توسعه لوله های فولادی جوش داده شده: از جوشکاری کوره تا فرآیندهای فرکانس بالا- و زیر آب

مقدمه: لوله ای که صنعت ساخته شد

لوله فولادی جوش داده شده امروزه بسیار رایج است که تاریخچه آن را به راحتی می توان دست کم گرفت. با این حال، توانایی اتصال یک نوار فولادی به یک لوله پیوسته یکی از فناوری‌های توانمند دنیای مدرن بود. توزیع آب و گاز به شهرها، ساخت لوله‌های نفتی در مسافت‌های طولانی، لوله‌های ساختاری در ساختمان‌ها و پل‌ها و مبدل‌های حرارتی و لوله‌های دیگ بخار صنعت برق را ممکن کرد. داستان لوله های جوش داده شده داستانی است از اینکه چگونه تولید، متالورژی و بازرسی با هم توسعه یافتند و هر کدام پیشرفت را در دیگری وادار کردند.

برای نیم قرن اول تولید لوله فولادی، لوله بدون درز محصول برتر برتر بود، اما گران بود و قطر محدودی داشت. لوله های جوش داده شده مسیر ارزان تری را برای همان اشکال ارائه می دهد و توسعه آن از یک منطق ثابت پیروی می کند: راهی برای ایجاد جوش سریع و قابل اعتماد پیدا کنید، سپس راهی برای اثبات درست بودن جوش بیابید. هر نوآوری عمده فرآیند در این زمینه را می توان به عنوان پاسخی به یکی از آن دو چالش درک کرد.

جوش کوره ای: نسل اول

اولین لوله های جوش داده شده توسط جوش کوره ای ساخته می شد که به آن جوش لبه یا جوش لب به لب نیز می گویند. در این فرآیند، یک نوار مسطح تا دمای آهنگری در یک کوره گرم می‌شود و سپس از طریق قالب شکل‌دهی یا روی سنبه کشیده می‌شود، به طوری که لبه‌ها به هم فشرده می‌شوند و در اثر حرارت و فشار بدون افزودن فلز پرکننده، جوش داده می‌شوند. نتیجه لوله‌ای با جوش فورج در طول آن بود که برای توزیع گاز و آب با فشار کم-در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم مناسب بود و در زمان خود مقادیر زیادی تولید شد.

محدودیت های جوشکاری کوره به همان اندازه واضح بود. کیفیت جوش بستگی به مهارت اپراتور و کنترل دما دارد که طبق استانداردهای مدرن خام بود، ناحیه جوش نسبتاً ضعیف بود و فرآیند نمی‌توانست فولادهای با استحکام بالا یا ضخامت دیواره‌های سنگین- را تحمل کند. لوله‌های جوشی پیوسته، که بعداً توسعه یافت، فرآیند را با تغذیه نوار از طریق یک سری رول‌های شکل‌دهنده و رول‌های جوش مکانیزه کرد، اما این فرآیند به قطرهای کوچک و شرایط خدمات متوسط ​​محدود شد. سهم واقعی آن اثبات این بود که جوشکاری را می توان در یک خط تولید پیوسته ادغام کرد، که الگوی همه چیزهایی را که بعد از آن دنبال شد تعیین کرد.

ظهور جوشکاری مقاومتی الکتریکی

گام تعیین کننده با جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) بود. در فرآیند ERW، نوار به صورت سرد-به شکل استوانه‌ای در می‌آید و دو لبه توسط مقاومت الکتریکی تا دمای جوش گرم می‌شوند، سپس توسط رول‌های فشرده به هم می‌پیوندند. از آنجایی که گرما به صورت محلی در لبه ها تولید می شود، این فرآیند سریع، تمیز و{3}}کارآمد است و یک ناحیه جوش باریک-به خوبی تعریف شده ایجاد می کند. آسیاب های ERW تجاری در دهه های 1920 و 1930 ظاهر شدند و این فرآیند به سرعت جوشکاری کوره را برای اکثر قطرهای کوچک و متوسط ​​جابجا کرد.

