روش های خمکاری لوله های فولادی

لوله های فولادی در پروژه های مختلف ساختمانی، انتقال آب، گاز رسانی، حمل و نقل، هوافضا و … کاربرد دارند. تغییر مسیر لوله ها از حالت مستقیم به دو روش انجام می شود. اتصالات فولادی یا همان زانوها یکی از این روش ها است که لوله ها را با زوایای مختلف به هم وصل می کند. اما در شرایطی که زاویه تغییر مسیر با زوایای استاندارد در اتصالات زانویی مطابقت نداشته باشد، روش خمکاری مورد استفاده قرار می گیرد. خمکاری به نوعی عملیات مکانیکی گفته می شود که لوله فولادی را با زوایای مختلف خم می کند. این مقاله به بررسی انواع روش های خمکاری لوله های فولادی اختصاص داده شده است.

روش های خمکاری لوله های فولادی

خمکاری لوله ها با روش ها و تکنیک های مختلفی انجام می شود. برای استفاده از هر یک از این روش ها باید پارامترهای متعددی مد نظر قرار گیرد. به عنوان مثال می توان به ویژگی ماده تشکیل دهنده لوله اشاره کرد. در شرایطی که میزان کربن موجود در فولاد کمتر از 1.2 درصد باشد، روش سرد برای خمکاری به کار گرفته می شود.

اما با افزایش میزان کربن، قابلیت شکنندگی فولاد افزایش یافته و روش گرم مورد استفاده قرار می گیرد. اندازه لوله، شعاع خمکاری، میزان هزینه ها و وسایل و تجهیزات در دسترس از دیگر پارامترهای دخیل در انتخاب روش های خمکاری هستند. لازم به ذکر است که محصولات نهایی در هر یک از این روش ها از لحاظ زاویه خم، نوع خم و کیفیت لوله با یکدیگر تفاوت دارند. سه روش رایج خمکاری عبارتند از:

• روش گرم

در شرایط بالا بودن مقاومت مکانیکی، استحکام، قطر و ضخامت لوله فولادی، خمکاری با روش گرم انجام می شود. همچنین در مواردی که شعاع خمکاری به قطر لوله (R/D) کمتر از 1.5 باشد، استفاده از این روش ضرورت پیدا می کند. دلیل این موضوع نیاز به نیروی بسیار بالا برای تغییرشکل لوله است که با افزایش دما تولید می شود. برای گرم کردن لوله ها می توان از سوخت های فسیلی (بنزین، گاز طبیعی و …)، نیروی الکتریسیته و القای مغناطیسی استفاده کرد. در فرآیند خمکاری با روش گرم، حرارت موضعی به محل وارد شده و ساختار کریستالوگرافی و خواص مکانیکی آن بخش دچار تغییر می شود. اعمال تغییرات در جهت و زوایای مورد نظر  با دستگاه مندرل  انجام می شود.

• روش سرد

در روش سرد لوله های فولادی با اعمال نیروهای مکانیکی از قبیل کشش، فشار، پرس یا چرخش دچار خمیدگی می شود. از این رو انواع مختلفی از روش های القایی در دسترس قرار دارد. خمکاری کششی، کششی چرخشی، فشاری، پرسی و سه غلتکی از جمله این موارد هستند.

در خمکاری پرسی، لوله روی دو تکیه گاه یا غلتک قرار می گیرد. سپس جک هیدرولیکی تعبیه شده به وسط دو تکیه گاه نیرو وارده کرده و لوله را دچار خمیدگی می کند. در این روش نیازی به استفاده از مندریل نیست. شعاع خم در روش پرسی 2 برابر قطر خارجی لوله است.

روش فشاری با کمک سه قالب گیره، فشار و خم لوله های موردنظر را خمکاری می کند. روش کار به این شکل است که قالب فشار حول یک محور که در مرکز آن قالب خم قرار گرفته شروع به چرخش می کند. شعاع خم در این روش با توجه به استفاده یا عدم استفاده از مندریل، بین 5/2-1-5/1 برابر قطر خارجی لوله متغیر است. در صورت نبود مندریل شعاع کاهش می یابد.

در روش غلتکی، سه غلتک به شکلی در کنار هم قرار می گیرند که لوله پس از عبور از آنها در شعاع مورد نیاز خمکاری شود. ضخامت لوله برای انتخاب نوع غلتک بسیار تعیین کننده است. از مزایای این روش می توان به خمکاری لوله  های توخالی و یا لوله  های با قطر زیاد اشاره کرد.

