راهنمای نهایی ماشین آلات ساخت لوله های فولادی: ویژگی ها و مزایا

درک فرآیندهای تولید لوله‌های فولادی و انواع ماشین‌آلات

مروری بر فرآیند تولید لوله فولادی و تحولات آن

تولید لوله‌های فولادی پیشرفت قابل توجهی از روش‌های قدیمی دستی و آهنگری داشته است و امروزه به سیستم‌های کنترل شده توسط کامپیوتر رسیده است. بر اساس گزارش MetalForming Quarterly (2023)، روش‌های مدرن در حال حاضر دقتی حدود 92 درصد در ابعاد لوله‌ها برای کاربردهای مهم فراهم می‌کنند. فرآیند اولیه با باز کردن سیم‌پیچ‌های بزرگ فولادی آغاز می‌شود و سپس این ورق‌ها به کمک مجموعه‌ای از غلتک‌ها به صورت متوالی به شکل استوانه‌ای درمی‌آیند. در تولید لوله جوش‌دار، از یک روش پیشرفته جوشکاری با فرکانس بالا استفاده می‌شود که لبه‌های ورق را با سرعتی بالغ بر 60 متر در دقیقه به هم متصل می‌کند. از سال 2015، این خودکارسازی‌ها منجر به کاهش تقریبی 40 درصدی ضایعات مواد اولیه شده است. علاوه بر این، تولیدکنندگان اکنون می‌توانند ضخامت دیواره لوله را با دقت بسیار بالایی تا حدود مثبت و منفی 0.1 میلی‌متر کنترل کنند.

تفاوت‌های کلیدی بین روش‌های تولید لوله فولادی بدون درز (SMLS) و لوله جوش‌دار

فرآیند تولید لوله‌های بدون درز شامل گرم کردن بیلت‌های فولادی و سپس استفاده از تکنیک‌های سوراخ‌کاری چرخشی است که منجر به ایجاد ساختار دانه‌های یکنواختی می‌شود که در مخازن تحت فشار بالای ۱۵,۰۰۰ PSI عملکرد خوبی دارد. در مورد لوله‌های جوش‌داده‌شده که از نوارهای فولادی پیچیده‌شده ساخته می‌شوند، هزینه تولید آنها حدود ۴۰ درصد کمتر است، به‌ویژه برای قطرهای بزرگ، مطابق با استانداردهای صنعتی مانند ASME B36.19 از سال ۲۰۲۳. اکثر شرکت‌های نفت و گاز همچنان برای تجهیزات چاهی خود به لوله‌های SMLS متکی هستند، اما جالب اینجاست که برخی از انواع جدیدتر جوش‌داده‌شده که از روش جوشکاری قوسی غوطه‌ور طولی یا LSAW استفاده می‌کنند، پس از انجام فرآیندهای نرمال‌سازی پس از جوشکاری، می‌توانند به حدود ۹۵ درصد استحکام لوله‌های بدون درز سنتی دست یابند.

نقش ماشین‌های ساخت لوله فولادی در تولید مدرن لوله و تیوب

تولید لوله‌های فولادی پیشرفت‌های زیادی داشته است و امروزه ماشین‌آلات مجهز به قابلیت‌های آزمون اولتراسونیک در خط تولید هستند. این سیستم‌ها می‌توانند نقص‌های بسیار ریز را در سطح میکرون دقیقاً در حین تولید شناسایی کنند که طبق گزارش منتشر شده در سال گذشته توسط مجله Pipe Manufacturing Today، منجر به کاهش حدود ۵۷ درصدی هزینه‌های کنترل کیفیت می‌شود. چیزی که این ماشین‌آلات را واقعاً متمایز می‌کند، توانایی آن‌ها در تنظیم خودکار تنظیمات جوشکاری هنگام تشخیص تغییرات در ضخامت مواد است. این امر عمق نفوذ جوش را تقریباً ثابت نگه می‌دارد و انحراف آن را تنها در حد ۰٫۳ میلی‌متر از مقدار مورد نیاز حفظ می‌کند. بسیاری از واحدهای تولیدی مدرن با استفاده از سیستم‌های ترکیبی، همزمان لوله‌های ERW و LSAW را تولید می‌کنند. با به اشتراک گذاشتن اجزای گرمایشی و شکل‌دهی بین انواع مختلف لوله، این تولید ترکیبی موفق به کاهش حدود ۲۲ درصدی مصرف انرژی به ازای هر تن محصول تولیدی شده است.

