Ýmsar prófunaraðferðir (Brinell, Rockwell, Vickers) hafa sértækar aðferðir fyrir verkefnið sem verið er að prófa. Rockwell T prófið hentar til að skoða léttveggja rör með því að skera rörið eftir endilöngu og prófa vegginn út frá innra þvermáli frekar en ytra þvermáli.
Að panta slöngur er svolítið eins og að fara í bílasölu og panta fólksbíl eða vörubíl. Í dag eru margir möguleikar í boði sem gera kaupendum kleift að sérsníða bílinn á margvíslegan hátt - liti að innan og utan, innréttingarpakka, hönnunarvalkosti að utan, valmöguleika á drifrás og hljóðkerfi sem næstum keppir við heimabíókerfi. Miðað við alla þessa möguleika gætirðu ekki verið ánægður með venjulegt, einfalt bíl.
Stálpípur eru einmitt það. Þær bjóða upp á þúsundir valkosta eða forskrifta. Auk vídda telur forskriftin upp efnafræðilega og nokkra vélræna eiginleika eins og lágmarks sveigjanleika (MYS), endanlegan togstyrk (UTS) og lágmarks lengingu fyrir bilun. Hins vegar nota margir í greininni - verkfræðingar, innkaupamiðlarar og framleiðendur - viðurkenndar skammstafanir í greininni sem krefjast notkunar á „venjulegum“ soðnum pípum og tilgreina aðeins einn eiginleika: hörku.
Prófaðu að panta bíl eftir einni einkennslu („Ég þarf bíl með sjálfskiptingu“) og þú munt ekki komast langt með sölumanni. Hann þarf að fylla út pöntunarform með mörgum valmöguleikum. Rör er einmitt það – til að fá réttu rörið fyrir notkunina þarf pípuframleiðandinn fleiri upplýsingar en bara hörku.
Hvernig verður hörku viðurkenndur staðgengill fyrir aðra vélræna eiginleika? Þetta byrjaði líklega hjá framleiðanda pípa. Þar sem hörkuprófanir eru fljótlegar, auðveldar og krefjast tiltölulega ódýrs búnaðar nota sölumenn röra oft hörkuprófanir til að bera saman tvær rör. Til að framkvæma hörkupróf þarf allt sem þeir þurfa slétta rörlengd og prófunarstand.
Hörkuprófanir í rörum samsvara vel UTS og sem þumalputtaregla eru prósentur eða prósentubil gagnleg við að meta MYS, þannig að það er auðvelt að sjá hvernig hörkuprófanir geta verið hentugur mælikvarði á aðra eiginleika.
Einnig eru aðrar prófanir tiltölulega flóknar. Þó að hörkuprófanir taki aðeins eina mínútu eða svo á einni vél, þá krefjast MYS, UTS og lengingarprófanir sýnishornsundirbúnings og mikillar fjárfestingar í stórum rannsóknarstofubúnaði. Til samanburðar tekur það rekstraraðila rörmyllu nokkrar sekúndur að framkvæma hörkupróf og klukkustundir fyrir fagmann í málmvinnslu að framkvæma togpróf. Það er ekki erfitt að framkvæma hörkuprófun.
Þetta þýðir ekki að framleiðendur verkfræðilegra pípa noti ekki hörkuprófanir. Það er óhætt að segja að flestir geri það, en vegna þess að þeir framkvæma endurtekningar- og endurtekningarhæfniprófanir á öllum prófunarbúnaði sínum, eru þeir vel meðvitaðir um takmarkanir prófunarinnar. Flestir nota mat á hörku röra sem hluta af framleiðsluferlinu, en þeir nota það ekki til að magngreina eiginleika röra. Þetta er bara próf þar sem hægt er að standast eða falla.
Af hverju þarftu að vita um MYS, UTS og lágmarkslengingu? Þau gefa til kynna hvernig rörið mun haga sér við samsetningu.
MYS er lágmarkskrafturinn sem veldur varanlegri aflögun efnisins. Ef þú reynir að beygja beina vír (eins og fatahengi) örlítið og losa þrýstinginn, þá gerist annað hvort af tveimur hlutum: hann springur aftur í upprunalegt ástand (beinn) eða hann helst beygður. Ef hann er enn beinn, þá hefurðu ekki komist lengra en MYS. Ef hann er enn beygður, þá hefurðu farið fram úr honum.
Notaðu nú töng til að klemma báða enda vírsins. Ef þú getur rifið vírinn í tvo bita, þá ertu kominn yfir UTS (brottstöðuþol vírsins). Þú setur mikla spennu á hann og þá eru tveir vírar til að sýna ofurmannlega áreynslu þína. Ef upphafleg lengd vírsins er 5 tommur, og lengdirnar tvær eftir bilun eru samtals 6 tommur, þá er vírinn teygður um 1 tommu, eða 20%. Raunveruleg lengingarprófun er mæld innan 2 tommu frá bilunarpunktinum, en hvað sem því líður - hugtakið togvír sýnir UTS.
