راهنمای جامع جوشکاری نیکل و آلیاژهای آن

دانشنامه جامع و کتابچه تخصصی ساخت و جوشکاری آلیاژهای نیکل

راهنمای رسمی و آکادمیک موسسه بین‌المللی نیکل (Nickel Institute) - مرجع علمی و استانداردهای طراحی کارخانجات فرآیندی، شیمیایی و دارویی

تدوین مرجع: ریچارد ای. آوری (رئیس و مشاور فنی ارشد موسسه نیکل) | نظارت و ویراستاری علمی: گیر موئی |

توجه بسیار مهم فنی: اطلاعات، محاسبات و استانداردهای مندرج در این کتابچه، مستند به آخرین یافته‌های متالورژیکی موسسه بین‌المللی نیکل (Nickel Institute) است. هدف از این سند، ارتقای سطح دانش فنی مهندسان و جوشکاران گرامی کشور بوده و برای هرگونه کاربرد صنعتی ، اخذ تاییدیه از مهندس مشاور و اجرای تست‌های تایید دستورالعمل جوشکاری (PQR) الزامی است.

مقدمه و ساختار کل کتابچه علمی

مقدمه علمی و ساختار راهنمای جامع

ساخت و بهره‌برداری موفق از تجهیزات و مخازن ساخته شده از آلیاژهای نیکل در محیط‌های به‌شدت خورنده شیمیایی، اسیدی، کلریدی و دما بالا، نیازمند هماهنگی دقیق میان سه گروه شغلی اصلی است: جوشکاران اجرایی در کارگاه، مهندسان متالورژی و مواد در واحد فنی، و مهندسان طراح در دفتر مهندسی. بر همین اساس، این کتابچه راهنمای جامع و بدون خلاصه، در ۴ بخش مجزا و تفصیلی سازماندهی شده است تا پاسخگوی دقیق نیازهای علمی و اجرایی هر گروه باشد:

بخش اول: راهنمای جوشکار (Welder Manual)

این بخش با فرض این که جوشکاران گرامی با اصول و مهارت‌های پایه جوشکاری فولادهای کربنی و فولادهای زنگ‌نزن آشنایی کامل دارند، به بررسی تفاوت‌های رفتاری حوضچه مذاب آلیاژهای نیکل می‌پردازد. عناوین این بخش شامل: رفتار فیزیکی حوضچه، متالورژی آلودگی‌ها و پدیده تردی، دستورالعمل‌های گام‌به‌گام تمیزکاری لبه‌ها، جزییات ابعادی و زوایای آماده‌سازی اتصالات لب‌به‌لب و فیله، پارامترهای اجرایی فرآیندهای رایج (SMAW, GTAW, GMAW, FCAW, SAW)، الزامات جوشکاری لوله‌ها و پیشگیری از اکسیداسیون پاس ریشه (پدیده شکری شدن) و پروتکل تست embedded iron پس از ساخت می‌باشد.

بخش دوم: راهنمای مهندس متالورژی و مواد (Materials Engineer Guide)

این بخش متمرکز بر متالورژی جوش، تغییرات فازی، مکانیزم‌های انجماد و اثر حرارت بر مقاومت به خوردگی آلیاژها است. موضوعات کلیدی شامل: بررسی ضرورت یا عدم ضرورت پیش‌گرم‌سازی، روش‌های پایش دمای بین‌پاسی و اثرات مخرب بالا رفتن آن، اصول و الزامات عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) برای آلیاژهای کارشده (Wrought) و ریخته‌گری (Cast)، فرآیند آنیل محلول (Solution Annealing) و کوئنچ سریع در آب، راهنمای خرید و کنترل کیفیت قطعات ریخته‌گری نیکل بر اساس استاندارد ASTM A494 و نحوه انتخاب سیم‌جوش‌ها و الکترودهای هم‌پایه و فوق‌آلیاژی (Over-alloyed) جهت ممانعت از خوردگی ترجیحی جوش است.

بخش سوم: راهنمای مهندس طراح (Design Engineer Manual)

این بخش به بررسی نمونه‌ها و نقشه‌های عملی شبیه‌سازی شده می‌پردازد تا نشان دهد چگونه انتخاب یک هندسه نامناسب برای سازه می‌تواند گران‌ترین آلیاژ نیکل را نیز در معرض خوردگی موضعی فاجعه‌بار قرار دهد. عناوین اصلی شامل: قوانین طلایی طراحی در محیط‌های اسیدی، بهینه‌سازی هندسه کف مخازن (تخت، لبه چکانش، مقعر یا دیسکی)، موقعیت‌یابی صحیح نازل‌های تخلیه، طراحی اتصالات گوشه دیواره به کف جهت توزیع تنش و ممانعت از تجمع رسوبات، جانمایی علمی گرمکن‌ها و لوله‌های ورودی جهت دفع پدیده Hot Spot، و تحلیل اقتصادی و فنی روش‌های روکش‌دهی جوش (Weld Overlay)، آسترکاری ورق (Sheet Lining) و ورق‌های کلد دوپوسته (Clad Plates) است.

بخش چهارم: ایمنی، سلامت و غبارهای جوشکاری (Safety & Health)

در این بخش، الزامات ایمنی محیط کار در فرآیندهای ساخت آلیاژهای نیکل مورد بحث قرار گرفته است. بررسی خطرات ناشی از گازها و غبارهای سمی حاوی نیکل و ترکیبات کروم شش‌ظرفیتی (Hexavalent Chromium)، عوارض فیزیولوژیکی استنشاق طولانی‌مدت غبار جوشکاری، سیستم‌های تهویه مکنده موضعی کارآمد در کارگاه و ماسک‌های تنفسی فیلتردار ویژه فضاهای بسته بر اساس دستورالعمل‌های بین‌المللی AWS G2.1M تشریح شده است.

بخش اول: خواص فیزیکی و شماره‌های متالورژیکی

۱. بررسی جامع خواص فیزیکی آلیاژهای نیکل و تاثیر مستقیم آن‌ها بر فرآیند جوشکاری

آلیاژهای تک‌فاز محلول جامد نیکل (شامل گروه‌های متالورژیکی I، II و III) از لحاظ ساختار کریستالی و فیزیکی شباهت‌های فراوانی به فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی سری ۳۰۰ دارند. این آلیاژها غیرقابل سخت‌کاری با عملیات حرارتی بوده و افزایش استحکام مکانیکی آن‌ها منحصراً از طریق فرآیند کار سرد (Cold Work) حاصل می‌شود. در سمت مقابل، آلیاژهای گروه IV (سخت‌شونده رسوبی) با افزودن عناصری چون آلومینیوم و تیتانیوم و اجرای عملیات پیرسختی مستحکم می‌گردند. درک دقیق تفاوت‌های فیزیکی این آلیاژها با فولادهای ساختمانی و استنلس استیل برای تنظیم صحیح متغیرهای جوشکاری، آمپراژ کوره و سرعت پیشروی الزامی است:

