كيفية اختيار البراغي عالية المقاومة الشد للبيئات الخاضعة لإجهادات عالية؟

ما المقصود بـ«البرغي عالي المقاومة الشد»؟ الدرجات والمعايير وحدّ المقاومة الشد البالغ 800 ميجا باسكال

فك رموز درجات البراغي عالية المقاومة الشد (8.8 و10.9 و12.9) والمقاومات الشدّية الدنيا الخاصة بها

يُصنَّف البراغي على أنها براجي عالية المقاومة عندما تصل إلى تلك القيمة السحرية البالغة ٨٠٠ ميجا باسكال كأدنى حدٍ للمقاومة الشدّية القصوى، وهي قيمة يراها معظم المهندسين حول العالم موثوقةً بما يكفي لأعمال البنية التحتية الجادة. ووفقاً لمعيار ISO 898-1، فإن هذه البراغي المترية تأتي مع رمز خاص مكوَّن من رقمين. فخذ الرقم الأول واضربه في ١٠٠ لمعرفة نوع مقاومة الشدّ التي نتحدث عنها بوحدة الميجا باسكال. ثم انظر إلى الرقم الثاني واضربه في ١٠، وهذه النتيجة تُخبرك بنسبة مقاومة الخضوع بالنسبة إلى إجمالي مقاومة الشدّ كنسبة مئوية. هل هذا منطقي؟ لا يصبح الأمر واضحاً حقاً إلا عند الاطلاع على ورقة المواصفات الفنية الفعلية لهذه المكونات!

• درجة 8.8 : مقاومة شدّية تبلغ ٨٠٠ ميجا باسكال، ومقاومة خضوع تبلغ ٦٤٠ ميجا باسكال (بنسبة ٨٠٪)؛ وهي مناسبة للاستخدام الهيكلي العام مثل أطراب المباني وقواعد المعدات.
• المستوى ١٠.٩ : مقاومة شدّية تبلغ ١٠٤٠ ميجا باسكال، ومقاومة خضوع تبلغ ٩٤٠ ميجا باسكال (بنسبة ٩٠٪)؛ وتُحقَّق باستخدام فولاذ سبائكي مثل الكروم-الموليبدنوم، وتُستخدم في الوصلات الخاضعة لإجهادات عالية مثل أذرع الرافعات أو وحدات الدوار.
• المستوى ١٢.٩ قوة شد تبلغ ١٢٠٠ ميغاباسكال، وقوة خضوع تبلغ ١١٠٠ ميغاباسكال (بنسبة ٩٠٪)؛ وتُنتَج عبر عمليات تبريدٍ وتصليحٍ دقيقة لمجموعة من الفولاذ السبائكي عالي الكربون، وهي مخصصة للتطبيقات ذات المتطلبات القصوى مثل سيور النقل في المناجم والمكونات الفرعية لقطاع الطيران والفضاء.

يعتمد الاختيار على نوع الحمل والهوامش الأمنية وبيئة التشغيل— وليس على القوة فحسب. إذ يؤدي تحديد درجات أعلى من المسموح به دون وجود مبرر تصميمي متناسب إلى زيادة احتمال الهشاشة وخطر التشقق الناجم عن الهيدروجين.

المعايير الدولية الرئيسية للمسامير عالية الشد: ISO 898-1، وASTM A325/A490، وASTM A354

تعتمد التوافقية العالمية والأمان على معايير متجانسة تنظم تركيب المادة والأداء الميكانيكي وإمكانية التتبع. ويُعَدّ المعيار ISO 898-1 المرجع القياسي للمسامير متريّة عالية الشد، حيث يحدد الحدود الكيميائية ومتطلبات المعالجة الحرارية والاختبارات الإلزامية— ومنها اختبار الشد واختبار الصلادة واختبار الحمل التثبيتي.

