مسامير طويلة الساق من 310S للدروع الحرارية في الأفران: إتاحة الحركة الحرارية

يتناول هذا الدليل طلب مسامير الدروع الحرارية وفق الحركة، لا القطر وحده. يجب تحديد درجة حرارة الدرع ومسافة التمدد والمواضع التي يجب تثبيتها والتي يجب أن تنزلق معًا؛ إذ يفشل المسمار طويل الساق المناسب من حيث الطول إذا ثبّت موضعًا كان يجب أن ينزلق.

الدرع الحراري ليس وصلة ضغط. فهو يحجب الحرارة الإشعاعية ويتحرك مع تغير الحرارة، وتعمل مساميره في مواضع الانزلاق أولًا كعناصر توجيه واحتجاز، ثم كعناصر شد وتثبيت. ويحدد هذا الفرق الساق والثقب والوردة المسطحة في كل موضع.

عرض الرسم بالحجم الكامل

الشكل: درع حراري من 310S — تختلف مسامير موضع التثبيت عن مسامير موضع الانزلاق؛ مثال حسابي للحركة مبني على قيم معامل التمدد الحراري المتوسط لدى Outokumpu.

01 الدرع يتحرك، وعلى تصميم المسمار تحديد مقدار الحركة

عندما يسخن درع فولاذي من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة الفرن، يتمدد عبر عرضه. فالدرع الذي يبلغ عرضه 1 متر ويسخن من 20°C إلى 820°C يتمدد بنحو 15.5 mm عند معامل متوسط قدره 19.4 µm/m·K بين 20°C و800°C. ويجب استيعاب هذا التمدد في موضع ما: في ثقب يسمح بالانزلاق، أو في فجوة عند حافة الدرع، أو يتحول إلى انبعاج إذا أمسكه كل مسمار بإحكام يمنع الحركة.

تُعد 310S، UNS S31008، عائلة المواد المعتادة للدروع؛ فهي تحافظ على مقاومة الأكسدة عند درجة حرارة الفرن، مع تمدد يمكن للمصمم حسابه. تذكر ورقة بيانات الفولاذ المقاوم للصدأ من مجموعة Therma لدى Outokumpu أن Therma 310S/4845 تتمتع عمومًا بمقاومة جيدة جدًا للأكسدة، وأن أقصى درجة حرارة للاستخدام في الهواء هي 1050°C، على سبيل الإرشاد فقط، مع قابلية طفيفة للتقصف أثناء التشغيل المستمر بين 600°C و900°C. وتورد الورقة نفسها معامل تمدد حراري متوسطًا قدره 18.8 µm/m·K بين 20°C و600°C، يرتفع إلى 19.4 بين 20°C و800°C وإلى 20.0 بين 20°C و1000°C؛ لذا يجب أن يستخدم حساب الحركة المعامل المتوسط عبر نطاق حرارة الدرع، لا قيمة عند درجة حرارة الغرفة وحدها. يتراوح التركيب القياسي لـS31008 وفق ASTM A479 بين 24–26% كروم و19–22% نيكل، وتمثل 310S النسخة منخفضة الكربون بحد أقصى للكربون 0.08%، مع ضرورة التأكيد وفق إصدار A479 الحاكم. اطلب 310S منخفضة الكربون، لا 310 العادية، عند وجود لحام أو خدمة طويلة عند درجات حرارة متوسطة.

تتمدد الدعامة عادةً أقل من الدرع، ويمثل الفرق مقدارًا ثانيًا للحركة. وفق متوسطات Outokumpu بين 20°C و800°C، يتمدد درع 310S بمعامل 19.4 µm/m·K مقابل دعامة فريتية بمعامل 13.0 µm/m·K أكثر من دعامته بمقدار 5.1 mm عبر عرض 1 متر وارتفاع حراري قدره 800°C؛ لذلك يجب أن تستوعب مواضع الانزلاق هذا الفرق إلى جانب تمدد الدرع نفسه.