ویژگی / خاصیت فیزیکی	آلیاژهای مربوطه در استاندارد	تحلیل فنی متالورژیکی و تاثیر بر فرآیند جوشکاری در کارگاه
محدوده و نقطه ذوب (Melting Range)	تمامی گروه‌ها و گریدهای آلیاژ نیکل	نقطه ذوب آلیاژهای نیکل بین ۵۵ تا ۱۶۵ درجه سانتی‌گراد (۱۰۰ تا ۳۰۰ درجه فارنهایت) پایین‌تر از فولاد کربنی معمولی (مانند SAE 1020) است. این موضوع به این معناست که حوضچه مذاب در دماهای پایین‌تری تشکیل می‌شود. جوشکار باید توجه داشته باشد که جهت جلوگیری از داغ شدن بیش از حد حوضچه (Overheating) و ممانعت از سوختن عناصر آلیاژی ظریف، میزان حرارت ورودی (Heat Input) باید به طور بهینه و کمتر از فولادهای معمولی تنظیم گردد.
پاسخ مغناطیسی (Magnetic Response)	نیکل تجاری خالص ۲۰۰ و ۲۰۱ (Nickel 200, 201)	این آلیاژها دارای خاصیت فرومغناطیسی قوی در دمای محیط بوده و این رفتار مغناطیسی را تا دمای کوری (Curie Temperature) یعنی حدود ۳۶۰ درجه سانتی‌گراد (۶۸۰ درجه فارنهایت) حفظ می‌کنند. به همین دلیل، در حین جوشکاری با جریان مستقیم (DC)، این لوله‌ها و ورق‌ها به شدت مستعد پدیده انحراف قوس مغناطیسی (Arc Blow) هستند. برای غلبه بر این مشکل عیب‌زا، جوشکار باید از اتصال صحیح ارت، کوتاه‌تر نگه داشتن طول قوس، متمایل کردن زاویه الکترود در جهت مخالف انحراف و در صورت امکان استفاده از جریان متناوب (AC) بهره ببرد.
پاسخ مغناطیسی متغیر	آلیاژهای نیکل-مس (Alloy 400 و Alloy R-405)	رفتار مغناطیسی این گروه به شدت تحت تاثیر تغییرات جزئی شیمیایی و نوسانات ترکیب آلیاژ است. ممکن است برخی پارت‌های لوله مگنتیک و پارت‌های دیگر کاملاً غیرمغناطیسی باشند. تغییرات دمای اتاق نیز بر مگنتیک بودن آن‌ها اثرگذار است. نوسان ناگهانی در این خاصیت در مرز اتصال، جوشکار را شگفت‌زده می‌کند، بنابراین پایش مداوم پایداری قوس و آماده‌باش برای مقابله با Arc Blow ملایم ضروری است.
پاسخ مغناطیسی در سایر گریدهای آلیاژی	آلیاژهای گروه کروم‌دار نظیر ۶۰۰، ۶۲۵، ۸۲۵ و سری‌های C-276 و C-22	این آلیاژها کاملاً غیرمغناطیسی (آستنیتی پایدار) بوده و رفتاری کاملاً مشابه فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی بروز می‌دهند. انحراف قوس ناشی از مغناطیس قطعه در این رده‌ها عملاً گزارش نمی‌شود.
مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)	نیکل ۲۰۰ و ۲۰۱	دارای مقاومت الکتریکی بسیار پایینی هستند و رفتاری شبیه به فولاد کربنی دارند. گرمایش ژول در طول الکترود ناچیز است.
مقاومت الکتریکی بالا	آلیاژهای گروه مس‌دار و کروم‌دار نظیر آلیاژ ۴۰۰، ۶۰۰، ۶۲۵ و C-276	مقاومت الکتریکی این آلیاژها بسیار بالا است. به عنوان مثال، مقاومت الکتریکی آلیاژ ۴۰۰ حدود ۲۵ درصد کمتر از استنلس استیل ۳۰۴ است، در حالی که در آلیاژهای حاوی کروم این مقدار تا ۲۰۰ درصد بیشتر است. مقاومت الکتریکی فوق‌العاده بالا به این معنی است که الکترودهای پوشش‌دار (فرآیند SMAW) در اثر جریان عبوری به شدت تحت گرمایش ژول قرار گرفته و مغز فلزی آن‌ها داغ و سرخ می‌شود. این پدیده باعث تخریب و سوختن زودهنگام فلوکس پوشش الکترود قبل از رسیدن به انتهای کار جوشکاری پاس می‌گردد. راهکار کارگاهی: کاهش جریان جوشکاری به میزان ۲۰ الی ۳۰ درصد نسبت به فولاد معمولی، استفاده از الکترودهای کوتاه‌تر و تعویض سریع‌تر آن‌ها.
انبساط حرارتی (Thermal Expansion)	تمامی آلیاژهای نیکل	ضریب انبساط حرارتی آلیاژهای نیکل بسیار نزدیک‌تر به فولادهای کربنی معمولی است تا فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی. این یک مزیت بزرگ متالورژیکی است زیرا میزان پیچیدگی، تغییر شکل هندسی و تنش‌های پسماند پس از سرد شدن جوش بسیار کمتر از استنلس استیل خواهد بود. این ویژگی باعث می‌شود جوشکاری لوله‌ها و صفحات ضخیم نیکل با حداقل وسایل نگه‌دارنده و فیکسچر انجام شود و خطر ایجاد ترک‌های انقباضی و اعوجاج در سازه‌های بزرگ فرآیندی به شدت کاهش یابد.

شماره‌های طبقه‌بندی متالورژیکی بر اساس استاندارد ASME Section IX

در کدهای مهندسی و جوشکاری مخازن تحت فشار نظیر ASME Section IX، فلزات پایه بر اساس ترکیب شیمیایی، جوش‌پذیری و خواص مکانیکی به گروه‌هایی تحت عنوان P-Numbers طبقه‌بندی می‌شوند. هرگونه تغییر در گروه متالورژیکی فلز پایه در فرآیند تولید ساختار، نیازمند بازنویسی دستورالعمل جوشکاری (WPS) و تایید صلاحیت مجدد آن از طریق انجام تست‌های مکانیکی و متالورژیکی پی‌کیوآر (PQR) است. طبقه‌بندی رسمی و کامل آلیاژهای نیکل در این استاندارد مرجع به شرح زیر می‌باشد:

P-41 نیکل تجاری خالص (Nickel 200, Nickel 201 - حاوی حداقل ۹۹٪ نیکل)

P-42 آلیاژهای نیکل-مس (Alloy 400, Alloy R-405, Monel 400 - مقاوم در برابر اسید هیدروفلوئوریک و آب دریا)

P-43 آلیاژهای نیکل-کروم-آهن و نیکل-کروم-مولیبدن (Alloy 600, 690, 625, C-276, C-22, Alloy 59, 686, Alloy 2000)

P-44 آلیاژهای نیکل-مولیبدن (Alloy B, Alloy B-2, Alloy B-3, Alloy B-4 - مقاوم فوق‌العاده در برابر اسید هیدروکلریک بدون اکسیژن)

P-45 آلیاژهای نیکل-آهن-کروم و گریدهای خاص کلایمکس (Alloy 825, Alloy G, Alloy G-3, Alloy G-30, Alloy 33)

بخش اول: تمیزکاری، چربی‌زدایی و عناصر تردکننده

آلودگی‌ها و خوردگی‌های فاجعه‌بار و روش‌های ممانعت

۲. اصول ممانعت از ایجاد شیار و شکاف میکروسکوپی در جوش (Crevice Prevention)

یکی از مخرب‌ترین مکانیزم‌های شکست در کارخانجات فرآیندی، خوردگی شیاری (Crevice Corrosion) است. شیارها یا شکاف‌های بسیار کوچکی که ناشی از عدم ذوب کامل ریشه جوش (Lack of Root Penetration)، نفوذ ناقص پاس ریشه، یا عدم انطباق لوله‌ها هستند، در محیط‌های حاوی کلراید یا اسید تبدیل به سلول‌های خوردگی غلظتی می‌شوند. در این نقاط، به دلیل مسدود شدن جریان سیال، اکسیژن تخلیه شده و اسیدیته موضعی (pH) به شدت افت کرده و خوردگی با سرعت فوق‌العاده‌ای فلز را سوراخ می‌کند. لذا در ساخت تجهیزات نیکل، تمامی اتصالات لب‌به‌لب باید دارای نفوذ ۱۰۰٪ و کامل (Full Penetration) بوده و هرگونه شیار باز، شکاف یا لبه آزاد در داخل مخزن کاملاً ممنوع و مردود است. پاس ریشه در لوله‌ها باید کاملاً صاف، بدون تقعر و هم‌سطح باشد.

