انواع لولههای مورد استفاده در صنعت نفت و گاز: لولههای فولادی بدون درز (Seamless)، لوله جوشکاری شده (با روش جوشکاری مقاومتی الکتریکی) (ERW)، لولههای جوشکاری شده (با روش جوشکاری قوسی زیر پودری طولی) (LSAW)
اطلاعاتی درباره ۳ نوع لوله فولادی مورد استفاده در صنعت پتروشیمیایی: لولههای فولادی بدون درز، لولههای جوشکاری شده ERW، لولههای جوشکاری شده LSAW، لوله فولادی بدون درز با روش کشش بیلت فولادی از طریق سنبه سوراخ کاری تولید میشود. لولههای جوشکاری شده به وسیله برش، خمش و جوشکاری کلافها (ERW) یا ورقهای فولادی (LSAW) تولید میشوند.
لوله مانیسمان یا لوله بدون درز نوعی از لوله است که از بیلت فولادی ساخته میشوند. این بیلت ها گرم و سوراخ کاری میشوند تا مقطع لولهای شکل را ایجاد کنند. واژه «بدون درز» به معنی عدم وجود درزهای جوش است.
لولههای بدون درز در موارد مختلف در صنعت نفت و گاز به کار میروند:
عملیاتهای بالادستی (لولههای نفتی OTCG)
عملیاتهای میانی (انتقال و توزیع سیالات مانند نفت، گاز، بخار، اسیدها، دوغابها)
عملیاتهای پایین دستی (لولههای فرایندی برای تصفیه نفت و گاز در محصولات مشتق شده)
.
رایجترین انواع لوله مورد استفاده در صنعت نفت و گاز عبارتند از (بر اساس استاندارد ASTM):
A53, A106, A333 و API 5L (انواع لولهها از جنس فولاد کربنی برای دما بالا و دما پایین)
A335 گرید P5 تا P91 (لولههای فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن برای کاربرد در شرایط دما و فشار بالا، پالایشگاه و نیروگاهها)
A312 سری ۳۰۰ و ۴۰۰ (لولههای استنلس استیل ضد زنگ گریدهای ۳۰۴، ۳۱۶، ۳۲۱، ۳۴۷)
A790/A928 (لولههای داپلکس و فوق داپلکس با ساختار دوگانه فریتی و آستنیتی)
آلیاژهای نیکل (آلیاژ اینکونل، هستلوی، مس- نیکل، آلیاژ مونل، نیکل ۲۰۰+)
لولههای غیر آهنی (آلومینیم، مس، برنج)
برخی مشخصات استاندارد صرفاً لولههای بدون درز را در بر میگیرند (مانند ASTM A106) و سایر مشخصات مربوط به لولههای بدون درز و جوشکاری شده هستند (مانند ASTM A53)
لولههای فولاد کربنی (A53, A333, A106 و API 5L) بیشترین سهم بازار را به خود اختصاص میدهند چرا که این لولهها را میتوان در اغلب شرایط با دمای بالا و پایین استفاده کرد. کاربرد اصلی لولههای فولادی بدون درز در شرایطی است که مقاومت در برابر خوردگی لازم است (گریدهای بالاتر این نوع لولهها در مواردی که دما و فشار افزایش مییابند یا در زمانی که سیال در حال انتقال بسیار خورنده است، استفاده میشوند).
در صنعت بالا دستی نفت و گاز، مشخصات API 5CT مشخصه کلیدی لولههای نفتی OCTG است.
لولههای بدون درز را نباید با تیوبهای بدون درز اشتباه گرفت. در واقع، چند تفاوت مهم بین لولهها و تیوبها وجود دارد که این تفاوتها صرفاً مربوط به معنای این واژهها نیستند. به طور کلی، واژه «لوله» برای مقاطع لولهای به کار میرود که برای انتقال سیالات استفاده میشوند اما واژه «تیوب» برای مقاطع لولهای (در شکلهای متعدد، شکلهای گرد، بیضی، مربع) به کار میرود که در کاربردهای سازهای/مکانیکی، سیستمهای ابزار دقیق و ساخت تجهیزات فشار مانند دیگ بخار، مبدلهای حرارتی و دستگاه فوق گرم کننده استفاده میشوند.
