تتضمن بروتوكولات الاختبار المختلفة (برينل، روكويل، فيكرز) إجراءات خاصة بالمشروع قيد الاختبار. يُعد اختبار روكويل تي مناسبًا لفحص الأنابيب ذات الجدران الخفيفة عن طريق قطع الأنبوب طوليًا واختبار الجدار من القطر الداخلي بدلاً من القطر الخارجي.
طلب سيارة يشبه إلى حد ما الذهاب إلى وكالة بيع سيارات وطلب سيارة أو شاحنة. اليوم، تتيح الخيارات العديدة المتاحة للمشترين تخصيص السيارة بطرق متنوعة - ألوان داخلية وخارجية، وحزم تزيين داخلية، وخيارات تصميم خارجي، وخيارات نظام الدفع، ونظام صوتي يكاد ينافس نظام الترفيه المنزلي. مع كل هذه الخيارات، قد لا تكون راضيًا عن سيارة قياسية بسيطة.
أنابيب الصلب هي كما يوحي اسمها. لها آلاف الخيارات والمواصفات. بالإضافة إلى الأبعاد، تتضمن المواصفات خصائص كيميائية وميكانيكية عديدة، مثل الحد الأدنى لقوة الخضوع، وقوة الشد القصوى، والحد الأدنى للاستطالة قبل الكسر. مع ذلك، يستخدم الكثيرون في هذا المجال - من مهندسين ومسؤولي مشتريات ومصنعين - اختصارات صناعية متعارف عليها تشترط استخدام الأنابيب الملحومة "العادية" وتحدد خاصية واحدة فقط: الصلابة.
حاول أن تطلب سيارة بناءً على خاصية واحدة فقط ("أحتاج سيارة بناقل حركة أوتوماتيكي") ولن تُحقق الكثير مع البائع. عليه أن يملأ استمارة طلب تتضمن العديد من الخيارات. الأمر نفسه ينطبق على الأنابيب - فلكي يحصل مصنّع الأنابيب على الأنبوب المناسب للتطبيق المطلوب، يحتاج إلى معلومات أكثر من مجرد الصلابة.
كيف أصبحت الصلابة بديلاً معترفاً به للخصائص الميكانيكية الأخرى؟ ربما بدأ الأمر مع أحد مصنعي الأنابيب. ولأن اختبار الصلابة سريع وسهل ولا يتطلب معدات رخيصة نسبياً، فإن مندوبي مبيعات الأنابيب غالباً ما يستخدمون اختبار الصلابة لمقارنة أنبوبين. لإجراء اختبار الصلابة، كل ما يحتاجونه هو قطعة أنبوب ملساء ومنصة اختبار.
ترتبط صلابة الأنابيب ارتباطًا وثيقًا بقوة الشد القصوى، وكقاعدة عامة، فإن النسب المئوية أو نطاقات النسب المئوية مفيدة في تقدير قوة الشد القصوى، لذلك من السهل أن نرى كيف يمكن أن يكون اختبار الصلابة بديلاً مناسبًا للخصائص الأخرى.
كما أن بعض الاختبارات الأخرى معقدة نسبيًا. فبينما لا يستغرق اختبار الصلابة سوى دقيقة واحدة تقريبًا على جهاز واحد، يتطلب اختبار مقاومة الشد القصوى (MYS) واختبار مقاومة الشد القصوى (UTS) والاستطالة تحضير العينات واستثمارًا كبيرًا في معدات مخبرية ضخمة. وللمقارنة، يستغرق الأمر ثوانٍ معدودة لمشغل مصنع الأنابيب لإجراء اختبار الصلابة، بينما يستغرق الأمر ساعات لفني المعادن المتخصص لإجراء اختبار الشد. إجراء فحص الصلابة ليس بالأمر الصعب.
لا يعني هذا أن مصنعي الأنابيب الهندسية لا يستخدمون اختبار الصلابة. من المؤكد أن معظمهم يستخدمه، ولكن نظرًا لأنهم يقيسون قابلية التكرار والاستنساخ على جميع معدات الاختبار الخاصة بهم، فهم يدركون جيدًا حدود هذا الاختبار. يستخدم معظمهم تقييم صلابة الأنابيب كجزء من عملية الإنتاج، لكنهم لا يستخدمونه لتحديد خصائص الأنابيب كميًا. إنه مجرد اختبار اجتياز/رسوب.
لماذا تحتاج إلى معرفة MYS وUTS والحد الأدنى للاستطالة؟ إنها تشير إلى كيفية تصرف الأنبوب أثناء التجميع.
