الأنابيب غير الملحومة مقابل الأنابيب الملحومة كهربائياً – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل روتيني خيارًا بين الأنابيب والأنابيب الفولاذية غير الملحومة وERW (المعزولة كهربائيًا). عادةً ما يوازن القرار بين متطلبات الأداء مثل القوة والصلابة ومقاومة التآكل مقابل التكلفة والتوافر واحتياجات التصنيع اللاحقة مثل اللحام والتشكيل. بالنسبة لظروف الخدمة التي تتضمن ضغطًا داخليًا عاليًا، أو صلابة تأثير عند درجات حرارة منخفضة، أو تسامح أبعاد ضيق، قد يُفضل حل واحد؛ بالنسبة للتطبيقات الهيكلية أو التوزيع ذات القطر الكبير والتكلفة المنخفضة، غالبًا ما يهيمن الآخر.

في جوهر المقارنة توجد اختلافات في كيفية صنع الأنبوب وكيف تؤثر تلك الطريقة التصنيعية على خصائص المواد وسلوك اللحام. تؤثر هذه الاختلافات على البنية المجهرية، واستجابة المعالجة الحرارية، وسلامة اللحامات، والحدود العملية للمعالجة اللاحقة.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الشائعة التي ستواجهها لكل من الفولاذ غير الملحوم وERW ما يلي:

• ASTM / ASME (الولايات المتحدة): على سبيل المثال، مواصفات ASTM A106، A179، A192، API 5L لأنابيب الخط؛ ASME SA-106، SA-179.
• EN (الأوروبية): EN 10216 (غير الملحوم)، EN 10217 (المُلحم)، EN 10210/10219 للأقسام المجوفة الهيكلية.
• JIS (اليابان): JIS G3452 (أنابيب فولاذية غير ملحومة للمراجل)، JIS G3461 (ERW).
• GB (الصين): GB/T 8162 (أنابيب فولاذية كربونية غير ملحومة للبنية العامة)، GB/T 3091 (ERW).

تصنيف حسب نوع المادة: - الفولاذ الكربوني: شائع لكل من غير الملحوم وERW. - السبائك وHSLA: متاحة في كلا الشكلين؛ غالبًا ما تكون درجات HSLA والميكروسبائك غير ملحومة ولكن يتم إنتاجها أيضًا كـ ERW. - الفولاذ المقاوم للصدأ: يتم إنتاجه كلاً من غير الملحوم والمُلحم (بما في ذلك أنواع ERW وTIG). - الفولاذات الأدوات: نادرًا ما يتم إنتاجها كأنابيب؛ مستبعدة من مواصفات الأنابيب النموذجية.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يتم تحديد تركيب الأنبوب أو الأنبوب بواسطة الدرجة (الكربون، HSLA، السبيكة، الفولاذ المقاوم للصدأ) بدلاً من طريقة التشكيل. ومع ذلك، تختلف فلسفات التحكم النموذجية: غالبًا ما تستهدف الشركات المصنعة غير الملحومة تحكمًا أكثر دقة في التركيب للخدمات ذات الضغط العالي أو درجات الحرارة المنخفضة، بينما قد يقوم منتجو ERW بتحسين الكيمياء من أجل القابلية للتشكيل واللحام على نطاق واسع.

