לפרוטוקולי בדיקה שונים (Brinell, Rockwell, Vickers) יש נהלים ספציפיים לפרויקט הנבדק. מבחן Rockwell T מתאים לבדיקת צינורות בעלי דופן קלה על ידי חיתוך הצינור לאורכו ובדיקת הדופן מהקוטר הפנימי ולא מהקוטר החיצוני.
הזמנת צינורות היא קצת כמו ללכת לסוכנות רכב ולהזמין מכונית או משאית. כיום, האפשרויות הרבות הזמינות מאפשרות לקונים להתאים אישית את הרכב במגוון דרכים - צבעי פנים וחוץ, חבילות גימור פנימיות, אפשרויות עיצוב חיצוניות, אפשרויות מערכת הנעה ומערכת שמע שכמעט מתחרה במערכת בידור ביתית. בהינתן כל האפשרויות הללו, ייתכן שלא תהיו מרוצים מרכב סטנדרטי וללא קישוטים.
צינורות פלדה הם בדיוק זה. יש להם אלפי אפשרויות או מפרטים. בנוסף למידות, המפרט מפרט תכונות כימיות וכמה תכונות מכניות כגון חוזק כניעה מינימלי (MYS), חוזק מתיחה אולטימטיבי (UTS) והתארכות מינימלית לפני כשל. עם זאת, רבים בתעשייה - מהנדסים, סוכני רכש ויצרנים - משתמשים בקיצורים מקובלים בתעשייה הדורשים שימוש בצינור מרותך "רגיל" ומציינים רק מאפיין אחד: קשיות.
נסו להזמין מכונית לפי מאפיין יחיד ("אני צריך מכונית עם תיבת הילוכים אוטומטית") ולא תגיעו רחוק מדי עם איש מכירות. הוא צריך למלא טופס הזמנה עם אפשרויות רבות. צינור הוא בדיוק זה - כדי לקבל את הצינור המתאים ליישום, יצרן הצינורות זקוק למידע נוסף מאשר רק קשיות.
כיצד קשיות הופכת לתחליף מוכר לתכונות מכניות אחרות? זה כנראה התחיל עם יצרן צינורות. מכיוון שבדיקת קשיות היא מהירה, קלה ודורשת ציוד זול יחסית, אנשי מכירות של צינורות משתמשים לעתים קרובות בבדיקת קשיות כדי להשוות בין שני צינורות. כדי לבצע בדיקת קשיות, כל מה שהם צריכים זה אורך חלק של צינור ועמדת בדיקה.
קשיות הצינורות מתואמת היטב עם UTS, וככלל אצבע, אחוזים או טווחי אחוזים מועילים בהערכת MYS, כך שקל לראות כיצד בדיקת קשיות יכולה להיות מדד מתאים לתכונות אחרות.
כמו כן, בדיקות אחרות מורכבות יחסית. בעוד שבדיקות קשיות אורכות רק דקה בערך במכונה אחת, בדיקות MYS, UTS ובדיקות התארכות דורשות הכנת דגימות והשקעה משמעותית בציוד מעבדה גדול. לשם השוואה, לוקח שניות למפעיל טחנת צינורות לבצע בדיקת קשיות ושעות לטכנאי מתכות מקצועי לבצע בדיקת מתיחה. לא קשה לבצע בדיקת קשיות.
אין פירוש הדבר שיצרני צינורות מהונדסים אינם משתמשים בבדיקות קשיות. אפשר לומר בבטחה שרוב האנשים כן, אך מכיוון שהם מבצעים הערכות חזרתיות ושחזור של מדידה בכל ציוד הבדיקה שלהם, הם מודעים היטב למגבלות הבדיקה. רובם משתמשים בהערכת קשיות הצינורות כחלק מתהליך הייצור, אך הם אינם משתמשים בה כדי לכמת את תכונות הצינורות. זהו רק מבחן עובר/נכשל.
למה צריך לדעת על MYS, UTS והתארכות מינימלית? הם מצביעים על איך הצינור יתנהג בהרכבה.