الحد الأدنى للقوة اللازمة لإحداث تشوه دائم في المادة هو MYS. إذا حاولت ثني سلك مستقيم (مثل علاقة ملابس) قليلاً ثم رفعت الضغط، فسيحدث أحد أمرين: إما أن يعود إلى حالته الأصلية (مستقيمًا) أو يبقى مثنيًا. إذا كان لا يزال مستقيمًا، فأنت لم تتجاوز الحد الأدنى للقوة اللازمة لإحداث تشوه دائم. أما إذا كان لا يزال مثنيًا، فقد تجاوزته.
الآن، استخدم كماشةً لشدّ طرفي السلك. إذا استطعتَ تمزيق السلك إلى قطعتين، فقد تجاوزتَ حدّ الشد الأقصى له. لقد شددتَ عليه بشدة، وأصبح لديك سلكان لتُظهر جهدك الخارق. إذا كان طول السلك الأصلي 5 بوصات، وكان مجموع طوليه بعد التمزق 6 بوصات، فإن السلك قد استطال بمقدار بوصة واحدة، أو 20%. يُقاس اختبار الاستطالة الفعلي في حدود بوصتين من نقطة التمزق، ولكن على أي حال، فإن مفهوم شد السلك يوضح حدّ الشد الأقصى.
تحتاج عينات الصور المجهرية للفولاذ إلى القطع والتلميع والحفر باستخدام محلول حمضي خفيف (عادةً حمض النيتريك والكحول (نيتروإيثانول)) لجعل الحبيبات مرئية. ويُستخدم عادةً تكبير 100x لفحص حبيبات الفولاذ وتحديد حجم الحبيبات.
تُعدّ الصلابة اختبارًا لكيفية استجابة المادة للصدمات. تخيّل وضع قطعة قصيرة من الأنبوب في ملزمة ذات فكين مسننين، ثمّ تدوير الملزمة لإغلاقها. بالإضافة إلى تسطيح الأنبوب، فإنّ فكي الملزمة يتركان أيضًا انبعاجات على سطحه.
هكذا يعمل اختبار الصلابة، ولكنه ليس قاسياً للغاية. يتميز هذا الاختبار بحجم تأثير وضغط مضبوطين. تعمل هذه القوى على تشويه السطح، مما يُحدث انبعاجاً أو انخفاضاً. ويُحدد حجم أو عمق هذا الانبعاج صلابة المعدن.
لتقييم صلابة الفولاذ، تشمل الاختبارات الشائعة برينل وفيكرز وروكويل. لكل اختبار مقياسه الخاص، وبعضها يتضمن طرق اختبار متعددة، مثل روكويل A وB وC. بالنسبة لأنابيب الفولاذ، تشير مواصفة ASTM A513 إلى اختبار روكويل B (المختصر بـ HRB أو RB). يقيس اختبار روكويل B الفرق في اختراق الفولاذ بواسطة كرة فولاذية قطرها 1/16 بوصة بين حمل مسبق صغير وحمل أساسي مقداره 100 كجم. النتيجة النموذجية للفولاذ الطري القياسي هي HRB 60.
يعلم علماء المواد أن الصلابة ترتبط خطيًا بقوة الشد القصوى (UTS). لذا، يمكن التنبؤ بقوة الشد القصوى من خلال قيمة معينة للصلابة. وبالمثل، يعلم مصنّعو الأنابيب أن حد المرونة (MYS) وقوة الشد القصوى مرتبطان. بالنسبة للأنابيب الملحومة، يتراوح حد المرونة عادةً بين 70% و85% من قوة الشد القصوى. وتعتمد النسبة الدقيقة على عملية تصنيع الأنبوب. ترتبط صلابة HRB 60 بقوة شد قصوى تبلغ 60,000 رطل لكل بوصة مربعة (PSI) وحد مرونة يبلغ 80%، أي 48,000 رطل لكل بوصة مربعة.
تُعدّ الصلابة القصوى أكثر مواصفات الأنابيب شيوعًا في التصنيع العام. فبالإضافة إلى الحجم، كان المهندس مهتمًا بتحديد أنبوب ملحوم بالمقاومة الكهربائية (ERW) ضمن نطاق التشغيل الأمثل، مما قد يؤدي إلى ظهور صلابة قصوى تصل إلى 60 HRB في رسم المكون. ويؤدي هذا القرار وحده إلى مجموعة من الخصائص الميكانيكية النهائية، بما في ذلك الصلابة نفسها.
