HFW so với SAWL – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Ống thép hàn tần số cao (HFW, thường được nhóm với các quy trình kiểu ERW) và ống thép hàn hồ quang chìm (SAWL) là hai dòng sản phẩm phổ biến trên thị trường ống thép và ống thép. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa khả năng sản xuất, độ bền và độ dẻo dai khi vận hành, khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn và chi phí khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa đường ống thành mỏng hơn, tiết kiệm chi phí cho phân phối và sử dụng kết cấu so với đường ống thành dày hơn, độ toàn vẹn cao hơn cho truyền tải, dịch vụ áp suất cao hoặc các yêu cầu cơ học khắt khe hơn.

Sự khác biệt chính về vận hành giữa hai dòng sản phẩm này nằm ở phương pháp hàn và chế tạo, ảnh hưởng đến phạm vi độ dày thành ống mà chúng phục vụ và các chiến lược hợp kim hóa/gia công được sử dụng để đáp ứng các mục tiêu về cơ học và độ bền. Do phương pháp sản xuất quyết định các chu trình nhiệt, độ dày thành ống khả dụng và hàm lượng hợp kim cho phép, HFW và SAWL thường được so sánh trong thiết kế đường ống, kết cấu và hệ thống áp suất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Cả ống HFW và SAWL đều được sản xuất theo nhiều tiêu chuẩn quốc tế; cấp vật liệu thực tế thường được chỉ định riêng trong quá trình ghép nối. Các tiêu chuẩn chung bao gồm:

• ASTM / ASME: ASTM A53, ASTM A500, ASTM A106 (tham chiếu liền mạch), ASME B36.10/B36.19 (kích thước), API 5L (thông số kỹ thuật ống bao gồm cả hàn và liền mạch).
• EN: EN 10217 (ống thép hàn dùng cho mục đích chịu áp lực), EN 10219 (phần rỗng kết cấu hàn tạo hình nguội), EN 10204 (tài liệu kiểm tra).
• JIS: JIS G3454, G3452 (ống thép hàn dùng cho nước và khí đốt).
• GB (Trung Quốc): GB/T 3091 (ống thép liền mạch/hàn để vận chuyển chất lỏng áp suất thấp), GB/T 9711 (ống dẫn).

Phân loại theo họ kim loại: - Sản phẩm HFW: thường là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (thép mềm, thép hàn cacbon thấp), đôi khi được hợp kim hóa vi mô để tăng độ bền. - Sản phẩm SAWL: thường là thép ống cacbon và thép hợp kim vi mô và thép hợp kim thấp; thường được sử dụng với cấp độ bền cao hơn và thành dày hơn. - Cả hai đều không phải là sản phẩm thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; có những biến thể thép không gỉ sử dụng SAW nhưng ít phổ biến hơn đối với các sản phẩm thương mại HFW/SAWL tiêu chuẩn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Xu hướng thành phần điển hình (định tính) cho HFW so với SAWL

Yếu tố	HFW (điển hình)	SAWL (điển hình)
C	Thấp đến trung bình (nhấn mạnh khả năng hàn)	Thấp đến trung bình; các biến thể hợp kim siêu nhỏ có thể có C tương tự nhưng có độ bền tăng cường
Mn	Trung bình (khử oxy và tăng cường)	Trung bình đến cao hơn (cải thiện khả năng làm cứng và độ bền)
Si	Thấp (tẩy cặn/khử oxy)	Thấp đến trung bình (khử oxy; có thể cao hơn một chút trong vật tư tiêu hao SAW)
P	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp
S	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp
Cr	Thông thường thấp (không phải thép không gỉ)	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số hợp kim
Ni	Thông thường thấp	Thấp; có thể có trong các hợp kim ống dẫn được chọn
Mo	Thông thường không có hoặc có dấu vết	Có thể có trong các loại hợp kim siêu nhỏ/ống dẫn để tăng độ bền/độ dẻo dai
V	Thường thấp/vết tích	Thường được sử dụng làm nguyên tố hợp kim vi mô để tăng độ bền/độ dẻo dai
Nb (Nb/Ta)	Hiếm có trong các ống HFW hàng hóa	Phổ biến trong thép ống SAWL hợp kim vi mô (cải thiện độ bền/độ dẻo dai)
Ti	Dấu vết (khử oxy/ổn định)	Dấu vết có thể có để ổn định
B	Theo dõi nếu sử dụng (kiểm soát độ cứng)	Dấu vết trong một số loại thép ống
N	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp; có liên quan đến việc kiểm soát lượng mưa và độ dẻo dai

