Kỹ thuật khối lượng và áp suất: Đi sâu vào ống thép thành nặng cấp ST37, 15Mo3, và C45

Thuật ngữ **Ống thép nặng** không đề cập đến một tài liệu hoặc một tiêu chuẩn duy nhất; hơn là, nó mô tả một thành phần thiết kế quan trọng—một điều kiện biên trong đó độ dày cần thiết của thành ống ($>10\%$ của đường kính ngoài hoặc thường đơn giản là $>25 \chữ{ mm}$ đến $50 \chữ{ mm}$ độ dày thực tế) giới thiệu những thách thức kỹ thuật và luyện kim độc đáo. Việc lựa chọn vật liệu cho ứng dụng hạng nặng này hoàn toàn được quyết định bởi môi trường dịch vụ: có phải áp suất cao không, tải bên ngoài cao, nhiệt độ cao, hoặc ứng suất cơ học cao? Để minh họa những nhu cầu to lớn và thường xung đột nhau đặt ra cho những thành phần lớn này, chúng ta phải đi sâu vào ba cấp độ riêng biệt về mặt luyện kim: **ST37** (một công cụ kết cấu chung), **15Mo3** (nhà vô địch về ngăn chặn áp suất nhiệt độ cao), và **C45** (một loại thép carbon trung bình được chế tạo để có độ bền cơ học).

Yêu cầu kỹ thuật của bức tường nặng là một trong những hệ quả to lớn. Việc sản xuất các bộ phận có thành dày này đẩy lùi các giới hạn của ngành sản xuất thép, cán, và công nghệ tạo hình. Việc đạt được dung sai kích thước chính xác trở nên khó khăn theo cấp số nhân, và bản thân vật liệu phải không có các sai sót bên trong có thể trở thành điểm bắt đầu vết nứt nghiêm trọng dưới áp lực lớn của dịch vụ.. Những đường ống này và ống là xương sống vững chắc của cơ sở hạ tầng công nghiệp, hoạt động như các bình áp suất có thành dày trong các nhà máy điện, vỏ bảo vệ để khoan sâu, hoặc làm trục trung tâm trong các hệ thống cơ khí quy mô lớn. Bằng cách kiểm tra thành phần hóa học, tính chất cơ học, và các giao thức thử nghiệm cho ST37, 15Mo3, và C45, chúng tôi đạt được sự hiểu biết toàn diện về chuyên môn chính xác cần thiết cho môi trường kỹ thuật khắc nghiệt.

---

Nhân vật. Mệnh lệnh của bức tường nặng: Những thách thức về sản xuất và luyện kim

Trước khi kiểm tra các lớp cụ thể, điều cần thiết là phải hiểu những thách thức đặc biệt vốn có trong việc sản xuất hàng hóa dạng ống **tường nặng**. Đơn giản chỉ cần mở rộng quy mô sản xuất được thiết kế cho ống có thành mỏng là không đủ; khối lượng tuyệt đối của kim loại làm thay đổi căn bản động lực sản xuất và đảm bảo chất lượng.

Độ phức tạp sản xuất và kiểm soát kích thước

Phần lớn các ống tường nặng, đặc biệt là những thiết bị dành cho dịch vụ chịu áp lực (như 15Mo3), được sản xuất bằng phương pháp **liền mạch** — **Đùn nóng** hoặc quy trình **Plug Mill**. Trong giai đoạn xỏ và lăn nóng, khối lượng kim loại khổng lồ phải được gia công đồng đều. Đạt được sự kiểm soát chặt chẽ về **Độ dày của tường (WT)**, được gọi là **độ lệch tâm**, cực kỳ khó khăn ở những đoạn dày do chuyển động tự nhiên của chốt bên trong và lực lăn lớn liên quan. Đối với các ứng dụng kết cấu không quan trọng (ST37) hoặc ống hàn (đường kính thường lớn), **Hàn hồ quang chìm (THẤY)** quá trình được sử dụng. trong CƯA, độ dày cực cao đòi hỏi nhiều đường hàn (đôi khi hàng chục), đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ giữa các lần hàn để ngăn ngừa nứt hydro và đảm bảo sự hợp nhất đồng đều trong toàn bộ độ dày của mối hàn.