أولًا، لا تُقدّم لنا صلابة HRB 60 معلوماتٍ كافية. فقراءة HRB 60 هي رقمٌ بلا أبعاد. صحيحٌ أن المادة التي تم تقييمها باستخدام HRB 59 ألين من المادة التي تم اختبارها باستخدام HRB 60، وأن HRB 61 أصلب من HRB 60، ولكن ما مقدار هذا الاختلاف؟ لا يمكن قياسه كميًا كما يُقاس الحجم (بالديسيبل)، أو عزم الدوران (بالباوند-قدم)، أو السرعة (بالمسافة بالنسبة للزمن)، أو قوة الشد القصوى (بالباوند لكل بوصة مربعة). فقراءة HRB 60 لا تُخبرنا بأي شيءٍ مُحدد. هذه خاصيةٌ للمادة، وليست خاصيةً فيزيائية. ثانيًا، اختبار الصلابة غير مناسبٍ للتكرار أو إعادة الإنتاج. فتقييم موقعين على عينة الاختبار، حتى لو كانا قريبين من بعضهما، غالبًا ما يُؤدي إلى تباينٍ كبيرٍ في قراءات الصلابة. ومما يُفاقم هذه المشكلة طبيعة الاختبار نفسه. فبعد قياس موضعٍ ما، لا يُمكن قياسه مرةً ثانيةً للتحقق من النتائج. لا يمكن تحقيق التكرار.
لا يعني هذا أن اختبار الصلابة غير عملي. في الواقع، يُعدّ مؤشراً جيداً لقوة الشد القصوى للمادة، وهو اختبار سريع وسهل التنفيذ. مع ذلك، ينبغي على جميع المعنيين بتحديد مواصفات الأنابيب وشرائها وتصنيعها أن يكونوا على دراية بمحدودياته كمعيار اختبار.
نظرًا لعدم وجود تعريف دقيق للأنابيب "العادية"، يلجأ مصنّعو الأنابيب عند الحاجة إلى حصرها في نوعين من أنابيب الصلب الأكثر شيوعًا، وهما النوعان 1008 و1010، وفقًا لمعيار ASTM A513. وحتى بعد استبعاد جميع أنواع الأنابيب الأخرى، تظلّ إمكانيات الخصائص الميكانيكية لهذين النوعين واسعة النطاق. في الواقع، يتمتع هذان النوعان بأوسع نطاق من الخصائص الميكانيكية مقارنةً بأي نوع آخر.
على سبيل المثال، يُوصف الأنبوب بأنه لين إذا كانت قيمة معامل المرونة الدنيا (MYS) منخفضة والاستطالة عالية، مما يعني أنه يؤدي أداءً أفضل في الشد والانحراف والتشوه من الأنبوب الذي يُوصف بأنه صلب، والذي يتميز بقيمة معامل مرونة دنيا عالية نسبيًا واستطالة منخفضة نسبيًا. وهذا يشبه الفرق بين الأسلاك اللينة والصلبة، مثل علاقات الملابس والمثاقب.
يُعدّ الاستطالة عاملاً آخر ذا تأثير كبير على تطبيقات الأنابيب الحساسة. فالأنابيب ذات الاستطالة العالية قادرة على تحمّل قوى الشدّ، بينما تكون المواد ذات الاستطالة المنخفضة أكثر هشاشة، وبالتالي أكثر عرضةً للفشل الكارثي الناتج عن الإجهاد. ومع ذلك، لا ترتبط الاستطالة ارتباطًا مباشرًا بقوة الشدّ القصوى، وهي الخاصية الميكانيكية الوحيدة المرتبطة مباشرةً بالصلابة.
لماذا تختلف الخواص الميكانيكية للأنابيب اختلافًا كبيرًا؟ أولًا، يختلف التركيب الكيميائي. الفولاذ عبارة عن محلول صلب من الحديد والكربون وسبائك أخرى مهمة. ولتبسيط الأمر، سنتناول هنا نسب الكربون فقط. تحل ذرات الكربون محل بعض ذرات الحديد، مُشكّلةً البنية البلورية للفولاذ. يُعدّ معيار ASTM 1008 معيارًا شاملًا للدرجة الأساسية، حيث تتراوح نسبة الكربون فيه بين 0% و0.10%. الصفر رقم مميز جدًا، إذ يُنتج خواص فريدة عندما تكون نسبة الكربون في الفولاذ منخفضة للغاية. يُحدد معيار ASTM 1010 نسبة كربون تتراوح بين 0.08% و0.13%. قد لا تبدو هذه الاختلافات كبيرة، لكنها كافية لإحداث فرق كبير في جوانب أخرى.