• حدّد مادة الدرع ونطاق حرارته وعرضه بين النقاط الثابتة وتوزيع تلك النقاط.
• صنّف كل موضع بوصفه موضع تثبيت أو انزلاق قبل تحديد أبعاد أي ثقب أو وردة مسطحة.
• سجّل مقدار الحركة المستنتج من هذه البنود الأربعة، فهو أساس كل ثقب وخلوص يُحدد بعد ذلك.

02 تختلف مسامير مواضع التثبيت عن مسامير مواضع الانزلاق

يحتاج الدرع الحراري إلى كلا النوعين من المواضع، ولا يجوز طلبهما بمسمار واحد موحد. يمسك موضع التثبيت الدرع على دعامته، ويحمل وزنه ويثبت موقعه. أما موضع الانزلاق فيتيح للدرع التمدد بالنسبة إلى المسمار، ولا يحمل إلا ما يكفي لمنع ارتفاع الدرع أو اهتزازه وطرقه، ويجب ألا ينحشر وهو ساخن. وتفيد الساق الطويلة في الحالتين: ففي موضع التثبيت، توفر الساق الأطول طولًا أكبر للاستطالة، فيحتفظ المسمار بقدر أكبر من الحمل المسبق المتبقي عندما ترتخي الوصلة بفعل الحرارة؛ وفي موضع الانزلاق، توفر الساق الملساء الأطول سطحًا محددًا لانزلاق الدرع، بدل انزلاقه على قلاوظ يتعرض للقفش والتآكل بالاحتكاك والانحشار.

في موضع الانزلاق، يجب أن يزيد ثقب الدرع على الساق بمقدار سماح الحركة، إضافة إلى خلوص لقشور الأكسدة والتشوه، ويجب أن تغطي الوردة المسطحة تحت الرأس أو الصامولة هذا الثقب الموسع عند أقصى حركة، وإلا فقد يتجاوز الدرع الوردة ويفلت منها عند أسخن وضع له. وفي موضع التثبيت، يمكن أن يكون الثقب محكم الملاءمة والوردة قياسية، مع طريقة شد تعطي حملًا مسبقًا قابلًا للتكرار. حدّد لكل موضع ما إذا كان للتثبيت أو الانزلاق، وقطر الثقب وقطر الوردة ومقدار سماح الحركة المطلوب. فالرسم الذي يبين كل موضع كثقب مسمار عادي دون ملاحظة تثبيت أو انزلاق سيُنفذ كتثبيت في جميع المواضع، وسينبعج الدرع في أول دورة ساخنة.

يتناقص الحمل المسبق أيضًا مع الزمن عند الحرارة المرتفعة، حتى دون دوران أي صامولة. تصف صفحة Bolt Science التقنية عن استرخاء الإجهاد هذا الفقد، وسيبدو موضع التثبيت المصمم وفق قيمة شد باردة وحدها محكمًا عند التجميع ومرتخيًا بعد الدورات الساخنة الأولى. يحدد الطلب طريقة الشد لكل موضع والحالة الساخنة المتوقعة، لا قيمة العزم وحدها.

03 السبائك المرشحة وحدود كل منها

تمثل قضبان 310S، UNS S31008، وفق ASTM A479 نقطة البداية للدروع عندما تتحكم الأكسدة والتكلفة في الاختيار. وحدودها لدى Outokumpu هي أقصى درجة حرارة للاستخدام في الهواء تبلغ 1050°C، على سبيل الإرشاد فقط، وقابلية طفيفة للتقصف أثناء التشغيل المستمر بين 600°C و900°C. المقاومة الميكانيكية لمسمار الدرع عند درجة حرارة الغرفة بند يُوثق في الشهادة، وليست العامل الحاكم لتحديد المقاس: يحدد الطلب حالة A479، ويجب أن تبين الشهادة حالة المسمار النهائي، لأن مقاس مسمار الدرع يُحدد وفق الوزن والاهتزاز والحمل الحراري، لا إجلاس الحشية. لا تُذكر هنا حدود دنيا للقضبان، ولا تُنقل حدود دنيا للألواح إلى مثبت مصنوع من قضيب.