در خمکاری کششی، لوله روی یک قالب ثابت قرار گرفته و دو سوی آن به گیره های متحرک وصل می شود. با حرکت گیره ها خم مورد نظر روی لوله اعمال می شود. این روش برای خمکاری انواع لوله و پروفیل مورد استفاده قرار می گیرد.

خمکاری کششی-چرخشی در صنایع مختلف کاربرد بسیار زیادی دارد. در واقع خم های حساس و بحرانی به کمک این روش انجام می شود. خمیدگی لوله فولادی در روش کششی چرخشی به این شکل است که ابتدا لوله توسط گیره به قالب خم متصل می شود. سپس قالب خم چرخش خود را شروع کرده و لوله از بین قالب فشار، کشیده می شود. نیروی اعمال شده می تواند هیدرولیکی، الکتریکی، مکانیکی یا پنوماتیکی (گاز فشرده) باشد. استفاده از مندرل در این روش چروکیدگی و جمع شدگی لوله را به حداقل می رساند. برای خمکاری لوله های فولادی در شعاع های مختلف می توان از این روش استفاده کرد.

• روش القایی

خمکاری القایی یک روش پیشرفته و پرکاربرد است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. اساس کار در این روش ایجاد یک میدان و جریان الکتریکی برای خمکاری لوله فولادی است. به همین منظور لوله از داخل یک کویل القایی (سیم پیچ) عبور می کند. خمکاری لوله های اسپیرال (مارپیچی) و درز جوش مستقیم معمولاً به کمک روش القایی انجام می شود.

مزایا و معایب روش گرم

دستیابی به محدوده وسیعی از خمکاری و استفاده برای لوله با ضخامت های مختلف از مزایای روش گرم هستند. همچنین کنترل ضخامت دیواره خارجی لوله در این روش بهتر انجام می شود. البته خمکاری گرم در مقایسه با سایر روش ها به دلیل مصرف انرژی بالا و کند بودن فرآیند نیازمند هزینه های بیشتری است. به همین دلیل تا حد امکان و جز در موارد ضروری مورد استفاده قرار نمی گیرد. از طرفی سطح مقطع لوله ها در خمکاری گرم دچار تغییر شکل (بیضی شدن) یا چروک می شود. موضوعی که استفاده از آن را محدودتر می کند. تمیزکاری و خالی کردن لوله ها از شن بعد از اتمام کار را نیز می توان به معایب این روش اضافه کرد.

مزایا و معایب روش القایی

مزایای روش القایی در مقایسه با روش گرم بیشتر است. همین موضوع موجب شده تا بیشتر در صنایع مختلف مورد استفاده قرار بگیرد. لوله های قطور دارای طول های مختلف را می توان برای دستیابی به شعاع تند با روش القایی خمکاری کرد. از دیگر مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سرعت بالای تولید
• هزینه کمتر تولید
• کیفیت بالای لوله حاصله
• حذف تست های مخرب کنترل کننده کیفیت
• عدم تغییرشکل مقطع لوله (چروکیدگی یا بیضوی شدن)
• امکان ایجاد چندین خم در لوله به شکل متوالی با ضخامت های مختلف

مزایا و معایب روش سرد

خمکاری سرد یک فرآیند بسیار سریع است و لوله های خمکاری را با قیمت کمتری در اختیار مصرف کننده قرار می دهد. اگرچه کنترل تغییرشکل مقاطع فولادی به خوبی روش القایی نیست؛ اما در مقایسه با روش گرم وضعیت بهتری دارد. تمیزکردن تجهیزات یا خالی کردن لوله ها (همانند روش گرمایی) در این روش حذف شده است. خمکاری سرد از لحاظ ضخامت و شعاع لوله با محدودیت روبرو است. به همین دلیل نمی توان از آن برای خمکاری انواع لوله ها استفاده کرد. همچنین این روش همانند خمکاری گرم، مشکلاتی از قبیل تنش پسماند و برگشت فنری را به همراه دارد.

نتیجه گیری

خمکاری لوله های فولادی به روش های مختلف گرم، سرد و القایی انجام می شود. انتخاب هر یک از این روش ها بر مبنای ویژگی فولاد، اندازه لوله، شعاع خمکاری، میزان هزینه ها و وسایل و تجهیزات در دسترس انجام می شود. محصولات نهایی در هر یک از این روش ها از لحاظ کیفیت و شعاع خم با یکدیگر تفاوت دارند.