۳. متالورژی آلوده‌کننده‌های سطحی و عناصر تردکننده (Embrittling Elements) در کارگاه

آلیاژهای نیکل به ویژه در دماهای بالای جوشکاری، تمایل شدیدی به واکنش متالورژیکی با برخی عناصر غریبه نشان می‌دهند. وجود کمترین آلودگی سطحی از عناصر فلزی یا نافلزی با نقطه ذوب پایین روی سطح، در حین فرآیند جوشکاری باعث حل شدن این عناصر در مرزدانه‌های نیکل شده و پدیده فاجعه‌بار ترک‌خوردگی گرم (Hot Cracking) و تردی مرزدانه‌ای (Intergranular Embrittlement) را ایجاد می‌کند. این پدیده تحت عنوان شکست ناشی از فلز مایع (Liquid Metal Embrittlement) نیز شناخته می‌شود. جدول زیر مهم‌ترین آلوده‌کننده‌ها، مکانیزم عیب‌زایی آن‌ها و منابع متداول کارگاهی را که باید حتماً قبل از هرگونه جوشکاری یا عملیات حرارتی به طور کامل ردیابی و حذف شوند، تشریح می‌کند:

عنصر آلوده‌کننده سطحی	مکانیزم تخریب و نوع عیب متالورژیکی حاصله	منابع رایج آلودگی پنهان در کارگاه‌های صنعتی
گوگرد (Sulphur)	گوگرد با نیکل واکنش داده و تشکیل یک فاز یوتکتیک با نقطه ذوب بسیار پایین یعنی ۶۴۵ درجه سانتی‌گراد (۱۲۰۰ درجه فارنهایت) می‌دهد که به صورت فیلم مایع در مرزدانه‌ها رسوب می‌کند. حین انقباض جوش، این فیلم‌های مایع مرزدانه‌ای باز شده و ترک‌های گرم شدیدی در فلز جوش و منطقه HAZ ایجاد می‌کنند.	روغن‌های برشی پایه گوگرد، مایعات روان‌کننده مکانیکی، صابون‌ها، گریس، واکس‌های محافظ لوله، رنگ‌های صنعتی معمولی و گازهای ناشی از سوخت مشعل‌ها در صورت عدم تمیزکاری دیواره مخزن.
فسفر (Phosphorus)	تشکیل فازهای یوتکتیک فسفیدی ترد با نقطه ذوب پایین که مقاومت به ضربه و چقرمگی آلیاژ نیکل را به شدت نابود کرده و آن را در برابر بارهای خستگی پویا مستعد شکست ناگهانی می‌کند.	مایعات تمیزکننده غیراستاندارد، ترکیبات روان‌کار هیدرولیک، گرد و خاک پنهان کارگاه و اثر انگشت کارگران به دلیل وجود چربی دست.
کربن (Carbon)	نفوذ سریع کربن سطحی در ساختار کریستالی در دمای جوشکاری، منجر به پدیده کربوریزه شدن (Carburization) موضعی سطح و رسوب کاربیدهای سنگین در مرزدانه‌ها می‌شود. این اتفاق مقاومت به خوردگی موضعی آلیاژ نیکل را به شدت کاهش داده و آن را به خوردگی بین‌دانه‌ای مستعد می‌کند.	گریس‌ها، روغن‌ها، مدادهای شمعی برای علامت‌گذاری، رنگ‌های معمولی و حلال‌های پایه هیدروکربنی که پس از تمیزکاری به طور کامل خشک نشده و بقایای آن‌ها تبخیر نشده باشد.
سرب، روی و قلع (Lead, Zinc, Tin)	این فلزات دارای نقاط ذوب بسیار پایینی هستند و به سرعت در حین جوشکاری ذوب شده و در مرز دانه‌های کریستالی نیکل نفوذ کرده و سبب بروز ترک‌خوردگی شدید و گسیختگی گرم بدون هیچ‌گونه تغییر شکل موم‌سان (تردی فلز مایع) می‌شوند.	ابزارهای ضربه‌زن سربی یا برنجی کارگاه، قطعات ساخته شده از فولاد گالوانیزه نزدیک به محل جوش، رنگ‌های غنی از روی (Zinc-rich primers) و بقایای لحیم‌کاری‌های مجاور.
مس (Copper)	مس آزاد روی آلیاژهای حاوی کروم و نیکل خالص، در دماهای بالا حلالیت موضعی عجیبی یافته و با نفوذ به داخل حوضچه، مقاومت به خوردگی اسیدی را تغییر داده و خطر ترک خوردگی گرم را به ویژه در آلیاژهای نیکل-کروم بالا می‌برد.	پشت‌بندهای مسی (Copper Backing Bars) در صورت برخورد مستقیم قوس الکتریکی به آن‌ها، چکش‌های مسی، نوک پستانک‌های تورچ‌های میگ.

هشدار بسیار مهم کارگاهی: یادداشت فوق‌العاده حیاتی: هرگونه آسیب ناشی از نفوذ عناصر تردکننده نظیر گوگرد یا سرب کاملاً غیرقابل برگشت و غیرقابل تعمیر است. اگر آلیاژ نیکلی در حین جوشکاری به دلیل وجود آلودگی گوگرد دچار ترک‌خوردگی گرم شود، سنگ‌زنی و دوباره جوشکاری کردن عیب را برطرف نمی‌کند زیرا فیلم مایع مرزدانه‌ای به اعماق فلز نفوذ کرده است. تنها راهکار علمی، بریدن بخش آسیب‌دیده فلز به فاصله حداقل ۵ سانتی‌متر از مرز ترک، تمیزکاری مجدد و اصولی بر اساس پروتکل استاندارد و جوشکاری با قطعه جایگزین جدید است.

۴. پروتکل و دستورالعمل گام‌به‌گام و استاندارد تمیزکاری پیش از جوشکاری (Pre-Weld Cleaning)

بررسی مکانیکی لبه‌ها: هرگونه ناصافی، پلیسه و ناهمواری حاصل از برش پلاسما یا گیوتین باید به طور کامل با سنباده‌زنی سنگ نرم برطرف شود تا لبه‌ها کاملاً یکنواخت و موازی گردند.
چربی‌زدایی پایه شیمیایی: روغن، گریس و گچ‌های حرارتی حتماً باید با حلال‌های آلی غیراسیدی قوی نظیر استون، متیل اتیل کتون (MEK) یا تولوین پاک شوند. استفاده از آب، بنزین معمولی یا اسیدها برای تمیزکاری چربی‌ها کاملاً فاقد کارایی علمی بوده و بقایای مخربی به جا می‌گذارد.
رعایت محدوده تمیزکاری: فرآیند چربی‌زدایی شیمیایی با حلال‌ها باید تا فاصله حداقل ۵۰ میلی‌متری (۲ اینچی) از هر طرف لبه جوش به طور کامل اعمال شود.
تست گسست آب (Water Break Test): برای تایید تمیزی کامل سطح از چربی‌ها، اسپری آب مقطر روی سطح انجام می‌شود. در صورت وجود کوچک‌ترین لایه چربی، فیلم آب یکپارچه نبوده و از هم گسیخته می‌شود (بر اساس استاندارد ASTM A380/F22). در این حالت فرآیند چربی‌زدایی باید مجدداً تکرار شود تا فیلم آب کاملاً متصل و یکنواخت بماند.
حذف فیزیکی اکسیدها: آلیاژهای نیکل حاوی یک لایه اکسید سطحی بسیار نازک، سخت و نامرئی با دمای ذوب بسیار بالا هستند. این لایه اکسید حتماً باید تا فاصله ۲۵ میلی‌متری (۱ اینچی) از دو طرف لبه اتصال با استفاده از دیسک‌های سنباده فاقد آهن (Iron-free) یا برس‌های سیم فولادی زنگ‌نزن کاملاً براق و عاری از هرگونه تیرگی شود تا فلز درخشان (Bright Metal) نمایان گردد.
کنترل سخت‌گیرانه ابزارها: برس‌های سیمی مورد استفاده باید کاملاً نو بوده و منحصراً بر روی آلیاژهای نیکل استفاده شوند. استفاده از برسی که قبلاً بر روی فولاد کربنی استفاده شده، باعث فرورفتن ذرات آهن در سطح نیکل و خوردگی گالوانیکی شدید تجهیز در حین کار خواهد شد.

