ความเสียหายจากการทำงานเย็นต่อความต้านทานการกัดกร่อนของท่อสแตนเลสและการควบคุม

การดึงเย็น การรีดเย็น การรีดเย็น การดัดเย็น การขยายตัวเย็น และการบิดเย็น ล้วนเป็นวิธีการผลิตที่นิยมใช้ในการผลิตท่อสเตนเลสหรือท่อเหล็กทนความร้อนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ฯลฯ โดยใช้ท่อเหล็กไร้ตะเข็บ/เชื่อมสเตนเลส สเตนเลสมีพลาสติกที่ดีเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสเตนเลสออสเทนนิติก ทำให้การขึ้นรูปเย็น (CW) ข้างต้นทำได้ง่าย อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปเย็นเหล่านี้ เช่นเดียวกับการเชื่อม ย่อมส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของท่อสเตนเลสอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความทนทานต่อการกัดกร่อนหรือทนความร้อน การกำจัด ลด หรือควบคุมความเสียหายดังกล่าวเป็นประเด็นสำคัญในการผลิตและแปรรูปท่อสเตนเลสมาโดยตลอด การแก้ปัญหาขั้นสุดท้ายหรือการอบชุบด้วยความร้อนก่อนส่งมอบเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการกำจัดผลกระทบที่เป็นอันตรายจากการขึ้นรูปเย็นข้างต้น อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จำเป็นต้องใช้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงและการดอง ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิตและวงจรการผลิตอย่างมาก นอกจากนี้ยังมีปัญหาต่างๆ เช่น การปล่อย การบำบัด และการประเมินก๊าซเสียและน้ำเสีย เช่น ละอองกรด ดังนั้น ผู้ผลิตบางรายจึงละเว้นกระบวนการนี้เพื่อลดต้นทุนหรือเพื่อให้ทันกำหนดเวลา ผู้ใช้บางรายซื้อผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเพื่อประหยัดเงิน ซึ่งถือเป็นการไม่ฉลาดและไม่ทำกำไรอย่างยิ่ง ในทางกลับกัน การนำกระบวนการนี้ไปใช้กับผลิตภัณฑ์หรือเงื่อนไขการใช้งานบางอย่างอาจเป็นเรื่องยาก ดังนั้น การควบคุมระดับการขึ้นรูปเย็น (การเสียรูปจากการขึ้นรูปเย็น) และการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นที่อุณหภูมิต่ำเฉพาะที่ จึงกลายเป็นอีกสองวิธีที่ใช้งานได้จริงในการลดหรือควบคุมผลกระทบที่เป็นอันตราย แต่เงื่อนไขการใช้งาน รวมถึงความแตกต่างของประเภทเหล็ก ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

1. ความเสียหายและการกำจัดการทำงานแบบเย็นต่อประสิทธิภาพของท่อสแตนเลส
1.1 ความเสียหายต่อประสิทธิภาพของท่อสแตนเลสที่เกิดจากการทำงานเย็นซึ่งเกิดจากการเสียรูปพลาสติกที่อุณหภูมิห้องจะทำให้เกิดการแข็งตัวจากการทำงานเย็น กล่าวคือ ความแข็งและความแข็งแรงของวัสดุจะเพิ่มขึ้น และความเป็นพลาสติกเดิมของวัสดุจะสูญเสียไปบางส่วนหรือทั้งหมด และย่อมจะทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนหรือความต้านทานความร้อนของวัสดุได้รับความเสียหายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
1.2 วิธีการขจัดความเสียหาย
การอบชุบด้วยความร้อนขั้นสุดท้ายสำหรับท่อสเตนเลสออสเทนนิติกและดูเพล็กซ์ก่อนส่งมอบ และการอบชุบด้วยความร้อนขั้นสุดท้ายสำหรับท่อสเตนเลสเฟอร์ริติกก่อนส่งมอบ ล้วนมีเป้าหมายเพื่อขจัดความเสียหายต่อประสิทธิภาพที่เกิดจากกระบวนการขึ้นรูปเย็น การเชื่อม และการขึ้นรูปร้อนอื่นๆ ที่กล่าวมาข้างต้นอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้ มาตรฐานท่อสเตนเลสของหลายประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมาตรฐานท่อสเตนเลสแบบรวมของยุโรป จึงกำหนดให้ท่อสเตนเลสไร้รอยต่อทั้งหมดต้องผ่านกระบวนการหลอมเหลวหรืออบอ่อน ผู้ใช้ในประเทศรายงานว่าท่อสเตนเลสออสเทนนิติก 316L ไร้รอยต่อเกิดการกัดกร่อนแบบหลุมทันทีที่แช่ในน้ำทะเล (316L ไม่ใช่วัสดุที่เหมาะสำหรับการกัดกร่อนหรือการแช่ในน้ำทะเล แต่การพบการกัดกร่อนแบบหลุมหลังจากแช่เพียงครั้งเดียวก็ไม่ใช่เรื่องปกติ) การบำบัดด้วยสารละลายขั้นสุดท้ายหรือการบำบัดที่ไม่เพียงพอน่าจะเป็น "ผลิตภัณฑ์ราคาถูก" การอบชุบด้วยความร้อนขั้นสุดท้ายหรือการอบอ่อนถือเป็นกระบวนการที่สำคัญและขาดไม่ได้ในการผลิตท่อไร้รอยต่อสแตนเลส
