هندسة اللحام لتحسين السلامة وخفض التكاليف – المهندس السيد عدنان العوامي*

الهدف من هذه المقالة هو تقديم نبذة مختصرة عن هندسة اللحام والتي أرجو أن يبادر خريجي المرحلة الثانوية في اختيار هذا التخصص في المرحلة الأكاديمية أو يسلكونه كمسار مهني بعد التخرج. فهناك شح كبير في عدد مهندسي اللحام، ولهذا السبب يعتبر مهندس اللحام من أعلى المهندسين أجراً حول العالم، في الولايات المتحدة الأمريكية –على سبيل المثال– يتقاضى مهندس اللحام ما بين 91,000.00 و 102,000.00 دولار مرتباً سنوياً.

تعتبر هندسة اللحام من التخصصات الهندسية الهامة، إن لم تكن الأساسية، في عمليات التصنيع المرتبطة بمختلف الصناعات إبتداءً من إنشاء المعامل الضخمة، تشييد الجسور الحديدية، وتصنيع وسائل النقل المتعددة وإنتهاءً بتصنيع الوصلات الدقيقة للأجهزة الإليكترونية، أجهزة الحاسوب والهواتف الذكية. على سبيل المثال لقد استخدمت شركة أبل “Apple” العملاقة تقنية جديدة في أسلوب اللحام تسمى “Friction Stir Welding” في تصنيع الموديلات الحديثة ل (iMac) حتى يكون أخف وزناً وذلك يعتبر تقدم كبير في عالم تقنية الحاسوب الآلي.

تتطلب هندسة اللحام الإلمام بعلم المعادن، الهندسة الميكانيكية، هندسة التصنيع، الهندسة الكهربائية، هندسة إدارة المشاريع، تقنيات عمليات اللحام بالإضافة الى مجالي مراقبة وضمان الجودة. وتلعب هندسة اللحام دور هام في مرحلة ماقبل التصنيع، تحليل خلل المعدات وخطوط الأنابيب، وإصلاح المعدات المعطلة.

مرحلة ماقبل التصنيع

تساهم هندسة اللحام في عدة أوجه في مرحلة ماقبل التصنيع:

• التصميم: تحسين التصميم الهندسي للمعدات والهياكل المعدنية، وذلك بتوفير مرونة أكثر في التصميم “Design Flexibility” و تفادي حدوث تشوهات (Deformation) أو تشققات (Cracks) أثناء التصنيع وكذلك لتحسين آداء المعدات خلال التشغيل. فكثير من الأحيان تصنيع المعدات او الهياكل المعدنية يتطلب تسلسل خاص لعملية لحام الوصلات وهذا يحتم أن يراجع مهندس اللحام جميع الرسومات والمواصفات الهندسية في المراحل الأولية لأي مشروع قبل بداية التنفيذ.

• تحديد مواصفات اللحام: بعض المعادن يكون لحامها صعب رغم أنها تمتلك جميع الخواص الهندسية المناسبة مما يتطلب مواصفات عملية لحام دقيقة ومتطورة- غير مشمولة في المواصفات الصناعية أو كود التصميم- ويشمل ذلك إختيار أسلاك لحام ذات خواص معينة أو إتباع خطوات تصنيع خاصة قبل وأثناء وكذلك بعد تطبيق عملية اللحام. وكذلك إضافة إختبارات وفحوصات متطورة للتأكد من أن وصلة اللحام سيكون خواصها وأدائها -اثناء التشغيل- متوافق مع خواص المعدن الملحوم.

أساليب التصنيع: إختيار أساليب التصنيع المناسبة التي تنتج وصلات لحام أقل تكلفة وأفضل جودة. فعلى سبيل المثال، بدلاً من استخدام عمليات اللحام اليدوية التقليدية يمكن الإستعاضة عنها بالطرق الميكانيكية أو الأوتوماتيكية أو بواسطة الروبوت وذلك لتحسين الجودة، تعزيز الإنتاجية وتقليل عدد الأيدي العاملة، ويساهم هذا في تصنيع معدات ذات موثوقية عالية (High Integrity) مما يوفر السلامة ويحافظ على إستمرارية التشغيل.

تحليل خلل المعدات وخطوط الأنابيب

كثير من الأحيان يحدث خلل في المعدات الصناعية أو خطوط الأنابيب مما يستدعي إجراء بحث لمعرفة الأسباب الجذرية لحدوث الخلل و من ثم تقديم إرشادات لتفادي حدوثه مجدداً:

الحالة 1:

إحدى الشركات الأمريكية كانت تقوم بتصنيع 12 غواصة للبحرية الأمريكية مستخدمة في تصنيعها حديد ذو قوة عالية (Steel Ni-Cr-Mo) وكانت تكلفة كل غواصة تقدر بنحو 2.8 بليون دولار أمريكي. أثناء تصنيع الغواصة الأولى لوحظ وجود تشققات على نطاق واسع في وصلات اللحام. وبعد البحث والدراسة أُكتشف بأن محتوى الكربون “Carbon Equivalent” في مواد اللحام كان مرتفعاً نسبياً رغم من أنه كان مطابقاً للمواصفات. إصلاح ذلك الخلل استدعى إجراء عملية تسخين عالي -أعلى من المعدل المطلوب في كود التصميم- قبل إجراء عملية اللحام وذلك لخفض معدل التبريد ومن ثم تفادي التشققات.