استانداردهای انجمن مهندسان مکانیک آمریکا یا ASME B36.10, B36.19 مشخصات ابعادی و وزن لولههای بدون درز صنعت پتروشیمیایی تعیین کردهاند (این مشخصات برای لولههای جوشکاری شده هم به کار میروند).
ASME B36.10: این استاندارد اندازه لولههای بدون درز کربنی و کم آلیاژ (ابعاد و وزن) بین ۱.۸ و ۲۴ اینچ را مشخص میکند.
ASME B36.19: این استاندارد مشخصات ابعادی و وزن لولههای فولادی بدون درز ضد زنگ، داپلکس (Duplex)، آلیاژ نیکل را مشخص میکند.
لولههای بدون درز تجاری با اندازه اسمی (که بیانگر ظرفیت تقریبی انتقال سیالات توسط لوله است) و با عدد «اسکجول» (رده بندی) که به ضخامت لوله اطلاق میشود (رایجترین عدد اسکجول عبارتند از ۴۰, STD, XS, XXS برای لولههای کربنی/ آلیاژی و ۱۰S, 40S, 80S برای لولههای ضد زنگ و آلیاژ نیکل) طراحی میشوند.
مشخصات اندازه لوله در استاندارد ASME را میتوان به صورت آنلاین از سایت ASME یا از بخش محاسبه وزن لوله سایت شرکت تدارک گستران انرژی پارس تهیه کرد و یا برای دانلود به بخش کاتالوگ و دیتاشیت مراجعه کنید و یا اینجا را کلیک کنید
لولههای فولاد کم کربن بدون درز با قطر ۱.۸ تا ۶ اینچ با فرایندی موسوم به «فرایند نورد مانسمان» یا «فرایند اکستروژن» (برای تولید لولههای با قطرهای کوچکتر) تولید میشوند اما از «فرایند نورد ماندرل» برای تولید لولههایی با ابعاد بزرگتر استفاده میشود.
لولههای ERW از کلافهای فولادی ساخته میشوند: کلاف فولادی ابتدا باز و سپس عملیات تسطیح و برش روی آن انجام میشود و در نهایت، با متصل کردن دو لبه کناری آن به وسیله جریان الکتریکی به شکل لوله در میآید.
لولههای ERW با قطر ۱.۲ تا ۲۰ اینچ عرضه میشوند و از جنس فولاد کربنی (ASTM A53 رایجترین مشخصه استانداردی این نوع لوله است) و فولاد ضد زنگ (ASTM A312) هستند. از نظر ابعادی، مشخصات استانداردی ASME B36.10 و ASME B36.19 مشخصات مرجع کلیدی هستند (API 5L برای لولههای جوشکاری شده ERW).
نمودارهای ابعادی ASME و API نوعاً ترکیبات اندازه اسمی و ضخامت دیواره لوله (که به صورت عدد «اسکجول» به آن اختصاص مییابد) و وزن لولههای ERW را بر حسب کیلوگرم (یا پوند) نشان میدهند.
در چند سال گذشته، به دلیل استفاده از فناوریهای جوشکاری مدرن توسط سازندههای لولههای ERW (مانند فناوریهای جوشکاری القائی با فرکانس بالا (HFI) و جوشکاری با فرکانس بالا (HFW) این نوع لولهها به لحاظ عملکردی و قمیت به جایگزینی کارآمد برای لولههای ضد زنگ تبدیل شدهاند. این پیشرفتها در فناوریهای جوشکاری در گذر زمان باعث کاهش برتری فنی لولههای بدون درز در برابر لولههای ERW و لولههای صنعت نفت و گاز شده است. این وضعیت باعث میشود تا این لولهها در برخی موارد کاربردی (در شرایط فشار و دمای پایین و متوسط) جایگزین یکدیگر شوند. البته، لولههای بدون درز همیشه از استحکام مکانیکی برتر و ذاتی بیلت های فولادی در برابر کلافها و ورقها بهره میبرند.
لولههای ERW از کلاف فولادی که در آغاز فرایند باز میشود، تولید میشوند. کلاف فولادی بعد از باز شدن، بریده، پردازش، جوشکاری و آزمایش میشود.