فناوری‌های اصلی در ماشین‌های ساخت لوله فولادی: SMLS، ERW و LSAW

تولید مدرن لوله‌های فولادی به سه فناوری اصلی متکی است: بدون درز (SMLS) , جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) ، و جوشکاری قوسی غوطه‌ور در راستای طولی/مَرزِ مارپیچ (LSAW/SSAW) . هر یک از این روش‌ها نیازهای صنعتی خاصی را از طریق فرآیندهای تخصصی پوشش می‌دهند.

تولید لوله بدون درز (SMLS): فرآیندهای نورد داغ، سوراخ‌کاری و کشش سرد

لوله‌های SMLS به شیوه‌ای متفاوت از لوله‌های جوش‌داده‌شده تولید می‌شوند. این فرآیند با گرم کردن یک بیله فولادی تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد آغاز می‌شود و سپس از طریق تکنیک چرخشی افزایش طول، آن را سوراخ می‌کنند. آنچه این لوله‌ها را ویژه می‌کند، ضخامت یکنواخت دیواره آن‌هاست که بین ۲ تا ۴۰ میلی‌متر متغیر است و امکان تحمل فشارهای بسیار بالا را فراهم می‌کند، گاهی تا ۲۰۰۰۰ پوند بر اینچ مربع. به همین دلیل است که این لوله‌ها اغلب در محیط‌های پیچیده‌ای مانند مجاری نفت و ایستگاه‌های انرژی هسته‌ای که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، استفاده می‌شوند. برای دقت ابعادی بیشتر در کاربردهایی مانند سیستم‌های سوخت خودرو، پس از فرآیند اولیه شکل‌دهی، تولیدکنندگان از تکنیک کشش سرد استفاده می‌کنند تا ابعاد دقیق مورد نیاز برای کاربردهای حساس به دست آید.

فناوری جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) و جوشکاری فرکانس بالا (HFW)

دستگاه‌های ERW نوارهای فولادی را به شکل استوانه درآورده و لبه‌ها را با استفاده از گرمای مقاومت الکتریکی موضعی متصل می‌کنند. انواع HFW در محدوده ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلوهرتز کار می‌کنند و عیوب منطقه جوش را نسبت به روش سنتی ERW تا ۶۰٪ کاهش می‌دهند (تحلیل تولید لوله فولادی ۲۰۲۴). این سیستم‌ها در تولید لوله‌هایی با قطر تا ۶۱۰ میلی‌متر برای توزیع آب و سازه‌های فلزی عملکرد بسیار خوبی دارند.

جوشکاری قوسی غوطه‌ور طولی (LSAW): روند شکل‌دهی، جوشکاری و اتوماسیون

دستگاه‌های LSAW صفحات فولادی را به شکل J/C خم کرده و سپس درزهای جوش را زیر لایه‌های روکش جوش متصل می‌کنند. سیستم‌های اتوماتیک امروزه به 98٪ یکپارچگی جوش در خطوط لوله با قطر بیش از 1,422 میلی‌متر دست یافته‌اند که برای پروژه‌های بین‌قاره‌ای نفت و گاز حیاتی است. نظارت لحظه‌ای از طریق سنسورهای اینترنت اشیا (IoT) در نصب‌های مدرن، ضایعات مواد را تا 15٪ کاهش می‌دهد.

جوشکاری قوسی غوطه‌ور مارپیچ (SSAW): شکل‌دهی مداوم و کارایی هزینه

فناوری SSAW به صورت مارپیچی نوارهای فولادی را در زوایای ۱۵ تا ۲۵ درجه پیچانده و امکان تولید لوله با قطر ۲۱۹ تا ۳٬۵۰۰ میلی‌متر را با استفاده از کویل‌های تک‌عرض فراهم می‌کند. این روش هزینه مواد اولیه را در پروژه‌های بزرگ زیرساختی مانند شمع‌کوبی و سیستم‌های زهکشی تا ۳۰٪ کاهش می‌دهد (مطالعه کاربردهای صنعتی لوله).

