چرا لوله‌های مانیسمان تلورانس دارند؟

مفهوم تلورانس در لوله‌های بدون‌درز

تلورانس به معنای محدودهٔ مجاز تغییرات ابعاد نسبت به اندازهٔ اسمی است. در لوله‌های مانیسمان، که به‌صورت یکپارچه و بدون خط جوش تولید می‌شوند، تلورانس‌ها شامل قطر خارجی (OD)، ضخامت دیواره و وزن است. استاندارد ASTM A519 توضیح می‌دهد که تلورانس‌ها عمدتاً برای قطر خارجی و ضخامت دیواره اعمال می‌شوند و تمرکز اصلی روی اندازه‌گیری ضخامت است؛ قطر داخلی (ID) فقط در حد نتیجهٔ تفاوت بین OD و ضخامت بدست می‌آید و به همین دلیل ممکن است مرکز لوله با OD هم‌مرکز نباشد .

در واقع، مهم‌ترین تلورانس لوله‌های مانیسمان انحراف در ضخامت دیواره است که معمولاً در حدود ۱۰ تا ۱۲٫۵ درصد تحت نام «تلورانس آسیاب» تعریف می‌شود . این درصدها به این معنی است که ضخامت واقعی می‌تواند تا ۱۲٫۵٪ کمتر از ضخامت اسمی باشد، ولی نباید از آن بیشتر شود؛ مهندسان هنگام طراحی لوله‌ها این مقدار را از حداقل ضخامت جدا می‌کنند و سپس اجازهٔ خوردگی یا فرسایش را در نظر می‌گیرند .

فرایند ساخت و علت اصلی ایجاد تلورانس

مراحل تولید لوله‌های مانیسمان

لولهٔ مانیسمان با سوراخ‌کاری یک شمش فولادی داغ و سپس کشش و نورد ساخته می‌شود. سایت Reibus Logistics فرایند ساخت را شرح می‌دهد: پس از گرم کردن شمش، آن را با آب پرفشار از رسوب اکسید پاک می‌کنند و وارد دستگاه سوراخ‌کن می‌نمایند؛ دو چرخ دوار باعث می‌شوند شمش حول یک ابزار سوراخ‌کاری بچرخد و این ابزار یک حفره در طول شمش ایجاد کند، سپس لولهٔ توخالی در چندین مرحلهٔ نورد به قطر و ضخامت مطلوب می‌رسد . برای کنترل بهتر قطر داخلی و ضخامت، لوله ممکن است از فرایند کشش سرد عبور داده شود که در آن لوله از داخل یک قالب کشیده می‌شود؛ این روش به تولید لوله‌هایی با تلورانس بسیار دقیق کمک می‌کند .

علل اصلی نوسان ضخامت در تولید

1. دستگاه سوراخ‌کن (piercer mill): مقالهٔ The Fabricator توضیح می‌دهد که بیشترین تغییرات ضخامت دیواره در مرحلهٔ سوراخ‌کاری اتفاق می‌افتد؛ در لوله‌های مانیسمان معمولاً انحراف دیواره ۷ تا ۱۰ درصد است . به‌عنوان مثال، برای ضخامت اسمی ۱۵ میلی‌متر با تلورانس ±۱۰٪، ضخامت واقعی می‌تواند بین ۱۳٫۵ تا ۱۶٫۵ میلی‌متر متغیر باشد .

2. نورد متقاطع و کشش سرد: پس از سوراخ‌کاری، لوله به یک دستگاه نورد متقاطع و سپس به کشش سرد منتقل می‌شود تا ضخامت یکنواخت‌تری بدست آید؛ کشش سرد می‌تواند تلورانس قطر خارجی را به حدود ±۰٫۱ میلی‌متر برساند . با این حال، حتی پس از این مراحل هنوز مقداری تغییرات باقی می‌ماند، زیرا جنس، دما و تجهیزات اثرگذارند .

3. نورد ماندریل شناور: در سیستم‌های نورد پیوسته قدیمی، ماندریل در حالت شناور حرکت می‌کند و با سطح داخلی لوله اصطکاک دارد؛ این فرآیند باعث می‌شود قطر و ضخامت در دو انتهای لوله در محدودهٔ وسیعی نوسان کند و لازم است انتهای لوله بریده شود تا اندازه در محدودهٔ مجاز قرار گیرد .

