تشخیص درزدار یا بدون درز بودن لوله

لوله‌های بدون‌درز 

لوله‌های بدون‌درز (Seamless Pipes) نوعی از لوله‌های فلزی هستند که در ساختار آن‌ها هیچ‌گونه درز یا خط جوش طولی وجود ندارد. این لوله‌ها از یک شمش (Ingot) یا بیلت (Billet) فولادی توپر تولید می‌شوند. در فرآیند تولید، ابتدا بیلت تا دمای مناسب گرم شده و سپس به کمک فرآیندهایی مانند سوراخ‌کاری (Piercing)، نورد گرم (Hot Rolling)، کشش (Drawing) یا اکستروژن (Extrusion) به لوله تبدیل می‌شود. از آنجا که این فرآیند بدون استفاده از ورق و عملیات جوشکاری انجام می‌شود، ساختار فلزی لوله در تمام محیط مقطع یکنواخت و پیوسته باقی می‌ماند.

نبود درز جوش مهم‌ترین ویژگی لوله‌های بدون‌درز است. در لوله‌های درزدار، ناحیه جوش به دلیل تجربه چرخه‌های حرارتی و متالورژیکی، می‌تواند از نظر ریزساختار، تنش‌های پسماند و خواص مکانیکی با فلز پایه تفاوت داشته باشد؛ اما در لوله‌های بدون‌درز چنین ناحیه‌ای وجود ندارد و در نتیجه خواص مکانیکی، متالورژیکی و مقاومت به خوردگی در سراسر محیط لوله یکنواخت‌تر است. این یکنواختی باعث افزایش قابلیت اطمینان لوله در شرایط کاری سخت و بحرانی می‌شود.

به دلیل ساختار یکپارچه، لوله‌های بدون‌درز معمولاً استحکام مکانیکی بالاتر، مقاومت بیشتر در برابر فشارهای داخلی و خارجی، تحمل بهتر بارهای سیکلی، مقاومت مناسب در برابر خستگی (Fatigue) و عملکرد مطمئن‌تر در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین دارند. همچنین نبود درز جوش احتمال بروز برخی ناپیوستگی‌های مرتبط با فرآیند جوشکاری، مانند عدم ذوب، تخلخل، ترک‌های جوشی یا ناخالصی‌های محبوس در ناحیه جوش را از بین می‌برد.

به همین دلیل، لوله‌های بدون‌درز در کاربردهایی که ایمنی، قابلیت اطمینان و تحمل شرایط سرویس اهمیت ویژه‌ای دارند، انتخاب اول مهندسان هستند. این لوله‌ها به‌طور گسترده در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، مبدل‌های حرارتی، دیگ‌های بخار، خطوط انتقال سیالات با فشار بالا، صنایع دریایی، تجهیزات هیدرولیک، تجهیزات حفاری و سامانه‌های تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بررسی درزداربودن اتصالات

البته باید توجه داشت که بدون‌درز بودن یک لوله به‌تنهایی تضمین‌کننده کیفیت آن نیست. کیفیت نهایی لوله به عواملی مانند ترکیب شیمیایی، کیفیت فولاد اولیه، فرآیند تولید، عملیات حرارتی، کنترل ریزساختار، تلرانس‌های ابعادی و آزمون‌های کنترل کیفیت نیز بستگی دارد. به همین دلیل، در استانداردهای بین‌المللی نظیر API 5L، API 5CT، ASTM A106، ASTM A53، ASTM A333 و ASTM A312 علاوه بر نوع تولید، الزامات دقیقی برای خواص مکانیکی، آزمون‌های غیرمخرب، ترکیب شیمیایی و بازرسی نهایی لوله‌های بدون‌درز تعیین شده است.

در بسیاری از موارد، پس از انجام فرآیندهایی مانند ماشین‌کاری، پوشش‌دهی، رنگ‌آمیزی یا بهره‌برداری طولانی‌مدت، تشخیص بدون‌درز بودن لوله از طریق مشاهده ظاهری امکان‌پذیر نیست. در چنین شرایطی، استفاده از روش‌های تخصصی متالورژیکی مانند بررسی ریزساختار، متالوگرافی، رپلیکا متالوگرافی و سایر آزمون‌های تکمیلی می‌تواند با اطمینان بالا نوع تولید لوله را مشخص کرده و وجود یا عدم وجود ناحیه جوش را تأیید کند.