MYS הוא הכוח המינימלי שגורם לעיוות קבוע של החומר. אם תנסו לכופף מעט חוט ישר (כמו קולב מעילים) ותשחררו את הלחץ, יקרה אחד משני דברים: הוא יקפוץ למצבו המקורי (ישר) או שהוא יישאר כפוף. אם הוא עדיין ישר, לא עברתם את MYS. אם הוא עדיין כפוף, חרגתם ממנו.
כעת, השתמשו בצבת כדי להדק את שני קצוות החוט. אם הצלחתם לקרוע את החוט לשני חלקים, עברתם את נקודת ההתארכות (UTS). הפעלתם עליו הרבה מתח ויש לכם שני חוטים כדי להראות את המאמץ העל-אנושי שלכם. אם האורך המקורי של החוט הוא 5 אינץ', ושני האורכים לאחר הכשל מסתכמים ב-6 אינץ', החוט נמתח ב-1 אינץ', או 20%. בדיקת ההתארכות בפועל נמדדת בטווח של 2 אינץ' מנקודת הכשל, אבל לא משנה - מושג חוט המשיכה ממחיש את ה-UTS.
יש לחתוך, ללטש ולחרוט דגימות פלדה בפוטומיקרוגרפיה באמצעות תמיסה חומצית קלה (בדרך כלל חומצה חנקתית ואלכוהול (ניטרואתנול)) כדי שהגרגירים יהיו גלויים. הגדלה של פי 100 משמשת בדרך כלל לבדיקת גרגירי פלדה ולקביעת גודל הגרגיר.
קשיות היא מבחן לאופן שבו חומר מגיב לפגיעה. דמיינו שאתם מכניסים חתיכת צינור קצרה לתוך מלחציים עם לסתות משוננות ומסובבים את המלחציים כדי לסגור אותה. בנוסף לשיטוח הצינור, לסתות המלחציים גם משאירות שקעים על פני הצינור.
כך עובדת בדיקת הקשיות, אבל היא לא כל כך מחוספסת. לבדיקה זו גודל פגיעה מבוקר ולחץ מבוקר. כוחות אלה מעוותים את פני השטח, ויוצרים שקע או חריץ. גודל או עומק החריץ קובע את קשיות המתכת.
להערכת פלדה, מבחני קשיות נפוצים הם Brinell, Vickers ו-Rockwell. לכל אחד מהם סולם משלו, ולחלקם שיטות בדיקה מרובות, כגון Rockwell A, B ו-C. עבור צינורות פלדה, מפרט ASTM A513 מתייחס למבחן Rockwell B (מקוצר HRB או RB). מבחן Rockwell B מודד את ההבדל בחדירה של פלדה על ידי כדור פלדה בקוטר 1/16 אינץ' בין עומס מקדים קטן לעומס ראשוני של 100 kgf. תוצאה אופיינית עבור פלדה רכה סטנדרטית היא HRB 60.
מדעני חומרים יודעים שקשיות קשורה באופן ליניארי ל-UTS. לכן, קשיות נתונה יכולה לחזות UTS. באופן דומה, יצרני צינורות יודעים ש-MYS ו-UTS קשורים. עבור צינור מרותך, MYS הוא בדרך כלל 70% עד 85% מ-UTS. הכמות המדויקת תלויה בתהליך ייצור הצינור. קשיות HRB 60 מתואמת ל-UTS של 60,000 פאונד לאינץ' מרובע (PSI) ול-MYS של 80%, או 48,000 PSI.
מפרט הצינורות הנפוץ ביותר בייצור כללי הוא קשיות מקסימלית. בנוסף לגודל, המהנדס התעניין בהגדרת צינור מרותך בהתנגדות חשמלית (ERW) בטווח עבודה טוב, מה שעלול לגרום לקשיות מקסימלית של HRB 60 למצוא את דרכו בשרטוט הרכיבים. החלטה זו לבדה מובילה למגוון תכונות מכניות סופיות, כולל הקשיות עצמה.
