Tubi strutturali formati a freddo ASTM A500: gradi e selezione

Cosa copre effettivamente ASTM A500

ASTM A500/A500M è la specifica di prodotto per tubi strutturali in acciaio al carbonio saldati e senza saldatura formati a freddo in forme rotonde, quadrate, rettangolari e speciali. Si tratta di uno standard per tubi strutturali, non di tubi in pressione, e questa distinzione guida quasi tutte le clausole che un acquirente deve controllare. La specifica si applica ai tubi con un diametro esterno di 88 pollici (2.235 mm) e inferiore e uno spessore nominale della parete di 0,875 pollici (22 mm) e inferiore, che copre la stragrande maggioranza delle sezioni cave utilizzate nei telai degli edifici, scaffalature, rimorchi, basi di macchine e strutture di segnaletica.

Poiché la sezione è formata a freddo da nastro di acciaio e poi saldata, il tubo finito presenta incrudimenti negli angoli e un cordone di saldatura che non ha subito un trattamento di normalizzazione dell'intera sezione. La norma lo riconosce e ne fissa le proprietà meccaniche sul tubo finito anziché sul coil, motivo per cui le proprietà A500 non possono essere desunte dal solo certificato del nastro. Un ordine di acquisto che nomina solo un tipo di acciaio come Q355 o S355 senza nominare A500 non fornirà automaticamente le stesse proprietà del tubo finito, perché le proprietà di riferimento dei due sistemi sono misurate su forme di prodotto diverse.

Ne conseguono tre conseguenze per il procurement. Innanzitutto, i requisiti di trazione nella norma A500 sono indicati per il tubo così come fornito, quindi un certificato di fabbrica che cita le proprietà della bobina non dimostra la conformità. In secondo luogo, le proprietà della sezione dipendono dalla parete effettiva misurata e la formatura a freddo assottiglia la parete agli angoli, quindi la parete nominale non è la parete di progetto. In terzo luogo, le tolleranze di forma nell'A500 sono notevolmente più strette di quelle dei tubi formati a caldo e sono le tolleranze che decidono se una maschera di fabbricazione si chiude senza spessoramenti.

Gamma di qualità e requisiti meccanici

A500 definisce quattro gradi, A, B, C e D, distinti esclusivamente per lo snervamento minimo e la resistenza alla trazione del tubo finito. Tubi tondi e tubi sagomati vengono tabulati separatamente perché la lavorazione a freddo degli angoli aumenta la robustezza nelle sezioni quadrate e rettangolari; gli acquirenti devono quindi indicare la forma quando indicano una qualità, altrimenti il ​​frantoio ha il diritto di certificare rispetto alla tavola a sezione tonda.

I limiti di allungamento in A500 sono espressi rispetto ad una lunghezza di riferimento relativa alla sezione e sono tabulati separatamente per tubi tondi e sagomati; non sono una percentuale fissa per tutte le taglie. Il Grado C non deve essere letto semplicemente come un "Grado B più forte": la sua maggiore resistenza è accompagnata da un allungamento ridotto e da una finestra di saldatura più stretta, e l'apporto di calore durante la fabbricazione deve essere controllato di conseguenza. Laddove un progetto mischia i gradi in un assieme saldato, il grado di resistenza inferiore governa la procedura di saldatura a meno che non venga utilizzata una procedura qualificata per il giunto dissimile.

Composizione chimica e saldabilità

I limiti chimici sono deliberatamente vaghi rispetto alle specifiche dei line pipe, perché A500 è una specifica di formabilità e si prevede che sia soddisfatta da acciaio al carbonio semplice senza microleghe o laminazione controllata. È possibile aggiungere rame per la resistenza alla corrosione atmosferica, ma solo quando viene ordinato acciaio al rame e la gamma di rame è quindi obbligatoria anziché facoltativa.

Le indennità per l'analisi del prodotto contano nella pratica. Un'analisi termica con uno 0,26% di carbonio può essere legalmente fornita con uno 0,30% di carbonio nel prodotto e la differenza è visibile all'arco: un tubo allo 0,30% C con 1,4% Mn ha un equivalente di carbonio sufficientemente alto da richiedere il preriscaldamento su saldature angolari a pareti spesse e da subire cricche da idrogeno se gli elettrodi sono umidi. Gli acquirenti che saldano sezioni quadrate spesse dovrebbero richiedere l'analisi del prodotto piuttosto che l'analisi termica e dovrebbero stabilire un tetto interno equivalente di carbonio nell'allegato tecnico se la fabbricazione comporta restrizioni.