لوله‌های درزدار 

لوله‌های درزدار (Welded Pipes) از متداول‌ترین انواع لوله‌های فولادی هستند که از شکل‌دهی ورق یا کلاف فولادی (Steel Plate/Coil) و اتصال لبه‌های آن به وسیله فرآیندهای جوشکاری تولید می‌شوند. در این روش، ابتدا ورق فولادی با استفاده از غلتک‌های فرم‌دهی به شکل استوانه درمی‌آید و سپس لبه‌های آن توسط فرآیندهای مختلف جوشکاری به یکدیگر متصل می‌شوند. پس از انجام جوشکاری، در بسیاری از خطوط تولید، ناحیه جوش تحت عملیات حرارتی، اصلاح ابعادی، حذف برجستگی جوش و آزمون‌های کنترل کیفیت قرار می‌گیرد تا خواص مکانیکی و کیفیت اتصال بهبود یابد.

بر اساس نحوه شکل‌دهی ورق، لوله‌های درزدار به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

• لوله‌های درز مستقیم (Longitudinal Welded Pipe) که در آن خط جوش در امتداد محور طولی لوله قرار دارد.

• لوله‌های درز مارپیچی (Spiral Welded Pipe) که در آن ورق به‌صورت مارپیچ شکل داده شده و خط جوش نیز به شکل مارپیچ در طول لوله امتداد می‌یابد.

در فرآیند تولید این لوله‌ها، بسته به ضخامت، قطر و کاربرد لوله، از روش‌های مختلف جوشکاری نظیر مقاومت الکتریکی (ERW)، فرکانس بالا (HFW)، قوس زیرپودری (SAW)، قوس زیرپودری طولی (LSAW) و قوس زیرپودری مارپیچی (SSAW) استفاده می‌شود. انتخاب روش جوشکاری تأثیر مستقیمی بر کیفیت اتصال، خواص مکانیکی و محدوده کاربرد لوله خواهد داشت.

برخلاف لوله‌های بدون‌درز، در لوله‌های درزدار یک ناحیه جوش (Weld Zone) و منطقه متأثر از حرارت (Heat Affected Zone یا HAZ) وجود دارد. این نواحی در اثر سیکل حرارتی فرآیند جوشکاری ایجاد شده و ممکن است از نظر ریزساختار، اندازه دانه، سختی، تنش‌های پسماند و برخی خواص مکانیکی با فلز پایه تفاوت داشته باشند. البته در خطوط تولید مدرن، با استفاده از تجهیزات پیشرفته، کنترل دقیق پارامترهای جوشکاری، عملیات حرارتی مناسب و انجام آزمون‌های غیرمخرب، این اختلاف‌ها تا حد زیادی کنترل شده و کیفیت اتصال مطابق الزامات استانداردهای بین‌المللی تضمین می‌شود.

امروزه لوله‌های درزدار با کیفیت بالا در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند و در صورت تولید مطابق استانداردهای معتبر، عملکرد بسیار مطلوبی دارند. این لوله‌ها به دلیل هزینه تولید کمتر، امکان تولید در قطرهای بزرگ، تنوع ابعادی، دسترسی آسان و ظرفیت تولید بالا، انتخابی اقتصادی برای بسیاری از پروژه‌های صنعتی محسوب می‌شوند.

لوله‌های درزدار به‌طور گسترده در خطوط انتقال آب، گاز و نفت، سازه‌های فلزی، صنایع ساختمانی، سیستم‌های اطفای حریق، خطوط انتقال سیالات، صنایع پتروشیمی، نیروگاه‌ها، صنایع دریایی و پروژه‌های عمرانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته نوع لوله و روش تولید آن باید متناسب با فشار کاری، دمای سرویس، نوع سیال و الزامات استانداردی انتخاب شود.

