اثر ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی لوله‌های فولادی
لوله‌های فولادی در صنایع نفت و گاز، ساخت‌وساز، انرژی و خودروسازی کاربرد فراوانی دارند. عملکرد مطمئن آن‌ها به خواص مکانیکی مانند استحکام کششی، سختی، انعطاف‌پذیری و مقاومت به سایش وابسته است. این خواص از دو عامل اصلی تأثیر می‌پذیرند: ترکیب شیمیایی فولاد و نوع عملیات حرارتی که پس از تولید بر روی لوله اعمال می‌شود. افزودن عناصر آلیاژی و انتخاب عملیات حرارتی مناسب می‌تواند مقاومت، چقرمگی و طول عمر لوله‌ها را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. در این مقاله با استفاده از منابع معتبر خارجی به نقش هر یک از این عوامل در لوله‌های کربن استیل و فولاد آلیاژی می‌پردازیم.
نقش ترکیب شیمیایی در خواص مکانیکی لوله‌های فولادی
عناصر اصلی و تأثیر آن‌ها در لوله‌های فولادی
ترکیب شیمیایی فولاد شامل عناصر اصلی و عناصر آلیاژی است. هر عنصر اثر خاصی بر ریزساختار و خواص مکانیکی دارد. مهم‌ترین عناصر عبارتند از:
• کربن (C): مهم‌ترین عنصر در فولاد است و به‌طور مستقیم بر استحکام و شکل‌پذیری اثر می‌گذارد. افزایش درصد کربن باعث افزایش نقطه تسلیم و استحکام کششی می‌شود، اما پلاستیسیته و مقاومت به ضربه کاهش می‌یابد . درصد کربن بالاتر از ۰٫۲۳٪ جوش‌پذیری را کاهش می‌دهد و در فولادهای کم‌آلیاژ برای بهبود جوش‌پذیری معمولاً درصد کربن زیر ۰٫۲٪ نگه داشته می‌شود . همچنین کربن زیاد مقاومت به خوردگی جوی را کاهش می‌دهد و شکنندگی سرد و حساسیت به پیرشدگی را افزایش می‌دهد .
• فسفر (P): معمولاً عنصری مضر است؛ فسفر زیاد شکنندگی سرد را افزایش داده و شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد . با این حال در فولادهای کم آلیاژ با مقاومت بالا، مقادیر ۰٫۰۳ تا ۰٫۰۵٪ می‌تواند استحکام و مقاومت به خوردگی را اندکی افزایش دهد، ولی انعطاف‌پذیری کاهش می‌یابد .
• گوگرد (S): گوگرد موجب شکنندگی گرم، کاهش انعطاف‌پذیری و ایجاد ترک در فرآیند نورد و فورج می‌شود . حضور گوگرد سطح جوش‌پذیری و مقاومت به خوردگی را پایین می‌آورد؛ بنابراین در فولادهای باکیفیت باید درصد S کمتر از ۰٫۰۴ تا ۰٫۰۵٪ باشد . مقادیر کم گوگرد (۰٫۰۸ تا ۰٫۲٪) برای بهبود ماشین‌کاری به‌کار می‌رود و به «فولاد خوش‌تراش» معروف است .
عناصر نیمه‌فلزی و بهبوددهنده
• سیلیسیوم (Si): در فرایند تولید فولاد به‌عنوان احیاکننده و زداینده اکسیژن استفاده می‌شود. حضور ۰٫۱۵–۰٫۳۰٪ Si در فولاد کشته معمول است. افزودن ۱٫۰–۱٫۲٪ سیلیسیوم در فولادهای کوئنچ و تمپر شده استحکام را ۱۵–۲۰٪ افزایش می‌دهد . ترکیب Si با عناصر دیگر مانند کروم و مولیبدن مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون را بالا می‌برد، اما افزایش بیش از حد آن جوش‌پذیری را کاهش می‌دهد .
• منگنز (Mn): منگنز زداینده گوگرد و اکسیژن است و معمولاً حدود ۰٫۳–۰٫۳۵٪ در فولاد وجود دارد. افزودن بیش از ۰٫۷٪ منگنز به فولاد کربنی باعث افزایش سختی و استحکام می‌شود؛ فولاد ۱۶Mn دارای نقطه تسلیم ۴۰٪ بیشتر از فولاد A3 است . فولادهای با ۱۱–۱۴٪ منگنز مقاومت سایش بسیار بالایی دارند، ولی مقاومت به خوردگی و جوش‌پذیری کاهش می‌یابد .
