فولاد (AISI) A 106

استاندارد ASTM A106 مربوط به لوله‌های فولادی کربنی بدون درز است که برای لوله‌های تحت فشار و دمای بالا به کار گرفته می‌شوند. این استاندارد شامل 3 گرید فولاد A، B و C با ترکیب شیمیایی و استحکام متفاوت است. فولاد A106 به علت دارا بودن خواصی چون مقاومت در دمای بالا، قابلیت جوشکاری و قیمت مقرون به صرفه به طور گسترده در صنایع نفت و گاز، نیروگاه‌ها، پتروشیمی‌ و دیگ‌های بخار برای انتقال مواد داغ و پر فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترکیب شیمیایی گریدهای مختلف این فولاد در ‏جدول 1 آورده شده است. در فولاد A106، کربن اصلی‌ترین عنصر تقویت‌کننده است که با افزایش آن، استحکام و سختی‌پذیری بیشتر اما شکل‌پذیری و جوش‌پذیری کاهش می‌یابد. منگنز با افزایش سختی‌پذیری، افزایش استحکام و جلوگیری از تشکیل ترکیبات مضر FeS نقش کلیدی دارد. سیلیسیوم به‌عنوان اکسیژن‌زدا عمل کرده و کمی استحکام را بهبود می‌دهد. فسفر و گوگرد باید در حد ناچیز نگه داشته شوند، زیرا موجب تردی و کاهش چقرمگی می‌شوند، هرچند مقادیر جزئی آن‌ها می‌توانند بهبود ماشین‌کاری یا اندکی افزایش استحکام ایجاد کنند. عناصر فرعی مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم هرچند در مقادیر کم حضور دارند، اما به‌ترتیب موجب افزایش مقاومت به اکسیداسیون، بهبود چقرمگی در دماهای پایین، تقویت استحکام در دمای بالا، و ریزدانه‌سازی همراه با افزایش استحکام می‌شوند. در مجموع، این ترکیب آلیاژی تعادلی میان استحکام، جوش‌پذیری و مقاومت حرارتی ایجاد می‌کند.

ترکیب شیمیایی فولاد 7218

فولاد ASTM A106 در حالت آنیل (Ferrite-Pearlite) ترکیبی از استحکام، چقرمگی و شکل‌پذیری مناسب ارائه می‌دهد؛ به‌طوری‌که استحکام کششی آن برای گریدهای A تا C بین 330 تا 485 مگاپاسکال و استحکام تسلیم بین 205 تا 275 مگاپاسکال است، در حالی‌که ازدیاد طول 20–30٪ نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری بالاست. سختی این فولاد در حالت آنیل‌شده حدود 130–180 برینل است. با انجام عملیات کوئنچ و تمپر، استحکام و سختی به‌طور چشمگیری افزایش یافته و می‌تواند به حدود 600–700 مگاپاسکال در کشش و 200–300 برینل در سختی برسد، اگرچه چقرمگی اندکی کاهش می‌یابد. در دماهای بالا (بالاتر از 500–530 درجه سلسیوس) ریزساختار فولاد تغییر کرده و به سمت نرم‌شدن و کاهش سختی و مقاومت سایشی پیش می‌رود، به همین دلیل حداکثر دمای کاری مجاز آن حدود 400–425 درجه سلسیوس در نظر گرفته می‌شود. در نتیجه، این فولاد برای انتقال سیالات تحت فشار در دما و فشار بالا مناسب است، اما برای سرویس‌های طولانی‌مدت در دماهای بالاتر باید از فولادهای آلیاژی مقاوم به خزش استفاده شود.

عملیات حرارتی فولاد A106 عمدتاً شامل نرماله کردن و تنش‌زدایی است. در این فرآیندها لوله تا محدوده آستنیتی (حدود 900 درجه سلسیوس) گرم شده و سپس در هوا سرد می‌شود تا ساختاری یکنواخت فریتی–پرلیتی ایجاد گردد که همگنی ریزساختار و چقرمگی مناسب را تضمین می‌کند. در لوله‌های سردکشیده شده نیز برای کاهش تنش‌های پسماند و بهبود خواص مکانیکی، عملیات تنش‌زدایی در دمای حدود 600 درجه سلسیوس  انجام می‌شود. این چرخه‌ها باعث بهبود قابلیت شکل‌دهی و مقاومت در برابر شکست در حین سرویس می‌گردند.

برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالاتر دارند، می‌توان فولاد را تحت سیکل کوئنچ و تمپر قرار داد؛ به این صورت که لوله ابتدا در محدوده 850–900 درجه سلسیوس آستنیتی شده و سپس سریع کوئنچ می‌شود تا ساختار مارتنزیتی سخت شکل گیرد. در ادامه با تمپر در 550–680 درجه سلسیوس، بخشی از تردی و تنش‌های داخلی کاهش یافته و ساختار به مارتنزیت تمپرشده تبدیل می‌شود که ترکیبی از استحکام بالا و چقرمگی مناسب دارد. تنظیم دمای تمپر امکان کنترل نسبت استحکام به چقرمگی را فراهم می‌کند و در نتیجه می‌توان خواص مکانیکی را متناسب با نیاز نهایی تنظیم نمود.

یکی از روش‌های مهم برای افزایش سختی سطح این فولاد، سختکاری القایی و شعله‌ای است. در این روش‌ها سطح لوله یا قطعه فولادی تا دمای آستنیتی (تقریباً 850 تا 950 درجه سلسیوس) حرارت داده می‌شود و سپس سریع سرد می‌گردد تا لایه‌ای مارتنزیتی سخت در سطح تشکیل شود. ضخامت این لایه معمولاً بین ۱ تا ۵ میلی‌متر است و بستگی به فرکانس القایی یا شدت شعله دارد. مزیت بزرگ این روش آن است که سطح سخت و مقاوم در برابر سایش ایجاد می‌شود، در حالی که مغز فولاد ساختاری چقرمه و انعطاف‌پذیر حفظ می‌کند. همین موضوع باعث می‌شود لوله‌ها یا قطعات تحت فشار بتوانند هم در برابر تنش‌های مکانیکی و هم در برابر خراش و سایش عملکرد بهتری داشته باشند. البته سختکاری سطحی برای افزایش مقاومت به خوردگی مؤثر نیست و معمولاً با پوشش‌های ضدخوردگی همراه می‌شود.

در عملیات ترموشیمیایی، عناصر فعال به داخل سطح فولاد نفوذ داده می‌شوند و ترکیب و ریزساختار سطح را تغییر می‌دهند. کربوره‌کردن یکی از روش‌های رایج است که طی آن فولاد در محیط غنی از کربن (جامد، مایع یا گاز) قرار می‌گیرد و سطح فولاد اشباع از کربن می‌شود. پس از کوئنچ، این سطح تبدیل به مارتنزیت پرکربن سخت می‌گردد که مقاومت سایشی بالایی دارد، اما به دلیل دمای بالای عملیات، اعوجاج قطعه هم زیاد است. در مقابل، نیتراسیون در دمای پایین‌تر (حدود 500–550 درجه سلسیوس) انجام می‌شود و نیتروژن وارد سطح فولاد می‌گردد. این فرایند باعث تشکیل ترکیبات سختی مانند نیتریدهای آهن و آلیاژی (AlN، CrN) می‌شود که سختی سطح را تا حدود 1000–1200 ویکرز افزایش می‌دهند. مزیت نیتراسیون نسبت به کربوره، اعوجاج کم و افزایش هم‌زمان مقاومت به سایش، خستگی و حتی خوردگی است. روش‌های دیگر مانند کربونیتراسیون (ترکیب نفوذ کربن و نیتروژن) و بورنایتراسیون نیز وجود دارند که لایه‌های سخت‌تر و مقاوم‌تر ایجاد می‌کنند، اگرچه هزینه و کنترل فرایندشان پیچیده‌تر است.

پوشش‌دهی‌ها طیف وسیعی از روش‌ها را شامل می‌شوند که هدف اصلی آن‌ها محافظت در برابر خوردگی یا ایجاد خواص ویژه سطحی است. پوشش‌های فلزی مانند گالوانیزه گرم یا آبکاری نیکل و کروم یک لایه محافظ روی سطح فولاد تشکیل می‌دهند و مقاومت بالایی در برابر رطوبت، اکسیداسیون و محیط‌های خورنده دارند. پوشش‌های شیمیایی مثل فسفاته‌کردن یا اکسیداسیون سیاه (بلک اکساید) هم سطح را آماده پذیرش رنگ یا روغن کرده و مقاومت خوردگی را تقویت می‌کنند. علاوه بر این، پوشش‌های آلی نظیر رنگ‌های اپوکسی و پلی‌یورتان یا حتی پوشش‌های پلیمری ضخیم‌تر، مانع نفوذ رطوبت و مواد خورنده به سطح فولاد می‌شوند. در صنایع پیشرفته‌تر از پاشش حرارتی (Thermal Spray) با ذرات فلزی یا سرامیکی استفاده می‌شود که سطح را در برابر دما و سایش شدید محافظت می‌کنند. در کنار این‌ها، روش‌های مکانیکی مانند شات‌پینینگ و رولینگ سطحی با اعمال ضربات یا فشار روی سطح، تنش‌های پسماند فشاری ایجاد می‌کنند و این تنش‌ها مقاومت خستگی فولاد را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. ترکیب این روش‌ها در عمل رایج است؛ مثلاً برای یک لوله تحت فشار می‌توان ابتدا سطح را نیتراسیون کرد و سپس با پوشش اپوکسی یا گالوانیزه حفاظت خوردگی طولانی‌مدت ایجاد نمود.