Zolfo e fosforo ai massimi consentiti influiscono anche sulla fessurazione degli angoli durante la formatura a freddo. Gli stabilimenti che producono tubi quadrati a parete sottile da nastri normalmente lavorano ben al di sotto dei limiti per proteggere i rulli formatori, quindi un certificato che mostra S allo 0,030% è un segnale di avvertimento sulle sezioni sottili anche se è pienamente conforme.

Come vengono realizzati i tubi formati a freddo

Il tubo tondo è formato da una bobina tagliata attraverso una serie di rulli di scomposizione, formatura e dimensionamento, uniti mediante saldatura a resistenza elettrica ad alta frequenza o, su pareti più pesanti, mediante saldatura elettrica a flash, quindi dimensionato e raddrizzato. Le sezioni quadrate e rettangolari vengono prodotte in due modi. Il percorso quadrato diretto dà alla striscia una forma quadrata con una cucitura su un piano, che è efficiente ma concentra la tensione di formazione ai quattro angoli. Il percorso tondo e poi quadrato forma e salda prima un tubo tondo e poi lo rimodella attraverso rulli a testa di turco, che conferiscono un raggio angolare più uniforme e una migliore concentricità su pareti pesanti.

Le bave di saldatura interne ed esterne vengono normalmente rimosse all'esterno per ragioni dimensionali e di rivestimento, e la zona di saldatura viene lasciata come saldata o sottoposta a una passata di normalizzazione localizzata. La ricottura della giunzione non è obbligatoria secondo A500, ma modifica la durezza della zona di saldatura e le prestazioni di piegatura del tubo, e pertanto dovrebbe essere dichiarata esplicitamente se è prevista la piegatura, la svasatura o la forgiatura a valle. Un tubo che si è formato e saldato in modo pulito può ancora non resistere a una curvatura stretta perché la giuntura è stata lasciata nella condizione saldata con un picco di durezza.

L'orientamento della cucitura su tubi quadrati e rettangolari è un punto contrattuale legittimo. Posizionare la giuntura su una faccia piuttosto che su un angolo modifica sia l'aspetto dopo la verniciatura che il comportamento a fatica sotto carichi ripetuti su quella faccia, e nei lavori architettonici la posizione della giuntura dovrebbe essere concordata prima dell'inizio della laminazione, non decisa in cantiere.

Quote, tolleranze e proprietà della sezione

Le tolleranze A500 sono più strette rispetto alle tolleranze delle sezioni cave formate a caldo nella stessa gamma di dimensioni, che è il motivo tecnico principale per cui i prescrittori accettano le tensioni residue della formatura a freddo. Le tolleranze che effettivamente causano problemi in cantiere non sono quelle ovvie. La tolleranza della dimensione esterna determina se un giunto o un morsetto si adattano. La tolleranza della parete e l'assottigliamento degli angoli determinano la capacità del momento reale. Torsione e rettilineità determinano se un membro lungo può essere eretto senza forzare.

La geometria degli angoli merita un'attenzione separata. La formatura a freddo produce un raggio dell'angolo esterno che è multiplo dello spessore della parete e una saldatura depositata in quel raggio segue un percorso curvo con dissipatore di calore variabile. Dettagliare una saldatura d'angolo che presuppone un angolo acuto di 90 gradi o un raggio dell'angolo inferiore a quello che il tubo può fornire fisicamente, porta al rifiuto della saldatura o ad una concessione dimensionale. Il raggio dell'angolo e l'ortogonalità della sezione devono essere confermati rispetto alle tabelle dello standard prima che i dettagli della connessione vengano congelati.

Le proprietà delle sezioni pubblicate nei manuali sono calcolate su dimensioni nominali con spigoli vivi, quindi sovrastimano leggermente la rigidità reale. Per gli elementi sensibili alla deflessione, è necessario utilizzare la parete effettiva dopo l'assottigliamento degli angoli e la geometria degli angoli arrotondati, oppure il progetto dovrebbe contenere un margine. Per gli elementi caricati in compressione, il rapporto tra larghezza e spessore del piatto determina l'instabilità locale, mentre i tubi quadrati di grande formato a parete sottile possono essere limitati dall'instabilità locale molto prima che venga raggiunta la resistenza allo snervamento di grado B o C.