Giải thích: - Các sản phẩm HFW thường được tối ưu hóa để sản xuất thành mỏng và hàn cuộn với ống thông lượng cao; thành phần nhấn mạnh vào hàm lượng carbon thấp và hợp kim được kiểm soát để tối đa hóa khả năng hàn và độ dẻo. - Ống SAWL, đặc biệt là khi nhắm đến các loại ống có độ bền cao hơn, thường sử dụng hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) và Mn/Mo vết được kiểm soát để tăng độ bền thông qua quá trình gia cường kết tủa và chu trình cán/nhiệt được kiểm soát trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô và hành vi xử lý điển hình khác nhau vì phương pháp hàn và thiết bị sản xuất áp dụng các chu trình nhiệt khác nhau và cho phép các tuyến xử lý khác nhau.

• HFW: Được sản xuất từ ​​dải cuộn với công nghệ hàn tần số cao nhanh. Cấu trúc vi mô kim loại cơ bản điển hình là ferrite-pearlite hoặc ferrite hạt mịn với bainit phân tán cho các biến thể hợp kim vi mô. Khả năng xử lý nhiệt trực tiếp trên các dây chuyền HFW thành mỏng còn hạn chế; các nhà sản xuất thường sử dụng phương pháp ủ có kiểm soát hoặc cán ram thay vì các chu kỳ tôi-ram kéo dài.
• SAWL: Được sản xuất từ ​​tấm hoặc dải rộng hơn bằng phương pháp hàn hồ quang chìm trong một hoặc nhiều lần hàn. Quy trình SAWL cho phép tạo thành dày hơn và dễ dàng xử lý nhiệt trước/sau hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có kiểm soát. Cấu trúc vi mô của kim loại nền SAWL có thể là ferit-pearlit, bainit mịn hoặc hỗn hợp, tùy thuộc vào thành phần hóa học của tấm và cán nhiệt cơ học; các tấm vi hợp kim đáp ứng tốt với cán có kiểm soát để tạo ra các cấu trúc vi mô bền chắc, hạt mịn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chu trình chuẩn hóa/tinh chế cải thiện kích thước hạt và độ dẻo dai ở cả hai khía cạnh; các dây chuyền sản xuất SAWL và nhà máy hoàn thiện thường áp dụng quá trình chuẩn hóa hoặc làm mát có kiểm soát trên các tấm dày hơn. - Quá trình làm nguội và ram thường được áp dụng cho tấm trước khi gia công SAWL ở các loại ống thép có độ bền cao nhưng không phổ biến đối với sản phẩm thành mỏng HFW tiêu chuẩn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) được sử dụng cho vật liệu SAWL và HFW chất lượng cao khi thông số kỹ thuật yêu cầu giới hạn chảy cao hơn với độ dẻo dai được duy trì.

4. Tính chất cơ học

Bảng: So sánh định tính các tính chất cơ học

Tài sản	HFW (sản phẩm có thành mỏng điển hình)	SAWL (sản phẩm dạng ống dày hơn)
Độ bền kéo	Vừa phải	Từ trung bình đến cao (tấm hợp kim siêu nhỏ/được gia cố cho phép giá trị cao hơn)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Trung bình đến cao (cán có kiểm soát hoặc hợp kim vi mô làm tăng năng suất)
Độ giãn dài	Nói chung là tốt (thành mỏng dễ uốn)	Tốt, nhưng phụ thuộc vào cấp độ và độ dày; các biến thể có độ bền cao hơn có thể có độ giãn dài thấp hơn
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ phòng đối với các cấp độ thông thường; thấp hơn đối với dịch vụ lạnh trừ khi có chỉ định khác	Thường được thiết kế để có độ bền vượt trội (đặc biệt là cho dịch vụ nhiệt độ thấp hoặc áp suất cao)
Độ cứng	Thấp đến trung bình (gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Có thể cao hơn ở các cấp độ được gia cố; khó gia công/tạo hình hơn khi dày hơn

Giải thích: - Sản phẩm SAWL có thể đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai cao hơn vì quy trình sản xuất tấm cho phép hợp kim hóa mạnh mẽ hơn và kiểm soát nhiệt tốt hơn. HFW nổi trội về độ dẻo dai và hình học thành mỏng đồng đều, nhưng nhìn chung bị hạn chế trong việc đạt được cấp độ bền rất cao mà không ảnh hưởng đến khả năng hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là yếu tố phân biệt chính vì HFW và SAWL đều là sản phẩm hàn; việc hiểu rõ khả năng nứt hydro, cứng hóa và độ nhạy chu kỳ nhiệt của chúng là rất quan trọng.

