جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

جوشکاری فولادهای مقاوم به خزش و مقاوم به حرارت: اصول، چالش‌ها و استانداردهای بین‌المللی

چکیده

فولادهای مقاوم به خزش (Creep-Resistant Steels) که با نام فولادهای مقاوم به حرارت نیز شناخته می‌شوند. برای کاربرد در دماهای بالا و تحت تنش مکانیکی طولانی‌مدت طراحی شده‌اند. این فولادها در تجهیزاتی مانند مولدهای بخار، مبدل‌های حرارتی، مخازن تحت فشار و خطوط لوله نیروگاه‌ها و پتروشیمی‌ها نقشی حیاتی ایفا می‌کنند. با این حال، جوشکاری این فولادها به دلیل حساسیت بالای آن‌ها به ترک سرد ناشی از هیدروژن، ترک مجدد حین عملیات حرارتی (reheat cracking). تشکیل ریزساختارهای مارتنزیتی شکننده و پدیده شکست نوع IV (Type IV Cracking) نیازمند رعایت دقیق رویه‌های استاندارد شامل پیش‌گرمایش (Preheating). کنترل دمای بین‌پاس (Interpass Temperature) و عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) است. این مقاله با استناد به منابع معتبر بین‌المللی از جمله ESAB، TWI، AWS و استاندارد ASTM به بررسی جامع اصول جوشکاری، مکانیسم‌های تخریب. پارامترهای عملیاتی و کاربردهای صنعتی فولادهای مقاوم به خزش می‌پردازد.

۱. مقدمه

فولادهای مقاوم به خزش، آلیاژهایی هستند که توانایی حفظ استحکام خود را در دماهای بالا و در دوره‌های زمانی طولانی حفظ می‌کنند. به عبارت دیگر، هنگامی که یک فولاد در معرض تنش مکانیکی ثابت و دمای بالا برای مدت زمان طولانی قرار می‌گیرد.

جوشکاری فولادهای مقاوم

حتی اگر تنش وارده کمتر از استحکام تسلیم آن باشد، به‌تدریج دچار تغییر شکل می‌شود که به این پدیده خزش (Creep) می‌گویند. برای فولادها، خزش معمولاً در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سلسیوس آغاز می‌شود. برای مثال، لوله فولادی در یک نیروگاه تحت فشار ثابت و دمای کاری ۶۰۰ درجه سلسیوس به تدریج تغییر شکل می‌دهد.

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

حتی اگر تنش ثابت بماند. به همین دلیل، فولادهای مقاوم به خزش با استحکام کششی بالا، چقرمگی مطلوب و مقاومت عالی در برابر خزش حتی در دماهای بالا مشخص می‌شوند. عناصری که مقاومت به خزش را افزایش می‌دهند شامل کربن (C) ، کروم (Cr) ، مولیبدن (Mo) ، وانادیم (V) و تیتانیوم (Ti) هستند. هرچه میزان کروم و مولیبدن بیشتر باشد، دمای قابل تحمل فولاد بالاتر خواهد رفت. برای مقایسه، فولادهای غیرآلیاژی فقط تا حدود ۳۵۰ درجه سلسیوس قابل استفاده هستند. در حالی که فولادهای کروم-مولیبدن با وانادیم بالا تا حدود ۶۵۰ درجه سلسیوس کاربرد دارند. در نتیجه، جوشکاری این فولادها به دلیل حساسیت بالای آن‌ها به عوامل متالورژیکی، نیازمند درک عمیق از متالورژی و کنترل دقیق فرآیندهای حرارتی است.

۲. چالش‌های اصلی در جوشکاری فولادهای مقاوم به خزش

جوشکاری این فولادها در صورت انجام نادرست می‌تواند منجر به تنش‌های داخلی، ریزساختارهای ترد، ترک‌های گرم (hot cracks). ترک‌های هیدروژنی و کاهش مقاومت خزشی اتصال شود. از این رو، پیش‌گرمایش و PWHT گام‌های اجباری و نه اختیاری برای دستیابی به اتصال قابل اعتماد هستند. تحقیقات متعدد نشان داده‌اند که مناطق متأثر از حرارت (HAZ) در اتصالات جوشکاری شده، به ویژه ناحیه HAZ ریزدانه بین‌نقطه‌ای (ICHAZ). حساس‌ترین منطقه متالورژیکی به حمله هیدروژنی و تخریب خزشی هستند. شکست نوع IV (Type IV Cracking) در ناحیه بین‌نقطه‌ای یا ریزدانه HAZ از طریق مکانیزم خزش رخ می‌دهد. و گزارش شده است که می‌تواند عمر خزشی اتصال جوش را تا پنج برابر کمتر از عمر طراحی فلز پایه کاهش دهد. مهم‌ترین چالش‌های جوشکاری این فولادها به شرح زیر است:

۲.۱. ترک سرد ناشی از هیدروژن

فولادهای مقاوم به خزش حاوی عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، وانادیم و نیوبیوم هستند. که کاربیدها و/یا نیتریدهای پایدار تشکیل می‌دهند و به استحکام آن‌ها کمک می‌کنند. با این حال، این ویژگی مستلزم اعمال کنترل‌های دقیق در طول فرآیند جوشکاری و انتخاب فلز پرکننده است. ترک سرد معمولاً طی ۲۴ تا ۴۸ ساعت پس از جوشکاری رخ می‌دهد و عمدتاً ناحیه متأثر از حرارت را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

برای جلوگیری از این عیب، جلوگیری از تشکیل ریزساختار مارتنزیت، مدیریت تنش پسماند و به حداقل رساندن هیدروژن ضروری است. در واقع، سه شرط برای وقوع ترک سرد ناشی از هیدروژن باید همزمان وجود داشته باشد. وجود هیدروژن قابل انتشار (ناشی از الکترودهای مرطوب، روغن یا گریس) ، تشکیل ریزساختار مارتنزیتی شکننده در اثر سرمایش سریع در HAZ. و وجود تنش کششی ناشی از انقباض حین سرد شدن. در این میان، فولادهای CSEF (Creep Strength Enhanced Ferritic) مانند P91. نسبت به فولادهای سنتی‌تر مانند P22 به مراتب حساستر بوده و توجه بیشتری را می‌طلبند.

۲.۲. ترک مجدد حین عملیات حرارتی

ترک مجدد که با نام ترک ناشی از تنش‌زدایی (stress-relief cracking) نیز شناخته می‌شود، در ناحیه HAZ ظاهر می‌گردد. اجتناب از دماهای بین ۴۵۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس و کنترل حضور عناصر باقیمانده مانند فسفر (P) ، گوگرد (S) ، قلع (Sn). آرسنیک (As) و آنتیموان (Sb) برای کاهش ترک مجدد حیاتی است. این نوع ترک به ویژه در فولادهای کروم-مولیبدن با وانادیم بالا مشاهده می‌شود و تحقیقات نشان داده است. که عملیات حرارتی طولانی‌تر در حین PWHT می‌تواند زمان گسیختگی خزشی فلز جوش را کاهش دهد و در عین حال انرژی ضربه را افزایش دهد. به عبارت دیگر، رابطه پیچیده‌ای بین مدت زمان PWHT و خواص مکانیکی وجود دارد که باید با دقت بهینه‌سازی شود.

۲.۳. شکست نوع IV (Type IV Cracking)

یکی از مهم‌ترین عیوب در اتصالات جوش فولادهای CSEF، شکست نوع IV است. این نوع شکست در ناحیه بین‌نقطه‌ای (intercritical) یا ریزدانه (fine grain region) HAZ از طریق مکانیزم خزش رخ می‌دهد. و منجر به شکست با تغییر شکل کلی بسیار کم در سراسر اتصال می‌شود. گزارش‌ها حاکی از آن است که این پدیده می‌تواند عمر خزشی اتصال جوش را تا یک‌پنجم عمر طراحی فلز پایه کاهش دهد. بنابراین، انتخاب دقیق پارامترهای جوشکاری، فلز پرکننده و شرایط PWHT برای کنترل این پدیده بسیار حائز اهمیت است.

جوشکاری فولادهای مقاوم

۳. طبقه‌بندی و مشخصات فنی فولادهای مقاوم به خزش

فولادهای مقاوم به خزش فریتی همچنان مواد انتخابی برای نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌های نفت و پتروشیمی در سراسر جهان هستند. این فولادها به دسته‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند: فولادهای CMn، فولادهای Mo، فولادهای کم آلیاژ CrMo و فولادهای ۱۲-۹% Cr. نسل اول آلیاژهای مقاوم به خزش بین سال‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۷۰ توسعه یافت. و شامل گریدهای P11 (۱.۲۵% Cr-۰.۵% Mo) .P22 (۲.۲۵% Cr-۱% Mo) ، P5 (۵% Cr-۰.۵% Mo) و P9 (۹% Cr-۱% Mo) می‌شود.

