انواع روش های تولید لوله

در این مقاله با انواع روش های تولید لوله فولادی ( فلزی ) اعم از ریخته گری گریز از مرکز، روش اکسترود در تولید لوله های بدون درز و انواع روش های جوشکاری برای تولید لوله های درزجوش در سایز بزرگ و کوچک صحبت خواهیم کرد.

تعریف لوله یا پایپ

لوله یا پایپ به انگلیسی «Pipe» نوعی مقطع توخالی به شکل استوانه و یا گاها سایر اشکال است که برای انتقال مواد قابل جریان، مثل آب، گاز، دوغاب، پودر، توده های جامدی کوچک و… استفاده می‌شود. اصطلاح لوله یا پایپ با اصطلاح تیوب عمدتا بجای یکدیگر به کار برده می شوند، در حالیکه دارای تفاوت های بسیار هستند. در این مقاله منظور از لوله همان پایپ می باشد. برای آشنایی با این تفاوت به مبحث تفاوت پایپ و تیوب در مقاله لوله چیست مراجعه نمایید.

انواع لوله یا پایپ

انواع لوله بسیار متفاوت است. این دسته از مصالح ساختمانی معمولا بر اساس ضخامت، قطر، و جنس، در دسته‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند.

بصورت خلاصه، می‌توان اینطور گفت که لوله، می‌تواند از متریال و مواد مختلفی ساخته شود. از جمله رایج‌ترین متریال برای ساخت این وسیله، می‌توان سرامیک، شیشه، فایبرگلاس، انواع فلزات، بتن و پلاستیک را نام برد. حتی جالب است بدانید که در گذشته، آن را از چوب، سفال و سرب نیز درست می‌کردند. نوع پروژه و آن چیزی که قرار است از داخل پایپ عبور کند، همگی در انتخاب متریال لوله، تأثیرگذار خواهند بود.

۳ فرآیند برای تولید لوله های فلزی وجود دارد:

• ریخته گری گریز از مرکز : لوله های چدن داکتیل معمولاً به این روش تولید می شوند.
• اکسترود یا اکسترودینگ : در تولید لوله های بدون درز مانیسمان کاربرد دارد.
• جوشکاری ورق : لوله های درزدار یا درزجوش با این روش تولید می گردند.

ریخته گری گریز از مرکز فلز آلیاژی داغ، یکی از برجسته ترین فرآیندهای تولید لوله است. لوله های چدن داکتیل معمولاً به این روش تولید می شوند.

ریخته گری گریز از مرکز در تولید لوله

ریخته‌گری گریز از مرکز (به انگلیسی: Centrifugal Casting) یکی از روش‌های معمول در تولید لوله‌های فلزی است. در این روش از یک قالب چرخنده برای شکل‌دهی استفاده می‌شود. اغلب پروفیل لوله‌ها و به‌طور کلی اشکال تولید شده به این روش دایره‌ای هستند، ولی برای تولید پروفیل‌های شش‌گوش و متقارن کاربرد دارد.

نخستین استفاده از این روش مربوط به اوایل قرن نوزدهم میلادی و کشور انگلستان است که در آن زمان برای تولید لوله‌های چدنی توسط Anthony Eckhard مورد استفاده قرار گرفت.

این روش ریخته‌گری برای فلزاتی همچون آهن، فولاد، فولاد زنگ‌نزن، آلیاژهای آلومینیوم، مس و نیکل کاربرد دارد و برای تولید قطعات کمپرسورهای به کار رفته در موتورجت، لوله‌های کوره‌های صنایع پتروشیمی، صنایع نظامی، دیگ‌های بخار، نازل‌ها، چرخدنده‌ها، چرخ‌ها، بوش، آستر سیلندر موتور ورینگ‌های یاتاقان کاربرد دارد.

محدودهٔ ضخامت برای ریخته‌گری در این روش بین ۲٫۵ تا ۱۲۵ میلی‌متر می‌باشد که معادل با محدودهٔ ۰٫۱ تا ۵ اینچ است. قطر لوله‌های تولیدی با این روش معمولاً بین ۳ تا ۱۵ متر است.

