تُعد المعالجة الحرارية بعد اللحام واحدة من أكثر التطبيقات تطلبًا لفرن الموقد ذي العربة - وهي واحدة يتم فيها قياس تكلفة الخطأ في أوعية الضغط الفاشلة، والمبادلات الحرارية المرفوضة، والهياكل الثقيلة التي تبلغ قيمتها مئات الآلاف من الدولارات.
قامت شركة مونتي إنتليجنس بتوريد أفران ذات قاعدة متحركة لتطبيقات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لمصنعي المعادن في الصين وجنوب شرق آسيا والشرق الأوسط. وتتعامل هذه الأفران مع قطع ملحومة تتراوح أحجامها من أغلفة أوعية الضغط التي تزن 5 أطنان إلى أعمدة المفاعلات التي تزن 80 طنًا. تتناول هذه المقالة متطلبات تصميم الفرن، والانضباط الإجرائي، ووثائق الامتثال للمعايير التي تميز نجاح فرن المعالجة الحرارية بعد اللحام عن كونه مصدرًا للمشاكل.
تُعدّ المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) إلزامية بموجب قوانين البناء - القسم الثامن من معيار ASME لأوعية الضغط، ومعيار ASME B31.3 لأنابيب العمليات، ومعيار AWS D1.1 للحام الإنشائي - عندما يتجاوز سُمك المعدن الأساسي الحدود المحددة، أو عندما تتضمن بيئة التشغيل تآكلًا ناتجًا عن الهيدروجين أو الإجهاد، أو عندما تتطلب مواصفات التصميم ذلك بغض النظر عن متطلبات القانون. تهدف المعالجة الحرارية بعد اللحام إلى تقليل الإجهادات المتبقية من اللحام، وتلطيف البنية المجهرية للمنطقة المتأثرة بالحرارة، وفي بعض الحالات، تقليل خطر التشققات الناتجة عن الهيدروجين.
تتألف الدورة الحرارية للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) من ثلاث مراحل يجب أن ينفذها الفرن بدقة. أولًا، مرحلة التسخين - حيث يجب على الفرن رفع درجة حرارة قطعة العمل من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة التثبيت بمعدل مضبوط. يحدد القسم الثامن من معيار ASME معدل تسخين أقصى قدره 222 درجة مئوية في الساعة مقسومًا على سمك القطعة بالبوصة، بحد أقصى 222 درجة مئوية في الساعة، عند درجة حرارة أعلى من 315 درجة مئوية. بالنسبة لقطعة ملحومة بسمك 50 مم (بوصتين)، يعني ذلك معدل تسخين أقصى قدره 111 درجة مئوية في الساعة عند درجة حرارة أعلى من 315 درجة مئوية.
ثانيًا، مرحلة النقع الحراري - يجب تثبيت قطعة العمل عند درجة حرارة النقع المحددة لفترة زمنية محددة. يحدد القسم الثامن من معيار ASME مدة نقع لا تقل عن ساعة واحدة لكل 25 مم (بوصة واحدة) من السماكة، بحد أدنى 30 دقيقة. وتعتمد درجة حرارة النقع على المادة الأساسية. بالنسبة للفولاذ الكربوني من النوع P-No. 1، تبلغ درجة حرارة النقع الدنيا 593 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت). أما بالنسبة للفولاذ الكروم-موليبدينوم من النوع P-No. 4، فتتراوح بين 675 و730 درجة مئوية، وذلك تبعًا لمحتوى الكروم.
ثالثًا، مرحلة التبريد - يجب تبريد قطعة العمل من درجة حرارة التسخين الأولي إلى أقل من 315 درجة مئوية بمعدل مضبوط. الحد الأقصى لمعدل التبريد هو 278 درجة مئوية في الساعة مقسومًا على سمك القطعة بالبوصة، بحد أقصى 278 درجة مئوية في الساعة، عند درجة حرارة أعلى من 315 درجة مئوية. عند درجة حرارة أقل من 315 درجة مئوية، يمكن تبريد قطعة العمل في هواء ساكن.
تُشكّل متطلبات معدل التسخين والتبريد هذه تحديًا في تصميم أفران المعالجة الحرارية بعد اللحام. بالنسبة لعمود المفاعل المذكور أعلاه، والذي يزن 80 طنًا، وبسماكة لحام تبلغ 100 مم، فإن أقصى معدل تسخين فوق 315 درجة مئوية هو 56 درجة مئوية فقط في الساعة. تستغرق دورة المعالجة الحرارية الكاملة - التسخين من درجة حرارة الغرفة إلى 620 درجة مئوية، ثم التثبيت لمدة 4 ساعات، ثم التبريد إلى 315 درجة مئوية - من 28 إلى 32 ساعة. يجب أن يحافظ الفرن على تجانس درجة الحرارة على طول ومقطع قطعة العمل بالكامل طوال هذه الدورة.