Các yếu tố chính: lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng kim loại gốc; hợp kim vi mô ảnh hưởng đến khả năng làm cứng HAZ.

Chỉ số hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (để đánh giá khả năng nứt nguội): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - HFW: Do mục tiêu sản xuất là thành mỏng và hàn khối lượng lớn, nên thép nền được chọn có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn để đảm bảo hàn dễ dàng và ít bị ảnh hưởng bởi quá trình làm cứng HAZ. Mối hàn HFW được tạo hình bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng tần số cao và áp suất cao, do đó chúng có khả năng chịu được các thành phần hóa học có hàm lượng carbon thấp. - SAWL: Hàn SAW sử dụng hồ quang nóng chảy và nhiều lớp hàn; hàm lượng hợp kim cao hơn trong tấm có thể làm tăng độ cứng, nâng cao chỉ số tương đương cacbon. Tuy nhiên, quy trình sản xuất SAWL có thể áp dụng phương pháp gia nhiệt trước, kiểm soát lớp hàn giữa và hàn PWHT khi cần thiết để kiểm soát rủi ro nứt hydro và độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Vật tư tiêu hao SAWL (dây hàn và thuốc hàn) có thể được lựa chọn để phù hợp với hóa chất và độ pha loãng nhằm kiểm soát các đặc tính của kim loại hàn.

Thực tế: - Đối với hàn tại hiện trường và hàn nối, ống HFW (thành mỏng) dễ hàn hơn khi sử dụng các quy trình thông thường. Ống SAWL thường đòi hỏi chú ý nhiều hơn đến nhiệt độ gia nhiệt/nhiệt độ giữa các lớp hàn đối với các loại ống có độ bền cao hoặc thành dày và có thể có các yêu cầu về quy trình hàn nghiêm ngặt hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thép không gỉ (cả HFW và SAWL) đều dựa vào lớp phủ và bảo vệ catốt để kiểm soát sự ăn mòn: mạ kẽm nhúng nóng, lớp phủ epoxy liên kết nóng chảy (FBE), lớp phủ polyethylene ba lớp, lớp phủ dầu, hệ thống sơn và lớp lót bên trong để phục vụ cho chất lỏng.
• Đường ống SAWL được sử dụng cho các dịch vụ chôn ngầm hoặc dưới biển thường sẽ được phủ nhiều lớp bên ngoài cùng với các biện pháp giảm thiểu ăn mòn bên trong.
• Khi sử dụng hợp kim thép không gỉ với quy trình SAW (ít phổ biến hơn đối với HFW/SAWL thông thường), hãy áp dụng PREN để chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN không áp dụng cho các loại thép cacbon; chỉ sử dụng cho thép không gỉ duplex/austenitic.

Lưu ý thực tế: Việc lựa chọn lớp phủ và lớp bảo vệ bên trong phụ thuộc nhiều vào môi trường làm việc và phân tích rủi ro hơn là phương pháp hàn.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• HFW (thành mỏng): Dễ uốn, tạo hình và giãn nở nguội hơn. Khả năng gia công và đột dập tốt hơn do độ cứng thấp hơn, nhưng thành mỏng hạn chế một số thao tác cơ học. Thích hợp cho uốn bán kính hẹp và phụ kiện phổ biến trong mạng lưới phân phối.
• SAWL (thành dày hơn): Nặng hơn, khó tạo hình chặt chẽ hơn; đòi hỏi dụng cụ lớn hơn và có thể cần tạo hình hỗ trợ nhiệt cho các tấm dày. Gia công thép hợp kim siêu nhỏ dày hơn có thể đòi hỏi nhiều công sức hơn; cần kiểm soát cẩn thận tốc độ cắt và dụng cụ.

