تحتوي بروتوكولات الاختبار المختلفة (Brinell وRockwell وVickers) على إجراءات خاصة بالمشروع قيد الاختبار. يعد اختبار Rockwell T مناسبًا لفحص أنابيب الجدار الخفيف عن طريق قطع الأنبوب بالطول واختبار الجدار من القطر الداخلي بدلاً من القطر الخارجي.
إن طلب الأنابيب يشبه إلى حد ما الذهاب إلى وكالة سيارات وطلب سيارة أو شاحنة. واليوم، تتيح الخيارات العديدة المتاحة للمشترين تخصيص السيارة بعدة طرق - الألوان الداخلية والخارجية، وحزم التشطيب الداخلي، وخيارات التصميم الخارجي، وخيارات مجموعة نقل الحركة، ونظام صوتي ينافس نظام الترفيه المنزلي تقريبًا. ونظراً لكل هذه الخيارات، فقد لا تكون راضيًا عن سيارة قياسية بدون زخارف.
الأنابيب الفولاذية هي ذلك فقط. لديها آلاف الخيارات أو المواصفات. بالإضافة إلى الأبعاد، تسرد المواصفات الخصائص الكيميائية والعديد من الخصائص الميكانيكية مثل الحد الأدنى لقوة الخضوع (MYS)، وقوة الشد القصوى (UTS)، والحد الأدنى للاستطالة قبل الفشل. ومع ذلك، فإن العديد من العاملين في الصناعة - المهندسين ووكلاء الشراء والمصنعين - يستخدمون الاختصارات الصناعية المقبولة التي تتطلب استخدام الأنابيب الملحومة "العادية" وتحدد خاصية واحدة فقط: الصلابة.
حاول طلب سيارة بناءً على خاصية واحدة ("أحتاج إلى سيارة بناقل حركة أوتوماتيكي") ولن تصل إلى حد كبير مع البائع. يجب عليه ملء نموذج طلب يحتوي على العديد من الخيارات. الأنبوب هو ذلك فقط - من أجل الحصول على الأنبوب المناسب للتطبيق، يحتاج مصنع الأنابيب إلى معلومات أكثر من مجرد الصلابة.
كيف تصبح الصلابة بديلاً معترفًا به للخصائص الميكانيكية الأخرى؟ ربما بدأ الأمر مع منتج الأنابيب. نظرًا لأن اختبار الصلابة سريع وسهل ويتطلب معدات غير مكلفة نسبيًا، فإن بائعي الأنابيب غالبًا ما يستخدمون اختبار الصلابة لمقارنة أنبوبين. لإجراء اختبار الصلابة، كل ما يحتاجون إليه هو طول أملس من الأنبوب وحامل اختبار.
ترتبط صلابة الأنبوب بشكل جيد مع UTS، وكقاعدة عامة، تكون النسب المئوية أو نطاقات النسبة المئوية مفيدة في تقدير MYS، لذلك من السهل أن نرى كيف يمكن لاختبار الصلابة أن يكون وكيلًا مناسبًا لخصائص أخرى.
كما أن الاختبارات الأخرى معقدة نسبيًا. ففي حين يستغرق اختبار الصلابة دقيقة واحدة فقط على جهاز واحد، فإن اختبارات MYS وUTS والاستطالة تتطلب تحضير العينة واستثمارًا كبيرًا في معدات المختبر الكبيرة. وعلى سبيل المقارنة، يستغرق الأمر ثوانٍ حتى يقوم مشغل مطحنة الأنابيب بإجراء اختبار الصلابة ويستغرق فني المعادن المحترف ساعات حتى يقوم بإجراء اختبار الشد. وليس من الصعب إجراء فحص الصلابة.
هذا لا يعني أن مصنعي الأنابيب الهندسية لا يستخدمون اختبار الصلابة. من الآمن أن نقول إن معظم الناس يفعلون ذلك، ولكن لأنهم يقومون بتقييمات التكرار وإمكانية إعادة الإنتاج على جميع معدات الاختبار الخاصة بهم، فإنهم يدركون جيدًا قيود الاختبار. يستخدم معظمهم تقييم صلابة الأنبوب كجزء من عملية الإنتاج، لكنهم لا يستخدمونها لقياس خصائص الأنبوب. هذا مجرد اختبار نجاح / فشل.
لماذا تحتاج إلى معرفة MYS وUTS والحد الأدنى للاستطالة؟ فهي تشير إلى كيفية تصرف الأنبوب أثناء التجميع.
