Dàn so với ERW – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên phải đối mặt với sự lựa chọn giữa ống thép liền mạch và ống thép hàn điện trở (ERW). Quyết định này thường cân bằng giữa các yêu cầu về hiệu suất như độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn với chi phí, tính khả dụng và các nhu cầu chế tạo tiếp theo như hàn và tạo hình. Đối với các điều kiện vận hành liên quan đến áp suất bên trong cao, độ dẻo dai va đập ở nhiệt độ thấp hoặc dung sai kích thước chặt chẽ, một giải pháp có thể được ưu tiên; đối với các ứng dụng phân phối hoặc kết cấu đường kính lớn, chi phí thấp hơn, giải pháp còn lại thường chiếm ưu thế.

Nguyên nhân cốt lõi của sự so sánh này là sự khác biệt trong cách chế tạo ống và cách thức quy trình sản xuất đó ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và hành vi hàn. Những khác biệt này ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt, tính toàn vẹn của mối hàn và giới hạn thực tế của quá trình hậu xử lý.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và ký hiệu chung mà bạn sẽ gặp đối với cả thép liền mạch và thép ERW bao gồm:

• ASTM / ASME (Hoa Kỳ): ví dụ, thông số kỹ thuật ASTM A106, A179, A192, API 5L cho đường ống; ASME SA-106, SA-179.
• EN (Châu Âu): EN 10216 (liền mạch), EN 10217 (hàn), EN 10210/10219 cho các phần rỗng kết cấu.
• JIS (Nhật Bản): JIS G3452 (ống thép liền mạch cho nồi hơi), JIS G3461 (ERW).
• GB (Trung Quốc): GB/T 8162 (ống thép cacbon liền mạch cho kết cấu chung), GB/T 3091 (ERW).

Phân loại theo loại vật liệu: - Thép cacbon: dùng chung cho cả thép liền mạch và thép ERW. - Hợp kim và HSLA: có sẵn ở cả hai dạng; HSLA và các loại hợp kim vi mô thường không liền mạch nhưng cũng được sản xuất dưới dạng ERW. - Thép không gỉ: được sản xuất theo dạng liền mạch và hàn (bao gồm cả loại hàn ERW và hàn TIG). - Thép dụng cụ: hiếm khi được sản xuất dưới dạng ống; không nằm trong thông số kỹ thuật ống thông thường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần của ống hoặc ống dẫn được xác định theo cấp (carbon, HSLA, hợp kim, thép không gỉ) chứ không phải theo phương pháp tạo hình. Tuy nhiên, các triết lý kiểm soát thông thường lại khác nhau: các nhà sản xuất ống liền mạch thường hướng đến việc kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn cho các ứng dụng áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, trong khi các nhà sản xuất ERW có thể tối ưu hóa hóa học để tạo hình và hàn ở quy mô lớn.

Yếu tố	Liền mạch (điều khiển điển hình)	ERW (kiểm soát điển hình)	Vai trò trong các thuộc tính
C (Cacbon)	Được kiểm soát để đáp ứng độ bền/độ cứng	Được kiểm soát về độ bền và khả năng hàn	Yếu tố quyết định độ bền/độ cứng chính
Mn (Mangan)	Có mặt ở mức độ tăng cường và khử oxy	Có mặt; thường cao hơn một chút đối với quá trình khử oxy trong các sản phẩm hàn	Gia cường dung dịch rắn; ảnh hưởng đến khả năng tôi cứng
Si (Silic)	Chất khử oxy; hạn chế ở các loại nhiệt độ thấp	Chất khử oxy; kiểm soát chất lượng mối hàn	Chất khử oxy; ảnh hưởng đến độ bền và sự hình thành cặn
P (Phốt pho)	Giữ thấp để tăng độ dẻo dai	Giới hạn về độ dẻo và khả năng hàn	Nguy cơ giòn nếu cao
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; MnS được kiểm soát	Được kiểm soát; có thể cao hơn ở cấp độ gia công tự do	Ảnh hưởng đến khả năng gia công và có thể làm giảm độ dẻo dai
Cr (Crom)	Hợp kim hóa để tăng cường độ bền/chống ăn mòn trong thép hợp kim	Được sử dụng trong các loại ERW hợp kim để tăng cường độ	Cải thiện khả năng làm cứng và chống ăn mòn
Ni (Niken)	Được thêm vào để tăng độ bền và khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp	Được sử dụng có chọn lọc để tăng độ bền/sức đề kháng	Tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn
Mo (Molypden)	Được sử dụng để tăng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao	Vai trò tương tự trong các loại ERW hợp kim	Cải thiện khả năng chống rão và sức mạnh
V, Nb, Ti (Hợp kim vi mô)	Phổ biến trong HSLA/liền mạch để tinh chế hạt	Được sử dụng trong các loại ERW HSLA nhưng có thể được tối ưu hóa để xử lý trong nhà máy	Tinh chế hạt, tăng cường lượng mưa
B (Bo)	Bổ sung dấu vết để tăng khả năng làm cứng ở các cấp độ tôi	Đôi khi được sử dụng trong các lớp được xử lý nhiệt	Chất tăng cường độ cứng mạnh ở mức ppm
N (Nitơ)	Được kiểm soát, đặc biệt là ở các loại thép không gỉ	Kiểm soát để tạo hình/hàn	Ổn định austenit trong thép không gỉ; ảnh hưởng đến sự ăn mòn

