روش های خمکاری لوله های فولادی

روش های مختلفی جهت خمکاری لوله ها وجود دارد. هر یک از روش ها با توجه به نوع و کیفیت خمی که می توانند تولید کنند دارای کاربردها و محدودیت هایی می باشند. انتخاب روش صحیح، نیازمند آشنایی با این روش هاست.

جهت انتخاب یک روش خمکاری لوله مناسب باید موارد زیر را مد نظر داشته باشیم :

• جنس لوله ، شعاع خم نسبی ، قطر نسبس لوله ، ضخامت لوله
• کیفیت خم و نرخ تولید مورد نظر

خم کاری لوله های فولادی

در پروژه های گازرسانی گاهی جهت عبور لوله های فولادی از عوارض زمین نیاز به تغییر مسیر داریم که معمولا با استفاده از اتصالات فولادی ( زانو با درجه های مختلف) این کار را انجام می دهیم. ولی در بعضی مواقع نیاز به تغییر مسیر هایی وجود دارد که زاویه آن با زاویه های استاندارد در اتصالات زانویی فولادی همخوانی ندارد بنابراین با استفاده از روش هایی این تغییر مسیر را با خمکاری لوله های فولادی انجام می دهیم که به اصطلاح فنی BEND می زنیم.

ظرفیت خمکاری

ظرفیت خمکاری متغیر بوده و به میزان کربن آنها بستگی دارد. با افزایش میزان کربن قابلیت خمکاری کاهش می یابد در واقع این دو با هم رابطه عکس دارند. لوله هایی که درصد کربن آنها تا ۱٫۲ است امکان خمکاری در حالت سرد را دارند و در صورتی که درصد کربن از مقدار ذکر شده بیشتر شود خمکاری به روش گرم انجام می پذیرد. با افزایش درصد کربن شکنندگی بالا می رود.

روش های خمکاری لوله های فولادی

امروزه تنوع زیادی در روش های خم لوله وجود دارد که تعدادی از آن ها همراه با اعمال گرما و تعدادی بدون حضور گرما انجام می شوند. انتخاب یک روش مناسب تابعی از ویژگی های ماده، اندازه لوله فولادی، شعاع خمکاری، موارد اقتصادی و در دسترس بودن وسایل و تجهیزات است. به طور کلی در هر نوع از روش های خمکاری لوله های فولادی با محدودیت هایی از لحاظ نوع خم ، حداکثر زاویه خمی که می توانند ایجاد کنند ، هزینه های تولید و کیفیت خم مواجه خواهیم بود. ولی لازم است مواردی که میخواهیم خمکاری روی آن ها انجام دهیم، ترجیحا خاصیت شکل پذیری خوبی داشته باشد و کمترین نرخ کرنش سختی را از خود نشان دهند.

انواع روش های خمکاری لوله های فولادی

• خمکاری به روش گرم
• خمکاری به روش القایی
• خمکاری به روش سرد

خمکاری به روش گرم

خمکاری گرم عمدتاً در دو حالت ضروت پیدا می کند:

• شعاع خمکاری نسبت به قطر لوله کوچک باشد(R/D < 1.5).
• مقاومت و استحکام مکانیکی بالای لوله.

بالا بودن قطر لوله و یا بالا بودن ضخامت لوله (بالابودن ممان اینرسی مقطع) یا استحکام بالای لوله (تنش تسلیم بالای لوله) موجب می گردند که جهت عملیات خمکاری لوله نیازمند اعمال نیروی فوق العاده به لوله باشیم.این خود منجر به بزرگ شدن بیش از حد قطعات و اجزاء دستگاه خم می گردد.

گرم گردن لوله موجب کاهش حد استحکام لوله و یا پروفیل شده و در نتیجه از یک سو سایز دستگاه کوچک شده و از سوی دیگر دستگاه با صرف انرژی و نیروی کمتری قادر به خمکاری مقاطع مختلف می گردد.

روش های گرم کردن لوله

عمدتاً دو روش استفاده از سوخت های فسیلی و یا الکتریسیته برای گرمکاری لوله و پروفیل بکار برده می شود. اهم روش های گرمکاری عبارتند از:

• گرمکاری با استفاده از سوختهای فسیلی (گاز طبیعی، بوتان، پروپان، استیلن، بنزین)
• گرمکاری بوسیله هدایت الکتریکی.
• گرمکاری بوسیله القائی مغناطیسی

خمکاری گرم لوله های فولادی

خمکاری گرم لوله های فولادی یکی از قدیمی ترین روش ها در خمکاری لوله محسوب می شود. به علت تغییر در ساختار کریستالوگرافی بخشی از لوله که حرارت موضعی دریافت می کند، کاربرد خمکاری گرم لوله ها محدود است چون لوله در آن نقطه آسیب پذیر می شود لذا در صورت امکان ترجیح به خمکاری لوله به روش سرد است. اما در بسیاری از موارد زاویه حداکثر خم لوله به روش سرد کمتر از میزان زاویه خم مورد نیاز است، در نتیجه ناگزیر به استفاده از خمکاری گرم می باشیم. نکته اینکه لازم است که پس از فرایند خمکاری به روش گرم، عملیات حرارتی بر روی لوله انجام شود.