في أمريكا الشمالية، تتطابق معايير ASTM بشكل وثيق مع الدرجات القياسية الدولية (ISO)، لكنها تعكس أنظمة التسمية القديمة ومعايير الاستخدام الخاصة بكل تطبيق:

• Astm a325 : صواميل بنائية معادلة لدرجة ISO 8.8 (حد أدنى لمقاومة الشد: ٨٢٧ ميجا باسكال)، وتُستخدم على نطاق واسع في المباني ذات الهياكل الفولاذية والجسور.
• ASTM A490 : صواميل بنائية عالية القوة توافق درجة ISO 10.9 (حد أدنى لمقاومة الشد: ١٠٣٥ ميجا باسكال)، ويُشترط استخدامها في الوصلات الحرجة في المناطق الزلزالية أو المنشآت الصناعية الثقيلة.
• ASTM A354 : صواميل من فولاذ سبائكي مُعالَج بالتسخين ثم التبريد (Quenched-and-tempered) بدرجتي BC (معادلة لدرجة 10.9) وBD (معادلة لدرجة 12.9)، ومصممة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة فائقة للتعب واستقراراً عالياً عند درجات الحرارة المرتفعة.

وتتطلب جميع المعايير الثلاثة لمجموعة ASTM وجود علامات على رؤوس الصواميل لضمان إمكانية تتبع المادة بالكامل — مما يكفل المساءلة من مصنع التصنيع وحتى مرحلة التركيب — كما تحظر هذه المعايير استبدال المواد دون موافقة هندسية.

اختيار المواد للصواميل عالية المقاومة الشدّية في الظروف الميكانيكية والبيئية القاسية

الفولاذات السبائكية (42CrMo، B7، 40CrNiMo): تحسين مقاومة الخضوع، والمرونة، ومقاومة التعب

عندما يتعلق الأمر بالبراغي التي تتطلب قوةً حقيقيةً، فإن سبائك الصلب تُعَدّ أساسًا ما يجعلها تعمل بكفاءةٍ عاليةٍ عندما لا تكون التكلفة هي الشاغل الرئيسي. فخذ على سبيل المثال سبائك الكروم-الموليبدنوم، وبخاصة النوع 42CrMo المذكور في معايير الأيزو ضمن الدرجات 10.9 و12.9. ويمكن لهذه المواد أن تتحمّل قوى شدٍّ تفوق ١٠٤٠ ميجا باسكال بعد خضوعها لعمليات المعالجة الحرارية المناسبة، والتي تشمل التبريد السريع بدقةٍ يليه التليين. وما يعنيه ذلك عمليًّا هو أننا نحصل على براغي تتمتّع بتوازنٍ جيّدٍ بين القوة الكافية وعدم الهشاشة، إضافةً إلى مقاومتها للانكسار الناتج عن دورات الإجهاد المتكررة. وهذه المجموعة من الخصائص تؤدي أداءً ممتازًا في التطبيقات التي تتعرّض فيها الأجزاء للحركة المستمرة بالنسبة لبعضها البعض، مثل الذراعين في الجرارات الحفّارة أو داخل أنظمة التروس المعقدة الموجودة في توربينات الرياح الحديثة.

تتمتع سبائك ASTM A193 B7، التي تحتوي على الكروم والموليبدينوم، بمقاومة جيدة حتى عند ارتفاع درجات الحرارة إلى نحو ٤٥٠ درجة مئوية. ولهذا السبب تُستخدم عادةً في أطراف التوصيل (فلانشات) المراجل وأنابيب البخار في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم. وعند انخفاض درجات الحرارة بشكل كبير، أي دون ٥٠ درجة مئوية تحت الصفر، يلجأ المهندسون بدلًا من ذلك إلى سبائك ٤٠CrNiMo. إذ يساعد النيكل الموجود في هذه السبائك على تنقية بنية الحبيبات، مما يجعل هذه المواد تظل قوية بما يكفي لتحمل الصدمات دون أن تنكسر فجأة. ويكتسب هذا الأمر أهمية كبيرة في خزانات الغاز الطبيعي المسال وأنظمة نقله. أما إضافة كميات صغيرة من الفاناديوم أثناء المعالجة، فهي تؤدي إلى تصغير حجم حبيبات الأوستنيت خلال عمليات المعالجة الحرارية. وهذه الإضافة البسيطة تمنع بدء التشققات وتطيل عمر المكونات الخاضعة لإجهادات متكررة، وهي ميزة ذات أهمية خاصة في الهياكل الداعمة لتوربينات الرياح البحرية المثبتة على قاع المحيط.