Giải thích: Các nguyên tố hợp kim được lựa chọn để đạt được sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng tôi và khả năng chống ăn mòn. Các nguyên tố vi hợp kim (V, Nb, Ti) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền mà không ảnh hưởng đến độ dẻo khi sử dụng phương pháp gia công cơ nhiệt hoặc cán có kiểm soát.

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

Ống liền mạch và ống ERW có thể bắt đầu từ thép nền tương tự, nhưng cấu trúc vi mô khi sản xuất của chúng khác nhau do quá trình hình thành và lịch sử nhiệt.

• Ống liền mạch: Được sản xuất bằng cách đâm thủng và kéo dài phôi thép đặc hoặc bằng cách đâm thủng và cán quay. Quá trình này khiến vật liệu chịu biến dạng dẻo đáng kể và các chu kỳ tái kết tinh ở nhiệt độ cao, thường tạo ra cấu trúc vi mô tương đối đồng đều trên toàn bộ độ dày thành ống. Đối với các loại thép cacbon và HSLA, cấu trúc cán thường là ferit-perit cho các loại thép có độ bền thấp hơn; đối với các loại thép tôi và ram, có thể thu được martensite/martensite ram sau khi xử lý nhiệt thích hợp.
• Ống ERW: Được sản xuất bằng cách tạo thành một dải/tấm phẳng và nối các cạnh bằng hàn điện trở. Đường hàn được nung nóng cục bộ và làm nguội nhanh, tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) riêng biệt và kim loại hàn có cấu trúc vi mô phụ thuộc vào năng lượng hàn và hóa học. Hóa học cuộn dây và các thông số hàn phù hợp được thiết lập để giảm thiểu sự khác biệt về tính chất đường hàn so với kim loại gốc.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa/tinh chỉnh: Cả ống liền mạch và ống ERW đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để đồng nhất cấu trúc vi mô. Ống liền mạch thường phản ứng đồng đều; mối nối ERW cần được chú ý đến vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) để tránh các đỉnh độ cứng không mong muốn. - Làm nguội & ram: Được sử dụng cho các loại thép có độ bền cao; thép liền mạch hợp kim vi mô với thành phần hóa học được kiểm soát thường cho phản ứng tuyệt vời. Trong ERW, luyện kim đường hàn phải tương thích với chu trình làm nguội và ram (tức là thành phần hóa học của kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) phải đạt được cấu trúc vi mô mục tiêu mà không bị tôi quá mức). - Xử lý nhiệt cơ: Phổ biến hơn và có thể kiểm soát được trong sản xuất liền mạch, cho phép sản xuất thép HSLA hạt mịn, cường độ cao với độ dẻo dai tốt.

4. Tính chất cơ học

Tính chất phụ thuộc vào cấp độ, xử lý nhiệt và kiểm soát sản xuất. Bảng dưới đây so sánh các đặc tính cơ học điển hình về mặt định tính.

Tài sản	Liền mạch	bom mìn	Ghi chú
Độ bền kéo	Cao, đồng đều xuyên qua tường	Có thể so sánh được về kim loại gốc; đường nối có thể khác nhau	Tính toàn vẹn của đường may ảnh hưởng đến hiệu suất kéo cục bộ
Cường độ chịu kéo	Cao với độ đồng đều tốt	Có thể so sánh; một số đường nối có thể mềm hoặc cứng	Kiểm soát năng suất xử lý nhiệt và hợp kim vi mô
Độ giãn dài (độ dẻo)	Phần nhất quán	Tốt trong kim loại gốc; vùng đường nối có thể làm giảm độ dẻo cục bộ	Chất lượng đường may và kiểm soát HAZ rất quan trọng
Độ bền va đập	Thường vượt trội, đặc biệt đối với các loại nhiệt độ thấp	Tốt khi được chỉ định; HAZ có thể là mối quan tâm	Lựa chọn thông thường liền mạch cho dịch vụ nhiệt độ thấp quan trọng
Độ cứng	Đồng đều khi xử lý nhiệt	Độ dốc độ cứng có thể có tại đường nối/HAZ	Xử lý nhiệt phải tính đến luyện kim đường may