عوامل ایجاد عدم یکنواختی ضخامت دیواره

گرمایش و سوراخ‌کاری
• گرمایش ناهمگون شمش: اگر شمش فولادی در کوره به‌طور یکنواخت گرم نشود، یک بخش داغ و نرم و بخش دیگر سرد و سخت می‌شود. هنگام سوراخ‌کاری، این تفاوت باعث جریان نامتقارن فلز و ایجاد لوله‌هایی با ضخامت نامنظم می‌گردد .
• آسیب یا فرسودگی نوک سوراخ‌کن: خرابی یا سائیدگی ابزار سوراخ‌کاری (پلاگ) باعث می‌شود فلز به‌طور نامتعادل اطراف ابزار جریان یابد و در نتیجه ساختمان داخلی لوله ناهمگون شود . تعمیر یا تعویض به‌موقع این ابزار برای کنترل تلورانس ضروری است .

موقعیت و تراز ماندریل و تجهیزات

• تراز نبودن ماندریل: در کشش سرد، اگر زین پیش‌سوراخ‌کاری ارتفاع مناسب نداشته باشد، ماندریل فقط یک طرف لوله را لمس می‌کند و آن سمت سریع‌تر خنک می‌شود؛ این امر باعث کاهش یا افزایش ضخامت در یک طرف لوله می‌شود .

• لرزش زنجیر ورود: هنگام سوراخ‌کاری، اگر غلطک‌های هدایت به‌خوبی تنظیم نشده باشند، شمش ناپایدار می‌شود و لرزش زنجیر ورود موجب نوسان مارپیچی یا موجی در ضخامت دیواره می‌گردد .

• شاخص گسترش بیش از حد و سرعت بالا: هنگامی که ضریب گسترش لوله در سوراخ‌کاری زیاد و سرعت نورد بالا باشد، جریان فلز نامنظم می‌شود و به‌ویژه در ابتدا و انتهای لوله عدم یکنواختی ضخامت مشاهده می‌شود .

• سوراخ‌ آزاد نشدهٔ سر لوله: در لوله‌های قطر بزرگ، اگر سوراخ خروجی یا relief hole به‌خوبی مرکزیت نداشته باشد، خمیدگی و شیب ایجاد می‌شود و قطعهٔ سر لوله ضخیم‌تر یا نازک‌تر می‌شود .

• فاصلهٔ نامنظم بین غلتک‌های نورد: در فرایند کشش سرد، فاصلهٔ غلتک‌ها باید دقیقاً مطابق تنظیمات باشد؛ در غیر این صورت، یک طرف لوله بیش از حد تغییر شکل می‌دهد و بخش‌هایی با ضخامت بسیار کم یا بسیار زیاد تولید می‌شود .

عوامل اضافی (شکل و مرکزیت)

مطالب شرکت Eastern Steels نشان می‌دهد که حرارت‌دهی ناهمگون، شکل و موقعیت نامتقارن نوک سوراخ‌کن و لرزش زنجیر از عواملی هستند که ضخامت ناهمگن ایجاد می‌کنند . همچنین مقاله Threeway Steel تأکید می‌کند که خم‌شدگی میلهٔ رانش (ejector rod) و عدم هم‌محوری آن با حفرهٔ سوراخ‌کاری باعث می‌شود پس از نورد همچنان نوسان دیواره به‌صورت مارپیچ باقی بماند . اگر مقدار کاهش ضخامت در دستگاه نورد کم باشد، این دستگاه می‌تواند ناهمگنی ضخامت را کاهش دهد؛ ولی کاهش دیوارهٔ زیاد یا تنظیم غلط فاصلهٔ رول‌ها وضعیت را بدتر می‌کند . برای بهبود، لازم است طراحی ابزار و هم‌محوری ماندریل با خط نورد اصلاح شود .

