เกรดท่อสแตนเลสชนิดใดทนต่ออุณหภูมิสูง?

อิทธิพลของอุณหภูมิสูงต่อสมรรถนะของท่อสแตนเลส

การเกิดออกซิเดชัน การเกิดสเกล และการครีพ: สามกลไกการเสียล้มหลักที่อุณหภูมิสูงกว่า 500°C

เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 500 องศาเซลเซียส ท่อสแตนเลสจะเริ่มประสบปัญหาหลายประการที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งอาจทำให้อายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก ปัญหาแรกคือการเกิดออกซิเดชันที่เร่งตัวขึ้น เนื่องจากชั้นโครเมียมออกไซด์ที่ปกป้องพื้นผิวจะเสื่อมสภาพลงตามเวลา ทำให้ท่อนั้นเสี่ยงต่อการกัดกร่อนมากขึ้น และยังกัดเซาะผนังท่ออย่างช้าๆ ต่อมาอีกปัญหาหนึ่งคือการเกิดสเกล (scaling) ซึ่งเป็นการหลุดลอกของชั้นออกไซด์ที่สะสมไว้ ส่งผลรบกวนประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์ เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน มีงานวิจัยหลายชิ้นจากวารสาร Materials Performance ยืนยันเรื่องนี้ โดยพบว่าประสิทธิภาพอาจลดลงได้ถึงร้อยละ 40 ในบางกรณี แต่ปัญหาที่น่ากังวลที่สุดอาจมาจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การไหลแบบครีพ (creep) ซึ่งหมายถึงการเปลี่ยนรูปร่างของโลหะอย่างช้าๆ ภายใต้แรงกดคงที่เป็นเวลานาน เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 600 องศาเซลเซียส สแตนเลสเกรด 304 ทั่วไปจะเกิดครีพเร็วกว่าถึงสามเท่า เมื่อเทียบกับเกรดพิเศษ 310H ดังนั้นการเลือกโลหะผสมที่เหมาะสมจึงไม่ใช่แค่เรื่องที่ดูดีบนกระดาษ แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพจริงและการทำงานอย่างปลอดภัยในโลกแห่งความเป็นจริง

เหตุใดโครเมียมและนิกเกิลเพียงอย่างเดียวจึงไม่สามารถรับประกันความเหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้

โครเมียมและนิกเกิลมีบทบาทสำคัญในการต้านทานการออกซิเดชันและรักษาโครงสร้างแบบออสเทนไนติก แม้ว่าโลหะแต่ละชนิดจะไม่สามารถรับประกันสมรรถนะที่ดีในอุณหภูมิสูงได้เพียงลำพัง เมื่อมีโครเมียมมากเกินไปประมาณ 20% จะช่วยป้องกันการออกซิเดชันได้ดีขึ้นอย่างแน่นอน แต่ก่อให้เกิดปัญหาเฟสซิกม่าเปราะที่เกิดขึ้นระหว่างอุณหภูมิ 550 ถึง 900 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำให้ความเหนียวลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง นิกเกิลทำงานต่างออกไป โดยช่วยยับยั้งการเปลี่ยนแปลงเฟสที่ไม่ต้องการเหล่านี้ แต่หากไม่มีการเติมคาร์บอน ก็ไม่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการไหลแบบครีพมากนัก พิจารณาท่อสแตนเลสเกรด 316 ที่ไม่ได้ผ่านการเสริมเสถียรภาพเป็นตัวอย่าง ซึ่งมักเกิดการกัดกร่อนตามแนวขอบเม็ดผลึกเมื่อผ่านกระบวนการให้ความร้อนและเย็นตัวซ้ำๆ ในช่วงอุณหภูมิประมาณ 425 ถึง 815 องศาเซลเซียส เนื่องจากเกิดคาร์ไบด์ของโครเมียมที่ขอบเม็ดผลึก นี่คือเหตุผลที่ผู้ผลิตหันไปใช้วัสดุเกรด H ที่เพิ่มปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.04 ถึง 0.10 เปอร์เซ็นต์ หรือใช้วัสดุที่ผ่านการเสริมเสถียรภาพด้วยไทเทเนียมหรือนิโอเบียม เพื่อจับคาร์บอนให้อยู่ในรูปคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ ตัวเลือกเหล่านี้ให้สมรรถนะที่ดีกว่า แม้จะมีระดับโครเมียมและนิกเกิลใกล้เคียงกับเกรดมาตรฐาน

