة حرارة الخدمة مهمة. الاختبارات والفحوصات الرئيسية:

• الشد/المردود: أرقام القوام الأساسي المستخدمة في التصميم.

• اختبار الصدم على شكل V-notch Charpy V-notch: مطلوب لضمان صلابة الشق عند درجة حرارة محددة (ضروري في المناخات الباردة أو حيثما يكون الكسر الهش خطرًا). تتطلب PSL2 غالبًا اختبار تشاربي.

• الاختبارات غير المدمرة (NDT): اختبارات UT، وRT، واختبارات الجسيمات المغناطيسية واختبارات الصبغة-المختبرية للكشف عن العيوب الحجمية والسطحية.

• تحديد المواد الإيجابية (PMI): مطلوب أحيانًا للسبائك الحساسة للتآكل لتأكيد التركيب.

• الاختبار الهيدروستاتيكي: اختبار التسرب/الضغط القياسي للتحقق من السلامة.

نصيحة تصميم: اضبط دائمًا درجة حرارة القبول Charpy دائمًا على أقل من أبرد درجة حرارة تشغيل متوقعة مع هامش أمان مناسب.

المعادلات الدولية والتخطيط السريع

يحتاج المهندسون في كثير من الأحيان إلى الترجمة بين ASTM/API وEN/ISO أو التسميات الخاصة بكل بلد. يوجد أدناه جدول تعيين مضغوط (نموذجي/تقريبي - تحقق دائمًا من التسميات القياسية الدقيقة).

الجدول 4 - تعيين التقدير العملي (المعادلات المشتركة)

تنبيه: "متكافئة" لا تعني متطابقة. يجب أن يتم القبول والتحقق من خلال مراجعة الحدود الكيميائية والميكانيكية لكلا المعيارين.

مصفوفة الاختيار - أمثلة مفصلة خطوة بخطوة وأمثلة عملية

عملية بسيطة لاختيار درجة الأنابيب لمشروع ما:

1. تحديد شروط الخدمة: كيمياء السوائل الداخلية، والضغط، ونطاق درجة الحرارة، والبيئة الخارجية (التربة، ومياه البحر)، والقيود التنظيمية.

2. تحديد المتطلبات الميكانيكية: الضغط التصميمي، والإجهاد المسموح به، وعوامل الأمان المطلوبة، وقيود الوزن.

3. اختر العائلات المرشحة: الكربون (فعال من حيث التكلفة)، أو السبائك المنخفضة (إذا كانت هناك حاجة إلى قوة أعلى)، أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو المزدوجة (إذا كان التآكل حرجًا).

4. تحديد مسار التصنيع: غير ملحومة إذا كانت A106 أو إذا كانت هناك حاجة إلى مقاطع أرق ومقاومة للإجهاد؛ ملحومة للأقطار الأكبر أو للتحكم في التكلفة.

5. تحديد الاختبار و PSL: اختر PSL2 إذا كانت الصلابة والتحكم في الكسر مهمين؛ يتطلبان درجة حرارة محددة من Charpy V-notch.

6. لغة المشتريات: اذكر المعيار الدقيق، والدرجة، وPSL (إذا كانت API 5L)، ودرجة حرارة اختبار الصدم، ومتطلبات اختبار عدم التصادم، وإمكانية تتبع الوثائق.

مثالان قصيران

• نقل المياه البرية - ضغط معتدل، غير قابل للتآكل: API 5L درجة B أو X42 (PSL1 إذا كانت غير حرجة).

• رافعة مياه البحر البحرية - مخاطر تآكل عالية + كلوريد + كلوريد: مزدوج 2205 (أو مزدوج مزدوج للغاية) مع وجود ضوابط لحام صارمة، ومؤشر مديري المشتريات، وبدل التآكل؛ تتطلب إمكانية التتبع مثل PSL2 إذا كانت مواصفات خط الأنابيب.

لغة المشتريات ونصائح العقود

يجنبك أمر شراء الأنابيب المكتوب بشكل جيد عمليات الاستبدال المكلفة. تشمل:

• قياسي (على سبيل المثال، API 5L، ASTM A106، EN 10216) و الإصدار/السنة.

• الصف (X65، الدرجة B، TP316L، S32205، إلخ).

• طريقة التصنيع مسموح به/ممنوع (سلس/متفجرات من مخلفات الحرب/ممنوع).