Stálmyndasýni þarf að skera, pússa og etsa með vægri súrri lausn (venjulega saltpéturssýru og alkóhóli (nítróetanóli)) til að gera kornin sýnileg. 100x stækkun er almennt notuð til að skoða stálkorn og ákvarða kornastærð.
Hörkustig er prófun á því hvernig efni bregst við höggi. Ímyndaðu þér að setja stuttan pípubút í skrúfstykki með tenntum kjálkum og snúa skrúfstykkinu til að loka. Auk þess að fletja rörið út, skilja kjálkar skrúfstykkisins einnig eftir dældir á yfirborði rörsins.
Þannig virkar hörkuprófið, en það er ekki svo gróft. Þetta próf hefur stýrða höggstærð og stýrðan þrýsting. Þessir kraftar afmynda yfirborðið og skapa dæld eða inndrátt. Stærð eða dýpt dældarinnar ákvarðar hörku málmsins.
Til að meta stál eru algeng hörkupróf Brinell, Vickers og Rockwell. Hver prófun hefur sinn eigin kvarða og sumar hafa margar prófunaraðferðir, svo sem Rockwell A, B og C. Fyrir stálpípur vísar ASTM forskrift A513 til Rockwell B prófsins (stytt sem HRB eða RB). Rockwell B prófið mælir muninn á gegndræpi stáls með stálkúlu með þvermál 1⁄16 tommu milli lítillar forhleðslu og aðalálags upp á 100 kgf. Dæmigerð niðurstaða fyrir venjulegt mjúkt stál er HRB 60.
Efnisfræðingar vita að hörku er línulega tengd UTS. Þess vegna getur tiltekin hörku spáð fyrir um UTS. Á sama hátt vita rörframleiðendur að MYS og UTS eru tengd. Fyrir soðnar rör er MYS venjulega 70% til 85% af UTS. Nákvæm upphæð fer eftir framleiðsluferli rörsins. Hörku HRB 60 samsvarar UTS upp á 60.000 pund á fertommu (PSI) og MYS upp á 80%, eða 48.000 PSI.
Algengasta forskrift pípu í almennri framleiðslu er hámarkshörku. Auk stærðar var verkfræðingurinn upptekinn af því að tilgreina rafsuðuða rafmótstöðusuðu (ERW) pípu innan góðs vinnusviðs, sem gæti leitt til þess að hámarkshörku, hugsanlega HRB 60, fyndist á íhlutateikningunni. Þessi ákvörðun ein og sér leiðir til fjölda loka vélrænna eiginleika, þar á meðal hörkunnar sjálfrar.
Í fyrsta lagi segir hörku HRB 60 okkur ekki mikið. HRB 60 mælingin er víddarlaus tala. Efnið sem metið var með HRB 59 er mýkra en efnið sem prófað var með HRB 60, og HRB 61 er harðara en HRB 60, en hversu mikið? Það er ekki hægt að magngreina það eins og rúmmál (mælt í desíbelum), tog (mælt í pundfetum), hraða (mælt í fjarlægð miðað við tíma) eða UTS (mælt í pundum á fertommu). HRB 60 mæling segir okkur ekkert sérstakt. Þetta er eiginleiki efnisins, en ekki eðlisfræðilegur eiginleiki. Í öðru lagi hentar hörkuprófun ekki til að endurtaka eða endurtaka. Að meta tvo staði á prófunarsýni, jafnvel þótt prófunarstaðirnir séu nálægt hvor öðrum, leiðir oft til mikils breytileika í hörkumælingum. Eðli prófunarinnar gerir þetta vandamál enn erfiðara. Eftir að staðsetning hefur verið mæld er ekki hægt að mæla hana aftur til að staðfesta niðurstöðurnar. Endurtakanleiki prófunar er ekki möguleg.
Þetta þýðir ekki að hörkuprófun sé óþægileg. Reyndar veitir hún góða leiðsögn um hörkuprófun efnis og er fljótleg og auðveld prófun í framkvæmd. Hins vegar ættu allir sem taka þátt í að tilgreina, kaupa og framleiða rör að vera meðvitaðir um takmarkanir hennar sem prófunarbreytu.
Þar sem „venjuleg“ pípa er ekki vel skilgreind, þrengja pípuframleiðendur það oft niður í tvær algengustu stálpípur og píputegundirnar sem skilgreindar eru í ASTM A513: 1008 og 1010, þegar þörf krefur. Jafnvel eftir að allar aðrar píputegundir hafa verið útilokaðar, eru möguleikarnir hvað varðar vélræna eiginleika þessara tveggja píputegunda mjög opnir. Reyndar hafa þessar píputegundir breiðasta úrval vélrænna eiginleika af öllum gerðum.