MYS هو الحد الأدنى من القوة التي تسبب تشوهًا دائمًا للمادة. إذا حاولت ثني سلك مستقيم (مثل شماعة معطف) قليلاً وأطلقت الضغط، سيحدث أحد أمرين: إما أن يعود إلى حالته الأصلية (مستقيم) أو يظل منحنيًا. إذا كان لا يزال مستقيمًا، فأنت لم تتجاوز MYS. إذا كان لا يزال منحنيًا، فقد تجاوزته.
الآن، استخدم كماشة لربط طرفي السلك. إذا تمكنت من تمزيق السلك إلى قطعتين، فأنت قد تجاوزت UTS. لقد وضعت الكثير من التوتر عليه ولديك سلكان لإظهار جهدك الخارق. إذا كان الطول الأصلي للسلك 5 بوصات، ومجموع الطولين بعد الفشل يصل إلى 6 بوصات، فإن السلك ممتد بمقدار 1 بوصة، أو 20٪. يتم قياس اختبار الاستطالة الفعلي في غضون 2 بوصة من نقطة الفشل، ولكن مهما كان - فإن مفهوم سلك السحب يوضح UTS.
تحتاج عينات المجهر الضوئي الفولاذي إلى قطع وتلميع وحفر باستخدام محلول حمضي خفيف (عادة حمض النيتريك والكحول (نيتروإيثانول)) لجعل الحبوب مرئية. يتم استخدام التكبير 100x بشكل شائع لفحص حبوب الفولاذ وتحديد حجم الحبوب.
الصلابة هي اختبار لكيفية استجابة المادة للصدمات. تخيل وضع قطعة قصيرة من الأنبوب في كماشة ذات فكين مسننتين وتحويل الكماشة لإغلاقها. بالإضافة إلى تسطيح الأنبوب، تترك فكي الكماشة أيضًا انبعاجات على سطح الأنبوب.
هذه هي الطريقة التي يعمل بها اختبار الصلابة، ولكنها ليست صعبة إلى هذا الحد. يتميز هذا الاختبار بحجم تأثير متحكم فيه وضغط متحكم فيه. تعمل هذه القوى على تشويه السطح، مما يؤدي إلى إنشاء انخفاض أو انبعاج. يحدد حجم أو عمق الانخفاض صلابة المعدن.
لتقييم الفولاذ، اختبارات الصلابة الشائعة هي Brinell و Vickers و Rockwell. كل منها له مقياسه الخاص، وبعضها لديه طرق اختبار متعددة، مثل Rockwell A و B و C. بالنسبة لأنابيب الفولاذ، تشير مواصفة ASTM A513 إلى اختبار Rockwell B (المختصر باسم HRB أو RB). يقيس اختبار Rockwell B الفرق في اختراق الفولاذ بواسطة كرة فولاذية قطرها 1⁄16 بوصة بين حمل مسبق صغير وحمل أساسي يبلغ 100 كجم. النتيجة النموذجية للفولاذ المعتدل القياسي هي HRB 60.
يعلم علماء المواد أن الصلابة مرتبطة خطيًا بـ UTS. وبالتالي، يمكن لصلابة معينة أن تتنبأ بـ UTS. وبالمثل، يعرف مصنعو الأنابيب أن MYS وUTS مرتبطان. بالنسبة للأنابيب الملحومة، تكون MYS عادةً من 70% إلى 85% من UTS. تعتمد الكمية الدقيقة على عملية صنع الأنبوب. ترتبط صلابة HRB 60 بـ UTS 60000 رطل لكل بوصة مربعة (PSI) وMYS 80%، أو 48000 PSI.
إن أكثر مواصفات الأنابيب شيوعًا في التصنيع العام هي الصلابة القصوى. بالإضافة إلى الحجم، كان المهندس مهتمًا بتحديد أنبوب ملحوم بالمقاومة الكهربائية (ERW) ضمن نطاق عمل جيد، مما قد يؤدي إلى صلابة قصوى تبلغ HRB 60 تجد طريقها إلى رسم المكون. يؤدي هذا القرار وحده إلى مجموعة من الخصائص الميكانيكية النهائية، بما في ذلك الصلابة نفسها.
