Pipa Ulir: Proses Penting untuk Sistem Koneksi Pipa Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Penguliran pipa adalah proses pemesinan yang menciptakan ridge heliks (benang) pada permukaan interior atau eksterior pipa dan fitting untuk memungkinkan koneksi mekanis yang aman. Proses ini mengubah permukaan pipa yang halus menjadi komponen berulir yang dapat disambungkan tanpa pengelasan atau metode pengikatan permanen lainnya. Penguliran pipa adalah dasar dari sistem transportasi fluida, memungkinkan penciptaan koneksi yang kedap tekanan dan dapat dilepas dalam jaringan perpipaan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, penguliran pipa mewakili persimpangan antara pemrosesan mekanis, rekayasa permukaan, dan desain fungsional. Ini menunjukkan bagaimana modifikasi mekanis pada permukaan logam menciptakan fitur fungsional yang mempertahankan integritas struktural sambil memungkinkan perakitan dan pembongkaran sistem. Proses ini menghubungkan teknologi manufaktur dengan ilmu material, karena kinerja benang tergantung pada sifat mekanis baja, karakteristik permukaan, dan stabilitas dimensi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penguliran pipa melibatkan deformasi plastis yang terkontrol pada permukaan baja. Proses penguliran memindahkan material melalui operasi pemotongan atau pembentukan, menciptakan pola stres dalam mikrostruktur dekat akar dan sisi benang. Deformasi lokal ini mengubah struktur butir di zona yang terpengaruh, berpotensi memperkenalkan efek pengerasan kerja yang dapat memperkuat daerah berulir.

Operasi pemotongan benang memutus butir logam dan menciptakan permukaan baru, sementara operasi pembentukan benang (rolling) mengompresi dan mengarahkan aliran butir tanpa penghilangan material. Integritas profil benang yang dihasilkan tergantung pada kemampuan baja untuk mempertahankan stabilitas dimensi di bawah stres geser yang dikenakan selama penguliran dan torsi perakitan berikutnya.

Model Teoretis

Model teoretis dasar untuk penguliran pipa didasarkan pada geometri heliks yang dikombinasikan dengan mekanika kontak mekanis. Standar Benang Terpadu dan standar benang metrik ISO menyediakan dasar matematis untuk profil benang. Model-model ini berkembang dari pekerjaan standarisasi Joseph Whitworth pada tahun 1840-an dan penyempurnaan selanjutnya oleh William Sellers pada tahun 1860-an.

Modeling benang tradisional memperlakukan benang sebagai bentuk geometris ideal, tetapi pendekatan modern menggabungkan teori deformasi elastoplastik untuk memprediksi perilaku benang di bawah beban. Model Analisis Elemen Hingga (FEA) sekarang memperhitungkan konsentrasi stres di akar benang dan distribusi beban di seluruh benang yang terlibat. Model-model canggih ini lebih baik dalam memprediksi kinerja benang di bawah berbagai kondisi pemuatan dibandingkan dengan pendekatan sederhana sebelumnya yang memperlakukan benang sebagai bidang miring sederhana.

Dasar Ilmu Material

Kinerja benang terkait langsung dengan struktur kristal baja dan batas butir. Struktur kristal kubik berpusat tubuh (BCC) dalam baja feritik memberikan karakteristik penguliran yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) dalam baja austenitik. Batas butir mempengaruhi bagaimana material merespons gaya geser selama operasi penguliran.

Mikrostruktur baja menentukan kemudahan pemesinan, kualitas benang, dan kapasitas beban. Struktur butir yang lebih halus umumnya menghasilkan permukaan benang yang lebih halus dengan ketahanan kelelahan yang lebih baik. Struktur yang lebih kasar mungkin lebih mudah diproses tetapi dapat menghasilkan profil benang yang lebih kasar dengan potensi titik konsentrasi stres.