عناصر آلیاژی و اثرات آن‌ها در لوله‌های فولادی
فولادهای آلیاژی علاوه بر عناصر فوق، عناصر دیگری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، تیتانیم، وانادیوم و … دارند:
• کروم (Cr): افزودن کروم موجب افزایش استحکام، سختی، مقاومت به سایش و مقاومت به خوردگی فولاد می‌شود و جزء اصلی فولادهای ضدزنگ و نسوز است؛ اما پلاستیسیته و چقرمگی را کاهش می‌دهد .
• نیکل (Ni): با حفظ پلاستیسیته و چقرمگی، استحکام فولاد را افزایش می‌دهد و مقاومت بالایی در برابر اسید و قلیا ایجاد می‌کند. فولادهای غنی از نیکل برای شرایط خورنده مناسب هستند .
• مولیبدن (Mo): دانه‌ها را ریز کرده و توانایی سختکاری و استحکام در دمای بالا را بهبود می‌بخشد. مولیبدن استحکام و مقاومت خزشی را افزایش می‌دهد و شکنندگی ناشی از کوئنچینگ را مهار می‌کند .
• تیتانیم (Ti): زداینده قوی اکسیژن است، دانه‌بندی را ریز می‌کند و حساسیت به پیرشدگی و شکنندگی سرد را کاهش می‌دهد. افزودن تیتانیم در فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی کروم–نیکل از خوردگی بین‌دانه‌ای جلوگیری می‌کند .
• وانادیوم (V): باعث ریزدانگی و تشکیل کاربیدهای مقاوم می‌شود و بهبود قابل توجهی در استحکام و چقرمگی فولاد ایجاد می‌کند؛ همچنین مقاومت به خوردگی هیدروژنی را افزایش می‌دهد .
• تنگستن (W): با کربن ترکیب شده و کاربید تنگستن بسیار سخت تشکیل می‌دهد. این عنصر برای ابزارهای برشی و قالب‌های فورج استفاده می‌شود؛ افزوده شدن W مقاومت حرارتی و سختی قرمز فولاد را بالا می‌برد .
• نیوبیوم (Nb): با ریز کردن دانه‌ها و کاهش حساسیت به گرم شدن بیش از حد، مقاومت به خوردگی و جوش‌پذیری فولاد را بهبود می‌دهد؛ اما پلاستیسیته و چقرمگی کاهش می‌یابد .
• مس (Cu): استحکام و مقاومت به خوردگی جوی را بالا می‌برد ولی در دمای بالا موجب شکنندگی گرم می‌شود؛ بیش از ۰٫۵٪ مس موجب کاهش شکل‌پذیری و جوش‌پذیری می‌شود .
• آلومینیوم (Al): زداینده معمولی اکسیژن است؛ مقدار کم Al باعث ریزدانه شدن و افزایش چقرمگی ضربه‌ای می‌شود. ترکیب آن با کروم و سیلیسیوم مقاومت به اکسیداسیون و پوسته‌شدن را بهبود می‌دهد، اما قابلیت شکل‌دهی گرم و جوش‌پذیری را کاهش می‌دهد .
• بور و عناصر خاکی کمیاب: مقادیر ناچیز بور باعث افزایش تراکم و استحکام فولاد می‌شود . عناصر خاکی کمیاب با اصلاح گنجینه‌های غیر فلزی، چقرمگی و جوش‌پذیری فولاد را بهبود می‌دهند .
دسته‌بندی فولاد بر اساس درصد کربن
طبق مقاله پژوهشی AZoM، انواع فولاد کربنی بر اساس میزان کربن به سه گروه تقسیم می‌شود:
1. فولاد کم‌کربن (کمتر از ۰٫۲۵٪ C): نرم، انعطاف‌پذیر و با هزینه کم. برای ساخت بدنه خودرو، لوله‌های انتقال، پروفیل‌های ساختمانی و قوطی‌های کنسرو مناسب است .
2. فولاد متوسط (۰٫۲۵–۰٫۶٪ C): برای بهبود خواص مکانیکی باید تحت عملیات آستنیت‌کردن و سپس کوئنچ و تمپر قرار گیرد. افزودن کروم، مولیبدن و نیکل مقاومت در دمای بالا را افزایش می‌دهد. این فولاد پس از سختکاری نسبت به فولاد کم‌کربن استحکام بیشتری دارد ولی انعطاف‌پذیری کمتری دارد .