السبائك المقاومة للصدأ والسبائك الخاصة للتطبيقات عالية الإجهاد في البيئات التآكلية أو الكريوجينية

إن الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك لم يعد كافياً بعد الآن عند مواجهة مشاكل التآكل أو الظروف القاسية للغاية من درجات الحرارة. وهنا تظهر أهمية المواد المتخصصة، التي توازن بين متطلبات القوة والحاجة إلى تحمل البيئات الصعبة. فعلى سبيل المثال، الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، مثل الأنواع A2-304 وA4-316 وفقاً لمعيار ISO 3506، يُظهر مقاومة جيدة نسبياً للتآكل في معظم الأوقات. لكن هناك عيباً في ذلك: فهذه الفولاذات نفسها تبدأ في فقدان أكثر من نصف قوتها عند درجة حرارة تبلغ نحو ٤٠٠ درجة مئوية مقارنةً بما يمكنها تحمله عند درجات الحرارة العادية. وبالتالي، ومن الناحية العملية، فإن هذه المواد تعمل بشكل أفضل في الظروف العادية أو ربما في ظروف تتسم بحرارة أعلى قليلاً، وليس في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة مرتفعة.

للاستخدامات الأكثر قساوة:

• الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (Duplex) (مثل UNS S32205/S32304) تجمع بين 22–25٪ كروم و4–6٪ نيكل ونيتروجين لتوفير قوة خضوع تبلغ حوالي 550 ميجا باسكال ومقاومة استثنائية لتشقق التآكل الإجهادي بالكلوريد—مما يجعلها مثالية للمنصات البحرية للنفط والغاز ومحطات تحلية المياه.
• التيتانيوم الدرجة 5 (Ti-6Al-4V) يوفر قوة شد تبلغ 895 ميجا باسكال عند نحو نصف كثافة الفولاذ، مما يتيح تثبيتًا عالي القوة وخفيف الوزن في أنظمة الطيران والدفع البحري المعرضة لمياه البحر.
• سبائك النيكل القائمة مثل إنكونيل 718 ، معتمدة وفقًا لمعيار ASTM B637، تحتفظ بأكثر من 90٪ من قوتها عند درجة حرارة الغرفة عند 700°م مع مقاومة الأكسدة والتسلل—متفوقة على الفولاذ الكربوني بنسبة 300٪ في اختبارات كسر التسلل طويلة الأمد في ظروف تشغيل المفاعلات النووية.

مطابقة مسامير عالية الشد لمتطلبات البنية التحتية الحرجة

توربينات الرياح والجسور: ضمان الحفاظ على القوة المسبقة وعمر التعب تحت الأحمال الديناميكية

البراغي المستخدمة في توربينات الرياح والجسور الضخمة ذات الفواصل الطويلة تتعرض لعددٍ يشبه الملايين من دورات التحميل على امتداد عقودٍ من التشغيل. وهذه المكونات تحتاج إلى ما هو أكثر من مجرد قوة خام؛ فهي تتطلب قدرةً استثنائيةً على الحفاظ على شدّها الأولي، ومقاومة التشققات، والتحمل المتكرر للإجهادات دون أن تنهار. فعلى سبيل المثال، يجب أن تظل البراغي الموجودة في أبراج التوربينات تُمسك بكل الأجزاء معًا حتى في ظل الاهتزازات الملتوية المستمرة، وقوى الانحناء الناتجة عن الرياح القوية، والتغيرات الحرارية التي قد تشوه المواد. وعندما يبدأ قوة التثبيت هذه في التراجع، تنشأ مشاكل مثل انزلاق الأجزاء بعضها ضد بعض، والتآكل السطحي الدقيق المعروف باسم «التآكل الاهتزازي» (Fretting)، وأخيرًا الفشل الهيكلي الكامل. وتروي الجسور المعلَّقة قصةً مماثلةً أيضًا: فنقاط التثبيت فيها تتعرّض لأنواعٍ مختلفةٍ من تقلبات الإجهادات الناتجة عن حركة المرور يوميًّا. وبغياب متانة كافية في هذه البراغي الحرجة، تبدأ الشقوق الصغيرة في التشكل والانتشار بوتيرة أسرع بكثيرٍ مما هو متوقع في الظروف العادية.