رایجترین روشهای جوشکاری مورد استفاده در ساخت لولههای نفت و گاز فناوری «جوشکاری القائی با فرکانس بالا» (ERW-HFI) است که شامل اعمال جریان القایی روی سطح بیرونی لوله است. این جریان میتواند درز جوش قوی ایجاد کند و دو طرف کلاف فولادی را بسیار محکم به هم جوش دهد.
لوله LSAW (با روش جوشکاری قوسی زیر پودری طولی) با برش، خمش و جوشکاری ورقهای فولادی ساخته میشوند (فرایند JCOE)
لولههای LSAW با لولههای بدون درز و ERW در قطرهای بین ۱۶ و ۲۴ اینچ رقابت میکنند اما این لولههای گزینههای «ناگزیر» برای خطوط لوله با قطر بیش از ۲۴ اینچ هستند (چون اندازه قطر ۲۴ اینچ حداکثر قطر برای لولههای بدون درز تجاری است).
دو نوع اصلی لولههای LSAW عبارتند از لولههای طولی (با یک یا دو درز جوش مستقیم، DSAW) و نوع مارپیچ (که لوله HSAW، SSAW یا SAWL نامیده میشود). بنابراین، تفاوت بین لولههای DSAW و LSAW در این است که لوله DSAW دارای درز جوش در داخل و بیرون است اما لوله LSAW دارای یک درز جوش روی سطح بیرونی است.
تفاوت بین لولههای LSAW و ERW در این است که لولههای LSAW با استفاده از ورقهای فولادی ساخته میشوند اما لولههای ERW از کلافهای فولادی تولید میشوند.
پرسش «آیا در پروژه خود از لوله ERW استفاده کنم یا لوله بدون درز؟» بارها مطرح میشود. هر یک از این دو نوع لوله مزایا و معایب گوناگون دارد که باید با دقت آنها را ارزیابی کرد تا بتوان تصمیمی مناسب در خصوص انتخاب آنها اتخاذ کرد:
مزایا و معایب لولههای بدون درز
لولههای بدون درز از بلوک یکپارچه فولادی ساخته میشوند و فاقد هر گونه درز جوش هستند. این درز جوش میتواند ناحیه ضعیف (در برابر خوردگی، سایش، شکست عمومی) باشد.
لولههای بدون درز نسبت به لولههای جوشکاری شده از نظر گرد بودن و بیضی بودن دارای شکلهای قابل پیش بینی و دقیقتر هستند.
مزیت اصلی لولههای بدون درز این است که هزینه هر تن از این لولهها نسبت به لولههای ERW با اندازه و گرید یکسان بیشتر است (لوله بدون درز در برابر لوله ERW با دامنه اندازه قطر ۲ تا ۲۰ اینچ رقابت میکند).
زمان تحویل میتواند طولانیتر باشد زیرا تعداد سازندههای لولههای بدون درز کمتر از تعداد سازندههای لولههای ERW است (موانع ورد به بازار لولههای جوشکاری شده در برابر لولههای بدون درز کمتر هستند).
ضخامت دیواره لولههای بدون درز در طول آنها میتواند متغیر باشد و در واقع، تلرانس کلی در این زمینه ±۱۲.۵% است.
مزایا و معایب لولههای ERW
لولههای جوشکاری شده ارزانتر از لولههای بدون درز (نوع ERW HFI) هستند زیرا این نوع لولهها با استفاده از کلافهای فولادی به عنوان مواد اولیه در واحدهایی تولیدی با پیچیدگی کمتر میشوند.
مدت زمان سفارش تا تحویل لولههای جوشکاری شده کمتر از این زمان برای لولههای بدون درز است زیرا پایه تولید آنها بزرگتر است.
لولههای جوشکاری شده دارای ضخامت دیواره ثابت هستند. زیرا آنها با استفاده از کلاف (ERW) یا ورق (LSAW) تولید میشوند و هر دو تحت کنترل تلرانس شدید هستند.
«عیب» اصلی لولههای جوشکاری شده این است که وجود درز جوش عامل ضعف در این لولهها به شمار میرود. از آنجایی که وجود چنین حالتی میتواند در گذشته واقعیت داشته باشد اما با پیشرفت فناوریهای جوشکاری در ده سال گذشته چنین وضعیتی رو ز به روز در حال کاهش است.