ראשית, קשיות ה-HRB 60 לא אומרת לנו הרבה. קריאת HRB 60 היא מספר חסר מימדים. החומר שנבדק עם HRB 59 רך יותר מהחומר שנבדק עם HRB 60, ו-HRB 61 קשה יותר מ-HRB 60, אבל באיזו מידה? לא ניתן לכמת אותו כמו נפח (נמדד בדציבלים), מומנט (נמדד בפאונד-רגל), מהירות (נמדד במרחק יחסית לזמן), או UTS (נמדד בפאונד לאינץ' מרובע). קריאת HRB 60 לא אומרת לנו שום דבר ספציפי. זוהי תכונה של החומר, אך לא תכונה פיזיקלית. שנית, בדיקת קשיות אינה מתאימה לחזרה או לשחזור. הערכת שני מיקומים על דגימת בדיקה, גם אם מיקומי הבדיקה קרובים זה לזה, גורמת לעתים קרובות לשונות גדולה בקריאות הקשיות. אופי הבדיקה מחמיר את הבעיה הזו. לאחר שנמדד מיקום, לא ניתן למדוד אותו שוב כדי לאמת את התוצאות. חזרת הבדיקה אינה אפשרית.
אין זה אומר שבדיקת קשיות אינה נוחה. למעשה, היא מספקת מדריך טוב לבדיקת קשיות (UTS) של חומר, וזוהי בדיקה מהירה וקלה לביצוע. עם זאת, כל מי שמעורב באפיון, רכישה וייצור של צינורות צריך להיות מודע למגבלותיה כפרמטר בדיקה.
מכיוון שצינור "רגיל" אינו מוגדר היטב, בעת הצורך, יצרני צינורות מצמצמים אותו לעתים קרובות לשני סוגי צינורות הפלדה הנפוצים ביותר המוגדרים ב- ASTM A513: 1008 ו- 1010. גם לאחר ביטול כל סוגי הצינורות האחרים, האפשרויות מבחינת תכונות מכניות של שני סוגי צינורות אלה פתוחות לרווחה. למעשה, לסוגי צינורות אלה יש את המגוון הרחב ביותר של תכונות מכניות מכל סוג.
לדוגמה, צינור מתואר כרך אם MYS נמוך וההתארכות גבוה, מה שאומר שהוא מתפקד טוב יותר במתיחה, סטייה והתייצבות מאשר צינור המתואר כקשה, שיש לו MYS גבוה יחסית והתארכות נמוכה יחסית. זה דומה להבדל בין חוט רך לקשה, כמו קולבים ומקדחות.
התארכות עצמה היא גורם נוסף בעל השפעה משמעותית על יישומי צינורות קריטיים. צינורות בעלי התארכות גבוהה יכולים לעמוד בכוחות מתיחה; חומרים בעלי התארכות נמוכה שבירים יותר ולכן נוטים יותר לכשלים מסוג עייפות קטסטרופליים. עם זאת, התארכות אינה קשורה ישירות ל-UTS, שהיא התכונה המכנית היחידה הקשורה ישירות לקשיות.
מדוע התכונות המכניות של הצינורות משתנות כל כך? ראשית, ההרכב הכימי שונה. פלדה היא תמיסה מוצקה של ברזל ופחמן וסגסוגות חשובות אחרות. לשם הפשטות, נעסוק כאן רק באחוזי פחמן. אטומי פחמן מחליפים חלק מאטומי הברזל, ויוצרים את מבנה הגביש של פלדה. ASTM 1008 הוא דרגה ראשונית מקיפה עם תכולת פחמן של 0% עד 0.10%. אפס הוא מספר מיוחד מאוד שמייצר תכונות ייחודיות כאשר תכולת הפחמן בפלדה נמוכה במיוחד. ASTM 1010 מציין תכולת פחמן בין 0.08% ל-0.13%. הבדלים אלה אינם נראים עצומים, אך הם גדולים מספיק כדי לעשות הבדל גדול במקומות אחרים.
