Kéo nguội, cán nguội, uốn nguội, giãn nở nguội và xoắn nguội đều là những 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., sử dụng ống thép không gỉ liền mạch/hàn. Tính dẻo tuyệt vời của thép không gỉ, đặc biệt là thép không gỉ Austenit, giúp cho việc gia công nguội (CW) nêu trên nhìn chung dễ thực hiện; tuy nhiên, tất cả các phương pháp gia công nguội này, giống như hàn, chắc chắn sẽ làm giảm hiệu suất của ống thép không gỉ, đặc biệt là khả năng chống ăn mòn hoặc chịu nhiệt. Việc loại bỏ, giảm thiểu hoặc kiểm soát những hư hại này luôn là trọng tâm trong sản xuất và gia công tiếp theo của ống thép không gỉ. Xử lý nhiệt bằng dung dịch cuối cùng hoặc ủ trước khi giao hàng là cách hiệu quả nhất để loại bỏ những tác hại của các phương pháp gia công nguội nêu trên. Tuy nhiên, phương pháp này, một mặt, đòi hỏi gia nhiệt ở nhiệt độ cao và xử lý tẩy gỉ, 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 tiền, điều này cực kỳ thiếu khôn ngoan và không có lợi. Mặt khác, việc thực hiện quy trình này có thể khó khăn đối với một số sản phẩm hoặc điều kiện ứng dụng nhất định. Do đó, kiểm soát mức độ gia công nguội (biến dạng do gia công nguội) và thực hiện ủ giảm ứng suất ở nhiệt độ thấp cục bộ đã trở thành hai cách thực tiễn khác để giảm thiểu hoặc kiểm soát tác hại của nó, nhưng điều kiện ứng dụng của chúng, bao gồm sự khác biệt về loại thép, vẫn còn gây tranh cãi.
1. Tác hại và cách khắc phục ảnh hưởng của quá trình gia công nguội đến hiệu suất của ống thép không gỉ
1.1 Việc gia công nguội bằng biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng sẽ làm giảm hiệu năng của ống thép không gỉ, dẫn đến hiện tượng cứng hóa do gia công nguội, tức là độ cứng và độ bền của vật liệu tăng lên, đồng thời tính dẻo ban đầu của vật liệu bị mất đi một phần hoặc hoàn toàn, điều này chắc chắn sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn hoặc chịu nhiệt của vật liệu.
1.2 Các phương pháp khắc phục hư hỏng
Quá trình xử lý nhiệt dung dịch cuối cùng đối với ống thép không gỉ austenit và duplex trước khi giao hàng, và quá trình xử lý nhiệt ủ cuối cùng đối với ống thép không gỉ ferrit trước khi giao hàng, đều nhằm mục đích loại bỏ hiệu quả những hư hại về hiệu năng do quá trình gia công nguội, hàn và các quá trình gia công nóng khác gây ra. Đó là lý do tại sao tiêu chuẩn ống thép không gỉ của hầu hết các quốc gia, đặc biệt là tiêu chuẩn ống thép không gỉ thống nhất châu Âu, quy định rằng tất cả các ống thép không gỉ liền mạch phải được cung cấp ở trạng thái dung dịch rắn hoặc ủ. Người dùng trong nước đã báo cáo rằng ống thép không gỉ austenit liền mạch 316L 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 xuất hiện ăn mòn rỗ sau một lần ngâm là không bình thường). Quá trình xử lý dung dịch cuối cùng hoặc xử lý không đầy đủ có thể dẫn đến sản phẩm “kém chất lượng”. Xử lý nhiệt dung dịch cuối cùng hoặc ủ là một quá trình rất quan trọng và không thể thiếu trong sản xuất ống thép không gỉ liền mạch.
