การเชื่อมท่อเหล็กโลหะผสมนิกเกิลและท่อสแตนเลส: คู่มือที่ครอบคลุม

บทนำ

การเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกัน, เช่น ท่อเหล็กโลหะผสมนิกเกิล และท่อสแตนเลส, เป็นข้อกำหนดทั่วไปในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตไฟฟ้า, น้ำมันและก๊าซ, ปิโตรเคมี, และพลังงานนิวเคลียร์. โลหะเหล่านี้มักนำมาต่อกันโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการทาเนย, ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ชั้นของวัสดุตัวเติมที่เข้ากันได้กับโลหะฐานตัวใดตัวหนึ่งก่อนที่จะทำการเชื่อมขั้นสุดท้าย. กระบวนการนี้ช่วยบรรเทาปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมโลหะที่แตกต่างกัน, เช่นการขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกัน, การกร่อน, นอกจากนี้ยังทนต่อ.

ในคู่มือที่ครอบคลุมนี้, เราจะสำรวจกระบวนการเชื่อมนิกเกิล ท่อเหล็กโลหะผสม เนยกับท่อสแตนเลส. เราจะมาพูดถึงเทคนิคการเชื่อม, วัสดุตัวเติม, ขั้นตอนการเตรียมการ, และการบำบัดหลังการเชื่อมที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมจะประสบความสำเร็จ. นอกจากนี้, เราจะจัดเตรียมตารางโดยละเอียดโดยสรุปองค์ประกอบทางเคมี, คุณสมบัติทางกล, และพารามิเตอร์การเชื่อมสำหรับโลหะผสมนิกเกิลและเหล็กกล้าไร้สนิมต่างๆ.

เหตุใดการเนยจึงจำเป็นสำหรับการเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกัน

เมื่อเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกัน เช่น โลหะผสมนิกเกิลและสแตนเลส, ความท้าทายหลายประการเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในองค์ประกอบทางเคมี, ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน, และความต้านทานการกัดกร่อน. ความแตกต่างเหล่านี้อาจนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น:

• แคร็ก: อัตราการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของโลหะผสมนิกเกิลและเหล็กกล้าไร้สนิมอาจทำให้เกิดความเครียดระหว่างการให้ความร้อนและความเย็น, ทำให้เกิดการแตกร้าวในรอยเชื่อม.
• การกร่อน: โลหะที่ไม่เหมือนกันสามารถก่อตัวเป็นเซลล์กัลวานิกได้, ทำให้เกิดการกัดกร่อนบริเวณรอยเชื่อมเร็วขึ้น.
• เจือจาง: การผสมโลหะที่ไม่เหมือนกันระหว่างการเชื่อมอาจส่งผลให้เกิดการเชื่อมที่มีคุณสมบัติทางกลที่ไม่พึงประสงค์หรือต้านทานการกัดกร่อน.

เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้, ใช้เทคนิคที่เรียกว่าการทาเนย. การทาเนยเกี่ยวข้องกับการทาชั้นของวัสดุตัวเติมที่เข้ากันได้ (มักเป็นโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก) เข้ากับท่อสแตนเลสก่อนทำการเชื่อมขั้นสุดท้าย. เลเยอร์นี้ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์, ลดความเสี่ยงของการแตกร้าวและการกัดกร่อนโดยการสร้างส่วนต่อประสานที่เข้ากันได้มากขึ้นระหว่างโลหะทั้งสองที่ต่างกัน.

โลหะผสมนิกเกิลและเหล็กกล้าไร้สนิม: ภาพรวม

โลหะผสมนิกเกิล

โลหะผสมนิกเกิลขึ้นชื่อในด้านความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม, ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง, และความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน. โดยทั่วไปจะใช้ในอุตสาหกรรมที่ต้องใช้วัสดุเพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง, เช่น กระบวนการทางเคมี, การบินและอวกาศ, และการผลิตไฟฟ้า.