يُعدّ تجانس درجة الحرارة معيار أداء الفرن الذي يُحدد جودة المعالجة الحرارية بعد اللحام. ينصّ القسم الثامن من معايير الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) على ألا يتجاوز فرق درجة الحرارة بين أي نقطتين على قطعة العمل خلال فترة المعالجة 65 درجة مئوية (150 درجة فهرنهايت) لمعظم المواد. بالنسبة لعمود مفاعل بطول 12 مترًا في فرن ذي قاعدة متحركة، يتطلب تحقيق هذا التجانس وضعًا دقيقًا للموقد، وتصميمًا مُحكمًا لمروحة إعادة التدوير، وتقسيمًا دقيقًا لمنطقة التحكم.
عادةً ما نقسم أفران المعالجة الحرارية اللاحقة للحام الكبيرة ذات القاعدة المتحركة إلى 4 إلى 8 مناطق حرارية يتم التحكم فيها بشكل مستقل، ولكل منها موقدها أو عنصر التسخين الخاص بها، ومدخل مزدوج حراري خاص بها، ووحدة تحكم PID خاصة بها. تتواصل وحدات التحكم في المناطق مع وحدة تحكم مركزية تشرف على عملية ضبط درجة الحرارة للحفاظ على معدلات التسخين والتبريد المحددة مع إبقاء فروق درجات الحرارة بين المناطق ضمن الحدود المسموح بها.
يُعدّ وضع وتثبيت المزدوجات الحرارية حلقة القياس في سلسلة التحكم. ينصّ القانون على ضرورة تثبيت المزدوجات الحرارية على قطعة العمل، لا أن تكون معلقة في جو الفرن. بالنسبة للأجزاء السميكة، يجب تثبيت المزدوجات الحرارية عند موضع اللحام لأنّ درجة الحرارة هناك هي الأكثر أهمية. تشمل طرق التثبيت اللحام بالتفريغ السعوي (المفضّل للمزدوجات الحرارية الدائمة)، وملاقط الخراطيم (للمزدوجات الحرارية المؤقتة على الأجزاء الصغيرة)، وربطات الأسلاك (للأشكال الهندسية المعقدة).
يعتمد عدد المزدوجات الحرارية المطلوبة على حجم قطعة العمل ومتطلبات الكود. يشترط القسم الثامن من معيار ASME استخدام مزدوج حراري واحد على الأقل لأول 3 أمتار من طول قطعة العمل، ومزدوج حراري إضافي لكل 3 أمتار إضافية، بحد أدنى ثلاثة مزدوجات حرارية إجمالاً. يتطلب وعاء بطول 10 أمتار أربعة مزدوجات حرارية. يجب توصيل كل مزدوج حراري بجهاز تسجيل معاير يقوم بطباعة أو تسجيل درجة الحرارة طوال دورة التشغيل.
تُعدّ المعايرة الأساس الموثق لضمان جودة المعالجة الحرارية بعد اللحام. يجب معايرة كل مزدوج حراري مُستخدم في هذه المعالجة وفقًا لمعيار موثق خلال الاثني عشر شهرًا الماضية. كما يجب معايرة مسجل درجة الحرارة خلال الستة أشهر الماضية. وينبغي إجراء مسح سنوي لتوحيد درجة الحرارة في الفرن نفسه، وفقًا للمعيار AMS 2750 أو معيار مكافئ، للتحقق من تحقيق الفرن للتوحيد المطلوب في ظل ظروف التشغيل.
يؤثر توزيع الحمولة على تجانس درجة الحرارة بنفس قدر تأثير تصميم الفرن. فقد تتعرض قطعة العمل الموضوعة بالقرب من جدار الفرن لدرجة حرارة مختلفة عن تلك الموضوعة في المنتصف. كما أن قطعة العمل التي تعيق تدفق هواء إعادة التدوير قد تُسبب بقعة باردة في اتجاه التدفق. لذا، ينبغي أن تتضمن مواصفات المعالجة الحرارية بعد اللحام مخططًا للحمولة يُراعي هذه الجوانب، كما يجب أن تحتوي عربة النقل على علامات لتحديد مواقع دعامات قطع العمل لضمان توزيع متساوٍ للحمولة من دورة إلى أخرى.
صُممت أفران المعالجة الحرارية اللاحقة للحام من مونتي إنتليجنس، المزودة بقاعدة متحركة، مع مراعاة متطلبات الكود. يتضمن تصميمنا القياسي نظام تحكم متعدد المناطق في درجة الحرارة، ومراوح إعادة تدوير عالية التدفق (عادةً من 3 إلى 6 دورات إعادة تدوير في الدقيقة)، ومداخل مزدوجة حرارية معايرة، وأنظمة تسجيل بيانات تُنشئ وثائق الكود المطلوبة تلقائيًا.
للحصول على عرض سعر لفرن المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) خاص بمتطلبات التصنيع الخاصة بك، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
