الأنابيب الفولاذية عبارة عن أنابيب طويلة مجوفة تُستخدم لأغراض متنوعة. تُصنع بطريقتين رئيسيتين، ينتج عنهما إما أنبوب ملحوم أو أنبوب غير ملحوم. في كلتا الطريقتين، يُصب الفولاذ الخام أولاً في قالب أكثر قابلية للتشكيل. ثم يُصنع منه أنبوب إما بتمديد الفولاذ إلى أنبوب غير ملحوم أو بضغط الحواف معًا ولحامها. ظهرت أولى طرق إنتاج الأنابيب الفولاذية في أوائل القرن التاسع عشر، وتطورت تدريجيًا إلى العمليات الحديثة التي نستخدمها اليوم. يُنتج سنويًا ملايين الأطنان من الأنابيب الفولاذية، وتجعلها خصائصها المتعددة المنتج الأكثر استخدامًا في صناعة الصلب.
تاريخ
استخدم البشر الأنابيب لآلاف السنين. ولعل أول استخدام لها كان من قبل المزارعين القدماء الذين كانوا يحولون المياه من الجداول والأنهار إلى حقولهم. وتشير الأدلة الأثرية إلى أن الصينيين استخدموا أنابيب القصب لنقل المياه إلى أماكن محددة منذ عام 2000 قبل الميلاد. كما تم اكتشاف أنابيب طينية استخدمتها حضارات قديمة أخرى. وخلال القرن الأول الميلادي، صُنعت أولى أنابيب الرصاص في أوروبا. وفي البلدان الاستوائية، استُخدمت أنابيب الخيزران لنقل المياه. واستخدم المستعمرون الأمريكيون الخشب لغرض مماثل. وفي عام 1652، أُنشئت أول شبكة مياه في بوسطن باستخدام جذوع الأشجار المجوفة.
تُصنع الأنابيب الملحومة عن طريق دحرجة شرائح الفولاذ عبر سلسلة من البكرات المحززة التي تُشكّل المادة على هيئة دائرية. بعد ذلك، يمر الأنبوب غير الملحوم عبر أقطاب اللحام. تعمل هذه الأجهزة على إحكام إغلاق طرفي الأنبوب معًا.
في وقت مبكر من عام 1840، كان بإمكان عمال الحديد إنتاج أنابيب غير ملحومة. في إحدى الطرق، كان يتم حفر ثقب في قطعة معدنية صلبة مستديرة. ثم تُسخّن القطعة وتُسحب عبر سلسلة من القوالب التي تُطيلها لتشكيل أنبوب. كانت هذه الطريقة غير فعّالة لصعوبة حفر الثقب في المنتصف، مما ينتج عنه أنبوب غير متساوٍ، حيث يكون أحد جانبيه أكثر سمكًا من الآخر. في عام 1888، مُنحت براءة اختراع لطريقة مُحسّنة. في هذه العملية، تُصبّ القطعة المعدنية الصلبة حول قلب من الطوب المقاوم للحريق. عند تبريدها، يُزال الطوب تاركًا ثقبًا في المنتصف. ومنذ ذلك الحين، حلت تقنيات الدرفلة الحديثة محل هذه الطرق.
تصميم
يوجد نوعان من الأنابيب الفولاذية، أحدهما غير ملحوم والآخر ملحوم بوصلة واحدة على طوله. ولكل منهما استخدامات مختلفة. فالأنابيب غير الملحومة عادةً ما تكون أخف وزنًا وأقل سمكًا، وتُستخدم في الدراجات الهوائية ونقل السوائل. أما الأنابيب الملحومة فهي أثقل وزنًا وأكثر صلابة، وتتميز بتجانس أفضل واستقامة أكبر، وتُستخدم في تطبيقات مثل نقل الغاز، وتوصيلات الكهرباء، وأعمال السباكة. وعادةً ما تُستخدم في الحالات التي لا تتعرض فيها الأنابيب لضغط كبير.
مواد خام
المادة الخام الأساسية في صناعة الأنابيب هي الفولاذ، الذي يتكون أساسًا من الحديد. وتشمل المعادن الأخرى التي قد توجد في السبيكة الألومنيوم والمنغنيز والتيتانيوم والتنغستن والفاناديوم والزركونيوم. وتُستخدم أحيانًا بعض مواد التشطيب أثناء عملية الإنتاج، مثل الطلاء.
تُصنع الأنابيب غير الملحومة باستخدام عملية تسخين وتشكيل قطعة صلبة على شكل أسطواني، ثم تُدحرج حتى تتمدد وتُجوّف. ولأن مركز التجويف غير منتظم الشكل، تُدفع أداة ثقب مدببة الشكل عبر منتصف القطعة أثناء دحرجتها. يُستخدم طلاء الأنابيب في حال كانت مطلية. عادةً، تُوضع كمية قليلة من الزيت على أنابيب الصلب في نهاية خط الإنتاج، مما يساعد على حمايتها. وعلى الرغم من أن حمض الكبريتيك ليس جزءًا من المنتج النهائي، إلا أنه يُستخدم في إحدى خطوات التصنيع لتنظيف الأنبوب.