میزان تلرانس برای قطر داخلی و خارجی در این روش تولید لوله متفاوت بوده و به شرح زیر می‌باشد:

• تلرانس برای قطر خارجی در حدود ۲٫۵ میلی‌متر (معادل ۰٫۱اینچ) است.
• تلرانس برای قطر داخلی در حدود ۴ میلی‌متر (معادل ۰٫۱۵ اینچ) است.

فرآیند تولید لوله در روش ریخته گری گریز از مرکز

در ابتدا فلز مذاب به درون قالب دوار ریخته می‌شود، سپس با توجه به وارد آمدن نیروی گریز از مرکز به فلز مذاب به سمت بیرونی قالب متمایل می‌شود. اکنون فرایند انجماد از دیوارهٔ قالب شروع می‌شود و این گونه نیروی گریز از مرکز با راندن مذاب به سمت دیواره قالب باعث شکل‌گیری انجماد و شکل‌دهی حلقوی به فلز می‌نماید. لازم است ذکر شود در این فرایند از هیچ‌گونه ماهیچه داخلی برای شکل‌دهی به مذاب استفاده نمی‌شود؛ همچنین با توجه به خاصیت فرایند در این روش برای ریخته‌گری مذاب از راهگاه هم استفاده نمی‌شود.

بدیهی است که ضخامت نهایی دیواره تولیدی هم تابعی از حجم مذاب اولیهٔ ورودی است. در این روش ریخته‌گری به خاطر عمل چرخش و اختلاف چگالی بین ناخالصی‌ها و مذاب فلز اصلی مورد نظر، ناخالصی‌ها همه روی سطح لوله جمع می‌شوند و به سادگی با یک ماشین‌کاری قابل برداشت می‌باشند.

در فرایند ریخته‌گری برای تولید ضخامت‌های بالا یک تغییر کوچکی در فرایند به وجود می‌آید و آن این است که فرایند انجماد از هر دو سو، یعنی درون لوله به بیرون آن و بیرون به سمت درون شروع می‌شود و در این مورد چون احتمال به وجود آمدن مک کمی بالا می‌رود از هیترهایی جهت گرم‌کردن سطح داخلی استفاده می‌شود که این کار باعث می‌شود انجماد از بخش بیرونی شروع شود.

این سیستم از یک منبع ریختن مذاب، اریفیس (جهت جاری شدن تدریجی مذاب از منبع ریخته‌گری به قالب در حال چرخش)، قالب در حال چرخش، چرخ‌های گردانندهٔ قالب که هم در زیر و هم در روی آن هستند و یک موتور برای ایجاد توان لازم برای حرکات قالب استفاده می نماید.

مزایای روش ریخته گری گریز از مرکز

تولید لوله به روش گریز از مرکز، دارای مزایای زیر می باشد:

• تعداد قابل توجهی از اجزای استوانه‌ای را می‌توان با این روش تولید نمود.
• دقت ابعادی مناسبی دارد همچنین قطعه تولید شده از درستی و اعتبار خوبی برخوردار است.
• عدم نیاز به تمیزکاری پس از ریخته‌گری (البته اگر نیاز به شکل دقیقی وجود داشته باشد، قطعه به تمیزکاری نیاز پیدا می‌کند)
• کاهش استفاده از ماهیچه‌گذاری و ایجاد راهگاه در ریخته‌گری
• خواص مکانیکی بسیار خوبی را می‌توان در قطعات تولید شده به این روش یافت
• عیب‌های به دام افتادن هوا و ایجاد حفره در این روش ریخته‌گری بسیار ناچیز است؛ علت اصلی این مسئله جدایش گازها به سبب سرعت دورانی می‌باشد.
• به دلیل شکل‌گیری خوب دانه‌ها در سطح خارجی قطعه مقاومت به خوردگی (corrosion resistance) آن بسیار بالا می‌باشد.
• امکان تولید قطعات با تیراژ بالا با راندمان ریخته‌گری بالا در حدود نود و پنج درصد.
• امکان ریخته‌گری فلزات با وزن مخصوص بالا

روش اکسترود یا اکسترودینگ در تولید لوله

تولید لوله بدون درز (SMLS)، به روش اکسترود یا اکسترودینگ صورت می گیرد. لوله بدون درز به‌طور گسترده در صنعت کاربرد دارند. لوله‌های انتقال سیال گرم یا پرفشار، سطح رویه غلتک‌های نورد، مخازن بویلرها و کمپرسورها، مخازن سوخت گاز طبیعی، اجزای مکانیکی گردنده مانند پوسته یاتاقان‌ها، اکسل خودرو و لوله تانک‌ها و دیگر تسلیحات نظامی، تنها بخشی از کاربردهای این نوع لوله می‌باشد.