مقدار تلورانس و استانداردها

تلورانس ضخامت و قطر در استانداردهای رایج

سایت FluidTech Piping جدول تلورانس‌ها را برای لوله‌های ASTM A106 و ASTM A530 ارائه کرده است. برای قطر خارجی (OD) لوله‌های کوچک (NPS 1/8 تا 1½) تلورانس ±۱/۶۴ اینچ (±۰٫۴ میلی‌متر) است؛ با افزایش سایز، دامنهٔ مجاز بزرگ‌تر می‌شود، به‌طوری که برای NPS 8 تا 18، تلورانس +3/32 اینچ / -1/32 اینچ (معادل +۲٫۴ / −۰٫۸ میلی‌متر) گزارش شده است . برای ضخامت دیواره، لوله‌های سایز کوچک (NPS 1/8 تا 2½) تلورانسی برابر +۲۰٪ / −۱۲٫۵٪ دارند و برای سایزهای بزرگ‌تر، درصد تلورانس به مقدار t/D (نسبت ضخامت به قطر) بستگی دارد؛ به‌طور مثال برای لوله‌های t/D ≤ 5٪، تلورانس +۲۲٫۵٪ / −۱۲٫۵٪ است .

مقالهٔ CNSSsheet نیز اشاره می‌کند که تلورانس ضخامت برای لوله‌های مانیسمان معمولاً ±۱۰٪ است؛ اما برای لوله‌های جوش‌دار ±۱۲٫۵٪ و در کاربردهای حساس‌تر (مثل نیروگاه‌ها) می‌توان به ±۵٪ یا حتی ±۳٪ کاهش یافت . همچنین این مقاله توضیح می‌دهد که بزرگی تلورانس به روش تولید، اندازهٔ لوله و استانداردهای کیفیت بستگی دارد؛ لوله‌های بزرگ‌تر دارای دامنهٔ تلورانس بیشتری هستند و لوله‌های کوچک تا ±۰٫۰۱ اینچ دقت دارند . بر همین اساس، استاندارد ASTM A106 حداقل ضخامت را نباید بیشتر از ۱۲٫۵٪ کمتر از مقدار اسمی بیان می‌کند .

اهمیت رعایت تلورانس

مطابق مقاله FluidTech، رعایت تلورانس سه مزیت دارد: ایمنی (جلوگیری از نشتی، شکست اتصالات و خرابی سیستم)، صرفه‌جویی در هزینه (کاهش دوباره‌کاری و ضایعات) و انطباق با مقررات (برآورده کردن الزامات ASTM، ASME و ISO) . همچنین Baokun توضیح می‌دهد که تلورانس‌های دقیق باعث می‌شود لوله‌ها به‌خوبی با اتصالات و فلنج‌ها جفت شوند و در صنایع حساس مانند هوافضا و هیدرولیک، رعایت تلورانس سخت باعث افزایش پایداری و کاهش خطر خرابی می‌شود . استانداردهای بین‌المللی مانند ASTM A312 (±۱۰٪)، EN 10217-7 (±۱۲٫۵٪) و ASME SA213 (±۵٪) حدود مجاز را تعریف می‌کنند و برخی تولیدکنندگان با استفاده از روش‌های خاص می‌توانند تلورانس ±۳٪ ارائه دهند .

مقایسه با لوله‌های جوش‌دار

تلورانس ۱۲٫۵٪ که در طراحی لوله‌های مانیسمان لحاظ می‌شود ریشه در فرایند تولید دارد: مطابق مقالهٔ پیکینگ استرس (PED)، لوله‌های جوش‌دار از ورق‌های فولادی تشکیل می‌شوند که دقت تولید صفحات فلزی بالاست و بنابراین تلورانس کمی دارند؛ اما باید ضریب کارآیی جوش را برای کاهش استحکام در محل جوش در نظر گرفت . در مقابل، لوله‌های مانیسمان با سوراخ‌کاری یک شمش داغ ساخته می‌شوند و ابزار سوراخ‌کن ممکن است کمی منحرف شود؛ بنابراین دیواره در یک طرف ضخیم‌تر و در طرف دیگر نازک‌تر می‌شود و این تلورانس تولید در کدهای B31 به‌صورت ۱۲٫۵٪ لحاظ می‌شود .

به بیان دیگر، لوله‌های جوش‌دار تلورانس تولید کمتری دارند اما به دلیل وجود خط جوش، برای محاسبات استحکام ضریب کاهش در نظر گرفته می‌شود؛ لوله‌های مانیسمان تلورانس بیشتری دارند ولی از لحاظ استحکام یکنواخت‌تر هستند و خطوط جوش ندارند.