Hàn và sửa chữa: - Mối hàn HFW tại hiện trường rất dễ hàn đối đầu, nhưng thành mối hàn mỏng đòi hỏi phải kiểm soát được hiện tượng cháy và lắp ghép. - Thành ống SAWL dày hơn có thể yêu cầu hàn nhiều lớp và WPS đủ tiêu chuẩn, nhưng thành ống dày hơn cũng mang lại nhiều khoảng trống hơn cho đầu vào nhiệt và sửa chữa cơ học.

8. Ứng dụng điển hình

HFW (sử dụng phổ biến)	SAWL (sử dụng phổ biến)
Ống dẫn thành mỏng có đường kính nhỏ đến trung bình dùng cho hệ thống phân phối nước, khí, HVAC, ống kết cấu và ống cơ khí nói chung	Đường ống truyền tải đường kính lớn, đường ống áp suất cao, đường ống ngoài khơi, đường ống xử lý có thành dày hơn và các phần yêu cầu độ bền/độ dẻo dai cao hơn
Ống dẫn áp suất thấp, giàn giáo, đồ nội thất và các thành phần ống ô tô	Vận chuyển hydrocarbon đường dài, đường ống chính, ống đứng dưới biển (có lớp phủ thích hợp) và đường ống áp suất cao trên bờ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HFW khi ưu tiên tính kinh tế, hình học thành mỏng và dễ tạo hình và áp suất/tải trọng dịch vụ ở mức vừa phải. - Chọn SAWL khi cần độ dày thành ống, áp suất thiết kế cao hơn, độ bền/độ dẻo dai được tăng cường hoặc kiểm soát hàn chặt chẽ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Sản phẩm HFW thường có chi phí trên mỗi đơn vị chiều dài thấp hơn đối với đường kính nhỏ đến trung bình do quy trình gia công cuộn lớn và hàn đơn giản hơn. Ống SAWL có giá thành cao hơn đối với đường kính tương đương nhưng độ dày thành ống lớn hơn do sản xuất tấm, quy trình hàn và sử dụng vật liệu nhiều hơn.
• Tính khả dụng: HFW có sẵn rộng rãi với kích thước thông dụng và thời gian giao hàng nhanh. Tính khả dụng của SAWL phụ thuộc vào công suất máy cán tấm và khả năng của dây chuyền hàn; các sản phẩm có thời gian giao hàng dài thường dùng cho ống thép chuyên dụng hoặc các loại thép có thông số kỹ thuật cao.
• Dạng sản phẩm: HFW thường được cung cấp từ các nhà máy cán cuộn thành ống; SAWL được cung cấp từ các dây chuyền cán tấm thành ống hoặc các nhà máy cán dải rộng với các tùy chọn xử lý nhiệt đi kèm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh tóm tắt

Đặc điểm	HFW	SAWL
Khả năng hàn	Tuyệt vời cho thành mỏng, CE thấp	Tốt nhưng cần kiểm soát quá trình nung nóng trước/chuyển tiếp để có lớp dày hơn/cường độ cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo cao	Phạm vi rộng hơn; có thể đạt được độ bền cao hơn với độ bền được thiết kế
Trị giá	Thấp hơn cho các ứng dụng có thành mỏng	Cao hơn cho đường ống dày hơn, có thông số kỹ thuật cao

Sự giới thiệu: - Chọn HFW nếu bạn cần ống có thành mỏng, tiết kiệm chi phí để phân phối, kết cấu hoặc dịch vụ áp suất thấp đến trung bình, trong đó khả năng hàn cao và khả năng định hình tốt là những yêu cầu chính. - Chọn SAWL nếu bạn cần thành dày hơn, khả năng chịu kéo/giới hạn chảy cao hơn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) được cải thiện và độ bền khía để truyền tải hoặc sử dụng ở áp suất cao, hoặc khi dự án yêu cầu các đặc tính cơ học có nguồn gốc từ tấm và quy trình xử lý nhiệt được kiểm soát.

Ghi chú kết luận: Việc lựa chọn nên được quyết định bởi sự kết hợp giữa áp suất thiết kế, yêu cầu về độ dày thành, chiến lược hàn và nối tại hiện trường, độ bền ở nhiệt độ vận hành và nhu cầu bảo vệ vòng đời. Cần xác định rõ giới hạn hóa học, yêu cầu về xử lý nhiệt/hoàn thiện và tiêu chuẩn quy trình hàn ngay từ đầu để đảm bảo sản phẩm được sản xuất (HFW hoặc SAWL) đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất luyện kim và cơ học của dự án.