خصوصیات روش خمکاری گرم لوله های فولادی

• خمکاری گرم برای محدوده وسیعی از ضخامت و شعاع در لوله ها امکان پذیر است
• در هنگام خمکاری گرم با عیوب بسیاری همچون بیضی شدن سطح مقطع، چروک خوردگی مواجهیم>/li>
• به دلیل پر کردن لوله از شن های داغ، نیاز به تمیزکاری بعد از خمکاری لوله، اجتناب ناپذیر است
• بدلیل مصرف انرژی بسیار زیاد، فرایند گران قیمت و بسیار کند است
• عیب کم شدن ضخامت دیواره خارجی لوله به واسطه گرم کردن سطح داخلی خم بهتر از روش های دیگر کنترل می شود.

خمکاری به روش القایی

خمکاری القایی یک فرآیند خم فلز پیشرفته است و مناسب برای طیف بسیار گستردهای از کاربردها است و به طور کامل می تواند محدودیت های بالقوه عیوب در روش های خمکاری سرد و گرم را پوشش دهد.

خمکاری القایی لوله های فولادی

توسط جریان الکتریکی و ایجاد یک میدان انجام می شود. به طوری که یک لوله از داخل کویل القایی عبور می کند.در واقع،در این روش لوله بر روی یک ماشین با یک بازوی متحرک به شعاع مورد نیاز پروژه قرار می گیرد .سپس لوله فولادی از طریق سیستم هیدرولیکی هدایت می شود. این فرایند با استفاده از انرژی گرمایی از یک کوئیل القایی با کنترل دقیق نظارت و ارزیابی می شود. لوله با استفاده از گرمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد متمرکز در منطقه خمکاری و در نهایت سرد شدن با اسپری آب سرد و یا قرار گرفتن در معرض هوا، خمکاری القایی انجام می شود. این روش برای خمکاری لوله های اسپیرال و درزجوش مستقیم استفاده می شود.

اهمیت استفاده از این روش در این است که ترکیبی از سرعت، حرارت و سرمایش امکان تولید خم لوله با شعاع تند تر، بدون تغییر شکل مقطعی را فراهم می کند. در طراحی ماشین الات محدودیتی در خصوص طول لوله وجود نخواهد داشت و می توان با هر طولی این کار را انجام داد

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.
• نیاز کمتر به تست غیر مخرب، کنترل بیشتر هزینه های پروژه.
• 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.
• استفاده از این روش جهت تولید زانو با ضخامت دیواره یکسان.
• 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.
• امکان ایجاد چندین خم تنها دریک لوله و همچنین امکان چند خم به صورت متوالی در ضخامت های مختلف و کاهش تعداد بند های ( BEND) جوشکاری.

خمکاری به روش سرد

خمکاری سرد لوله های فولادی به روش های مختلفی 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 جهت خمکاری لوله های قطور بیشتر از روش خمکاری سه غلتکی استفاده می شود، این نوع خمکاری 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.

خواص خمکاری سرد لوله های فولادی

• اجرای بسیار سریع و ارزان قیمت.
• کنترل خوب روی عیوبی همچون بیضی شدن مقطع لوله و چروک خوردگی.
• نیازی به پوسته زدایی و تمیز کردن های مداوم و تجهیزات گرمایی خاص نیست.
• این روش جهت شعاع های استاندارد خاصی از لوله ها و بازه محدودی از ضخامت ها، خمکاری صورت می گیرد لذا این خمکاری خیلی انعطاف پذیر نمی باشد.
• خمکاری سرد نسبت به خمکاری گرم برگشت فنری و تنش های پسماند بیشتری خواهیم داشت.

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.

-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

-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.

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.

