ความเสียหายที่เกิดจากการขึ้นรูปเย็นต่อความต้านทานการกัดกร่อนของท่อสแตนเลสและการควบคุม

การดึงเย็น การรีดเย็น การดัดเย็น การขยายตัวเย็น และการบิดเย็น ล้วนเป็นวิธีการแปรรูปทั่วไปในการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมหรือท่อเหล็กทนความร้อนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ฯลฯ โดยใช้ท่อเหล็กไร้รอยต่อ/เชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม คุณสมบัติความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมของเหล็กกล้าไร้สนิม โดยเฉพาะเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก ทำให้การแปรรูปเย็น (CW) ข้างต้นทำได้ง่ายโดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม การแปรรูปเย็นเหล่านี้ เช่นเดียวกับการเชื่อม จะทำให้ประสิทธิภาพของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเสียหายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยเฉพาะความต้านทานการกัดกร่อนหรือความต้านทานความร้อน การกำจัด ลด หรือควบคุมความเสียหายดังกล่าวเป็นสิ่งที่ได้รับความสนใจมาโดยตลอดในการผลิตและการแปรรูปท่อเหล็กกล้าไร้สนิม วิธีแก้ปัญหาขั้นสุดท้ายหรือการอบอ่อนก่อนส่งมอบเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการกำจัดผลกระทบที่เป็นอันตรายของการแปรรูปเย็นข้างต้น อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้ความร้อนสูงและการดอง ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิตและวงจรการผลิตอย่างมาก นอกจากนี้ยังมีปัญหา เช่น การระบาย การบำบัด และการประเมินก๊าซเสียและน้ำเสีย เช่น ละอองกรด ดังนั้น ผู้ผลิตบางรายจึงละเว้นกระบวนการนี้เพื่อลดต้นทุนหรือให้ทันกำหนดส่งงาน ผู้ใช้บางรายซื้อผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเพื่อประหยัดเงิน ซึ่งเป็นการกระทำที่ไม่ฉลาดและไม่คุ้มค่าอย่างยิ่ง ในทางกลับกัน การดำเนินการตามกระบวนการนี้อาจทำได้ยากสำหรับผลิตภัณฑ์หรือสภาวะการใช้งานบางอย่าง ดังนั้น การควบคุมระดับการขึ้นรูปเย็น (การเสียรูปจากการขึ้นรูปเย็น) และการอบอ่อนเพื่อลดความเค้นเฉพาะจุดที่อุณหภูมิต่ำ จึงกลายเป็นสองวิธีปฏิบัติที่ช่วยลดหรือควบคุมผลกระทบที่เป็นอันตรายได้ แต่เงื่อนไขการใช้งาน รวมถึงความแตกต่างของชนิดเหล็ก ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

1. ความเสียหายและการกำจัดผลกระทบของการขึ้นรูปเย็นต่อประสิทธิภาพของท่อสแตนเลส
1.1 ความเสียหายต่อประสิทธิภาพของท่อสแตนเลสที่เกิดจากการขึ้นรูปเย็นโดยการเปลี่ยนรูปพลาสติกที่อุณหภูมิห้องจะทำให้เกิดการแข็งตัวจากการขึ้นรูปเย็น กล่าวคือ ความแข็งและความแข็งแรงของวัสดุเพิ่มขึ้น และความยืดหยุ่นดั้งเดิมของวัสดุจะสูญเสียไปบางส่วนหรือทั้งหมด และจะส่งผลเสียต่อความต้านทานการกัดกร่อนหรือความต้านทานความร้อนของวัสดุอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
1.2 วิธีการกำจัดความเสียหาย
การอบชุบความร้อนขั้นสุดท้ายของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกและดูเพล็กซ์ก่อนส่งมอบ และการอบอ่อนขั้นสุดท้ายของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกก่อนส่งมอบ ล้วนมีจุดมุ่งหมายเพื่อกำจัดความเสียหายด้านประสิทธิภาพที่เกิดจากการขึ้นรูปเย็น การเชื่อม และการขึ้นรูปด้วยความร้อนอื่นๆ ดังกล่าวข้างต้นอย่างมีประสิทธิภาพ นี่คือเหตุผลที่มาตรฐานท่อเหล็กกล้าไร้สนิมของประเทศส่วนใหญ่ โดยเฉพาะมาตรฐานท่อเหล็กกล้าไร้สนิมแบบรวมของยุโรป กำหนดให้ท่อไร้รอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมทั้งหมดต้องส่งมอบในสถานะสารละลายของแข็งหรือสถานะอบอ่อน ผู้ใช้ในประเทศรายงานว่าท่อไร้รอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก 316L พบการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมทันทีที่แช่ในน้ำทะเล (316L ไม่ใช่วัสดุที่เหมาะสมสำหรับการกัดกร่อนหรือการแช่ในน้ำทะเล แต่การพบการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมหลังจากการแช่เพียงครั้งเดียวนั้นไม่ปกติ) การอบชุบความร้อนขั้นสุดท้ายหรือการอบชุบที่ไม่เพียงพอ อาจเป็นเพราะเป็น “ผลิตภัณฑ์ราคาถูก” ขั้นตอนการอบชุบความร้อนขั้นสุดท้ายหรือการอบอ่อนเป็นกระบวนการที่สำคัญและขาดไม่ได้ในการผลิตท่อไร้รอยต่อสแตนเลส
