مشاكل الجودة في عملية إنتاج الأنابيب الفولاذية غير الملحومة – عيوب جودة قوالب الأنابيب وطرق الوقاية منها

1. عيوب جودة قضبان الأنابيب وطرق الوقاية منها.

يمكن أن تكون قوالب الأنابيب المستخدمة في إنتاج أنابيب الصلب غير الملحومة إما قوالب أنابيب دائرية مصبوبة بشكل مستمر، أو قوالب أنابيب دائرية مدرفلة (مطروقة)، أو قوالب أنابيب دائرية مجوفة مصبوبة بالطرد المركزي، أو سبائك فولاذية. في عملية الإنتاج الفعلية، تُستخدم قوالب الأنابيب الدائرية المصبوبة بشكل مستمر بشكل أساسي نظرًا لانخفاض تكلفتها وجودة سطحها العالية.

1.1 عيوب المظهر والشكل وجودة السطح لقضبان الأنابيب.
1. 1. 1 عيوب الشكل الظاهري: بالنسبة لقضبان الأنابيب المستديرة، تشمل عيوب الشكل الظاهري لقضبان الأنابيب بشكل أساسي قطرها وشكلها البيضاوي، وتفاوت شطف القطع النهائي، وما إلى ذلك. أما بالنسبة لسبائك الصلب، فتشمل عيوب الشكل الظاهري لقضبان الأنابيب بشكل أساسي الشكل غير الصحيح لسبائك الصلب نتيجة لتآكل قالب سبيكة الصلب، وما إلى ذلك.
تجاوز قطر الأنبوب الدائري وشكله البيضاوي للحدود المسموح بها: يُعتقد عمومًا في الممارسة العملية أنه عند ثقب الأنبوب، يتناسب معدل انخفاض الضغط قبل رأس الثقب طرديًا مع مقدار انثناء الأنبوب الخام المثقوب إلى الداخل. كلما زاد معدل انخفاض الضغط، زادت احتمالية تشكل تجويف الثقب في الأنبوب قبل الأوان، وأصبح الأنبوب الخام أكثر عرضة للتشققات السطحية الداخلية. في الإنتاج العادي، تُحدد معايير نوع الثقب في آلة الثقب بناءً على القطر الاسمي للأنبوب وقطره الخارجي وسماكة جداره. عند ضبط نوع الثقب، إذا تجاوز القطر الخارجي للأنبوب الحد المسموح به الموجب، يزداد معدل انخفاض الضغط قبل الرأس، مما يؤدي إلى انثناء الأنبوب الخام المثقوب إلى الداخل. أما إذا تجاوز القطر الخارجي للأنبوب الحد المسموح به السالب، ينخفض ​​معدل انخفاض الضغط قبل الرأس، وتتحرك نقطة الثقب الأولى نحو عنق الأنبوب، مما يُصعّب عملية الثقب. عدم انتظام الاستدارة: عندما تكون استدارة الأنبوب غير منتظمة، يدور الأنبوب بشكل غير مستقر بعد دخوله منطقة التشوه بالثقب، مما يؤدي إلى خدش سطح الأنبوب بواسطة الأسطوانة، وبالتالي ظهور عيوب سطحية في الأنبوب الخام. عدم انتظام شطفة الوجه النهائي لقضيب الأنبوب الدائري: يكون سمك جدار الطرف الأمامي للأنبوب الخام المثقوب غير منتظم. والسبب الرئيسي هو أنه عندما لا يحتوي قضيب الأنبوب على فتحة مركزية، فإن السدادة تصطدم بالوجه النهائي للأنبوب أثناء عملية الثقب. ونظرًا لكبر الشطفة على الوجه النهائي للأنبوب، يصعب على طرف السدادة توسيطه، مما يؤدي إلى عدم انتظام سمك جدار الوجه النهائي للأنبوب الخام.
