Stalen buizen begrijpen: van productie tot infrastructuur

De geschiedenis, productie en gebruik van stalen buizen

Stalen buizen zijn cilindrische buizen gemaakt van staal die op veel manieren gebruikt worden in productie en infrastructuur. Ze zijn het meest gebruikte product dat door de staalindustrie geproduceerd wordt. Het primaire gebruik van buis is in het transport van vloeistof of gas ondergronds – inclusief olie, gas en water. Echter, buizen van variërende groottes worden doorheen productie en bouw gebruikt. Een veelvoorkomend huishoudelijk productievoorbeeld is de smalle stalen buis die het koelsysteem in koelkasten draait. Bouw gebruikt buizen voor verwarming en sanitaire. Structuren kunnen gebouwd worden met stalen buizen van variërende groottes, zoals leuningen, fietsrekken, of buis bollards.

William Murdoch wordt gezien als de pionier van stalen buizen. In 1815, voegde hij lopers van musketten samen om een koolstooksysteem te ondersteunen. Murdoch gebruikte zijn innovatieve buizensysteem om koolgas te transporteren naar lampen op de straten van Londen.

Sinds de 1800s zijn grote stappen gezet in de technologie van stalen buizen, inclusief verbetering van productiemethoden, ontwikkeling van toepassingen voor hun gebruik, en de vestiging van regelgeving en standaarden die hun certificering regelen.

Hoe wordt stalen buis gemaakt?

Van het smelten van rauwmaterialen tot vormgeven of lassen, wordt deze alomtegenwoordige bouwstof gecreëerd door twee hoofprocessen:

Rauw staal omzetten in een bruikbaardere vorm

Beide processen moeten beginnen met het maken van goedkwaliteit staal. Rauw staal wordt geproduceerd door gieterijen door een proces van smelten van rauwmaterialen in een oven. Om de samenstelling precies goed te krijgen, kunnen elementen aan het vloeibare metaal toegevoegd worden, en onzuiverheden verwijderd. Het resulterende vloeibare staal wordt in vormen gegoten om blokken te maken of overgebracht naar een continue gietmachine om platen, blokken en bloemen te maken. Buis wordt gemaakt van twee van deze producten: platen of blokken.

Stalen platen en stalen skelp in buisfabricatie

Stalen skelp wordt gemaakt van platen die verwarmd worden tot 1200°C. De hitte zorgt ervoor dat een schil op het oppervlak ontstaat, wat verwijderd moet worden door een schilbreker en hoge-druk reiniging. Eenmaal schoon, wordt de staalplaat warmgewalst in dunne, smalle stroken staal genaamd skelp. Skelp wordt beitst (oppervlakte gereinigd) met zwavelzuur, met water afgespoeld en op grote rollen opgerold als rauwmateriaal voor buismaken. De breedte van de skelp bepaalt de diameter van de buis die gemaakt kan worden.

Skelp wordt van de rol afgerold, verwarmd, en door gegolfde walsen gerold, wat de randen van de skelp omhoog buigt. Dit proces produceert een cilindrische buis waar de twee randen recht omheen gebogen zijn om elkaar te ontmoeten, een lange cylinder vormend. Een lasproces voegt de randen samen en verzegelt de buis.

• In een continu lasoperatie, persen laswalsen de randen van de buis in elkaar – een gesmeedde las vormend door de hitte die al op de skelp toegepast is. Geen metaal wordt tijdens het lassen toegevoegd, en de eindwalsen reduceren de diameter en wanddikte van de buis tot de specificaties.
• Elektrische weerstandslassen volgt een vergelijkbaar proces als continu las, behalve dat de skelp koudgewalst wordt in de buisvorm. Stroom wordt toegevoerd aan de buisranden door draaiende koperen schijven, die de randen opwarmen tot de lastemperatuur. Laswalsen voegen de buisranden samen om een gesmeedde las te creëren.
• Spiraallas en dubbele ondergedompelde booglas gebruiken meer conventionele lastechnieken en voegen lasmateriaal toe om de binding te vormen.

Stalen blokken voor naadloze buis

Stalen blokken zijn lange vierkante stukken staal geproduceerd direct vanuit een continue gietmachine of als een secundair product gemaakt van gewalste en gerekte gegoten blokken. Deze blokken kunnen gebruikt worden om naadloze buis te maken, wat veiliger is in sommige toepassingen voor het niet hebben van een laslijn.

Het massive staalblok moet tot extreme temperaturen verwarmd worden, witglovend wordend maar niet gesmolten. Machines rollen ze zodat ze een cylindrisch massief worden. Nog steeds heet, wordt een kogelvormige doorboorder gebruikt om het holle centrum regelmatig te maken volgens de afmetingen. Een reeks freesbewerkingen volgen om de buis aan de vereiste specificaties te conformeren.

