بررسی لوله اسپیرال و مزایا و معایب آن در صنعت
یکی از روش های تولید لوله فولادی روش اسپیرال می باشد. در این روش
لوله فولادی به صورت مارپیچ از ورق هایی با ضخامت مختلف تولید می گردند. تولید این لوله ها در سایزهای ۵ تا ۱۲۰ اینچ و به صورت رول شده موجود می باشند. استفاده از این لوله ها در صنایع گاز و نفت به علل مختلف اعم از انعطاف پذیر بودن فرایند ساخت، یکنواختی ابعاد، خواص مکانیکی مناسب، مسائل اقتصادی و … بیش از گذشته مورد توجه قرار گرفته است. لذا با توجه به کاربرد روزافزون لوله فولادی مذکور در صنعت نفت و گاز ، بررسی عملکرد این لوله ها و تحقیق در مورد عیوب آن ها ضروری به نظر می رسد. از اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی تولید لوله فولادی اسپیرال (درز جوش مارپیچی) با کیفیت مطلوب در جهان آغاز گردید. پیش از این تاریخ تکنولوژی تولید این لوله ها چندان پیشرفت نکرده بود و از نظر کیفی قابل رقابت با لوله درز دار مستقیم نبود. البته لازم به ذکر است که هنوز این لوله ها قسمت کمتری از کل تولیدات لوله در جهان را به خود اختصال داده اند ولی روز به روز کاربرد آن ها در نقاط مختلف جهان افزایش می یابد.
لوله های درز جوش مستقیم
به طور کلی چهار روش برای تولید این نوع از لوله معمول است و قیمت لوله فولادی براساس آن تعیین می گردد.
در این روش در مرحله اول برش، پخ زنی و خمکاری لبه های ورق انجام می شود. سپس در مرحله دوم، ورق توسط پرس های ویژه به صورت (U) تغییر شکل می یابد. مقدار نیروی لازم برای پرس به ضخامت خارجی لوله، قطر خارجی و گرید فولاد بستگی دارد. در ادامه عملیات (O) کردن ورق انجام می گیرد. سپس توسط جوش تک (جوشکاری به کمک گاز دی اکسید کربن) شکل لوله فولادی حفظ می شود. پس از آن داخل و خارج لوله در امتداد طولی با روش زیر پودری، جوشکاری می گردد. با توجه به اینکه جوش تک نهایتا در جوش خارجی محو خواهد شد و بر روی تنش پسماند نهایی تاثیری ندارد، معمولا در شبیه سازی ها در نظر گرفته نمی شود.
بعد از جوشکاری فرآیند انبساط سرد به منظور رسیدن به ابعاد دقیق، تقسیم تنش های متمرکز و بهبود خواص مکانیکی لوله فولادی انجام می گیرد. در این فرآیند فک ها پس از ورود به داخل لوله، باز شده و سپس بسته می شوند و سرانجام از لوله فولادی خارج می گردند. کرنش محیطی حاصل از این فرآیند معمولا بین یک تا یک و نیم درصد می باشد. عملیات انبساط سرد در آزادسازی تنش های محیطی مفید است. تولیدکنندگانی که از فرایند هایدروتست بهره می گیرند، فرایند انبساط سرد را تنها برای دو سر لوله فولادی انجام می دهند تا گردی لازم برای اتصال به
لوله فولادی مجاور در مرحله نصب را پیدا کند. دقت بالا و کنترل همیشگی همه پارامترهای فرمینگ به منظور دستیابی به گردی مطلوب بعد از مراحل جوشکاری و انبساط سرد ضروری است.
- روش خمش غلتکی یا نورد هرمی
در این روش صفحه بین چند غلتک انحنای لازم را به دست آورده و سپس درز نهایی جوش می خورد. به دلیل استفاده از جوشکاری مقاومتی در این نوع لوله ها، به آن ها
لوله فولادی ERW نیز گفته می شود.
در این روش دو نیمه لوله فولادی که قبلا به صورت C تهیه شده اند، بر روی هم جوش داده می شوند. با این روش لوله های با قطر خیلی بزرگ می توان تولید کرد.
این روش همانند روش UOE از معروفترین روش های تولید لوله فولادی درز جوش مستقیم محسوب می شود. مراحل مختلف تولید به این روش در شکل نشان داده شده است.
لوله های اسپیرال
این روش از مهمترین روش های تولید لوله فولادی با قطر بالا به شمار می رود چراکه طول لوله در این روش محدودیتی ندارد. در خرید لوله فولادی باید به نوع آن دقت نمایید. مراحل ساخت لوله های اسپیرال به صورت زیر می باشد.