در بسیاری از موارد، به‌دلیل انجام ماشین‌کاری، عملیات حرارتی، پوشش‌دهی، گالوانیزه، رنگ‌آمیزی یا بهره‌برداری طولانی‌مدت، آثار ظاهری خط جوش از بین رفته و تشخیص درزدار بودن لوله از طریق بازرسی چشمی امکان‌پذیر نیست. در چنین شرایطی، بررسی‌های متالورژیکی شامل متالوگرافی، رپلیکا متالوگرافی، بررسی ریزساختار و در صورت نیاز سایر آزمون‌های تکمیلی، می‌تواند وجود ناحیه جوش، منطقه متأثر از حرارت و در نتیجه روش تولید لوله را با دقت و اطمینان بالا مشخص کند.

لازم به تأکید است که درزدار بودن یک لوله به‌هیچ‌وجه به معنای کیفیت پایین آن نیست. بسیاری از لوله‌های درزدار که مطابق استانداردهایی نظیر API 5L، ASTM A53، ASTM A252 و EN 10217 تولید می‌شوند، پس از انجام آزمون‌های مکانیکی، هیدرواستاتیک، رادیوگرافی، اولتراسونیک و سایر آزمون‌های کنترل کیفیت، عملکردی کاملاً قابل اعتماد در کاربردهای صنعتی دارند. ازاین‌رو، انتخاب بین لوله درزدار و بدون‌درز باید بر اساس الزامات طراحی، شرایط سرویس، استانداردهای فنی و ملاحظات اقتصادی انجام شود، نه صرفاً بر مبنای روش تولید.

شماتیک روش تولید اتصالات  درزدار

استانداردهایی که محصول مطابق آن‌ها باید بدون‌درز باشد

در برخی کاربردهای صنعتی، مشخصات فنی محصول به‌گونه‌ای تعریف شده است که لوله یا تیوب باید الزاماً به روش بدون‌درز (Seamless) تولید شود. این الزام معمولاً در سرویس‌هایی مطرح می‌شود که فشار، دما، تنش‌های حرارتی، خزش یا قابلیت اطمینان اهمیت زیادی دارند.

البته بدون‌درز بودن به‌تنهایی تضمین‌کننده کیفیت نیست؛ محصول باید تمام الزامات استاندارد مربوط به ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی، عملیات حرارتی، ابعاد، آزمون هیدرواستاتیک و آزمون‌های غیرمخرب را نیز برآورده کند.

۱. ASTM A106/A106M

لوله فولاد کربنی بدون‌درز برای سرویس دمای بالا

استاندارد ASTM A106/A106M لوله‌های فولاد کربنی بدون‌درز مورد استفاده در سرویس‌های دمای بالا را پوشش می‌دهد. لوله‌های تولیدشده مطابق این استاندارد باید برای عملیات‌هایی مانند خم‌کاری، فلنج‌کاری و جوشکاری مناسب باشند. این استاندارد معمولاً با گریدهای A، B و C شناخته می‌شود که گرید B از متداول‌ترین آن‌هاست.

کاربردهای متداول

این لوله‌ها معمولاً در موارد زیر استفاده می‌شوند:

• خطوط بخار و کندانس

• خطوط فرایندی پالایشگاه‌ها

• واحدهای نفت، گاز و پتروشیمی

• خطوط انتقال سیالات داغ

• سیستم‌های فشار و دمای بالا

• خطوط متصل به بویلرها و تجهیزات حرارتی

دلیل الزام به بدون‌درز بودن

در سرویس‌های دمای بالا، لوله تحت ترکیبی از فشار داخلی، تنش حرارتی، انبساط و انقباض و گاهی بارگذاری سیکلی قرار می‌گیرد. استاندارد A106 اساساً برای محصول بدون‌درز تعریف شده است تا بدنه لوله فاقد ناحیه جوش طولی، منطقه متأثر از حرارت و تغییرات موضعی مربوط به ساخت لوله درزدار باشد.

بنابراین، لوله ERW یا سایر انواع لوله درزدار را نمی‌توان به‌عنوان ASTM A106 تحویل داد؛ حتی اگر ترکیب شیمیایی آن مشابه باشد.