عنصر	غير ملحوم (تحكم نموذجي)	ERW (تحكم نموذجي)	الدور في الخصائص
C (الكربون)	مراقب لتلبية القوة/الصلابة	مراقب للقوة وقابلية اللحام	المحدد الأساسي للقوة/الصلابة
Mn (المنغنيز)	موجود بمستويات تعزيز وإزالة الأكسدة	موجود؛ غالبًا ما يكون أعلى قليلاً لإزالة الأكسدة في المنتجات الملحومة	تعزيز الحل الصلب؛ يؤثر على الصلابة
Si (السيليكون)	مزيل للأكسدة؛ محدود في الدرجات ذات درجات الحرارة المنخفضة	مزيل للأكسدة؛ مراقب لجودة لحام اللحام	مزيل للأكسدة؛ يؤثر على القوة وتكوين القشور
P (الفوسفور)	محتفظ به منخفضًا للصلابة	محدود للمرونة وقابلية اللحام	خطر الهشاشة إذا كان مرتفعًا
S (الكبريت)	محتفظ به منخفضًا؛ مراقب MnS	مراقب؛ قد يكون أعلى في الدرجات سهلة التشغيل	يؤثر على قابلية التشغيل وقد يقلل من الصلابة
Cr (الكروم)	سبائك من أجل القوة/مقاومة التآكل في الفولاذ السبائكي	يستخدم في درجات ERW السبائكية من أجل القوة	يحسن الصلابة ومقاومة التآكل
Ni (النيكل)	يضاف من أجل الصلابة وخدمة درجات الحرارة المنخفضة	يستخدم بشكل انتقائي من أجل الصلابة/المقاومة	يعزز الصلابة ومقاومة التآكل
Mo (الموليبدينوم)	يستخدم للصلابة وقوة درجات الحرارة المرتفعة	دور مشابه في درجات ERW السبائكية	يحسن مقاومة الزحف والقوة
V, Nb, Ti (الميكروسبائك)	شائع في HSLA/غير الملحوم من أجل تحسين حجم الحبيبات	يستخدم في درجات HSLA ERW ولكن قد يتم تحسينه لمعالجة المطاحن	تحسين الحبيبات، تعزيز الترسيب
B (البورون)	إضافات ضئيلة من أجل الصلابة في الدرجات المعالجة بالحرارة	يستخدم أحيانًا في الدرجات المعالجة بالحرارة	معزز قوي للصلابة بمستويات ppm
N (النيتروجين)	مراقب، خاصة في الدرجات المقاومة للصدأ	مراقب للتشكيل/اللحام	يثبت الأوستينيت في الفولاذ المقاوم للصدأ؛ يؤثر على التآكل

التفسير: يتم اختيار عناصر السبائك لتحقيق توازن بين القوة والصلابة والصلابة وأداء التآكل. تعمل عناصر الميكروسبائك (V، Nb، Ti) على تحسين حجم الحبيبات وتمكن من تحقيق قوى أعلى دون المساس بالمرونة عند استخدام المعالجة الحرارية أو الدرفلة المسيطر عليها.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

يمكن أن تبدأ الأنابيب غير الملحومة وERW من فولاذ أساسي مشابه، لكن بنيتها المجهرية كما تم إنتاجها تختلف بسبب التشكيل والتاريخ الحراري.

• الأنابيب غير الملحومة: يتم إنتاجها عن طريق ثقب وإطالة كتلة صلبة أو عن طريق الثقب الدوار والدرفلة. تخضع العملية المادة لتشوه بلاستيكي كبير ودورات إعادة بلورة عند درجات حرارة عالية، مما ينتج غالبًا بنية مجهرية موحدة نسبيًا عبر سمك الجدار. بالنسبة لدرجات الكربون وHSLA، تكون البنية كما تم درفلتها عادةً فيريتيت-بيرلايت للدرجات ذات القوة المنخفضة؛ بالنسبة للدرجات المعالجة بالحرارة، يمكن الحصول على مارتنسيت/مارتنسيت المعالجة بعد المعالجة الحرارية المناسبة.
• الأنابيب ERW: يتم إنتاجها عن طريق تشكيل شريط/لوحة مسطحة والانضمام إلى الحواف عن طريق اللحام الكهربائي. تخضع لحام اللحام للتسخين المحلي والتبريد السريع، مما ينتج منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ) ومعدن لحام مع هياكل مجهرية تعتمد على طاقة اللحام والكيمياء. يتم ضبط كيمياء الملف ومعلمات اللحام بشكل صحيح لتقليل اختلافات خصائص اللحام مقارنة بالمعدن الأم.

استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع/التكرير: تستفيد كل من الأنابيب غير الملحومة وERW من التطبيع لتوحيد البنية المجهرية. تستجيب الأنابيب غير الملحومة عمومًا بشكل موحد؛ تتطلب لحامات ERW اهتمامًا بمنطقة HAZ لتجنب قمم الصلابة غير المرغوب فيها. - التبريد والمعالجة: تستخدم للدرجات عالية القوة؛ غالبًا ما تظهر الفولاذات غير الملحومة الميكروسبائكية ذات الكيمياء المسيطر عليها استجابة ممتازة. في ERW، يجب أن تكون المعادن اللحامية متوافقة مع دورات التبريد والمعالجة (أي، يجب أن تصل كيمياء معدن اللحام وHAZ إلى الهياكل المجهرية المستهدفة دون زيادة الصلابة). - المعالجة الحرارية الميكانيكية: أكثر شيوعًا وقابلية للتحكم في الإنتاج غير الملحوم، مما يمكّن من إنتاج فولاذ HSLA عالي القوة بحبيبات دقيقة مع صلابة جيدة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص على الدرجة والمعالجة الحرارية والتحكم في التصنيع. يقارن الجدول أدناه الخصائص الميكانيكية النموذجية نوعيًا.

الخاصية	غير ملحوم	ERW	ملاحظات
قوة الشد	عالية، موحدة عبر الجدار	قابلة للمقارنة في المعدن الأم؛ قد يختلف اللحام	تؤثر سلامة اللحام على الأداء المحلي للشد
قوة الخضوع	عالية مع تجانس جيد	قابلة للمقارنة؛ قد يحدث بعض التليين أو التصلب في اللحام	تتحكم الميكروسبائك والمعالجة الحرارية في الخضوع
التمدد (المرونة)	ثابت عبر المقطع	جيد في المعدن الأم؛ قد تقلل منطقة اللحام من المرونة المحلية	جودة اللحام والتحكم في HAZ أمران حاسمان
صلابة التأثير	غالبًا ما تكون متفوقة، خاصة للدرجات ذات درجات الحرارة المنخفضة	جيدة عند تحديدها؛ يمكن أن تكون منطقة HAZ مصدر قلق	الاختيار المعتاد هو الأنابيب غير الملحومة للخدمات الحرجة ذات درجات الحرارة المنخفضة
الصلابة	موحدة عند المعالجة الحرارية	قد تحدث تدرجات صلابة عند اللحام/HAZ	يجب أن تأخذ المعالجة الحرارية في الاعتبار المعادن اللحامية

أيها أقوى/أكثر صلابة/مرونة: لا يوجد شكل أقوى بطبيعته؛ تحدد درجة المادة والمعالجة الحرارية القوة. يمكن أن ينتج التصنيع غير الملحوم خصائص أكثر تجانسًا عبر السمك وغالبًا ما يتم تحديده عندما تكون الصلابة القصوى والتجانس والقدرة على تحمل الضغط العالي مطلوبة. يمكن أن تحقق ERW خصائص معدنية أم مكافئة ولكنها تتطلب تحكمًا صارمًا في العملية عند اللحام.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام اعتبارًا مركزيًا وتتحكم فيها المعادلة الكربونية ووجود عناصر السبائك أو الميكروسبائك. هناك مؤشرين شائعين مفيدين للتقييم النوعي:

• المعادلة الكربونية لمعهد اللحام الدولي: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (للقابلية للتشقق البارد): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - ترتبط القيم المنخفضة لـ $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ بقابلية لحام أسهل وانخفاض خطر تصلب HAZ والتشقق البارد. قد تحتوي الأنابيب غير الملحومة المخصصة للخدمات عالية القوة أو المعالجة بالحرارة على صلابة أعلى وبالتالي تتطلب إجراءات تسخين مسبق/تسخين لاحق أو لحام مسيطر عليه. - غالبًا ما يتم تحسين منتجات ERW لقابلية اللحام أثناء إنتاج الشريط (تم اختيار الكيمياء وظروف الدرفلة لتقليل الصلابة عند اللحام). ومع ذلك، فإن اللحام وHAZ هما منطقتان محليتان حيث يجب أن تأخذ إصلاح اللحام أو اللحام الإضافي في الاعتبار الاختلافات المحتملة في الكيمياء والبنية المجهرية. - بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، تشمل اعتبارات قابلية اللحام التحسس ومحتوى النيتروجين؛ بالنسبة للدرجات المزدوجة أو المزدوجة الفائقة، تتحكم PREN وتوازن الطور في ممارسة اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

الفولاذات غير المقاومة للصدأ: - تتطلب كل من الفولاذات الكربونية/HSLA غير الملحومة وERW طلاءات واقية للتطبيقات المعرضة للتآكل: الغلفنة بالغمس الساخن، الإيبوكسي الملتحم، أنظمة الطلاء، أو البطانة الداخلية. تستند استراتيجية الطلاء إلى البيئة وعمر الخدمة بدلاً من طريقة تصنيع الأنبوب، على الرغم من أن هندسة اللحام يمكن أن تؤثر على تجانس الطلاء والالتصاق.

الفولاذ المقاوم للصدأ: - بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، تعتبر مقاومة التآكل وظيفة من تركيب السبيكة. رقم مقاومة التآكل (PREN) مفيد للسبائك الأوستنيتية/المزدوجة: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - لا ينطبق PREN على الفولاذات الكربونية العادية. عند تحديد ERW أو غير الملحوم المقاوم للصدأ، يكون التحكم في النيتروجين والموليبدينوم أمرًا حاسمًا لتحقيق PREN المستهدف وأداء الخدمة.

توضيح: حيثما يوجد لحام، فإن إنهاء السطح والتنظيف بعد اللحام (التمرير للفولاذ المقاوم للصدأ) أمر مهم لاستعادة مقاومة التآكل عند الوصلة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

• القطع: يتم قطع كلا الشكلين باستخدام عمليات المنشار القياسية أو اللهب أو البلازما. قد تتطلب لحامات ERW تقليمًا إضافيًا إذا كانت هناك حبة لحام أو وميض داخلي.
• الانحناء/التشكيل: تتحمل الأنابيب غير الملحومة عمومًا التشكيل والانحناء مع تشوه محلي أقل بسبب خصائص الجدار الموحدة. قد تظهر أنابيب ERW اختلافات في فتح اللحام أو الصلابة المحلية؛ يجب أن تأخذ تخطيط العملية في الاعتبار اتجاه اللحام بالنسبة للانحناء.
• قابلية التشغيل: تحسن مستويات الكبريت المسيطر عليها من قابلية التشغيل؛ هذه مستقلة عن إنتاج الأنابيب. قد تكون الأنابيب غير الملحومة عالية القوة والميكروسبائكية أقل قابلية للتشغيل بسبب القوة الأعلى وزيادة العمل.
• الإنهاء: قد يكون من الضروري طحن أو تزيين لحامات ERW للتطبيقات التي تتطلب أسطح داخلية ناعمة (مثل خطوط الهيدروليك) أو عندما تكشف الاختبارات غير التدميرية عن شذوذات في اللحام.