أولاً، لا تُخبرنا صلابة HRB 60 بالكثير. قراءة HRB 60 هي رقم بلا أبعاد. المادة المُقيّمة باستخدام HRB 59 أكثر ليونة من المادة المُختبرة باستخدام HRB 60، وHRB 61 أصلب من HRB 60، ولكن ما مقدار ذلك؟ لا يُمكن قياسها كمياً مثل الحجم (يُقاس بالديسيبل)، أو عزم الدوران (يُقاس بالرطل-قدم)، أو السرعة (تقاس بالمسافة بالنسبة للزمن)، أو UTS (يُقاس بالرطل لكل بوصة مربعة). قراءة HRB 60 لا تُخبرنا بأي شيء مُحدد. هذه خاصية للمادة، وليست خاصية فيزيائية. ثانياً، اختبار الصلابة غير مُناسب للتكرار أو إعادة الإنتاج. غالباً ما يُؤدي تقييم موقعين على عينة اختبار، حتى لو كان موقعا الاختبار قريبين من بعضهما البعض، إلى تباين كبير في قراءات الصلابة. تُفاقم طبيعة الاختبار هذه المشكلة. بعد قياس موضع ما، لا يُمكن قياسه مرة أخرى للتحقق من... النتائج.لا يمكن تكرار الاختبار.
هذا لا يعني أن اختبار الصلابة غير مريح. في الواقع، فهو يوفر دليلاً جيدًا لـUTS للمادة، وهو اختبار سريع وسهل الأداء. ومع ذلك، يجب على كل من يشارك في تحديد وشراء وتصنيع الأنابيب أن يكون على دراية بحدوده كمعلمة اختبار.
نظرًا لأن الأنبوب "العادي" غير محدد جيدًا، فعندما تكون هناك حاجة إليه، غالبًا ما يضيق مصنعو الأنابيب نطاقه إلى أكثر نوعين من الأنابيب الفولاذية شيوعًا ونوعي الأنابيب المحددة في ASTM A513: 1008 و1010. وحتى بعد استبعاد جميع أنواع الأنابيب الأخرى، فإن الاحتمالات من حيث الخصائص الميكانيكية لهذين النوعين من الأنابيب مفتوحة على مصراعيها. في الواقع، تتمتع هذه الأنواع من الأنابيب بأوسع نطاق من الخصائص الميكانيكية من أي نوع.
على سبيل المثال، يتم وصف الأنبوب بأنه ناعم إذا كانت MYS منخفضة والاستطالة عالية، مما يعني أنه يعمل بشكل أفضل في الشد والانحراف والضبط من الأنبوب الموصوف بأنه صلب، والذي يحتوي على MYS مرتفع نسبيًا واستطالة منخفضة نسبيًا. وهذا يشبه الفرق بين الأسلاك الناعمة والصلبة، مثل الشماعات والمثاقب.
الاستطالة نفسها هي عامل آخر له تأثير كبير على تطبيقات الأنابيب الحرجة. يمكن للأنابيب ذات الاستطالة العالية أن تتحمل قوى الشد؛ المواد ذات الاستطالة المنخفضة تكون أكثر هشاشة وبالتالي أكثر عرضة للفشل الكارثي الناتج عن التعب. ومع ذلك، فإن الاستطالة لا ترتبط بشكل مباشر بـ UTS، وهي الخاصية الميكانيكية الوحيدة المرتبطة بشكل مباشر بالصلابة.
لماذا تختلف الخصائص الميكانيكية للأنابيب كثيرًا؟ أولًا، التركيب الكيميائي مختلف. الفولاذ عبارة عن محلول صلب من الحديد والكربون وسبائك مهمة أخرى. لتبسيط الأمر، سنتناول هنا نسب الكربون فقط. تحل ذرات الكربون محل بعض ذرات الحديد، لتشكل البنية البلورية للفولاذ. يُعدّ معيار ASTM 1008 درجة أساسية شاملة بمحتوى كربون يتراوح بين 0% و0.10%. الصفر رقم خاص جدًا يُنتج خصائص فريدة عندما يكون محتوى الكربون في الفولاذ منخفضًا للغاية. يُحدد معيار ASTM 1010 محتوى كربون يتراوح بين 0.08% و0.13%. قد لا تبدو هذه الاختلافات كبيرة، لكنها كبيرة بما يكفي لإحداث فرق كبير في مجالات أخرى.