الحالة 2:

وصلة لحام جديدة لأحد أبراج التشغيل العالية الضغط تعرضت للخلل ونتج عن ذلك انفجار وحريق تسببا في مقتل 17عاملاً. وكان البرج مصنعاً من مادة الحديد (ASTM 516 grade 70 Steel). لقد تقرر أن غاز الهيدروجين الذي تكون أثناء الخدمة ووجود نقاط عالية الصلابة “High hardness zones” في وصلة اللحام الجديدة تسببت في حدوث تشققات والتي اخترقت كامل جدار البرج مسببةً انبعاث غاز الهيدروجين ومن ثم الإنفجار. ولتلافي حالات فشل مماثلة ينبغي إبطاء معدل التبريد “Slow down the cooling rate” أثناء عملية اللحام بالإضافة إلى تطبيق عملية تسخين بعد اللحام (Post Weld Heat Treatment) لتخفيض صلابة وصلة اللحام.

الحالة 3:

حدث خلل كارثي لوصلة لحام في خط أنابيب جديد -لحقن الماء تحت الأرض- اثناء إجراء اختبار الضغط الهيدروستاتيكي قبل بلوغ الضغط المحدد. وكان سبب الخلل عبارة عن شرخ في منتصف وصلة اللحام بسبب استخدام سلك لحام ذي مكافئ كربوني عالي. كان في الإمكان تفادي ذلك الخلل لو تم تسخين وصلة اللحام لدرجة حرارة مناسبة أو إستخدم عملية لحام منخفضة الهيدروجين “Low Hydrogen Welding Process”.

إصلاح المعدات المعطلة

هندسة اللحام دائماً تقدم حلول هندسية بتكاليف قليلة وإنجاز سريع عندما تتلف أحد المعدات في المعامل:

الحالة 1:

غلاف “Casing” طوربين بخاري -مصنوع من حديد عالي القوة “(Steel (Cr-Mo-V”- يعاني من تشققات مستمرة. أثناء عملية فحص شامل أجريت عام 1983 وجدوا 73 تشققاً بلغ مجمل طولهم 200 بوصة تقريباً. بدايةً كانت النية إجراء إستبدال القطع التالفة ولكن اتضح ان التكلفة ستصل الى 2,700,000.00 دولار ومدة التسليم عامين. تم إصلاح التصدعات بعمليات اللحام ولم تتجاوز التكلفه 300,000.00 دولار واستغرق 73 يوماً فقط. بعد سبع سنوات من التشغيل أعيد فحص الغلاف فاتضح عدم وجود اي تصدعات جديدة على الأجزاء التي تم إصلاحها.

الحالة 2:

قطعتين مركبتين لحجاب حاجز “Diaphragm” من الحديد المسبوك “Steel Casting” في طوربين بخاري تعرضتا لتلف حاد يتطلب إستبدالهما خلال ستة أسابيع وهي فترة توقف المعمل للفحص والمعاينة “Test and Inspection Shutdown” الأمر الذي لم يكن ممكناً. وبعد إجراء تقييم هندسي على عدة أنظمة للحام، تشخيص الخلل ودراسة طرق إصلاح مختلفة وكذلك إمكانية إستخدام معالجة حرارية خاصة بعد إجراء عملية اللحام “Heat Treatment” تقرر إن في الإمكان إعادة القطعتين إلى حالتهما الأصلية. وأنجز الإصلاح في حينه بتكلفة أقل من نصف تكلفة إستبدالهما ونتج عن ذلك توفير مئات الآلاف من الدولارات.

الحالة 3:

تعرض عمودي تشغيل ضخمان مصنعان من الحديد إلى عملية تآكل موضعي حاد “Localized Corrosion” في جدارهما. وتم تقييم خيارين كحل لتلك المشكلة، الأول يتمثل في تصنيع عمودين جديدين وتغليفهما “Cladding” بمعدن مقاوم للتآكل، والثاني وضع طبقة لحام “Weld Overlay” من مادة الحديد المقاوم للصدأ (ٍER309LSi Stainless Steel) في موقع التآكل. وتم اختيار البديل الثاني على أساس إعتبارات زمنية وإقتصادية. وكان التوفير المادي في المواد وحدها يقدر بنحو 4.6 مليون دولار وهذا بالأضافة إلى ميزة إكمال الإصلاح في الوقت المطلوب لإعادة العمودين إلى الخدمة وتوفير تكلفة فك القطع الداخلية وإعادة تركيبهم في حالة اختيار البديل الأول.

وفي الختام، تعتبر هندسة اللحام هي التخصص المسئول عن قرارات رئيسية متعلقة بالسلامة وخفض النفقات والموثوقية لأي مشروع أو منشأة صناعية أو منتج مصنع. وكذلك يجب دائماً اعتبارها من الركائز الأساسية لتحسين التشغيل وتلافي الأعطال والكوارث. أتمنى أن أكون قد وفقت في إيضاح هذا التخصص الهندسي وأنا أُرحب بلقاء أي شخص يرغب في معرفة المزيد.

*المهندس السيد عدنان السيد نعمة السيد مجيد العوامي هو استشاري هندسة لحام متقاعد من شركة أرامكو السعودية. يحمل شهادة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية من جامعة بورتلاند في ولاية أورجون. لديه أكثر من 30 عاما من الخبرة في صناعة النفط والغاز والبتروكيماويات. تم تعيين العوامي في 2015-2017 كمستشار دولي لجمعية اللحام الأمريكية في دول مجلس التعاون الخليجي وأصبح لاحقاً مسئولاً عن الشرق الأوسط. وكذلك أسس في يناير 2015 مكتب الحلول الصناعية للإستشارات الهندسية والمتخصص في استشارات هندسة اللحام والمعادن. حقق في عام 2020 جائزة التميز كأفضل مستشار هندسي في هندسة اللحام والتي تمنح من قبل مجلة “رؤية الشركة” الإنجليزية. وهو الآن خبير مع المركز السعودي للإعتماد.