لوله چیست و چه کاربردهایی دارد؟
2 بهمنماه 1401 | 11:00
بازدید: 10 مرتبه
زمان مورد نیاز برای مطالعه: 26 دقیقه
لوله چیست؟
لولههای فولادی، لولههای استوانهایشکل هستند که از فولاد ساخته شدهاند و در ساختمانسازی و زیرساختها کاربردهای زیادی دارند. این محصولات پراستفادهترین محصول ساختهشده توسط صنعت فولاد هستند. کاربرد اصلی لوله در حملونقل مایع یا گاز زیرزمینی ازجمله نفت، گاز و آب است. با اینحال، لولههای با اندازههای مختلف در طول ساختوساز برای گرمایش و لولهکشی استفاده میشوند. سازهها را میتوان با استفاده از لولههای فولادی با اندازههای مختلف مانند نردهها، قفسههای دوچرخه یا بسیاری از موارد دیگر ساخت؛ به همین دلیل در زمان خرید لوله مهم است که انواع این محصول را بشناسید. اندازه اسمی لولهها از 3/8 اینچ تا 2 اینچ متغیر است. فولاد با اینکه بادوام است، اما با گذشت زمان، مستعد خوردگی از داخل و در نتیجه فرسایش روی است. این به دلیل قرارگرفتن مداوم در معرض آب، در لایه روی داخل لوله رخ میدهد که منجر به تجمع محصولات جانبی خوردگی میشود. میانگین طول عمر لولههای فولادی حدود 50 سال است.تاریخچه لوله
قبل از اینکه بهطور کامل در مورد خرید لوله صحبت کنیم، بد نیست نگاهی به تاریخچه استفاده از این محصول داشته باشیم. هزاران سال است که مردم از لولهها استفاده میکنند. شاید اولین استفاده از لوله توسط کشاورزان باستانی باشد که آب را از نهرها و رودخانهها به مزارع خود میفرستادند. شواهد باستانشناسی نشان میدهد که چینیها از لوله نی برای انتقال آب به مکانهای موردنظر در اوایل سال 2000 قبل از میلاد استفاده میکردند. لولههای سفالی که توسط سایر تمدنهای باستانی استفاده میشد، کشف شده است. در قرن اول پس از میلاد، اولین لولههای سربی در اروپا ساخته شد. در کشورهای گرمسیری از لولههای بامبو برای انتقال آب استفاده میشد. تصور میشود که فردی با نام «ویلیام مرداک» پیشگام تولید لولههای فولادی باشد. در سال 1815، او بشکههای تفنگ را به هم متصل کرد تا از سیستم سوزاندن لامپ زغالسنگ پشتیبانی کند. مرداک از سیستم لولهکشی نوآورانه خود برای انتقال گاز زغالسنگ به لامپهای خیابانهای لندن استفاده کرد. از دهه 1800، گامهای بزرگی در فناوری لولههای فولادی برداشته شده است؛ ازجمله بهبود روشهای ساخت، توسعه برنامههای کاربردی برای استفاده از آنها و ایجاد مقررات و استانداردهایی که بر صدور گواهینامه آنها حاکم است. هنگامیکه سیستم روشنایی او موفق شد، تقاضای بیشتری برای لولههای فلزی بلند ایجاد شد. برای تولید لولههای کافی برای پاسخگویی به این تقاضا، مخترعان مختلفی روی توسعه فرآیندهای جدید لولهسازی کار کردند؛ درحالیکه فرآیندهای لولهجوش در حال توسعه بود، نیاز به لولههای فلزی بدون درز ایجاد شد. "لولههای بدون درز" آنهایی هستند که درز جوشی ندارند. این محصولات ابتدا با سوراخ کردن در مرکز یک استوانه جامد ساخته شدند. این روش در اواخر دهه 1800 توسعه یافت. این نوع لولهها برای قاب دوچرخه مناسب بودند؛ زیرا نهتنها دیوارههای نازک و سبکی داشتند، بلکه محکم نیز بودند. در سال 1895 اولین کارخانه تولید لولههای بدون درز ساخته شد. از آنجاییکه تولید دوچرخه جای خود را به تولید خودرو