لوله های درز جوش مستقیم کدامند؟

مقاطعی که از فرم و سپس جوشکاری درز لوله ساخته می شوند لوله های درز جوش مستقیم هستند

لوله اسپیرال چیست؟

مقاطعی که از فرم ورق های فولادی به شکل مارپیچ تولید می شوند لوله اسپیرال می باشند

مزایای لوله اسپیرال کدامند؟

این مقاطع در اندازه های مختلفی قابل تولید می باشد همچنین نسبت به رشد ترک ها رفتار بهتری دارند

تکنیک های خمکاری به روش سرد

تکنیک های متفاوتی در خم کاری لوله وجود دارد که هر کدام از آنها بر اساس کاربرد خم و نوع مواد، مزیت و معایب متفاوتی دارند. معمول ترین و مهم ترین تکنیک های خم کاری که از نیروی مکانیکی استفاده می کنند، عبارتند از:

1. خمکاری پرسی (Pressing Bending)

در بسیاری از موارد که شعاع خمکاری و تغییر سطح مقطع لوله از اهمیت خاصی برخوردار نیست از این روش برای خمکاری لوله استفاده می شود. بعنوان مثال می توان از بکارگیری این روش در سیستم لوله کشی شوفاژ منازل مسکونی و نیز برخی از مبلمان فلزی خانگی و اداری استفاده کرد. در این روش لوله بر روی دو غلطک (تکیه گاه،) و قالب در وسط این دو غلطک قرار می گیرد.

نیروی لازم توسط یک جک هیدرولیکی تامین می شود. دستگاههای خمکاری پرسی بعضاً به شکلی طراحی شده اند، که قادر هستند خمکاری لوله را بصورت گروهی انجام دهند.

2. خمکاری فشاری (Compression Bending)

,p>در خم کاری فشاری ، قالب ثابت بوده و کفشک لغزا ن در حین دوران به دور قالب، لوله را به درون قالب می فشارد. در این روش گیره لوله را در محل خاتمه خم به قالب ثابت کرده و از حرکت لوله جلوگیری می کند. بعنوان مثال خمکاری های دستی که برای خمکاری لوله های مسی با قطر D<16 mm استفاده می شود، جزء این روش خمکاری می باشد

3. خمکاری کششی چرخشی (Rotary Draw Bending)

درخمکاری کششی، قالب دوران می کند. در این روش، در ابتدا لوله در محل شروع خم توسط گیره به قالب فشرده و محکم گرفته می شود. سپس هر دو با هم شروع به دوران کرده و نتیجتاً لوله به درون قالب کشیده می شود. جهت جلوگیری از تغییر فرم سطح مقطع لوله و بیضی شدن آن قالب فشاری به لوله فشرده شده و در اثر اصطکاک، به همراه لوله به جلو کشیده می شود و همواره در نقطه شروع خم در مقابل قالب قرار می گیرد و مانع از تغییر شکل لوله و بیضی شدن آن در هنگام خمکاری می گردد. به همین دلیل طول آن بایستی حداقل برابر طول خم باشد.

این روش برای خمکاری لوله های با ضخامت کم از مندریل که در درون لوله قرار می گیرد، می توان استفاده کرد. مندریل موجب کنترل ابعاد هندسی و مانع از بیضی شدن لوله می شود. به عبارت دیگر با استفاده از مندریل و قالب از تغییر شکل لوله به ترتیب از طرف داخل و بیرون در حین عملیات خمکاری جلوگیری می کند. روش خمکاری کششی نسبت به خمکاری پرسی، خمکاری فشاری و خمکاری نوردی، جهت ارائه یک خم با کیفیت، بسیار مناسبتر می باشد و از این رو در بسیاری از کارخانجات تجهیزات سازی از آن استفاده می شود.

4. خمکاری سه غلتکی (Roll Bending)

این روش برای خم کاری لوله و سایر مقاطع با شعاع خم های بزرگ بکار گرفته می شود. در این روش لوله و یا پروفیل از میان سه غلطک عبور داده می شود. با توجه به اینکه از نظر هندسی از سه نقطه فقط یک دایره عبور می کند، لوله در حین عبور لوله از میان سه غلطک دایره شکل با قطر مشخص را به خود می گیرد.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، از سه غلطکی که در بالا به آن اشاره شده، دو غلطکی که در طرفین قرار گرفته اند بدون تغییر مکان جانبی و ثابت بوده و صرفاً حرکت دورانی دارند.

نیروی محرک برای به حرکت در آوردن لوله توسط غلطک میانی که غلطک محرک نامیده می شود، به لوله یا پروفیل اعمال می گردد. همچنین این غلطک با داشتن یک درجه آزادی و امکان حرکت در امتداد عمود بر لوله، نورد لوله و یا پروفیل با شعاع های مختلف را ممکن می سازد.

۲۴منبع : گروه تولید محتوا فولاد