Loại nào bền hơn/dẻo hơn/dẻo hơn: Cả hai dạng đều không bền hơn về bản chất; cấp vật liệu và quá trình xử lý nhiệt quyết định độ bền. Gia công liền mạch có thể tạo ra các đặc tính xuyên suốt đồng đều hơn và thường được chỉ định khi cần độ bền, độ đồng đều và khả năng chịu áp suất cao tối đa. ERW có thể đạt được các đặc tính tương đương với kim loại gốc nhưng đòi hỏi quy trình kiểm soát nghiêm ngặt tại mối hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là một yếu tố quan trọng cần xem xét và được quyết định bởi hàm lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim hoặc vi hợp kim. Hai chỉ số phổ biến hữu ích cho việc đánh giá định tính:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (đối với 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: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn tương quan với khả năng hàn dễ dàng hơn và nguy cơ bị cứng hóa vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt nguội thấp hơn. Ống liền mạch dùng cho ứng dụng cường độ cao hoặc tôi và ram có thể có khả năng tôi cứng cao hơn và do đó cần quy trình hàn trước/sau khi tôi hoặc hàn có kiểm soát. - Các sản phẩm ERW thường được tối ưu hóa khả năng hàn trong quá trình sản xuất dải (điều kiện hóa học và cán được lựa chọn để giảm thiểu khả năng tôi cứng tại mối nối). Tuy nhiên, mối nối và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là các vùng cục bộ mà việc hàn sửa chữa hoặc hàn tiếp theo phải xem xét đến sự khác biệt tiềm ẩn về hóa học và cấu trúc vi mô. - Đối với thép không gỉ, các yếu tố cần xem xét về khả năng hàn bao gồm độ nhạy và hàm lượng nitơ; đối với thép không gỉ duplex hoặc siêu duplex, PREN và cân bằng pha chi phối quá trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép không gỉ: - Cả thép liền mạch và thép ERW carbon/HSLA đều cần lớp phủ bảo vệ cho các ứng dụng dễ bị ăn mòn: mạ kẽm nhúng nóng, epoxy liên kết nóng chảy, hệ thống sơn hoặc lớp lót bên trong. Chiến lược phủ được quyết định bởi môi trường và tuổi thọ sử dụng hơn là phương pháp sản xuất ống, mặc dù hình dạng đường nối có thể ảnh hưởng đến độ đồng đều và độ bám dính của lớp phủ.

Thép không gỉ: - Đối với thép không gỉ, khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào thành phần hợp kim. Hệ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) hữu ích cho hợp kim austenit/duplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho thép cacbon thông thường. Khi chỉ định thép không gỉ ERW hoặc thép không gỉ liền mạch, việc kiểm soát nitơ và molypden là rất quan trọng để đạt được PREN mục tiêu và hiệu suất sử dụng.

Làm rõ: Khi có mối hàn, việc hoàn thiện bề mặt và làm sạch sau khi hàn (thụ động hóa cho thép không gỉ) rất quan trọng để khôi phục khả năng chống ăn mòn tại mối hàn.

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

• Cắt: Cả hai hình thức đều được cắt bằng quy trình cưa, ngọn lửa hoặc plasma tiêu chuẩn. Đường hàn ERW có thể cần cắt tỉa thêm nếu có mối hàn hoặc tia lửa điện bên trong.
• Uốn/tạo hình: Ống liền mạch thường chịu được uốn và tạo hình với ít biến dạng cục bộ hơn do đặc tính thành ống đồng nhất. Ống ERW có thể bị hở mối hàn hoặc có sự khác biệt về độ cứng cục bộ; quy trình lập kế hoạch nên tính đến hướng mối hàn so với độ uốn.
• Khả năng gia công: Nồng độ lưu huỳnh được kiểm soát giúp cải thiện khả năng gia công; những yếu tố này không phụ thuộc vào quy trình sản xuất ống. Ống liền mạch hợp kim siêu nhỏ, có độ bền cao có thể khó gia công hơn do độ bền và độ cứng cao hơn.
• Hoàn thiện: Có thể cần mài hoặc chỉnh sửa các đường nối ERW cho các ứng dụng yêu cầu bề mặt bên trong nhẵn (ví dụ: đường ống thủy lực) hoặc khi thử nghiệm không phá hủy phát hiện ra các bất thường ở đường nối.

