ما هي أوضاع الفشل الشائعة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية أثناء الاستخدام

أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المارتينسيتية يتم تقديره لقوته العالية ومقاومته للتآكل المعتدلة مما يجعله حاسما في القطاعات الحيوية مثل معالجة النفط والغاز الكيميائية وتوليد الطاقة. ومع ذلك، في ظل ظروف الضغط العالي والوسائط العدوانية المحددة، تكون MSS عرضة بشكل كبير للتشقق الناجم عن البيئة وهو وضع سائد وشديد من الفشل.

1. تكسير إجهاد الكبريتيد (SSC)

يمثل SSC آلية الفشل الأكثر تدميراً لأنابيب MSS في ظروف "الخدمة الحامضة" للنفط والغاز حيث يوجد كبريتيد الهيدروجين H2S.

• الآلية: يتحلل كبريتيد الهيدروجين على سطح المعدن وينتج هيدروجينًا ذريًا يتخلل الفولاذ. تعد مناطق تركيز الإجهاد والقوة العالية للفولاذ المارتنسيتي مثل مناطق العمل البارد أو اللحامات مواقع رئيسية لتراكم الهيدروجين. ويتسبب الهيدروجين المحصور في تقليل اللدونة المحلية والتقصف مما يؤدي إلى كسر مفاجئ تحت ضغوط شد أقل بكثير من قوة خضوع المادة.

• المناطق عالية الخطورة: مناطق اللحام المتأثرة بالحرارة (HAZ) ذات تركيز الضغط العالي والأنابيب ذات مستويات الصلابة غير المنضبطة (الصلابة المفرطة).

• اتجاهات الصناعة: نظرًا لزيادة الضغوط الجزئية لـ H2S في بيئات الآبار العميقة والعميقة للغاية، فإن الصناعة تتحول نحو الفولاذ المنخفض للغاية من الكربون والفولاذ المارتنسيتي المعدل بالنيكل جنبًا إلى جنب مع عمليات التقسية الصارمة ذات درجات الحرارة العالية لتقليل قابلية SSC.

2. تكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد (CISCC)

• الآلية: تؤدي أيونات الكلوريد إلى إتلاف الفيلم السلبي على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ مما يخلق مواقع لتركيز الإجهاد. في ظل إجهاد الشد المستمر، تبدأ الشقوق وتنتشر إما عبر الحبيبات أو بين الحبيبات مما يؤدي في النهاية إلى فشل الجدار.

• التطبيقات النموذجية: مولدات البخار في محطات توليد الطاقة وأنظمة معالجة المياه المالحة عالية التركيز وبعض خطوط الأنابيب الكيميائية ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية.

الفئة الثانية: التحميل الميكانيكي وأضرار التعب

نظرًا لأن أنابيب MSS تستخدم غالبًا في المكونات الحاملة والديناميكية، فإن فشلها غالبًا ما يرتبط مباشرة بالضغوط الدورية أو الأحمال الميكانيكية الشديدة.

1. فشل التعب

التعب هو وضع الفشل الميكانيكي الأكثر شيوعًا للمواد عالية القوة تحت التحميل الدوري مثل تقلبات ضغط السائل أو الاهتزاز الميكانيكي.

• الآلية: تبدأ التشققات عادة عند عيوب السطح، أو خدوش الجدار الداخلي، أو حفر التآكل أو الشوائب المجهرية، تؤدي دورات الإجهاد الدورية إلى تلف متراكم في المنطقة البلاستيكية عند طرف الشق مما يؤدي إلى انتشار بطيء للشقوق حتى لا يتمكن المقطع العرضي المتبقي من تحمل الحمل الفوري مما يؤدي إلى كسر هش مفاجئ.

• المناطق عالية الخطورة: شفرات توربينات أعمدة المضخات حيث يتم استخدام الفولاذ المارتنسيتي في المقاطع الجذرية والمقاطع عالية الاهتزاز في خطوط أنابيب النقل لمسافات طويلة.

• التحدي الفني: تعتبر قوة الكلال حساسة للغاية لسلامة السطح، ويعد تلميع الأسطح الدقيقة والتحكم في عمق الطبقة المعالجة على البارد أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز عمر الكلال لـ MSS.

2. التقصف الهيدروجيني (HE)

يمكن أن يحدث ارتباط وثيق بـ SSC HE عن طريق عمليات التصنيع مثل الطلاء الكهربائي أو التخليل أو عن طريق الحماية الكاثودية غير المناسبة أثناء الخدمة بشكل مستقل عن وجود الكبريتيدات.

• الآلية: يمتص الفولاذ الهيدروجين الذري مما يؤدي إلى انخفاض حاد في صلابة الليونة وقوة الكسر. حتى بدون عوامل التآكل الخارجية، إذا كان إجهاد الشد موجودًا، فإن ذرات الهيدروجين ستعزز نواة الشقوق ونموها.

الفئة الثالثة: الاستقرار الحراري وتدهور البنية الدقيقة

يعتمد أداء الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي بشكل كبير على بنيته المجهرية المستقرة والمستقرة. يمكن أن يؤدي التعرض غير المناسب لدرجة الحرارة إلى تدهور البنية المجهرية وانخفاض حاد في الأداء.

1. هشاشة المزاج

يمكن لبعض عناصر صناعة السبائك مثل الفسفور والقصدير والأنتيمون أن تنفصل على طول حدود الحبوب أثناء التبريد البطيء أو التعرض لفترة طويلة في نطاق 350 درجة مئوية إلى 550 درجة مئوية. وهذا يؤدي إلى خسارة كبيرة في صلابة تأثير الفولاذ مما يؤدي إلى هشاشة المزاج.

• النتيجة: على الرغم من أن الصلابة قد لا تتغير بشكل كبير، إلا أن مقاومة المادة لضغط الصدمات تتدهور بسرعة عند درجات الحرارة المنخفضة أو معدلات الإجهاد العالية مما يجعلها عرضة للكسر الهش.

• التدابير الوقائية: استخدام التبريد المائي أو التبريد السريع من خلال نطاق درجة حرارة التقصف الحرج بعد التقسية.

2. 475 درجة مئوية التقصف ومرحلة سيجما لهطول الأمطار

يمكن أن يؤدي التعرض طويل الأمد للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي في نطاق 400 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية إلى ترسيب المراحل الغنية بالكروم خاصة حوالي 475 درجة مئوية مما يسبب الظاهرة المعروفة باسم التقصف عند 475 درجة مئوية علاوة على ذلك، فإن التعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة أعلى مثل 600 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية يمكن أن يسبب ترسيب مرحلة سيجما الصلبة والهشة.

• التأثير: تعمل كلتا الظاهرتين على تقليل مرونة المادة وصلابتها بشكل كبير مع تقليل مقاومة التآكل في نفس الوقت.

• رؤية التطبيق: يجب أن تكون درجة حرارة التشغيل طويلة المدى لأنابيب MSS محدودة بشكل صارم في التصميم لتجنب نطاقات درجات الحرارة الحساسة هذه.