باز کردن کلاف، صاف کردن و موج گیری ورق، اتصال ابتدای کویل به انتهای کویل قبلی، اصلاح لبه های ورق، عملیات تغییر شکل ورق، جوشکاری اتوماتیک داخل و سپس خارج
لوله فولادی به روش جوشکاری زیر پودری، برش طولی لوله فولادی با روش اکسی استیلن یا پلاسما با طول مشخص، تمیزکاری فلاکس و پودر سرباره، بازرسی چشمی درز جوش، بازرسی جوش به روش فلوئورسانس، تست آلتراسونیک، پخ زدن سر و ته لوله جهت جوشکاری در سایت، تست هایدرواستاتیک و رادیوگرافی درز جوش. در شکل مراحل و قسمت های مختلف تولید لوله اسپیرال نشان داده شده است.
در زمان ساخت لوله های اسپیرال محورهای ورق ورودی و لوله فولادی با هم زاویه ای می سازند که به آن زاویه ورودی یا شکل دهی می گویند. اصول ساخت لوله فولادی اسپیرال در شکل نشان داده شده است.
مزایای لوله فولادی اسپیرال نسبت به لوله های درز جوش مستقیم
شاید بتوان مهمترین مزایای لوله های اسپیرال نسبت به لوله فولادی درز جوش مستقیم را به شرح زیر فهرست نمود.
۱ – در محدوده وسیعی از قطر و ضخامت قابل تولید می باشند. همچنین محدودیتی در طول لوله فولادی تولیدی وجود ندارد.
۲ – این لوله ها به لحاظ دارا بودن خواص مکانیکی مناسب مواد اولیه، جهت و امتداد نورد ورق و درز جوش نسبت به جهت تنش های اصلی که به هنگام بهره برداری به لوله اعمال می شود، دارای جهت گیری مطلوب می باشند. بنابراین این لوله ها در مقایسه با لوله های دیگر از استحکام و اطمینان بیشتری برخوردار هستند.
۳ – لوله های اسپیرال نسبت به رشد ترک ها رفتار بهتری دارند، زیرا چقرمگی این لوله فولادی در جهت محیطی بیشتر است. بنابراین مقاومت لوله های اسپیرال در برابر شکست بالاتر است. به عبارت دیگر شکست ترد و رشد ترک در لوله های اسپیرال به سختی اتفاق می افتد و کمتر با خطر ترکیدگی لوله ها مواجهیم.
۴ – هزینه تولید لوله های اسپیرال در مقایسه با لوله های درز جوش مستقیم پایین است چراکه ورق های تخت بزرگ ماده ی اولیه در تولید لوله های درز جوش مستقیم هستند. این ورق ها اغلب در ابعاد ۱۲*۶ متر مربع تولید و به بازار عرضه می شوند. فرایند تولید این ورق ها پیوسته نبوده و ضمن آنکه بسیار پر هزینه تر است، خواص ورق تولیدی نیز در مقایسه با ورق هایی که به روش های معمول نورد تولید می شوند، پایین تر است. محصول نورد کویل های طویلی است که ماده اولیه در تولید لوله های اسپیرال هستند. بنابراین در تولید لوله های اسپیرال از ماده کیفی تر و ارزان تری بهره می بریم. ضمن آنکه فرایند تولید لوله های اسپیرال نیز پیوسته است که خود کاهش هزینه تولید را به همراه دارد.
۵ – در تولید لوله های اسپیرال برخلاف لوله های درز جوش مستقیم نیاز به تجهیزات خیلی سنگین همانند پرس های بزرگ و همچنین دستگاه های عظیم مربوط به انبساط سرد نیست.
۶ – تولید لوله های اسپیرال تا قطر ۱۲۰ اینچ هم به راحتی امکان پذیر می باشد. اما قطرهای متعارف در لوله های درز جوش مستقیم با توجه به محدودیت تولید ورق در عرض بالا، در حدود ۵۶ اینچ می باشد.
۷ – عملیات انبساط سرد، شکل پذیری ماده را کاهش می دهد. بنابراین در لوله های اسپیرال شکل پذیری بیشتری خواهیم داشت.