1. 1. 2 عيوب جودة السطح (صب مستمر لقضيب أنبوب دائري): تشققات سطح قضيب الأنبوب: تشققات طولية، تشققات عرضية، تشققات شبكية. أسباب التشققات الطولية:
أ. يؤدي التدفق المنحرف الناتج عن عدم محاذاة الفوهة والمبلور إلى تآكل الغلاف المتصلب لقضيب الأنبوب؛ ب. ضعف خاصية انصهار الخبث الواقي، حيث تكون طبقة الخبث السائل إما سميكة جدًا أو رقيقة جدًا، مما ينتج عنه تفاوت في سمك طبقة الخبث، وبالتالي يصبح الغلاف المتصلب الموضعي لقضيب الأنبوب رقيقًا جدًا؛ ج. تذبذب مستوى سائل التبلور (عندما يكون تذبذب مستوى السائل أقل من ± 10 مم، يكون معدل حدوث الشقوق حوالي 30%)؛ د. محتوى الفوسفور والكبريت في الفولاذ (عندما يكون الفوسفور أقل من 0.017%، والكبريت أقل من 0.027%، تميل الشقوق الطولية إلى الزيادة)؛ هـ. عندما يكون الكربون في الفولاذ بين 0.12% و0.17%، تميل الشقوق الطولية إلى الزيادة.
التدابير الوقائية: أ. التأكد من محاذاة الفوهة والمبلور؛ ب. يجب أن يكون تذبذب مستوى سائل التبلور مستقرًا؛ ج. استخدام مخروط تبلور مناسب؛ د. اختيار خبث واقٍ ذي أداء ممتاز؛ هـ. استخدام مبلور ذي قمة ساخنة.
أسباب التشققات العرضية: أ. علامات الاهتزاز العميقة جدًا هي السبب الرئيسي للتشققات العرضية؛ ب. زيادة محتوى (النيوبيوم، الألومنيوم) في الفولاذ هو السبب المُحفز؛ ج. يتم تقويم سبيكة الأنبوب عند درجة حرارة تتراوح بين 700 و900 درجة مئوية؛ د. شدة التبريد الثانوي كبيرة جدًا.
التدابير الوقائية:
أ. يستخدم جهاز التبلور ترددًا عاليًا وسعة صغيرة لتقليل عمق علامات الاهتزاز على السطح الداخلي للقوس المعدني للسبائك؛ ب. تعتمد منطقة التبريد الثانوية نظام تبريد ضعيفًا ومستقرًا لضمان أن تكون درجة حرارة السطح أعلى من 900 درجة مئوية أثناء عملية التمليس؛ ج. الحفاظ على استقرار سطح سائل التبلور؛ د. استخدام خبث واقٍ ذي تزييت جيد ولزوجة منخفضة.
أسباب تشققات الشبكة السطحية: أ. تمتص السبيكة ذات درجة الحرارة العالية النحاس من البلورة، ويصبح النحاس سائلاً ثم يتسرب على طول حدود حبيبات الأوستنيت؛ ب. تبقى العناصر المتبقية في الفولاذ (مثل النحاس والقصدير وما إلى ذلك) على سطح الأنبوب وتتسرب على طول حدود الحبيبات؛
التدابير الوقائية: أ. طلاء سطح المُبلور بالكروم لزيادة صلابة السطح؛ ب. استخدام كمية مناسبة من مياه التبريد الثانوية؛ ج. التحكم في العناصر المتبقية في الفولاذ؛ د. التحكم في نسبة المنغنيز إلى الكبريت (Mn/S) لضمان أن تكون Mn/S أكبر من 40. من المتعارف عليه عمومًا أنه عندما لا يتجاوز عمق الشق السطحي للأنبوب 0.5 مم، فإن الشق سيتأكسد أثناء عملية التسخين ولن يتسبب في تشققات سطحية على أنبوب الفولاذ. ونظرًا لأن الشقوق على سطح كتلة الأنبوب ستتأكسد بشدة أثناء عملية التسخين، فغالبًا ما تصاحبها جزيئات أكسدة وإزالة للكربون بعد الدرفلة.
ندبات ثنية الأنبوب وجلد سميك:
الأسباب: انخفاض درجة حرارة الفولاذ المنصهر، أو زيادة لزوجته، أو انسداد الفوهة، أو انحراف تدفق الحقن، وما إلى ذلك. يختلف الطي الخارجي لأنبوب الفولاذ الناتج عن ندوب السطح والطبقة السميكة لقضيب الأنبوب عن عيوب الندوب والطي الخارجي للأنبوب الخشن الناتج أثناء عملية الدرفلة. إذ يتميز بخصائص أكسدة واضحة، مصحوبة بجزيئات أكسدة ونزع شديد للكربون، ووجود أكسيد الحديدوز عند موضع العيب.
