Kéo nguội, cán nguội, cán nguội, uốn nguội, giãn nở nguội và xoắn nguội đều là các phương pháp gia công phổ biến để sản xuất ống thép không gỉ hoặc ống thép chịu nhiệt dùng cho bộ trao đổi nhiệt, v.v. bằng ống thép không gỉ hàn/đúc liền. Độ dẻo tuyệt vời của thép không gỉ, đặc biệt là thép không gỉ austenit, giúp cho việc gia công nguội (CW) nói trên thường dễ dàng thực hiện; tuy nhiên, tất cả các phương pháp gia công nguội này, chẳng hạn như hàn, chắc chắn sẽ làm giảm hiệu suất của ống thép không gỉ, đặc biệt là khả năng chống ăn mòn hoặc khả năng chịu nhiệt. Việc loại bỏ, giảm thiểu hoặc kiểm soát những hư hỏng này luôn là trọng tâm trong quá trình sản xuất và gia công tiếp theo của ống thép không gỉ. Giải pháp cuối cùng hoặc xử lý nhiệt ủ trước khi giao hàng là cách hiệu quả nhất để loại bỏ các tác hại của quá trình gia công nguội nói trên. Tuy nhiên, phương pháp này, một mặt, đòi hỏi phải gia nhiệt và xử lý tẩy rửa ở nhiệt độ cao, điều này sẽ làm tăng đáng kể chi phí sản xuất và chu kỳ sản xuất. Ngoài ra, còn có các vấn đề như xả thải, xử lý và đánh giá khí thải và nước thải như sương axit. Do đó, một số nhà sản xuất bỏ qua quy trình này để giảm chi phí hoặc đáp ứng thời hạn. Một số người dùng mua những sản phẩm như vậy để tiết kiệm chi phí, điều này cực kỳ thiếu khôn ngoan và không mang lại lợi nhuận. Mặt khác, việc áp dụng quy trình này có thể khó khăn đối với một số sản phẩm hoặc điều kiện ứng dụng nhất định. Do đó, việc kiểm soát mức độ gia công nguội (biến dạng gia công nguội) và ủ giảm ứng suất cục bộ ở nhiệt độ thấp đã trở thành hai cách thiết thực khác để giảm thiểu hoặc kiểm soát tác hại của nó, nhưng điều kiện ứng dụng của chúng, bao gồm cả sự khác biệt về loại thép, vẫn còn gây tranh cãi.
1. Hư hỏng và loại bỏ tác động làm lạnh lên hiệu suất của ống thép không gỉ
1.1 Hư hỏng hiệu suất của ống thép không gỉ do biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng sẽ gây ra hiện tượng tôi nguội, tức là độ cứng và độ bền của vật liệu tăng lên, độ dẻo ban đầu của vật liệu bị mất một phần hoặc toàn bộ, và chắc chắn sẽ làm hỏng khả năng chống ăn mòn hoặc khả năng chịu nhiệt của vật liệu.
1.2 Phương pháp loại bỏ thiệt hại
Xử lý nhiệt dung dịch cuối cùng đối với ống thép không gỉ austenit và duplex trước khi giao hàng, và xử lý nhiệt ủ cuối cùng đối với ống thép không gỉ ferritic trước khi giao hàng, tất cả đều nhằm mục đích loại bỏ hiệu quả thiệt hại về hiệu suất do gia công nguội, hàn và các công đoạn gia công nóng khác nêu trên gây ra. Đây là lý do tại sao các tiêu chuẩn ống thép không gỉ của hầu hết các quốc gia, đặc biệt là các tiêu chuẩn ống thép không gỉ thống nhất của Châu Âu, quy định rằng tất cả các ống thép không gỉ liền mạch phải được cung cấp ở dạng dung dịch rắn hoặc trạng thái ủ. Người dùng trong nước đã báo cáo rằng ống thép không gỉ liền mạch austenit 316L được phát hiện bị ăn mòn rỗ ngay khi ngâm trong nước biển (316L không phải là vật liệu lý tưởng cho ăn mòn hoặc ngâm trong nước biển, nhưng việc phát hiện ăn mòn rỗ sau một lần ngâm là không bình thường). Xử lý dung dịch cuối cùng hoặc xử lý không đầy đủ có thể là một "sản phẩm rẻ tiền". Xử lý nhiệt dung dịch cuối cùng hoặc ủ là một quá trình rất quan trọng và không thể thiếu trong quá trình sản xuất ống thép không gỉ liền mạch.
2. Xử lý nhiệt uốn nguội và giảm ứng suất cho ống thép không gỉ
Uốn nguội là phương pháp gia công nguội phổ biến đối với ống thép không gỉ, có thể được thực hiện bởi nhà sản xuất ống thép, người sử dụng hoặc nhà sản xuất phụ kiện ống chuyên nghiệp. Việc có nên xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn nguội hay không và cách xử lý nhiệt thường là vấn đề gây tranh cãi giữa nhà sản xuất hoặc người sử dụng trong đơn đặt hàng. Vấn đề này đã được quy định trong các tiêu chuẩn đường ống nước ngoài, nhưng thực sự có một số điểm đáng thảo luận.
