กระบวนการ เทคโนโลยีเชิงเศรษฐกิจ และการประยุกต์ใช้งานของท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บตรงแบบสองด้านด้วยการเชื่อมแบบจุ่มอาร์ค

ท่อเหล็กเชื่อมด้วยกระบวนการอาร์คใต้น้ำท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้าน (Double-Sided Submerged Arc Welded Straight Seam Steel Pipe) เป็นผลิตภัณฑ์สำคัญในอุตสาหกรรมท่อสมัยใหม่ กระบวนการผลิตและการใช้งานที่หลากหลายแสดงให้เห็นถึงการบูรณาการอย่างลึกซึ้งระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีการเชื่อม ท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านนี้ มีคุณสมบัติทางโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์และข้อได้เปรียบของกระบวนการผลิต จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานต่างๆ เช่น ท่อส่งระยะไกลและโครงสร้างรองรับอาคาร กระบวนการผลิตท่อเหล็กประเภทนี้ผสานรวมเทคโนโลยีการเชื่อมแบบอัตโนมัติเข้ากับกระบวนการขึ้นรูปที่แม่นยำ การเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านทำให้ได้รอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงและความแน่นสูง จึงเป็นวัสดุสำคัญในการรับรองความปลอดภัยในการส่งพลังงาน

ประการแรก การวิเคราะห์กระบวนการหลักของการเชื่อมท่อเหล็กตรงแบบจุ่มอาร์คสองด้าน
การผลิตท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านเริ่มต้นด้วยการกลึงแผ่นเหล็กแผ่นรีดร้อนคุณภาพสูงอย่างแม่นยำ โดยเริ่มจากการกัดแผ่นเหล็กให้ได้ความกว้างที่ต้องการโดยใช้เครื่องกัด จากนั้นจึงทำการขึ้นรูปด้วยเครื่องขึ้นรูป JCOE หลายขั้นตอนเพื่อให้ได้ท่อปลายเปิด ขั้นตอนการเชื่อมหลักใช้การเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้าน: ขั้นแรกจะเชื่อมตะเข็บนำร่องที่ผนังด้านในของท่อ จากนั้นจึงทำการเชื่อมแบบจุ่มอาร์คที่ผนังด้านนอกเพื่อทำการเชื่อมหลักให้เสร็จสมบูรณ์ และสุดท้ายทำการเชื่อมซ่อมแซมที่ผนังด้านใน วิธีการเชื่อมแบบหลายชั้นนี้ทำให้ได้การแทรกซึมของรอยเชื่อมเกิน 70% ของความหนาของแผ่นเหล็ก ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงของรอยเชื่อมได้อย่างมาก ในระหว่างการเชื่อม อาร์คที่ปกคลุมด้วยชั้นฟลักซ์จะหลอมโลหะที่อุณหภูมิสูงถึง 1600°C เกราะสแลกที่เกิดขึ้นจะช่วยป้องกันอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันข้อบกพร่องต่างๆ เช่น รูพรุนและสิ่งเจือปนในสแลก เมื่อเปรียบเทียบกับท่อเชื่อมตะเข็บตรงแบบดั้งเดิม กระบวนการเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านจะสร้างโครงสร้างเฟอร์ไรต์ละเอียดเป็นเข็มในบริเวณรอยเชื่อม ส่งผลให้มีความเหนียวต่อแรงกระแทกสูงกว่ารอยเชื่อมแบบดั้งเดิมถึง 30% การทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิคแบบออนไลน์และการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าคุณภาพภายในของรอยเชื่อมเป็นไปตามมาตรฐานสากล เช่น API 5L และ GB/T 9711 ผลิตภัณฑ์ทั่วไป เช่น ท่อเหล็กเกรด X80 มีความแข็งแรงคราสูงสุดถึง 555 MPa และสามารถทนต่อแรงดันส่งผ่านได้เกิน 15 MPa จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในโครงการท่อส่งก๊าซระดับชาติ เช่น ท่อส่งก๊าซตะวันตก-ตะวันออก