عناصر آلیاژی اصلی در این فولادها کروم و مولیبدن هستند. کروم مقاومت به اکسیداسیون را افزایش می‌دهد و به دلیل تشکیل کاربیدها استحکام را بهبود می‌بخشد. مولیبدن مؤثرترین عنصر برای بهبود مقاومت خزشی از طریق استحکام‌دهی محلول جامد است. از آنجایی که حلالیت مولیبدن در محلول جامد کمتر از ۱% است، توانایی آن برای بهبود بیشتر مقاومت خزشی محدود می‌باشد. و به همین دلیل آلیاژهای مقاوم به خزش معمولاً حاوی ۱% یا کمتر مولیبدن هستند. جدول زیر خلاصه‌ای از گریدهای اصلی و مشخصات آن‌ها را بر اساس منابع مختلف نشان می‌دهد:

جوشکاری فولادهای مقاوم

نخست، لازم به ذکر است که P91 که توسط آزمایشگاه ملی Oak Ridge در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافت. و در سال ۱۹۸۳ در ASTM A213 استاندارد شد. یک فولاد فریتی-مارتنزیتی با استحکام خزشی تقویت‌شده (CSEF) است. دوم، این فولادها حاوی کاربیدهای ریز و پایدار هستند که با مهار نابجایی‌ها از تغییر شکل در دماهای بالا جلوگیری می‌کنند. سوم، در حالی که آلیاژهای CSEF اولیه (P91 و P92). از دهه ۱۹۸۰ به طور گسترده در آمریکای شمالی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، تحقیقات نشان داده است. که ارزیابی‌های اولیه از مقادیر تنش مجاز برای گرید 91 بیش از حد برآورد شده بود. و این مقادیر در سال 2017 به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافت. چهارم، علاوه بر اینها، فولادهای نسل جدید مانند P92 (با افزودن تنگستن) ، T23 (مشابه P22. اما با استحکام بالاتر حاوی حدود ۲% تنگستن) و T24 (مشابه T22 اما با افزودن وانادیم، تیتانیوم و بور) توسعه یافته‌اند.

۴. رویه‌های استاندارد جوشکاری

برای دستیابی به اتصالی قابل اعتماد و دارای استحکام خزشی مطلوب، رعایت سه مرحله حیاتی الزامی است:

۴.۱. پیش‌گرمایش و دمای بین‌پاس

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

پیش‌گرمایش برای جلوگیری از تشکیل ریزساختارهای مارتنزیتی ترد و انتشار هیدروژن از ناحیه جوش ضروری است. روش کربن معادل IIW برای این فولادها قابل استفاده نیست. متأسفانه، مشخصات جوشکاری خاص اغلب فاقد راهنمایی در مورد دماهای پیش‌گرمایش توصیه شده هستند. بنابراین، مشورت با متخصصان یا مراجعه به مشخصات رویه جوشکاری (WPS) برای تعیین دماهای مناسب پیش‌گرمایش و بین‌پاس بسیار مهم است. بر اساس مطالعات انجام شده بر روی لوله‌های T91/T92، دمای پیش‌گرمایش باید با استفاده از ترموکوپل‌های کالیبره شده در دو طرف اتصال تضمین شود. همچنین، قطع چرخه حرارتی جوشکاری (اجازه خنک شدن قطعه تا دمای محیط) باید تا حد امکان اجتناب شود. زیرا این امر منجر به تشکیل مارتنزیت و گیر افتادن هیدروژن می‌شود. در صورت لزوم قطع فرآیند، قطعه باید بلافاصله تحت PWHT قرار گیرد.

۴.۲. عملیات حرارتی پس از جوش

PWHT برای کاهش تنش‌های پسماند، تمپر کردن ریزساختار مارتنزیتی شکننده، بازیابی چقرمگی در HAZ و افزایش مقاومت خزشی در سرویس طولانی‌مدت دمای بالا ضروری است. تحقیقات علمی نشان داده است که PWHT در دمای ۷۶۰ درجه سلسیوس به مدت ۲ ساعت می‌تواند ریزساختار را به طور مؤثری تمپر کرده. و سختی اضافی ناشی از تشکیل مارتنزیت را کاهش دهد. با این حال، مدت زمان PWHT باید با دقت بهینه‌سازی شود.

جوشکاری فولادهای مقاوم

به عنوان مثال، تحقیقات بر روی فلز جوش ۲.۲۵Cr-1Mo-0.25V نشان داده است. که مدت زمان طولانی‌تر PWHT باعث کاهش زمان گسیختگی خزشی فلز جوش و افزایش انرژی ضربه می‌شود. همچنین، مدت زمان طولانی‌تر PWHT باعث کاهش استحکام و افزایش شکل‌پذیری فلز جوش می‌گردد. اگرچه سختی کلی فلز جوش با مدت زمان طولانی‌تر PWHT کاهش می‌یابد. PWHT بیش از ۱۲ ساعت منجر به افزایش مقاومت تمپر نواحی HAZ بین مهره‌های جوش در فلز جوش چندلایه می‌شود. که به عواملی مانند بازآستنیته شدن، تنش‌زدایی در جریان جوشکاری چندلایه، کسر بالاتر کاربیدهای درشت و اندازه دانه ریزتر در HAZ نسبت داده می‌شود.