8. التطبيقات النموذجية

غير ملحوم	ERW
المراجل عالية الضغط، أنابيب محطات الطاقة، خدمات النفط والغاز عالية الضغط، خدمات درجات الحرارة المنخفضة حيث تكون الصلابة الموحدة حاسمة	خطوط توزيع المياه والغاز، أنابيب هيكلية، أنابيب هياكل السيارات، تطبيقات ميكانيكية عامة
أنابيب المبادلات الحرارية وأنابيب العمليات عالية السلامة	أنابيب خط ذات قطر كبير حيث تكون التكلفة وسرعة الإنتاج من الأولويات
مكونات الثقوب العميقة وتطبيقات الهيدروليك التي تتطلب خصائص اتجاهية	تطبيقات حيث تكون الأطوال الطويلة والتكلفة المنخفضة لكل وحدة مهمة

مبررات الاختيار: اختر غير الملحوم للتطبيقات التي تتطلب تجانسًا عبر السمك، وتصنيف ضغط عالي، وصلابة حرجة (خدمة ذات درجات حرارة منخفضة أو خدمة حامضية). اختر ERW للتطبيقات الحساسة للتكلفة، ذات الحجم الكبير، وذات القطر الكبير حيث يمكن التحكم في سلامة اللحام والخصائص المطلوبة ضمن قدرة مواصفات المنتجات الملحومة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون منتجات ERW أقل تكلفة لكل طن ومتاحة بأطوال طويلة ومتواصلة لأن إنتاجها يعتمد على الملفات وعالي الإنتاجية. عادةً ما تحمل المنتجات غير الملحومة سعرًا أعلى بسبب معالجة الكتل الأكثر تعقيدًا وانخفاض الإنتاجية.
• التوافر: تتمتع ERW بتوافر واسع للأحجام والدرجات القياسية؛ قد يكون توافر الأنابيب غير الملحومة مقيدًا للدرجات الخاصة، والأقطار الكبيرة، أو الأحجام ذات التسامح الضيق وقد تتطلب أوقات تسليم أطول.

اعتبارات شكل المنتج: بالنسبة للأنابيب عالية الضغط أو المعتمدة، يتم تخزين الأنابيب غير الملحومة عادةً في الدرجات المحددة؛ بالنسبة لأنابيب الهيكلية ذات الحجم الكبير، تهيمن ERW على الأسواق بسبب الاقتصاديات.

10. الملخص والتوصية

الجانب	غير ملحوم	ERW
قابلية اللحام	جيدة في المعدن الأم؛ لا يوجد لحام ولكن اللحام سيكون خارجيًا/متقطعًا	مصمم للحام اللحام؛ يتطلب اللحام الإضافي اهتمامًا بـ HAZ/معادن اللحام
القوة–الصلابة	تجانس عالي؛ صلابة ممتازة عند درجات الحرارة المنخفضة مع الدرجة المناسبة	قابلة للمقارنة في المعدن الأم؛ يمكن أن تكون منطقة اللحام/HAZ عاملًا محددًا
التكلفة	أعلى	أقل

الاستنتاجات: - اختر غير الملحوم إذا كنت بحاجة إلى خصائص موحدة عبر الجدار، أو احتواء ضغط حرج، أو صلابة فائقة عند درجات الحرارة المنخفضة، أو إذا كان التطبيق يتضمن رموزًا صارمة حيث تكون سلامة اللحام عاملًا مؤهلًا. - اختر ERW إذا كانت التكلفة، والأطوال المستمرة الطويلة، والتوافر في الأحجام القياسية هي المحركات الرئيسية، وإذا كانت تصميم وفحص النظام يأخذان في الاعتبار اللحام الملحوم (أي، تضمن الدرجة والتحكم في العملية أن اللحام يلبي المعايير الميكانيكية ومعايير NDT المطلوبة).

ملاحظة نهائية: أفضل ممارسة هي تحديد متطلبات الأداء (الشد، التأثير عند درجة الحرارة، حدود الصلابة، معايير قبول الاختبارات غير التدميرية، ومتطلبات المعالجة الحرارية) بدلاً من مجرد ذكر "غير ملحوم" أو "ERW". هذا يسمح للموردين باقتراح أكثر طرق التصنيع الاقتصادية التي تلبي احتياجات الهندسة.