انواع روش های خمکاری در لوله ها
امروزه تنوع زیادی در روش های خم لوله وجود دارد که پاره ای از آن ها همراه با اعمال گرما و پاره ای دیگر بدون حضور گرما انجام می شوند. انتخاب یک روش مناسب تابعی از ویژگی های ماده، اندازه لوله، شعاع خم، موارد اقتصادی و در دسترس بودن تجهیزات است. به طور کلی در هر نوع از روش های خمکاری لوله با محدودیت هایی مواجه خواهیم بود. ولی لازم است موادی که قرار است خمکاری روی آن ها صورت بگیرد، ترجیحا خاصیت شکل پذیری خوبی داشته و کمترین نرخ کرنش سختی را از خود نشان دهند.
انواع روش های خمکاری عبارتند از:
- خمکاری گرم لوله ها
- خمکاری به روش القایی
- خمکاری سرد
خمکاری گرم لوله فولادی
این روش یکی از قدیمی ترین روش ها در خمکاری لوله محسوب می شود. جدول وزن لوله فولادی نیز براساس روش های مختلف تغییر می کند. به علت تغییر در ساختار کریستالوگرافی بخشی از لوله که حرارت موضعی دریافت می کند، کاربرد خمکاری گرم لوله ها محدود است و در صورت امکان ترجیح به خمکاری لوله به روش سرد است. اما در بسیاری از موارد زاویه حداکثر خم لوله به روش سرد که محدوده بروز عیب را تعیین می کند کمتر از میزان زاویه خم مورد نیاز است، در نتیجه ناگریز به استفاده از خمکاری گرم می باشیم. لازم است که پس از فرایند خمکاری به روش گرم، عملیات حرارتی بر روی لوله انجام شود. برخی از خصوصیات این روش عبارتند از:
خصوصیات روش خمکاری گرم لوله فولادی
- خمکاری برای محدوده وسیعی از ضخامت و شعاع امکان پذیر است
- با عیوب بسیاری همچون بیضی شدن سطح مقطع، چروک خوردگی مواجهیم
- به دلیل پر کردن لوله از شن های داغ، تمیزکاری بعد از خمکاری لوله، اجتناب ناپذیر است
- مصرف انرژی بسیار زیاد، گران قیمت، فرایند بسیار کند است
- کم شدن ضخامت دیواره خارجی به واسطه گرم کردن سطح داخلی خم، بهتر از روش های دیگر خمکاری کنترل می شود.
خمکاری به روش القایی
توسط جریان الکتریکی و ایجاد یک میدان انجام می شود. به طوری که یک لوله از داخل کویل القایی عبور می کند. این روش برای خمکاری لوله های اسپیرال و درزجوش مستقیم استفاده می شود. از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره نمود.
- این روش مندرل داخلی نیاز ندارد. همچنین این نوع از خمکاری لوله ها برخلاف روش قبل، با آلودگی خاصی همراه نیست
- در لوله هایی با شعاع خمکاری بزرگ و قطور استفاده می شود.
- قیمت کم و بازدهی بالا از ویژگی های اصلی این نوع خمکاری محسوب می شود
- کویل های القا کننده جریان در طول خمکاری، به طور مستقیم با لوله در تماس نیستند
- کیفیت سطح خمکاری نسبت به روش خمکاری گرم بهتر و همانند خمکاری سرد می باشد
- از لحاظ چروک خوردگی و بیضی شدن مقطع، از دو روش خمکاری دیگر برتر است
خمکاری سرد لوله فولادی
خم لوله به روش سرد به روش های گوناگونی صورت می گیرد که می توان آن ها را به صورت زیر دسته بندی نمود
- خمکاری کششی- چرخشی
- خمکاری فشاری
- خمکاری پرسی
- فرم دهی کششی
- خمکاری سه غلتکی
امروزه برای خمکاری لوله های قطور بیشتر از روش خمکاری سه غلتکی استفاده می شود.
خمکاری سرد به طور گسترده در خمکاری های با شعاع زیاد و در زوایای خم کوچک در انتقال نفت و گاز استفاده می شود. بعد از اینکه خمکاری انجام شد، خواص مکانیکی به علت کار سختی و اثر باشینگر، متفاوت از لوله خم شده خواهد بود. از خصوصیات این نوع خمکاری می توان به موارد زیر اشاره کرد.
خصوصیات روش خمکاری سرد در لوله های فولادی
- بسیار سریع و ارزان قیمت
- کنترل خوبی بر روی عیوبی همچون بیضی شدن مقطع لوله و چروک خوردگی وجود دارد.