داد، لولههای بدون درز همچنان برای خطوط بنزین و نفت، موردنیاز بود و با یافتن ذخایر بزرگ نفتی این تقاضا حتی بیشتر شد. در اوایل سال 1840، کارگران آهن میتوانستند لولههای بدون درز تولید کنند. در طی این روش، شمش حرارت داده شد و از طریق یکسری قالبها کشیده شد تا یک لوله تشکیل شود، اما این روش ناکارآمد بود؛ زیرا سوراخ کردن در مرکز لوله کار دشواری بود و همین موضوع منجر به یک لوله ناهموار با یک طرف ضخیمتر از طرف دیگر شد. در سال 1888، یک روش بهبودیافته برای این کار اختراع شد که از آن زمان به بعد، تکنیکهای جدید غلتکی جایگزین این روشها شده است.استاندارد لولههای فولادی
یکی از نکات مهم بهخصوص در زمان خرید لوله، اطلاع داشتن از استانداردهای لوله فولادی است؛ چراکه این موضوع میتواند کیفیت لوله خریداریشده را تضمین کند. استانداردهای ساخت لولهها معمولا به آزمایش ترکیب شیمیایی و یکسری آزمایشهای مقاومت مکانیکی برای هر لوله نیاز دارند. آزمایشهای مکانیکی ممکن است با لولههای زیادی مرتبط باشد که همگی از یک گرما بوده و از طریق فرآیندهای عملیات حرارتی یکسانی انجام شدهاند. برخی از استانداردهای مهم در خرید لوله یا کلاسهای لولهکشی که بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند، به شرح زیر است:- ASME SA106 گرید B (لوله فولادی کربن بدون درز برای خدمات دمای بالا)
- ASTM A312 (لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی بدون درز و جوشدادهشده)
- ASTM C76 (لوله بتنی)
- ASTM A36 (لوله فولادی کربنی برای استفاده ساختاری یا فشار کم)
- ASTM A795 (لوله فولادی مخصوص سیستمهای اسپرینکلر آتشنشانی)
تولید لوله فولادی چگونه است؟
در زمان خرید لوله فولادی به این موضوع دقت کنید که لوله فولادی در همهجا از طریق دو فرآیند اصلی ایجاد میشود: هر دو فرآیند باید با ساخت فولاد با کیفیت خوب شروع شود. فولاد خام توسط کارخانههای ریختهگری از طریق فرآیند ذوب مواد خام در یک کوره تولید میشود. برای درستکردن ترکیب، ممکن است عناصری به فلز مذاب اضافه شده و ناخالصیها حذف شوند. فولاد مذاب بهدستآمده در قالب ریخته میشود تا شمش درست شود یا برای ساخت اسلب و بیلت به دستگاه ریختهگری منتقل میشود. لوله از دو مورد از این محصولات ساخته میشود: اسلب یا بیلت.مواد خام برای تولید لوله
ماده اولیه در تولید لوله، فولاد است که معمولا از آهن تشکیل شده است. سایر فلزاتی که ممکن است در آلیاژ وجود داشته باشند، عبارتند از: آلومینیوم، منگنز، تیتانیوم، تنگستن و وانادیم. برخی از مواد تکمیلشده گاهی اوقات در طول تولید استفاده میشود. بهعنوان مثال: اگر لوله پوشش داده شده باشد، ممکن است از رنگ استفاده شود. بهطور معمول، مقدار کمی روغن روی لولههای فولادی در انتهای خط تولید اعمال میشود که به محافظت از لوله کمک میکند. حتی اسید سولفوریک در یک مرحله تولید برای تمیزکردن لوله استفاده میشود.اسلب فولادی در تولید لوله