2. การดัดเย็นและการอบชุบความร้อนเพื่อคลายความเค้นของท่อสแตนเลส
การดัดเย็นเป็นวิธีการประมวลผลแบบเย็นทั่วไปสำหรับท่อสแตนเลส ซึ่งสามารถทำได้โดยผู้ผลิตท่อเหล็ก ผู้ใช้ หรือผู้ผลิตอุปกรณ์ท่อมืออาชีพ มักมีประเด็นถกเถียงกันระหว่างผู้ผลิตและผู้ใช้งานเกี่ยวกับเรื่องการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อบรรเทาความเค้นหลังการดัดเย็น ประเด็นนี้ถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานท่อส่งของต่างประเทศ แต่ก็มีบางประเด็นที่ควรค่าแก่การพูดคุย
2.1 การดัดเย็นและการอบชุบความร้อนเพื่อคลายความเค้นของท่อสแตนเลส
การดัดเย็นเป็นวิธีการประมวลผลแบบเย็นทั่วไปสำหรับท่อสแตนเลส ซึ่งสามารถทำได้โดยผู้ผลิตท่อเหล็ก ผู้ใช้ หรือผู้ผลิตอุปกรณ์ท่อมืออาชีพ มักมีประเด็นถกเถียงกันระหว่างผู้ผลิตและผู้ใช้งานเกี่ยวกับเรื่องการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อบรรเทาความเค้นหลังการดัดเย็น ประเด็นนี้ถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานท่อส่งของต่างประเทศ แต่ก็มีบางประเด็นที่ควรค่าแก่การพูดคุย
2.2 สำหรับการใช้งานที่ทนต่อภาระแบบวงจรหรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนจากความเค้น
สำหรับการใช้งานที่ต้องทนต่อภาระแบบวนรอบหรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนจากความเค้น กฎระเบียบของมาตรฐานยุโรปและอเมริกามีความแตกต่างกันเล็กน้อย มาตรฐานอเมริกันกำหนดว่าสำหรับวัสดุที่มีข้อกำหนดการทดสอบแรงกระแทก ควรดำเนินการลดความเค้นหรือปรับสภาพด้วยสารละลายของแข็งเมื่อค่าการยืดตัวของเส้นใยสูงสุดที่คำนวณได้คือ 5% หลังจากการดัด หรือเมื่อมีข้อกำหนดอื่นๆ ท่อรูปตัวยูที่ใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เช่น เครื่องทำน้ำอุ่นและคอนเดนเซอร์ในโรงไฟฟ้าที่ทำงานในสื่อน้ำ/ไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง มีความไวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นเนื่องจากไอออนคลอไรด์และปริมาณออกซิเจนในตัวกลาง ดังนั้น มาตรฐาน ASTMA688/A688M และ A803/A803M ของอเมริกา (มาตรฐานเดียวในโลก) สำหรับท่อเหล็กไร้ตะเข็บและท่อเหล็กเชื่อมสำหรับเครื่องทำน้ำอุ่น และมาตรฐาน JISG3463 ของญี่ปุ่นสำหรับท่อสแตนเลสสำหรับหม้อไอน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน กำหนดว่าผู้ใช้สามารถกำหนดให้ท่อรูปตัว U ต้องผ่านกระบวนการอบชุบความร้อนเพื่อบรรเทาความเค้นเฉพาะที่หลังจากการดัดงอ ส่วนมาตรฐาน RCC-M3319 ของฝรั่งเศสสำหรับการผลิตเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กำหนดว่าท่อรูปตัว U ต้องผ่านการทดสอบการกัดกร่อนด้วย MgCl2 หลังจากการดัดงอ เพื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องอบชุบความร้อนเพื่อบรรเทาความเค้นหลังจากการดัดงอหรือไม่
3. ท่อบิดและตัวแลกเปลี่ยนความร้อนบิด