2. Uốn nguội và xử lý nhiệt giảm ứng suất đối với ống thép không gỉ
Uốn nguội là một phương pháp gia công nguội phổ biến cho ống thép không gỉ, có thể được thực hiện bởi các nhà sản xuất ống thép, người sử dụng hoặc các nhà sản xuất phụ kiện đường ống chuyên nghiệp. Việc có nên thực hiện xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn nguội hay không và cách thức thực hiện xử lý nhiệt thường là điểm gây tranh cãi giữa các nhà sản xuất hoặc người sử dụng trong các 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 đối với ống thép không gỉ
Uốn nguội là một phương pháp gia công nguội phổ biến cho ống thép không gỉ, có thể được thực hiện bởi các nhà sản xuất ống thép, người sử dụng hoặc các nhà sản xuất phụ kiện đường ống chuyên nghiệp. Việc có nên thực hiện xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn nguội hay không và cách thức thực hiện xử lý nhiệt thường là điểm gây tranh cãi giữa các nhà sản xuất hoặc người sử dụng trong các 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 chu kỳ hoặc môi trường ăn mòn do ứng suất
Đối với các ứng dụng chịu tải trọng chu kỳ hoặc môi trường ăn mòn do ứng suất, các quy định của tiêu chuẩn châu Âu và Mỹ có một số khác biệt. Tiêu chuẩn Mỹ quy định rằng đối với các vật liệu có yêu cầu thử nghiệm va đập, cần thực hiện xử lý giảm ứng suất hoặc xử lý dung dịch rắn khi độ giãn dài sợi tối đa được tính toán là 5% sau khi uốn hoặc khi có các yêu cầu khác. Ống chữ U được sử dụng trong bộ trao đổi nhiệt như bộ gia nhiệt nước cấp và bình ngưng 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 do ứng suất do ion clorua và hàm lượng oxy trong môi trường. Do đó, hai tiêu chuẩn (duy nhất trên thế giới) của Mỹ ASTMA688/A688M và A803/A803M dành cho ống thép không gỉ liền mạch và hàn dùng cho bộ gia nhiệt nước cấp, và tiêu chuẩn JISG3463 của Nhật Bản dành cho ống thép không gỉ dùng cho nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt quy định rằng người sử dụng có thể yêu cầu ống chữ U phải được xử lý nhiệt giảm ứng suất cục bộ sau khi uốn. Tiêu chuẩn sản xuất lò phản ứng hạt nhân RCC-M3319 của Pháp quy định rằng các ống hình chữ U phải vượt qua thử nghiệm ăn mòn ứng suất MgCl2 sau khi uốn cong để xác định xem có cần xử lý nhiệt giảm ứng suất sau khi uốn cong hay không.
3. Ống xoắn và bộ trao đổi nhiệt xoắn
Bộ trao đổi nhiệt cấu tạo từ các ống xoắn (ống xoắn gia công nguội, TwistedTube) được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài. Đặc điểm của nó là mỗi ống thép được xoắn 60° trên mỗi bước xoắn, 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 vùng chết do sự trì trệ dòng chảy bên ngoài. 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 do gia công nguội xoắn chỉ từ 4% đến 14%, và nhiệt độ làm việc không quá 540℃. Theo quy định của “Bộ luật nồi hơi và bình áp lực ASME”, không cần phải ủ giảm ứng suất. Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm ăn mòn do ứng suất theo tiêu chuẩn ASTMG36, người ta chứng minh rằng ống thép không gỉ Austenit xoắn 316 và 321 phải được xử lý bằng phương pháp ủ giảm ứng suất hoặc ủ dung dịch để đạt được khả năng chống ăn mòn do 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 song pha
Kết quả thử nghiệm ở nước ngoài cho thấy việc ủ giảm ứng suất không phù hợp đối với ống xoắn hoặc ống chữ U bằng thép không gỉ song pha. Kết quả thử nghiệm hiện tại yêu cầu R≥5,33d0 đối với ống thép không gỉ song pha 2205, nhưng R≥1,5d0 đối với ống thép không gỉ siêu song pha 2507. Lý do là: ① Thép không gỉ song pha có khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn ứng suất tuyệt vời, và giá trị PRE tương đương ăn mòn rỗ càng cao thì khả năng chống ăn mòn ứng suất của vật liệu càng tốt. ② Việc ủ giảm ứng suất ở nhiệt độ thấp cục bộ sẽ ảnh hưởng đến cân bằng pha và các hợp chất liên kim loại của ma trận, tức là sự kết tủa của 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 song pha có thể là vật liệu phù hợp hơn cho bộ trao đổi nhiệt, và đây cũng là cơ sở để Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ và tiêu chuẩn ASMEB31.3 rất thận trọng về các quy định xử lý nhiệt của họ.