ثانيًا، يمكن تصنيع الأنابيب الفولاذية أو تصنيعها ومعالجتها لاحقًا في سبع عمليات تصنيع مختلفة. يحدد معيار ASTM A513 المتعلق بإنتاج أنابيب ERW سبعة أنواع:
إذا لم يكن للتركيب الكيميائي للفولاذ وخطوات تصنيع الأنابيب أي تأثير على صلابة الفولاذ، فما الذي يؤثر إذن؟ تتطلب الإجابة على هذا السؤال دراسة متأنية للتفاصيل. وهذا السؤال يثير سؤالين آخرين: ما هي هذه التفاصيل، وإلى أي مدى يجب أن تكون دقيقة؟
تُعدّ تفاصيل الحبيبات المكونة للفولاذ الإجابة الأولى. فعند تصنيع الفولاذ في مصنع الصلب الأولي، لا يبرد ليتحول إلى كتلة ضخمة ذات بنية واحدة. أثناء تبريد الفولاذ، تنتظم جزيئاته في أنماط متكررة (بلورات)، على غرار كيفية تشكل رقاقات الثلج. بعد تشكل البلورات، تتجمع في مجموعات تُسمى الحبيبات. ومع استمرار التبريد، تنمو الحبيبات وتتشكل في جميع أنحاء الصفيحة أو اللوح. ويتوقف نمو الحبيبات عندما تمتص آخر جزيئات الفولاذ. يحدث كل هذا على المستوى المجهري لأن متوسط ​​حجم حبيبة الفولاذ يبلغ حوالي 64 ميكرومترًا أو 0.0025 بوصة. ورغم تشابه كل حبيبة مع الأخرى، إلا أنها ليست متطابقة تمامًا، إذ تختلف اختلافًا طفيفًا في الحجم والاتجاه ومحتوى الكربون. يُطلق على السطح الفاصل بين الحبيبات اسم حدود الحبيبات. وعندما يتعرض الفولاذ للكسر، على سبيل المثال بسبب تشققات الإجهاد، فإنه يميل إلى الكسر على طول حدود الحبيبات.
إلى أي مدى يجب أن تنظر لرؤية حبيبات واضحة؟ التكبير 100 ضعف، أو الرؤية البشرية 100 ضعف، يكفي. مع ذلك، فإن مجرد النظر إلى الفولاذ غير المعالج بتكبير 100 ضعف لا يكشف الكثير. يتم تحضير العينة بتلميعها وحفر سطحها بحمض (عادةً حمض النيتريك والكحول) يُسمى مُحفِّر النيتروإيثانول.
إن الحبيبات وشبكتها الداخلية هي التي تحدد قوة الصدمة، وقوة الشد القصوى، وقوة الشد القصوى، والاستطالة التي يمكن أن يتحملها الفولاذ قبل الفشل.
تُطبّق خطوات صناعة الصلب، مثل الدرفلة الساخنة والباردة للشرائح، إجهادًا على بنية الحبيبات؛ فإذا تغيّر شكلها بشكل دائم، فهذا يعني أن الإجهاد قد شوّه الحبيبات. وتشمل خطوات المعالجة الأخرى لفّ الصلب على شكل لفائف، وفكّها، وتشكيل حبيبات الصلب من خلال آلة تشكيل الأنابيب (لتشكيل الأنبوب وتحديد أبعاده). كما يُطبّق السحب البارد للأنبوب على المندريل ضغطًا على المادة، وكذلك خطوات التصنيع مثل تشكيل الأطراف وثنيها. وتُسمى التغييرات في بنية الحبيبات بالانخلاعات.
تؤدي الخطوات المذكورة أعلاه إلى استنزاف مطيلية الفولاذ، أي قدرته على تحمل إجهاد الشد (الفتح). يصبح الفولاذ هشًا، مما يعني أنه أكثر عرضة للكسر عند استمرار العمل عليه. الاستطالة أحد مكونات المطيلية (والانضغاطية مكون آخر). من المهم فهم أن الفشل يحدث غالبًا أثناء إجهاد الشد، وليس الانضغاط. يتميز الفولاذ بمقاومة عالية لإجهاد الشد نظرًا لقدرته العالية نسبيًا على الاستطالة. مع ذلك، يتشوه الفولاذ بسهولة تحت إجهاد الانضغاط - فهو مطيل - وهذا يُعد ميزة.
يتميز الخرسانة بمقاومة عالية للضغط، لكن مطيليتها منخفضة مقارنةً بالفولاذ. هذه الخصائص معاكسة لخصائص الفولاذ. ولذلك، غالبًا ما تُزود الخرسانة المستخدمة في الطرق والمباني والأرصفة بقضبان التسليح. والنتيجة هي منتج يتمتع بخصائص مادتين: الفولاذ قوي تحت الشد، والخرسانة قوية تحت الضغط.