Afwerkingsstappen

Buizen kunnen door een rechtzetmachine gehaald worden als een finale processtap voordat ze voorzien worden van verbindingen aan het einde. Smalle boorbijzen zijn meestal voorzien van gedraaide verbindingen, maar grotere boorbijzen zijn normaal voorzien van flenzen die aan het einde van de buis gelast worden. Meetmachines controleren de afmetingen van de afgewerkte buis, en stampen de details op de zijkant van de buis voor kwaliteitscontrole doeleinden.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole stappen omvatten het controleren van de buis op defecten met röntgenmachines – met name langs de las. Een andere techniek is het druktesten van de buis door het met water te vullen, en het onder druk te houden voor een gespecificeerde tijd om eventuele defecten die catastrofaal falen kunnen veroorzaken voordat het in dienst gesteld wordt, bloot te leggen.

Hoe wordt stalen buis gebruikt?

Buizen worden gebruikt in structuren, transport en productie. Ze worden gegroepeerd volgens hun buiten-diameter, met de binnen-diameter variërend op basis van wanddikte. Sommige toepassingen hebben dikke wanden nodig dan andere, afhankelijk van de krachten die de buis moet managen.

Structuraal gebruik

Structureel gebruik is gangbaar in bouw en constructie. In deze industrieën wordt het bouwmateriaal gemeenschappelijk aangeduid als stalen buizen.

Bouwpalengoed

Stalen buizen bieden sterkte aan funderingen in een proces genaamd paalwerk. In deze toepassingen wordt de buis diep in de aard gedreven voordat de fundering gelegd wordt. Het biedt stabiliteit voor een hoog gebouw of constructie op grond die niet veilig is.

Er zijn twee fundamentele typen paalfunderingen:

• Einddragende palen hebben het bodemeind rustend op een laag van bijzonder sterke grond of rots. De last van het gebouw wordt door de paal op de sterke laag overgedragen.
• Wrijvingspalen dragen de last van het gebouw over naar de grond over de volle hoogte van de paal, door wrijving. Het gehele oppervlak van de paal helpt de krachten over te dragen aan de grond.

Stellingpalen

Stellingpalen worden gemaakt door stalen buizen in een kooi te koppelen die bouwwerkers toegang geeft tot gebieden hoog boven grondniveau.

Productiegebruik

Beschermingsleuning

Beschermingsleuningen worden ook gemaakt van stalen buizen, creërend een esthetisch aantrekkelijk veiligheidskenmerk voor trappen en balkons.

Bollards

Veiligheidsbollards worden gebruikt om een gebied af te bakenen van voertuigverkeer om mensen, gebouwen of infrastructuur te beschermen.

Fietsrekken

Veel commerciële fietsrekken worden gevormd door stalen buizen te buigen. De zachte materiaaleigenschappen van staal maken het veilig tegen dieven.

Transportgebruik

Het meest veelvoorkomende gebruik van stalen buizen is voor het transport van producten omdat het materiaal goed geschikt is voor langdurige installaties. Het kan ondergronds begraven worden door zijn hardheid en weerstand tegen afbraak.

Lage druktoepassingen vereisen niet dat buizen hoge sterkte hebben aangezien ze niet blootgesteld zijn aan significante spanningen. Dunne wanddikte stelt goedkoper fabricatie toe. Meer gespecialiseerde toepassingen – zoals buizen gebruikt in de olie- en gasindustrie – vereisen meer strikte specificaties. De gevaarlijke aard van het getransporteerde product, en de mogelijkheid van verhoogde druk op de lijn, eisen hoge sterkte en dus dikkere wanddikte. Dit brengt doorgaans een geassocieerde hogere kosten met zich mee. Kwaliteitscontrole is cruciaal voor deze toepassingen.

Hoe wordt stalen buis gespecificeerd?

Er kan verwarring zijn over de manier waarop deze materialen gespecificeerd worden, en wat dat betekent voor de exacte kenmerken van de buis. De American Society for Testing and Materials (ASTM) samen met The American Society of Mechanical Engineers (ASME) en het American Petroleum Institute (API) zijn de meest gerefereerde organisaties voor buisspecificaties in Noord-Amerika.

Specificaties kunnen opgedeeld worden in drie hoofdcategorieën:

Nominale buisgrootte

Buisgrootte wordt aangehaald als een "Nominal Pipe Size" of NPS. De oorsprong van de NPS nummers voor kleinere buizen (< NPS 12) verschilt van de oorsprong voor grotere diameter buizen. Echter, alle buizen van een specifiek NPS nummer hebben dezelfde externe of buitendiameter (OD). De binnen-diameter zal variëren afhankelijk van de wanddikte van het metaal. De reden hiervoor is zodat dezelfde structurele ondersteuning gebruikt kan worden voor alle buizen van een specifiek NPS nummer ongeacht de wanddikte.