ازمهم‌ترین روش‌های تولید لوله‌های بدون درز با طول زیاد، روش نورد پیلگر (به انگلیسی: Pilger mill) است. روش نورد پیلگر در اوایل دهه ۱۸۹۰ میلادی توسط ماکس مانسمان (به انگلیسی: Max Mannesnann) معرفی شد؛ که شکل خاصی از نورد طولی بود و به وسیله آن پوسته استوانه‌ای، به لوله‌هایی با جدار نازک و اندازه‌های دلخواه تبدیل می‌شد.

روش نورد پیلگر با توجه به نوع قالب‌ها به ۲ روش نورد به وسیله دوغلتک و نورد به وسیله سه غلتک انجام می‌گیرد. اگر چه هر دو روش به منظور کاهش ضخامت، از ایجاد فشار، بیشتر از ایجاد کشش بهره می‌گیرند، اما پیچیدگی طراحی ابزار و روش‌های تولید لوله در این دو بسیار با یکدیگر متفاوت است.

فرآیند تولید لوله در روش اکسترود

در این روش، شمش استوانه ای سرخ شده، توسط شلیک یک میله، در فرآیندی به نام سوراخ‌کاری دوار دارای حفره ای می گردد. برای سوراخ کاری دوار، ۲ روش با نام های فرآیند مانسمان و فرآیند استفل وجود دارد. لوله بدون درز ابتدا به سایزهای بزرگتر تولید می گردد، سپس با کشش گرم یا سرد، سایزهای کوچکتری حاصل می گردد. سپس عملیات ماشین کاری، باعث ایجاد لوله بدون درز نهایی می گردد.

تفاوت فرآیند مانسمان و فرآیند استفل در سوراخکاری دوار

در فرآیند مانسمان، قطعه کار اولیه که یک شمش استوانه‌ای است، بین دو غلطک محدب مخروطی که هر دو در یک جهت در حال گردش می‌باشند قرار می‌گیرد. غلطک‌ها معمولاً با زاویه ۶ درجه نسبت به محور قطعه کار (استوانه دوار) به موازات هم قرار می‌گیرند.

فاصله دو غلطک اندکی کمتر از قطر خارجی شمش استوانه‌ای است. بار اعمال شده از طرف دو غلطک فشاری بوده و ۶ درجه انحراف و چرخش در خلاف جهت قطعه کار سبب می‌شود تا کل شمش استوانه‌ای به صورت یکنواخت تحت فشار قرار بگیرد. نیروهای فشاری سبب گرم شدن استوانه و رسیدن قطر آن به اندازه مطلوب می‌شوند.

فرایند استیفل بسیار شبیه به فرایند قبلی است با این تفاوت که غلطک‌های محدب با دیسک‌های مخروطی بزرگ جایگزین شده‌است. با این کار می‌توان لوله‌های بدون درزی با ابعاد بزرگ‌تر از روش قبلی تولید کرد.

مزایای روش اکسترود یا اکسترودینگ

لوله های تولید شده در این روشاز مزایای زیر بهره مند هستند:

• درز و نقص هندسی ندارند و همچنین خواص در تمام طول آن‌ها ثابت و همگن توزیع شده‌است.
• برای مصارف مهم و از جمله صنعت نفت و گاز کاربرد فراوان دارند.
• خواص مکانیکی خوب و بهینه دارند.
• قابلیت ساخت در ابعاد بسیار کوچک و توانایی تولید انبوه دارند.
• برای تولید، نیازی به قالب ندارند.
• از آنجایی که فرآیند تولید شامل هیچ گونه جوشکاری نمی شود، لوله های بدون درز قوی تر و قابل اطمینان تر به نظر می رسند.
• از لحاظ تاریخی، لوله های بدون درز نسبت به انواع دیگر فشار را بهتر تحمل می کردند و اغلب نسبت به لوله های جوشی در دسترس بودند.