اسکلت فولادی از دالهایی ساخته میشود که تا دمای 2200 درجه فارنهایت گرم میشوند. گرما باعث ایجاد رسوب روی سطح میشود که باید از طریق رسوبشکن و تمیزکردن فشار بالا آن را جدا کرد. پس از تمیز کردن، دال فولادی بهصورت گرم و به شکل نوارهای باریک و نازک فولادی بهنام اسکلپ نورد میشود. اسکلپ با اسید سولفوریک تمیز و آب شسته میشود و روی سطحی بزرگ بهعنوان ماده خام برای ساخت لوله غلتانده میشود. عرض اسکلپ تعیینکننده قطر لوله قابل ساخت است. اسکلپ از قرقره باز و حرارت داده میشود؛ سپس از طریق غلتکهای شیاردار که لبههای اسکله را به سمت بالا خم میکند، نورد میشود. این فرآیند یک لوله استوانهایشکل ایجاد میکند که در آن دو لبه درست به اطراف خم شدهاند تا به یکدیگر برخورد کنند و یک استوانه بلند (که همان لوله است) را تشکیل دهند. یک فرآیند جوشکاری، لبهها را بههم متصل میکند. در یک عملیات جوشکاری پیوسته، غلتکهای جوش لبههای لوله را به یکدیگر فشار میدهند و بهدلیل گرمایی که قبلا به اسکلپ وارد شده است، جوش آهنگری را تشکیل میدهند. در حین جوشکاری، فلزی اضافه نمیشود و غلتکهای نهایی قطر و ضخامت دیواره لوله را تا حد مشخص کاهش میدهند. جوشکاری مقاومتی الکتریکی از فرآیندی مشابه با جوش پیوسته پیروی میکند؛ با این تفاوت که اسکلت به شکل لوله سرد نورد میشود. جریان توسط دیسکهای مسی گردان به لبههای لوله میرسد که لبهها را تا دمای جوش گرم میکند. غلتکهای جوشکاری به لبههای لوله میپیوندند تا یک جوش آهنگری ایجاد کنند. در جوشکاری مارپیچی از تکنیکهای جوشکاری معمولی استفاده و مواد جوش را برای تشکیل پیوند اضافه میکنند.بیلتهای فولادی برای لولههای بدون درز
تولید لوله حتی با بیلتهای فولادی هم امکانپذیر است. بیلتهای فولادی قطعات مربعی بلند فولادی هستند که بهصورت مستقیم از یک ماشین ریختهگری پیوسته یا بهعنوان محصول ثانویه ساخته شده از شمشهای ریختهگری نوردشده و کشیده تولید میشوند. از این بیلتها میتوان برای ساخت لولههای بدون درز استفاده کرد که در برخی کاربردها بهدلیل نداشتن خط جوش ایمنتر است. شمش فولادی جامد باید در دماهای بسیار شدید گرم شود و به رنگ سفید داغ شود، اما ذوب نشود؛ ماشینها آنها را میغلطند تا به شکل جامد استوانهای درآیند. درحالیکه هنوز گرم است، از سوراخکننده گلولهایشکل استفاده میشود تا مرکز توخالی را با توجه به ابعاد آن منظم کند. طی این فرآیند، یکسری عملیات آسیاب برای انطباق لوله با مشخصات موردنیاز انجام میشود. لولهها ممکن است بهعنوان مرحله نهایی فرآیند، قبل از اتصال به اتصالات در انتها، در دستگاه صافکننده قرار داده شوند. لولههای حفرهای کوچک معمولا با اتصالات رزوهای نصب میشوند؛ اما لولههای حفره بزرگتر معمولا با فلنجهایی نصب میشوند که روی انتهای لوله جوش داده میشوند. ماشینهای اندازهگیری طی فرآیند تولید لوله، ابعاد لوله تمامشده را بررسی میکنند و جزئیات را در کنار لوله برای اهداف کنترل کیفیت مهر میکنند.مراحل کنترل کیفیت لولههای فولادی
مراحل کنترل کیفیت لوله شامل بررسی عیوب لوله با استفاده از دستگاههای اشعه ایکس بهویژه در طول جوش است. روش دیگر این است که لوله را با پرکردن آن با آب، آزمایش میکنند و سپس آن را برای مدتزمان مشخصی تحت فشار نگه میدارند تا هرگونه نقصی که ممکن است باعث خرابی فاجعهبار شود، قبل از استفاده آشکار شود. برخی از ویژگیهای لوله را میتوان در طول تولید کنترل کرد؛ بهعنوان مثال: قطر لوله اغلب بسته به نحوه استفاده از آن تغییر میکند. قطر لوله میتواند متغیر باشد و ضخامت دیواره لوله نیز قابل کنترل است. اغلب نوع فولاد نیز بر استحکام و انعطاف لوله تأثیر میگذارد.کاربرد لوله