• مستوى PSL (ل API 5L: PSL1 أو PSL2).

• معايير الاختبار والقبول: درجة حرارة تشاربي وطاقة القبول، والضغط الهيدروستاتيكي، ومتطلبات UT/RT، ومؤشر PMI (إذا كان غير قابل للصدأ/مزدوج)، ومتطلبات الطلاء والتبطين.

• إمكانية التتبع والتوثيق: تقارير اختبارات التفريز (MTRs)، وأرقام الحرارة، وتقارير NDT، ومؤهلات إجراءات اللحام (PQR/WPS) عند توريد بكرات ملحومة.

• العقوبات / القبول: معايير الرفض وقواعد إعادة العمل للانحرافات.

الجداول الموجزة والمراجع السريعة

الجدول 5 - مرجع سريع: الدرجة التي يجب اختيارها حسب التطبيق

الأسئلة المتداولة

1. س: ما الفرق بين ASTM A53 و ASTM A106؟
   A: يتم تحديد A106 للأنابيب الفولاذية الكربونية غير الملحومة للخدمة في درجات الحرارة العالية؛ أما A53 فيمكن لحامها أو لحامها غير الملحومة وغالبًا ما تستخدم للتطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة والتطبيقات الهيكلية. في الممارسة العملية، سيقدم العديد من الموردين عرض أسعار A106 للأنابيب غير الملحومة و A53 للطلبات الملحومة/المتعددة الاستخدامات - تأكد من طريقة التصنيع.

2. س: متى يجب أن أطلب API 5L PSL2 بدلاً من PSL1؟
   A: استخدم PSL2 عند الحاجة إلى التحكم في الكسر، أو الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة، أو الموثوقية العالية وإمكانية التتبع (على سبيل المثال، خطوط أنابيب الغاز الحرجة أو الخدمة تحت سطح البحر أو الخدمة الحامضة أو خطوط أنابيب الغاز الحرجة). تفرض PSL2 اختبارات إضافية وحدود كيميائية أكثر صرامة.

3. س: هل الفولاذ المقاوم للصدأ 316L و304 قابلان للتبديل؟
   A: لا؛ يحتوي 316L على الموليبدينوم لمقاومة أفضل للتنقر، كما أن انخفاض الكربون في 316L يحسن من قابلية اللحام. استخدم 316L في حالة توقع تنقر الكلوريد أو التعرض للمواد الكيميائية.

4. س: لماذا استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بدلاً من 316 في مياه البحر؟
   A: توفر السبيكة المزدوجة قوة أعلى ومقاومة أفضل بشكل ملحوظ للتشقق الإجهادي الناتج عن الكلوريد والتآكل الإجهادي والتنقر؛ ويمكنها تقليل سُمك الجدار والتكلفة الإجمالية لخدمة مياه البحر القاسية على الرغم من ارتفاع سعر السبيكة.

5. س: هل السلس دائمًا أفضل من الملحوم؟
   A: ليس دائمًا. لا تحتوي الأنابيب غير الملحومة على درزات ولكن يمكن أن تكون أكثر تكلفة ومحدودة القطر؛ أما الطرق الملحومة الحديثة (المتفجرات من مخلفات الحرب أو المتفجرات من مخلفات الحرب أو الأنابيب غير الملحومة) مع اختبار عدم التدمير الذاتي المناسب فتنتج أنابيب موثوقة وفعالة من حيث التكلفة. بالنسبة لبعض الخدمات الحساسة لدرجات الحرارة المرتفعة أو الخدمة الحساسة للإجهاد، قد يكون غير الملحوم هو المفضل.

6. س: كيف ترتبط درجات X (X56، X65، X70) بالقوة؟
   A: يقترب الرقم X من الحد الأدنى لمقاومة الخضوع المحددة بالكيلو شيكل (على سبيل المثال، X42 ≈ 42 كيلو شيكل، X70 ≈ 70 كيلو شيكل). يعني ارتفاع X يعني قوة خضوع أعلى وإمكانية وجود جدران أرق. راجع دائمًا جدول API 5L لمعرفة الحدود الدقيقة ومتطلبات اختبار الصدمات.