เกรดท่อสแตนเลสแบบออสเทนนิติกชั้นนำสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

304H, 310H และ 316H: เกรดที่เพิ่มปริมาณคาร์บอนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านทานการยืดตัวภายใต้ความร้อน

โลหะผสมออสเทนนิติกเกรดเอชมีการควบคุมปริมาณคาร์บอนในช่วงระหว่าง 0.04% ถึง 0.10% ซึ่งช่วยเสริมความแข็งแรงของขอบเขตผลึกเพื่อต้านทานปัญหาการไหลแบบครีพ ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาน้ำหนักในการเชื่อมได้ดี ตัวอย่างเช่น 304H สามารถทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ดีแม้อุณหภูมิจะสูงถึงประมาณ 900 องศาเซลเซียส ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในท่อหม้อน้ำและชิ้นส่วนแลกเปลี่ยนความร้อน ส่วน 310H มีโครเมียมประมาณ 25% และนิกเกิล 20% โลหะผสมนี้สามารถทำงานต่อเนื่องได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 1150°C ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ท่อเรืองความร้อนในเตาเผาและสภาพแวดล้อมภายในห้องเผาไหม้ สำหรับการประยุกต์ใช้งานในกระบวนการทางเคมีที่มีปัญหาการซัลไฟเดชัน ผู้ผลิตมักเลือกใช้ 316H เนื่องจากมีโมลิบดีนัมประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ ที่ถูกเติมเข้ามาโดยเฉพาะเพื่อต่อต้านการกัดกร่อนจากบรรยากาศที่เป็นตัวรีดิวซ์ ในโลหะผสมทุกเกรดนี้ ระดับคาร์บอนที่สูงขึ้นจะสร้างคาร์ไบด์ขนาดเล็กที่มีเสถียรภาพ ซึ่งทำหน้าที่ปิดกั้นการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันภายใต้สภาวะเครียด โดยตรงกับกลไกการล้มเหลวหลักที่มักเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 500°C

ทางเลือกที่มีความเสถียร: ท่อสแตนเลส 321 และ 347 ในสภาพแวดล้อมความร้อนแบบไซเคิล

เมื่อต้องทำงานกับอุปกรณ์ที่ประสบกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง เช่น ระบบไอเสียของเครื่องบิน หรือปฏิกรณ์ทางเคมีแบบเบทช์ สแตนเลสสตีลกลุ่ม 321 ที่ถูกเสริมด้วยไทเทเนียม และรุ่น 347 ที่เสริมด้วยไนโอเบียม จะโดดเด่นกว่าวัสดุอื่นๆ อย่างชัดเจน วัสดุเหล่านี้จะก่อให้เกิดคาร์ไบด์ TiC และ NbC แทนที่คาร์ไบด์โครเมียมในระหว่างกระบวนการผลิต ซึ่งช่วยให้โครเมียมยังคงอยู่บริเวณขอบเกรนและป้องกันปัญหาการไวต่อการกัดกร่อน (sensitization) ที่มักเกิดขึ้นกับโลหะผสมอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุรุ่น 347 มีความทนทานได้ดีเยี่ยมภายใต้อุณหภูมิสูงต่อเนื่องประมาณ 800 ถึง 900 องศาเซลเซียส ทำให้เป็นวัสดุที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ใบพัดกังหัน และท่อรีฟอร์เมอร์ ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม ขณะที่รุ่น 321 จะมีสมรรถนะที่ดีกว่าในกรณีที่มีการทำงานแบบหยุด-เริ่ม โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่อาจเกิดปัญหาการแตกร้าวจากแรงกัดกร่อน (stress corrosion cracking) เช่น เครื่องทำความร้อนไอน้ำที่ทำงานภายใต้สภาวะโหลดที่เปลี่ยนแปลงไปมา นอกจากนี้ วัสดุเกรดที่ผ่านการเสริมเหล่านี้ยังทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วที่มากกว่า 300 องศาต่อชั่วโมง ได้ดีกว่าวัสดุที่ไม่ได้ผ่านการเสริมในสภาพการใช้งานที่คล้ายกัน