ثانيًا، يمكن تصنيع الأنابيب الفولاذية أو تصنيعها ومعالجتها لاحقًا في سبع عمليات تصنيع مختلفة. تسرد ASTM A513 المتعلقة بإنتاج أنابيب ERW سبعة أنواع:
إذا لم يكن للتركيب الكيميائي للفولاذ وخطوات تصنيع الأنابيب أي تأثير على صلابة الفولاذ، فما هو التأثير؟ الإجابة على هذا السؤال تعني التعمق في التفاصيل. هذا السؤال يطرح سؤالين آخرين: ما هي التفاصيل، وما مدى قربها؟
التفاصيل حول الحبوب التي يتكون منها الفولاذ هي الإجابة الأولى. عندما يتم تصنيع الفولاذ في مصنع صلب أساسي، فإنه لا يبرد إلى كتلة ضخمة ذات ميزة واحدة. عندما يبرد الفولاذ، تنظم جزيئات الفولاذ في أنماط متكررة (بلورات)، على غرار كيفية تشكل رقاقات الثلج. بعد تشكيل البلورات، تتجمع في مجموعات تسمى الحبوب. مع تقدم التبريد، تنمو الحبوب وتتشكل في جميع أنحاء الصفيحة أو اللوحة. تتوقف الحبوب عن النمو عندما تمتص الحبوب جزيئات الفولاذ الأخيرة. يحدث كل هذا على المستوى المجهري لأن متوسط ​​حجم حبيبات الفولاذ يبلغ حوالي 64 ميكرومتر أو 0.0025 بوصة. في حين أن كل حبيبة تشبه الحبيبة التالية، إلا أنها ليست هي نفسها. تختلف قليلاً في الحجم والاتجاه ومحتوى الكربون. تسمى الواجهة بين الحبوب حدود الحبوب. عندما يفشل الفولاذ، على سبيل المثال بسبب شقوق التعب، فإنه يميل إلى الفشل على طول حدود الحبوب.
ما مدى البعد الذي يجب أن تنظر إليه لرؤية حبيبات واضحة؟ يكفي تكبير 100x، أو 100x الرؤية البشرية. ومع ذلك، فإن مجرد النظر إلى الفولاذ غير المعالج بقوة 100 مرة لا يكشف الكثير. يتم تحضير العينة عن طريق تلميع العينة ونقش السطح بحمض (عادة حمض النيتريك والكحول) يسمى مادة الحفر النيتروإيثانول.
إن الحبوب وشبكتها الداخلية هي التي تحدد قوة التأثير، و MYS، وUTS، والاستطالة التي يمكن أن يتحملها الفولاذ قبل الفشل.
تطبق خطوات صناعة الصلب، مثل الدرفلة الساخنة والباردة للشرائط، إجهاداً على بنية الحبوب؛ إذا تغير شكلها بشكل دائم، فهذا يعني أن الإجهاد يشوه الحبوب. خطوات المعالجة الأخرى، مثل لف الفولاذ في ملفات، وفكها، وتشويه حبيبات الفولاذ من خلال مطحنة الأنابيب (لتشكيل الأنبوب وتحديد حجمه). كما أن السحب البارد للأنبوب على المندريل يضع ضغطاً على المادة، كما تفعل خطوات التصنيع مثل تشكيل النهاية والانحناء. تسمى التغييرات في بنية الحبوب بالخلع.
الخطوات المذكورة أعلاه تستنزف قابلية سحب الفولاذ، وهي قدرته على تحمل إجهاد الشد (السحب المفتوح). يصبح الفولاذ هشًا، مما يعني أنه من المرجح أن ينكسر إذا واصلت العمل عليه. الاستطالة هي أحد مكونات القابلية للسحب (قابلية الضغط هي مكون آخر). من المهم أن نفهم أن الفشل يحدث غالبًا أثناء إجهاد الشد، وليس الضغط. الفولاذ مقاوم جدًا لإجهاد الشد بسبب قدرته العالية نسبيًا على الاستطالة. ومع ذلك، يتشوه الفولاذ بسهولة تحت الضغط الانضغاطي - فهو قابل للسحب - وهي ميزة.
تتمتع الخرسانة بقوة ضغط عالية ولكن قابلية السحب منخفضة مقارنة بالخرسانة. هذه الخصائص معاكسة لتلك الموجودة في الفولاذ. لهذا السبب غالبًا ما يتم تزويد الخرسانة المستخدمة في الطرق والمباني والأرصفة بقضبان التسليح. والنتيجة هي منتج بقوة مادتين: تحت الشد، يكون الفولاذ قويًا، وتحت الضغط، الخرسانة.