שנית, ניתן לייצר או לייצר ולעבד את צינור הפלדה בשבעה תהליכי ייצור שונים. ASTM A513 הקשור לייצור צינורות ERW מפרט שבעה סוגים:
אם להרכב הכימי של הפלדה ולשלבי ייצור הצינורות אין השפעה על קשיות הפלדה, מהי? מענה על שאלה זו פירושו להתעמק בפרטים. שאלה זו מעלה שתי שאלות נוספות: אילו פרטים, וכמה קרובים?
פרטים על הגרגירים המרכיבים את הפלדה הם התשובה הראשונה. כאשר פלדה מיוצרת במפעל פלדה ראשוני, היא אינה מתקררת לגוש ענק בעל מאפיין יחיד. כאשר הפלדה מתקררת, מולקולות הפלדה מתארגנות בדפוסים חוזרים (גבישים), בדומה לאופן שבו פתיתי שלג נוצרים. לאחר יצירת גבישים, הם מצטברים לקבוצות הנקראות גרגירים. ככל שהקירור מתקדם, גרגירים גדלים ונוצרים לאורך כל היריעה או הפלטה. הגרגירים מפסיקים לגדול כאשר מולקולות הפלדה האחרונות נספגות על ידי הגרגירים. כל זה קורה ברמה המיקרוסקופית מכיוון שגודל גרגיר הפלדה הממוצע הוא כ-64 מיקרון או 0.0025 אינץ' רוחב. בעוד שכל גרגיר דומה למשנהו, הם אינם זהים. הם משתנים מעט בגודלם, בכיוון ותכולת הפחמן. הממשק בין הגרגירים נקרא גבול גרגירים. כאשר פלדה נכשלת, למשל עקב סדקי עייפות, היא נוטה להיכשל לאורך גבולות גרגירים.
כמה רחוק צריך להסתכל כדי לראות גרגירים מובחנים? הגדלה של פי 100, או ראייה אנושית פי 100, מספיקה. עם זאת, רק התבוננות בפלדה לא מטופלת בעוצמה פי 100 אינה מגלה הרבה. הדגימה מוכנה על ידי ליטוש הדגימה וחריטת פני השטח עם חומצה (בדרך כלל חומצה חנקתית ואלכוהול) הנקראת חומר חריטה ניטרואתנול.
הגרגירים והסריג הפנימי שלהם הם שקובעים את חוזק הפגיעה, MYS, UTS וההתארכות שהפלדה יכולה לעמוד בה לפני כשל.
שלבי ייצור פלדה, כגון גלגול חם וקר של רצועות פלדה, מפעילים מאמץ על מבנה הגרעינים; אם הם משנים צורה לצמיתות, משמעות הדבר היא שהמאמץ מעוות את הגרעינים. שלבי עיבוד אחרים, כגון סלילת הפלדה לסלילים, פריקתה ועיוות גרגירי הפלדה דרך טחנת צינורות (כדי לעצב ולקבוע את גודל הצינור). גם משיכה קרה של הצינור על המנדריל מפעילה לחץ על החומר, וכך גם שלבי ייצור כגון עיצוב קצוות וכיפוף. שינויים במבנה הגרעינים נקראים פריקות.
השלבים הנ"ל מדלדלים את משיכות הפלדה, שהיא יכולתה לעמוד במאמץ מתיחה (פתיחה במשיכה). פלדה הופכת לשבירה, מה שאומר שהיא נוטה יותר להישבר אם ממשיכים לעבוד עליה. התארכות היא מרכיב אחד של משיכות (דחיסות היא מרכיב נוסף). חשוב להבין שכשל מתרחש לרוב במהלך מאמץ מתיחה, ולא דחיסה. פלדה עמידה מאוד בפני מאמץ מתיחה בגלל יכולת ההתארכות הגבוהה יחסית שלה. עם זאת, פלדה מתעוותת בקלות תחת מאמץ דחיסה - היא משיכה - וזה יתרון.
לבטון חוזק דחיסה גבוה אך גמישות נמוכה בהשוואה לבטון. תכונות אלו הפוכות מאלה של פלדה. זו הסיבה שבטון המשמש לכבישים, מבנים ומדרכות מצויד לעתים קרובות במוטות חיזוק. התוצאה היא מוצר בעל חוזקות של שני חומרים: תחת מתח, פלדה חזקה, ובטון תחת לחץ.