ประการที่สอง การเปรียบเทียบประโยชน์ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านแบบตะเข็บตรงและท่อเชื่อมแบบเกลียว แม้ว่าท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มอาร์คสองด้านแบบเกลียว (เช่น เกรด L485M ในมาตรฐาน GB/T 9711) จะมีข้อดีในด้านการผลิตต่อเนื่องและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ แต่ท่อเชื่อมแบบตะเข็บตรงมีความโดดเด่นในด้านความเสถียรต่อแรงดันและความแม่นยำของขนาด เนื่องจากการกระจายตัวแบบเกลียวของรอยเชื่อมในท่อเชื่อมแบบเกลียว การกระจายความเค้นตามแนวเส้นรอบวงอาจนำไปสู่จุดอ่อนภายใต้สภาวะแรงดันสูง ในทางตรงกันข้าม รอยเชื่อมตามแนวยาวของท่อเชื่อมแบบตะเข็บตรงจะรับความเค้นที่อยู่ในแนวเดียวกับความเค้นหลัก ส่งผลให้แรงดันระเบิดสูงขึ้นโดยทั่วไป 10%-15% การทดสอบเปรียบเทียบในโครงการท่อส่งน้ำมันพบว่า อายุการใช้งานของท่อเชื่อมแบบตะเข็บตรงที่มีคุณสมบัติเดียวกันนั้นสูงถึง 2 ล้านรอบ ซึ่งสูงกว่าท่อเชื่อมแบบเกลียวประมาณ 1.5 เท่า ในแง่ของต้นทุนการผลิต ท่อเชื่อมตะเข็บตรงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1420 มม. สามารถใช้ประโยชน์จากวัสดุได้ถึง 96% ในขณะที่ท่อเชื่อมแบบเกลียวจะสูญเสียเศษวัสดุประมาณ 5% เนื่องจากข้อจำกัดด้านความกว้างของแผ่นเหล็ก อย่างไรก็ตาม สำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่มาก (เช่น มากกว่า 3000 มม.) ท่อเชื่อมแบบเกลียวจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้แผ่นเหล็กขนาดกว้างพิเศษที่สั่งทำขึ้นเอง และข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจก็จะเริ่มปรากฏให้เห็น ที่สำคัญ ท่อเชื่อมตะเข็บตรงสามารถใช้ระบบอัตโนมัติในการขยายตัวได้ง่ายกว่า การขยายตัวทางกลสามารถรักษาค่าเบี่ยงเบนความกลมให้อยู่ภายใน 0.5%D ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการรับประกันความแม่นยำของการต่อท่อ

ประการที่สาม กระบวนการที่เป็นนวัตกรรมและการใช้งานพิเศษสำหรับท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บตรงแบบสองด้านด้วยการเชื่อมแบบจุ่มอาร์ค
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการเชื่อมท่อแบบอาร์คใต้น้ำด้วยตะเข็บตรงได้มีการพัฒนาอย่างก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง ในโครงการท่อส่งใต้ทะเลจีนใต้ ได้มีการใช้ท่อเหล็กเกรด X65 แบบตะเข็บตรงเคลือบสารป้องกันการกัดกร่อนสองชั้น FBE+PP โดยการเติมธาตุผสมไมโครอัลลอย Nb 0.06% ทำให้พลังงานกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ -40°C สูงกว่า 220J ในการก่อสร้างท่อส่งในเขตขั้วโลก ท่อเหล็กเกรด X100 ที่ผลิตโดยใช้กระบวนการควบคุมทางความร้อนและเชิงกล (TMCP) สามารถลดความหนาของผนังท่อลงได้ 15% ในขณะที่ยังคงรักษาความต้านทานการแตกร้าวที่ดีเยี่ยม ท่อสำหรับงานเฉพาะทาง เช่น โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จำเป็นต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพในทิศทาง Z ของมาตรฐาน RCC-M ท่อตะเข็บตรงที่ใช้ในภาชนะบรรจุของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้แผ่นเหล็กที่มีกำมะถันและฟอสฟอรัสต่ำที่เตรียมขึ้นเป็นพิเศษ (S ≤ 0.002%) เมื่อรวมกับกระบวนการเชื่อมแบบหลายรอบที่มีช่องว่างแคบ จะช่วยลดความหนาของหน้าตัดได้มากกว่า 75% ในภาคการขนส่งถ่านหินเหลว ท่อตะเข็บตรงแบบคอมโพสิตที่บุด้วยชั้นเซรามิกหนา 6 มม. มีความทนทานต่อการสึกหรอมากกว่าท่อเหล็กธรรมดาถึงแปดเท่า