Schema's

Stalen buisschema's zijn een manier om de wanddikte van de buis te beschrijven. Dit is een kritische parameter aangezien het direct gerelateerd is aan de sterkte van de buis en de geschiktheid voor specifieke toepassingen. Een buisschema is een dimensieloos nummer en wordt berekend op basis van de ontwerpfoutmule voor wanddikte, gegeven de ontwerpdruk en toelaatbare spanning.

Voorbeelden van schema nummers zijn als volgt: 5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS, en XXS – met de meest voorkomende schema's 40 en 80. Naarmate het schema nummer toeneemt, neemt de wanddikte van de buis toe. Het schema nummer van een buis definieert daarom de binnen-diameter, aangezien de OD vastligt door het NPS nummer.

Buisgewicht

Het gewicht van een buis kan berekend worden op basis van de NPS, die de buitendiameter definieert, en het schema, dat de wanddikte definieert. De formule gebruikt het theoretische gewicht van staal van 40,8 pond per vierkante voet per 1 inch dikte om de constante te bepalen.

W = 10,69 x t (OD – t)

Waar:

W = gewicht (in pond per voet)
OD = buitendiameter
t = dikte

De volgende tabel van Engineering Toolbox toont de metingen van OD, wanddikte en gewicht voor buizen van verschillende NPS. Zowel schema 40 als schema 80 metingen worden getoond.

Schema 40
Schema 80
Nominaal
Diameter
Diameter
Nominaal Dikte
Gewicht
Diameter
Nominaal Dikte
Gewicht
Buis Maat
(in)
(in)
(in)
(in)
(in)
(in)
Buiten
Intern
lb/ft
Intern
lb/ft

1/8

0.405

0.270

0.070

0.240

0.220

0.100

0.310

1/4

0.540

0.360

0.090

0.420

0.300

0.120

0.540

3/8

0.675

0.490

0.090

0.570

0.420

0.130

0.740

1/2

0.840

0.620

0.110

0.850

0.550

0.150

1.000

3/4

1.050

0.820

0.110

1.130

0.740

0.150

1.470

1

1.315

1.050

0.130

1.680

0.960

0.180

2.170

1-1/4

1.660

1.380

0.140

2.270

1.280

0.190

3.000

1-1/2

1.900

1.610

0.150

2.720

1.500

0.200

3.650

2

2.375

2.070

0.150

3.650

1.940

0.220

5.020

2-1/2

2.875

2.470

0.200

5.790

2.320

0.280

7.660

3

3.500

3.070

0.220

7.580

2.900

0.300

10.300

3-1/2

4.000

3.550

0.230

9.110

3.360

0.320

12.500

4

4.500

4.030

0.240

10.790

3.830

0.340

14.900

5

5.563

5.050

0.260

14.610

4.810

0.380

20.800

6

6.625

6.070

0.280

18.970

5.760

0.430

28.600

8

8.625

7.980

0.320

28.550

7.630

0.500

43.400

10

10.750

10.020

0.370

40.480

9.560

0.590

64.400

12

12.750

11.940

0.410

53.600

11.380

0.690

88.600

14

14.000

13.130

0.440

63.000

12.500

0.750

107.000

16

16.000

15.000

0.500

78.000

14.310

0.840

137.000

18

18.000

16.880

0.560

105.000

16.130

0.940

171.000

20

20.000

18.810

0.590

123.000

17.940

1.030

209.000

24

24.000

22.630

0.690

171.000

21.560

1.220

297.000

Based on ASTM A53 - Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless.

Certificering

Fabrikanten geven een Materiaal Test Rapport, of Molen Test Rapport, af om te valideren dat het product voldoet aan de chemische analyse en mechanische eigenschappen specificatie. Het MTR zal alle relevante data van het product bevatten en het product door zijn levenscyclus begeleiden.

De volgende zijn typische parameters die op een MTR kunnen worden vastgelegd:

• Chemische samenstelling inclusief koolstofgehalte, legeringen en zwavel
• Materiaal grootte, gewicht, identificatie en graad
• Materiaal warmtenummer, wat terugkoppelt aan de verwerkingsbatch
• Mechanische eigenschappen zoals trekkracht, strekkracht en rek

Voor staal bollards, zijn de meest voorkomende specificaties aangehaald ASTM A53 en ASTM A500.

Hoe gebruikt Reliance Foundry stalen buizen?

Reliance Foundry levert buis bollards die gemaakt zijn van stalen buizen. Bollards zijn verticale buislengtes in de grond geïnstalleerd om mensen, gebouwen en omringende infrastructuur te beschermen tegen voertuigbotsingen.

Stalen buis bollards moeten voldoen aan veiligheidsspecificaties om te zorgen dat ze sterk genoeg zijn om de impact van voertuigbotsingen te weerstaan. Schema 40 en schema 80 staal kunnen gebruikt worden om stalen buis bollards te maken afhankelijk van de toepassing.

Stalen buis bollards worden vaak bedekt met roestvrij staal, plastic of andere metaal decoratieve kappen voor esthetische aantrekkingskracht en om de stalen buis te beschermen tegen corrosie.