لوله فولادی چیست ؟
لوله فولادی که تاریخچه استفاده از آن به اوایل دهه ۱۸۰۰ میلادی باز میگردد، دارای ماده اصلی فولاد بوده، طویل و توخالی که مخلوطی از آلیاژهای آهن و فلزات دیگر مانند آلومینیوم، منگنز، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم و زیرکونیوم می باشد. وزن سبک و قدرت و استحکام بسیار بالای این لوله فولادی سبب شده تا بتوان از آن در زیر زمین برای انتقال آب، گاز و حتی محافظت از سیم های برق استفاده نمود. در این مطلب شرکت تدارک گستران انرژی پارس قصد داریم تا به معرفی کامل و مفید لوله فولادی بپردازیم.
نکاتی پیرامون لوله فولادی
لوله ای که در لوله کشی گاز استفاده می شود باید از نوع فولادی سیاه یا کربن استیل باشد.
این نوع لوله باید از لحاظ ساخت، مواد، ابعاد، وزن، آزمایشات و تلرانس با استانداردهایی مطابقت داشته باشد که شامل: ISIRI، IGS، IPS، API، ASTM، AGA، MSS-SP و DIN می باشد که بعدا به تفصیل به توضیح آنها خواهیم پرداخت ، قسمت بیرونی این لوله ها باید صاف و هموار باشد.
لوله فولادی را از نظر استقامت فشاری به سه روش تقسیم می کنند که شامل روش وزنی، برنامه ای و کدینگ میباشد
این نوع لوله ها طبق روش تولید به دو نوع درزدار و بدون درز (مانیسمان) دسته بندی میشود
مواد اولیه که به شکل درز جوش و بدون درز تولید میشوند باید طبق یکی از روش های: کوره باز، کوره الکتریکی و کوره قلیانی با دمش اکسیژن باشد
هر چقدر رده لوله فولادی بالاتر باشد، ضخامت جداره آن نیز بیشتر خواهد بود
مشخصات ابعادی لوله فولادی به شرح: NPS؛ قطر اسمی لوله، ID؛ قطر داخلی لوله، OD؛ قطر خارجی لوله، SCH؛ کلاسه، L؛ طول و T، ضخامت دیواره میباشد.
انواع لوله فولادی بر اساس روش تولید:
لوله های فولادی بر اساس روش تولید به دو نوع بدون درز (مانیسمان) و درزدار تقسیم بندی میشوند که به توضیح تولید هر کدام و موارد کاربرد می پردازیم:
۱- لوله درزدار:
به این نوع لوله، لوله با درز جوش نیز میگویند که در آن رول ورق با توجه به ضخامت و سایزی که مد نظر می باشد برش داده شده و بعد از عبور از غلتک های نورد، گرد شده و درزهایی که بوجود آمده اند را جوشکاری میکنند. از انواع آن لوله گالوانیزه درز جوش است که با روکش روی بر سطح خود نسبت به خوردگی و زنگ زدگی مقاوم است. این جوشکاری به دو روش صورت میگیرد:
الف- جوشکاری مقاومت الکتریکی یا ERW: جوشکاری در این روش بدون الکترود بوده و اندازه لوله های ساخته شده از ۸.۱ تا ۲۴ اینچ میباشند. در این روش محلی که لبه ها به هم اتصال دارند با عبور دادن از میدان الکتریکی، ایجاد مقاومت و نهایتا با حرارت تولید شده، ذوب شده و بهم جوش میخورند.
ب- جوشکاری زیر پودری یا SAW: جوشکاری در این روش با کمک الکترود بوده و ماده اولیه در آن به صورت لوله در آمده و محل اتصال لبه ها با الکترود جوشکاری میشوند و برای جلوگیری از ارتباط مواد مذاب با هوا، الکترود را با پودر مخصوص محافظت میکنند که البته گاهی اوقات از گاز خنثی مثل CO۲ و آرگون نیز کمک میگیرند. اندازه لوله های ساخته شده از ۲۰ اینچ به بالا هستند که روش تولید یا به شکل درز طولی بوده یا به صورت درز مارپیچی. به طور کلی لوله فولادی درزدار به هر شیوهای که تولید شود دارای کاربردهای مختلفی است که عبارتند از: خطوط انتقال آب، نفت، گاز و پتروشیمی، پایه اسکله و پل، ستون ساختمان، نرده و مبل، کشتی سازی، معدن و تونل و در صنعت های با فشار پایین، می باشد.