5. Phương pháp ủ nhiệt để giảm ứng suất cho ống hình chữ U
Cả phương pháp trong nước và nước ngoài đều sử dụng gia nhiệt điện trở hoặc gia nhiệt cục bộ trong lò để thực hiện quá trình ủ giảm ứng suất cục bộ trên ống chữ U, nhưng phương pháp nào hiệu quả hơn hoặc hợp lý hơn thường là tâm điểm tranh cãi. Kết quả nghiên cứu mới nhất tại Hoa Kỳ cho thấy gia nhiệt điện trở là phương pháp hợp lý và hiệu quả hơn. Lý do như sau: ① Dòng điện xoay chiều tần số nguồn có thể được đưa trực tiếp từ điểm cắt ống chữ U cách đó 250mm thông qua điện cực kẹp, và phần ống uốn cong có thể được nung nóng 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 điều khiển nhiệt độ vùng gia nhiệt; ③ Thành trong được lấp đầy khí Ar để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hiệu quả; ④ Sau khi nung nóng, có thể sử dụng làm mát bằng khí cưỡng bức để nhanh chóng làm nguội xuống dưới 425℃ trong vòng 2~3 phút, tạo thành một lớp màng oxit mỏng và đặc màu vàng hoặc xanh nhạt, đáp ứng được yêu cầu sử dụng tiêu chuẩn cao mà không cần tẩy gỉ.
6. Kết luận
(1) Gia công nguội như kéo nguội và cán nguội sẽ gây ra hiện tượng cứng nguội của thép không gỉ, đặc biệt là thép không gỉ austenit, và gây ra sự lệch mạng tinh thể, biến đổi pha mactenit, kết tủa cacbua, tăng từ tính và ứng suất dư, do đó làm giảm khả năng chống ăn mòn của nó. 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 được gia công nguội sâu phải được cung cấp ở trạng thái xử lý dung dịch hoặc ủ để đảm bảo hiệu quả khả năng chống ăn mòn của chúng.
(2) Ngoài nứt ăn mòn do ứng suất và điều kiện môi trường có nguy cơ mỏi ăn mòn do ứng suất thay đổi, việc kiểm soát mức độ gia công nguội là một cách khác để tránh những tác động bất lợi của nó. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công việc gia công nguội cục bộ như uốn nguội và giãn nở nguội, 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 ferrit và duplex lớn hơn 2,5d0, thì nói chung không cần phải thực hiện ủ giảm ứng suất sau khi uốn nguội.
(3) Đối với các đoạn uốn cần có khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất, chẳng hạn như các đoạn uốn bằng thép không gỉ austenit hình chữ U cho bộ trao đổi nhiệt hoạt động trong điều kiện nước hoặc hơi nước ở nhiệt độ cao và áp suất cao, phải thực hiện quá trình ủ giảm ứng suất hiệu quả sau khi uốn nguội bất kể kích thước bán kính uốn nguội là bao nhiêu.
(4) Thép không gỉ 06Cr19Ni11Ti (321) có khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất tốt hơn 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 song pha không phù hợp hoặc không nên được ủ giảm ứng suất cục bộ sau khi uốn nguội hoặc xoắn.
(5) Ống thép không gỉ xoắn nguội có thể tạo thành một loại bộ trao đổi nhiệt mới với cấu trúc nhỏ gọn và hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn, đáng được các bộ phận thiết kế và ứng dụng liên quan chú trọng nghiên cứu và phát triển.
(6) Ống chữ U bằng thép không gỉ song pha 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 một 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 thúc đẩy.
(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 của ống thép không gỉ sau khi tạo hình nguội/nóng, rất đáng được chú ý.
Thời gian đăng bài: 06/11/2024