فاکتور های موثر بر انتخاب گرید استاد بولت فولادی

استاد بولت های بر پایه کروم-مولیبدن (Cr-Mo) ستون فقرات اتصالات فلنجی در صنایع نفت و گاز هستند. گرید B7 رایج ترین انتخاب است و از آلیاژ AISI 4140 با کربن 0.37 تا 0.49 درصد ساخته می شود . این گرید تحت عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر قرار می گیرد تا ساختار مارتنزیتی ایجاد شود. استاندارد ASTM A193 حداقل استحکام تسلیم 105 ksi (725 مگاپاسکال) را برای این گرید تضمین می کند. در مقابل، گرید B16 دارای عناصر وانادیوم (0.25-0.35%) و مولیبدن (0.50-0.65%) بیشتری است. این ترکیب شیمیایی ویژه، آلیاژ را برای حفظ خواص مکانیکی در دماهای بسیار بالا بهینه می سازد . مهره های همراه این بولت ها نیز کاملاً استاندارد شده اند. برای B7 از مهره A194 Gr.2H و برای B16 از Gr.7 استفاده می شود. این جفت شدن برای اطمینان از عملکرد یکپارچه و جلوگیری از خوردگی گالوانیکی الزامی است .

در مقابل، استاد بولت گرید L7 تحت استاندارد مجزای ASTM A320 برای سرویس دمای پایین تعریف می شود. ترکیب شیمیایی این گرید بسیار شبیه به B7 است، اما تفاوت کلیدی در فرآیند کنترل کیفیت نهفته است . استاندارد A320 الزام می کند که تمامی بولت های L7 تحت آزمایش ضربه شارپی (Charpy V-Notch) قرار گیرند. این تست در دمای منفی 150 درجه فارنهایت (101- درجه سانتیگراد) انجام می شود. مقدار جذب انرژی حداقل باید 20 فوت-پوند (27 ژول) باشد تا تردی فلز تایید نشود . این تست مخرب تضمین می کند که ساختار کریستالی BCC آهن در دماهای زیر صفر دچار گذار از حالت نرم به ترد نمی شود. همچنین کنترل سختی در این گریدها بسیار حیاتی است. حداکثر سختی مجاز برای B7 و L7 تا 35 HRC است تا از خطر ترک خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC) در محیط های ترش جلوگیری شود .

تاثیر دمای کار و شرایط محیطی

دمای کاری مهمترین پارامتر در جداسازی این سه گرید است. بولت های B7 در محدوده دمایی منفی 20 فارنهایت تا 800 فارنهایت (427 درجه سانتیگراد) عملکرد موثری دارند . بالاتر از این دما، مکانیزم خزش (Creep) در ساختار فریتی B7 آغاز می شود. تنش های طولانی مدت در دمای 450 درجه سانتیگراد باعث لغزش مرز دانه ها و شل شدن پیش بار اولیه اتصال می شود. در مقابل، افزودنی های وانادیوم در گرید B16 مقاومت به خزش را به شدت افزایش می دهد. این گرید می تواند تا دمای 1100 درجه فارنهایت (593 درجه سانتیگراد) دوام آورد . عملیات حرارتی اختصاصی B16 باعث رسوب کاربیدهای ریز (V4C3) در مرز دانه ها می شود. این رسوبات از حرکت نابجایی ها جلوگیری کرده و آلیاژ را در دمای قرمز (Red Hot) پایدار نگه می دارند. بنابراین B16 انتخاب اصلی برای دیگ های بخار فوق بحرانی و واحدهای ریفورمینگ است.

اما در سوی دیگر طیف دما، شرایط زیر منفی 20 درجه فارنهایت بسیار خطرناک است. در این دماها، B7 مستعد شکست ترد (Brittle Fracture) می باشد. این پدیده بدون تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد و فاجعه بار است . در چنین شرایطی، استاندارد ASME B31.3 استفاده از گرید L7 را اجباری اعلام می کند. آلیاژ L7 همان ترکیب شیمیایی B7 را دارد، اما عملیات حرارتی آن به طور خاص برای دمای برودتی بهینه شده است. تست ضربه شارپی اثبات می کند که ساختار این بولت در دمای منفی 150 درجه فارنهایت انعطاف پذیر می ماند. همچنین محیط سرویس اسیدی (H2S) مستقیما روی انتخاب تاثیر می گذارد. در سرویس های ترش، نسخه های “M” این گریدها مانند B7M و L7M با حداکثر سختی 22 HRC و تنش تسلیم 80 ksi استفاده می شوند . کاهش سختی برای جلوگیری از شکست ناشی از ترک خوردگی سولفیدی (SSC) ضروری است.

مقاومت کششی و رفتار مکانیکی در شرایط سرویس

مقادیر عددی استحکام کششی این سه گرید در نگاه اول بسیار مشابه به نظر می رسند. گریدهای B7, B16 و L7 همگی دارای حداقل استحکام کششی نهایی 125 ksi (860 مگاپاسکال) برای قطرهای تا 2.5 اینچ هستند . همچنین حداقل تنش تسلیم (Yield Strength) برای B7 و L7 برابر 105 ksi (724 مگاپاسکال) است. با این حال، این اعداد در شرایط سرویس واقعی به دلیل حساسیت به دما (Derating) تغییر می کنند. برای یک مهندس طراح، “مدول الاستیسیته” یا E در دماهای بالا کاهش می یابد. این به معنای از دست رفتن نیروی گیرایی (Clamp Load) اتصال است. در دمای 500 درجه سانتیگراد، مدول الاستیسیته فولاد حدود 20 درصد کاهش می یابد. بنابراین اگرچه استحکام تسلیم B7 در دمای اتاق بالاست، در دمای 500 درجه سانتیگراد، B16 عملکرد بسیار بهتری در حفظ تنش دارد .

نکته حائز اهمیت دیگر، اثر سایز (Size Effect) در این استانداردها است. خواص مکانیکی بر اساس قطر اسمی بولت کاهش می یابد. برای بولت های B7 با قطر بالای 4 اینچ تا 7 اینچ، استحکام تسلیم به 75 ksi (515 مگاپاسکال) کاهش می یابد . این به دلیل سرعت سرد شدن نابرابر (Hardenability) در مغز قطعات فولادی ضخیم است. کوئنچ نمی تواند به عمق 4 اینچ نفوذ کند و در نتیجه ساختار مارتنزیت کامل در مغز تشکیل نمی شود. در نتیجه برای اتصالات فلنجی سنگین با سایز بالا، مهندسان مجبور به استفاده از گریدهای دیگر یا افزایش تعداد بولت ها می شوند. همچنین انعطاف پذیری (Ductility) با درصد کاهش سطح مقطع (Reduction of Area) سنجیده می شود. هر سه گرید B7, B16 و L7 حداقل 50 درصد کاهش سطح مقطع را ارائه می دهند. این عدد بالا تضمین می کند که بولت قبل از شکست، تغییر شکل پلاستیک واضحی (Necking) نشان می دهد که یک ویژگی ایمنی حیاتی در صنایع فرآیندی است .