Til dæmis er rör lýst sem mjúkt ef MYS er lágt og teygjanleiki er mikill, sem þýðir að það skilar betri árangri í togþoli, sveigju og stirðnun en rör sem lýst er sem hart, sem hefur tiltölulega hátt MYS og tiltölulega lítið teygjanleika. Þetta er svipað og munurinn á mjúkum og hörðum vír, eins og fatahengjum og borvélum.
Lenging sjálf er annar þáttur sem hefur veruleg áhrif á mikilvægar notkunarsviðir pípa. Slöngur með mikla lengingu þola togkrafta; efni með litla lengingu eru brothættari og því líklegri til að verða fyrir hörðum þreytubilunum. Hins vegar er lenging ekki beint tengd UTS, sem er eini vélræni eiginleikinn sem tengist beint hörku.
Hvers vegna eru vélrænir eiginleikar röranna svona mismunandi? Í fyrsta lagi er efnasamsetningin mismunandi. Stál er fast lausn af járni og kolefni og öðrum mikilvægum málmblöndum. Til einföldunar munum við aðeins fjalla um kolefnishlutfall hér. Kolefnisatóm koma í stað sumra járnatómanna og mynda kristalbyggingu stáls. ASTM 1008 er alhliða grunngráða með kolefnisinnihaldi frá 0% til 0,10%. Núll er mjög sérstök tala sem framleiðir einstaka eiginleika þegar kolefnisinnihald í stáli er afar lágt. ASTM 1010 tilgreinir kolefnisinnihald á milli 0,08% og 0,13%. Þessir munir virðast ekki mikill, en þeir eru nógu stórir til að gera mikinn mun annars staðar.
Í öðru lagi er hægt að framleiða stálpípuna eða framleiða hana og síðan vinna hana úr í sjö mismunandi framleiðsluferlum. ASTM A513 sem tengist framleiðslu ERW pípa telur upp sjö gerðir:
Ef efnasamsetning stálsins og framleiðsluferli rörsins hafa engin áhrif á hörku stálsins, hvað er það þá? Að svara þessari spurningu þýðir að skoða nánar smáatriðin. Þessi spurning vekur upp tvær spurningar í viðbót: Hvaða smáatriði, og hversu nálæg?
Upplýsingar um kornin sem mynda stálið eru fyrsta svarið. Þegar stál er framleitt í fyrsta stálverksmiðju kólnar það ekki í risastóran blokk með einum eiginleika. Þegar stálið kólnar raða sameindir stálsins sér í endurteknar mynstur (kristallar), svipað og hvernig snjókorn myndast. Eftir að kristallar hafa myndast safnast þeir saman í hópa sem kallast korn. Þegar kælingin heldur áfram vaxa kornin og myndast um alla plötuna. Kornin hætta að vaxa þegar síðustu stálsameindirnar eru frásogaðar af kornunum. Allt þetta gerist á smásjárstigi vegna þess að meðalstærð stálkornsins er um 64 µ eða 0,0025 tommur á breidd. Þó að hvert korn sé svipað því næsta eru þau ekki eins. Þau eru örlítið mismunandi að stærð, stefnu og kolefnisinnihaldi. Viðmótið milli korna kallast kornamörk. Þegar stál bilar, til dæmis vegna þreytusprungna, hefur það tilhneigingu til að bila meðfram kornamörkum.
Hversu langt þarf að horfa til að sjá greinileg korn? 100-föld stækkun, eða 100-föld mannleg sjón, er nóg. Hins vegar sýnir það ekki mikið að horfa bara á ómeðhöndlað stál með 100-faldri afköstum. Sýnið er útbúið með því að pússa það og etsa yfirborðið með sýru (venjulega saltpéturssýru og alkóhóli) sem kallast nítróetanóletsefni.
Það eru kornin og innra grindarverk þeirra sem ákvarða höggstyrk, MYS, UTS og teygju sem stál þolir áður en það bilar.
Skref í stálframleiðslu, eins og heit- og köldvalsun á stálböndum, valda álagi á kornabyggingu stálsins; ef lögun þeirra breytist varanlega þýðir það að spennan afmyndar kornið. Önnur vinnsluskref, eins og að vefja stálið í spólur, afrúlla því og afmynda stálkornin í gegnum rörmyllu (til að móta og stærðarvalsa rörið). Kaldráttur rörsins á dorninum setur einnig þrýsting á efnið, eins og framleiðsluskref eins og endamótun og beygja. Breytingar á kornabyggingu eru kallaðar tilfærslur.