مسامات قوالب الأنابيب: عادةً ما تتشكل بعض المسامات الصغيرة على سطح قالب الأنبوب نتيجةً لانفجار الفقاعات تحت السطحية أثناء صب الفولاذ المنصهر. بعد درفلة قالب الأنبوب، تتشكل طبقة رقيقة متطايرة على سطح أنبوب الفولاذ.
حفر وأخاديد قضبان الأنابيب:
أسباب ظهور الحفر والأخاديد في قالب الأنبوب: من جهة، قد تنشأ هذه الحفر والأخاديد أثناء عملية التبلور في المسبوكة، نتيجةً للتناقص الكبير في قطر جهاز التبلور أو التبريد غير المتساوي لمنطقة التبريد الثانوية؛ ومن جهة أخرى، قد تنتج عن تلف ميكانيكي أو خدوش على سطح قالب الأنبوب عندما لا يكون قد تم تبريده بالكامل. بعد عملية التثقيب، تتشكل طيات أو ندوب (حفر) وطيات خارجية كبيرة (أخاديد) على سطح الأنبوب الخشن.
تُعزى "آذان" سبيكة الأنبوب بشكل رئيسي إلى عدم إغلاق فجوة الدرفلة (بكرة التمليس في آلة الصب المستمر وبكرة الدرفلة في مطحنة الدرفلة). عند تمليس أو درفلة سبيكة الأنبوب، قد تتعرض بكرة التمليس أو بكرة الدرفلة لضغط زائد أو تكون فجوة الدرفلة ضيقة جدًا، مما يؤدي إلى دخول كمية كبيرة من المعدن العريض إلى الفجوة. بعد التثقيب، تتشكل طية خارجية حلزونية على سطح الأنبوب الخشن. بغض النظر عن نوع عيب سطح سبيكة الأنبوب، من الممكن أن تتشكل عيوب على سطح أنبوب الصلب أثناء عملية الدرفلة. في الحالات الشديدة، يُتلف أنبوب الصلب المدرفل. لذلك، من الضروري تعزيز مراقبة جودة سطح سبيكة الأنبوب وإزالة العيوب السطحية. لا يُسمح إلا بسبيكات الأنابيب التي تستوفي المتطلبات القياسية بالدخول في إنتاج درفلة الأنابيب.
1.2 عيوب تنظيم الطاقة المنخفضة في قوالب الأنابيب:
فقاعات تحت الجلد مرئية في سبائك الأنابيب: يعود سبب تكوّنها إلى عدم كفاية إزالة الأكسدة من الفولاذ المنصهر، ومحتوى الغازات (وخاصة الهيدروجين) فيه، وهو ما يُعدّ سببًا رئيسيًا لتكوّن هذه الفقاعات. يتشكّل هذا العيب على هيئة طبقة رقيقة غير منتظمة على السطح الخارجي لأنبوب الفولاذ بعد عملية التثقيب أو الدرفلة، ويشبه شكلها شكل الأظافر. في الحالات الشديدة، قد تغطي هذه الفقاعات السطح الخارجي لأنبوب الفولاذ. هذا النوع من العيوب صغير وسطحي، ويمكن إزالته بالصقل.
تشققات تحت السطح في قوالب الأنابيب: السبب الرئيسي لتكوّنها هو التغير المتكرر في درجة حرارة الطبقة السطحية لقالب الأنبوب الدائري المصبوب بشكل مستمر، والذي يحدث بعد عدة تحولات طورية. عمومًا، لا تُنتج هذه التشققات عيوبًا، وإن وُجدت فهي عبارة عن طيات خارجية طفيفة.
الشقوق الوسطى والمركزية في قوالب الأنابيب: تُعدّ الشقوق الوسطى والمركزية في قوالب الأنابيب الدائرية المصبوبة بشكل مستمر السبب الرئيسي للانثناء الداخلي للأنابيب الفولاذية غير الملحومة. وتتسم أسباب هذه الشقوق بالتعقيد، إذ تشمل تأثيرات انتقال الحرارة أثناء التصلب، والاختراق، والإجهاد في القالب، ولكن بشكل عام، تخضع هذه الشقوق لعملية تصلب القالب في منطقة التبريد الثانوي.