۲. ASTM A335/A335M

لوله فولادی آلیاژی فریتی بدون‌درز برای سرویس دمای بالا

استاندارد ASTM A335/A335M لوله‌های بدون‌درز از فولادهای آلیاژی فریتی را برای سرویس‌های دمای بالا پوشش می‌دهد. گریدهایی مانند P5، P9، P11، P22 و P91 در این استاندارد قرار می‌گیرند. این لوله‌ها باید برای خم‌کاری، فلنج‌کاری و جوشکاری ذوبی مناسب باشند.

کاربردهای متداول

• نیروگاه‌های حرارتی

• خطوط اصلی بخار

• خطوط بخار فوق‌گرم

• بویلرها و تجهیزات تحت فشار

• واحدهای هیدروکراکر و ریفورمر پالایشگاهی

• خطوط دما و فشار بالای پتروشیمی

• سیستم‌هایی که مقاومت خزشی اهمیت دارد

دلیل الزام به بدون‌درز بودن

فولادهای کروم–مولیبدن و سایر فولادهای آلیاژی این گروه در دماهای بالا به دلیل مقاومت خزشی و پایداری حرارتی استفاده می‌شوند. در چنین شرایطی، کنترل ریزساختار و عملیات حرارتی اهمیت زیادی دارد.

وجود یک درز جوش طولی می‌تواند باعث ایجاد نواحی متفاوت از نظر ریزساختار، سختی، تنش پسماند و رفتار خزشی شود. به همین دلیل، دامنه ASTM A335 به لوله‌های بدون‌درز محدود شده است.

در اینجا نیز اگر محصول درزدار باشد، حتی با استفاده از فولاد P11 یا P22، نمی‌توان آن را مطابق A335 معرفی کرد؛ مگر اینکه استاندارد یا مشخصات فنی دیگری برای محصول درزدار تعیین شده باشد.

۳. ASTM A192/A192M

تیوب فولاد کربنی بدون‌درز برای بویلر و سوپرهیتر فشار بالا

استاندارد ASTM A192/A192M تیوب‌های فولاد کربنی بدون‌درز با حداقل ضخامت دیواره را برای بویلرها و سوپرهیترهای فشار بالا پوشش می‌دهد. در این استاندارد، انجام آزمون‌هایی مانند تخت‌کردن، گشادکردن، سختی و آزمون هیدرواستاتیک پیش‌بینی شده است.

کاربردهای متداول

• تیوب‌های بویلر

• سوپرهیترها

• سطوح حرارتی دیگ بخار

• اکونومایزرها

• تجهیزات تولید بخار فشار بالا

• برخی تجهیزات انتقال حرارت نیروگاهی و پالایشگاهی

دلیل الزام به بدون‌درز بودن

تیوب‌های بویلر از بیرون در معرض شعله یا گازهای داغ و از داخل در معرض آب یا بخار تحت فشار قرار دارند. بنابراین، دیواره تیوب هم‌زمان تحت تنش حرارتی، فشار داخلی، اکسیداسیون و تغییرات دمایی قرار می‌گیرد.

در این شرایط، هرگونه ناپیوستگی یا عدم یکنواختی موضعی می‌تواند به نقطه تمرکز تنش، داغ‌شدگی موضعی، تورم یا ترک تبدیل شود. به همین دلیل، A192 محصول را به‌صورت بدون‌درز تعریف می‌کند.

۴. ASTM A213/A213M

تیوب‌های بدون‌درز فریتی، آستنیتی و آلیاژی برای بویلر، سوپرهیتر و مبدل حرارتی

استاندارد ASTM A213/A213M تیوب‌های بدون‌درز از فولادهای فریتی، آستنیتی و زنگ‌نزن را برای بویلرها، سوپرهیترها و مبدل‌های حرارتی پوشش می‌دهد. این استاندارد شامل گریدهایی مانند T5، T11، T22، T91، TP304، TP304H، TP316 و TP316H است. استاندارد تصریح می‌کند که تیوب‌ها باید با فرایند بدون‌درز و به‌صورت نهایی گرم‌کار یا سردکار تولید شوند.