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อบิดเกลียว (ท่อขึ้นรูปเย็นแบบบิดเกลียว, TwistedTube) เป็นที่นิยมใช้กันในต่างประเทศ มีลักษณะเด่นคือ ท่อเหล็กเส้นเดียวบิดเกลียวที่ 60° ต่อพิทช์ และท่อเหล็ก 7 เส้นประกอบกันเป็นชุดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบิดเกลียว ข้อดีของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้คือ โครงสร้างที่กะทัดรัด ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง และสามารถลดจุดตายของการไหลย้อนจากภายนอกได้ เป็นโครงสร้างที่เหมาะสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในพื้นที่แคบ จากการคำนวณและวิเคราะห์พบว่าการเสียรูปพลาสติกที่เกิดขึ้นจากการขึ้นรูปเย็นแบบบิดเกลียวมีค่าเพียง 4%-14% และอุณหภูมิใช้งานไม่เกิน 540°C ตามมาตรฐานหม้อไอน้ำและภาชนะรับความดัน ASME ไม่จำเป็นต้องอบอ่อนเพื่อคลายความเค้น อย่างไรก็ตาม หลังจากการทดสอบการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นตามมาตรฐาน ASTMG36 พิสูจน์แล้วว่าท่อสเตนเลสออสเทนนิติกบิดเกลียว 316 และ 321 จะต้องผ่านการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นหรือการอบอ่อนด้วยสารละลายเพื่อให้ได้ความทนทานต่อการกัดกร่อนภายใต้ความเค้นที่ดี และประสิทธิภาพของท่อสเตนเลส 321 ดีกว่าท่อสเตนเลส 316 มาก
4. ท่อสแตนเลสแบบเกลียวคู่และท่อรูปตัว U
ผลการทดสอบในต่างประเทศแสดงให้เห็นว่าการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นบนท่อสเตนเลสสตีลแบบเกลียวคู่หรือท่อรูปตัวยูไม่เหมาะสม ผลการทดสอบในปัจจุบันกำหนดให้ค่า R≥5.33d0 สำหรับท่อสเตนเลสสตีลแบบดูเพล็กซ์ 2205 แต่กำหนดให้ค่า R≥1.5d0 สำหรับท่อสเตนเลสสตีลแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์ 2507 เหตุผลมีดังนี้: 1. สเตนเลสสตีลแบบดูเพล็กซ์มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบหลุมและการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดีเยี่ยม ยิ่งค่า PRE เทียบเท่าหลุมสูงเท่าใด ความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นของวัสดุก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น 2. การอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นที่อุณหภูมิต่ำเฉพาะที่ จะส่งผลต่อสมดุลเฟสและสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกของเมทริกซ์ กล่าวคือ การตกตะกอนของเฟสที่เปราะจะสร้างความเสียหายต่อความต้านทานการกัดกร่อนมากขึ้น ผลการวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าท่อสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์อาจเป็นวัสดุที่เหมาะสมกว่าสำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และยังเป็นพื้นฐานที่ทำให้ American Welding Society และมาตรฐาน ASMEB31.3 ต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งเกี่ยวกับข้อบังคับด้านการอบชุบด้วยความร้อนอีกด้วย
5. วิธีการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นของท่อรูปตัว U
ทั้งวิธีการในประเทศและต่างประเทศใช้การให้ความร้อนด้วยความต้านทานหรือการให้ความร้อนเฉพาะที่ในเตาเผาเพื่อคลายความเค้นเฉพาะที่บนท่อรูปตัว U แต่วิธีใดมีประสิทธิภาพหรือสมเหตุสมผลมากกว่ากันมักเป็นประเด็นถกเถียง ผลการวิจัยล่าสุดในสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่าการให้ความร้อนด้วยความต้านทานเป็นวิธีที่สมเหตุสมผลและมีประสิทธิภาพมากกว่า เหตุผลมีดังนี้: ① สามารถนำกระแสไฟฟ้าสลับความถี่ไฟฟ้าจากจุดตัดท่อรูปตัว U ที่อยู่ห่างออกไป 250 มม. ผ่านอิเล็กโทรดยึดได้ และสามารถให้ความร้อนส่วนท่อที่โค้งงอได้ถึง 1010-1065 องศาเซลเซียส ในเวลาอันสั้น (ประมาณ 10 วินาที) โดยใช้พลังงานต่ำมาก ② สามารถใช้ไพโรมิเตอร์แบบออปติคัลเพื่อควบคุมอุณหภูมิของโซนทำความร้อนโดยอัตโนมัติ ③ ผนังด้านในเติมก๊าซอาร์กอนเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ④ หลังจากให้ความร้อนแล้ว สามารถใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับเพื่อลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วให้ต่ำกว่า 425 องศาเซลเซียส ภายใน 2-3 นาที เผยให้เห็นฟิล์มออกไซด์สีเหลืองหรือสีฟ้าอ่อน บาง และหนาแน่น ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานมาตรฐานสูงได้โดยไม่ต้องดอง