فولاد A106 از نظر مقاومت سرویس، در برابر خستگی رفتاری مشابه فولادهای کربنی ساده دارد و حد خستگی آن حدود نصف استحکام کششی است (برای گرید B در حدود 200 مگاپاسکال). این بدان معناست که در کاربردهای سیکلی متوسط عملکرد قابل قبولی دارد اما برای شرایط خستگی شدید باید محافظه‌کارانه طراحی شود. وجود عوامل مخرب مانند محیط خورنده یا دمای بالا می‌تواند عمر خستگی را کاهش دهد، در حالی‌که عملیات سطحی مثل شات‌پینینگ یا نیتراسیون توان افزایش حد خستگی را دارند. در مورد خزش، A106 در دماهای متوسط مناسب است اما بالاتر از 425 درجه سلسیوس به دلیل نبود عناصر آلیاژی پایدارکننده کاربید، مقاومت خود را به‌سرعت از دست می‌دهد و حتی دچار گرافیتی‌شدن می‌شود؛ بنابراین برای سرویس‌های دما بالا استفاده از فولادهای آلیاژی جایگزین ضروری است.

از نظر خوردگی، فولاد A106 مقاومت ذاتی پایینی دارد و بدون محافظت به سرعت زنگ می‌زند یا دچار خوردگی حفره‌ای می‌شود، به‌ویژه در محیط‌های مرطوب، اسیدی یا دریایی. به همین دلیل همواره باید با پوشش‌هایی مانند اپوکسی، رنگ، گالوانیزه یا لاینرهای پلیمری/استنلس محافظت شود. در برابر سایش نیز به دلیل سختی پایه پایین، عملکرد متوسطی دارد و در تماس با ذرات جامد به سرعت دچار فرسایش می‌شود. برای بهبود، می‌توان از سختکاری سطحی، نیتراسیون، پاشش سرامیکی یا لاینرهای مقاوم استفاده کرد که سختی را تا محدوده HRC 50  یا بیشتر رسانده و عمر سرویس را چندین برابر افزایش می‌دهند. در مجموع، فولاد A106 برای فشار و دماهای متوسط انتخاب اقتصادی مناسبی است، اما برای سرویس‌های بسیار خورنده، دما بالا یا ساینده نیاز به بهسازی یا جایگزینی با آلیاژهای مقاوم‌تر دارد.

فولاد ASTM A106 یک فولاد کربنی پرکاربرد برای شرایط فشار و دمای بالا است که در سه گرید A، B و C عرضه می‌شود. افزایش کربن موجب استحکام بیشتر و در عین حال کاهش جزئی شکل‌پذیری می‌گردد. این فولاد جوش‌پذیری خوبی دارد، در ابعاد مختلف به‌راحتی در دسترس است و در حالت آنیل شده از خواص مکانیکی متعادلی برخوردار است. عملیات حرارتی مانند نرماله‌کردن یا کوئنچ و تمپر می‌تواند استحکام و چقرمگی آن را بهبود دهد. با این حال، محدودیت اصلی A106 مقاومت کم در برابر خوردگی و حساسیت به خزش و افت خواص در دماهای بالای 450درجه سلسیوس است. همچنین مانند فولادهای کربنی دیگر، مقاومت خستگی آن برای سیکل‌های متوسط رضایت‌بخش است اما برای بارهای سیکلی شدید یا طولانی‌مدت باید از تقویت سطحی یا آلیاژهای مقاوم‌تر استفاده شود.

برای رفع این نقاط ضعف، عملیات سطحی و پوشش‌دهی نقش مهمی ایفا می‌کنند. نیتراسیون و کربوراسیون سختی سطح را افزایش داده و مقاومت در برابر سایش و خستگی را تقویت می‌کنند، در حالی که پوشش‌هایی مانند گالوانیزه، رنگ اپوکسی یا کروماتی از خوردگی جلوگیری می‌کنند. در بسیاری از موارد ترکیب این روش‌ها بهترین نتیجه را دارد؛ مثلاً لوله‌ای که هم در معرض سایش و هم محیط خورنده است می‌تواند ابتدا سختکاری سطحی شود و سپس با یک لایه محافظ ضدخوردگی پوشش داده شود. به این ترتیب، A106 به دلیل قیمت مناسب، قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری آسان، و امکان بهسازی‌های متنوع، همچنان یکی از مطمئن‌ترین و پرکاربردترین انتخاب‌ها برای لوله‌کشی صنعتی محسوب می‌شود.