ท่อเหล็กโลหะผสมคืออะไร? แตกต่างจากเหล็กกล้าคาร์บอนอย่างไร?

ท่อเหล็กโลหะผสมมีส่วนผสมของธาตุผสมที่เพิ่มเข้าไปโดยเจตนา เช่น โครเมียม โมลิบดีนัม นิกเกิล วานาเดียม และอื่นๆ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติให้เหนือกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน ธาตุผสมเหล่านี้เปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคและคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของวัสดุ โครเมียม (Cr) ปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนโดยการสร้างชั้นโครเมียมออกไซด์ที่เสถียร โมลิบดีนัม (Mo) เพิ่มความแข็งแรงในการดึงที่อุณหภูมิสูงและความต้านทานการคืบ (creep) ผ่านการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง (solid solution strengthening) วานาเดียม (V) และไนโอเบียม (Nb) ปรับปรุงโครงสร้างเกรนและให้การเสริมความแข็งแรงโดยการตกตะกอน (precipitation strengthening) การรวมกันของธาตุเหล่านี้สร้างวัสดุที่คงความแข็งแรงและต้านทานการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิซึ่งเหล็กกล้าคาร์บอนจะล้มเหลวอย่างรวดเร็ว

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเหล็กโลหะผสมและเหล็กกล้าคาร์บอนอยู่ที่ปริมาณธาตุผสมทั้งหมด เหล็กกล้าคาร์บอนโดยทั่วไปมีเพียงปริมาณที่เหลืออยู่ (น้อยกว่า 1.6% โดยรวม) ของธาตุที่นอกเหนือจากคาร์บอน แมงกานีส ซิลิคอน และสิ่งเจือปนที่ควบคุมได้ เหล็กโลหะผสมเพิ่มธาตุผสมมากกว่า 1% โดยเจตนาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายคุณสมบัติเฉพาะ ปริมาณธาตุผสมที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้ท่อเหล็กโลหะผสมมีราคาแพงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน 2-5 เท่า แต่ทำให้สามารถใช้งานในสภาวะที่เหล็กกล้าคาร์บอนไม่เหมาะสมได้

ภาพรวมมาตรฐาน ASTM A335

ASTM A335 เป็นมาตรฐานหลักที่ครอบคลุมท่อเหล็กโลหะผสมเฟอร์ริติกไร้ตะเข็บ (seamless ferritic alloy steel pipe) สำหรับงานอุณหภูมิสูง มาตรฐานครอบคลุมเกรด P5, P9, P11, P22, P91 และ P92 โดยแต่ละเกรดมีข้อกำหนดเฉพาะด้านองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติ ASTM A335 ถูกอ้างอิงโดย ASME Section II Part A ในชื่อ SA-335 และมีค่าความเค้นที่อนุญาต (allowable stress values) ระบุไว้ใน Section II Part D สำหรับทุกเกรด มาตรฐานที่เกี่ยวข้องคือ ASTM A213 ครอบคลุมโลหะผสมเดียวกันแต่ในรูปแบบท่อ (เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า) สำหรับหม้อไอน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน คำนำหน้า "P" ใน A335 หมายถึงท่อ (pipe) ในขณะที่ "T" ใน A213 หมายถึงท่อขนาดเล็ก (tube)

เกรดท่อเหล็กโลหะผสมต่ำ

A335 P5 (5% Cr, 0.5% Mo)

P5 มีโครเมียม 4.0-6.0% และโมลิบดีนัม 0.45-0.65% ให้ความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการกัดกร่อนจากซัลฟิเดชัน ปริมาณโครเมียมที่สูงจะสร้างออกไซด์ป้องกันที่เสถียรซึ่งต้านทานการเกิดสเกล (scaling) ที่อุณหภูมิสูงถึง 650°C P5 ถูกใช้ทั่วไปในงานโรงกลั่น เช่น หน่วย FCC (Fluid Catalytic Cracking) เครื่องทำความร้อนแบบโค้กเกอร์ (coker heaters) และท่อกระบวนการที่อุณหภูมิสูงอื่นๆ ซึ่งมีสภาพแวดล้อมที่มีซัลเฟอร์อยู่

A335 P9 (9% Cr, 1% Mo)

P9 เพิ่มปริมาณโครเมียมเป็น 8.0-10.0% โดยมีโมลิบดีนัม 0.90-1.10% ระดับโครเมียมที่สูงขึ้นนี้ช่วยปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนเพิ่มเติมเมื่อเทียบกับ P5 P9 ถูกกำหนดสำหรับหน่วยไฮโดรดีซัลเฟอไรเซชันในโรงกลั่น โรงงานกำจัดซัลเฟอร์ และงานไฮโดรคาร์บอนที่อุณหภูมิสูง ปริมาณโครเมียม 9% ให้ความต้านทานที่ดีกว่าต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนเนื่องจากความเค้นจากกรดโพลิไธโอนิก (PASCC) ในระหว่างการหยุดเดินเครื่อง