2. การดัดเย็นและการอบชุบความร้อนเพื่อลดความเค้นของท่อสแตนเลส
การดัดเย็นเป็นวิธีการแปรรูปเย็นทั่วไปสำหรับท่อสแตนเลส ซึ่งสามารถดำเนินการได้โดยผู้ผลิตท่อเหล็ก ผู้ใช้งาน หรือผู้ผลิตอุปกรณ์ท่อระดับมืออาชีพ ประเด็นเรื่องการอบชุบเพื่อลดความเค้นหลังการดัดเย็น และวิธีการอบชุบนั้น มักเป็นข้อถกเถียงระหว่างผู้ผลิตหรือผู้ใช้งาน ประเด็นนี้ได้รับการระบุไว้ในมาตรฐานท่อส่งของต่างประเทศแล้ว แต่ก็ยังมีประเด็นที่ควรพิจารณาอยู่บ้าง
2.1 การดัดเย็นและการอบชุบความร้อนเพื่อลดความเค้นของท่อสแตนเลส
การดัดเย็นเป็นวิธีการแปรรูปเย็นทั่วไปสำหรับท่อสแตนเลส ซึ่งสามารถดำเนินการได้โดยผู้ผลิตท่อเหล็ก ผู้ใช้งาน หรือผู้ผลิตอุปกรณ์ท่อระดับมืออาชีพ ประเด็นเรื่องการอบชุบเพื่อลดความเค้นหลังการดัดเย็น และวิธีการอบชุบนั้น มักเป็นข้อถกเถียงระหว่างผู้ผลิตหรือผู้ใช้งาน ประเด็นนี้ได้รับการระบุไว้ในมาตรฐานท่อส่งของต่างประเทศแล้ว แต่ก็ยังมีประเด็นที่ควรพิจารณาอยู่บ้าง
2.2 สำหรับการใช้งานที่ต้องทนต่อแรงกระทำแบบวัฏจักรหรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนจากความเค้น
ในส่วนของการใช้งานที่ต้องทนต่อแรงกระทำซ้ำๆ หรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนจากความเค้น มาตรฐานของยุโรปและอเมริกามีความแตกต่างกันเล็กน้อย มาตรฐานของอเมริกากำหนดว่าสำหรับวัสดุที่มีข้อกำหนดการทดสอบแรงกระแทก ควรทำการคลายความเค้นหรือการบำบัดด้วยสารละลายของแข็งเมื่อการยืดตัวของเส้นใยที่คำนวณได้สูงสุดอยู่ที่ 5% หลังจากการดัดงอ หรือเมื่อมีข้อกำหนดอื่นๆ ท่อรูปตัวยูที่ใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เช่น เครื่องทำความร้อนน้ำป้อนและคอนเดนเซอร์ในโรงไฟฟ้าที่ทำงานในน้ำ/ไอน้ำที่มีอุณหภูมิและความดันสูงนั้น มีความไวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นเนื่องจากไอออนคลอไรด์และปริมาณออกซิเจนในตัวกลาง ดังนั้น มาตรฐาน ASTMA688/A688M และ A803/A803M ของสหรัฐอเมริกา (ซึ่งเป็นมาตรฐานเดียวในโลก) สำหรับท่อเหล็กไร้รอยต่อและท่อเหล็กเชื่อมสแตนเลสสำหรับเครื่องทำความร้อนน้ำป้อน และมาตรฐาน JISG3463 ของญี่ปุ่นสำหรับท่อสแตนเลสสำหรับหม้อไอน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน กำหนดว่าผู้ใช้สามารถกำหนดให้ท่อรูปตัว U ต้องได้รับการอบชุบความร้อนเพื่อลดความเค้นเฉพาะจุดหลังการดัดได้ ส่วนมาตรฐานการผลิตเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของฝรั่งเศส RCC-M3319 กำหนดว่าท่อรูปตัว U ต้องผ่านการทดสอบการกัดกร่อนจากความเค้นด้วย MgCl2 หลังการดัด เพื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องมีการอบชุบความร้อนเพื่อลดความเค้นหลังการดัดหรือไม่
3. ท่อบิดและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบิด
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ประกอบด้วยท่อบิด (ท่อบิดขึ้นรูปเย็น, TwistedTube) ถูกนำไปใช้ในต่างประเทศ คุณลักษณะของมันคือ ท่อเหล็กเดี่ยวถูกบิดที่มุม 60° ต่อช่วง และท่อเหล็ก 7 ท่อประกอบกันเป็นหน่วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบิด กล่าวกันว่าข้อดีของมันคือ โครงสร้างกะทัดรัด ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง และสามารถลดพื้นที่อับของกระแสไหลภายนอกได้ เป็นโครงสร้างที่เหมาะสมสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในพื้นที่แคบ การคำนวณและการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าการเสียรูปพลาสติกที่เกิดจากการบิดขึ้นรูปเย็นมีเพียง 4%~14% และอุณหภูมิการทำงานไม่เกิน 540℃ ตามข้อกำหนดของ “ASME Boiler and Pressure Vessel Code” ไม่จำเป็นต้องทำการอบคลายความเครียด อย่างไรก็ตาม หลังจากการทดสอบการกัดกร่อนจากความเค้นตามมาตรฐาน ASTMG36 พบว่าท่อสแตนเลสออสเทนิติกแบบบิดเกลียว 316 และ 321 ต้องผ่านกระบวนการอบคลายความเค้นหรือการอบละลายเพื่อให้ทนต่อการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดี และประสิทธิภาพของท่อสแตนเลส 321 นั้นดีกว่าท่อสแตนเลส 316 มาก
4. ท่อบิดเกลียวและท่อรูปตัวยู ทำจากสแตนเลสดูเพล็กซ์
ผลการทดสอบในต่างประเทศแสดงให้เห็นว่า การอบคลายความเค้น (stress relief annealing) ไม่เหมาะสมสำหรับท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์แบบบิดหรือท่อรูปตัวยู ผลการทดสอบในปัจจุบันกำหนดให้ท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์ 2205 ต้องมีค่า R≥5.33d0 แต่ท่อสแตนเลสซูเปอร์ดูเพล็กซ์ 2507 ต้องมีค่า R≥1.5d0 เหตุผลมีดังนี้: ① สแตนเลสดูเพล็กซ์มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดีเยี่ยม และยิ่งค่า PRE เทียบเท่าการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมสูงเท่าไร ความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากความเค้นของวัสดุก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ② การอบคลายความเค้นเฉพาะจุดที่อุณหภูมิต่ำจะส่งผลกระทบต่อสมดุลของเฟสและสารประกอบโลหะระหว่างกันของเนื้อโลหะ กล่าวคือ การตกตะกอนของเฟสที่เปราะจะทำให้ความต้านทานต่อการกัดกร่อนลดลงมากขึ้น ผลการวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าท่อเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์อาจเป็นวัสดุที่เหมาะสมกว่าสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และยังเป็นพื้นฐานให้สมาคมการเชื่อมแห่งอเมริกาและมาตรฐาน ASMEB31.3 ต้องระมัดระวังเป็นอย่างมากเกี่ยวกับข้อกำหนดด้านการอบชุบความร้อน
5. วิธีการอบอ่อนเพื่อลดความเค้นของท่อรูปตัวยู
ทั้งวิธีการในประเทศและต่างประเทศใช้การให้ความร้อนด้วยความต้านทานหรือการให้ความร้อนเฉพาะจุดในเตาอบเพื่อทำการอบคลายความเครียดเฉพาะจุดบนท่อรูปตัวยู แต่ประเด็นถกเถียงมักอยู่ที่ว่าวิธีใดมีประสิทธิภาพหรือเหมาะสมกว่ากัน ผลการวิจัยล่าสุดในสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่าการให้ความร้อนด้วยความต้านทานเป็นวิธีที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพมากกว่า เหตุผลมีดังนี้: ① สามารถป้อนกระแสสลับความถี่ไฟฟ้าโดยตรงจากจุดตัดท่อรูปตัวยูที่ระยะ 250 มม. ผ่านอิเล็กโทรดยึด และสามารถให้ความร้อนแก่ส่วนท่อที่โค้งงอได้ถึง 1010~1065℃ ในเวลาอันสั้น (ประมาณ 10 วินาที) โดยใช้พลังงานต่ำมาก ② สามารถใช้เครื่องวัดอุณหภูมิแบบออปติคอลเพื่อควบคุมอุณหภูมิของบริเวณที่ให้ความร้อนโดยอัตโนมัติ ③ ผนังด้านในบรรจุด้วยก๊าซอาร์กอนเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันอย่างมีประสิทธิภาพ ④ หลังจากให้ความร้อนแล้ว สามารถใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับเพื่อลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วต่ำกว่า 425℃ ภายใน 2-3 นาที ทำให้เกิดฟิล์มออกไซด์สีเหลืองหรือสีฟ้าอ่อน บางและหนาแน่น ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการใช้งานมาตรฐานสูงได้โดยไม่ต้องใช้กรด
