کاربرد فولاد در صنعت ساخت لوله
لوله ها از مهمترین تجهیزاتی هستند که امروزه هم در صنایع مختلف و هم در زندگی روزمره کاربرد دارند. اهمیت لوله ها به حدی ست که می توان به جرئت گفت بدون وجود آنها زندگی بسیار دشوار و یا حتی غیر ممکن خواهد شد. از آب آشامیدنی گرفته تا گازی که برای پخت و پز استفاده می شود همه از طریق لوله ها منتقل می شوند و در واقع مهمترین کار کرد لوله ها نیز انتقال سیالات است.
تصویر شماره ۱ - لوله فولادی
هم از نظر فرایند تولید و هم از نظر متریالی که لوله با آن ساخته شده است تنوع بسیاری زیادی در لوله ها وجود دارد. این تنوع به دلیل تفاوت در شرایط کاری و همچنین سیالی که لوله منتقل می کند به وجود آمده است. به عنوان مثال لوله ای که یک اسید با دمای بالا را منتقل می کند نمی تواند از جنس همان لوله ای باشد که برای انتقال آب از آن استفاده می شود و یا لوله ای که در زیر آب نصب شده است با لوله ای که در زیر تابش آفتاب قرار دارد از نظر فرایند تولید و جنس متریال نمی تواند یکی باشد. فرایندهای تولید به شدت در حال تحول است و صنایع ملزم به پاسخگویی به نیازهای صنایع مختلف هستند.
از دیرباز از مواد مختلفی برای ساخت لوله استفاده می شده است. از مواد طبیعی با ساقه ی گیاهان گرفته تا گل رس در گذشته های بسیار دور برای ساخت سیستم های انتقال آب استفاده می شده است اما امروزه با گسترش تولید و استفاده از موادی مانند انواع فلزات، سرامیک ها و پلاستیک ها تحولی در دنیای ساخت لوله به وجود آمده است. از جمله متریال هایی که برای ساخت لوله از محبوبیت زیادی برخوردار است انواع فلزات است. فلزاتی که برای ساخت لوله استفاده می شوند را می توان به دو دسته ی فلزات آهنی و غیر آهنی تقسیم بندی کرد. فلزات غیر آهنی شامل مس، آلومینیوم، روی، سرب و ... هستند. از فلزات آهنی نیز می توان فولاد، چدن، آهن کار شده و ... را نام برد. ولی باز از بین فلزات آهنی فولاد به دلیل راحتی ساخت، قیمت مناسب و ویژگی هایی نظیر استحکام و قدرت از کاربرد بیشتری در صنعت لوله سازی برخوردار است. امروزه انواع مختلفی از لوله های فولادی با توجه به مشخصات و خواسته های مشتریان تولید می شود که دارای خواص خاصی هستند. تقریبا برای هر کاربردی می توان لوله ی فولادی مناسب با آن کاربرد را یافت و از آن استفاده نمود.
دنیای فولاد خود یک دنیای بسیار وسیع و گسترده است. امروزه بیش از ۳۵۰۰ نوع گرید مخلتف فولاد ساخته شده است که هر کدام ویژگی های متمایز از سایر گریدها دارند. فولادها را از جهات مختلف می توان دسته بندی کرد اما در یک تقسیم بندی متداول می توان سه نوع فولاد تعریف کرد. سه دسته از فولادهایی که به طور عمده برای ساخت لوله استفاده می شوند عبارتند از فولاد کربنی، فولاد آلیاژی و فولاد استنلس استیل که البته مورد آخر به صورت خلاصه استیل نیز نامیده می شود. خود فولاد، آلیاژی از آهن و کربن به همراه مقادیر کمی از عناصر دیگر مانند نیکل، کروم، آلومینیوم و ... است. مقدار کربن موجود در فولاد بین ۰٫۱ تا ۱٫۵ درصد است اما بیشتر گریدهای فولادی حداقل مقدار کربن را در ترکیبات خود دارند. در ادامه در مورد انواع فولاد و کاربرد آن در صنعت لوله صحبت خواهیم کرد.