این جدول مقایسه‌ای از نحوه تعادل هر روش در مقیاس، الزامات ساختاری و اقتصاد عملیاتی است.

مزایای مقایسه‌ای دستگاه‌های ساخت لوله فولادی بر اساس کاربرد

استحکام و دوام: لوله‌های بدون درز در مقابل لوله‌های جوش‌داده‌شده در محیط‌های فشار بالا

لوله‌های فولادی که بدون جوش از طریق فرآیندهایی مانند سوراخ‌کاری داغ چرخشی و اکستروژن سرد ساخته می‌شوند، دارای استحکام یکنواخت در تمام نقاط هستند که این امر زمانی که با خطوط نفت و گاز تحت فشار بالا سروکار داریم بسیار مهم است. از آنجا که این لوله‌ها هیچ درز جوشی ندارند، بر اساس مطالعه‌ای که ASME در سال ۲۰۱۹ انجام داده است، توانایی تحمل پارگی را حدود ۱۲ تا ۱۸ درصد بیشتر از لوله‌های جوش‌دار در فشارهای بالای ۱۰۰۰ psi دارند. از سوی دیگر، لوله‌های جوش‌دار امروزی معمولاً از روشی به نام جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) برای ایجاد اتصالاتی که به حدود ۹۵ درصد استحکام فلز اولیه می‌رسند، استفاده می‌کنند. این لوله‌ها برای کاربردهایی مانند سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع که فشارها به این شدت بالا نیستند، عملکرد مناسبی دارند.

صرفه‌جویی در هزینه و قابلیت گسترش ERW و SSAW در تولید انبوه

در مورد صرفه‌جویی در مواد، جوشکاری مقاومتی الکتریکی (ERW) و جوشکاری قوس غوطه‌ور مارپیچی (SSAW) به‌وضوح در مقابل روش‌های سنتی بدون درز برجسته هستند و ضایعات را حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهند. فرآیند ERW به‌ویژه بسیار سریع است و در بسیاری از کارخانه‌ها با سرعتی بیش از ۴۰ متر در دقیقه پیش می‌رود. این بهبودها تنها در کاغذ ظاهر خوبی ندارند، بلکه به صرفه‌جویی واقعی در هزینه برای تولیدکنندگان لوله‌های مورد استفاده در سیستم‌های لوله‌کشی یا تقویت‌کننده‌های ساختاری تبدیل می‌شوند و قیمت واحد را حدود ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهند. برای لوله‌های با قطر بزرگ‌تر، تکنیک SSAW با رویکرد منحصر به فرد شکل‌دهی هلیکالی حتی فراتر می‌رود. این روش خاص توانایی کاهش هزینه‌های تولید را تقریباً ۳۵ درصد نسبت به روش‌های قدیمی جوشکاری طولی دارد که دهه‌ها در صنعت مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

نیازهای خطوط لوله با قطر بزرگ: چرا LSAW در پروژه‌های زیرساختی برتری دارد

جوشکاری قوسی غوطهور طولی یا LSAW واقعاً در تولید لوله‌های با قطر بالا بین ۲۴ تا ۷۲ اینچ که برای خطوط نفت بلندمدت و سیستم‌های آبرسانی شهری نیاز داریم، عالی عمل می‌کند. آنچه این روش را متمایز می‌کند، روش کار آن از طریق چندین مرحله فشار دادن و انجام دو بار عبور در جوش‌هاست. این امر منجر به ضخامت دیواره نسبتاً یکنواختی در حدود ۱٫۵ تا ۲ میلی‌متر می‌شود که استانداردهای سختگیرانه API 5L درجه X70 را که اکثر پروژه‌های خط لوله مطلوب دارند، برآورده می‌سازد. با نگاهی به نصب‌های جهانی از سال ۲۰۲۰ تا سال گذشته، حدود دو سوم تمام خطوط لوله جدید در واقع از این لوله‌های LSAW استفاده کرده‌اند. چرا؟ زیرا آنها استحکام خوبی با تنش تسلیم ۵۵۰ مگاپاسکال ارائه می‌دهند و همچنان با توجه به داده‌های ارائه شده در کنگره جهانی خطوط لوله در سال ۲۰۲۳، نصب آنها کارآمد است.