لولههای فولادی در مکانهای مختلفی یافت میشوند. از آنجاییکه این محصولات قوی هستند، از آنها در زیرزمین برای انتقال آبوگاز در سراسر شهرها و شهرکها استفاده میشود. آنها همچنین در ساختوساز برای محافظت از سیمهای برق استفاده میشوند. با اینکه لولههای فولادی قوی هستند، میتوانند سبکوزن هم باشند. این باعث میشود آنها برای استفاده در ساخت قاب دوچرخه مناسب باشند. مکانهای دیگری که میتوان از این مقطع فولادی استفاده کرد، در اتومبیلها، سیستمهای گرمایش و لولهکشی، میلههای پرچم، چراغهای خیابانی و بسیاری از کاربردهای دیگر است. بهطور کلی کاربرد لوله با توجه به نوع این مقطع فولادی انتخاب میشود. لولهها در سازهها، حملونقل و ساخت استفاده میشوند. این محصولات با توجه به قطر بیرونی خود اندازه میشوند و قطر داخلی آنها بر اساس ضخامت دیواره متفاوت است. برخی از کاربردها بسته به نیروهایی که لوله باید مدیریت کند، به دیوارهای ضخیمتری نسبت به سایرین نیاز دارند.کاربرد لوله در ساختوساز
یکی از متداولترین کاربردهای لوله، در ساختمانسازی است. بهطور کلی، لولههای فولادی استحکام بیشتری را به فونداسیونها میدهند و بهطور گسترده در پروژههای ساختمانی استفاده میشوند.شمعهای ساختمانی
لولههای فولادی در فرآیندی بهنام شمعبندی، استحکام پایهها را فراهم میکنند. در این کاربردها، لوله قبل از گذاشتن فونداسیون به عمق زمین هدایت میشود. برای یک ساختمان بلند یا ساختوساز در زمینی که ایمن نیست، لوله فولادی پایداری را فراهم میکند. دو نوع اساسی از پایههای شمع در فونداسیون وجود دارد:- شمعهای یاتاقان انتهایی که روی لایهای از خاک یا سنگ قوی قرار دارند. بار ساختمان از طریق شمع به لایه قوی منتقل میشود.
- شمعهای اصطکاکی بار ساختمان را در تمام ارتفاع شمع، با اصطکاک به خاک منتقل میکنند. تمام سطح شمع به انتقال نیروها به خاک کمک میکند.
داربست ساخته شده از لوله فولادی
داربستها از لولههای فولادی ساخته شدهاند و به کارگران ساختمانی اجازه میدهند به مناطقی از ساختمان که دور از دسترس هستند، دسترسی داشته باشند.ساخت ریل محافظ با استفاده از لوله فولادی
از لولههای فولادی برای ساخت ریلهای محافظ برای محافظت از دوچرخهسواران و عابران پیاده استفاده میشود.نرده و ستونهای محافظ
یکی دیگر از کاربرد لوله، ساخت نرده و ستونهای محافظ در خیابان و مکانهای مختلف است. ریلهای محافظ نیز از لولههای فولادی ساخته شدهاند که ویژگی ایمنی زیبایی را برای پلهها و بالکنها ایجاد میکنند. ستونهای لوله فولادی از عابران پیاده و زیرساختها در برابر برخورد وسایل نقلیه محافظت میکند. همچنین برای محافظت افراد یک منطقه از ترافیک ناشی از وجود وسایل نقلیه، از ساختمانها یا زیرساختها استفاده میشوند. چون لوله فولادی ضد زنگ در برابر خوردگی مقاوم است، انتخاب خوبی برای مکانهایی است که در معرض خوردگی هستند.ساخت قاب دوچرخه
یکی از کاربردهای لوله، ساخت قاب دوچرخه است. قاب دوچرخهها از لولههای فولادی تشکیل میشوند. خواص مواد سخت فولاد آن را در برابر سارقان ایمن می کند.کاربرد لوله در صنعت حمل و نقل