2.1 Uốn nguội và xử lý nhiệt giảm ứng suất cho ống thép không gỉ
Uốn nguội là phương pháp gia công nguội phổ biến đối với ống thép không gỉ, có thể được thực hiện bởi nhà sản xuất ống thép, người sử dụng hoặc nhà sản xuất phụ kiện ống chuyên nghiệp. Việc có nên xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn nguội hay không và cách xử lý nhiệt thường là vấn đề gây tranh cãi giữa nhà sản xuất hoặc người sử dụng trong đơn đặt hàng. Vấn đề này đã được quy định trong các tiêu chuẩn đường ống nước ngoài, nhưng thực sự có một số điểm đáng thảo luận.
2.2 Dành cho các ứng dụng chịu được tải trọng tuần hoàn hoặc môi trường ăn mòn ứng suất
Đối với các ứng dụng chịu được tải trọng tuần hoàn hoặc môi trường ăn mòn ứng suất, các quy định của tiêu chuẩn Châu Âu và Hoa Kỳ có đôi chút khác biệt. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ quy định rằng đối với các vật liệu có yêu cầu thử nghiệm va đập, cần thực hiện giảm ứng suất hoặc xử lý dung dịch rắn khi độ giãn dài sợi tính toán tối đa là 5% sau khi uốn hoặc khi có các yêu cầu khác. Các ống hình chữ U được sử dụng trong các bộ trao đổi nhiệt như bộ gia nhiệt nước cấp và bộ ngưng tụ trong các nhà máy điện hoạt động trong môi trường nước/hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao rất nhạy cảm với hiện tượng nứt ăn mòn ứng suất do các ion clorua và hàm lượng oxy trong môi trường. Do đó, hai tiêu chuẩn (duy nhất trên thế giới) ASTMA688/A688M và A803/A803M của Hoa Kỳ đối với ống thép không gỉ hàn và liền mạch dùng cho bộ gia nhiệt nước cấp, và tiêu chuẩn JISG3463 của Nhật Bản đối với ống thép không gỉ dùng cho nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt quy định rằng người dùng có thể yêu cầu ống hình chữ U phải được xử lý nhiệt giảm ứng suất cục bộ sau khi uốn. Tiêu chuẩn sản xuất lò phản ứng hạt nhân của Pháp RCC-M3319 quy định rằng các ống hình chữ U phải vượt qua thử nghiệm ăn mòn ứng suất MgCl2 sau khi uốn để xác định xem có cần xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn hay không.
3. Ống xoắn và bộ trao đổi nhiệt xoắn
Bộ trao đổi nhiệt được cấu tạo từ các ống xoắn (ống xoắn gia công nguội, TwistedTube) được sử dụng ở nước ngoài. Đặc điểm của nó là một ống thép đơn được xoắn với góc 60° mỗi bước, và 7 ống thép tạo thành một cụm trao đổi nhiệt xoắn. Ưu điểm của nó là cấu trúc nhỏ gọn, hiệu suất nhiệt cao và có thể giảm thiểu vùng chết của dòng chảy bên ngoài bị ứ đọng. Đây là cấu trúc lý tưởng cho các bộ trao đổi nhiệt trong không gian hẹp. Tính toán và phân tích cho thấy biến dạng dẻo hình thành do gia công nguội xoắn chỉ từ 4%~14%, và nhiệt độ làm việc của nó không quá 540℃. Theo quy định của "Tiêu chuẩn ASME về Nồi hơi và Bình chịu áp lực", không cần ủ giảm ứng suất. Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm ăn mòn ứng suất theo tiêu chuẩn ASTMG36, đã chứng minh rằng ống xoắn bằng thép không gỉ austenit 316 và 321 phải trải qua quá trình ủ giảm ứng suất hoặc ủ dung dịch để đạt được khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt và hiệu suất của ống thép không gỉ 321 tốt hơn nhiều so với ống thép không gỉ 316.
4. Ống xoắn và ống chữ U bằng thép không gỉ kép
Kết quả thử nghiệm ở nước ngoài cho thấy không phù hợp để thực hiện ủ giảm ứng suất trên ống xoắn thép không gỉ duplex hoặc ống chữ U. Kết quả thử nghiệm hiện tại yêu cầu R≥5,33d0 đối với ống thép không gỉ duplex 2205, nhưng R≥1,5d0 đối với ống thép không gỉ siêu duplex 2507. Lý do là: ① Thép không gỉ duplex có khả năng chống rỗ và ăn mòn ứng suất tuyệt vời, và giá trị PRE tương đương rỗ càng cao thì khả năng chống ăn mòn ứng suất của vật liệu càng tốt. ② Ủ giảm ứng suất cục bộ ở nhiệt độ thấp sẽ ảnh hưởng đến cân bằng pha và các hợp chất liên kim loại của ma trận, nghĩa là sự kết tủa các pha giòn sẽ gây ra thiệt hại lớn hơn cho khả năng chống ăn mòn. Những kết quả nghiên cứu này cho thấy ống thép không gỉ duplex có thể là vật liệu phù hợp hơn cho bộ trao đổi nhiệt và cũng là cơ sở để Hiệp hội hàn Hoa Kỳ và các tiêu chuẩn ASMEB31.3 rất thận trọng về các quy định xử lý nhiệt của họ.