بخش اول: نقشه‌های فنی و ابعاد اتصالات استاندارد

نقشه‌های مهندسی و ابعاد اتصالات استاندارد

آلیاژهای نیکل به دلیل سیالیت غلیظ مذاب نیازمند آماده‌سازی بازتر و فاصله دهانه بزرگتر هستند. برای مشاهده جزییات هر پخ روی زبانه آن کلیک کنید:

تخت ساده جناغی یک‌طرفه جناغی دوطرفه لاله‌ای یک‌طرفه لاله‌ای دوطرفه

اتصال لب‌به‌لب تخت ساده (Square Butt)

محدوده ضخامت مجاز ورق (t): حداکثر تا ۳.۲ میلی‌متر (۰.۱۲۵ اینچ) / فاصله دهانه ریشه (Gap A): حداقل ۰.۸ میلی‌متر تا حداکثر ۲.۳ میلی‌متر بر اساس ضخامت ورق / نکته اجرایی: برای ورق‌های نازک استفاده می‌شود. عدم رعایت فاصله دهانه ریشه منجر به عدم نفوذ ریشه یا سوختگی شدید لبه‌ها می‌گردد.

اتصال جناغی یک‌طرفه (Single V-Groove)

محدوده ضخامت مجاز قطعه (t): از ضخامت ۳.۲ میلی‌متر تا ۱۲.۷ میلی‌متر (۰.۵ اینچ) / فاصله دهانه ریشه (Gap A): ۰.۸ تا ۲.۳ میلی‌متر جهت تضمین عبور بهینه قوس / پیشانی ریشه (Land B): ۱.۶ تا ۲.۴ میلی‌متر جهت جلوگیری از سوراخ شدن ریشه جوش / زاویه شیار پخ (Angle C): ۶۰ تا ۸۰ درجه (برای فولادهای کربنی این زاویه ۵۰ تا ۶۰ درجه است)

اتصال جناغی دوطرفه (Double V-Groove)

محدوده ضخامت مجاز قطعه (t): از ضخامت ۹.۵ میلی‌متر تا ۱۹ میلی‌متر / فاصله دهانه ریشه (Gap A): ۰.۸ تا ۲.۳ میلی‌متر / پیشانی ریشه (Land B): ۱.۶ تا ۲.۴ میلی‌متر / زاویه پخ بالا و پایین (Angle C): ۶۰ تا ۸۰ درجه به صورت کاملاً متقارن / نکته متالورژیکی: برای به حداقل رساندن اعوجاج، تابیدگی و تنش‌های پسماند در صفحات ضخیم استفاده می‌شود.

اتصال لاله‌ای یک‌طرفه (Single U-Groove)

محدوده ضخامت مجاز قطعه (t): برای ضخامت‌های بالای ۱۹ میلی‌متر (۰.۷۵ اینچ) / فاصله دهانه ریشه (Gap A): ۱.۶ تا ۳.۲ میلی‌متر / پیشانی ریشه (Land B): ۱.۶ تا ۲.۴ میلی‌متر / شعاع ریشه پخ (Radius R): حداقل ۶.۴ میلی‌متر (۰.۲۵ اینچ) / زاویه شیب دیواره پخ: ۱۵ درجه / مزیت فنی: کاهش شدید حجم فلز جوش مصرفی، کاهش اعوجاج انقباضی و دسترسی عالی تورچ جوشکاری به پاس ریشه.

اتصال لاله‌ای دوطرفه (Double U-Groove)

محدوده ضخامت مجاز قطعه (t): برای ضخامت‌های بسیار بالا (بالای ۳۸ میلی‌متر) / فاصله دهانه ریشه (Gap A): ۱.۶ تا ۳.۲ میلی‌متر / پیشانی ریشه (Land B): ۱.۶ تا ۲.۴ میلی‌متر / شعاع ریشه پخ (Radius R): حداقل ۶.۴ میلی‌متر / زاویه شیب دیواره پخ: ۱۵ درجه به صورت کاملاً متقارن / کاربرد تخصصی: ساخت بدنه رآکتورهای سنگین اسیدی و تجهیزات فوق ضخیم صنایع فرآیندی.

بخش اول: مقایسه جامع فرآیندهای جوشکاری (SMAW, GTAW, GMAW, FCAW, SAW)

۶. مقایسه جامع و تحلیل متغیرهای اجرایی فرآیندهای اصلی جوشکاری آلیاژهای نیکل

جوشکاری قوس دستی با الکترود پوشش‌دار (SMAW)

روشی بسیار منعطف و پرکاربرد در جوشکاری‌های کارگاهی و موقعیت‌های دشوار صحرایی. الکترودهای پوشش‌دار نیکل عمدتاً دارای فلوکس‌های پایه آهکی-تیتانیایی (Lime-Titania) هستند که سرباره‌ای سنگین ایجاد می‌کنند. به دلیل میل شدید پوشش این الکترودها به جذب رطوبت اتمسفر (که منبع اصلی بروز هیدروژن و تخلخل در جوش است)، نگهداری الکترودها در کابینت‌های خشک‌کننده گرم با دمای پایدار ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد ضروری است. در صورت جذب رطوبت، خشک کردن مجدد (Re-baking) در دمای ۲۶۰ تا ۳۱۵ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲ ساعت قبل از شروع کار الزامی است. آمپراژ جوشکاری باید حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر از فولادهای معمولی تنظیم شده و زاویه الکترود به صورت کششی (Drag) با طول قوس بسیار کوتاه حفظ گردد تا از اتمسفر محافظت کامل شود. پهنای نوسان الکترود (Weaving) نباید از ۳ برابر قطر مغزی الکترود تجاوز کند.

جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ (GTAW / TIG)

بهترین و باکیفیت‌ترین فرآیند برای اتصال قطعات ظریف، مخازن ورق نازک دارویی و پاس‌های ریشه لوله‌ها. در این فرآیند، گاز محافظ عموماً آرگون خالص (با درجه خلوص حداقل ۹۹.۹۹٪) یا مخلوط آرگون و هلیوم جهت افزایش حرارت ورودی در قطعات ضخیم‌تر است. اضافه کردن هیدروژن یا نیتروژن به گاز محافظ که در فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی رایج است، در آلیاژهای نیکل (به ویژه گروه‌های حاوی مس و نیکل خالص) کاملاً ممنوع است؛ زیرا حلالیت گازها در نیکل مذاب به شدت تغییر کرده و منجر به تخلخل‌های شدید کروی (Porosity) در فلز جوش می‌شود. استفاده از الکترودهای تنگستن سریم‌دار (EWCe-2) یا لانتانیم‌دار (EWLa-1) با زاویه نوک تیز صیقلی شده و جریان مستقیم قطبیت منفی (DCEN) توصیه می‌شود. جهت ممانعت از ایجاد ترک دهانه جوش (Crater Crack) در پایان خط، جوشکار باید از تکنیک جریان نزولی آرامی (Decay/Slope-out) بهره ببرد.