במהלך עיבוד קר, ככל שהגמישות של הפלדה פוחתת, קשיותה עולה. במילים אחרות, היא תתקשה. בהתאם למצב, זה עשוי להיות יתרון; עם זאת, זה עשוי להיות חיסרון מכיוון שקשיות משותפת לשבירות. כלומר, ככל שפלדה מתקשה יותר, היא הופכת פחות אלסטית; לכן, סביר יותר שהיא תיכשל.
במילים אחרות, כל שלב בתהליך צורך חלק מגמישות הצינור. הוא מתקשה ככל שהחלק עובד, ואם הוא קשה מדי הוא בעצם חסר תועלת. קשיות היא שבירות, וצינור שביר עלול להיכשל בעת השימוש בו.
האם ליצרן יש אפשרויות במקרה הזה? בקיצור, כן. אפשרות זו היא חישול, ולמרות שזה לא ממש קסום, זה הכי קרוב לקסם שאפשר.
במילים פשוטות, חישול מסיר את כל ההשפעות של לחץ פיזי על המתכת. תהליך זה מחמם את המתכת לטמפרטורת הפגת מתחים או התגבשות מחדש, ובכך מבטל נקעים. בהתאם לטמפרטורה ולזמן הספציפיים המשמשים בתהליך החישול, התהליך משחזר חלק או את כל הגמישות שלה.
חישול וקירור מבוקר מקדמים צמיחת גרגירים. זה מועיל אם המטרה היא להפחית את שבירות החומר, אך צמיחת גרגירים בלתי מבוקרת עלולה לרכך את המתכת יתר על המידה, ולהפוך אותה לבלתי שמישה לשימוש המיועד לה. עצירת תהליך החישול היא עוד דבר כמעט קסום. חישול בטמפרטורה הנכונה עם חומר החישול הנכון בזמן הנכון מביא את התהליך לעצירה מהירה כדי להשיג את תכונות ההתאוששות של הפלדה.
האם עלינו לוותר על מפרט הקשיות? לא. מאפייני קשיות הם בעלי ערך בעיקר כנקודת ייחוס בעת הגדרת צינורות פלדה. קשיות, מדד שימושי, היא אחת מכמה מאפיינים שיש לציין בעת ​​הזמנת חומר צינורי ולבדוק אותם עם קבלתם (ויש לתעד אותם עם כל משלוח). כאשר בדיקת קשיות היא תקן הבדיקה, עליה להיות בעלת ערכי קנה מידה וטווחי בקרה מתאימים.
עם זאת, זה אינו מבחן אמיתי לאישור (קבלה או דחייה) של חומר. בנוסף לקשיות, יצרנים צריכים מדי פעם לבדוק משלוחים כדי לקבוע תכונות רלוונטיות אחרות, כגון MYS, UTS או התארכות מינימלית, בהתאם ליישום הצינור.
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 הפך למגזין הראשון שהוקדש לשירות תעשיית צינורות המתכת בשנת 1990. כיום, הוא נותר הפרסום היחיד בצפון אמריקה המוקדש לתעשייה והפך למקור המידע המהימן ביותר עבור אנשי מקצוע בתחום הצנרת.
כעת עם גישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של The FABRICATOR, גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.
המהדורה הדיגיטלית של כתב העת The Tube & Pipe Journal נגישה כעת במלואה, ומספקת גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.
תיהנו מגישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של STAMPING Journal, המספקת את ההתקדמות הטכנולוגית, שיטות העבודה המומלצות וחדשות התעשייה האחרונות עבור שוק הטבעת המתכת.
תיהנו מגישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של הדו"ח התוסף כדי ללמוד כיצד ניתן להשתמש בייצור תוסף כדי לשפר את היעילות התפעולית ולהגדיל את הרווחים.
כעת עם גישה מלאה למהדורה הדיגיטלית של The Fabricator בספרדית, גישה נוחה למשאבים יקרי ערך בתעשייה.