ขีดจำกัดอุณหภูมิวิกฤตและภัยคุกคามจากโครงสร้างจุลภาคตามกลุ่มท่อสแตนเลส

ท่อแบบดูเพลกซ์ เฟอร์ริติก และมาร์เทนไซติก: ความเปราะ การเกิดเฟสซิกม่า และขีดจำกัดการอ่อนตัว

สแตนเลสไร้ขัด austenitic โดยทั่วไปถูกเลือกสําหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิอันรุนแรง ในขณะที่คู่เคียงของพวกเขา - แบบ duplex, ferritic และ martensitic - พบกับข้อจํากัดที่สําคัญในระดับโครงสร้างเล็ก ๆ ยกตัวอย่างเช่น สายเหล็กแบบ duplex เช่น 2205 วัสดุเหล่านี้มักจะเกิดสิ่งที่เรียกว่า ความละเอียด 475 องศาเซลเซียส เมื่อถูกเผชิญกับช่วงเวลาที่ยาวนาน สิ่งที่เกิดขึ้นคือ คลัสเตอร์ที่รวยด้วยโครเมียมเริ่มเกิดภายในเมทริกซ์โลหะ ซึ่งลดความสามารถในการทนต่อการกระแทกลงอย่างสําคัญ การทํางานต่อเนื่องที่สูงกว่า 300 องศาเซลเซียส เปิดประตูให้ปัญหาอีกอย่าง ระหว่างอุณหภูมิ 600 ถึง 950 องศาเซลเซียส สารประกอบระหว่างโลหะที่เปราะบาง เรียกว่าซิกม่าเฟสเริ่มเกิด ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์ในหนังสือ ASM Handbook เมื่อปี 2023 ปรากฏการณ์นี้สามารถลดความยืดหยุ่นได้มากกว่า 80% เหล็กไร้ขัดเหล็กแบบเฟอริต เช่นเกรด 430 จะสูญเสียความแข็งแรงในการแตกเร็ว เมื่อมันถึง 600 องศา ในขณะเดียวกัน สายพันธุ์มาร์เทนซิท เช่น เหล็ก 410 จะอ่อนแอลงมากเมื่อทําความร้อนเกินประมาณ 550 องศา เนื่องจากผลการกระชับความแข็งแรง ซึ่งสุดท้ายทําให้ลดลดลักษณะความแข็งแรงโดยรวมของเหล็ก เนื่องจากปัญหาทั้งหมดนี้ วิศวกรส่วนใหญ่หลีกเลี่ยงการใช้ครอบครัวที่ไม่เป็นออสเตนติกเหล่านี้ ในสภาพการใช้งานที่ยั่งยืนที่เกิน 600 องศาเซลเซียส นั่นทําให้มันไม่อาจใช้ได้ในอุปกรณ์ เช่น ระบบปั่นไฟฟ้า หรือระบบระบายน้ําของตุรัสไบนิส ที่การรักษาความสมบูรณ์แบบของโครงสร้าง

การเลือกเกรดท่อเหล็กไร้ขัดที่เหมาะสม: กรอบการตัดสินใจที่พัฒนาโดยการใช้งาน

การเลือกคุณภาพท่อเหล็กไร้ขัดที่ดีที่สุด ต้องการการประเมินอย่างมีวินัย และใช้งานก่อน ไม่ใช่แค่สแกนคัดลอกวัสดุ เริ่มด้วยการวาดแผนภาพสี่ความเป็นจริงทางการปฏิบัติงาน