Ofangreind skref draga úr teygjanleika stálsins, sem er getu þess til að standast togspennu (opnunarspennu). Stál verður brothætt, sem þýðir að það er líklegra til að brotna ef haldið er áfram að vinna í því. Teygjanleiki er einn þáttur teygjanleika (þjöppunarhæfni er annar). Mikilvægt er að skilja að bilun verður oftast við togspennu, ekki þjöppun. Stál er mjög ónæmt fyrir togspennu vegna tiltölulega mikillar teygjugetu þess. Hins vegar aflagast stál auðveldlega við þjöppunarspennu - það er teygjanlegt - sem er kostur.
Steypa hefur mikinn þjöppunarstyrk en litla teygjanleika samanborið við steypu. Þessir eiginleikar eru andstæðir eiginleikum stáls. Þess vegna er steypa sem notuð er í vegi, byggingar og gangstéttir oft með armeringsjárni. Niðurstaðan er vara með styrk tveggja efna: undir spennu er stál sterkt og undir þrýstingi er steypa sterk.
Við kalda vinnslu, þegar teygjanleiki stálsins minnkar, eykst hörku þess. Með öðrum orðum, það harðnar. Þetta getur verið kostur eftir aðstæðum, en það getur hins vegar verið ókostur þar sem hörku er jafnað við brothættni. Það er að segja, þegar stál verður harðara, verður það minna teygjanlegt; þess vegna er líklegra að það bili.
Með öðrum orðum, hvert skref í ferlinu eyðir hluta af teygjanleika pípunnar. Hún verður harðari eftir því sem hlutinn vinnur, og ef hún er of hörð er hún í raun gagnslaus. Hörku er brothættni, og brothætt rör er líklegt til að bila þegar það er notað.
Hefur framleiðandinn einhverja möguleika í þessu tilfelli? Í stuttu máli, já. Sá möguleiki er glæðing, og þó hún sé ekki alveg töfrandi, þá er hún eins nálægt töfrum og þú getur komist.
Einfaldlega sagt fjarlægir glæðing öll áhrif líkamlegs álags á málminn. Þetta ferli hitar málminn upp í spennulosandi eða endurkristöllunarhita, og útilokar þannig tilfærslur. Ferlið endurheimtir þannig að hluta eða öllu teygjanleika málmsins, allt eftir því hvaða hitastig og tími er notaður í glæðingarferlinu.
Glæðing og stýrð kæling stuðlar að kornavexti. Þetta er gagnlegt ef markmiðið er að draga úr brothættni efnisins, en stjórnlaus kornavöxtur getur mýkt málminn of mikið og gert hann ónothæfan til fyrirhugaðrar notkunar. Að stöðva glæðingarferlið er annar næstum töframaður hlutur. Að slökkva við rétt hitastig með réttu slökkviefni á réttum tíma stöðvar ferlið fljótt til að ná endurheimtareiginleikum stálsins.
Ættum við að sleppa hörkuforskriftinni? Nei. Hörkueiginleikar eru fyrst og fremst verðmætir sem viðmiðunarpunktur þegar stálpípur eru tilgreindar. Hörku er gagnleg mælikvarði og er einn af mörgum eiginleikum sem ætti að tilgreina þegar rörlaga efni er pantað og athugað við móttöku (og ætti að skrá það með hverri sendingu). Þegar hörkuskoðun er skoðunarstaðallinn ætti hún að hafa viðeigandi kvarðagildi og stjórnunarsvið.
Hins vegar er þetta ekki raunverulegt próf til að meta hvort efni sé samþykkt eða hafnað. Auk hörku ættu framleiðendur stundum að prófa sendingar til að ákvarða aðra viðeigandi eiginleika, svo sem MYS, UTS eða lágmarks lengingu, allt eftir notkun rörsins.
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.
Tube & Pipe Journal varð fyrsta tímaritið sem helgaði sig málmpípuiðnaðinum árið 1990. Í dag er það eina ritið í Norður-Ameríku sem helgar sig iðnaðinum og hefur orðið traustasta upplýsingaveitan fyrir fagfólk í pípuiðnaði.
Nú með fullum aðgangi að stafrænni útgáfu af The FABRICATOR, auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum fyrir atvinnulífið.
Stafræna útgáfan af The Tube & Pipe Journal er nú aðgengileg að fullu og veitir auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum í greininni.
Njóttu aðgangs að stafrænni útgáfu STAMPING Journal, sem veitir nýjustu tækniframfarir, bestu starfsvenjur og fréttir úr greininni fyrir málmstimplunarmarkaðinn.
Njóttu aðgangs að stafrænni útgáfu af The Additive Report til að læra hvernig hægt er að nota viðbótarframleiðslu til að bæta rekstrarhagkvæmni og auka hagnað.
Nú með fullum aðgangi að stafrænni útgáfu af The Fabricator á spænsku, auðveldan aðgang að verðmætum auðlindum í greininni.