از آنجاییکه این مواد برای نصب طولانیمدت مناسب است، میتوان رایجترین استفاده از لولههای فولادی را برای حملونقل محصولات دانست. به دلیل سختی و مقاومت در برابر شکست، میتوان آن را در زیرِ زمین دفن کرد. کاربردهای فشار کم نیازی به استحکام بالای لولهها ندارند؛ زیرا در معرض تنشهای قابلتوجهی قرار نمیگیرند. ضخامت دیواره باریک باعث تولید ارزانتر لولهها میشود. کاربردهای تخصصیتر مانند لولههای مورداستفاده در صنعت نفتوگاز به مشخصات دقیقتری نیاز دارند. ماهیت خطرناک محصول در حال حملونقل و احتمال افزایش فشار روی خط، مستلزم استحکام بالا و در نتیجه ضخامت دیواره بالاتر است. این موضوع بهطور کلی هزینههای بالاتری را به همراه دارد.ویژگیهای لولههای فولادی
ممکن است برای برخی از افراد در مورد نحوه مشخص کردن مواد و ویژگیهای دقیق لوله، سردرگمیهایی وجود داشته باشد. انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) به همراه انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) و مؤسسه نفت آمریکا (API) مهمترین مرجع برای مشخصات لولهکشی هستند. مشخصات لوله را میتوان به 3 دسته اصلی تقسیم کرد:اندازه اسمی لوله
اندازه لوله بهعنوان "اندازه اسمی لوله" یا NPS معروف است. مبدا اعداد NPS برای لوله های کوچکتر (< NPS 12) با مبدا لولههای با قطر بزرگتر متفاوت است. با اینحال، تمام لولههای یک عدد NPS خاص دارای قطر خارجی یا خارجی (OD) یکسانی هستند. قطر داخلی بسته به ضخامت دیواره فلز متفاوت خواهد بود. دلیل این امر این است که میتوان از تکیهگاههای ساختاری یکسان برای تمام لولهکشیهای یک عدد NPS خاص بدون در نظرگرفتن ضخامت دیوار استفاده کرد.جدول زمانی لوله
جدول زمانی لوله های فولادی راهی برای توصیف ضخامت دیواره لوله است. این موضوع یک پارامتر حیاتی است؛ زیرا بهطور مستقیم با استحکام لوله و مناسببودن برای کاربردهای خاص مرتبط است. جدول زمانی لوله یک عدد بدون بعد است و بر اساس فرمول طراحی برای ضخامت دیوار با توجه به فشار طراحی و تنش مجاز محاسبه میشود. نمونههایی از اعداد برنامه به شرح زیر است: 5، 5S، 10، 20، 30، 40، 50، 60، 80، 100، 120، 140، 160، STD، XS، و XXS - که رایجترین آنها اعداد 40 و 80 است. با افزایش تعداد برنامه، ضخامت دیواره لوله افزایش مییابد. بنابراین شماره برنامه یک لوله، قطر داخلی را تعیین میکند؛ زیرا OD توسط عدد NPS ثابت میشود.وزن لوله
وزن لوله را میتوان بر اساس NPS که قطر بیرونی را مشخص میکند و جدول زمانی که ضخامت دیواره را تعیین میکند، محاسبه کرد. با استفاده از فرمول زیر، میتوان وزن لوله را محاسبه کرد: W = 10.69 x t (OD - t) OD = قطر بیرونی t = ضخامت تولیدکنندگان لولههای فولادی در انتهای تولید خود یک گزارشی را برای تأیید اینکه محصول مطابق با مشخصات آنالیز شیمیایی و خواص مکانیکی است، صادر می کنند؛ این گواهینامه یا گزارش MTR است که شامل تمام دادههای مربوط به محصول خواهد بود. موارد زیر پارامترهای معمولی هستند که ممکن است در MTR ثبت شوند:- ترکیب شیمیایی موجود در لوله شامل محتوای کربن، آلیاژها و گوگرد
- اندازه، وزن، شناسایی و درجه مواد
- شماره حرارت مواد
- خواص مکانیکی مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم و ازدیاد طول