جوشکاری تحت پوشش گاز با سیم‌جوش مصرفی (GMAW / MIG)

فرآیندی با نرخ رسوب بسیار بالا و بهره‌وری عالی برای صفحات متوسط تا ضخیم. انتقال فلز در این فرآیند در سه حالت اتصال کوتاه (Short Circuiting)، قوس پالسی (Pulsed Arc) و اسپری (Spray Transfer) انجام می‌شود. حالت قوس پالسی (Pulsed GMAW) ایده آل‌ترین روش برای آلیاژهای نیکل است زیرا انرژی ورودی را به طور دقیق کنترل کرده، از ایجاد عیب ذوب سرد (Cold Lap) به شدت جلوگیری می‌کند و کنترل بسیار مناسبی بر حوضچه مذاب تنبل نیکل به جوشکار در موقعیت‌های سربالا ارائه می‌دهد. گاز محافظ مناسب آرگون خالص یا مخلوط آرگون با ۲۵ تا ۵۰ درصد هلیوم است. افزودن دی‌اکسید کربن (CO2) به مقدار بسیار ناچیز (حداکثر ۲.۵٪) صرفاً در جوشکاری آلیاژهای گروه II جهت تثبیت قوس مجاز است، اما در بقیه موارد به دلیل تخلخل‌زایی ممنوع می‌باشد.

جوشکاری توپودری (FCAW) و جوشکاری زیرپودری (SAW)

فرآیند FCAW با سیم‌جوش‌های توپودری مخصوص، راندمان کاربری را به خصوص در جوشکاری‌های گوشه مخازن و روکش‌دهی‌ها بالا می‌برد. فرآیند جوشکاری زیرپودری (SAW) برای ضخامت‌های بالای ۶.۵ میلی‌متر و مخازن بسیار بزرگ کاربرد دارد. در فرآیند SAW، کنترل ترکیب شیمیایی فلوکس بسیار حیاتی است. فلوکس‌های معمولی فولادی دارای مقادیر بالای سیلیسیم فعال هستند که در حین ذوب وارد حوضچه نیکل شده و ایجاد فازهای سیلیکاتی ترد و ترک گرم شدیدی می‌کنند. بنابراین، استفاده از فلوکس‌های خنثی با جذب سیلیسیم بسیار پایین (Low Silicon Pick-up Flux) که به طور ویژه برای آلیاژهای پایه نیکل فرموله شده‌اند، برای جلوگیری از عیوب متالورژیکی الزامی است.

بخش اول: دمش بک‌پورجینگ لوله‌ها و فرآیندهای اسیدشویی

۷. الزامات ویژه و نکات کلیدی در جوشکاری خطوط لوله آلیاژ نیکل

در لوله‌کشی فرآیندی تجهیزات اسیدی و صنایع دارویی، به دلیل عدم دسترسی به داخل لوله‌ها پس از مونتاژ، اعمال پاس ریشه با کیفیت بی‌نقص از اهمیت حیاتی برخوردار است. کوچک‌ترین عیب در پاس ریشه به سرعت در محیط اسیدی خورده شده و کل سیستم را فلج می‌کند. الزامات زیر در این خصوص اجباری است:

ممنوعیت کامل رینگ‌های پشت‌بند فلزی (Backing Rings): استفاده از این رینگ‌ها در لوله‌کشی آلیاژ نیکل کاملاً مردود است؛ زیرا سبب ایجاد شکاف و شیارهای باز میکروسکوپی در ریشه اتصال شده و در محیط کاربری به سرعت تحت مکانیزم خوردگی شیاری سوراخ می‌شوند. همچنین سرباره جوش در پشت آن به دام افتاده و جریان سیال را آلوده می‌کند.
روش‌های اتصال ریشه مجاز: استفاده از رینگ‌های مصرفی با ترکیب هماهنگ (Consumable Inserts - EB joint) یا استفاده از اتصال پخ دهانه باز (Open Root) با اعمال سیم‌جوش دستی تحت گاز محافظ آرگون به عنوان روش‌های استاندارد شناخته می‌شوند.
دمش گاز محافظ ریشه (Back Purging): پاس ریشه لوله‌ها و دو پاس بعدی حتماً باید تحت دمش مداوم گاز آرگون خالص از بخش داخلی لوله جوشکاری شوند تا از اکسیداسیون شدید فلز داغ ممانعت به عمل آید.
کنترل میزان اکسیژن داخل لوله: پیش از شروع عملیات قوس، دمش گاز ریشه باید تا حدی ادامه یابد که غلظت اکسیژن اتمسفر داخل لوله به کمتر از ۱۰۰۰ppm (ترجیحاً زیر ۱۰۰ppm) کاهش یابد. نفوذ اکسیژن به داخل لوله باعث ایجاد لایه‌ای ضخیم، تیره و ناهموار از اکسید نیکل و کروم روی پاس ریشه (اصطلاحاً اکسید شکری یا Sugary Weld Bead) می‌شود که مقاومت به خوردگی تجهیز را به طور کامل نابود می‌سازد.

۸. فرآیندهای اسیدشویی، تمیزکاری و تست‌های تایید پس از اتمام ساخت (Post-Fabrication Handling)

سطح نهایی تجهیزات آلیاژ نیکل در پایان فرآیند ساخت کارگاهی باید کاملاً تمیز، براق و عاری از هرگونه آلودگی ذرات آهن باشد تا مقاومت به خوردگی پیش‌بینی شده را بروز دهد. دستورالعمل‌های زیر بدین منظور اجرا می‌گردند:

ردیابی و حذف آلودگی ذرات آهن فرورفته (Embedded Iron Contamination)

ذرات آهن آزاد که در حین فرآیندهای نورد، برش‌کاری با ابزارهای آلوده یا جابجایی با زنجیرهای فولادی در سطح آلیاژ نیکل فرورفته‌اند، در اتمسفر مرطوب اکسید شده و لکه‌های زنگ‌زدگی موضعی تولید می‌کنند. این نقاط آند شده و هسته‌های اولیه خوردگی حفره‌ای (Pitting) شدید را ایجاد می‌کنند.
تست اسپری آب معمولی (Water Spray Test): اسپری آب تمیز و غیریونی بر روی سطح قطعه و مرطوب نگه داشتن آن به مدت ۲۴ ساعت. بروز لکه‌های زنگ تاییدکننده وجود آهن آزاد است.
تست کلرید سدیم (Salt Spray Test): اسپری محلول یک درصد نمک طعام روی ورق و بررسی نواحی جوشکاری پس از ۱۲ الی ۲۴ ساعت جهت ردیابی خوردگی‌های زرد و قهوه‌ای.
تست فرواکسیل فوق حساس (Ferroxyl Test): فرمولاسیون ساخت محلول: ۱۰ گرم آگار-آگار، ۱ گرم کلرید سدیم، ۱ گرم پتاسیم فروسیانید گرید آزمایشگاهی در ۱۰۰۰ میلی‌لیتر آب مقطر. این محلول به صورت پماد روی جوش‌ها مالیده می‌شود. تشکیل هرگونه نقطه آبی رنگ نشان‌دهنده واکنش آهن آزاد با پتاسیم فروسیانید بوده و وجود آلودگی آهن را بلافاصله تایید می‌کند.

دستورالعمل اسیدشویی شیمیایی و زدودن اکسیدها (Acid Pickling)

برای آلیاژهای گروه اول (مانند نیکل ۲۰۰ و آلیاژ ۴۰۰): اسیدشویی با محلولی حاوی ۳۰ میلی‌لیتر اسید کلریدریک (HCl) غلیظ و ۱۱ گرم کلرید فریک (Ferric Chloride) در ۱۰۰۰ میلی‌لیتر آب مقطر در دمای اتاق انجام می‌شود.
برای آلیاژهای گروه دوم و سوم حاوی کروم (مانند ۶۲۵ و C-276): محلول اسیدشویی حاوی ۱۰ تا ۲۰ درصد حجمی اسید نیتریک (HNO3) و ۲ درصد اسید هیدروفلوئوریک (HF) در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود تا لایه‌های ضخیم اکسیدهای تیره جوشکاری به طور کامل حل شده و فلز کاملاً نقره‌ای براق نمایان گردد.
رعایت بهداشت آبکشی: پس از اتمام اسیدشویی، شستشوی نهایی حتماً باید با آب مقطر غیریونی با غلظت کلراید بسیار پایین (زیر ۵۰ppm) انجام شده و سطح قطعه با هوای تمیز خشک شود تا لایه غیرفعال اکسید محافظ دوباره به طور طبیعی بازیابی گردد.

