محدوده مجاز اختلاف دما در تنش زدایی متریال کربن استیل UCS-56

بند UCS-56(d)(1) — شرایط بارگذاری اولیه در کوره

· شرط: دمای کوره در لحظه قرار دادن قطعه یا مخزن در داخل آن، نباید از 800°F (425°C) تجاوز کند.

· علت مهندسی (دلیل فیزیکی): ورود قطعه سرد به کوره‌ای با دمای بالاتر از 425°C باعث ایجاد شوک حرارتی شدید (Thermal Shock) در سطح قطعه می‌شود. این امر می‌تواند منجر به ایجاد ترک‌های جدید یا گسترش ترک‌های موجود (مانند همان ترک پنجه جوشی که در ابتدا اشاره کردید) در اثر تنش‌های ناشی از انبساط ناگهانی و غیریکنواخت سطح نسبت به مغز قطعه گردد.

بند UCS-56(d)(3) — حداکثر اختلاف دما در حین نگهداری (Holding)

· شرط: در طول مدت زمان نگهداری (Holding) قطعه در دمای مشخص شده (Soaking)، اختلاف دمای بین نقاط مختلف قطعه در حال عملیات، نباید بیش از 150°F (83°C) باشد.

· تبصره مهم: این قانون کلی است، مگر اینکه جداول استاندارد (UCS-56-1 تا UCS-56-11) برای مواد خاص، محدوده مجاز کمتری را تعیین کرده باشند (یعنی 83°C حداکثر است و ممکن است بسته به جنس ماده، این عدد کمتر نیز شود).

· علت مهندسی (دلیل فیزیکی): در دمای نگهداری (معمولاً بالای 600 درجه برای فولادها)، استحکام تسلیم ماده به شدت کاهش می‌یابد. اختلاف دمای بیش از 83°C در بخش‌های مختلف یک قطعه، باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک موضعی (Localized Plastic Deformation) در نواحی داغ‌تر می‌شود. این پدیده که نوعی خزش (Creep) در مقیاس ماکروسکوپی است، می‌تواند باعث کمانش، تابیدگی، یا ایجاد تمرکز تنش در نقاط حساس اتصالات جوش شده و در نتیجه فرآیند تنش‌زدایی را بی‌اثر یا حتی مضر کند.

در دمای بالاتر از ۸۰۰ درجه فارنهایت (۴۲۵ درجه سانتی‌گراد)، نرخ گرمایش نباید از حاصل تقسیم ۴۰۰ درجه فارنهایت بر ساعت (۲۲۲ درجه سانتی‌گراد بر ساعت) بر حداکثر ضخامت فلز بدنه یا کلاهک (بر حسب اینچ) بیشتر باشد، اما در هیچ حالتی نباید از ۴۰۰ درجه فارنهایت بر ساعت (۲۲۲ درجه سانتی‌گراد بر ساعت) تجاوز کند.

مثال ۱:

ضخامت قطعه شما ۱۰ میلی‌متر است (t_max = 10 mm).

نرخ گرمایش مجاز برابر است با: ۲۲۲ ÷ ۱۰ = ۲۲.۲ درجه سانتی‌گراد بر ساعت.

این بدان معناست که پس از عبور از دمای ۴۲۵ درجه سانتی‌گراد، نباید قطعه را با نرخی بیشتر از حدود ۲۲ درجه در هر ساعت گرم کنید.

مثال ۲:

ضخامت قطعه شما ۴۰ میلی‌متر است (t_max = 40 mm).

نرخ گرمایش مجاز برابر است با: ۲۲۲ ÷ ۴۰ = ۵.۵۵ درجه سانتی‌گراد بر ساعت.

هرچه قطعه ضخیم‌تر باشد، باید نرخ گرمایش را به طور قابل توجهی کاهش دهید.

3. سقف مجاز نرخ گرمایش

استاندارد یک سقف مطلق نیز تعیین کرده است. حتی برای قطعات بسیار نازک، نرخ گرمایش هرگز نباید از ۲۲۲ درجه سانتی‌گراد بر ساعت تجاوز کند.

· مثال ۳:

      ضخامت قطعه شما ۵ میلی‌متر است (t_max = 5 mm).

      محاسبه بر اساس فرمول: ۲۲۲ ÷ ۵ = ۴۴.۴ درجه سانتی‌گراد بر ساعت، اما استاندارد می‌گوید حداکثر نرخ مجاز ۲۲۲ درجه سانتی‌گراد بر ساعت است.

هدف از این محدودیت‌ها، جلوگیری از ایجاد تنش‌های حرارتی شدید (Thermal Shock) در اثر گرمایش سریع و غیریکنواخت است. گرمایش کنترل شده به فلز اجازه می‌دهد تا دمای خود را به آرامی و یکنواخت افزایش دهد و از تمرکز تنش به خصوص در نواحی حساس جوش جلوگیری کند.