روش‌های کاهش تلورانس و بهبود یکنواختی دیواره

برای به حداقل رساندن نوسان ضخامت و بهبود کیفیت، تولیدکنندگان از اقدامات زیر استفاده می‌کنند:

• گرمایش یکنواخت: شمش‌ها باید در کوره به‌آرامی و یکنواخت گرم شوند تا اختلاف دما ایجاد نشود؛ چرخش و جابه‌جایی منظم شمش‌ها در کوره از ایجاد پدیدهٔ «بیلت یین–یانگ» جلوگیری می‌کند .

• بررسی و تعویض ابزار سوراخ‌کاری: بازرسی مداوم پلاگ سوراخ‌کن و تعویض در صورت سائیدگی باعث توزیع یکنواخت فلز می‌شود .

• تنظیم و تراز ماندریل: هنگام کشش سرد، تنظیم ارتفاع زین و اطمینان از هم‌محوری ماندریل با محور لوله، از تماس یک‌طرفه و خنک شدن نامنظم جلوگیری می‌کند .

• کاهش لرزش و تنظیم سرعت: اطمینان از ثبات زنجیر ورود، کاهش لرزش و تنظیم سرعت نورد و مقدار گسترش از تغییرات مارپیچی در ضخامت جلوگیری می‌کند .

• کنترل شکل نوک سوراخ‌کاری و غلطک‌ها: مقالات Eastern Steels و Threeway Steel تأکید می‌کنند که شکل و موقعیت نوک سوراخ‌کن باید متقارن و غلطک‌ها باید به‌درستی تنظیم شوند؛ در غیر این صورت ناهم‌محوری و انحراف دیواره ایجاد می‌شود .

• استفاده از کشش سرد چندمرحله‌ای و طراحی ماندریل بهینه: مرکزوی استیل پیشنهاد می‌کند برای کنترل شکل بیضی و ضخامت، از طراحی بهینهٔ ماندریل و کشش چندمرحله‌ای استفاده شود؛ همچنین بررسی هم‌محوری در هر مرحله ضروری است .

• بهبود سوراخ‌گیری دوم و طول مسیر ماندریل: مقالهٔ Threeway Steel توصیه می‌کند فرآیند سوراخ‌کاری ثانویه و طراحی ابزار به‌گونه‌ای باشد که هم‌محوری ماندریل و پین رانش در طول چرخش حفظ شود .

جمع‌بندی

تلورانس در لوله‌های مانیسمان نتیجهٔ مستقیم فرایند پیچیدهٔ تولید آنهاست. سوراخ‌کاری، نورد و کشش سرد به‌طور طبیعی باعث تغییرات در ضخامت و قطر می‌شوند، به‌طوری که استانداردها تلورانسی در محدودهٔ ۱۰ تا ۱۲٫۵ درصد برای ضخامت مجاز می‌دانند . عواملی مانند گرمایش ناهمگون، فرسودگی ابزار سوراخ‌کاری، عدم تراز ماندریل، لرزش زنجیر، سرعت نورد بالا و تنظیم نادرست غلطک‌ها باعث ناهمگنی دیواره و ضرورت تلورانس می‌شوند . این تلورانس‌ها در کدهای طراحی در نظر گرفته می‌شوند و مهندسان هنگام محاسبهٔ ضخامت، تلورانس و خوردگی را از ضخامت اسمی کسر می‌کنند .

هرچند تلورانس اجتناب‌ناپذیر است، با رعایت گرمایش یکنواخت، طراحی صحیح ابزار، کشش چندمرحله‌ای، تراز دقیق ماندریل و کنترل سرعت نورد می‌توان میزان نوسان را کاهش داد و لوله‌هایی با کیفیت و یکنواختی بالاتر تولید کرد . در نهایت، درک دقیق علل تلورانس و رعایت استانداردهای بین‌المللی نه‌تنها ایمنی و عملکرد سیستم‌های لوله‌کشی را تضمین می‌کند بلکه با کاهش دوباره‌کاری و ضایعات، بهره‌وری اقتصادی را نیز بهبود می‌بخشد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و ثبت سفارش با شرکت نگاه کمپانی تماس بگیرید.