۴.۳. انتخاب فلز پرکننده

انتخاب فلز پرکننده مناسب بر اساس تطابق ترکیب شیمیایی با فلز پایه و الزامات خواص مکانیکی انجام می‌شود. پیشنهادهای اصلی به شرح زیر است:

• برای P91 (۹Cr-۱Mo-V-Nb): فلزات پرکننده ER90S-B9 (برای GTAW) و E9018-B9 (برای SMAW)
• برای P22 (۲.۲۵Cr-۱Mo): فلزات پرکننده ER90S-B3 و E9018-B3
• برای P5 (۵Cr-۰.۵Mo): فلزات پرکننده ER80S-B6 و E8018-B6
• برای P11 (۱.۲۵Cr-۰.۵Mo): فلزات پرکننده ER80S-B2 و E8018-B2

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

در اتصالات غیرمشابه (Dissimilar Welds) مانند اتصال P22 به P91، تحقیقات نشان داده است. که فلز پرکننده پایه نیکلی (ERNiCrMo-3) اگرچه شکل‌پذیری بهتری ارائه می‌دهد، ناهمگنی بیشتری ایجاد می‌کند. در مقابل، فلز پرکننده پایه فولادی (ER90S-B3). سازگاری بهتری به ویژه در سناریوهای تعمیراتی نشان داده و در صورت انجام PWHT مناسب، قابلیت اطمینان بالاتری را تضمین می‌کند. این یافته‌ها با دستورالعمل‌های EPRI و استانداردهای یکپارچگی جوش در کاربردهای لوله‌های دمای بالا مطابقت دارد.

۵. کاربردهای صنعتی فولادهای مقاوم به خزش

فولادهای مقاوم به خزش به دلیل ترکیب منحصربه‌فرد استحکام، مقاومت به خوردگی و پایداری حرارتی، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. نخست، حوزه اصلی کاربرد این فولادها تولید برق است. توربین‌های بخار به آهنگری‌ها و ریخته‌گری‌های بزرگ نیاز دارند، در حالی که مخازن تحت فشار. بویلرها و سیستم‌های لوله‌کشی به لوله‌ها، ورق‌ها و اتصالات نیازمند هستند. به طور خاص، از دهه ۱۹۹۰، گرید 91 به طور گسترده برای لوله‌های سوپرهیتر و ری‌هیتر. هدرها و سیستم‌های لوله‌کشی بخار در نیروگاه‌های حرارتی در سراسر جهان استفاده می‌شود.

جوشکاری فولادهای مقاوم

این ماده همچنین به عنوان ماده ریخته‌گری برای قطعات توربین بخار مانند بدنه شیرها در دسترس است. دوم، این فولادها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی برای ساخت راکتورهای هیدروژنی با دیواره ضخیم، مخازن تحت فشار. راکتورهای شیمیایی و خطوط لوله انتقال سیالات داغ کاربرد دارند. به عنوان مثال، فولاد ۲.۲۵Cr-1Mo-0.25V به طور معمول در مخازن تحت فشار با دیواره ضخیم حامل هیدروژن در صنایع شیمیایی و پتروشیمی استفاده می‌شود. سوم، صنایع نفت و گاز نیز از این فولادها در ساخت تجهیزات فرآیندی و خطوط لوله با دمای بالا بهره می‌برند. در ایران، فولادهای P11 و P22 در پالایشگاه‌های نفت و پتروشیمی و فولاد P91 در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی و واحدهای بازیافت حرارتی کاربرد گسترده‌ای دارند.

نتیجه‌گیری

فولادهای مقاوم به خزش و مقاوم به حرارت به دلیل حضور عناصر آلیاژی فعال و ریزساختار حساس خود. جوش‌پذیری محدودی داشته و مستعد ترک سرد ناشی از هیدروژن، ترک مجدد حین عملیات حرارتی و شکست نوع IV هستند. با این حال، با رعایت دقیق رویه‌های استاندارد شامل انتخاب فلز پرکننده منطبق (B2، B3، B6، B9 و غیره) . پیش‌گرمایش اجباری با دمای ۱۲۱ تا ۲۰۴ درجه سلسیوس (بسته به گرید و ضخامت) . کنترل دقیق دمای بین‌پاس و اجرای عملیات حرارتی پس از جوش با دمای ۶۸۰ تا ۷۶۰ درجه سلسیوس. می‌توان اتصالاتی با استحکام خزشی مطلوب و عمر کاری طولانی تولید کرد.