ثقوب التمدد والانكماش في قوالب الأنابيب: يعود ذلك أساسًا إلى تأثير الحبيبات المتقدمة في القالب أثناء عملية التصلب، حيث تعتمد حركة المعدن السائل على الانكماش الناتج عن التبريد في اتجاه التصلب. إذا احتوى قالب الأنبوب الدائري المصبوب بشكل مستمر على ثقوب تمدد وانكماش، فلن يؤثر ذلك بشكل كبير على جودة الأنبوب الخام بعد الدرفلة المائلة والتثقيب.
1.3 عيوب البنية المجهرية لقضيب الأنبوب: تكبير عالٍ أو مجهر إلكتروني
عندما يكون تركيب وبنية كتلة الأنبوب غير متجانسين ويحدث انفصال شديد، فإن الأنبوب الفولاذي بعد الدرفلة سيظهر ببنية شريطية حادة، مما يؤثر على خواصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل، ويجعله لا يفي بالمتطلبات. وعندما يكون محتوى الشوائب في كتلة الأنبوب مرتفعًا جدًا، فإنه لا يؤثر فقط على أداء الأنبوب الفولاذي، بل قد يتسبب أيضًا في حدوث تشققات فيه أثناء عملية الإنتاج.
العوامل: العناصر الضارة في الفولاذ، والتركيب، وفصل سبائك الأنابيب، والشوائب غير المعدنية في سبائك الأنابيب.

٢. عيوب التسخين في قوالب الأنابيب: في إنتاج أنابيب الصلب غير الملحومة المدرفلة على الساخن، يتطلب الأمر عادةً عمليتي تسخين من قالب الأنبوب إلى الأنبوب النهائي، وهما التسخين قبل تثقيب قالب الأنبوب وإعادة تسخين الأنبوب الخام بعد الدرفلة وقبل التشكيل. أما في إنتاج أنابيب الصلب المدرفلة على البارد، فيلزم إجراء عملية تلدين وسيطة لإزالة الإجهاد المتبقي في الأنبوب. على الرغم من اختلاف الغرض من كل عملية تسخين، واختلاف أفران التسخين المستخدمة، إلا أنه في حال عدم ضبط معايير العملية والتحكم في التسخين بشكل صحيح، ستظهر عيوب تسخين في قالب الأنبوب (الأنبوب الصلب) مما يؤثر على جودة الأنبوب. يهدف تسخين قالب الأنبوب قبل التثقيب إلى تحسين لدونة الصلب، وتقليل مقاومته للتشوه، وتوفير بنية معدنية جيدة للأنبوب المدرفل. تشمل أفران التسخين المستخدمة: الأفران الحلقية، وأفران التسخين ذات العارضة المتحركة، وأفران التسخين ذات القاع المائل، وأفران التسخين ذات القاع المتحرك. تهدف إعادة تسخين الأنبوب الخام قبل التشكيل إلى رفع درجة حرارته وتوزيعها بالتساوي، وتحسين مرونته، والتحكم في بنيته المعدنية، وضمان خواصه الميكانيكية. تشمل أفران التسخين الرئيسية أفران إعادة التسخين ذات العارضة المتحركة، وأفران إعادة التسخين ذات القاعدة الدوارة المستمرة، وأفران إعادة التسخين ذات القاعدة المائلة، وأفران إعادة التسخين بالحث الكهربائي. أما المعالجة الحرارية بالتلدين للأنابيب الفولاذية أثناء عملية الدرفلة على البارد، فتهدف إلى التخلص من ظاهرة التصلب بالتشكيل الناتجة عن الدرفلة على البارد، وتقليل مقاومة الفولاذ للتشوه، وتهيئة الظروف اللازمة لاستمرار معالجة الأنبوب. تشمل أفران التسخين المستخدمة في هذه المعالجة أفران التسخين ذات العارضة المتحركة، وأفران التسخين ذات القاعدة الدوارة المستمرة، وأفران التسخين ذات القاعدة المتحركة. تشمل العيوب الشائعة في تسخين قوالب الأنابيب: التسخين غير المتساوي (المعروف بسطح يين ويانغ)، والأكسدة، وإزالة الكربون، وتشققات التسخين، والتسخين الزائد، والاحتراق الزائد. العوامل الرئيسية التي تؤثر على جودة تسخين قضبان الأنابيب هي: درجة حرارة التسخين، وسرعة التسخين، ووقت التسخين والاحتفاظ، وجو الفرن.