3. فولاد پرکربن (۰٫۶–۱٫۲۵٪ C): بیشترین سختی و مقاومت سایشی را دارد ولی شکل‌پذیری بسیار کم است. این فولاد همواره سختکاری و تمپر می‌شود و برای ابزارهای برشی و قطعات تحت سایش استفاده می‌شود .
اضافه کردن عناصر آلیاژی و کنترل دقیق ترکیب شیمیایی سبب تولید فولادهای HSLA با نسبت بالای استحکام به وزن می‌شود؛ این فولادها با وجود کربن کم، به دلیل حضور عناصر Ni، Cu، V و Mo، استحکام بالا و مقاومت به خوردگی خوبی دارند .
عملیات حرارتی و اثر آن بر لوله‌های فولادی
عملیات حرارتی به مجموعه‌ای از فرآیندهای کنترل‌شده حرارت دادن و سرد کردن گفته می‌شود که با تغییر ریزساختار فلزات، خواص مکانیکی آن‌ها را بهبود می‌بخشد. برای لوله‌های فولادی، عملیات حرارتی مناسب می‌تواند استحکام، چقرمگی، مقاومت به سایش و کارپذیری را تنظیم کند.
کوئنچینگ (سختکاری) لوله‌های فولادی
در فرایند کوئنچینگ، لوله یا قطعه فولادی تا دمای بحرانی گرم و سپس به‌سرعت در آب، روغن یا هوا سرد می‌شود. این روش ریزساختار ترد و سخت مارتنزیت تولید می‌کند که سختی و مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد . یک منبع صنعتی توضیح می‌دهد که کوئنچینگ معمولاً برای ابزارهای برشی، چرخ‌دنده‌ها و قطعاتی که مقاومت سایشی بالا نیاز دارند، به‌کار می‌رود . با این حال، ساختار مارتنزیت شکننده است؛ بنابراین قطعات پس از کوئنچ باید با تمپرینگ بازپخت شوند تا چقرمگی بهبود یابد .
همان‌طور که مقاله دیگری توضیح می‌دهد، کوئنچ کردن فولاد مستلزم حرارت‌دهی تا دمای بالاتر از Ac3 یا Ac1 و سپس سرد کردن سریع است تا ساختار آستنیت به مارتنزیت یا بینیت تبدیل شود . هدف این فرآیند افزایش سختی و مقاومت سایشی است و برای فنرها، یاتاقان‌ها، ابزارها و قطعات محور استفاده می‌شود . پس از کوئنچ، قطعه دارای ساختار ناپایدار و تنش‌های داخلی زیاد است و خواص مکانیکی اولیه ممکن است مطابق نیاز نباشد؛ بنابراین مرحله تمپرینگ ضروری است .
تمپرینگ (برگشت) لوله‌های فولادی
تمپرینگ فرایندی است که پس از کوئنچینگ انجام می‌شود. طی این مرحله، فولاد تا دمایی کمتر از دمای بحرانی گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود. تمپرینگ سبب کاهش شکنندگی ناشی از کوئنچ، حذف تنش‌های داخلی و به‌دست آوردن تعادل بین سختی و چقرمگی می‌شود . برای مثال، تمپرینگ می‌تواند سختی را تنظیم کرده و استحکام، پلاستیسیته و چقرمگی را به حد مناسب برای قطعات ماشین‌آلات سنگین یا چرخ‌دنده‌ها برساند . مقاله تخصصی دیگری نشان می‌دهد که اهداف تمپرینگ شامل کاهش تنش‌های داخلی، تنظیم خواص مکانیکی و تثبیت ابعاد قطعه است؛ دمای بالاتر تمپرینگ باعث کاهش سختی و افزایش پلاستیسیته می‌شود .
نرمالیزه‌کردن لوله‌های فولادی
در نرمالیزه‌کردن، فولاد تا دمای بالاتر از Ac3 (برای فولاد هیپویوتکتوئید) یا بالاتر از Acm (برای فولاد هیپریوتکتوئید) گرم شده و سپس در هوا خنک می‌شود. سرعت خنک شدن در نرمالیزه بین سرعت آنیلینگ و کوئنچینگ است. این فرایند با ریز کردن دانه‌ها باعث افزایش استحکام و چقرمگی و کاهش تمایل به ترک‌خوردگی می‌شود . منابع صنعتی بیان می‌کنند که نرمالیزه کردن برای حذف دانه‌های درشت و ساختارهای Widmanstätten در قطعات ریختگی، فورج و جوشکاری، همچنین اصلاح ساختار نواری محصولات نورد و آماده‌سازی قبل از کوئنچ استفاده می‌شود . نرمالیزه کردن برای فولادهای کم‌کربن، به‌ویژه ورق‌های نازک و لوله‌های بدون درز، باعث ایجاد پرلیت ریز و سختی HB140-190 می‌شود که ماشین‌کاری را تسهیل می‌کند .