أثناء التشكيل على البارد، ومع انخفاض مطيلية الفولاذ، تزداد صلابته. بعبارة أخرى، يصبح أكثر صلابة. قد يكون هذا مفيدًا في بعض الحالات، ولكنه قد يكون عيبًا أيضًا، لأن الصلابة ترتبط بالهشاشة. أي أنه كلما زادت صلابة الفولاذ، قلت مرونته، وبالتالي زادت احتمالية انكساره.
بمعنى آخر، تستهلك كل خطوة من خطوات التصنيع جزءًا من مرونة الأنبوب. وتزداد صلابته مع تقدم عملية التصنيع، وإذا زادت صلابته عن الحد يصبح عديم الفائدة. فالصلابة تعني الهشاشة، والأنبوب الهش معرض للكسر عند الاستخدام.
هل لدى الشركة المصنعة أي خيارات في هذه الحالة؟ باختصار، نعم. هذا الخيار هو التلدين، ورغم أنه ليس سحريًا تمامًا، إلا أنه أقرب ما يكون إلى السحر.
ببساطة، تعمل عملية التلدين على إزالة جميع آثار الإجهاد الفيزيائي على المعدن. تُسخّن هذه العملية المعدن إلى درجة حرارة تخفيف الإجهاد أو إعادة التبلور، مما يؤدي إلى إزالة الانخلاعات. وبناءً على درجة الحرارة والوقت المحددين المستخدمين في عملية التلدين، فإن العملية تستعيد بعضًا من ليونة المعدن أو كلها.
يُعزز التلدين والتبريد المُتحكم به نمو الحبيبات. وهذا مفيد إذا كان الهدف هو تقليل هشاشة المادة، ولكن نمو الحبيبات غير المُتحكم به قد يُليّن المعدن أكثر من اللازم، مما يجعله غير قابل للاستخدام في الغرض المقصود. يُعد إيقاف عملية التلدين أمرًا بالغ الأهمية. فالتبريد السريع عند درجة الحرارة المناسبة باستخدام عامل التبريد المناسب وفي الوقت المناسب يُوقف العملية بسرعة لاستعادة خصائص الفولاذ.
هل يجب إلغاء مواصفات الصلابة؟ لا. تُعدّ خصائص الصلابة ذات قيمة أساسية كنقطة مرجعية عند تحديد مواصفات أنابيب الصلب. تُعتبر الصلابة مقياسًا مفيدًا، وهي إحدى الخصائص العديدة التي يجب تحديدها عند طلب المواد الأنبوبية وفحصها عند الاستلام (ويجب تسجيلها مع كل شحنة). عندما يكون فحص الصلابة هو معيار الفحص، يجب أن يتضمن قيمًا معيارية ونطاقات تحكم مناسبة.
ومع ذلك، فهو ليس اختبارًا حقيقيًا لتأهيل (قبول أو رفض) المواد. بالإضافة إلى الصلابة، ينبغي على المصنّعين اختبار الشحنات من حين لآخر لتحديد خصائص أخرى ذات صلة، مثل مقاومة الشد القصوى، أو مقاومة الشد القصوى، أو الحد الأدنى للاستطالة، وذلك حسب استخدام الأنبوب.
Wynn H. Kearns is responsible for regional sales for Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, wkearns@indianatube.com, www.indianatube.com.
أصبحت مجلة Tube & Pipe Journal أول مجلة مخصصة لخدمة صناعة الأنابيب المعدنية في عام 1990. واليوم، لا تزال المنشور الوحيد في أمريكا الشمالية المخصص لهذه الصناعة، وأصبحت المصدر الأكثر موثوقية للمعلومات لمتخصصي الأنابيب.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة The FABRICATOR، أصبح الوصول سهلاً إلى موارد الصناعة القيّمة.
أصبح الإصدار الرقمي من مجلة الأنابيب والأنابيب متاحًا بالكامل الآن، مما يوفر سهولة الوصول إلى موارد الصناعة القيّمة.
استمتع بالوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة STAMPING Journal، التي توفر أحدث التطورات التكنولوجية وأفضل الممارسات وأخبار الصناعة لسوق ختم المعادن.
استمتع بالوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من تقرير "التصنيع الإضافي" لمعرفة كيف يمكن استخدام التصنيع الإضافي لتحسين الكفاءة التشغيلية وزيادة الأرباح.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة The Fabricator en Español، سهولة الوصول إلى موارد صناعية قيّمة.