6. บทสรุป
(1) การแปรรูปด้วยความเย็น เช่น การดึงเย็นและการรีดเย็น จะทำให้สเตนเลสสตีลแข็งตัวเย็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสเตนเลสสตีลออสเทนนิติก และทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของโครงตาข่าย การเปลี่ยนเฟสแบบมาร์เทนซิติก การตกตะกอนของคาร์ไบด์ แม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น และความเค้นตกค้าง ส่งผลให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง การอบอ่อนหรือการอบด้วยความร้อนด้วยสารละลายหลังการแปรรูปด้วยความเย็นสามารถขจัดผลกระทบเชิงลบเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ท่อไร้รอยต่อสเตนเลสสตีลออสเทนนิติกและท่อเชื่อมสเตนเลสสตีลที่ผ่านการแปรรูปด้วยความเย็นแบบลึก จึงต้องผ่านกระบวนการอบอ่อนหรือสารละลาย เพื่อให้มั่นใจถึงความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(2) นอกจากการแตกร้าวจากการกัดกร่อนความเค้นและสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงต่อความล้าจากการกัดกร่อนอันเนื่องมาจากความเค้นสลับแล้ว การควบคุมระดับการขึ้นรูปเย็นก็เป็นอีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบ สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานขึ้นรูปเย็นเฉพาะที่ เช่น การดัดเย็นและการขยายตัวเย็น ซึ่งยากต่อการอบอ่อน ตราบใดที่รัศมีการดัดเย็นของท่อสเตนเลสออสเทนนิติกถูกควบคุมให้ไม่น้อยกว่า 1.5d0 และรัศมีการดัดเย็นของท่อสเตนเลสเฟอร์ริติกและดูเพล็กซ์มากกว่า 2.5d0 โดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็นต้องทำการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นหลังการดัดเย็น
(3) สำหรับการโค้งงอที่ต้องทนทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนความเค้น เช่น การโค้งงอสเตนเลสออสเทนนิติกรูปตัว U สำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและน้ำหรือไอน้ำแรงดันสูง จะต้องดำเนินการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นอย่างมีประสิทธิภาพหลังการดัดเย็น โดยไม่คำนึงถึงขนาดของรัศมีการดัดเย็น
(4) เหล็กกล้าไร้สนิม 06Cr19Ni11Ti (321) มีความต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนความเค้นได้ดีกว่า 316L และเป็นวัสดุท่อเหล็กออสเทนนิติกที่เหมาะสมกว่าสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อรูปตัว U ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์รูปตัว U ไม่เหมาะสมหรือไม่ควรนำไปอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นเฉพาะที่หลังจากการดัดหรือบิดแบบเย็น
(5) ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมบิดเย็นสามารถสร้างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดใหม่ที่มีโครงสร้างกะทัดรัดและประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูงขึ้น ซึ่งสมควรได้รับความสนใจจากการสำรวจและการพัฒนาของแผนกออกแบบและการใช้งานที่เกี่ยวข้อง
(6) ท่อรูปตัว U สเตนเลสดูเพล็กซ์ไม่เหมาะสมหรือไม่ควรนำไปอบเพื่อคลายความเค้นเฉพาะที่หลังจากการดัดหรือบิดแบบเย็น
(7) การให้ความร้อนด้วยความต้านทานเป็นวิธีการอบความร้อนเพื่อบรรเทาความเค้นเฉพาะที่ ซึ่งประหยัดพลังงานและเวลาได้มากกว่าการให้ความร้อนทางอ้อมในเตาเผา ซึ่งสามารถควบคุมอัตโนมัติได้ง่าย และควรได้รับการส่งเสริมให้เป็นลำดับความสำคัญ
(8) มาตรฐานท่อส่งของยุโรปและอเมริกา (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) มีข้อกำหนดที่อัปเดตและมีรายละเอียดเกี่ยวกับการอบชุบความร้อนท่อสแตนเลสหลังจากการขึ้นรูปเย็น/ร้อน ซึ่งสมควรได้รับความสนใจเป็นอย่างยิ่ง