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

انتخاب نسل مدرن CSEF مانند P91 و P92 نسبت به آلیاژهای سنتی مانند P22 اگرچه استحکام خزشی بالاتری ارائه می‌دهد. نیازمند کنترل‌های متالورژیکی دقیق‌تری در طول جوشکاری و عملیات حرارتی است. در صنایع حساسی مانند تولید برق و پتروشیمی که ایمنی و قابلیت اطمینان در اولویت است، پایبندی به دستورالعمل‌های معتبر بین‌المللی. (مانند استانداردهای ESAB، TWI و AWS) و اخذ گواهی‌های کیفی، تضمین‌کننده عملکرد مطمئن و ایمن اتصالات جوش در شرایط سخت کاری دمای بالا خواهد بود.

منابع و مآخذ

• Certilas. Welding of Creep-Resistant Steels: Importance of Preheating, PWHT and Proper welding consumables. Available at: https://multigaz.dealer.certilas.com/en/welding-creep-resistant-steels-importance-preheating-pwht-and-proper-welding-consumables.
• ESAB. Welding Guidelines for Creep-Resistant Steels: Ensuring Quality and Durability. July 12, 2023. Available at: https://esab.com/ro/eur_en/esab-university/blogs/welding-guidelines-for-creep-resistant-steels-ensuring-quality-and-durability/.

جوشکاری فولاد مقاوم به خزش

• TWI Global. Welding and Repair of Creep Resisting Steels (TP91). Project Code: 0903-06. Available at: https://www.twi-global.com/what-we-do/research-and-technology/research-programmes/core-research-programme/executive-summaries/best-practice-in-the-welding-and-repair-of-creep-resisting-steels-t-p91.
• Coleman, K.K. and Newell, W.F. Jr. P91 and Beyond Welding the new-generation Cr-Mo alloys for high-temperature service. Available at: http://www.superheat.com/pdf/368.pdf.

• International Molybdenum Association (IMOA). High-temperature steel. Available at: https://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-alloy-steels-irons/high-temperature-steel.php.
• Schönmaier, H., Fleißner-Rieger, C., Krein, R., et al. On the impact of post weld heat treatment on the microstructure and mechanical properties of creep resistant 2.25Cr–1Mo–0.25V weld metal. Journal of Materials Science, 2021, Vol. 36, pp. 20208-20223.

جوشکاری فولادهای مقاوم

• ESAB. Atom Arc 8018-B6 Product Datasheet. Available at: https://esab.com/us/nam_en/products-solutions/filler-metals-pdf/?filename=mdm-productfamily-6024&siteid=nam_en&countryname=USA&countrylocale=en-us.
• WELD Magazine. A Practical Perspective On Grade 91 & Grade 92 Creep Strength Enhanced Ferritic Alloys For Power Generation Applications. Available at: https://www.weldmagazine.com/weldmagazine/library/item/weld-fall2025/4295670/.
• Khakshouri, R. Exploring Grade 91 Creep Strength Enhanced Ferritic (CSEF) Alloy Steels (A335 P91, A182 F91, A213 T91, A217 C12A, A387 91). LinkedIn Article. Available at: https://www.linkedin.com/posts/rezakhakshouri_exploring-grade-91-creep-strength-enhanced-activity-7281482166079782912-H_c5.

• MDPI. Microstructural Study of Welded and Repair Welded Dissimilar Creep-Resistant Steels Using Different Filler Materials. Proceedings of the 8th International Conference of Engineering Against Failure (ICEAF VIII), 2025.
• BHEL (Bharat Heavy Electricals Limited). Tender Specifications for Welding of T91/T92/T23 Tube Joints – Preheat and PWHT Requirements. Available at: https://tenders.bhel.com.
• Superheat. P91 and Beyond: Welding the New-Generation Cr-Mo Alloys for High-Temperature Service. Technical Paper. Available at: https://www.superheat.com/pdf/368.pdf.

جوشکاری فولادهای مقاوم

• ScienceDirect (Elsevier). Comparative study of autogenous tungsten inert gas welding and tungsten arc welding with filler wire for dissimilar P91 and P92 steel weld joint. Materials Science and Engineering: A, Volume 712, 17 January 2018, Pages 720-737.
• INIS (International Nuclear Information System). Influence of welding process and heat treatment on δ-ferrite evolution and mechanical properties of P91 weldments. Available at: https://inis.iaea.org/records/8bfc2-he977.