بیشتر مطالعه کنید: انواع فولاد و کاربردهای آن
آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:
فولاد کربنی
فولاد را می توان مهمترین آلیاژ صنعتی نامید که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد و پس از نفت خام پرمصرف ترین ماده صنعتی نیز به شمار می آید. صنعت فولاد سازی از صنایع مادر در هر کشور است و تا کنون تحقیقات و مطالعات بسیار زیادی برای ساخت و بهبود ویژگی های آن صورت گرفته است. فولاد ترکیبی از آهن و کربن است. ممکن است ساده به نظر برسد اما تغییر درصد کربن و یا اضافه و کم شدن عناصر دیگر می تواند تغییرات بسیار زیادی در فولاد ایجاد کند. همچنین فرانید تولید نیز بر خصوصیات فولاد تاثیر گذار است. فولاد ها را به می توان به دو دسته ی ساده و آلیاژی تقسیم بندی کرد. منظور از فولاد ساده یا فولاد ساده کربنی فولادی ست که حاوی آهن و کربن است. اما سؤال این است آیا به غیر از آهن و کربن هیچ عنصر دیگری در ساختار فولاد کربنی وجود ندارد؟ فولاد کربنی عناصر دیگری نیز در خود دارد. برخی از این عناصر به صورت ناخالصی در آن وجود دارند و برخی دیگر به صورت عمدی برای بهبود ویژگی های فولاد به آن اضافه شده اند. اما باید به این نکته توجه داشت که برای برخی از عناصر حد مشخصی تعیین شده است که باید رعایت گردد. به عنوان مثال حداکثر میزان عنصر منگنز که می تواند در فولاد ساده کربنی وجود داشته باشد برابر ۱٫۶۵ درصد است. برای برخی عناصر دیگر نیز حد مجاز توسط انجمن آهن و فولاد آمریکا تعریف شده است.
فولاد های کربنی از نظر میزان کربن قابل دسته بندی هستند و به انواع کم کربن، کربن متوسط و پرکربن تقسیم می شوند. تغییر میزان کربن تاثیر زیادی بر خصوصیات فولاد می گذارد اما به طور کلی در مقایسه با سایر انواع فولاد، فولاد کربنی بدون عناصر آلیاژی به خودی خود فولادی ضعیف به حساب می آید. ولی با توجه به اینکه این نوع فولاد قیمت کمی داشته و بسیاری از خصوصیات آن نظیر استحکام، کارپذیری و شکل پذیری در محدوده ی مناسب قرار دارد بیش از ۹۰ درصد کل تولیدات فولاد جهان را شامل می شود. استفاده از فولاد کربنی ساده برای شرایط بحرانی یا تحت فشار مناسب نیست و نسبت به استرس از مقاومت کمی برخوردار است. به عنوان مثال شما نمی توانید لوله ساده کربنی را برای عبور یک ماده خورنده به کار ببرید و یا بدون پوشش محافظ از آن در محیط های حاوی یون های کلرید استفاده کرد. چرا که به سرعت دچار خوردگی شده و استحکام خود را از دست می دهد. با این وجود از لوله های فولاد کربنی در صنعت نفت و گاز، انتقال مایعات، ابزارها، اتومبیل، کشتی سازی و ... بسیار استفاده می شود.
گریدهای بسیار زیادی از لوله های فولاد کربنی وجود دارند. دو استاندارد ASTM و API از نظر متالورژی و روش های تولید مشخصات لوله های ساخته شده با فولاد کربنی را با طور دقیق مشخص کرده اند. مرسوم ترین مشخصه های لوله در ASTM استانداردهای A-53 و A-106 و همچنین استاندارد API 5L بیان شده است. استاندارد ASTM A-53 مربوط به مشخصات لوله های کربنی جوشی و استاندارد ASTM A-106 به لوله های بدون درز یا Seamless مربوط است.
در خصوص لوله های بدون درز و درز جوش دارد نیز باید گفت که لوله ها را از نظر فرایند تولید به دو دسته تقسیم می کنند. لوله هایی که در آن ها دو سر یک ورق را بهم نزدیک کرده و جوش می دهند. این لوله ها دارای یک درز جوش هستند و به لوله های درزدار یا درزجوش دار معروف هستند. اما دسته ای دیگر از لوله ها با فرایندهای خاص به گونه ای تولید می شوند که هیچ گونه درزی روی آن ها وجود ندارد و لوله یک ساختار کاملا یکپارچه دارد. این لوله ها را بدون درز یا در ایران مانیسمان می نامند. برای آشنایی با لوله های مانیسمان وتفاوت آنها با لوله های درزدار می توانید به مقالاتی که در این رابطه در وب سایت مدیران آهن وجود دارد مراجعه نمایید.
تصویر شماره ۲ - لوله فولادی مانیسمان
معرفی لوله های فولاد آلیاژی
فولادهای آلیاژی همانطور که از نامشان مشخص است حاوی عناصر آلیاژی هستند که باعث افزایش مقاومت و استحکام این نمونه از فولاد می شود. مقدار عناصر آلیاژی که در فولاد آلیاژی به کار برده می شود بین ۱ تا ۵۰ درصد متغیر است. بر حسب میزان عناصر دیگر که در فولاد آلیاژی به کار رفته است می توان این نوع از فولاد را به دو دسته ی فولادهای کم آلیاژ و پرآلیاژ تقسیم بندی کرد. در فولاد های کم آلیاژ کمتر از ۸ درصد عناصر آلیاژی وجود دارد اما در فولاد های پرآلیاژ درصت وزنی عنصار دیگر بیشتر از ۸ درصد است.