معایب روش اکسترود یا اکسترودینگ

• این فرایند دارای محدودیت هندسی است و برای شکل‌های محدود قابل تعریف می‌باشد.
• اشغال فضای نسبتاً زیاد برای انجام فرایند. (نسبت به ریخته‌گری و…)

روش جوشکاری ورق در تولید لوله

پیشرفت‌های حاصل از دهه ۱۹۷۰ در مواد، کنترل فرآیند و آزمایش‌های غیر مخرب، اجازه می‌دهد لوله‌های درزجوش یا اصطلاحا درزدار خاص جایگزین لوله بدون درز در بسیاری از کاربردها شوند. لوله درزدار لوله ای است که از لول شدن یک ورق نواری تولید می گردد.

دو لبه ورق فولادی معمولاً با جوشکاری مقاومتی الکتریکی (“ERW”) یا جوشکاری الکتروفیوژن (“EFW”) به یکدیگر جوش میخورند. اضافات جوش را می توان از هر دو سطح داخلی و خارجی با استفاده از صفحه تیغه ای جدا کرد. همچنین می توان ناحیه جوش را تحت حرارت قرار داد تا درز کمتر دیده شود. تولید لوله های درزدار ارزان تر است.

لوله هایی با قطر بزرگ ( ۲۵ سانتیمتر (۹٫۸ اینچ) یا بیشتر) ممکن است با فناوری جوشکاری مقاومتی الکتریکی (“ERW”) یا جوشکاری الکتروفیوژن (“EFW”) یا با قوس زیرپودری (“SAW”) تولید گردند.

در ادامه به بررسی هر یک از این فناوری های جوشکاری و زیر شاخه های آن ها در تولید لوله خواهیم پرداخت.

جوشکاری مقاومت الکتریکی ERW در تولید لوله

به لوله های تولید شده توسط فرآیند جوشکاری مقاومتی ERW می گویند. تولید لوله های ERW دارای فرآیندهایی جوشکاری با فرکانس پایین، متوسط و بالا می باشد. هر یک از این فرآیندها منجر به بهم آمیختگی یا ادغام اجزای فولادی در لوله ها می شود.

لوله جوشی با مقاومت الکتریکی (ERW) با شکل دادن سرد یک ورق فولادی به شکل استوانه تولید می شود. سپس جریان الکتریکی به کمک دو الکترود آنود و کاتد از بین دو لبه فولاد عبور داده می شود. از آنجایی که اجزای درگیر در برابر جریان الکتریکی مقاومت می کنند، گرمای زیادی تولید می شود که باعث ذوب فلز می گردد. لبه ها بدون استفاده از مواد پرکننده جوشکاری به یکدیگر متصل شوند.

در ابتدا این فرآیند تولید از جریان AC با فرکانس پایین با نام LF -ERW برای گرم کردن لبه ها استفاده می کرد . این فرآیند فرکانس پایین از دهه ۱۹۲۰ تا ۱۹۷۰ مورد استفاده قرار می گرفت. با گذشت زمان، جوش‌های لوله ERW با فرکانس پایین دچار خوردگی درزها، ترک‌ و اتصال ضعیف شدند، بنابراین ERW فرکانس پایین برای تولید لوله کنار گذاشته شد.

در سال ۱۹۷۰، این فرآیند با فرکانس بالا HFW جایگزین شد که یک جوش با کیفیت بالاتر را تولید کرد. اما جوشکاری فرکانس بالا HFW در تولید لوله چیست؟

جوشکاری فرکانس بالا HFW در تولید لوله

لوله جوشی فرکانس بالا یا لوله HFW مشابه لوله جوش داده شده با جوشکاری مقاومت الکتریکی است. تفاوت اصلی فرکانس جریان جوش است. در تولید لوله های HFW از جریان فرکانس بالا (معمولا بالای ۷۰ کیلوهرتز) استفاده می شود. فرکانس بالا منجر به سرعت بخشیدن به فرآیند تولید و همچنین ارائه کیفیت جوش بالا در مقایسه با تولید لوله ERW فرکانس پایین شده است. لوله های HFW برای محیط های تحت فشار مانند نفت، گاز و آب استفاده می شود.