Penguliran pipa terhubung dengan prinsip dasar ilmu material melalui pengerasan regangan, sensitivitas notches, dan konsep integritas permukaan. Akar benang mewakili faktor konsentrasi stres yang harus dikelola melalui desain benang yang tepat dan pemilihan material untuk mencegah kegagalan prematur di bawah kondisi pemuatan siklik.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan diameter pitch dasar untuk benang pipa adalah:

$$E = D - 0.6495 \times p$$

Di mana:
- $E$ = Diameter pitch (diameter efektif)
- $D$ = Diameter utama (diameter luar)
- $p$ = Pitch benang (jarak antara benang yang berdekatan)

Formula Perhitungan Terkait

Kedalaman benang untuk profil benang standar 60° dihitung sebagai:

$$h = 0.866 \times p$$

Di mana:
- $h$ = Kedalaman benang
- $p$ = Pitch benang

Panjang keterlibatan yang diperlukan untuk kekuatan benang yang tepat dapat dihitung sebagai:

$$L = \frac{F \times S_f}{π \times E \times S_y \times 0.75}$$

Di mana:
- $L$ = Panjang keterlibatan minimum
- $F$ = Gaya aksial yang diterapkan
- $S_f$ = Faktor keamanan
- $E$ = Diameter pitch
- $S_y$ = Kekuatan luluh material
- 0.75 = Faktor efisiensi kekuatan benang

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku untuk benang pipa standar dengan sudut benang 60° dan akar serta puncak yang membulat. Mereka mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh bagian berulir dan tidak memperhitungkan kondisi pemuatan dinamis.

Perhitungan menjadi kurang akurat untuk benang pipa yang menyempit di mana diameter berubah sepanjang panjang benang. Efek suhu pada dimensi benang tidak dimasukkan dalam formula dasar ini, memerlukan perhitungan ekspansi termal tambahan untuk aplikasi suhu tinggi.

Model-model ini mengasumsikan perilaku material elastis dan mungkin tidak memprediksi kinerja dengan akurat ketika deformasi plastis terjadi di akar benang di bawah beban tinggi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASME B1.20.1 mencakup benang NPT (National Pipe Thread Taper), mendefinisikan dimensi, toleransi, dan metode pengukuran untuk benang pipa menyempit di Amerika Utara.

ISO 228 menentukan benang pipa paralel (lurus) yang menyegel melalui gasket atau cara lain daripada interferensi benang.

ASME B1.20.3 menetapkan standar untuk benang pipa Dryseal, yang menggabungkan fitur khusus untuk penyegelan yang lebih baik tanpa sealant.

API 5B menyediakan spesifikasi untuk penguliran, pengukuran, dan inspeksi benang casing, tubing, dan pipa saluran untuk industri minyak dan gas alam.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Gauge benang (plug dan ring gauges) memverifikasi dimensi benang melalui kontak mekanis langsung. Instrumen presisi ini mengonfirmasi diameter pitch, lead, dan profil yang tepat.

Komparator optik memproyeksikan profil benang yang diperbesar ke layar untuk perbandingan dengan template standar. Metode non-kontak ini memungkinkan inspeksi rinci terhadap bentuk benang dan kualitas permukaan.

Mesin Pengukur Koordinat (CMM) memberikan pengukuran tiga dimensi yang tepat dari parameter benang. Sistem yang dikendalikan komputer ini dapat memetakan profil benang lengkap dengan akurasi tingkat mikron.

Micrometer benang mengukur diameter pitch dengan anvils khusus yang bersentuhan dengan sisi benang. Instrumen ini memberikan verifikasi cepat terhadap dimensi benang yang kritis.

Persyaratan Sampel

Sampel pipa standar harus bersih dan bebas dari burr, dengan ujung dipotong persegi terhadap sumbu pipa. Persiapan permukaan biasanya memerlukan penghilangan burr dan kadang-kadang pembersihan ringan untuk memastikan pengukuran yang akurat.

Sampel benang harus pada suhu referensi standar (biasanya 20°C/68°F) untuk menghindari efek ekspansi termal pada pengukuran. Penyeimbangan suhu mungkin memerlukan periode pengkondisian sebelum pengukuran.

Untuk pemeriksaan metalurgi bagian berulir, sampel harus dipotong dengan hati-hati untuk menghindari kerusakan pada profil benang. Prosedur pemasangan, penghalusan, dan