عملية التصنيع
تُصنع أنابيب الصلب بعمليتين مختلفتين. تتضمن طريقة الإنتاج الإجمالية لكلا العمليتين ثلاث خطوات. أولاً، يُحوّل الصلب الخام إلى شكل أكثر قابلية للتشكيل. ثانياً، يُشكّل الأنبوب على خط إنتاج مستمر أو شبه مستمر. أخيراً، يُقطع الأنبوب ويُعدّل لتلبية احتياجات العميل. تستخدم بعض شركات تصنيع أنابيب الصلبآلة قطع الأنابيب بالليزرإلى القطع المسبق أو تجويف الأنبوب لزيادة القدرة التنافسية للأنابيب
تُصنع الأنابيب غير الملحومة باستخدام عملية تسخين وتشكيل قطعة صلبة على شكل أسطواني، ثم تُدحرج حتى تتمدد وتُفرغ من الداخل. ولأن مركز التجويف غير منتظم الشكل، تُدفع أداة ثقب مدببة الشكل عبر منتصف القطعة أثناء دحرجتها.
إنتاج السبائك
1. يُصنع الفولاذ المنصهر عن طريق صهر خام الحديد وفحم الكوك (مادة غنية بالكربون تنتج عن تسخين الفحم في غياب الهواء) في فرن، ثم إزالة معظم الكربون بضخ الأكسجين في السائل. بعد ذلك، يُصب الفولاذ المنصهر في قوالب حديدية كبيرة ذات جدران سميكة، حيث يبرد ويتحول إلى سبائك.
2. لتشكيل منتجات مسطحة مثل الصفائح والألواح، أو منتجات طويلة مثل القضبان والأسلاك، تُشكّل السبائك بين أسطوانات كبيرة تحت ضغط هائل، مما ينتج عنه كتل وألواح.
3. لإنتاج كتلة فولاذية، تُمرر السبيكة عبر زوج من بكرات فولاذية مُخددة مُكدسة فوق بعضها. تُسمى هذه البكرات "مطاحن ثنائية الارتفاع". في بعض الحالات، تُستخدم ثلاث بكرات. تُركب البكرات بحيث تتطابق أخاديدها، وتتحرك في اتجاهين متعاكسين. يؤدي هذا إلى ضغط الفولاذ وتمديده إلى قطع أرق وأطول. عندما يعكس المشغل حركة البكرات، يُسحب الفولاذ للخلف، مما يجعله أرق وأطول. تُكرر هذه العملية حتى يصل الفولاذ إلى الشكل المطلوب. خلال هذه العملية، تقوم آلات تُسمى أجهزة المناولة بقلب الفولاذ بحيث تتم معالجة كل جانب بالتساوي.
4. يمكن أيضًا دحرجة السبائك إلى ألواح في عملية مشابهة لعملية تشكيل الكتل الفولاذية. يمر الفولاذ عبر زوج من البكرات المتراصة التي تعمل على تمديده. ومع ذلك، توجد أيضًا بكرات مثبتة على الجانب للتحكم في عرض الألواح. عندما يكتسب الفولاذ الشكل المطلوب، تُقطع الأطراف غير المتساوية وتُقطع الألواح أو الكتل إلى قطع أقصر. مزيد من المعالجة
٥. تخضع الكتل المعدنية عادةً لمزيد من المعالجة قبل تحويلها إلى أنابيب. تُحوّل الكتل إلى قطع معدنية عن طريق تمريرها عبر المزيد من آلات الدرفلة، مما يجعلها أطول وأضيق. تُقطع هذه القطع المعدنية بواسطة آلات تُعرف باسم المقصات الطائرة. وهي عبارة عن زوج من المقصات المتزامنة التي تتحرك بسرعة مع القطعة المعدنية وتقطعها. يتيح ذلك إجراء عمليات قطع فعالة دون توقف عملية التصنيع. تُكدّس هذه القطع المعدنية لتُشكّل في النهاية أنابيب غير ملحومة.
٦. تُعاد معالجة الألواح أيضًا. ولجعلها قابلة للطرق، تُسخّن أولًا إلى ١٢٠٤ درجة مئوية (٢٢٠٠ درجة فهرنهايت). يؤدي ذلك إلى تكوّن طبقة أكسيد على سطح اللوح. تُزال هذه الطبقة باستخدام آلة تكسير القشور ورذاذ الماء عالي الضغط. ثم تُمرّر الألواح عبر سلسلة من البكرات في مطحنة ساخنة، حيث تُصنع منها شرائط فولاذية رفيعة تُسمى "سكيلب". قد يصل طول هذه المطحنة إلى نصف ميل. ومع مرور الألواح عبر البكرات، تصبح أرق وأطول. في غضون ثلاث دقائق تقريبًا، يمكن تحويل لوح واحد من قطعة فولاذية بسمك ١٥.٢ سم (٦ بوصات) إلى شريط فولاذي رفيع قد يصل طوله إلى ربع ميل.