کاربردهای متداول

• تیوب‌های سوپرهیتر و ری‌هیتر

• تیوب‌های بویلر فشار و دمای بالا

• مبدل‌های حرارتی

• تجهیزات فرایندی پتروشیمی

• واحدهای بازیافت حرارت

• تجهیزات دارای سرویس خزشی

• محیط‌های داغ یا خورنده، بسته به گرید انتخابی

دلیل الزام به بدون‌درز بودن

بسیاری از گریدهای این استاندارد برای دماهای بالا و مقاومت خزشی طراحی شده‌اند. برای مثال، گریدهای دارای پسوند H الزامات ترکیبی و متالورژیکی خاصی دارند تا استحکام گسیختگی خزشی آن‌ها در دمای بالا بهبود یابد.

در چنین محصولاتی، یکنواختی ریزساختار و عملیات حرارتی در تمام محیط تیوب اهمیت زیادی دارد. حذف درز جوش باعث می‌شود یک ناحیه طولی با چرخه حرارتی و رفتار خزشی متفاوت در بدنه تیوب وجود نداشته باشد.

البته برای تیوب‌های جوشی بویلر و مبدل حرارتی نیز استانداردهای مستقلی مانند ASTM A249 وجود دارد؛ بنابراین الزام بدون‌درز بودن A213 به این معنا نیست که هر تیوب جوشی نامناسب است، بلکه محصول جوشی باید بر اساس استاندارد مخصوص خود ارزیابی شود.

۵. ASTM A179/A179M

تیوب فولاد کم‌کربن بدون‌درز و کشش‌سرد برای مبدل حرارتی و کندانسور

استاندارد ASTM A179/A179M برای تیوب‌های فولاد کم‌کربن بدون‌درز و کشش‌سرد مورد استفاده در مبدل‌های حرارتی، کندانسورها و تجهیزات انتقال حرارت تدوین شده است. عنوان این استاندارد در فهرست مشخصات عمومی ASTM، محصول را صراحتاً به‌صورت تیوب بدون‌درز کشش‌سرد معرفی می‌کند.

کاربردهای متداول

• تیوب مبدل‌های حرارتی

• کندانسورهای نیروگاهی

• خنک‌کننده‌های روغن

• هیترها و کولرهای فرایندی

• تجهیزات انتقال حرارت پالایشگاهی و پتروشیمی

• سیستم‌هایی که دقت ابعادی و کیفیت سطح داخلی اهمیت دارد

دلیل الزام به بدون‌درز و کشش‌سرد بودن

در مبدل‌های حرارتی، تعداد زیادی تیوب درون تیوب‌شیت نصب می‌شود و کوچک‌ترین تغییر در قطر، بیضوی‌شدن، ضخامت دیواره یا کیفیت سطح می‌تواند بر آب‌بندی، انتقال حرارت و عمر تجهیز اثر بگذارد.

فرایند کشش سرد باعث بهبود دقت ابعادی، کیفیت سطح و کنترل ضخامت می‌شود. بدون‌درز بودن نیز وجود خط جوش طولی را حذف می‌کند؛ خطی که ممکن است در مراحل انبساط تیوب داخل تیوب‌شیت، خم‌کاری یا کارکرد طولانی‌مدت رفتار متفاوتی نسبت به سایر نقاط دیواره داشته باشد.

۶. ASTM A210/A210M

تیوب بدون‌درز فولاد کربن متوسط برای بویلر و سوپرهیتر

استاندارد ASTM A210/A210M تیوب‌های بدون‌درز فولاد کربن متوسط را برای بویلرها، سوپرهیترها و برخی تجهیزات مشابه پوشش می‌دهد. ASTM این استاندارد را در گروه مشخصات تیوب‌های بدون‌درز بویلر و سوپرهیتر طبقه‌بندی کرده است.

کاربردهای متداول

• تیوب‌های بویلر

• دیواره‌های آبی بویلر

• سوپرهیترها

• اکونومایزرها

• تجهیزات تولید و انتقال بخار

دلیل الزام به بدون‌درز بودن

این تیوب‌ها در معرض فشار داخلی و شار حرارتی نسبتاً بالا قرار دارند. نبود درز جوش، احتمال وجود تغییرات موضعی در ضخامت، سختی و ریزساختار ناحیه جوش را حذف می‌کند و امکان کنترل یکنواخت‌تر خواص تیوب را فراهم می‌سازد.