Finitura, rivestimento e comportamento di fabbricazione

I tubi vengono normalmente forniti neri, verniciati, oliati o zincati a caldo. Qualora sia richiesta la zincatura, l'acquirente dovrà indicare se il tubo dovrà essere zincato dopo la fabbricazione o fornito prezincato, poiché i due percorsi hanno conseguenze diverse. La zincatura post-fabbricazione secondo ASTM A123/A123M richiede fori di sfiato e drenaggio in ogni elemento chiuso e una chimica dell'acciaio che risponde in modo prevedibile al bagno di zinco; Livelli di silicio e fosforo perfettamente accettabili per la saldatura possono produrre un rivestimento eccessivamente spesso, opaco e fragile. Il tubo prezincato evita il problema dello sfiato ma lascia ogni estremità tagliata, saldatura e foro praticato senza protezione, a meno che non venga riparato con un rivestimento ricco di zinco.

Il tubo formato a freddo è dimensionalmente stabile ma comporta stress residui e la lavorazione di una faccia di un tubo quadrato elimina tale stress. I componenti che devono rimanere piatti dopo la fresatura vengono spesso sottoposti a distensione prima della lavorazione, che è un'operazione aggiuntiva che non rientra nei requisiti di base dell'A500 e pertanto deve essere scritta nell'ordine. Allo stesso modo, il tubo da piegare dovrebbe essere specificato con un raggio di curvatura, un requisito del mandrino e un criterio di accettazione per l'ovalizzazione e l'assottigliamento delle pareti, poiché le tolleranze dimensionali dello standard si applicano alle lunghezze diritte così come consegnate, non alle parti formate.

Test, ispezione e documentazione

A500 richiede che il tubo venga testato per verificare l'integrità della saldatura e la conformità ai requisiti meccanici, e allo stabilimento normalmente è consentito scegliere tra una prova di pressione e una prova elettrica non distruttiva per il controllo dell'integrità della saldatura. Questa opzione è importante per un acquirente: un certificato di conformità da solo non indica quale percorso è stato utilizzato, quindi laddove la solidità della saldatura è fondamentale, il metodo di prova dovrebbe essere indicato nell'ordine di acquisto.

Un'ispezione di ricezione utilizzabile per i tubi strutturali è breve e meccanica. Misura la dimensione esterna su entrambe le estremità e a metà lunghezza su due assi. Misurare il muro in quattro punti su ciascuna faccia, anche in prossimità degli angoli, con uno spessimetro ad ultrasuoni azzerato su un passo noto. Appoggia la lunghezza su un letto piano e controlla la rettilineità e la torsione. Controllare la posizione della cucitura rispetto al disegno concordato. Taglia un pezzo corto e piegalo su se stesso per evidenziare la qualità della cucitura, oppure esegui un controllo con colorante penetrante sulle estremità della cucitura. Ognuno di questi richiede minuti e rileva gli errori che una revisione del certificato non può.

Il certificato del test di laminazione dovrebbe essere controllato per tre cose oltre ai valori chimici e di trazione: se i valori sono analisi del prodotto o analisi termica, se il test di trazione è stato effettuato dal tubo finito e se il grado è stato certificato rispetto ai requisiti della sezione rotonda o sagomata. Laddove sia richiesta un'ispezione da parte di terzi, il rilascio dell'ispezione dovrebbe essere legato al numero di colata effettivamente spedito, non ad una generica approvazione dello stabilimento.

Candidature e guida alla selezione

I tubi ASTM A500 sono la scelta predefinita per telai di edifici saldati, strutture di soppalchi e scaffalature, guardrail e corrimano, attrezzi agricoli, lavori su rimorchi e telai, portali di segnaletica, montaggio di pannelli solari e protezioni generali di macchine. Si tratta di una scelta sbagliata laddove il foro trasporta pressione, dove la temperatura di servizio scende al di sotto dell'intervallo testato da Charpy dei gradi strutturali ordinari o dove l'elemento verrà caricato dinamicamente in un dettaglio critico per la fatica senza un adeguato dettaglio della saldatura e un piano di ispezione.

La selezione viene solitamente decisa da tre domande. L'elemento è governato dallo snervamento, dalla rigidezza o dall'instabilità locale? I membri governati dalla rigidità non ottengono nulla dal passaggio al Grado C e ottengono tutto da una profondità maggiore o da un muro più spesso. I membri regolati dal rendimento dovrebbero confrontare il costo consegnato per unità di capacità momentanea piuttosto che il prezzo per tonnellata. Gli elementi soggetti a instabilità devono controllare il rapporto larghezza/spessore piatto, poiché la qualità non ritarda l'instabilità locale. Una volta risolti questi tre aspetti, il sistema di rivestimento e la preparazione finale solitamente determinano il resto del costo.