بند (d)(2) دو شرط مجزا دارد:

1. نرخ گرمایش (Heating Rate): حداکثر 222 / ضخامت (بر حسب میلی‌متر) درجه بر ساعت (سقف ۲۲۲ درجه بر ساعت). این نرخ از تنش‌های حرارتی ناشی از گرمایش سریع جلوگیری می‌کند.

2. یکنواختی دما (Temperature Uniformity): حداکثر ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد اختلاف دما در هر بازه ۴.۶ متری. این شرط تضمین می‌کند که قطعه به طور یکنواخت گرم شود.

---

مثال از نحوه رد (Reject) شدن یک قطعه بر اساس شرط ۱۴۰درجه‌ای

فرض کنید در حال انجام عملیات PWHT روی یک مخزن استوانه‌ای بزرگ با طول ۱۰ متر هستید. بر اساس این شرط، بازرس حین کار دما را در نقاط مختلف بررسی می‌کند.

موقعیت: دماسنج متصل به نزدیکی درپوش بالایی مخزن، دمای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.

۴.۶ متر پایین‌تر: دماسنج روی بدنه اصلی، دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.

محاسبه اختلاف: ۶۵۰ - ۵۰۰ = ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد.

-- نتیجه (رد) قطعه: اختلاف دما در یک بازه کمتر از ۴.۶ متر از حداکثر مجاز (۱۴۰ درجه) عبور کرده است. بازرس مدارک را رد می‌کند، کل فرآیند PWHT باطل اعلام می‌شود و قطعه باید مجدداً تحت عملیات حرارتی قرار گیرد.

AWS D10.10

6.1.1 Soak Band Width for Preheat. 

The requirement for preheat of an area 3 in [75 mm], or 1 .5t (where t = pipe wall thickness), whichever is greater, in all directions from the point of welding appears to work well and is also used by pressure vessel and structural welding codes. Use of the greater of the minimum soak band width shown below or that provided in the governing document for preheat is recommended.

6.4.1 Axial Temperature Gradient for PWHT.

Table 6.4 provides a comparison of the requirements for controlling axial temperature gradients during PWHT in the cited fabrication codes. Note that USA codes either have no requirement  or use the undefined terms "gradually diminishing" or "gradually diminished." BS 2633 provides the most specific  requirement. It requires that material at a distance of 2.5 رادیکال Rt on each side of the weld centerline be at a temperature  greater than one-half of the heat treatment temperature (i.e., soak band temperature). Such an approach is common in various international piping and pressure vessel codes. It should be noted that a different minimum temperature results  depending on the temperature scale being used. Using the Fahrenheit scale and an assumed soak band temperature of 1100°F [593°C) , the minimum temperature allowed at the edge of the heated band would be 550°F [288°C) . Using the Celsius scale and an assumed soak band temperature of 1 100°F [593°C], the minimum temperature allowed at the edge of the heated band would be 567°F [297°C] . Based upon the magnitude of the difference, this is not expected to be significant

 AWS D10.10

SB : Soaking Band

HB : Heatinh Band

· AWS D10.10: HB = SB + 4√(Rt) (ضریب ۴) → برای لوله بالا ~297mm

  · ASME B31.3: HB = SB+ 1.5 تا 2 √(Rt ) (ضریب کوچک‌تر) → ~143 تا 174mm

چرا B31.3 عدد کوچک‌تری می‌دهد؟ چون هدف B31.3، ایمنی در برابر شکست و تمرکز بر منطقه جوش است، در حالی که AWS D10.10 استاندارد کیفیت جوشکاری و یکنواختی کامل دما را هدف قرار می‌دهد.

طبق پاراگراف 332.2.4 (جدول 332.2.4 در ویرایش‌های جدیدتر):

قانون مستقیم و عددی:

پهنای Soaking Band در هر سمت جوش برابر است با بزرگترین مقدار بین دو عدد:

 ضخامت لوله (t)

·۵۰ میلی‌متر (2 اینچ)

مثال برای لوله 14 اینچ، t=25mm:

·گزینه اول: t = 25mm

· گزینه دوم: 50mm

· نتیجه: Soaking Band = 50mm در هر سمت جوش

نکته مهم: در B31.3، Soaking Band دقیقاً همان محدوده الزامی است که دمای آن باید در بازه مجاز PWHT باشد. تفاوتی بین Soak Band و Heated Band در متن اصلی کد قائل نمی‌شود، این تفاوت در روش اجرا توسط مهندس اعمال می‌گردد.

استاندارد روش محاسبه Soaking Band مثال (t=25mm)

ASME B31.3 حداکثر (t, 50mm) 50mm

AWS D10.10 (حداقل) حداکثر (t, 50mm) 50mm

AWS D10.10 (توصیه‌شده) حداقل (2t, 100mm) 50mm

در این مثال خاص، هر سه روش به یک عدد (50mm) ختم شدند. اما اگر t=60mm بود:

· B31.3: حداکثر (60,50) = 60mm

· AWS حداقل: حداکثر (60,50) = 60mm

· AWS توصیه‌شده: حداقل (120,100) = 100mm ← اینجا تفاوت ظاهر می‌شود

2G