A335 P11 (1.25% Cr, 0.5% Mo)

P11 เป็นเกรดเหล็กโลหะผสมต่ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยมีโครเมียม 1.00-1.50% และโมลิบดีนัม 0.44-0.65% ให้ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงที่ดีขึ้นกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนโดยมีต้นทุนเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย P11 ถูกใช้ในท่อรีฮีตไอน้ำร้อน (hot reheat piping) ของโรงไฟฟ้า ท่อกระบวนการกลั่นที่อุณหภูมิปานกลาง และท่ออุณหภูมิสูงในโรงงานเคมี เชื่อมได้ง่ายโดยใช้การอุ่นล่วงหน้า (preheat) และ PWHT

A335 P22 (2.25% Cr, 1% Mo)

P22 เป็นเกรดหลักของอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและพลังงาน ด้วยโครเมียม 1.90-2.60% และโมลิบดีนัม 0.87-1.13% ให้ความต้านทานการคืบที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูงถึง 593°C P22 ถูกใช้อย่างกว้างขวางในท่อไอน้ำหลักและท่อรีฮีตไอน้ำร้อนของโรงไฟฟ้า หน่วยไฮโดรแครกเกอร์ในโรงกลั่น และระบบไอน้ำความดันสูง การรวมกันของความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และต้นทุนปานกลางทำให้เป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหลายประเภทก่อนที่จะเปลี่ยนไปใช้เกรด 9Cr ที่มีราคาแพงกว่า

เกรดท่อเหล็กโลหะผสมสูง - P91 & P92

A335 P91 (9% Cr, 1% Mo, V, Nb)

P91 เป็นเหล็กกล้า 9Cr-1Mo ที่ได้รับการดัดแปลงโดยมีการเติมวานาเดียม (0.18-0.25%) และไนโอเบียม (0.06-0.10%) ที่ควบคุมได้ ธาตุเหล่านี้ก่อตัวเป็นตะกอนละเอียดซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการคืบได้อย่างมาก P91 ให้ความต้านทานการแตกหักแบบคืบ (creep rupture strength) ประมาณสามเท่าของ P22 ที่อุณหภูมิ 600°C ทำให้สามารถใช้ผนังท่อที่บางลงและลดน้ำหนักในระบบท่ออุณหภูมิสูง P91 ต้องการการอบชุบด้วยความร้อนอย่างแม่นยำ (นอร์มัลไลซ์ที่ 1040-1080°C ตามด้วยเทมเปอร์ที่ 730-780°C) เพื่อพัฒนาโครงสร้างจุลภาคมาร์เทนไซต์เทมเปอร์ที่เหมาะสมที่สุด

A335 P92 (9% Cr, 0.5% Mo, W, V)

P92 เป็นวิวัฒนาการของ P91 โดยที่ทังสเตน (1.5-2.0%) เข้ามาทดแทนโมลิบดีนัมบางส่วนเพื่อปรับปรุงความต้านทานการคืบเพิ่มเติม P92 ให้ความต้านทานการแตกหักแบบคืบสูงกว่า P91 ประมาณ 15-20% ที่อุณหภูมิ 600°C ทำให้เหมาะสำหรับส่วนที่อุณหภูมิสูงที่สุดของโรงไฟฟ้าอุลตร้า-ซูเปอร์คริติคอล (ultra-supercritical) อย่างไรก็ตาม P92 เชื่อมได้ยากกว่าและต้องการการควบคุมพารามิเตอร์การอบชุบด้วยความร้อนที่เข้มงวดกว่า อุณหภูมิใช้งานสูงสุดสำหรับ P92 อยู่ที่ประมาณ 620°C สำหรับการใช้งานระยะยาว

การประยุกต์ใช้งานท่อเหล็กโลหะผสม

โรงกลั่นน้ำมันและโรงงานปิโตรเคมีเป็นผู้บริโภครายใหญ่ของท่อเหล็กโลหะผสม หน่วย FCC ใช้ P5 และ P9 สำหรับท่อของเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องรีเจนเนอเรเตอร์ซึ่งมีการกัดกร่อนจากซัลเฟอร์ที่อุณหภูมิสูงอย่างรุนแรง หน่วยไฮโดรแครกกิ้งใช้ P22 และ P91 สำหรับท่อผลิตภัณฑ์จากเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิ 400-450°C และความดัน 150-200 บาร์ หน่วยโค้กกิ้งใช้ P5 และ P9 สำหรับท่อทำความร้อนและท่อส่งผ่านที่ทำงานสูงกว่า 500°C โรงไฟฟ้าอุลตร้า-ซูเปอร์คริติคอลใช้ P91 และ P92 สำหรับท่อไอน้ำหลักที่ทำงานที่อุณหภูมิ 600-620°C และความดัน 250-300 บาร์ สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมพลังงานโดยละเอียด โปรดดู คู่มือท่อโรงไฟฟ้า