پالایش حیاتی ERW جوشکاری با فرکانس بالا-با استفاده از جریان‌هایی در محدوده صدها کیلوهرتز بود. جوش-القایی فرکانس بالا (HFI) جریان را در لبه نوار متمرکز می‌کند و یک ناحیه تحت تأثیر حرارت باریک-و یک جوش با خواص مکانیکی نزدیک به فلز اصلی ایجاد می‌کند. آسیاب های HFI مدرن با سرعت خط ده ها متر در دقیقه کار می کنند و این فرآیند اکنون مسیر استاندارد برای لوله های خط و پوشش در قطرهای تا حدود 20 اینچ و بیشتر در برخی از آسیاب ها است. متعاقباً جوش در خط با عملیات حرارتی القایی نرمال می‌شود، که چقرمگی را که چرخه جوشکاری از ناحیه تحت تأثیر گرما می‌گیرد، بازیابی می‌کند.

کیفیت لوله ERW به سه چیز بستگی دارد که اکنون تا حد محدود کنترل می شوند: تمیزی لبه های نوار، دقت شکل دهی و پایداری پارامترهای جوشکاری. ناخالصی ها یا اکسیدهای محبوس شده در جوش، که به عنوان جوش سرد یا نفوذگر شناخته می شوند، ضعف تاریخی لوله ERW بودند و صنعت را به سمت فولادسازی بهتر، تهویه بهتر لبه ها و بالاتر از همه بازرسی بهتر سوق دادند.

جوشکاری قوس زیردریایی: انقلاب قطر بزرگ-

برای قطرهای بزرگ و دیوارهای سنگین، صنعت لوله های جوش داده شده به جوشکاری قوس زیر آب (SAW) روی آورد. در این فرآیند، قوس در زیر پوششی از شار دانه‌ای می‌سوزد، که فلز مذاب را از اتمسفر محافظت می‌کند، و جوش از سیم پرکننده ساخته می‌شود. نتیجه یک جوش با چگالی بالا و خواص مکانیکی عالی است که با نرخ رسوب بالا تولید می شود. SAW جوش دادن درز طولی لوله های بزرگ را عملی کرد که لوله جوش داده شده با قوس غوطه وری طولی (LSAW) و درز مارپیچی لوله مارپیچی را ایجاد کرد که لوله جوش داده شده با قوس غوطه ور مارپیچی (SSAW) را ایجاد کرد.

لوله LSAW از ورق فولادی تولید می‌شود که به روش U-O-E یا با فرم‌دهی پیشرونده پرس ساخته می‌شود، سپس از داخل و خارج جوش داده می‌شود. این محصول غالب برای خطوط انتقال-قطر و فشار بالا، با قطرهای تا 60 اینچ و ضخامت دیواره بیش از 25 میلی متر است. لوله SSAW که به صورت مارپیچ از سیم پیچ تشکیل شده است، صرفه جویی در قطرهای بزرگ را ارائه می دهد و به طور گسترده برای انتقال آب و خطوط گاز با فشار متوسط- استفاده می شود. این دو فرآیند به جای رقابت مکمل یکدیگر هستند: LSAW برای درخواست‌کننده‌ترین خدمات، SSAW برای برنامه‌هایی که هزینه هر تن آن عامل تعیین‌کننده است.

مواد و متالورژی به صورت موازی

هیچ یک از این پیشرفت های فرآیندی بدون پیشرفت موازی در متالورژی فولاد موفق نمی شد. لوله جوش داده شده اولیه از فولاد کربنی ساده با استحکام متوسط ​​ساخته شده است. از دهه 1960 به بعد، فولادهای میکروآلیاژی حاوی افزودنی‌های کمی از نیوبیم، وانادیم و تیتانیوم، که با نورد کنترل‌شده و خنک‌سازی سریع پردازش می‌شدند، فولادهای-استحکام و چقرمگی{4} بالا را به صنعت دادند که قابل جوش نیز بودند. این امر باعث شد که درجه‌های مدرن API 5L از X42 تا X70 و X80 و درجه‌های خدماتی ترش{10}}که در برابر ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن در محیط‌های H2S مقاومت می‌کنند{11}}.