بخش دوم: کنترل متالورژیکی پیش‌گرم، دمای بین‌پاسی و PWHT ریخته‌گری

بخش دوم: دستورالعمل‌های متالورژیکی و کنترل فرآیند برای مهندسان مواد

۱. بررسی ضرورت پیش‌گرم (Preheat) و پایش سخت‌گیرانه دمای بین‌پاسی (Interpass Temperature)

بر خلاف فولادهای کربنی و آلیاژی که برای جلوگیری از ایجاد فازهای سخت و ترک هیدروژنی نیاز به دمای پیش‌گرم بالایی دارند، آلیاژهای نیکل به هیچ عنوان به پیش‌گرم‌سازی قبل از جوشکاری نیازی ندارند. اعمال پیش‌گرم در آلیاژهای نیکل نه تنها مفید نیست، بلکه بسیار مضر و خطرساز است؛ زیرا انرژی ورودی را افزایش داده و سرعت سرمایش حوضچه را کند می‌کند. این امر موجب grain growth شدید در منطقه HAZ و جدایش فازی عناصر در مرزدانه‌ها شده و خطر جدی ترک‌خوردگی گرم (Hot Cracking) را به همراه دارد. پیش‌گرم گرمایشی ملایم (مثلاً تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد) منحصراً زمانی مجاز است که قطعه کار سردتر از دمای کارگاه بوده و احتمال چگالش و نشست رطوبت روی لبه‌های کار وجود داشته باشد. در مقابل، کنترل دمای بین‌پاسی (Interpass Temperature) یعنی دمای فلز درست قبل از زدن پاس بعدی بسیار حیاتی است. حداکثر دمای بین‌پاسی مجاز برای گریدهای تک‌فاز نیکل ۱۷۵ درجه سانتی‌گراد (۳۵۰ درجه فارنهایت) و برای گریدهای فوق‌حساس نظیر آلیاژهای حاوی کروم بالا یا گریدهای سخت‌شونده رسوبی حداکثر ۹۵ درجه سانتی‌گراد (۲۰۰ درجه فارنهایت) تعیین می‌گردد. استفاده از گچ‌های حرارتی غیراستاندارد به دلیل داشتن گوگرد برای این کار ممنوع بوده و پایش باید با دماسنج‌های لیزری کالیبره انجام شود.

۲. فرآیند عملیات حرارتی پس از جوشکاری (Post-Weld Heat Treatment - PWHT)

آلیاژهای تک‌فاز محلول جامد نیکل به طور عمومی پس از عملیات جوشکاری نیازی به هیچ‌گونه عملیات حرارتی ندارند و در همان وضعیت جوشکاری شده (As-Welded) بهترین مقاومت به خوردگی را از خود نشان می‌دهند. با این حال، در مواردی که تنش‌های پسماند حاصل از ساخت بسیار بالا باشد و تجهیز در اسید هیدروفلوئوریک یا محیط‌های کلرایدی کار کند، جهت تنش‌زدایی و ممانعت از عیب ترک خوردگی تنشی (SCC)، عملیات حرارتی تنش‌زدایی انجام می‌شود. در خصوص آلیاژهای سخت‌شونده رسوبی (گروه IV)، عملیات حرارتی پیرسختی کامل پس از جوشکاری جهت رسوب فازهای تقویت‌کننده و بازیابی استحکام مکانیکی قطعه اجباری است. موضوع بسیار مهم‌تر، قطعات ریخته‌گری آلیاژهای Ni-Cr-Mo نظیر CW6MC, CW2M, CX2MW بر اساس استاندارد مرجع ASTM A494 است. این قطعات ریخته‌گری به دلیل سرعت انجماد کند در قالب، دچار جدایش شدید عناصر آلیاژی و رسوب فازهای ثانویه مضر و ترد نظیر فازهای اینترمتالیک (Sigma, Chi, Laves) در مرزدانه‌ها می‌شوند که مقاومت به خوردگی را نابود می‌کند. لذا بر اساس استاندارد، انجام عملیات آنیل محلول (Solution Annealing) در دمای حداقل ۱۱۷۵ درجه سانتی‌گراد (۲۱۵۰ درجه فارنهایت) به همراه سرمایش فوق‌العاده سریع (کوئنچ در آب) برای قطعات ریخته‌گری اجباری است تا تمامی این فازهای مخرب مجدداً در ساختار حل شده و آلیاژ تک‌فاز آستنیتی خالص بازیابی گردد. برای گریدهای حاوی مولیبدن بالا نظیر CW2M و CX2MW دمای آنیل محلول تا ۱۲۲۰ درجه سانتی‌گراد ارتقا می‌یابد.

۳. استراتژی انتخاب سیم‌جوش‌ها و فلزات پرکننده هم‌پایه و فوق‌آلیاژی (Filler Metal Selection)

انتخاب سیم‌جوش همواره بر اساس فرمول هم‌پایگی با ترکیب فلز پایه صورت می‌پذیرد. با این حال، متالورژیست‌ها باید به پدیده جدایش فازی (Segregation) در حین انجماد دقت داشته باشند. در حین انجماد فلز جوش، عناصر سنگینی چون مولیبدن، کروم و نیوبیم تمایل دارند به داخل فضاهای بین‌دندریتی فرار کنند، که این پدیده باعث می‌شود هسته اصلی دندریت‌ها از عناصر مقاوم تهی شده و رفتار آندیک نسبت به فلز پایه نشان دهد. در محیط‌های به شدت خشن نظیر اسیدها، فلز جوش دچار خوردگی گالوانیکی انتخابی (Selective Weld Decay) می‌شود. جهت غلبه بر این نقیصه فیزیکی، مهندس مواد باید از سیم‌جوش‌های فوق‌آلیاژی یا به اصطلاح غنی‌شده (Over-alloyed Filler Metals) استفاده کند. به عنوان مثال، برای جوشکاری صفحات آلیاژ ۸۲۵ یا برخی استنلس استیل‌های سوپرآستنیتی، استفاده از سیم‌جوش آلیاژ ۶۲۵ (با داشتن ۹٪ مولیبدن و نیوبیم) یا الکترود آلیاژ ۵۹ و ۶۸۶ توصیه می‌شود تا کاهش مولیبدن در هسته دندریت‌ها جبران شده و مقاومت به خوردگی فلز جوش همواره برابر یا بالاتر از فلز پایه بماند.