متداول ترین عناصری که برای ساخت فولاد آلیاژی به کار برده می شود عبارتند از کروم، نیکل، منگنز، مس و .... هر کدام از این عناصر اثرات خاص خود را ویژگی های فولاد دارند. به عنوان نمونه با اضافه کردن کروم به فولاد به میزان بیشتر از ۱۰ درصد فولاد در برابر خوردگی مقاوم می شود و یا مولیبدنم می تواند باعث افزایش استحکام و مقاومت فولاد شود. برای آشنایی بیشتر با تاثیر عناصر مختلف بر خصوصیات فولاد پیشنهاد می شود که مقاله اثر عناصر مختلف در فولاد را مطالعه بفرمایید.
فولادهای آلیاژی از نظر قیمت بالاتر از فولادهای کربنی هستند و فرایند تولید آن ها نیز پیچیدهتر است چرا که مقدار عناصری که در ساختار آن ها به کار رفته است باید با دقت کنترل شود. همچنین برخی از این عناصر خود از قیمت بالایی برخوردار هستند و بر قیمت تمام شده ی فولاد تاثیر می گذارند. به همین دلیل از فولادهای آلیاژی در صنعت لوله سازی تنها در مواردی استفاده می شود که شرایط کاری بسیار سخت باشد و لوله های کربنی ساده نتوانند نیازها را برآورده کنند. اینجاست که هزینه بیشتر توجیه می یابد و استفاده از فولادهای آلیاژی برای ساخت لوله امکانپذیر است.
همانطور که احتمالا حدس زده اید از لوله های با فولاد آلیاژی درصنایع خاص مانند نفت و گاز و همچنین تولید نیرو بیشتر استفاده می شود. لوله های فولاد آلیاژی بین 1/8 اینچ تا 20 اینچ سایز دارند و رده آن ها نیز از S/20 تا S/XXS متغیر است.
یکی از استانداردهایی که به بیان مشخصات لوله های فولاد آلیاژی پرداخته است استاندارد ASTM A355 می باشد.
تصویر شماره ۳ - لوله فولاد آلیاژی
استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ
در حقیقت استنلس استیل یا استیل یکی از انواع فولاد آلیاژی ست اما به دلیل کاربرد بسیار زیاد ما آن را در یک گروه مجزا معرفی کرده ایم.
فولادهای کربنی با وجود تمام مزایایی که دارند اما در مجاورت رطوبت و هوا به سرعت دچار زنگ زدگی و خوردگی می شوند. به همین دلیل برای ساخت لوله هایی که در این شرایط مشغول به کار هستند لازم است تا از نوعی دیگر از فولاد استفاده شود. استنلس استیل نام گروهی از فولادهاست که مهمترین ویژگی آن ها مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی ست. فولادهای ضد زنگ بین 10 تا 20 درصد کروم دارند که همین عنصر مانع از زنگ زدن آن می شود. البته عناصر دیگری مانند منگنز، نیکل، سیلیکن و مولیبدنم نیز در ساختار استنلس استیل ها به کار گرفته میشود که باعث مقاومت و استحکام بیشتر آن می گردد. سایز لوله های استنلس استیل بین ½ تا 36 اینچ و رده آن بین 5 تا 80 متغیر است. لوله های استنلس استیل در صنایعی که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی وجود دارد بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. این صنایع شامل نفت و گاز، پتروشیمی و ... است.
لازم به ذکر است که استیل ها خود از تنوع بسیار زیادی برخوردار هستند و بسته به میزان و نوع عناصر آلیاژی که در ساخت آن ها به کار رفته است به گروه های مختلفی تقسیم بندی می شوند که هر کدام نیز کاربرد مخصوص به خود را دارند. به عنوان مثال می توان از لوله های استیل ۳۱۶، لوله استیل ۳۰۴، لوله استیل ۳۲۱، لوله استیل ۳۰۹ و لوله استیل ۳۱۰ نام برد که انواع مختلف لوله ساخته شده از استیل آستنیتی سری ۳۰۰ است. برای آشنایی بیشتر با انواع استنلس استیل ها و خواص و کاربرد آن ها می توانید به مقاله استنلس استیل و کاربردهای آن مراجعه نمایید.
تصویر شماره ۴ - لوله استنلس استیل