۲- لوله فولاد بدون درز (مانیسمان):
این نوع از لوله های فولادی به طور معمول از شمش های گرد گداخته به کمک روش سنبه کاری چرخشی یا روشهای دیگر تولید شده و در بدنه آنها هیچ گونه درزی وجود ندارد. روش تولید این نوع از لوله فولادی به صورت:
الف- تولید لوله از بیلت: در این روش، شمش پس از گرم شدن تا حد معین، در قالب مخصوص به خود ریخته شده و با شلیک یک سنبه از مرکز آن لوله مورد نظر حاصل میگردد و سپس لوله های حاصل تحت عملیات حرارتی و تنش گیری قرار داده می شوند.
ب- ریخته گری گریز از مرکز: لوله را در مجموعه گریز از مرکز قرار می دهند که پس از اتمام شکل گیری، از قالب بیرون آورده می شود. لوله های فولادی بدون درز به دلیل استحکام و کیفیت ساخت به مراتب بالاتر نسبت به نوع درزدار خود، در صنایع با فشار بالا مانند، مخازن تحت فشار، بویلرها، مدارهای هیدرولیکی، جداره چاه های نفت، صنایع خودروسازی، هوافضا و… مورد استفاده قرار داده میشوند. همچنین از انواع آن می توان به نوع ضد انفجار اشاره نمود که در لوله کشی مناطق با خطر انفجار و آسیب دیدگی فیزیکی مورد استفاده قرار می گیرد.
دسته بندی لوله فولادی بر اساس استاندارد ها
لوله فولادی API 5L: نوعی از لوله های فولادی کربنی بوده که در صنایع نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرند که نسبت به لوله های فولادی دیگر، کنترل مواد به صورت دقیق تر و با تستهای کنترل کیفیت بیشتری صورت میگیرد. گرید این نوع از لوله های فولادی مختلف بوده اما مهمترین آنها عبارتند از: X60، X56، X52، X46، X42، B، A، X80، X70 و X65 می باشند که هم به صورت بدون درز و هم درزدار تولید می شوند.
لوله های فولادی ASTM A53: به لوله های فولادی مورد استفاده در پالایشگاه ها و پتروشیمی گفته می شود که مناسب جوشکاری، خمش و سرمایش می باشند. این نوع از لوله های فولادی دارای سه نوع S ، E و F بوده که دو نوع اول دارای گریدهای A و B و نوع سوم تنها گرید A دارد. گرید A در این نوع از لوله های فولادی، به دلیل درصد کربن پایینتر، استحکام کششی کمتر و جوشکاری آسانتری نسبت به گرید B دارد. گرید A در مقابل بارهای خمشی مقاومتر و جهت خمش سرد و ساخت کویل مناسبتر می باشد. اما گرید B در محیط های با فشار، استحکام ساختاری و تخریب کاربرد دارد. فرایند جوشکاری هر دو مشابه می باشد. همچنین طبق این استاندارد لوله های فولادی به سه نوع وزن معمولی (رده ۴۰)، سنگین (رده ۸۰) و فوق سنگین (رده ۱۶۰) تقسیم بندی می گردند.
لوله فولادی ASTM A106: نوعی از لوله فولادی کربن استیل و مشابه لوله های ASTM A53 که در لوله کشی پالایشگاه ها و پتروشیمی کاربرد داشته و جهت جوشکاری، خمش و سرمایش بسیار مناسب هستند اما نوع A106 به دلیل داشتن سیلیسیم بالاتر نسبت به A53، در دماهای بالاتری کاربرد دارند و دارای گرید C با استحکام بالاتر نیز هستند.
لوله فولادی ASTM A179: به لوله فولادی آتشخوار نیز معروف هستند که میتوانند دماهای بالای ناشی از شعله مستقیم را نیز تحمل کرده و در بویلرهای حرارتی به کار میروند. به دلیل داشتن درصد کم کربن، خمش خوبی داشته و در مبدل های گرمایی و کندانسورهای بخار استفاده می شوند.