۴. چک‌لیست پایش و کنترل کیفیت قطعات ریخته‌گری آلیاژ نیکل بر اساس استاندارد ASTM A494

خرید قطعات ریخته‌گری آلیاژهای نیکل نظیر بدنه پمپ‌ها و شیرآلات صرفاً با اتکا به گواهی استاندارد عمومی ASTM A494، هرگز تضمین‌کننده عملکرد پایدار تجهیز در محیط خورنده کارخانه نیست. مهندسان مواد مکلفند الزامات تکمیلی سخت‌گیرانه‌ای را برای سازندگان قطعات ریخته‌گری اعمال کرده و آنها را در برگه خرید (PO) درج نمایند:

اجرای بازرسی‌های غیرمخرب منبع (Source Inspections): تایید عاری بودن قطعات ریخته‌گری از حفرات گازی، انقباضی و آخال‌ها با اجرای تست رادیوگرافی (RT) بر روی مقاطع حساس و تست مایعات نافذ (PT) بر روی تمامی پیشانی‌های ماشین‌کاری شده فلنج‌ها.
تست جوش‌پذیری نمونه ریخته‌گری (Cast Weldability Test): هر بچ از مذاب کوره باید تحت تست جوش‌پذیری کارگاهی قرار گیرد تا مشخص شود در اثر ورود حرارت جوشکاری تعمیراتی، مستعد ترک‌خوردگی گرم نیست.
تست هیدروستاتیک و تست فشار هوا (Hydrostatic and Air Testing): تست نشت‌پذیری با فشار آب بعد از پوسته‌زدایی و ماشین‌کاری اولیه و قبل از انجام هرگونه جوشکاری تعمیراتی جهت ردیابی ترک‌های میکروسکوپی بدنه.
ارائه مستندات ثبات کوره عملیات حرارتی (Furnace Time-Temperature Charts): دریافت اسناد ثبت اتوماتیک دما و زمان کوره جهت راستی‌آزمایی این موضوع که عملیات آنیل محلول در دمای دقیق (مثلاً ۱۱۷۵ یا ۱۲۲۰ درجه) انجام شده و فرآیند کوئنچ در آب زیر ۵۰ ثانیه صورت پذیرفته است.

بخش سوم: راهنمای هندسی طراحان، روکش‌دهی و کلد پلیت

بخش سوم: دستورالعمل‌ها و نقشه‌های عملی طراحی تجهیزات برای مهندسان طراح

دو قانون طلایی و بنیادین در طراحی تجهیزات مقاوم به خوردگی

قانون اول (تخلیه کامل سیال): طراحی هندسه تجهیز باید به گونه‌ای باشد که تخلیه کامل، آزاد، سریع و بدون مانع تمامی مایعات، محلول‌های فرآیندی و رسوبات جامد به طور طبیعی میسر باشد (Design for complete and free drainage). راکد ماندن مایع، مرگ تجهیزات نیکل است.
قانون دوم (حذف هرگونه شیار): حذف کامل تمامی شیارها، شکاف‌ها، فواصل میکروسکوپی لبه‌ها و اتصالات غیرجوشی در داخل مخزن و یا آب‌بندی کامل آنها با جوشکاری مداوم (Eliminate or seal weld crevices). خوردگی شیاری زیررسوبی بدترین نوع شکست است.

ارزیابی فیزیکی و هندسی قطعات مخازن (شکل‌های ۱۲ تا ۴۰ منبع اصلی)

بر روی تب‌های زیر کلیک فرمایید تا مقایسه طرح‌های فیزیکی مخازن را در ابزار تعاملی جوشکاری نیکل مطالعه نمایید:

شکل کف مخازن نازل‌های تخلیه گرمکن‌ها و همزن‌ها

۱. بهینه‌سازی هندسه و طراحی ساختاری کف مخازن فرآیندی اسیدی (Figures 13-18)

طراحی شکل هندسی کف مخازن تاثیر فیزیکی و شیمیایی شگرفی بر طول عمر کاری تجهیز دارد. رسوب مواد جامد معلق و تجمع آب در زیر مخزن عوامل اصلی تخریب هستند. تحلیل مهندسی چهار طرح متداول به شرح زیر است:

بسیار ضعیف و مخرب کف تخت گوشه تیز

رسوبات در گوشه‌ها تجمع یافته و منجر به خوردگی شیاری در ورق نیکل می‌شوند.

نامناسب بیرونی کف تخت گوشه گرد

رطوبت هوا به زیر پایه مخزن هدایت شده و موجب خوردگی پنهان کف می‌گردد.

طراحی خوب و استاندارد دارای لبه چکانش قطرات

حفاظ چکانش (Drip Skirt) باران و رطوبت را به بیرون پرتاب و پایه را خشک نگه می‌دارد.

بهترین ساختار مهندسی کف عدسی/دیسکی پایه‌دار

عدسی‌های دیسکی بهترین مقاومت مکانیکی و تخلیه ثقلی فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهند.

۲. موقعیت‌یابی علمی نازل‌ها و خروجی‌های کف مخزن (Figures 19-24)

باقی ماندن مایعات راکد فرآیندی در کف مخزن در حین خاموشی یا تعمیرات، کاتالیزور اصلی بروز خوردگی حفره‌ای و ترک‌خوردگی‌های متالورژیکی است. تحلیل مهندسی جانمایی‌های مختلف نازل خروجی به شرح زیر است:

دارای مانداب رسوب‌زا خروجی جانبی مرتفع

موجب انباشت لایه‌ای دائمی از مایع خورنده راکد و ته‌نشینی رسوبات خطرناک در ته مخزن می‌شود.

طراحی خوب بدون مانداب خروجی مماس با کف

اجازه می‌دهد کل سیال مخزن کاملاً تخلیه شده و در حین شستشو رسوبی باقی نماند.

مهندسی هیدرولیک عالی کف شیب‌دار به خروجی

شیب کف با استفاده از جاذبه زمین تخلیه کامل و هدایت سریع ذرات سنگین را تضمین می‌کند.

۴. جانمایی صحیح گرمکن‌های حرارتی و نازل‌های ورودی خوراک (Figures 39-40)

توزیع ناهمگون دما و نوسانات غلظت شیمیایی در بدنه مخازن آلیاژ نیکل، شایع‌ترین علل سوراخ شدن‌های موضعی هستند که ناشی از جانمایی اشتباه تجهیزات جانبی می‌باشند:

پدیده Hot Spot و سوراخ شدن گرمکن در مجاورت دیواره

نصب در مجاورت دیواره دما را موضعاً به شدت بالا برده و منجر به خوردگی سریع ورق می‌شود.

توزیع همگن و ایمنی بالا گرمکن معلق در مرکز

توزیع حرارت را کاملاً یکنواخت کرده و بدنه اصلی مخزن را در برابر خوردگی حرارتی محافظت می‌کند.

۳. طراحی اتصالات و جوش‌های گوشه دیواره به کف (Bottom Corner Welds)

اتصال قائم دیواره مخزن به کف تخت، یکی از نقاط چالش‌برانگیز برای جوشکاران است. همواری خط جوش داخلی برای نظافت مخزن بسیار حیاتی است. بررسی روش‌های مختلف طراحی هندسی این اتصال به شرح زیر است:

جوشکاری فیله تک‌طرفه فقط از داخل (Corner weld inside only) - شکل ۲۵ منبع - عملکرد کارگاهی: بسیار ضعیف و فاجعه‌بار (Worst)
ایجاد یک شکاف و شیار عمیق باز در بخش خارجی اتصال که آب اتمسفر را جذب کرده و خوردگی خارجی شدیدی پدید می‌آورد. همچنین مقاومت مکانیکی اتصال بسیار ناچیز است.
جوشکاری فیله دوطرفه از داخل و خارج (Corner weld both sides) - شکل ۲۶ منبع - عملکرد کارگاهی: متوسط و قابل قبول (Poor-Medium)
بخش خارجی آب‌بندی شده است، اما خط جوش داخلی زاویه‌دار همچنان سطحی ناهموار ایجاد می‌کند که ذرات فرآیندی در امتداد گرده جوش ته‌نشین شده و تمیزکاری صددرصدی آن ناممکن است.
زانویی با لبه انحنادار پیش‌ساخته به همراه جوش لب‌به‌لب (Rounded corner insert with butt welds) - شکل ۲۷ منبع - عملکرد کارگاهی: بهترین و ایمن‌ترین طراحی (Best)
دیواره و کف مخزن با استفاده از یک ورق نورد شده با شعاع انحنای ملایم به هم متصل شده‌اند و خطوط جوشکاری با فاصله از گوشه به صورت جوش لب‌به‌لب (Butt Weld) با نفوذ کامل اجرا گردیده‌اند. این طراحی تمیزکاری صددرصد ایده آل داخلی را فراهم ساخته و تمرکز تنش خستگی را در گوشه‌ها به صفر نزدیک می‌کند.