أثناء العمل البارد، مع انخفاض ليونة الفولاذ، تزداد صلابته. بمعنى آخر، سوف يتصلب. اعتمادًا على الموقف، قد يكون هذا مفيدًا؛ ومع ذلك، قد يكون عيبًا لأن الصلابة تعادل الهشاشة. أي أنه مع زيادة صلابة الفولاذ، يصبح أقل مرونة؛ وبالتالي، يصبح أكثر عرضة للفشل.
بعبارة أخرى، تستهلك كل خطوة من خطوات العملية بعضًا من ليونة الأنبوب. ويصبح أكثر صلابة مع عمل الجزء، وإذا كان صلبًا للغاية فإنه يصبح عديم الفائدة بشكل أساسي. الصلابة هي هشاشة، ومن المرجح أن يفشل الأنبوب الهش عند استخدامه.
هل لدى الشركة المصنعة أي خيارات في هذه الحالة؟ باختصار، نعم. هذا الخيار هو التلدين، وعلى الرغم من أنه ليس سحريًا تمامًا، إلا أنه أقرب ما يمكن إلى السحر.
بعبارات بسيطة، فإن التلدين يزيل جميع آثار الإجهاد الفيزيائي على المعدن. تعمل هذه العملية على تسخين المعدن إلى درجة حرارة تخفيف الإجهاد أو إعادة التبلور، وبالتالي القضاء على الخلع. واعتمادًا على درجة الحرارة المحددة والوقت المستخدم في عملية التلدين، تستعيد العملية بذلك بعضًا أو كل ليونته.
تعمل عملية التلدين والتبريد المتحكم فيه على تعزيز نمو الحبوب. وهذا مفيد إذا كان الهدف هو تقليل هشاشة المادة، ولكن نمو الحبوب غير المتحكم فيه يمكن أن يلين المعدن كثيرًا، مما يجعله غير صالح للاستخدام المقصود منه. إن إيقاف عملية التلدين هو شيء آخر شبه سحري. يؤدي الإخماد عند درجة الحرارة المناسبة مع عامل الإخماد المناسب في الوقت المناسب إلى إيقاف العملية بسرعة للحصول على خصائص استرداد الفولاذ.
هل يجب علينا إسقاط مواصفات الصلابة؟ لا. خصائص الصلابة قيمة في المقام الأول كنقطة مرجعية عند تحديد الأنابيب الفولاذية. مقياس مفيد، الصلابة هي واحدة من عدة خصائص يجب تحديدها عند طلب المواد الأنبوبية والتحقق منها عند الاستلام (ويجب تسجيلها مع كل شحنة). عندما يكون فحص الصلابة هو معيار التفتيش، فيجب أن يكون له قيم مقياس ونطاقات تحكم مناسبة.
ومع ذلك، فهو ليس اختبارًا حقيقيًا لتأهيل المواد (قبولها أو رفضها). بالإضافة إلى الصلابة، يجب على الشركات المصنعة اختبار الشحنات من حين لآخر لتحديد خصائص أخرى ذات صلة، مثل MYS أو UTS أو الحد الأدنى للاستطالة، اعتمادًا على تطبيق الأنبوب.
Wynn H. Kearns is responsible for regional sales for Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, wkearns@indianatube.com, www.indianatube.com.
أصبحت مجلة Tube & Pipe Journal أول مجلة مخصصة لخدمة صناعة الأنابيب المعدنية في عام 1990. واليوم، تظل المجلة الوحيدة في أمريكا الشمالية المخصصة للصناعة وأصبحت المصدر الأكثر ثقة للمعلومات لمحترفي الأنابيب.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من The FABRICATOR، يمكنك الوصول بسهولة إلى موارد الصناعة القيمة.
أصبحت النسخة الرقمية من مجلة The Tube & Pipe Journal متاحة الآن بشكل كامل، مما يوفر سهولة الوصول إلى الموارد الصناعية القيمة.
استمتع بالوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة STAMPING Journal، التي توفر أحدث التطورات التكنولوجية وأفضل الممارسات وأخبار الصناعة لسوق ختم المعادن.
استمتع بالوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من The Additive Report لمعرفة كيفية استخدام التصنيع الإضافي لتحسين الكفاءة التشغيلية وزيادة الأرباح.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من The Fabricator en Español، يمكنك الوصول بسهولة إلى موارد الصناعة القيمة.