تمثل قضبان Inconel 601، UNS N06601، وفق ASTM B166 البديل لدرجات الحرارة الأعلى، عندما يعمل الدرع بحرارة أعلى أو بدورات أشد مما تتحمله 310S. تورد نشرة سبيكة INCONEL 601 من Special Metals نيكلًا بنسبة 58–63% وكرومًا بنسبة 21–25% وألومنيومًا بنسبة 1.0–1.7%، مع مقاومة للأكسدة حتى 1200°C وطبقة أكسيد تقاوم التقشر تحت دورات حرارية شديدة. ويستند تحملها للحمل إلى قيمة زحف نموذجية في النشرة قدرها 4.1 ksi، نحو 28 MPa، لإحداث انفعال بنسبة 1% خلال 1000 ساعة عند 760°C، مع استخدام المادة المعالجة بالإذابة للخدمة التي يحكمها الانهيار تحت الإجهاد عند نحو 540°C وما فوق، والمادة الملدنة للخدمة التي تحكمها مقاومة الشد دون ذلك. وتتراوح القيم النموذجية للقضبان الملدنة بين 80–115 ksi لمقاومة الشد و30–60 ksi لمقاومة الخضوع، وهي موسومة كنطاقات نموذجية، ولا تُذكر حدود دنيا لقضبان B166.

تمثل قضبان Incoloy 800H، UNS N08810، وفق ASTM B408 البديل الذي تحكمه مقاومة الزحف عندما تحمل دعامة الدرع حملًا مستمرًا عند حرارة مرتفعة، مع كربون 0.05–0.10% وألومنيوم 0.15–0.60% وتيتانيوم 0.15–0.60% كل على حدة، وحجم حبيبات ASTM No. 5 أو أخشن. يجب مراجعة متطلبات درجة حرارة الغرفة وفق إصدار ASTM B408 الحاكم وحالة القضبان المحددة. فالحدود الدنيا للمطروقات وفق ASTM B564 ليست الحدود الدنيا لقضبان B408، ولا تصلح أساسًا لتحديد مقاس مسمار مُشغّل من قضيب. ويقع طقم 304، UNS S30400، بمثبتات ربط وفق ASTM A193 B8 عند الحد الذي يجب تجنبه في درجات حرارة الأفران: تحقق من ظروف الأكسدة وفق مواصفة المشروع قبل أي استبدال بـ304.

لا تحدد مواصفات القضبان والمواد مثل ASTM A479 وB166 وB408 وB564 المسمار النهائي بمفردها؛ فما زال يجب تحديد شكل القلاوظ والأبعاد والتشطيب واقتران الصامولة واختبارات الجزء النهائي بصورة منفصلة في الطلب.

04 الطول والثقب والوردة المسطحة والطقم عند الاستلام

يفشل مسمار الدرع طويل الساق بسبب مقاس الثقب والوردة المسطحة أكثر مما يفشل بسبب درجة السبيكة. قدّم سماكة الدرع والدعامة وطول الساق والقلاوظ، وقطر الثقب وقطر الوردة وسماح الحركة لكل موضع، مع تحديد أبعاد الساق بصورة منفصلة عن القلاوظ في الرسم. فالمسمار ذو الطول الكلي الكافي لكن بساق ملساء قصيرة في موضع انزلاق يجعل الدرع ينزلق على قلاوظه، مما يسبب القفش والانحشار. والوردة التي تغطي الثقب وهو بارد ولا تغطيه عند أقصى حركة تتيح للدرع تجاوزها والإفلات منها وهو ساخن.