۵. آنالیز متالورژیکی و مقایسه روش‌های روکش‌دهی و چندلایه (Weld Overlay, Sheet Lining & Clad Plates)

به منظور صرفه‌جویی اقتصادی در ساخت مخازن بزرگ، به جای استفاده از ورق تمام آلیاژ نیکل (Solid Alloy)، از بستر فولاد ساختمانی با ضخامت بالا به عنوان پشتیبان ساختاری به همراه یک لایه نازک نیکل مقاوم به خوردگی در سمت داخلی فرآیند استفاده می‌شود. سه روش متداول برای اجرای این استراتژی در جدول زیر مقایسه شده‌اند:

پارامتر / روش ساخت	حوزه‌های کاربرد متداول صنعتی	تحلیل فنی متالورژیکی و نکات کلیدی جوشکاری
روکش‌دهی با جوشکاری (Weld Overlay)	پوشش سطوح صفحات تیوپ باندل مبدل‌های حرارتی غول‌پیکر (Tube Sheets)، شفت پمپ‌ها و شیرهای صنعتی ضخیم.	ایجاد اتصال کامل متالورژیکی با چسبندگی فوق‌العاده قوی با پشتیبان فولادی. بزرگ‌ترین چالش متالورژیکی این روش، رقیق‌شدگی جوش با عنصر آهن فلز پایه (Iron Dilution) است. آهن موجود در بدنه فولادی به شدت تمایل دارد به داخل حوضچه مذاب نیکل نفوذ کند و بالا رفتن آهن در لایه بیرونی مقاومت به خوردگی نیکل را به شدت خراب می‌کند. جهت غلبه بر این موضوع، اعمال حداقل ۲ الی ۳ لایه جوشکاری پیاپی الزامی است تا درصد آهن لایه نهایی زیر ۵٪ کنترل شود.
لاینینگ ورق آلیاژی (Sheet Lining / Loose Lining)	پوشش‌دهی سطوح مخازن و داکت‌های اتمسفریک بزرگ موجود در محل کارخانه یا ترمیم موضعی مخازن آسیب‌دیده.	قابلیت اجرای آسان در فیلد کارخانه با ضخامت ورق‌های رایج ۱.۶ میلی‌متر. ورق‌ها با فواصل مشخص از طریق جوشکاری پلاگ (Plug Weld) یا جوشکاری لبه‌ها (Lap Welds) به بدنه متصل می‌شوند. چالش بزرگ: این روش برای تجهیزات تحت خلاء (Vacuum) یا کاربری‌های با انتقال حرارت بالا (Heat Transfer) به هیچ عنوان مجاز نیست زیرا ورق لاینینگ در اثر خلاء باد کرده و کنده می‌شود. پایش سلامت ورق‌های لاینینگ با اعمال تست خلاء یا تست نشت هلیوم در پشت ورق انجام می‌شود.
ورق‌های دوپوسته کلد (Clad Plates)	ساخت برج‌های فرآیندی بلند، رآکتورهای شیمیایی خشن تحت فشار بالا و مخازن خلاء بزرگ.	پیوند یکپارچه، مستقیم و بسیار محکم متالورژیکی بین لایه نازک آلیاژ نیکل و پشتیبان ضخیم فولادی که در کارخانه فولادسازی از طریق نوردهای سنگین گرم (Roll-Bonded) یا اتصال به روش انفجاری (Explosion-Bonded) ایجاد شده است. چالش جوشکاری: در حین اتصال ورق‌های کلد به هم، هرگز نباید فولاد و نیکل با یکدیگر ترکیب شوند. روش کار علمی: ابتدا فاز آماده‌سازی پخ از سمت فولادی انجام شده و بخش فولادی به طور کامل جوشکاری می‌شود. سپس ریشه جوش از سمت نیکل با سنگ‌زنی یا کربن‌آرک (Gouging) تمیز شده و پاس‌های سمت کلد آلیاژ نیکل با سیم‌جوش‌های غنی‌شده فوق‌آلیاژی جهت جبران ذرات آهن پراکنده شده جوش داده می‌شوند.

بخش چهارم: غبارهای سمی نیکل، کروم شش‌ظرفیتی و حفاظت فردی

بخش چهارم: پروتکل‌های ایمنی، حفاظت فردی و غبارهای سمی جوشکاری آلیاژهای نیکل

عملیات جوشکاری، برش‌کاری پلاسما و آماده‌سازی آلیاژهای نیکل تولید گازها، دود و غبارهای فلزی سنگینی می‌کند که استنشاق مستقیم آن‌ها برای سلامت دستگاه تنفسی انسان به شدت زیان‌آور است. بخش اعظم این غبارها ناشی از سوختن و تبخیر پوشش الکترودها، سیم‌جوش‌ها و فلوکس‌ها است و سهم فلز پایه در تولید غبار بسیار ناچیز است. در آلیاژهای نیکل حاوی کروم (مانند گریدهای ۶۲۵ و C-276)، غبارها حاوی مقادیر بالای ترکیبات کروم ۳ ظرفیتی و به ویژه کروم ۶ ظرفیتی (Hexavalent Chromium - Cr VI) می‌باشند که عنصری بسیار سمی، جهش‌زا و سرطان‌زا شناخته می‌شود. همچنین غبار اکسید نیکل در لیست مواد با پتانسیل سرطان‌زایی ریه قرار دارد.

پروتکل‌ها و الزامات ایمنی و بهداشت کارگاه جوشکاری نیکل:

ممنوعیت حضور در مسیر مستقیم گازها: جوشکاران گرامی باید آموزش ببینند که به هیچ عنوان سر خود را در مسیر مستقیم صعود گازها و غبارهای خروجی از قوس قرار ندهند و همواره جهت دید خود را نسبت به مسیر باد کارگاه تنظیم نمایند.
الزام نصب سیستم‌های مکنده موضعی (Local Exhaust Ventilation): کارگاه ساخت باید مجهز به بازوهای مکنده متحرک موضعی با دبی مکش بالا باشد تا غبارها را درست در فاصله ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متری از نقطه قوس شکار کرده و به بیرون از فضای کارگاه هدایت نمایند.
عوارض حاد و مزمن تنفسی: استنشاق غبارهای حاوی اکسیدهای نیکل و کروم شش‌ظرفیتی در کوتاه‌مدت سبب بروز علائمی چون گلودرد شدید، سرفه، سردرد، سرگیجه، تنگی نفس و درماتیت شدید پوستی (حساسیت آلرژیک نیکل) شده و در بلندمدت خطر آسیب‌های ریوی و سرطان‌های دستگاه تنفسی را به شدت افزایش می‌دهد.
الزامات جوشکاری در فضاهای بسته (Confined Spaces): در محیط‌های بسته نظیر داخل مخازن، داکت‌ها و برج‌ها که جریان طبیعی هوا وجود ندارد، صرف استفاده از مکنده‌ها کافی نبوده و جوشکاران و اپراتورهای بازرسی مکلف به استفاده از ماسک‌های تنفسی ویژه مجهز به کپسول هوا یا سیستم تصفیه هوای دمنده برقی (PAPR - Powered Air-Purifying Respirators) هستند.
مراجعه به استانداردهای مرجع بهداشت محیط کار: جهت کسب اطلاعات تفصیلی پیرامون حدود مجاز مواجهه شغلی با غبار فلزات سنگین، مطالعه پیوست‌های استاندارد ایمنی جوشکاری انجمن جوشکاری آمریکا AWS G2.1M و کدهای OSHA اکیداً توصیه می‌شود.

برگرفته از راهنمای علمی ساخت و آماده‌سازی آلیاژهای نیکل مقاوم به خوردگی موسسه بین‌المللی نیکل (Nickel Institute - 2018)