گرایش به سمت استحکام بالاتر توسط اقتصاد هدایت شد: یک خط لوله از فولاد X70 یا X80 را می توان با دیواره های نازک تر و تناژ فولاد کمتر نسبت به خط X52 برای فشار یکسان ساخت، و صرفه جویی در فولاد، جوشکاری و حمل و نقل قابل توجه است. روند متقابل، چقرمگی و جوش‌پذیری است، زیرا استحکام بالاتر معمولاً به معنای کنترل دقیق‌تر شیمی و پردازش است. پاسخ مدرن خانواده ای از فولادها است که به دلیل اندازه دانه ریز قوی هستند نه کربن بالا، که آنها را در دماهای پایین قابل جوش و سخت نگه می دارد.

فناوری بازرسی: توانمندساز

لوله های جوش داده شده تنها با سرعتی که فناوری بازرسی اجازه می دهد می تواند به خدمات حیاتی تبدیل شود. نقطه عطف، معرفی آزمایش‌های غیرمخرب- بود. آزمایش اولتراسونیک، که در آن امواج صوتی با فرکانس بالا از لوله عبور می‌کنند و از معایب داخلی منعکس می‌شوند، به روش استاندارد برای بررسی ناحیه جوش لوله ERW و SAW تبدیل شد و سیستم‌های مدرن از مبدل‌های صوتی فازی-و الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند که کل حجم جوش را با سرعت خط بررسی می‌کند. آزمایش رادیوگرافی با استفاده از اشعه ایکس{6} یا اشعه گاما، ساختار داخلی جوش را بر روی فیلم یا دیجیتال ثبت می‌کند و در مواردی که بالاترین اطمینان مورد نیاز است استفاده می‌شود.

داستان بازرسی همچنین شامل آزمایش‌هایی است که کل لوله را ثابت می‌کند: آزمایش هیدرواستاتیک هر لوله تا فشار مربوط به استحکام تسلیم آن، آزمایش‌های مسطح و خمش که شکل‌پذیری را نشان می‌دهد، و برای لوله‌های خط مدرن، آزمایش‌های ضربه چارپی که ثابت می‌کند فولاد می‌تواند انرژی را در دمای سرویس جذب کند. ترکیبی از NDT خطی و گواهی نهایی دلیلی است که می توان یک لوله جوشی مدرن را برای خط انتقال گاز با سرعت 10 مگاپاسکال یا بیشتر با اطمینان کامل مشخص کرد.

امروز و فردا

تولید لوله‌های جوشی مدرن یک فرآیند مستمر، ابزاردار و غنی از داده-است. پارامترهای جوش، دما، ابعاد و نتایج بازرسی برای هر متر لوله ثبت می شود و رکوردها در طول عمر لوله را دنبال می کنند. مرز فعلی همان مرزی است که همیشه صنعت را به پیش می برد: استحکام بالاتر، استحکام بهتر و خدمات جدیدی که انتقال انرژی ایجاد می کند. خطوط لوله هیدروژن، خطوط انتقال دی اکسید کربن برای جداسازی، و پیشرفت های آب های عمیق و قطبی همگی تقاضاهای جدیدی را برای لوله های جوش داده شده ایجاد می کنند و صنعت با فولادهای جدید، روش های جدید جوشکاری و استانداردهای بازرسی جدید پاسخ می دهد.

بنابراین توسعه لوله های فولادی جوش داده شده یک فصل بسته از تاریخ صنعتی نیست، بلکه یک برنامه مهندسی مداوم است. هر نسل از لوله ها بهتر از گذشته بوده است، زیرا صنعت یاد گرفت که جوش را کنترل کند، آن را بازرسی کند و فولاد را درک کند. این نظم و انضباط سه بخش امروز پایه و اساس محصول باقی مانده است.

سوالات متداول