درجة حرارة تسخين أنابيب الصلب: تتجلى هذه المشكلة بشكل رئيسي في انخفاض درجة الحرارة أو ارتفاعها بشكل مفرط، أو في عدم انتظامها. يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى زيادة مقاومة الفولاذ للتشوه وتقليل مرونته. وعندما لا تضمن درجة حرارة التسخين تحول البنية المعدنية للفولاذ بشكل كامل إلى حبيبات الأوستنيت، يزداد احتمال تشقق أنابيب الصلب أثناء الدرفلة على الساخن. أما عند ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط، فإن سطح أنابيب الصلب يتعرض لأكسدة شديدة، وفقدان الكربون، وقد يتعرض أيضًا لارتفاع درجة الحرارة أو الاحتراق الزائد.
سرعة تسخين سبيكة الأنبوب: ترتبط سرعة تسخين سبيكة الأنبوب ارتباطًا وثيقًا بتكوّن الشقوق الحرارية فيها. فعندما تكون سرعة التسخين عالية جدًا، يسهل ظهور هذه الشقوق. والسبب الرئيسي هو أنه عند ارتفاع درجة حرارة سطح السبيكة، يتولد فرق في درجة الحرارة بين المعدن داخل السبيكة والمعدن على سطحها، مما يؤدي إلى تمدد حراري غير متجانس وإجهاد حراري. وعندما يتجاوز هذا الإجهاد الحراري مقاومة الكسر للمادة، ستظهر الشقوق؛ وقد توجد هذه الشقوق على سطح السبيكة أو داخلها. وعند ثقب السبيكة التي تحتوي على شقوق حرارية، يسهل تكوّن شقوق أو طيات على سطحيها الداخلي والخارجي. للوقاية: عند دخول السبيكة إلى فرن التسخين وهي لا تزال عند درجة حرارة منخفضة، يُنصح باستخدام سرعة تسخين منخفضة. ومع ارتفاع درجة حرارة السبيكة، يمكن زيادة سرعة التسخين تبعًا لذلك.
مدة تسخين وتثبيت سبيكة الأنبوب: ترتبط مدة تسخين وتثبيت سبيكة الأنبوب بعيوب التسخين (مثل أكسدة السطح، وإزالة الكربون، وكبر حجم الحبيبات، وارتفاع درجة الحرارة أو حتى احتراقها، إلخ). بشكل عام، كلما طالت مدة تسخين الأنبوب عند درجة حرارة عالية، زاد احتمال حدوث أكسدة شديدة، وإزالة الكربون، وارتفاع درجة الحرارة، وحتى احتراق السطح، مما قد يؤدي إلى تلف الأنبوب الفولاذي في الحالات الشديدة. التدابير الوقائية: أ. التأكد من تسخين الأنبوب بشكل متساوٍ وتحويله بالكامل إلى بنية الأوستنيت؛ ب. يجب إذابة الكربيدات في حبيبات الأوستنيت؛ ج. يجب ألا تكون حبيبات الأوستنيت خشنة، ويجب ألا تظهر بلورات مختلطة؛ د. يجب عدم تسخين الأنبوب بشكل مفرط أو احتراقه بشكل مفرط بعد التسخين.

باختصار، لتحسين جودة تسخين الأنبوب ومنع عيوب التسخين، تُراعى المتطلبات التالية عند تحديد معايير عملية التسخين: أ. دقة درجة حرارة التسخين لضمان إجراء عملية التثقيب ضمن نطاق درجة الحرارة الأمثل لنفاذية الأنبوب؛ ب. توحيد درجة حرارة التسخين، مع الحرص على ألا يتجاوز فرق درجة حرارة التسخين في الأنبوب على طول المحورين الطولي والعرضي ±10 درجة مئوية؛ ج. تقليل احتراق المعدن أثناء عملية التسخين، ومنع الأنبوب من الأكسدة المفرطة والتشققات السطحية والالتصاق؛ د. يجب أن يكون نظام التسخين مناسبًا، مع تنسيق درجة حرارة التسخين وسرعته ومدة التسخين (مدة التثبيت) بشكل مدروس لمنع الأنبوب الخام من التسخين الزائد أو الاحتراق.