آنیلینگ (بازپخت) لوله‌های فولادی
آنیلینگ فرایندی است که طی آن فولاد به‌آرامی تا دمای معینی گرم شده و پس از زمان نگهداری، به‌تدریج سرد می‌شود. این فرایند به سه دسته آنیلینگ کامل، آنیلینگ ناقص و تنش‌زدایی تقسیم می‌شود. اهداف آن شامل رفع عیوب ساختاری و تنش‌های باقی‌مانده ناشی از ریخته‌گری، فورج و نورد، افزایش نرمش و تسهیل ماشین‌کاری، و ریزدانه کردن ساختار است . انواع رایج آنیلینگ عبارتند از: آنیلینگ کامل (برای پالایش ساختار زبر و درشت)، آنیلینگ کروی (کاهش سختی فولاد ابزار و بلبرینگ)، آنیلینگ ایزوترمال (کاهش سختی فولادهای آلیاژی پرکروم و پرنیکل)، آنیلینگ تبلور مجدد (رفع سختی ناشی از نورد سرد یا کشش)، آنیلینگ گرافیت‌سازی (تبدیل چدن سفید به چدن داکتیل)، آنیلینگ نفوذی (همگن‌سازی ترکیب شیمیایی)، و تنش‌زدایی .
سایر روش‌های عملیات حرارتی لوله‌های فولادی
• کربوریزه‌کردن: سطح فولاد در محیط غنی از کربن حرارت داده می‌شود تا لایه‌ای سخت و مقاوم به سایش بر روی سطح تشکیل شود، در حالی که مغز ماده چقرمگی را حفظ می‌کند .
• سرمایش برودتی (Cryogenic Treatment): ماده تا دماهای بسیار پایین (معمولاً با نیتروژن مایع) سرد می‌شود؛ این کار تنش‌های باقی‌مانده را کاهش داده و ثبات ابعادی و مقاومت سایشی را بهبود می‌بخشد .
• آستمپرینگ: فولاد به دمای میانی سرد شده و به‌طور ایزوترمال نگه داشته می‌شود تا ساختاری با چقرمگی و داکتیلیته بالا ایجاد شود؛ این روش برای فنرها و قطعات خودرو کاربرد دارد .
• بازپخت پس از جوش (PWHT): پس از جوشکاری، لوله‌های فشار بالا و مخازن تحت عملیات حرارتی کنترل‌شده قرار می‌گیرند تا تنش‌های حرارتی کاهش یابد و چقرمگی ناحیه جوش افزایش یابد .
• انيلينگ محلولی (Solution Annealing): برای لوله‌های زنگ‌نزن، حرارت دادن تا دمایی که کاربیدها در فاز آستنیت حل شوند و سپس سرد کردن سریع، مقاومت به خوردگی را به حداکثر می‌رساند .
• کوئنچ و تمپرینگ (+QT): ترکیب کوئنچ و تمپرینگ برای لوله‌های فشار بالا و قطعات سازه‌ای استفاده می‌شود و تعادلی بین سختی، استحکام و چقرمگی فراهم می‌کند .
• نرمالیزه و تمپرینگ (+NT): این ترکیب برای لوله‌های خودرو و صنایع نیروگاهی جهت ایجاد تعادل بین استحکام و داکتیلیته به‌کار می‌رود .
• سختی رسوبی (+PH): در فولادهای مخصوص باعث تشکیل رسوبات ریز و افزایش استحکام بدون کاهش داکتیلیته می‌شود؛ این روش در صنایع هوافضا و انرژی هسته‌ای کاربرد دارد .
• TMCP: فرآیند کنترل‌شده ترمومکانیکی شامل نورد کنترل‌شده و سرد کردن سریع است که دانه‌های ریز و استحکام بالا با میزان عناصر آلیاژی کمتر تولید می‌کند .
تأثیر عملیات حرارتی بر ریزساختار و خواص مکانیکی لوله‌های فولادی
کنترل سرعت گرم و سرد کردن در عملیات حرارتی مستقیماً ساختار داخلی و به تبع آن خواص مکانیکی فولاد را تعیین می‌کند. به‌عنوان مثال:
• کوئنچ کردن ساختار مارتنزیتی سخت و شکننده ایجاد می‌کند که برای محیط‌های سایشی مناسب است .