ประการที่สี่ แนวโน้มการพัฒนาอุตสาหกรรมและความท้าทายของท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บตรงแบบจุ่มอาร์คสองด้าน
ด้วยความก้าวหน้าของการผลิตอัจฉริยะ บริษัทชั้นนำในประเทศได้นำระบบดิจิทัลมาใช้ในกระบวนการผลิตท่อเชื่อมตะเข็บตรงทั้งหมด โรงงานแห่งหนึ่งได้นำระบบ MES มาใช้ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบพารามิเตอร์มากกว่า 200 รายการแบบเรียลไทม์ รวมถึงกระแสเชื่อม (ควบคุมความผันผวนภายใน ±15A) และพลังงานในสายการผลิต (18-22kJ/cm) ทำให้เพิ่มอัตราการรับรองผลิตภัณฑ์เป็น 99.92% อย่างไรก็ตาม เหล็กท่อคุณภาพสูงยังคงต้องพึ่งพาการนำเข้าวัตถุดิบ ตัวอย่างเช่น เหล็กแผ่นเกรด X90/X100 ร้อยละ 80 ต้องจัดหาจากบริษัทอย่างเช่น Nippon Steel ข้อกำหนดด้านการรักษาสิ่งแวดล้อมยังเป็นแรงผลักดันให้เกิดนวัตกรรมทางเทคโนโลยี การใช้ฟลักซ์ควันต่ำรุ่นใหม่ช่วยลดความเข้มข้นของฝุ่นในโรงงานเชื่อมจาก 15 มก./ลบ.ม. เหลือ 3 มก./ลบ.ม. เมื่อความต้องการก่อสร้างท่อส่งไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น การวิจัยและพัฒนาท่อเชื่อมตะเข็บตรงที่ทนต่อการเปราะแตกจากไฮโดรเจนจะกลายเป็นสิ่งสำคัญลำดับต้นๆ ปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าเกรด L415H ที่ผลิตในประเทศ ซึ่งมีดัชนีความไวต่อการแตกร้าวจากไฮโดรเจน (HIC) ≤2% ได้ถูกนำมาทดลองผลิตแล้ว อย่างไรก็ตาม สำหรับท่อส่งใต้ทะเลลึกที่มีความยาวเกิน 1,500 เมตร ความท้าทายในการควบคุมความเค้นตกค้างจากการเชื่อมในท่อตะเข็บตรงผนังหนา (≥40 มม.) ยังคงมีอยู่

จากบนบกถึงในทะเล จากพลังงานแบบดั้งเดิมไปจนถึงการส่งพลังงานรูปแบบใหม่ ท่อเหล็กเชื่อมแบบจุ่มใต้น้ำสองด้านที่มีตะเข็บตรงยังคงแสดงให้เห็นถึงคุณค่าหลักในฐานะหัวใจสำคัญของอุตสาหกรรม การพัฒนาทางเทคโนโลยีสะท้อนให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงด้านการผลิตของจีนจากการขยายขนาดไปสู่การปรับปรุงคุณภาพ และบ่งบอกถึงความเป็นไปได้ที่ไร้ขีดจำกัดที่เกิดจากการบูรณาการวัสดุและกระบวนการใหม่ๆ ในบริบทของความเป็นกลางทางคาร์บอน ผลิตภัณฑ์ท่อส่งที่มีความแข็งแรงสูงและอายุการใช้งานยาวนานเหล่านี้จะมีบทบาทสำคัญยิ่งขึ้นในการฟื้นฟูโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานของโลกอย่างไม่ต้องสงสัย