โลหะผสมนิกเกิลทั่วไปบางชนิดที่ใช้ในระบบท่อ ได้แก่:

• อินโคเนล 600: โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียมที่มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม.
• อินโคเนล 625: โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัมที่ขึ้นชื่อในด้านความแข็งแรงสูงและทนทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก.
• โมเนล 400: โลหะผสมนิกเกิล-ทองแดงที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย, รวมถึงน้ำทะเลและสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด.
• ฮาสเตลลอย C-276: โลหะผสมนิกเกิล-โมลิบดีนัม-โครเมียมที่มีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหลากหลายชนิด, รวมถึงกรดแก่และสภาพแวดล้อมคลอไรด์.

เหล็กสแตนเลส

สแตนเลสเป็นโลหะผสมที่มีเหล็กเป็นหลักซึ่งมีอย่างน้อย 10.5% อาจมีองค์ประกอบอื่นในปริมาณที่น้อยเกินไปที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติของมัน, ซึ่งทำให้มีความต้านทานการกัดกร่อนตามลักษณะเฉพาะ. สแตนเลสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การแปรรูปอาหาร, ยา, และน้ำมันและก๊าซเนื่องจากความต้านทานต่อการกัดกร่อนและความง่ายในการผลิต.

สเตนเลสชนิดทั่วไปที่ใช้ในระบบท่อ ได้แก่:

• 304 สแตนเลสสตีล: สเตนเลสออสเทนนิติกที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดีและขึ้นรูปได้ดีเยี่ยม.
• 316 สแตนเลสสตีล: สเตนเลสสตีลออสเทนนิติกที่เติมโมลิบดีนัมเพื่อเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก.
• 321 สแตนเลสสตีล: สเตนเลสออสเทนนิติกทำให้เสถียรด้วยไทเทเนียมเพื่อป้องกันการตกตะกอนของคาร์ไบด์ระหว่างการเชื่อม.
• เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์: สเตนเลสสตีลที่มีโครงสร้างจุลภาคผสมของออสเทนไนต์และเฟอร์ไรต์, มีความแข็งแรงสูงและต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดีเยี่ยม.

กระบวนการเชื่อมสำหรับการเชื่อมท่อเหล็กโลหะผสมนิกเกิลและท่อสแตนเลส

ขั้นตอน 1: การเลือกใช้วัสดุ

ขั้นตอนแรกในกระบวนการเชื่อมคือการเลือกโลหะผสมนิกเกิลและวัสดุสแตนเลสที่เหมาะสม. การเลือกใช้วัสดุขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ, สภาพแวดล้อมการทำงาน, และคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมขั้นสุดท้าย.

ตัวอย่างเช่น, หากการใช้งานเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน, อินโคเนล 625 อาจเลือกใช้โลหะผสมนิกเกิลได้, ในขณะที่ 316 สามารถเลือกสแตนเลสสำหรับท่อสแตนเลสได้.

ขั้นตอน 2: การเลือกวัสดุฟิลเลอร์

วัสดุตัวเติมที่ใช้ในการทาเนยและการเชื่อมมีบทบาทสำคัญในความสำเร็จของการเชื่อม. วัสดุตัวเติมต้องเข้ากันได้กับทั้งโลหะผสมนิกเกิลและสแตนเลส เพื่อป้องกันปัญหาต่างๆ เช่น การแตกร้าว, การกร่อน, และการเจือจาง.

วัสดุตัวเติมทั่วไปที่ใช้เชื่อมโลหะผสมนิกเกิลกับเหล็กกล้าไร้สนิม ได้แก่:

• ERNiCr-3: วัสดุตัวเติมนิกเกิล-โครเมียมที่ใช้กันทั่วไปในการเชื่อมอินโคเนล 600 ไปจนถึงสแตนเลส.
• ERNiCrMo-3: วัสดุตัวเติมนิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัมที่ใช้สำหรับการเชื่อมอินโคเนล 625 และ Hastelloy C-276 กับสแตนเลส.
• ERNiCu-7: วัสดุตัวเติมนิกเกิล-ทองแดงที่ใช้สำหรับการเชื่อมโมเนล 400 ไปจนถึงสแตนเลส.

