جوشکاری لولهها: بررسی فرآیندهای رایج (SMAW, GTAW) و اهمیت تستهای غیر مخرب (NDT)
مقدمه:
جوشکاری (Welding) فرآیندی اساسی در ساخت و نصب خطوط لوله و اتصالات تحت فشار است که هدف آن ایجاد یک اتصال دائمی و یکپارچه (Homogeneous) بین دو قطعه فلزی است.
در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی، لولهکشی تحت فشار یا دماهای بالا مستلزم اتصالات جوشی با قابلیت اطمینان ۱۰۰٪ است.
کیفیت جوش مستقیماً بر ایمنی و دوام کل سیستم پایپینگ تأثیر میگذارد، زیرا هرگونه نقص میتواند به عنوان نقطه شروع برای ترکخوردگی یا خوردگی تنشی عمل کند.
در این مقاله، به بررسی دو روش جوشکاری قوس الکتریکی بسیار رایج و نقش حیاتی تستهای غیر مخرب میپردازیم.
بررسی فرآیند SMAW (Shielded Metal Arc Welding):
SMAW که به عنوان جوشکاری قوسی با الکترود پوششدار نیز شناخته میشود، یکی از پرکاربردترین و انعطافپذیرترین روشهای جوشکاری است. این روش به دلیل سادگی تجهیزات و قابلیت اجرا در شرایط محیطی نامساعد، یک انتخاب رایج برای کارهای میدانی و تعمیرات است.
مکانیسم عملکرد: در این فرآیند، قوس الکتریکی بین قطعه کار و یک الکترود مصرفی (که با پوششی از مواد شیمیایی پوشانده شده است) برقرار میشود. پوشش الکترود دو وظیفه کلیدی دارد:
تولید گاز محافظ: مواد پوشش در حین ذوب شدن، گازی تولید میکنند که حوضچه مذاب را در برابر آلایندههای اتمسفری (اکسیژن و نیتروژن) محافظت میکند.
تشکیل سرباره (Slag): پوشش ذوب شده به صورت یک لایه سرباره روی جوش منجمد شده قرار میگیرد. این سرباره به عنوان یک عایق حرارتی عمل کرده، سرعت سرد شدن جوش را کنترل میکند و از تشکیل تخلخل جلوگیری مینماید.
مزایا:
قابلیت استفاده در محیطهای باز و شرایط نامساعد (مانند باد)، تجهیزات نسبتاً ارزان و قابل حمل، و قابلیت جوشکاری طیف وسیعی از فلزات آهنی و برخی آلیاژها.
معایب:
سرعت جوشکاری پایینتر نسبت به فرآیندهای اتوماتیک، نیاز به توقف برای تعویض الکترود، و نیاز به تمیزکاری کامل پس از جوش برای حذف سرباره و دستیابی به سطح جوش مناسب برای پاسهای بعدی.
بررسی فرآیند GTAW (Gas Tungsten Arc Welding):
GTAW که اغلب با نام TIG (Tungsten Inert Gas) شناخته میشود، یک فرآیند جوشکاری با کیفیت بسیار بالا و کنترل دقیق حرارت است. این روش به دلیل ایجاد جوشی بسیار تمیز و بدون سرباره، در صنایع حساس مورد توجه است.
مکانیسم عملکرد:
در این روش، از یک الکترود تنگستن غیرمصرفی برای هدایت جریان و ایجاد قوس استفاده میشود. گاز محافظ (معمولاً آرگون خالص یا ترکیبی از آرگون و هلیوم) به صورت پیوسته به حوضچه مذاب اعمال شده و کاملاً آن را از آلودگی اتمسفری محافظت میکند. در جوشکاری لولههای نازک یا حساس، فلز پرکننده (فیلر متال) به صورت دستی یا اتوماتیک به حوضچه مذاب اضافه میشود.
مزایا:
ایجاد جوشهای بسیار تمیز، با نفوذ کامل و یکنواخت، ساختار دانهای بسیار ریز (ریز دانه بودن جوش منجر به افزایش خواص مکانیکی میشود)، ایدهآل برای جوشکاری لولههای نازک، فلزات مقاوم به خوردگی (استنلس استیل، آلیاژهای نیکل) و موادی که نیاز به کنترل دقیق ورودی حرارت دارند. اغلب برای پاس ریشه (Root Pass) لولههای تحت فشار استفاده میشود.
معایب:
سرعت جوشکاری بسیار پایین، نیاز به تمیزی سطح بالاتر نسبت به SMAW، و نیاز به مهارت بسیار بالایی از اپراتور برای کنترل همزمان قوس و سیم پرکننده.
اهمیت تستهای غیر مخرب (NDT):
از آنجا که بسیاری از خطوط لوله تحت تنشهای بالا و سیالات خورنده کار میکنند، هرگونه نقص در جوش (مانند ترک، تخلخل (Porosity)، سرباره محبوس (Slag Inclusion)، یا عدم نفوذ کامل (Lack of Fusion)) میتواند منجر به یک شکست فاجعهبار با عواقب مالی و ایمنی جبرانناپذیر شود.
تستهای غیر مخرب (Non-Destructive Testing – NDT) ابزارهایی حیاتی برای تأیید کیفیت جوش بدون آسیب رساندن به قطعه هستند.
هدف NDT شناسایی عیوب از لحاظ موقعیت، اندازه و نوع آنها است تا اطمینان حاصل شود که جوش از محدودیتهای کدهای صنعتی (مانند ASME Section V و API 1104) پیروی میکند.
رایجترین روشهای NDT در جوشکاری لوله عبارتند از:
تست مایعات نافذ (Penetrant Testing – PT): این روش برای تشخیص عیوب سطحی که به اتمسفر راه دارند (مانند ترکهای مویی یا سوراخهای ریز) روی مواد غیرمتخلخل (فلزی) استفاده میشود.
تست ذرات مغناطیسی (Magnetic Particle Testing – MT): این روش بر پایه خاصیت مغناطیسی فلزات آهنی کار میکند. با اعمال یک میدان مغناطیسی قوی، ذرات فرومغناطیسی ریز در محل عیوب سطحی یا نزدیک به سطح (معمولاً تا عمق چند میلیمتر) تجمع یافته و عیب را آشکار میسازند.
بازرسی با رادیوگرافی (Radiographic Testing – RT): این روش از پرتوهای ایکس یا گاما استفاده میکند و یک تصویر از داخل جوش ایجاد میکند. این تست قویترین روش برای آشکارسازی عیوب حجمی داخلی مانند تخلخل، عدم نفوذ کامل، ذوب ناقص و ناخالصیهای سربارهای است.
بازرسی با امواج فراصوت (Ultrasonic Testing – UT): امواج صوتی با فرکانس بالا به داخل جوش فرستاده شده و بازتاب آنها تحلیل میشود. UT بسیار مؤثر برای تعیین دقیق موقعیت (عمق) و اندازه عیوب داخلی (مانند ترکها و ذوب ناقص) است و همچنین برای اندازهگیری ضخامت باقیمانده لوله پس از خوردگی استفاده میشود.
نتیجهگیری:
انتخاب روش جوشکاری (SMAW برای انعطافپذیری یا GTAW برای کیفیت بالا) باید متناسب با نوع متریال، قطر لوله و الزامات کد طراحی پروژه باشد. با این حال، کیفیت جوشکاری هرگز بدون تأیید توسط یک برنامه جامع NDT کامل نیست؛ NDT تضمین میکند که اتصالات فلزی تحت فشار، در برابر شرایط سخت عملیاتی، مقاومت مکانیکی و یکپارچگی مورد نیاز را حفظ خواهند کرد.