• สภาพแวดล้อมทางเคมี : ระบุชนิดที่เป็นรุนแรง (เช่น คลอรีด, H2S, SO2, แอลคาลี) ที่ขับเคลื่อนการบด, การกัดกรองความเครียด, หรือการซัลฟิด;
• โปรไฟล์ความร้อน : บันทึกอุณหภูมิสูงสุด ระยะเวลา ความถี่ของจักรยาน และอัตราการขึ้นขึ้นลาน โดยเฉพาะถ้าการเผชิญหน้าเกิน 500 °C หรือข้ามช่วงที่สําคัญ เช่น 425815 °C
• ความต้องการทางกล : ระบุปริมาณความดัน, ความสั่นสะเทือน, ความเหนื่อยล้าและความจํากัดการขยายความร้อน
• ความสําคัญของวงจรชีวิต : การสมดุลค่าใช้จ่ายเบื้องต้นกับเวลาหยุดทํางานในการบํารุงรักษา ความถี่ของการตรวจสอบ และความเสี่ยงของการเปลี่ยน

เมื่อ การ รับมือ กับ อุณหภูมิ ที่ อยู่ เสมอ มากกว่า 500 องศา เซลเซียส วิศวกร ต้อง ดู ราคา พิเศษ เช่น 310H หรือ รุ่น ที่ ได้ รับ การ ปรับปรุง ให้ เสมอ 321H สแตนเลสแบบปกติ เช่น 304 หรือ 316 ไม่สามารถตัดมันได้ในสภาพแบบนี้ เหล็กแบบสองแบบที่มักจะสร้างช่วงซิกม่า ควรถูกยกเลิกโดยสิ้นเชิง เมื่อวัสดุถูกเผชิญกับความร้อนสูงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน ก่อนที่จะเลือกอย่างแน่นอน เช็คกับมาตรฐานที่กําหนดไว้ในอุตสาหกรรม มาตรฐาน ISO 15156 ครอบคลุมสภาพแวดล้อมบริการที่รุนแรง ขณะที่ NORSOK M-001 เป็นการอ่านที่จําเป็นสําหรับใครก็ตามที่กังวลเกี่ยวกับความสมบูรณ์แบบของโครงสร้างนอกทะเล สําหรับทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับสเปคท่อ ASTM A213 และ A312 ยังคงเป็นตัวอ้างอิง การปฏิบัติตามแนวทางนี้ จะทําให้สิ่งที่อาจเป็นการคาดเดาที่มีความรู้เกี่ยวกับวัสดุ เป็นสิ่งที่คอนกรีตมากขึ้น และถูกสนับสนุนด้วยประสบการณ์ของอุตสาหกรรมจริง แทนที่จะเป็นเพียงความรู้ทางทฤษฎี

คำถามที่พบบ่อย

เกิดอะไรขึ้นกับท่อเหล็กดัดเหล็ก เมื่ออุณหภูมิเกิน 500 องศาเซลเซียส?

เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 500 องศาเซลเซียส ท่อสแตนเลสจะเกิดการออกซิเดชัน การหลุดลอก และการไหลแบบครีพ ซึ่งอาจทำให้อายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก

โครเมียมและนิกเกิลเพียงอย่างเดียวสามารถรับประกันสมรรถนะของท่อสแตนเลสที่อุณหภูมิสูงได้หรือไม่

ไม่ได้ แม้ว่าโครเมียมและนิกเกิลจะมีบทบาทสำคัญ แต่ด้วยตัวเองแล้วไม่สามารถรับประกันสมรรถนะที่ดีในอุณหภูมิสูงได้ เนื่องจากปัญหาเช่น การเกิดเฟสซิกม่าที่เปราะ และการขาดความต้านทานต่อการครีพ

เกรดท่อสแตนเลสใดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

เกรดที่เพิ่มปริมาณคาร์บอน เช่น 304H, 310H และ 316H ถูกออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่อุณหภูมิสูงโดยเฉพาะ โดยเน้นการเพิ่มความต้านทานต่อการครีพ

สแตนเลสประเภทใดที่ไม่แนะนำให้ใช้ที่อุณหภูมิสูง

สแตนเลสดูเพล็กซ์ สแตนเลสเฟอร์ริติก และสแตนเลสมาร์เทนซิติก ไม่แนะนำให้ใช้ในงานอุณหภูมิสูง เนื่องจากมีความเสี่ยงด้านโครงสร้างจุลภาค เช่น การเปราะตัว การเกิดเฟสซิกม่า และการอ่อนตัว