ขั้นตอน 3: เนยท่อสแตนเลส

กระบวนการทาเนยเกี่ยวข้องกับการทาชั้นของวัสดุตัวเติมกับท่อสแตนเลสก่อนทำการเชื่อมขั้นสุดท้าย. ชั้นนี้ทำหน้าที่เป็นเขตเปลี่ยนผ่านระหว่างเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมนิกเกิล, ลดความเสี่ยงของการแตกร้าวและการกัดกร่อน.

ขั้นตอนการทาเนย:

1. การเตรียมพื้นผิว: พื้นผิวของท่อสแตนเลสจะต้องทำความสะอาดอย่างทั่วถึงเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อน, เช่นน้ำมัน, จาระบี, หรือชั้นออกไซด์. ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้วิธีทางกล (เช่น., บด) หรือการทำความสะอาดด้วยสารเคมี.
2. อุ่นเครื่อง: ขึ้นอยู่กับความหนาของวัสดุและโลหะผสมเฉพาะที่ทำการเชื่อม, อาจจำเป็นต้องอุ่นก่อนเพื่อลดความเสี่ยงของการแตกร้าว. โดยทั่วไปอุณหภูมิอุ่นจะอยู่ระหว่าง 100°C ถึง 200°C.
3. บัตเตอร์ริ่งพาส: ชั้นของวัสดุตัวเติม (เช่น., ERNiCrMo-3) ถูกนำไปใช้กับท่อสแตนเลสโดยใช้กระบวนการเชื่อมเช่น GTAW (การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส) หรือสมาว (การเชื่อมอาร์คโลหะป้องกัน). ชั้นทาเนยควรมีความหนาพอที่จะป้องกันการเจือจางกับโลหะฐานระหว่างการเชื่อมขั้นสุดท้าย.
4. การตรวจสอบ: หลังจากทาชั้นเนยแล้ว, ควรตรวจสอบข้อบกพร่องเช่นรอยแตกร้าว, ความพรุน, หรือการหลอมรวมที่ไม่สมบูรณ์. การทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) อาจใช้วิธีการต่างๆ เช่น การทดสอบอัลตราโซนิกหรือการทดสอบด้วยภาพรังสี เพื่อรับรองคุณภาพของชั้นเนย.

ขั้นตอน 4: การเชื่อมโลหะผสมนิกเกิลกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่ทาเนย

เมื่อทาชั้นเนยลงบนท่อสแตนเลสแล้ว, การเชื่อมขั้นสุดท้ายสามารถทำได้ระหว่างท่อโลหะผสมนิกเกิลกับท่อสแตนเลสทาเนย.

ขั้นตอนการเชื่อม:

1. กระบวนการเชื่อม: กระบวนการเชื่อมที่ใช้ในการเชื่อมโลหะผสมนิกเกิลกับท่อสเตนเลสทาเนยอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุและการใช้งานเฉพาะ. กระบวนการเชื่อมทั่วไปได้แก่:
   • GTAW (การเชื่อมทิก): ให้การควบคุมที่แม่นยำในการเชื่อม และมักใช้สำหรับการเชื่อมคุณภาพสูงในการใช้งานที่สำคัญ.
   • สมาว (การเชื่อมแบบแท่ง): กระบวนการอเนกประสงค์ที่สามารถใช้สำหรับการเชื่อมในตำแหน่งและสภาพแวดล้อมต่างๆ.
   • GMAW (การเชื่อม MIG): เหมาะสำหรับความเร็วในการเชื่อมที่เร็วขึ้นและวัสดุที่หนาขึ้น.
2. วัสดุฟิลเลอร์: วัสดุตัวเติมแบบเดียวกับที่ใช้ในการทาเนย (เช่น., ERNiCrMo-3) ควรใช้สำหรับการเชื่อมขั้นสุดท้ายเพื่อให้แน่ใจว่าโลหะผสมนิกเกิลและชั้นที่ทาเนยเข้ากันได้.
3. พารามิเตอร์การเชื่อม: พารามิเตอร์การเชื่อม, เช่น กระแสเชื่อม, แรงดันไฟฟ้า, และความเร็วในการเดินทาง, ควรได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปและการบิดเบือน. ตารางต่อไปนี้แสดงพารามิเตอร์การเชื่อมทั่วไปสำหรับกระบวนการ GTAW และ SMAW:

กระบวนการเชื่อม	วัสดุฟิลเลอร์	ปัจจุบัน (NS)	แรงดันไฟฟ้า (V)	ความเร็วในการเดินทาง (มม./นาที)	เปิดอุณหภูมิ (° C)	อุณหภูมิระหว่างทาง (° C)
GTAW (ทีไอจี)	ERNiCrMo-3	100-150	10-14	100-150	100-200	150-250
สมาว (ติด)	ERNiCrMo-3	80-120	20-24	80-120	100-200	150-250
GMAW (ฉัน)	ERNiCrMo-3	150-200	20-25	150-200	100-200	150-250

4. การรักษาความร้อนหลังการเชื่อม (สธ): ขึ้นอยู่กับวัสดุและการใช้งาน, อาจจำเป็นต้องมีการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อมเพื่อลดความเค้นตกค้างและปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อม. โดยทั่วไปอุณหภูมิของ PWHT จะอยู่ระหว่าง 600°C ถึง 800°C, ขึ้นอยู่กับโลหะผสมเฉพาะที่เชื่อม.

ขั้นตอน 5: การตรวจสอบและทดสอบ

หลังจากกระบวนการเชื่อมเสร็จสิ้น, รอยเชื่อมจะต้องได้รับการตรวจสอบและทดสอบเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและความสมบูรณ์. วิธีการตรวจสอบทั่วไป ได้แก่:

• ภาพการตรวจสอบ: รอยเชื่อมได้รับการตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อหาข้อบกพร่องที่พื้นผิว เช่น รอยแตกร้าว, ความพรุน, หรือการหลอมรวมที่ไม่สมบูรณ์.
• การทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT): วิธีการต่างๆ เช่น การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UT), การทดสอบภาพรังสี (RT), หรือการทดสอบการแทรกซึมของสีย้อม (ปตท) สามารถใช้ตรวจจับข้อบกพร่องภายในรอยเชื่อมได้.
• การทดสอบทางกล: การทดสอบทางกล เช่น การทดสอบแรงดึง, การทดสอบการโค้งงอ, หรืออาจทำการทดสอบแรงกระแทกเพื่อประเมินความแข็งแรงและความเหนียวของรอยเชื่อม.

ความท้าทายในการเชื่อมโลหะผสมนิกเกิลกับเหล็กกล้าไร้สนิม

การเชื่อมโลหะผสมนิกเกิลกับเหล็กกล้าไร้สนิมทำให้เกิดความท้าทายหลายประการ เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน. ความท้าทายที่สำคัญบางประการ ได้แก่:

1. การขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกัน

โลหะผสมนิกเกิลและเหล็กกล้าไร้สนิมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน, ซึ่งอาจนำไปสู่ความเครียดจากความร้อนระหว่างการทำความร้อนและความเย็น. ความเค้นเหล่านี้อาจทำให้เกิดการแตกร้าวในรอยเชื่อมได้, โดยเฉพาะในท่อที่มีผนังหนาหรือรูปทรงที่ซับซ้อน.

2. เจือจาง

ระหว่างการเชื่อม, โลหะฐาน (โลหะผสมนิกเกิลและสแตนเลส) สามารถผสมกับวัสดุตัวเติมได้, นำไปสู่การเจือจาง. ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการเชื่อมที่มีคุณสมบัติทางกลที่ไม่พึงประสงค์หรือต้านทานการกัดกร่อน. ชั้นทาเนยช่วยลดการเจือจางโดยการสร้างส่วนต่อประสานที่เข้ากันได้มากขึ้นระหว่างโลหะทั้งสองที่ต่างกัน.

3. การกร่อน

การเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกันสามารถสร้างเซลล์ไฟฟ้าได้, ทำให้เกิดการกัดกร่อนบริเวณรอยเชื่อมเร็วขึ้น. การใช้วัสดุตัวเติมที่เข้ากันได้ (เช่น., ERNiCrMo-3) และการรักษาหลังการเชื่อมที่เหมาะสมสามารถช่วยบรรเทาปัญหานี้ได้.

4. แคร็ก

การแตกร้าวสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างหรือหลังการเชื่อมเนื่องจากความเครียดจากความร้อน, เจือจาง, หรือการแตกตัวของไฮโดรเจน. อุ่นเครื่อง, พารามิเตอร์การเชื่อมที่ควบคุม, และการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อมสามารถช่วยลดความเสี่ยงของการแตกร้าวได้.

โต๊ะ: องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสมนิกเกิลทั่วไปและเหล็กกล้าไร้สนิม

วัสดุ	นิกเกิล (Ni)	โครเมี่ยม (Cr)	โมลิบดีนัม (Mo)	เหล็ก (เฟ)	ทองแดง (Cu)	คาร์บอน (C)	องค์ประกอบอื่นๆ
อินโคเนล 600	72 นาที	14-17	–	6-10	–	0.15 สูงสุด	Mn, ศรี, S
อินโคเนล 625	58 นาที	20-23	8-10	5 สูงสุด	–	0.10 สูงสุด	Nb, Mn, ศรี
โมเนล 400	63 นาที	–	–	2.5 สูงสุด	28-34	0.30 สูงสุด	Mn, ศรี, S
ฮาสเตลลอย C-276	57 นาที	14.5-16.5	15-17	4-7	–	0.01 สูงสุด	W, Mn, ศรี, S
304 สแตนเลสสตีล	8-10.5	18-20	–	สมดุล	–	0.08 สูงสุด	Mn, ศรี, P, S
316 สแตนเลสสตีล	10-14	16-18	2-3	สมดุล	–	0.08 สูงสุด	Mn, ศรี, P, S
321 สแตนเลสสตีล	9-12	17-19	–	สมดุล	–	0.08 สูงสุด	Ti, Mn, ศรี, P, S
ดูเพล็กซ์สแตนเลส	4.5-6.5	22-23	3-3.5	สมดุล	–	0.03 สูงสุด	Mn, ศรี, P, S

ข้อสรุป

การเชื่อมท่อเหล็กโลหะผสมนิกเกิลกับท่อสแตนเลสโดยใช้เทคนิคการทาเนยเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งต้องให้ความเอาใจใส่อย่างระมัดระวังในการเลือกใช้วัสดุ, วัสดุตัวเติม, พารามิเตอร์การเชื่อม, และการรักษาหลังการเชื่อม. โดยการใช้ชั้นทาเนยของวัสดุฟิลเลอร์ที่เข้ากันได้, ความเสี่ยงของการแคร็ก, การกร่อน, และการเจือจางสามารถลดลงได้อย่างมาก, ส่งผลให้ได้รอยเชื่อมคุณภาพสูง.

ความสำเร็จของการเชื่อมขึ้นอยู่กับการเตรียมพื้นผิวที่เหมาะสม, อุ่นเครื่อง, พารามิเตอร์การเชื่อมที่ควบคุม, และการตรวจสอบและทดสอบอย่างละเอียด. โดยปฏิบัติตามแนวทางและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดที่ระบุไว้ในคู่มือนี้, คุณสามารถมั่นใจได้ถึงการเชื่อมที่เชื่อถือได้และทนทานระหว่างโลหะผสมนิกเกิลและท่อสแตนเลส.

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมหรือความช่วยเหลือเกี่ยวกับการเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกัน, ปรึกษากับวิศวกรการเชื่อมหรือผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุที่สามารถให้คำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับข้อกำหนดเฉพาะของโครงการของคุณได้.