ادغام اتوماسیون و دقت در شکل‌دهی و پرداخت نهایی لوله

گرمایش، نورد و شکل‌دهی: هماهنگی مراحل در ماشین‌های ساخت لوله فولادی

امروزه تجهیزات تولید لوله‌های فولادی، فرآیندهای گرمایش، نورد و مراحل شکل‌دهی را در یک خط تولید پیوسته ترکیب می‌کنند. بسیاری از نصب‌های مدرن به کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر یا PLCها متکی هستند تا دما را در طول فاز گرمایش دقیق نگه دارند که این امر به تولید کیفیتی یکنواخت در سراسر کل محموله کمک می‌کند. بر اساس گزارش‌های اخیر صنعتی از پونمون (2023)، این سیستم‌های خودکار حدود 18 درصد از انرژی هدررفته را کاهش می‌دهند در حالی که همچنان به تحملات دقیق به میزان مثبت یا منفی 0.2 میلی‌متر در ابعاد لوله نهایی دست می‌یابند. جادوی واقعی از طریق نظارت مداوم با حسگرها اتفاق می‌افتد که به‌صورت خودکار تنظیمات غلتک‌ها را هر زمان لازم اصلاح می‌کنند. این امر لوله‌ها را مستقیم و دقیق نگه می‌دارد حتی وقتی دستگاه با سرعتی بیش از 40 متر در دقیقه داغ کاری می‌کند.

اندازه‌گیری، برش و پرداخت سطحی برای دقت ابعادی

سیستم‌های اتوماتیک اندازه‌گیری و برش، خطاهای انسانی در ابعاد نهایی لوله را حذف می‌کنند. ابزارهای اندازه‌گیری هدایت‌شده با لیزر، تیغ‌های برش را با دقت ۰٫۰۵ میلی‌متر تنظیم می‌کنند که برای کاربردهای خطوط لوله تحت فشار بالا حیاتی است.

پرداخت سطح اتوماتیک، مقاومت در برابر خوردگی را از طریق پاشش کنترل‌شده گلوله‌ای و اعمال پوشش بهبود می‌بخشد.

نقش اتوماسیون در بهبود بازده و کاهش توقف‌های تولید

تجهیزات تولید لوله فولادی که توسط PLC ها راه‌اندازی می‌شوند، بخاطر سیستم‌های نگهداری هوشمند که مشکلات را قبل از وقوع پیش‌بینی می‌کنند، حدود ۹۸٫۷٪ قابلیت دسترسی دارند. تنظیمات مدرن اینترنت اشیاء (IoT) با بررسی ارتعاشات و اندازه‌گیری دما، بلبرینگ‌های فرسوده را سه روز قبل از خرابی تشخیص می‌دهند که طبق گزارش‌های کارخانه‌ها در سال گذشته، این امر باعث کاهش حدود دو سومی توقف‌های غیرمنتظره شده است. اکنون بازرسی‌های کیفیت نیز از هوش مصنوعی استفاده می‌کنند و ترک‌های بسیار ریز به عرض تنها ۰٫۱ میلی‌متر را شناسایی می‌کنند که بیشتر اوقات از دید بازرسان انسانی پنهان می‌ماند. این امر طبق مطالعه‌ای که در سال ۲۰۲۳ توسط پونمون انجام شد، بازده تولید را نسبت به روش‌های سنتی تقریباً ۲۰٪ افزایش داده است. تمام این ارتقاء‌های فناوری به کارخانه‌ها اجازه می‌دهند که بدون وقفه و به صورت ۲۴ ساعته کار کنند و در عین حال همچنان مشخصات سخت‌گیرانه ISO 3183 در مورد کیفیت خطوط لوله را که شرکت‌های نفتی به شدت اعمال می‌کنند، رعایت کنند.