حدّد طريقة الشد لكل موضع. يحتاج موضع التثبيت إلى عزم محدد أو طريقة عزم وزاوية: الشد إلى عزم محدد ثم تدوير الصامولة بزاوية إضافية محددة، لتحقيق استطالة أكثر قابلية للتكرار من العزم وحده عندما يتغير الاحتكاك. ويحتاج موضع الانزلاق إلى خلوص محدد أو ملاءمة خفيفة مضبوطة، لا إلى عزم كامل يسبب انحشاره. وقد تلتحم قلاوظات الفولاذ المقاوم للصدأ على البارد وتتمزق عندما تدور السبيكة نفسها مقابل نظيرتها تحت الحمل. تصف المذكرة التقنية من Bossard عن القفش انهيار طبقة الأكسيد على قلاوظ الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو ما يبين أهمية مادة التزليق هنا، وضرورة إدراج مواصفة الصامولة وحالتها في الطلب. افحص المسامير المفكوكة بحسب مواضعها عند توقف الصيانة: سماكة قشور الأكسدة وتآكل القلاوظ بالاحتكاك في مواضع الانزلاق وأثر انطباع الوردة وأي مسمار استلزم قطعه لإزالته. فالمسمار الذي تآكل بالاحتكاك في موضع انزلاق فقط يحتاج إلى تغيير الثقب أو الوردة أو الخلوص، بينما يحتاج الطقم الذي تراكمت عليه القشور في جميع المواضع إلى سبيكة مختلفة أو وصف مختلف لدرجة الحرارة.

أرسل رسم الدرع ونطاق الحرارة وتوزيع النقاط الثابتة وخريطة مواضع التثبيت والانزلاق إلى الفريق الهندسي في BYBOLT للتحقق قبل الطلب. يتيح هذا التحقق اكتشاف طقم درع طُلب كتثبيت في جميع مواضعه، أو وردة أصغر من اللازم عند أقصى حركة، أو ساق أقصر من اللازم للانزلاق عليها.

عند الاستلام، ينبغي أن تربط حزمة وثائق الجودة كل طقم مسامير بصهرته وسجل تلدينه وتقرير صلادته في الحالة النهائية. اطلب شهادات EN 10204 3.1 وتقرير أبعاد للمسامير الفعلية وتقرير PMI حيث يشترطه المشروع. لا تثبت شهادة القضيب وحدها أن المسمار النهائي الملولب يستوفي الحالة التي بُني عليها تحديد مقاسات الدرع.

05 اطلب عرض سعر ببيانات الدرع، إلى جانب درجة السبيكة

إذا كنت تعيد تحديد مواصفات درع حراري لفرن، أو تدرس استخدام طقم 310S بدل طقم منبعج أو مرتخٍ، فأرسل بيانات الدرع مع المقاس. فملاحظة مثل "طقم مسامير سداسية طويلة الساق M12 من 310S لدرع حراري في فرن، ودرجة حرارة الدرع 850°C تُؤكد من ورقة بيانات الفرن، و6 مواضع تثبيت و18 موضع انزلاق، وسماح الحركة يُؤكد من الرسم" تمنح الفريق الهندسي في BYBOLT بيانات كافية للتحقق من السبيكة والساق والثقب والوردة والحركة قبل التسعير. وحتى صورة مسمار مفكوك تُظهر تآكل القلاوظ بالاحتكاك عند موضع انزلاق أو أثر انطباع الوردة عند أقصى حركة تساعد على بيان ما إذا كان الفشل السابق ناتجًا عن الانحشار أو الانبعاج أو تكون قشور الأكسدة.

أرسل هذه الملاحظة مع الرسم إن كان متاحًا، وسيحدد فريق BYBOLT معك تفاصيل الحرارة أو الحركة أو المواضع الناقصة قبل تقديم عرض سعر لدفعة صغيرة أو طقم كامل مع قابلية التتبع وفق EN 10204 3.1.