วิธีการผลิตท่อสแตนเลส 316—แบบดึงไร้รอยต่อเทียบกับแบบเชื่อมและอบอ่อน—ส่งผลต่อการเลือกความหนาของผนังที่ปลอดภัยสำหรับปลอกฮีตเตอร์ไฟฟ้าอย่างไร

ความแตกต่างระหว่างท่อดึงไร้รอยต่อกับท่อเชื่อมและอบอ่อนมักถูกละเลยโดยวิศวกรจัดซื้อและผู้ผลิตองค์ประกอบความร้อนที่ต้องการท่อปลอกสแตนเลส 316 สินค้าทั้งสองผลิตขึ้นตามมาตรฐาน ASTM A269 หรือ A213 เดียวกันสำหรับคุณสมบัติทางเคมีและทางกล ทั้งสองมีความหนาของผนังและเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเท่ากัน แต่กระบวนการผลิตทั้งสองทำให้หลอดมีโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน สถานะความเค้นตกค้าง และจำนวนข้อบกพร่อง ความแปรปรวนเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความหนาของผนังขั้นต่ำที่ปลอดภัยสำหรับการใช้งานเฉพาะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปลือกสัมผัสกับการโค้งงอ การพัน การสั่นสะเทือน หรือการหมุนเวียนด้วยความร้อน บทความนี้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับความแตกต่างทางวิศวกรรมระหว่างท่อ 316 แบบไม่มีรอยต่อและแบบเชื่อมสำหรับปลอกเครื่องทำความร้อน โดยจะให้ปัจจัยการลดความหนาของผนังสำหรับการผลิตแต่ละประเภท และกำหนดเกณฑ์สำหรับการเลือกตามความรุนแรงของการขึ้นรูปและเงื่อนไขการบริการ

ความแตกต่างในโครงสร้างจุลภาคและข้อบกพร่องของท่อเชื่อมและไร้รอยต่อ 316
ท่อ 316 ไร้รอยต่อทำโดยการเจาะเหล็กแท่งแข็ง จากนั้นลากเปลือกกลวงที่เกิดขึ้นเหนือแมนเดรลผ่านดายลดขนาดต่อเนื่องกัน โครงสร้างจุลภาคของท่อสุดท้ายเป็นเนื้อเดียวกันและทำงานร่วมกับเส้นการไหลของเกรนขนานกับเส้นรอบวงของท่อ ขอบเขตของเกรนมีความสม่ำเสมอและมีทิศทางแบบสุ่ม ไม่มีตะเข็บเชื่อมตามยาว ดังนั้นจึงไม่มีความเป็นไปได้ของข้อบกพร่องในการเชื่อม เช่น การเจาะบางส่วน การรวมตัวของออกไซด์ หรือความไวต่อโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน อย่างไรก็ตาม ท่อไร้รอยต่อมีข้อจำกัดสองประการสำหรับการใช้งานปลอกทำความร้อน ขั้นแรก การวาดภาพอาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิวและข้อบกพร่องของตักภายในซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้ง่ายจากการทดสอบแบบไม่ทำลาย- ประการที่สอง ท่อไร้รอยต่อผนังบาง- (ความหนาของผนัง < 1.0 มม.) มีราคาแพงขึ้นเรื่อยๆ และผลิตได้ยากโดยไม่มีความผันผวนของความหนาของผนังมากกว่า ±10% ท่อเชื่อม 316 ทำจากแถบแบนที่มีรูปร่างม้วนเป็นทรงกระบอก ตะเข็บตามยาวเป็นการเชื่อมแบบฟิวชั่น โดยทั่วไปจะใช้การเชื่อมด้วยก๊าซเฉื่อยของทังสเตนโดยไม่ต้องใช้โลหะเติม จากนั้นท่อจะถูกดึงเย็นและอบอ่อนเพื่อปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของบริเวณรอยเชื่อมและเพื่อฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อน ในท่อเชื่อมและอบอ่อนที่ทำมาอย่างดี