لوله فولادی ASTM A333: به این لوله ها به دلیل کاربرد در دماهایی بسیار پایین (تا ۴۵ درجه زیر صفر)، لوله های فولادی کربنی دما پایین نیز میگویند. دارای چندین گرید (۱، ۳، ۴، ۶، ۷، ۸، ۹، ۱۰ و ۱۱) بوده که تعدادی از آنها جزء لوله های فولادی آلیاژی و تعدادی نیز جزء لوله های کربن استیل دسته بندی میشوند. به دو صورت درزدار و بدون درز تولید می گردند.
لوله فولادی AWWA C200: این نوع از لوله فولادی مناسب در سیستم انتقال آب بوده و از نقطه نظر جنس و مواد اولیه جهت ساخت مشابه با گریدهای پایین API و ASTM A53 میباشد اما ابعاد هندسی متفاوتی دارد. در سایزهای بزگتر از ۶ اینچ و به دو صورت درزدار و بدون درز تولید می شوند.
لوله فولادی DIN 2440, 2441, 2442: نوعی از لوله های فولادی کم کربن با مصارف خانگی بوده که به لوله گاز معروف هستند. نوع گالوانیزه آن نیز در انتقال آب سرد و گرم خانه ها استفاده میگردد. در قطرهای ۱.۸ تا ۶ اینچ و در سه وزن متوسط DIN 2440، سنگین DIN 2441 و فوق سنگین DIN 2442 تولید می گردند.
لوله فولادی BS 1387: مشابه با لوله های DIN 2440, 2441 بوده و در سیستم های بخار آب استفاده میگردد. حداکثر فشار قابل تحمل ۲۱ بار و دمای کار مجاز برای آنها ۲۶۰ درجه سانتی گراد می باشد.
لوله فولاد آلیاژی ASTM A335: مناسب برای دماهای بالا، دارای گریدهای مختلف بوده اما مهمترین آنها شامل: P11، P22، P91 و P92 می باشد. گرید P11: مناسب دمای بین ۴۰۰ تا ۴۷۰ درجه سانتی گراد، گرید P22: مناسب دمای بین ۴۸۰ تا ۵۵۰، گرید P91: مناسب دمای بالاتر از ۵۰۰، گرید P92: مناسب دمای بالاتر از ۵۶۰ میباشد.
لوله فولادی ضد زنگ استنلس استیل ASTM A312: به دلیل داشتن کروم و نیکل ضد زنگ هستند و عنصر مولیبدن در آنها سبب مقاومت در دماهای بالا و پایین شده است. مهمترین گرید این نوع از لوله های فولادی ۳۰۴، ۳۱۶ و ۳۲۱ می باشد. تنوع جنس این نوع از لوله های استنلس استیل شامل: A312-TP304: کاربرد در خطوط آبی که سختی آن گرفته شده باشد، A312-TP317: جهت خطوط نمونه گیری و A312-TP316: برای خطوط آب دریا که قطر نامی آنها از ۱۵۰ به پایین باشد.
مقاوم سازی لوله های فولادی:
لوله های فولادی طیف کاربردی بسیار گسترده ای دارد که شاید مهمترین آنها، لوله های نفت، گاز، لوله آب و فاضلاب باشند. در صورتی که آسیبی به لوله ها آنها وارد شود یا در اثر گذشت زمان خوردگی و نهایتا شکستگی رخ دهد میتواند به ترتیب سبب انفجار و خسارات جانی و مالی، در فشار قرار دادن افراد و هم چنین به خطر انداختن سلامتی افراد گردد. از طرفی چون جایگزین کردن لوله های آسیب دیده با نوع سالم، بسیار هزینه بر و زمان بر میباشد و شاید غیر ممکن باشد لذا بهترین روش جهت جلوگیری استفاده از لوله اصلی و استاندارد ترجیحا اروپایی ، مقاوم سازی لوله فولادی به کمک کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف FRP بوده که در برابر خوردگی مقاوم بوده، نصب آسان داشته و سبک هستند و همچنین با کاهش تنش های وارده به لوله، آسیب به آن را کاهش می دهند.