جوشکاری فناوری القایی فرکانس بالا HFI در تولید لوله

جوشکاری القایی فرکانس بالا (HFI) برای تولید لوله های درزدار استفاده می شود. در این فرآیند، از یک کوره القایی استفاده می گردد. ورق فولادی به شکل استوانه در می آید و یک سیم پیچ در اطراف ورق استوانه ای قرار می گیرد. عبور جریان الکتریکی از این سیم پیچ باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود. میدان مغناطیسی باعث داغ شدن ورق تا حد ذوب شدن می شود و دولبه به یکدیگر جوش می خورند. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط HFI از نظر فنی نسبت به ERW برتری دارد. از این فناوری در هنگام تولید لوله‌هایی با کاربردهای حیاتی، مانند بخش انرژی و … استفاده می گردد.

جوشکاری الکتروفیوژن EFW

جوشکاری الکتروفیوژن (لوله فولادی EFW) به جوشکاری پرتو الکترونی اشاره دارد. در این فرآیند با تاباندن الکترون با سرعت بالا، انرژی جنبشی به گرما تبدیل می شود و منجر به ذوب شدن لبه ها و تشکیل جوش می شود.

جوشکاری الکتروفیوژن بیشتر برای اتصال لوله های پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) استفاده می شود و رایج ترین روش در روش های جوشکاری برای اتصال لوله های پلی اتیلن است. به دلیل قوام فرآیند جوش الکتروفیوژن در ایجاد اتصالات قوی، معمولاً برای ساخت و تعمیر خطوط لوله حامل گاز استفاده می شود.

جوشکاری با قوس زیر پودری SAW

برای تولید لوله‌های فولادی سایز بزرگ می توان از جوشکاری زیر پودری استفاده کرد. در این روش، از پودر الکترود برای جوشکاری و اتصالات لوله استفاده می گردد. در جوشکاری زیر پودری، انتهای سیم جوش داخل مواد روانساز قرار می گیرد. مواد روانساز منطقه ای که قرار است جوش شود، را می پوشاند. پیش از انجام جوشکاری یک لایه نازک از پودر فلاکس در سطح قطعه کار قرار می گیرد. قوس در امتداد خط اتصال حرکت می کند. پس از انجام جوشکاری پودر اضافی به یک قیف نگهدارنده برگردانده می شود.

۲ نوع لوله تولید شده از طریق این فناوری‌ها عبارتند از:

• لوله‌های جوش‌داده شده زیر پودری طولی یا درزجوش مستقیم (LSAW)
• لوله‌های جوش‌داده شده زیر پودری مارپیچی یا اسپیرال (SSAW)

با خم کردن و جوشکاری ورق های فولادی عریض می توان لوله درزجوش مستقیم با سایز بزرگ ساخت که اغلب در صنعت نفت و گاز استفاده می شود. لوله های بزرگ درز مستقیم به دلیل هزینه بالای تولید، به ندرت در کاربردهای غیر انرژی و با ارزش کمتر مانند خطوط لوله آب، مورد استفاده قرار می گیرند.

لوله های اسپیرال با جوشکاری مارپیچی (هلیکوئیدی) از رول ورق فولادی با عرض کمتر تولید می شوند و نسبت به لوله های LSAW هزینه تولید کمتری دارند، زیرا در این فرآیند به جای جوشکاری زیر پودری صفحات عظیم فولادی، جوشکالری زیر پودری رول ورق با عرض کمتر استفاده می شود. به این ترتیب، در مواردی که می توان از هر دو لوله اسپیرال یا درزجوش مستقیم، استفاده نمود، ممکن است لوله‌های SSAW بر لوله‌های LSAW ترجیح داده شوند.

لوله های اسپیرال و هم لوله های درز مستقیم با لوله های ERW و لوله های بدون درز در محدوده قطر ۱۶ تا ۲۴ اینچ رقابت می کنند.

دانلود فایل پی دی اف روش های تولید لوله