روند صنعت و چشم‌انداز آینده ماشین‌آلات ساخت لوله فولادی

تولید لوله‌های فولادی در حال حاضر رونق بسیار زیادی دارد، به‌ویژه در زمینه نیازهای زیرساختی انرژی. با توجه به پیش‌بینی‌های اخیر بازار، شاهد رشد سالانه حدود ۹٫۴ درصدی برای لوله‌های فولادی جوش‌داده‌شده مورد استفاده در انتقال نفت و گاز تا سال ۲۰۳۲ هستیم. بخش عمده‌ای از این رشد به دلیل ساخت خطوط لوله جدید در مناطق آسیا و اقیانوسیه و همچنین بخش‌هایی از خاورمیانه است. اعداد و ارقام نیز این موضوع را تأیید می‌کنند. طبق گزارش جهانی تولید لوله در سال گذشته، تقریباً دو سوم کارخانه‌های فولاد در حال حاضر تمرکز خود را بر روی تجهیزات LSAW با قطر بزرگ قرار داده‌اند. این امر کاملاً منطقی است، چرا که پروژه‌های بزرگ خطوط لوله بین‌المللی به لوله‌های بزرگ‌تری نیاز دارند تا بتوانند حجم بالای انتقال را به‌طور مؤثر مدیریت کنند.

استقبال از تولید هوشمند و اینترنت اشیا (IoT) در تجهیزات کارخانه‌های تولید لوله

دستگاه‌های مدرن ساخت لوله فولادی به طور فزاینده‌ای از حسگرهای اینترنت اشیا (IoT) و الگوریتم‌های نگهداری پیش‌بینانه استفاده می‌کنند که با نظارت بلادرنگ بر اجزای حیاتی مانند سر جوشکاری با فرکانس بالا و غلتک‌های شکل‌دهی، خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌نشده را تا ۱۸٪ کاهش می‌دهند (PwC 2023). سیستم‌های اندازه‌گیری خودکار ضخامت اکنون دقت ابعادی ±0.1 میلی‌متر را به دست می‌آورند و هدررفت مواد را به حداقل می‌رسانند.

پایداری و بهره‌وری انرژی در دستگاه‌های مدرن ساخت لوله فولادی

کارخانه‌های نسل جدید از ترمزهای بازیافت‌کننده در ایستگاه‌های نورد و سیستم‌های بازیابی گرمای هدررفته استفاده می‌کنند و مصرف انرژی را در مقایسه با تجهیزات عرضه‌شده در سال 2010 تا ۲۷٪ کاهش می‌دهند (گزارش جهانی تولید لوله 2024). سازندگان در حال استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده آب با چرخه بسته هستند که مصرف آب تازه را به میزان ۲۵۰۰ گالن به ازای هر تن لوله تولیدی کاهش می‌دهند و به این ترتیب نگرانی‌های زیست‌محیطی در مناطق با کمبود آب را کاهش می‌دهند.

سوالات متداول

تفاوت بین لوله‌های فولادی بدون درز و جوش‌کاری‌شده چیست؟

لوله‌های فولادی بدون درز بدون هیچ جوشی ساخته می‌شوند و استحکامی یکنواخت دارند که آن‌ها را برای محیط‌های با فشار بالا ایده‌آل می‌کند. لوله‌های جوش‌دار با روش‌هایی مانند جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) به هم متصل می‌شوند که راه‌حل‌هایی مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای کم‌فشارتر فراهم می‌کند.

کدام روش تولید لوله فولادی از نظر هزینه به صرفه‌تر است؟

جوشکاری مقاومت الکتریکی (ERW) و جوشکاری قوسی غوطه‌ور مارپیچی (SSAW) از روش‌های بدون درز مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند، به‌ویژه در تولید انبوه، که ضایعات و هزینه‌های کلی تولید را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.

چرا لوله‌های LSAW برای کاربردهای قطر بزرگ ترجیح داده می‌شوند؟

لوله‌های LSAW دارای ضخامت دیواره یکنواخت و یکپارچگی بالا هستند و برای کاربردهای قطر بزرگ مانند سیستم‌های آب شهری و خطوط لوله نفت طولانی بسیار مناسب هستند.