บริเวณรอยเชื่อมได้รับการตกผลึกใหม่ให้เป็นโครงสร้างเกรนจนแทบแยกไม่ออกจากโลหะฐาน แต่แนวเชื่อมยังคงเป็นสาเหตุของความอ่อนแอ แม้หลังจากการอบอ่อนแล้ว บริเวณรอยเชื่อมก็อาจยังมีการวางแนวเกรนที่เปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ความตึงตกค้าง และในกรณีของท่อที่ได้รับการประมวลผลไม่ดี การตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ ซึ่งจะลดความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะที่ ความแปรปรวนเหล่านี้มีความสำคัญในทางปฏิบัติสำหรับปลอกทำความร้อนที่จะโค้งงอ พันเกลียว หรือสั่นสะเทือน

ผลของวิธีการผลิตต่อความหนาของผนังที่ปลอดภัยขั้นต่ำสำหรับการดัด
ปลอกเครื่องทำความร้อนไฟฟ้ามักถูกประกอบขึ้นเป็นรูปตัว U- รูปร่าง L - หรือรูปทรงเรขาคณิตเฉพาะสำหรับการสอดเข้าไปในหัวฉีดของถัง หรือเพื่อให้ได้รูปแบบการทำความร้อนที่สม่ำเสมอ ในกระบวนการดัดงอ รัศมีภายนอกอยู่ภายใต้แรงดึง และรัศมีภายในอยู่ภายใต้แรงอัด สำหรับรัศมีการโค้งงอที่กำหนด ผนังที่บางกว่ามีแนวโน้มที่จะโก่งงอในด้านแรงอัดและผนังบางด้านด้านแรงดึงมากกว่า พารามิเตอร์ที่สำคัญคืออัตราส่วนการโค้งงอ - รัศมีเส้นศูนย์กลางการโค้งงอ/เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ด้วยท่อ 316 ไร้รอยต่อ ผนังที่มีความหนาไม่เกิน 1.0 มม. สามารถโค้งงอได้ในอัตราส่วน 3:1 โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือเฉพาะหรือแมนเดรลภายใน สำหรับอัตราส่วนการโค้งงอ 2:1 จำเป็นต้องมีความหนาของผนังขั้นต่ำ 1.2 มม. เพื่อให้การก่อสร้างราบรื่น สำหรับท่อเชื่อมและท่ออ่อนจะต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการวางแนวของรอยเชื่อมกับระนาบโค้งงอ ความเสี่ยงของการแตกร้าวบริเวณรอยเชื่อมจะลดลงหากรอยเชื่อมอยู่บนแกนกลางของส่วนโค้ง - เส้นที่มีความเค้นเป็นศูนย์ ความหนาของผนังที่ปลอดภัยขั้นต่ำจะเพิ่มขึ้นประมาณ 25% เมื่อรอยเชื่อมอยู่ที่รัศมีแรงดึงด้านนอกหรือรัศมีแรงอัดด้านใน สำหรับท่อเชื่อมที่มีอัตราส่วนการโค้งงอ 3:1 ความหนาของผนังขั้นต่ำคือ 1.2 มม. โดยจัดแนวตะเข็บเชื่อมอย่างถูกต้อง สำหรับอัตราส่วนการโค้งงอ 2:1 ท่อเชื่อมควรมีความหนาอย่างน้อย 1.5 มม. สำหรับการวางแนวตะเข็บ ข้อเสนอแนะเหล่านี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าจะมีการอบอ่อนที่เหมาะสมหลังการเชื่อม ท่อเชื่อมที่ไม่มีการอบอ่อนซึ่งไม่ค่อยได้ใช้ในเครื่องทำความร้อนแต่พบในสินค้าราคาถูก- ไม่ควรงอ เนื่องจากบริเวณรอยเชื่อมไม่เหนียวและจะแตกสลายเมื่อมีความเครียดเล็กน้อย

ข้อจำกัดในการลดขนาดและเส้นผ่านศูนย์กลางของปลอก 316 แบบไม่มีรอยต่อและแบบเชื่อม
เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเปลือกที่หุ้มฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์อัดแน่นและลวดต้านทานจะลดลงโดยการพัน อัตราส่วนการ Swaging-อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อเดิมต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสุดท้าย-มักจะอยู่ในช่วง 1.1:1 ถึง 1.4:1 สำหรับการผลิตเครื่องทำความร้อนตามปกติ การเพิ่มอัตราส่วน Swage จะเพิ่มความหนาแน่นของการบรรจุ MgO และปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน แต่ยังเพิ่มความเครียดเส้นรอบวงในวัสดุเปลือกอีกด้วย ท่อ 316 ไร้รอยต่อสามารถต่อขยายได้ในอัตราส่วน 1.5:1 และยังคงมีความหนาของผนังต่ำเพียง 0.8 มม. ก่อนที่จะเกิดรอยแตกขนาดเล็กหรือ-งานแข็งตัวมากเกินไป โครงสร้างจุลภาคที่เป็นเนื้อเดียวกันส่งผลให้มีการกระจายความเครียดสม่ำเสมอในทิศทางเส้นรอบวง Swaging มีขีดจำกัดในทางปฏิบัติที่ต่ำกว่าสำหรับท่อ 316 แบบเชื่อมและอบอ่อน บริเวณรอยเชื่อม แม้จะผ่านการอบอ่อนแล้ว ก็ยังมีโครงสร้างเกรนที่แตกต่างกันเล็กน้อย ซึ่งจะแข็งตัวในอัตราที่แตกต่างจากโลหะที่อยู่ด้านล่าง ที่อัตราส่วนการแกว่งที่เกิน 1.3:1 การทำให้ผอมบางเฉพาะที่รอยเชื่อมอาจเกิดขึ้นเนื่องจากความเครียดที่แตกต่างกัน หรือในสถานการณ์ที่รุนแรง อาจเกิดการแตกร้าวตามยาว สำหรับท่อเชื่อมที่มีความหนาของผนังน้อยกว่า 1.2 มม. อัตราส่วนการเซาะที่แนะนำสูงสุดคือ 1.25:1 สำหรับความหนาของผนังที่สูงกว่า 1.5 มม. อนุญาตให้ใช้อัตราส่วน 1.35:1 ข้อจำกัดเหล่านี้เกิดจากการวางแนวตะเข็บเชื่อมเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เครื่องมือสัมผัสกันมากเกินไประหว่างการตอก หากรอยเชื่อมอยู่บนเส้นแยกเครื่องมือ จำเป็นต้องมีระยะขอบด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม

การเปรียบเทียบอายุการใช้งานความเหนื่อยล้าจากการปั่นจักรยานและความร้อน
For heater sheaths subjected to vibration or thermal cycling, the fatigue performance of seamless tubing is always better than that of welded and annealed tubing for the same wall thickness. Seamless tubing has a continuous grain structure and does not have favoured crack initiation sites. Cracks have to start at surface faults or inclusions, which is very unusual in good quality seamless material. The weld zone in welded tubing remains more heavily populated with non-metallic inclusions, microvoids and grain boundary abnormalities, which serve as sites for the start of fatigue cracks, even after annealing. Rotating beam fatigue experiments on 316 tubing with 1.5 mm wall thickness indicate an endurance limit for seamless specimens of approximately 220 MPa at 10 million cycles. Welded and annealed specimens with the weld seam in the direction of highest stress achieve only 160 MPa for the same number of cycles, a reduction of 27%. Further