- نیازی به پوسته زدایی، تمیز کردن های پی در پی و تجهیزات گرمایی خاص نیست
- برای شعاع های استاندارد خاصی از لوله و بازه محدودی از ضخامت ها، خمکاری صورت می گیرد بنابراین این نوع از خمکاری خیلی انعطاف پذیر نیست
- نسبت به خمکاری گرم برگشت فنری و تنش های پسماند بیشتری خواهیم داشت.
در شکل اساس کار ماشین های خمکاری لوله نشان داده شده است. کلا این ماشین ها از سه قسمت pin up shoe، stiffback، die تشکیل شده است. همان طور که در شکل مشاهده می شود die و pin up shoe لوله را نگه داشته در حالی که stiffback نیروی لازم برای تغییر شکل پلاستیک را به لوله اعمال می کند. معمولا از مندرل برای حفظ دایره ای شکل ماندن مقطع لوله استفاده می شود. تحقیقات انجام شده در این زمینه نشان داده است که بهترین مکان برای قرارگیری مندرل داخل لوله آن طور است که وسط مندرل درست در زیر مرکز die قرار گیرد. خمکاری سرد لوله های قطور شامل مراحل زیر می باشد:
مراحل خمکاری سرد
- بالا آمدن pin up shoe توسط سیلندر A
- بالا آمدن stiffback و برقراری تماس بین die و لوله
- با بالا آمدن بیشتر stiffback در این مرحله، لوله خم می شود
- باربرداری با حرکت سیلندر c به طرف پایین
- خارج کردن مندرل از لوله
میزان خمکاری در لوله ها با پارامتر شعاع خمکاری R
b که معمولا به صورت مضرب صحیحی از قطر خارجی لوله Do گزارش می شود بیان می گردد.
در پایان خمکاری و پس از برگشت فنری لوله، زاویه خم بر حسب درجه بیان می شود.پ
عیوب هندسی حاصله در خمکاری سرد لوله های قطور
با توجه به تحمیل هزینه های زیاد به علت به وجود آمدن عیوبی که ممکن است در حین خمکاری لوله ها به وجود آید، شناخت و جلوگیری از بروز چنین عیوبی در حین خمکاری لوله لازم و ضروری به نظر می رسد. به طور کلی پارامترهایی وجود دارند که چگونگی آن ها بعد از فرایند خم؛ پذیرش و یا عدم پذیرش خم را مشخص می کند. با بررسی این پارامترها برای هر نوع فرایند خمش، قابلیت های آن فرایند قابل استخراج می باشد.
از مهمترین عیوب هندسی ناشی از خمکاری می توان به مواردی همچون کم شدن ضخامت خارجی، صاف شدن دیواره پشتی لوله، کمانش، بیضی شدن مقطع لوله و چروکیدگی اشاره نمود.
کم شدن ضخامت خارجی لوله
از نشانه های این عیب، کم شدن ضخامت دیواره خارجی و زیاد شدن ضخامت داخلی خم می باشد. چون دیواره داخلی لوله در خمکاری تحت فشار و دیواره خارجی تحت کشش می باشد، ضخامت خارجی خم کم می شود تا فاصله بیشتری از لوله را بپوشاند.
میزان نازک شدن دیواره خارجی نباید به گونه ای باشد که ضریب ایمنی سیستم لوله کشی از حد مجاز کمتر شده و عدم اطمینان را برای طراحی به وجود آورد. نازکی ضخامت دیواره لوله به عوامل متعددی بستگی دارد. شعاع خم، نحوه جریان ماده پلاستیک و نیروهای سطحی وارده بر روی لوله، از جمله این عوامل می باشند. توجه به این نکته ضروری است که تعداد نیروهای سطحی که در روش خمش سرد به سطح لوله اعمال می شود، در بعضی از موارد باعث ایجاد کشش ناخواسته در برخی از مقاطع شده و در نهایت موجب نازکی دیواره لوله می گردد.
حتی اگر سطح غلتک ها و یا قالب ها کاملا تمیز و یکنواخت نباشند می تواند به لوله آسیب زده و به صورت خش یا فرورفتگی بر روی سطح لوله ظاهر شود که در برخی موارد بحرانی این آسیب ها می تواند میزان نازک شدگی را بیش از حد افزایش دهد.
نازک شدن دیواره لوله از مهمترین مشخصه های خم تولید شده است که کاربردی یا غیر قابل قبول بودن خم بسته به میزان درصد نازکی ایجاد شده دارد و اگر نیاز باشد ترجیح داده می شود تا از لوله ضیم تر برای خمکاری استفاده شود تا بعد از انجام پروسه، ضخامت از مقدار مجاز کمتر نشود. میزان نازکی بعد از پروسه پارامتری است که بعد از تست و پروسه های متوالی مشخص می شود.