في معظم الحالات، أصبحت الدرجات 10.9 ومعيار ASTM A490 معايير صناعيةً شائعةً لأنها توفر مقاومةً ممتازةً للانحناء وتؤدي أداءً ممتازًا جدًّا في اختبارات التعب التي تتجاوز عشرة ملايين دورة عند نسب الإجهاد المحيطة بـ 0.1. ومع ذلك، عند النظر إلى البيئات البحرية الخارجية (البحرية)، تزداد الأمور تعقيدًا بسرعةٍ كبيرةٍ. فالالتقاط المستمر للهواء المالح ورذاذ مياه البحر يعني أن البراغي العادية لم تعد كافيةً بعد الآن. ولذلك يُحدِّد المهندسون عادةً إما خيارات البراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (Duplex Stainless Steel)، أو براغي A490 المغلفة بتقنية Geomet® الخاصة. وتساعد هذه المواد في الحفاظ على قوة البنية الهيكلية مع مقاومة الصدأ والتدهور، وكل ذلك مع الحفاظ على قوة التثبيت (Clamping Power) الحرجة سليمةً حتى في ظل الظروف البحرية القاسية.

محطات الطاقة والآلات الثقيلة: إدارة التغيرات الحرارية الدورية، والانزياح الحراري (Creep)، وسلامة الوصلات

عندما تتعرض المكونات لدورات متكررة من التسخين والتبريد، فإن المواد المختلفة تتمدد وتنكمش بمعدلات متفاوتة. ويؤدي هذا عدم التطابق بين البراغي والأطراف الواصلة (فلانشات) إلى مشكلات في الاسترخاء واحتمال حدوث تسريبات في المعدات الخاضعة للضغط. وتزداد هذه المشكلة سوءًا عندما تبقى درجات الحرارة فوق ٥٤٠ درجة مئوية لفترات طويلة. فعند هذه المستويات، يسود تشوه الانزياح (الزحف). وحتى لو بقي الإجهاد دون حدود الخضوع، فإن البراغي ستتمدد تدريجيًّا مع مرور الزمن. ومع استطالتها، تنخفض قوة التثبيت، ما يعرّض الوصلة بأكملها للخطر. ويشكل ذلك مصدر قلقٍ بالغٍ خصوصًا في التطبيقات الحرجة مثل وحدات التوربينات البخارية، ووصلات رؤوس المرجل، وأولئك المفاعلات الضخمة الموجودة في المصانع البتروكيماوية، حيث إن الفشل لا يقتصر تأثيره على التكلفة فحسب، بل قد يكون خطيرًا أيضًا.

براغي ASTM A354 الدرجة BD، التي تُصنع عادةً من سبيكة 42CrMo أو سبائك كرومية-موليبدينوم-فاناديوم مماثلة، صُمِّمت خصيصًا لمقاومة تشوه التَّدفُّق (الزَّحف) والاحتفاظ بقوتها حتى عند التعرُّض لتقلُّبات درجة الحرارة. وعند تركيب هذه البراغي، يُعدُّ معايرة العزم بدقة أمرًا بالغ الأهمية. كما تشترط العديد من عمليات التركيب إجراء عملية الشدّ الساخن، وذلك لأن المواد المختلفة تتمدَّد بمعدلات مختلفة عند التسخين. ويصبح هذا المشكل أكثر وضوحًا بشكل خاص في المعدات مثل كاسرات الفحم والمكابس الهيدروليكية، حيث يؤدي التحميل التأثيري المتكرِّر إلى انزلاقات دقيقة جدًّا بين الخيوط. وهذه الحركة الصغيرة تؤدي مع مرور الوقت إلى ما يسمّيه المهندسون «التآكل الاهتزازي» (Fretting Wear). وللتصدّي لهذه المشكلة، غالبًا ما يقوم فريق الصيانة بتثبيت واشيات بلفيل (Belleville) مُصلَّبة، وتطبيق زيت تزييت ثنائي كبريتيد الموليبدينيوم على الخيوط. وتساعد هذه الإجراءات في خفض الاحتكاك مع الحفاظ في الوقت نفسه على استقرار شد البرغي تحت ظروف الإجهاد التشغيلي.