• تمپرینگ این ساختار را تا حدی نرم کرده و باعث رسوب کاربیدهای ریز و افزایش چقرمگی می‌شود .
• آنیلینگ موجب تشکیل ساختار همگن‌تر با دانه‌های بزرگ‌تر و نرم‌تر می‌شود که شکل‌پذیری و ماشین‌کاری را آسان می‌کند .
• نرمالیزه کردن پرلیت ریز و ساختار یکنواخت‌تری ایجاد کرده و ترکیب مناسبی از استحکام و چقرمگی فراهم می‌آورد .
• تنظیم ریزساختار با روش‌هایی مانند آستمپرینگ و TMCP می‌تواند ساختار بینیتی یا پرلیت ریز ایجاد کند که مقاومت به ضربه، خزش و شکست را افزایش می‌دهد .
انتخاب ترکیب و عملیات حرارتی برای کاربردهای مختلف
انتخاب ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی مناسب بستگی به کاربرد لوله، شرایط کاری (فشار، دما، خوردگی) و هزینه دارد. نکات زیر می‌تواند به تصمیم‌گیری کمک کند:
• لوله‌های فشار بالا و خطوط انتقال نفت و گاز: به استحکام و چقرمگی بالا نیاز دارند؛ فولادهای کم‌آلیاژ با محتوی مناسب کروم، مولیبدن و وانادیوم و اعمال عملیات کوئنچ و تمپرینگ یا QT انتخاب خوبی هستند. این ترکیب خواص مکانیکی عالی در فشارهای بالا فراهم می‌کند .
• لوله‌های آلیاژی برای صنایع شیمیایی و پتروشیمی: مقاومت به خوردگی اهمیت دارد؛ استفاده از فولادهای زنگ‌نزن حاوی کروم و نیکل همراه با عملیات انیلینگ محلولی یا PH باعث جلوگیری از تشکیل کاربیدهای کروم و افزایش مقاومت به خوردگی می‌شود .
• لوله‌های ساختمانی و سازه‌ای: استحکام و چقرمگی معتدل و قابلیت ماشین‌کاری مورد نیاز است؛ فولادهای کم‌کربن یا متوسط با نرمالیزه و یا ترکیب NT می‌توانند ساختار پرلیت ریز و چقرمگی مناسب فراهم کنند .
• لوله‌های برای محیط‌های سایشی یا دمای بالا: افزودن عناصر کروم، مولیبدن و تنگستن به‌همراه عملیات سختکاری و سپس تمپرینگ، مقاومت سایشی و حرارتی بالا ایجاد می‌کند .
• لوله‌های دقیق و لوله‌های ابزار: نیازمند سختی و دقت ابعادی بالا هستند؛ استفاده از فولادهای آلیاژی حاوی وانادیوم و تیتانیم و عملیات رسوب سختی یا TMCP می‌تواند دانه‌بندی ریز و مقاومت بالا فراهم آورد .
جمع‌بندی
خواص مکانیکی لوله‌های فولادی تابعی از ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی است. افزودن عناصر مناسب مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم می‌تواند استحکام، مقاومت به سایش و مقاومت به خوردگی را افزایش دهد، در حالی که عناصر مضر مانند فسفر و گوگرد باید در حداقل مقدار کنترل شوند .
از سوی دیگر، انتخاب عملیات حرارتی مناسب—شامل کوئنچ و تمپرینگ برای افزایش سختی و چقرمگی، نرمالیزه کردن برای اصلاح دانه‌بندی و افزایش toughness، آنیلینگ برای نرم‌کاری و رفع تنش، و فرایندهای ویژه مثل انیلینگ محلولی، آستمپرینگ و TMCP—ریختار میکروسکوپی و به تبع آن خواص مکانیکی را بهینه می‌کند .
ترکیب درست شیمی و عملیات حرارتی باعث می‌شود لوله‌های فولادی به نیازهای متنوع صنایع مانند نفت و گاز، انرژی، ساختمان و خودرو پاسخ دهند. شناخت این عوامل به مهندسان و خریداران کمک می‌کند تا با انتخاب مواد و فرایندهای مناسب، از ایمنی و کارایی خطوط لوله و تجهیزات اطمینان حاصل کنند.
جهت کسب اطلاعات بیشتر و ثبت سفارش با شرکت نگاه کمپانی تماس بگیرید.