در شکل تصویری از کم شدن ضخامت خارجی و افزایش ضخامت داخلی لوله نشان داده شده است.
صاف شدن دیواره پشتی لوله
این عیب زمانی رخ می دهد که نسبت قطر به ضخامت لوله کمتر از ۳۵ باشد.
کمانش در لوله
کمانش اغلب هنگامی اتفاق می افتد که لوله با ضخامت کم تحت خمش قرار گیرد. لازم است از کمانش حین نصب و اتصال لوله ها به همدیگر جلوگیری شود. برای این منظور باید ماکزیمم تنش محوری که به علت بارهای محوری و خمش به وجود می آید منجر به کمانش در لوله نشود.
بیضی شدن مقطع لوله
برای کار گذاشتن هرچه سریع تر لوله ها دو فاکتور گردی در سطح مقطع لوله و ضخامت دیواره بسیار مهم است. چقرمگی فولاد مورد استفاده در لوله و کیفیت جوش، نقش اساسی در ایجاد دو فاکتور بالا را خواهند داشت. هرچه قطر لوله ها بزرگ تر باشد احتمال بیضی شدن مقطع در حین خمکاری افزایش می یابد. البته فشارهای داخلی می تواند مقدار بیضی شکل شدن سطح مقطع را کاهش دهد اما این کار با ریسک باز شدن ترک ها همراه است. مخصوصا زمانی که از الکترودهای سلولوزی استفاده می شود. استفاده از مندرل در حین خمکاری این عیب را به حداقل می رساند.
این عیب از جمله مهمترین عیوبی است که توسط انبساط سرد در لوله های درز جوش مستقیم برطرف می شود. لازمه کاهش این عیب در لوله های اسپیرال، دقت در ابعاد و استفاده از ماشین های فرم دهی مدرن است. در ابتدای تولید لوله های اسپیرال، مهمترین عیب این لوله ها بیضی شدن سطح مقطع این لوله ها در هنگام ساخت و در حین خمکاری محسوب می شد. به همین دلیل در ابتدا شرکت های زیادی از بکارگیری این نوع لوله ها امتناع می ورزیدند و فقط برای انتقال آب از این لوله ها استفاده می شد. ولی امروزه با پیشرفت تکنولوژی در ساخت لوله های اسپیرال به طور وسیع در خطوط انتقال نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
عیب چروکیدگی در لوله های فولادی
در فرایند خمکاری لوله های قطور در لوله هایی که نسبت قطر به ضخامت بزرگی دارند اغلب به جای افزایش ضخامت داخلی لوله، کمانش ایجاد می گردد. این عیب نوعی کمانش موضعی محسوب می شود. جداره داخلی خم تحت فشار قرار گرفته و چروک می گردد. نمونه چروکیدگی در شکل نشان داده شده است.
هرچند که پیش بینی دقیق وقوع چروکیدگی به علت پارامترهای زیاد دخیل در این پدیده امکان پذیر نیست اما معمولا در مواقعی که شعاع خمکاری کوچک و یا نسبت قطر خارجی به ضخامت لوله بزرگ تر از ۳۵ باشد، شاهد بروز این پدیده هستیم. همچنین استفاده نکردن از مندرل در حین خمکاری نیز از مهمترین دلایل بروز چروکیدگی محسوب می شود.
به منظور جلوگیری از به وجود آمدن عیوب در خمکاری سرد لوله های درز جوش مستقیم لازم است که خط جوش در محل تار خنثی لوله خم شده قرار گرفته و بدین ترتیب خط جوش در حین خمکاری تحت کمترین کشش و یا فشاری قرار می گیرد. اما در لوله های اسپیرال با توجه به اینکه خط جوش در سیصد و شصت درجه اطراف لوله امتداد دارد، بنابراین به طور نامتقارن قسمت هایی از خط جوش تحت کشش و یا فشار قرار می گیرد.
بنابراین امکان به وجود آمدن عیوب در لوله های اسپیرال نسبت به لوله های درز جوش مستقیم بیشتر است. علاوه بر این جوشکاری باعث ایجاد تغییر در استحکام مکانیکی در نواحی نزدیک به خط جوش شده و بدین ترتیب سختی در اطراف نواحی خط جوش، مقداری ناهمگن می شود. بنابراین لوله های اسپیرالب بیش از لوله های درز جوش مستقیم در معرض عیوبی همچون کمانش قرار دارند.