استراتيجيات حماية المسمار عالي الشد من التآكل لضمان موثوقيته على المدى الطويل

التجديف، والطلاء الزنك الكهربائي، والطلاءات من نوع Geomet®: مقايضات الأداء ومخاطر التهشّم الناجم عن الهيدروجين

يجب ألا تُضعف إجراءات حماية المسمار عالي الشد من التآكل أبدًا سلامته الميكانيكية — لا سيما المسمار ذي الدرجة 10.9 وما فوقها، والذي يكون عرضةً جدًّا للتهشّم الناجم عن الهيدروجين.

• التغليف بالغمس الساخن يوفّر طبقات سميكة ومتينة من سبيكة الزنك-الحديد، ما يقدّم حماية حاجزية ممتازة في البيئات البحرية أو الريفية — لكنه يُحدث تغيّرات أبعادية قد تؤثّر في التجميعات ذات التسامح الضيق، ويتطلّب ثَقْب الخيوط بعد الطلاء لتحقيق الملاءمة الدقيقة.
• الطلاء الزنك الكهربائي يتميّز بكونه اقتصاديًّا ومتجانسًا، لكن الطبقات الأقل سمكًا تتدهور أسرع عند التعرّض للبيئات الحمضية أو المالحة؛ ومع ذلك، فهو لا يزال شائع الاستخدام في التطبيقات الإنشائية الداخلية أو المحمية.
• الطلاءات من نوع Geomet® (أنظمة رقائق الزنك/الألومنيوم وفقًا لمعيار ISO 10683 أو ASTM F1941) توفر مقاومة متفوقة لرش الملح (>١٠٠٠ ساعة حتى ظهور الصدأ الأبيض وفقًا لمعيار ASTM B117) مع تغيُّر طفيف جدًّا في السماكة، مما يحافظ على الدقة في التركيب والوظيفة — وهي مثالية للبنية التحتية البحرية والنقل.

جميع عمليات التلدين الكهربائي تُدخل الهيدروجين الذري إلى هيكل الفولاذ. وعندما يتعلق الأمر بمنع التشققات الهشة المتأخرة، فثمة متطلبات محددة بالنسبة للبراغي ذات الدرجة 10.9 أو أعلى. ويجب أن تخضع هذه البراغي لعملية التحميص بعد التلدين. ويجب أن يتراوح مدى درجة الحرارة بين ١٩٠ و٢٣٠ درجة مئوية، كما يجب ألا تقل المدة عن ثماني ساعات. ومن المهم جدًّا أن تبدأ عملية التحميص في غضون أربع ساعات كحد أقصى من اكتمال عملية التلدين. أما بالنسبة للأجزاء المستخدمة في التطبيقات بالغة الأهمية، فلا يمكن إهمال خطوة الانتشار هذه بأي حال من الأحوال. وينبغي على المصنِّعين التأكد من أن المورِّدين يمتلكون الوثائق المناسبة التي تثبت الامتثال إما لمعايير ISO 10683 المرفق جيم (Annex C)، أو القسم ذي الصلة في المواصفة القياسية ASTM F1941 (القسم ٧). وإن تطبيق هذا الإجراء بدقة يُحدث فرقًا حقيقيًّا في موثوقية المكونات.