6. บทสรุป
(1) การแปรรูปเย็น เช่น การดึงเย็นและการรีดเย็น จะทำให้เหล็กกล้าไร้สนิม โดยเฉพาะเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก เกิดการแข็งตัวจากความเย็น และทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของโครงสร้างผลึก การเปลี่ยนเฟสแบบมาร์เทนซิติก การตกตะกอนของคาร์ไบด์ การเพิ่มขึ้นของความเป็นแม่เหล็ก และความเค้นตกค้าง ส่งผลให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง การอบอ่อนหรือการอบชุบด้วยความร้อนหลังจากการแปรรูปเย็นสามารถขจัดผลเสียเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ท่อไร้รอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกและท่อเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมที่ผ่านการแปรรูปเย็นอย่างลึกจะต้องจัดส่งในสภาพที่ผ่านการอบอ่อนหรืออบชุบด้วยความร้อน เพื่อให้มั่นใจถึงความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(2) นอกเหนือจากการแตกร้าวจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้นและสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงต่อความล้าจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้นสลับ การควบคุมระดับของการทำงานเย็นเป็นอีกวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีความสำคัญต่อการทำงานเย็นเฉพาะจุด เช่น การดัดเย็นและการขยายเย็น ซึ่งยากต่อการอบอ่อน ตราบใดที่รัศมีการดัดเย็นของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกถูกควบคุมให้ไม่น้อยกว่า 1.5d0 และรัศมีการดัดเย็นของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกและดูเพล็กซ์มากกว่า 2.5d0 โดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็นต้องทำการอบอ่อนเพื่อลดความเค้นหลังจากการดัดเย็น
(3) สำหรับส่วนโค้งที่ต้องการความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนของความเค้น เช่น ส่วนโค้งรูปตัว U ที่ทำจากสแตนเลสออสเทนิติกสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานภายใต้สภาวะน้ำหรือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูง จะต้องทำการอบคลายความเค้นอย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการดัดเย็นโดยไม่คำนึงถึงขนาดของรัศมีการดัดเย็น
(4) เหล็กกล้าไร้สนิม 06Cr19Ni11Ti (321) มีความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดีกว่า 316L และเป็นวัสดุท่อเหล็กกล้าออสเทนิติกที่เหมาะสมกว่าสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อรูปตัว U ท่อรูปตัว U ที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ไม่เหมาะสมหรือไม่ควรนำไปผ่านกระบวนการอบคลายความเค้นเฉพาะที่หลังจากการดัดเย็นหรือการบิด
(5) ท่อสแตนเลสบิดเย็นสามารถสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดใหม่ที่มีโครงสร้างกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนสูงขึ้น ซึ่งสมควรได้รับความสนใจในการสำรวจและพัฒนาจากหน่วยงานออกแบบและประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้อง
(6) ท่อรูปตัวยูสแตนเลสดูเพล็กซ์ไม่เหมาะสมหรือไม่ควรนำไปผ่านกระบวนการอบคลายความเครียดเฉพาะที่หลังจากการดัดเย็นหรือการบิด
(7) การให้ความร้อนด้วยความต้านทานเป็นวิธีการอบชุบความร้อนเพื่อคลายความเครียดเฉพาะที่ซึ่งประหยัดพลังงานและเวลามากกว่าการให้ความร้อนทางอ้อมในเตาอบ สามารถควบคุมอัตโนมัติได้ง่าย และควรได้รับการส่งเสริมเป็นลำดับความสำคัญ
(8) มาตรฐานท่อส่งของยุโรปและอเมริกา (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) มีข้อกำหนดที่ปรับปรุงและละเอียดเกี่ยวกับการอบชุบความร้อนของท่อสแตนเลสหลังจากการขึ้นรูปเย็น/ร้อน ซึ่งควรได้รับความสนใจอย่างมาก