7. بعد عملية التمديد، يُعالج الفولاذ بالتخليل. تتضمن هذه العملية تمريره عبر سلسلة من الخزانات التي تحتوي على حمض الكبريتيك لتنظيف المعدن. في النهاية، يُشطف بالماء البارد والساخن، ويُجفف، ثم يُلف على بكرات كبيرة ويُعبأ لنقله إلى مصنع تصنيع الأنابيب.
٨. يُستخدم كل من الفولاذ الخام والسبائك في صناعة الأنابيب. يُصنع الأنبوب الملحوم من الفولاذ الخام. يُوضع أولاً على آلة فك اللفائف. أثناء فك لفة الفولاذ، يتم تسخينها. ثم يمر الفولاذ عبر سلسلة من البكرات المحززة. أثناء مروره، تتسبب البكرات في انحناء حواف الفولاذ الخام معًا، مما يُشكل أنبوبًا غير ملحوم.
٩. بعد ذلك، يمر الفولاذ عبر أقطاب اللحام. تعمل هذه الأجهزة على إحكام إغلاق طرفي الأنبوب. ثم يمر اللحام عبر أسطوانة ضغط عالٍ، مما يساعد على تكوين لحام محكم. بعد ذلك، يُقطع الأنبوب إلى الطول المطلوب ويُكدس لمزيد من المعالجة. تُعد عملية لحام أنابيب الفولاذ عملية مستمرة، وبحسب حجم الأنبوب، يمكن إنتاجه بسرعة تصل إلى ١١٠٠ قدم (٣٣٥.٣ مترًا) في الدقيقة.
١٠. عند الحاجة إلى أنابيب غير ملحومة، تُستخدم قوالب مربعة الشكل في الإنتاج. تُسخّن هذه القوالب وتُشكّل على هيئة أسطوانة. ثم توضع الأسطوانة في فرن حيث تُسخّن حتى تصبح شديدة السخونة. بعد ذلك، تُدحرج الأسطوانة الساخنة تحت ضغط عالٍ. يؤدي هذا الضغط العالي إلى تمدد القالب وتكوّن ثقب في مركزه. ولأن هذا الثقب غير منتظم الشكل، يُدفع رأس مدبب على شكل رصاصة عبر منتصف القالب أثناء دحرجته. بعد مرحلة الثقب، قد يظل الأنبوب غير منتظم السماكة والشكل. ولتصحيح ذلك، يُمرّر عبر سلسلة أخرى من مطاحن الدرفلة. المعالجة النهائية
١١. بعد تصنيع أي نوع من الأنابيب، يمكن تمريرها عبر آلة تقويم. كما يمكن تزويدها بوصلات لربط قطعتين أو أكثر. النوع الأكثر شيوعًا للوصلات في الأنابيب ذات الأقطار الصغيرة هو اللولبة - وهي عبارة عن أخاديد ضيقة تُقطع في نهاية الأنبوب. تُمرر الأنابيب أيضًا عبر آلة قياس، حيث تُطبع هذه المعلومات، إلى جانب بيانات مراقبة الجودة الأخرى، تلقائيًا على الأنبوب. ثم يُرش الأنبوب بطبقة خفيفة من الزيت الواقي. تُعالج معظم الأنابيب عادةً لمنعها من الصدأ، وذلك عن طريق الجلفنة أو طلاءها بالزنك. وبحسب استخدام الأنبوب، قد تُستخدم أنواع أخرى من الدهانات أو الطلاءات.
ضبط الجودة
تُتخذ إجراءات متنوعة لضمان مطابقة أنابيب الصلب النهائية للمواصفات. على سبيل المثال، تُستخدم مقاييس الأشعة السينية لضبط سُمك الصلب. تعمل هذه المقاييس باستخدام شعاعين من الأشعة السينية؛ يُوجَّه أحدهما إلى قطعة صلب ذات سُمك معروف، بينما يُوجَّه الآخر إلى قطعة الصلب المارة على خط الإنتاج. في حال وجود أي اختلاف بين الشعاعين، يقوم المقياس تلقائيًا بتعديل أبعاد البكرات لتعويض هذا الاختلاف.
تُفحص الأنابيب أيضًا بحثًا عن العيوب في نهاية العملية. إحدى طرق اختبار الأنابيب هي استخدام جهاز خاص. يقوم هذا الجهاز بملء الأنبوب بالماء ثم يزيد الضغط لمعرفة ما إذا كان يتحمله. تُعاد الأنابيب المعيبة إلى المصنع لإعادة تدويرها.