8. Ứng dụng điển hình

Liền mạch	bom mìn
Lò hơi áp suất cao, ống nhà máy điện, dịch vụ dầu khí áp suất cao, dịch vụ nhiệt độ thấp, nơi độ bền đồng đều là yếu tố quan trọng	Đường ống phân phối nước và khí, ống kết cấu, ống khung gầm ô tô, các ứng dụng cơ khí nói chung
Ống trao đổi nhiệt và đường ống quy trình có tính toàn vẹn cao	Ống dẫn đường kính lớn, trong đó chi phí và tốc độ sản xuất là ưu tiên hàng đầu
Các thành phần lỗ sâu và ứng dụng thủy lực yêu cầu các đặc tính định hướng	Các ứng dụng mà chiều dài chạy dài và chi phí đơn vị thấp hơn là quan trọng

Cơ sở lựa chọn: Chọn hàn liền mạch cho các ứng dụng đòi hỏi độ đồng đều xuyên suốt, khả năng chịu áp suất cao và độ bền quan trọng (nhiệt độ thấp hoặc chịu nhiệt độ cao). Chọn hàn ERW cho các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp, khối lượng lớn, đường kính lớn, trong đó có thể kiểm soát độ toàn vẹn của mối hàn và các đặc tính cần thiết nằm trong khả năng đáp ứng các thông số kỹ thuật của sản phẩm hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Sản phẩm ERW thường có giá thành rẻ hơn tính theo tấn và có sẵn ở dạng cuộn dài, liên tục vì chúng được sản xuất theo dạng cuộn và có năng suất cao. Sản phẩm liền mạch thường có giá cao hơn do quy trình xử lý phôi phức tạp hơn và năng suất thấp hơn.
• Tính khả dụng: ERW có sẵn nhiều kích thước và cấp độ tiêu chuẩn; tính khả dụng liền mạch có thể bị hạn chế đối với các cấp độ đặc biệt, đường kính lớn hoặc kích thước dung sai chặt chẽ và có thể mất nhiều thời gian hơn.

Cân nhắc về hình thức sản phẩm: Đối với đường ống áp suất cao hoặc được chứng nhận, ống liền mạch thường được dự trữ theo các cấp độ cụ thể; đối với ống kết cấu khối và ống dẫn, ERW chiếm ưu thế trên thị trường do tính kinh tế.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	Liền mạch	bom mìn
Khả năng hàn	Kim loại gốc tốt; không có mối hàn nhưng mối hàn sẽ ở bên ngoài/không liên tục	Được thiết kế cho mối hàn đường may; hàn bổ sung cần chú ý đến kim loại HAZ/đường may
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ đồng đều cao; độ dẻo dai tuyệt vời ở nhiệt độ thấp với cấp độ phù hợp	Tương đương với kim loại gốc; đường nối/HAZ có thể là yếu tố hạn chế
Trị giá	Cao hơn	Thấp hơn

Kết luận: - Chọn Seamless nếu bạn yêu cầu tính chất xuyên tường đồng nhất, khả năng chứa áp suất quan trọng, độ dẻo dai vượt trội ở nhiệt độ thấp hoặc nếu ứng dụng liên quan đến các quy định nghiêm ngặt mà tính toàn vẹn của đường nối là yếu tố không đủ tiêu chuẩn. - Chọn ERW nếu chi phí, chiều dài liên tục dài và tính khả dụng của các kích thước tiêu chuẩn là những yếu tố chính, và nếu chế độ thiết kế và kiểm tra tính đến mối hàn (tức là cấp độ và kiểm soát quy trình đảm bảo mối hàn đáp ứng các tiêu chuẩn cơ học và NDT bắt buộc).

Lưu ý cuối cùng: Cách tốt nhất là chỉ định các yêu cầu về hiệu suất (độ bền kéo, va đập ở nhiệt độ, giới hạn độ cứng, tiêu chí chấp nhận thử nghiệm không phá hủy và yêu cầu xử lý nhiệt) thay vì chỉ nêu tên "liền mạch" hoặc "ERW". Điều này cho phép các nhà cung cấp đề xuất lộ trình sản xuất tiết kiệm nhất đáp ứng được nhu cầu kỹ thuật.