5. Phương pháp ủ để giảm ứng suất cho ống chữ U
Cả phương pháp trong và ngoài nước đều sử dụng phương pháp gia nhiệt điện trở hoặc gia nhiệt cục bộ trong lò để thực hiện ủ giảm ứng suất cục bộ trên ống hình chữ U, nhưng phương pháp nào hiệu quả hơn hoặc hợp lý hơn thường là trọng tâm của tranh cãi. Kết quả nghiên cứu mới nhất tại Hoa Kỳ cho thấy phương pháp gia nhiệt điện trở là phương pháp hợp lý và hiệu quả hơn. Lý do như sau: ① Dòng điện xoay chiều tần số công suất có thể được đưa trực tiếp từ điểm cắt ống hình chữ U cách xa 250mm qua điện cực kẹp và đoạn ống cong có thể được gia nhiệt đến 1010~1065℃ trong thời gian ngắn (khoảng 10 giây), với mức tiêu thụ năng lượng rất thấp; ② Có thể sử dụng nhiệt kế quang học để tự động kiểm soát nhiệt độ của vùng gia nhiệt; ③ Thành trong được nạp khí Ar để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hiệu quả; ④ Sau khi gia nhiệt, có thể sử dụng làm mát bằng không khí cưỡng bức để làm nguội nhanh xuống dưới 425℃ trong vòng 2~3 phút, cho thấy lớp màng oxit mỏng và đặc màu vàng hoặc xanh nhạt, có thể đáp ứng yêu cầu sử dụng tiêu chuẩn cao mà không bị ngâm chua.
6. Kết luận
(1) Gia công nguội như kéo nguội và cán nguội sẽ làm thép không gỉ, đặc biệt là thép không gỉ austenit, bị tôi nguội, gây ra sự lệch mạng tinh thể, chuyển pha martensit, kết tủa cacbua, tăng từ tính và ứng suất dư, do đó làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép. Ủ hoặc xử lý nhiệt dung dịch sau khi gia công nguội có thể loại bỏ hiệu quả những tác động bất lợi này; do đó, ống thép không gỉ austenit liền mạch và ống thép không gỉ hàn gia công nguội sâu phải được cung cấp ở trạng thái dung dịch hoặc ủ để đảm bảo hiệu quả khả năng chống ăn mòn của chúng.
(2) Ngoài việc kiểm soát nứt do ăn mòn ứng suất và điều kiện môi trường có nguy cơ gây mỏi do ăn mòn do ứng suất thay đổi, việc kiểm soát mức độ gia công nguội là một cách khác để tránh những tác động tiêu cực của nó. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công đoạn gia công nguội cục bộ như uốn nguội và giãn nở nguội, vốn rất khó ủ. Chỉ cần bán kính uốn nguội của ống thép không gỉ austenit được kiểm soát không nhỏ hơn 1,5d0, và bán kính uốn nguội của ống thép không gỉ ferritic và duplex lớn hơn 2,5d0, thì nói chung không cần ủ khử ứng suất sau khi uốn nguội.
(3) Đối với các uốn cong đòi hỏi khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất, chẳng hạn như uốn cong bằng thép không gỉ austenit hình chữ U cho bộ trao đổi nhiệt hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao của nước hoặc hơi nước, phải thực hiện ủ giảm ứng suất hiệu quả sau khi uốn nguội bất kể bán kính uốn nguội là bao nhiêu.
(4) Thép không gỉ 06Cr19Ni11Ti (321) có khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất tốt hơn thép không gỉ 316L và là vật liệu ống thép austenit phù hợp hơn cho bộ trao đổi nhiệt dạng ống chữ U. Ống chữ U bằng thép không gỉ hai lớp không phù hợp hoặc không nên ủ giảm ứng suất cục bộ sau khi uốn nguội hoặc xoắn.
(5) Ống thép không gỉ xoắn lạnh có thể tạo thành một loại bộ trao đổi nhiệt mới có cấu trúc nhỏ gọn và hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn, đáng được các phòng thiết kế và ứng dụng có liên quan quan tâm nghiên cứu và phát triển.
(6) Ống chữ U bằng thép không gỉ hai mặt không phù hợp hoặc không nên được ủ giảm ứng suất cục bộ sau khi uốn nguội hoặc xoắn.
(7) Gia nhiệt điện trở là phương pháp xử lý nhiệt giảm ứng suất cục bộ, tiết kiệm năng lượng và thời gian hơn so với gia nhiệt gián tiếp trong lò, dễ dàng thực hiện điều khiển tự động và nên được ưu tiên phát triển.
(8) Các tiêu chuẩn đường ống của Châu Âu và Hoa Kỳ (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) có một số quy định cập nhật và chi tiết về xử lý nhiệt ống thép không gỉ sau khi tạo hình nguội/nóng, đáng được quan tâm cao.
Thời gian đăng: 06-11-2024