Confrontare l'A500 con le alternative è semplice. Il tubo strutturale formato a caldo secondo ASTM A501 offre tolleranze più generose e prestazioni migliori dopo una formatura severa, a scapito del controllo dimensionale. Le sezioni cave formate a freddo secondo EN 10219 offrono un sistema di qualità parallele (da S235JRH a S355J2H) e sono il riferimento naturale per i progetti europei, mentre le sezioni finite a caldo secondo EN 10210 occupano lo stesso spazio di A501. Gli standard sui tubi meccanici e gli standard sui tubi in pressione come API 5L o ASTM A106 soddisfano criteri di accettazione diversi e non dovrebbero essere sostituiti partendo dal presupposto che "il tubo d'acciaio è un tubo d'acciaio".

Errori comuni nelle specifiche

L'errore più frequente è specificare la qualità del nastro anziché quella del tubo, per poi rifiutare il tubo consegnato per proprietà che la qualità del nastro non ha mai promesso sul prodotto finito. La seconda è citare una sola qualità senza dichiararne la forma, lasciando libera la cartiera di certificarsi rispetto alla tavola a sezione tonda. Il terzo consiste nell'omettere il metodo di prova della solidità delle saldature e successivamente scoprire che non esiste alcuna registrazione dei test per le saldature che contano.

Altri due errori si verificano in fase di fabbricazione anziché in fase di acquisto. I progettisti spesso utilizzano le proprietà della sezione ad angolo acuto e poi scoprono che il dettaglio della connessione non può essere saldato nel raggio dell'angolo effettivo. E gli acquirenti che zincano dopo la fabbricazione spesso scoprono che non sono stati predisposti fori di ventilazione, il che trasforma un telaio finito in un lavoro di rilavorazione. Entrambi sono evitabili scambiando un disegno di sezione e un percorso di rivestimento con la cartiera prima della conferma dell'ordine.

Domande frequenti

D: ASTM A500 è uguale al tubo ASTM A53?
N. A500 è una specifica di tubi strutturali per tubi saldati e senza saldatura formati a freddo in forme rotonde, quadrate e rettangolari, classificati in base alla resa del tubo finito e alla resistenza alla trazione. A53 copre tubi per applicazioni meccaniche e di pressione in dimensioni nominali con estremità filettate o lisce e i suoi criteri di accettazione, filettatura e requisiti idrostatici differiscono da A500.

D: Qual è il limite di snervamento minimo dei tubi quadrati A500 di grado B?
I tubi tondi di grado B richiedono una resa minima di 42 ksi (290 MPa) e una trazione minima di 58 ksi (400 MPa). I tubi quadrati e rettangolari della stessa qualità sono tabulati separatamente nella norma perché la lavorazione a freddo degli angoli ne aumenta la resistenza, pertanto sul certificato deve essere identificata la tabella applicabile.

D: I tubi A500 possono essere zincati a caldo dopo la saldatura?
Sì, e ASTM A123/A123M copre il rivestimento. Il telaio deve essere dettagliato con aperture di sfiato e scarico, la chimica dell'acciaio deve essere adatta al bagno di zinco e le filettature o le facce lavorate devono essere mascherate. Lo spessore del rivestimento e l'adesione vengono verificati sul pezzo finito e non sul tubo così come consegnato.

D: Perché il muro è sottile vicino agli angoli?
La formatura a freddo allunga la striscia mentre gira attraverso ogni angolo, quindi la parete in quel punto si assottiglia mentre le facce piane rimangono vicine al valore nominale. Ciò è inerente al processo ed è il motivo per cui i controlli ultrasonici delle pareti dovrebbero includere le posizioni degli angoli e perché i calcoli della deflessione non dovrebbero basarsi sulla parete nominale agli angoli.

D: L'A500 richiede un trattamento termico?
I gradi A, B e C vengono forniti allo stato saldato formato a freddo senza trattamento termico obbligatorio. Se un acquirente necessita di tubi sottoposti a distensione per la stabilità della lavorazione o di un cordone di saldatura normalizzato per la formatura, tale requisito viene aggiunto all'ordine di acquisto e deve essere certificato separatamente.

D: Come deve essere controllato il certificato dello stabilimento all'arrivo?
Confermare che il numero di colata corrisponda ai contrassegni sui fasci, che la prova di trazione sia effettuata sul tubo finito anziché sulla bobina, che l'analisi del prodotto sia riportata dove richiesto dall'ordine e che il grado sia certificato rispetto alla corretta tabella delle sezioni rotonde o sagomate. Quindi verificare fisicamente le dimensioni e lo spessore della parete anziché accettare il certificato come prova dimensionale.