improvement of the endurance limit to around 190 MPa, still 14% lower than seamless performance, is achieved when the weld seam is orientated in the neutral axis. In heater systems subject to vibration levels >2g หรือรอบความร้อนรายวันจากอุณหภูมิโดยรอบถึง 150 องศา ท่อไร้รอยต่อให้ข้อได้เปรียบด้านความน่าเชื่อถือที่วัดได้ สำหรับการใช้งานแบบคงที่โดยมีการหมุนเวียนน้อย ความแตกต่างจะมีน้อย

เมทริกซ์การเลือกความหนาของผนังตามกระบวนการผลิตและระดับการขึ้นรูป
ตารางต่อไปนี้แสดงความหนาขั้นต่ำของผนังที่แนะนำสำหรับปลอกเครื่องทำความร้อนสแตนเลส 316 โดยอิงตามวิธีการผลิต ขั้นตอนการขึ้นรูปที่จำเป็น และเงื่อนไขการบริการที่คาดการณ์ไว้ ค่าต่างๆ อ้างอิงจากท่อตามมาตรฐาน ASTM- จากแหล่งที่เชื่อถือได้

วิธีการผลิต การดำเนินการที่จำเป็นเพื่อสร้างเงื่อนไขการบริการ ความหนาของผนังขั้นต่ำที่แนะนำ อัตราส่วน Swaging สูงสุด อัตราส่วนโค้งสูงสุด (เส้นกึ่งกลาง/OD)
ไม่มีการดัดงอ ไม่มีการตีเกลียว (เฉพาะปลอกตรง) วาดแบบไร้รอยต่อ คงที่ การสั่นสะเทือนเล็กน้อย 0.8 มม. ใช้ไม่ได้ ใช้ไม่ได้
วาดแบบไม่มีรอยต่อ แกว่งเพียงอย่างเดียว ไม่โค้งงอ การสั่นสะเทือนคงที่หรือต่ำ 0.9 มม. 1.5:1 ใช้ไม่ได้
วาดแบบไม่มีรอยต่อ ไม่มีการแกว่ง การโค้งงอ การสั่นสะเทือนต่ำถึงปานกลาง 1.0 มม. ใช้ไม่ได้ 3:1
Seamless drawn Bending & swaging Moderate vibration, thermal cycling 1.2 mm 1.4:1 3:1 Seamless drawn Bending & swaging High vibration, severe thermal cycling 1.5 mm 1.3:1 4:1 Welded and annealed No bending, no swaging (straight sheaths only) Static, clean environment 1.0 mm Not relevantN/A
เชื่อมและอบอ่อน ตีเท่านั้น ไม่โค้งงอ การสั่นสะเทือนคงที่หรือต่ำ 1.2 มม. 1.25:1 ใช้ไม่ได้
การเชื่อม การอบอ่อน ดัดเท่านั้น ไม่มีการแกว่ง การสั่นสะเทือนต่ำ ตะเข็บเชื่อมบนแกนกลาง 1.2 มม. ใช้ไม่ได้ 3:1 โดยมีตะเข็บเป็นกลาง
เชื่อมและอบอ่อน การดัดและการแกว่ง การสั่นสะเทือนปานกลาง การหมุนเวียนด้วยความร้อน 1.6 มม. 1.2:1 4:1 โดยมีตะเข็บเป็นกลาง
เชื่อมและอบอ่อน การดัดและการเหวี่ยง การสั่นสะเทือนสูง วงจรความร้อนใดๆ 2.0 มม. 1.2:1 5:1 โดยมีตะเข็บที่เป็นกลาง ต้นทุนและความพร้อมจำหน่าย การค้า-ความแตกต่างระหว่างท่อไร้รอยต่อและท่อเชื่อม
ต้องคำนึงถึงความแตกต่างทางวิศวกรรมระหว่างท่อ 316 แบบไม่มีรอยต่อและแบบเชื่อม รวมถึงต้นทุนและความพร้อมใช้งานด้วย สำหรับความหนาของผนังที่เกิน 1.5 มม. ท่อไร้รอยต่อจะมีราคาแพงกว่าท่อที่เชื่อมและอบอ่อนให้ได้ขนาดเดียวกันประมาณ 15-25 % ค่าพรีเมียมสำหรับท่อไร้ตะเข็บจะลดลงเหลือ 10–15% สำหรับความหนาของผนัง 1.0 มม. ถึง 1.5 มม. สำหรับความหนาของผนังที่ต่ำกว่า 1.0 มม. ท่อเชื่อมจะทำได้ยากอย่างสม่ำเสมอ และโดยทั่วไปแล้วท่อไร้รอยต่อเป็นทางเลือกที่สามารถเข้าถึงได้เพียงอย่างเดียวหรือสั่งได้เพียงพรีเมี่ยมเล็กน้อยเท่านั้น ระยะเวลาในการจัดส่งก็แตกต่างกันไป ท่อเชื่อมถูกสร้างขึ้นมาโดยมีความยาวต่อเนื่องกันมากขึ้นและหาได้จากสต็อกในขนาดมาตรฐาน การผลิตท่อไร้ตะเข็บในโรงงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเส้นผ่านศูนย์กลางที่ไม่ได้มาตรฐานและความหนาของผนังบาง มักใช้เวลาดำเนินการ 8 ถึง 12 สัปดาห์ ท่อเชื่อมให้ประโยชน์ด้านต้นทุนมากกว่าการเลื่อยและการเชื่อมสำหรับการดำเนินการผลิตขนาดใหญ่ด้วยการออกแบบเครื่องทำความร้อนแบบธรรมดาพร้อมความน่าเชื่อถือที่ยอมรับได้ หากมีการระบุการวางแนวรอยเชื่อมและการอบอ่อนที่เหมาะสม ท่อไร้รอยต่อช่วยลดความเสี่ยงในระดับที่วัดได้ ซึ่งทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมคุ้มค่าสำหรับการใช้งานที่สำคัญที่มีการขึ้นรูปที่รุนแรง การสั่นสะเทือนสูง หรือความปลอดภัยแตกแขนงหากเกิดความเสียหาย

สรุป: การปรับวิธีการผลิตให้ตรงกับความต้องการของการใช้งาน
เมื่อวิศวกรระบุปลอกสแตนเลส 316 สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไฟฟ้า ลักษณะการทำท่อไม่ใช่รายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ แต่เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่ส่งผลโดยตรงต่อความหนาของผนังขั้นต่ำที่ปลอดภัย ท่อดึงแบบไม่มีรอยต่อมีความเหนียวที่ดีกว่าสำหรับการดัดงอ อัตราส่วนการแกว่งที่อนุญาตได้สูงกว่า และอายุการใช้งานความล้าที่ดีขึ้น ช่วยให้สามารถใช้ผนังที่บางกว่าในการใช้งานที่มีความต้องการสูง ท่อเชื่อมและอบอ่อน หากดำเนินการอย่างถูกต้องด้วยการควบคุมการวางแนวตะเข็บเชื่อม ก็สามารถใช้ได้สำหรับการใช้งานแบบคงที่หรือความเค้นต่ำ-ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า ข้อผิดพลาดใหญ่คือการคิดว่าทั้งสองรายการสามารถใช้แทนกันได้ การเปลี่ยนการออกแบบเครื่องทำความร้อนด้วยท่อไร้รอยต่อที่มีความหนาของผนัง 1.0 มม. ด้วยท่อเชื่อมนั้นไม่ได้ตรงไปตรงมาเนื่องจากต้องมีการตรวจสอบคุณสมบัติใหม่ รูปแบบการเชื่อมจะลดระยะขอบด้านความปลอดภัยสำหรับการโค้งงอและการแกว่ง และลดอายุการใช้งานความล้าภายใต้การสั่นสะเทือน เมื่อกำหนดข้อกำหนดเครื่องทำความร้อนให้กับผู้จำหน่าย วิศวกรควรกำหนดกระบวนการผลิตเครื่องทำความร้อนที่ต้องการ เช่น ไร้รอยต่อหรือแบบเชื่อม แทนที่จะระบุเพียงเกรดของวัสดุและขนาด สำหรับการใช้งานที่ความหนาของผนังขั้นต่ำเข้าใกล้ขีดจำกัดที่ระบุไว้ในเมทริกซ์ด้านบน ขอแนะนำให้ขอรายงานการทดสอบวัสดุ รวมถึงขนาดเกรนและข้อมูลความแข็งของโซนการเชื่อมเพื่อการประกันคุณภาพเพิ่มเติม ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการระบุท่อไร้ตะเข็บสำหรับการใช้งานที่จำเป็นนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับต้นทุนของความล้มเหลวในสนามเนื่องจากรอยเชื่อมร้าวหรือรอยแตกจากความเมื่อยล้า