چرا در این استانداردها بر تولید بدون‌درز تأکید شده است؟

مهم‌ترین دلایل فنی عبارت‌اند از:

حذف ناحیه جوش و HAZ

در لوله بدون‌درز، منطقه جوش و منطقه متأثر از حرارت وجود ندارد. بنابراین، تفاوت موضعی در اندازه دانه، سختی، تنش پسماند و خواص مکانیکی ناشی از جوش طولی حذف می‌شود.

یکنواختی بیشتر در محیط لوله

در محصولات بدون‌درز، مسیر فلز در محیط لوله پیوسته است. این موضوع به‌ویژه در سرویس‌های فشار بالا، دمای بالا و بارگذاری سیکلی اهمیت دارد.

کاهش ریسک عیوب مرتبط با ساخت لوله جوشی

عیوبی مانند عدم ذوب، نفوذ ناقص، تخلخل، آخال خط جوش و ترک‌های جوشی در بدنه لوله بدون‌درز مطرح نیستند. البته لوله بدون‌درز نیز می‌تواند دارای عیوب تولیدی دیگری مانند لَپ، ترک، جدایش، پوسته یا تغییر ضخامت باشد و باید بازرسی شود.

رفتار مطمئن‌تر در خزش و دمای بالا

در خطوط بخار، سوپرهیترها و بویلرها، قطعه ممکن است هزاران ساعت در دمای بالا قرار گیرد. وجود یک ناحیه طولی با ریزساختار متفاوت می‌تواند رفتار خزشی و اکسیداسیون را پیچیده‌تر کند.

قابلیت اطمینان بیشتر در تجهیزات بحرانی

در تجهیزات فشار بالا، شکست یک تیوب یا لوله ممکن است باعث توقف واحد، آسیب تجهیزات، نشت سیال داغ یا حادثه ایمنی شود. به همین دلیل، در برخی مشخصات محصول، ساخت بدون‌درز به‌عنوان بخشی از الزامات طراحی و خرید تعیین شده است.

نکته مهم در بازرسی و خرید

الزام بدون‌درز بودن زمانی قطعی است که در سفارش خرید، نقشه، دیتاشیت یا مشخصات فنی، استانداردی مانند ASTM A106، ASTM A335، ASTM A192، ASTM A213، ASTM A179 یا ASTM A210 ذکر شده باشد.

در چنین شرایطی، تحویل لوله یا تیوب درزدار به‌جای محصول بدون‌درز، حتی با ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی مشابه، به معنای عدم انطباق با استاندارد سفارش است.

از طرف دیگر، نباید نتیجه گرفت که تمام خطوط پرفشار یا تمام مبدل‌های حرارتی الزاماً باید از لوله بدون‌درز ساخته شوند. برخی استانداردها و کدهای طراحی، در صورت رعایت الزامات ساخت، جوشکاری، ضرایب طراحی و آزمون‌های کنترل کیفیت، محصولات درزدار را نیز مجاز می‌دانند. تصمیم نهایی باید بر اساس استاندارد محصول، کد طراحی، کلاس سرویس، دما، فشار، نوع سیال و مشخصات پروژه اتخاذ شود.

تشخیص درزدار یا بدون‌درز بودن لوله در بسیاری از پروژه‌های صنعتی، به‌ویژه در تجهیزات تحت فشار، بویلرها، مبدل‌های حرارتی و خطوط دما و فشار بالا اهمیت زیادی دارد. در برخی استانداردها مانند ASTM A106، ASTM A335، ASTM A192، ASTM A213، ASTM A179 و ASTM A210، استفاده از لوله یا تیوب بدون‌درز الزامی است.

در بخش متالوگرافی آزمایشگاه متالورژی جهاد دانشگاهی شریف، این بررسی توسط کارشناسان مجرب و با استفاده از روش‌های تخصصی متالوگرافی و بررسی ریزساختار انجام می‌شود. آماده‌سازی دقیق نمونه، شناسایی ناحیه جوش و منطقه متأثر از حرارت و تفسیر تخصصی نتایج، امکان تشخیص نوع تولید لوله را با دقت و اطمینان بالا فراهم می‌کند.