การอบชุบด้วยความร้อนของท่อเหล็กโลหะผสม

ท่อเหล็กโลหะผสมทั้งหมดต้องผ่านการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อพัฒนาคุณสมบัติทางกลตามที่กำหนด เกรดโลหะผสมต่ำ (P5, P9, P11, P22) โดยทั่วไปจะนอร์มัลไลซ์ที่อุณหภูมิ 900-980°C ตามด้วยเทมเปอร์ที่ 650-750°C ขั้นตอนการนอร์มัลไลซ์ช่วยปรับปรุงโครงสร้างเกรน ในขณะที่การเทมเปอร์ให้ความแข็งและความเหนียวตามที่ต้องการ P91 และ P92 ต้องการการควบคุมที่แม่นยำกว่า: นอร์มัลไลซ์ที่ 1040-1080°C (สูงกว่าอุณหภูมิ Ac3 เพื่อให้เกิดออสเทไนต์อย่างสมบูรณ์) ตามด้วยเทมเปอร์ที่ 730-780°C อัตราการเย็นตัวหลังการเทมเปอร์ก็มีความสำคัญเช่นกันเพื่อหลีกเลี่ยงการชุบแข็งซ้ำ PWHT (การอบชุบหลังการเชื่อม) เป็นข้อบังคับสำหรับการเชื่อมท่อเหล็กโลหะผสมทั้งหมด โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 680-760°C เป็นเวลา 1 ชั่วโมงต่อความหนา 25 มม. ดู คู่มือกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน(51) สำหรับพารามิเตอร์โดยละเอียด

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมเหล็กโลหะผสม

การเชื่อมท่อเหล็กโลหะผสมต้องให้ความสนใจอย่างรอบคอบกับอุณหภูมิอุ่นล่วงหน้า อุณหภูมิระหว่างรอยเชื่อม (interpass temperature) และ PWHT P11 ต้องการการอุ่นล่วงหน้าที่ 150-200°C ในขณะที่ P22 ต้องการ 200-300°C การเชื่อม P91 มีความต้องการสูงเป็นพิเศษ: อุ่นล่วงหน้าที่ 200-250°C ควบคุมอุณหภูมิระหว่างรอยเชื่อมอย่างเข้มงวด (สูงสุด 300°C) และทำ PWHT ทันทีหลังการเชื่อม การใช้ลวดเชื่อมที่มีไฮโดรเจนต่ำและการเก็บรักษาลวดเชื่อมอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเชื่อมเหล็กโลหะผสมทั้งหมดเพื่อป้องกันการแตกร้าวเย็นที่เกิดจากไฮโดรเจน การเชื่อมโลหะต่างชนิดระหว่างเหล็กโลหะผสมต่ำและเหล็กโลหะผสมสูงต้องเลือกวัสดุตัวเติมอย่างระมัดระวังและกำหนดพารามิเตอร์การอบชุบหลังการเชื่อมที่เหมาะสมกับวัสดุทั้งสอง

การอ้างอิงข้ามมาตรฐานสากล

ASTM A335 P11 เทียบเท่ากับ EN 10216-2 13CrMo4-5 (1.7335), JIS G3458 STPA23 และ GB/T 5310 15CrMoG P22 เทียบเท่ากับ EN 10216-2 10CrMo9-10 (1.7380), JIS G3458 STPA24 และ GB/T 5310 12Cr2MoG P91 เทียบเท่ากับ EN 10216-2 X10CrMoVNb9-1 (1.4903), JIS G3458 STPA27 และ GB/T 5310 10Cr9Mo1VNb ดู การเปรียบเทียบมาตรฐานท่อ สำหรับการอ้างอิงข้ามทั้งหมด

วิธีจัดหาท่อเหล็กโลหะผสม

เมื่อสั่งซื้อท่อเหล็กโลหะผสม ควรระบุข้อมูลต่อไปนี้: มาตรฐานและเกรด (เช่น ASTM A335 P91) ขนาดและความหนา (เช่น 12" SCH 80) สภาพการจัดส่ง (นอร์มัลไลซ์และเทมเปอร์) และข้อกำหนดพิเศษใดๆ ท่อเหล็กโลหะผสมต้องมาพร้อมกับ MTC ที่สมบูรณ์ซึ่งแสดงองค์ประกอบทางเคมี คุณสมบัติทางกล และรายละเอียดการอบชุบด้วยความร้อน ManufacturerPipe จัดหาท่อ ASTM A335 ทุกเกรดตั้งแต่ P5 ถึง P92 พร้อมความสามารถในการอบชุบด้วยความร้อนและการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) อย่างครบถ้วน และสามารถจัดการตรวจสอบโดยบุคคลที่สามเพื่อยืนยันคุณภาพได้