7. س: ما الاختبارات التي يجب أن أطلبها للأنابيب البحرية؟
   A: شقوق تشاربي على شكل حرف V عند درجة حرارة معينة، واختبار UT/RT الكامل للدرزات واللحامات، واختبار الإثبات الهيدروستاتيكي، واختبار PMI للدرزات المزدوجة/الأوستنيتية، ومؤهلات إجراءات اللحام. ضع في اعتبارك ضوابط مستوى PSL2 لمزيد من الضمان.

8. س: هل يمكنني استبدال ASTM A53 بـ API 5L؟
   A: في بعض الأحيان يقدم الموردون A53 الذي يفي بحدود الدرجة B من API 5L، ولكن يجب أن يوافق المهندس على الاستبدال لأن API 5L يتضمن متطلبات إضافية خاصة بالصناعة ونطاقات حجم/درجة إضافية. تأكد من المعادلة الميكانيكية والاختبارية قبل القبول.

9. س: ما هي المزالق الشائعة في تحديد الأنابيب غير القابل للصدأ؟
   A: عدم تحديد المتغيرات منخفضة الكربون L/منخفضة الكربون لقابلية اللحام (على سبيل المثال، 316L)، وإهمال طلب بدل التآكل أو الطلاءات الواقية في البيئات العدوانية، وإغفال مؤشر مديري المشتريات لعمليات التسليم الحرجة.

10. س: كيف يمكنني التعامل مع التتبع في المشتريات؟
    A: تتطلب تقارير اختبار الطاحونة الكاملة (MTRs) مع أرقام الحرارة، ووثائق سلسلة العهدة، وتقارير الاختبارات غير القابلة للتفكيك والتدمير NDT، وسجل لأي معالجات حرارية أو معالجات حرارية حرارية PWHT. بالنسبة لطلبيات PSL2/API أو الطلبات المزدوجة، اطلب إمكانية تتبع معززة.

المراجع والسلطة

تلخص النقاط الفنية والجداول أعلاه الممارسة القياسية الموجودة في وثائق API وASTM وموردي الأنابيب المتخصصين ومراجع المعادن. تتوافق البيانات حول A106 مقابل A53، واختلافات API 5L PSL، ومزايا الازدواجية، وأوصاف الرتب العامة مع المصادر الفنية الموثوقة والموردين المعتمدين. تشمل المصادر الرئيسية المستخدمة أثناء إعداد هذه المادة إرشادات API و ASTM، وصفحات المواصفات الخاصة بموردي الأنابيب الرئيسيين، والأدلة الفنية لجمعية المعادن. يتم الاستشهاد بمصادر تمثيلية في جميع أنحاء النص لمعظم الادعاءات الفنية الحاملة.

قائمة مرجعية عملية لمواصفات الأنابيب التالية

• المعيار + الإصدار (على سبيل المثال، API 5L 46th Edth. 20XX أو ASTM A106/A53 مع السنة).

• الدرجة (صريحة: X65 PSL2 / A106 B / TP316L إلخ).

• أنواع التصنيع المسموح بها (سلس/متفجرات من مخلفات الحرب/المتفجرات من مخلفات الحرب/المتفجرات من مخلفات الحرب) وأي عمليات محظورة.

• مستوى PSL (لـ API 5L) أو ما يعادلها من الصلابة المقبولة.

• درجة حرارة الاختبار وطاقة القبول: درجة حرارة الاختبار وطاقة القبول.

• متطلبات الفحص والاختبار غير المؤثر (الفحص المقطعي/التفتيش المقطعي وتواتر الفحص).

• متطلبات مؤشر مديري المشتريات لمزدوج 316/2507.

• الطلاء/التبطين وبدل التآكل.

• تقارير اختبار المطحنة ومتطلبات التتبع.

• التسليم، ونقاط تعليق التفتيش، والشروط الجزائية.

الملخص الختامي

اختيار درجة أنابيب الصلب هو تمرين في الموازنة بين المعادن وطريقة التصنيع واقتصاديات المشروع. استخدم درجات الكربون في أعمال الضغط العامة والأعمال الإنشائية، وحدد درجات الأوستنيتي أو المزدوجة عندما يكون التآكل أو انخفاض سمك الجدار أمرًا حاسمًا، وحدد دائمًا المعيار ونظام الاختبار وطريقة التصنيع بوضوح في وثائق الشراء. بالنسبة للبنية التحتية الحرجة والأعمال البحرية، يجب تشديد المتطلبات على PSL2 أو ما يعادلها والإصرار على التوثيق الكامل.