Tính toàn vẹn luyện kim trong khối lượng

Tốc độ làm nguội chậm vốn có của mặt cắt dày có thể dẫn đến các cấu trúc vi mô không mong muốn. Đối với **15Mo3**, điều này ảnh hưởng đến tính ổn định của các kết tủa cacbua mang lại cho thép khả năng chống rão. Đối với **C45**, việc làm nguội chậm sẽ ngăn cản vật liệu đạt được độ cứng tiềm năng tối đa trừ khi được làm nguội và tôi luyện một cách tỉ mỉ. hơn nữa, tạp chất phi kim loại (tạp chất) điều đó có thể vô hại trong một đường ống mỏng có thể tập trung ở giữa một đường ống có thành dày, trở nên lớn, khiếm khuyết nghiêm trọng dưới tải nặng. vì thế, độ sạch của vật liệu (hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp) là một ưu tiên quá mức cho các thành phần tường nặng, thường vượt qua các yêu cầu tiêu chuẩn tối thiểu.

sự chỉ định	Tiêu chuẩn tham khảo (MỘT/ CỦA BẠN)	Loại vật chất	Ứng dụng tường nặng chính
ST37	EN 10025-2 (S235JR)	Thép kết cấu không hợp kim	Vỏ áp suất thấp, cọc móng, hỗ trợ kết cấu, ống cơ khí nói chung.
15Mo3	EN 10222-2 / EN 10216-2 (16Mo3)	Thép chống rão hợp kim thấp	Đầu phun hơi nước nhiệt độ cao/áp suất cao, đường ống trong các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu.
C45	EN 10083-2 (C45)	Thép kỹ thuật phi hợp kim	Xi lanh thủy lực hạng nặng, con lăn, trục quay, các bộ phận cơ khí có độ cứng bề mặt cao đạt được thông qua xử lý nhiệt.

---

II. Ba trụ cột của khoa học vật liệu tường nặng

Ba loại này đại diện cho các phương pháp luyện kim cơ bản khác nhau để giải quyết vấn đề xây dựng tường nặng.. Thành phần hóa học riêng biệt của chúng xác định trước sự phù hợp của chúng đối với cấu trúc, áp lực, hoặc dịch vụ cơ khí, tương ứng.

ST37 (S235JR): Xương sống kết cấu dẻo

Ký hiệu ST37, phần lớn được thay thế bởi tiêu chuẩn Châu Âu **EN 10025 S235JR**, đại diện cho vật liệu tường nặng có kết cấu cơ bản nhất. Đây là loại carbon thấp, thép có độ dẻo cao với cường độ chảy tối thiểu được đảm bảo là $235 \chữ{ MPa}$. Ở dạng tường nặng, nó được sử dụng khi độ dày cung cấp độ cứng và khả năng chịu tải cần thiết, nhưng áp suất và nhiệt độ cao không phải là yếu tố. Hãy nghĩ về đường kính lớn, vỏ bọc có thành dày cho đường ống ngầm, cọc kết cấu, hoặc ống cơ khí thông thường trong đó **khả năng hàn** và **chi phí thấp** là động lực chính. Lượng carbon tương đương thấp nên rất dễ hàn, ngay cả trong lĩnh vực này, không cần quy trình gia nhiệt trước phức tạp—một lợi thế hậu cần đáng kể khi làm việc với các bộ phận lớn.

15Mo3 (16Mo3): Bậc thầy áp suất nhiệt độ cao

Lớp 15Mo3, được mã hóa là **EN 10216-2 16Mo3**, là vật liệu thiết yếu cho đường ống áp lực tường nặng trong ngành sản xuất điện và hóa chất. Mục đích của nó là duy trì sức mạnh và tính toàn vẹn ở nhiệt độ cao, thường lên tới $530^circtext{C}$ nơi thép carbon thông thường (như ST37) sẽ nhanh chóng bị khuất phục trước sự đứt gãy. Đĩa đơn, nguyên tố hợp kim quan trọng là **Molypden (Mo)**, thường được thêm vào với nồng độ khoảng $0.25\%$. Molypden tạo thành kết tủa cacbua ổn định trong nền thép, chống lại sự đông cứng và hòa tan ở nhiệt độ cao. Những cacbua ổn định này ghim các vị trí lệch, làm chậm đáng kể tốc độ **leo** (biến dạng dẻo dưới ứng suất không đổi). Sản xuất ống vách nặng 15Mo3 yêu cầu cao, yêu cầu kiểm soát tỉ mỉ các phương pháp xử lý nhiệt thường hóa và tôi luyện cuối cùng để đảm bảo cấu trúc cacbua được hình thành và phân bổ chính xác để có tuổi thọ rão tối đa. Độ dày của tường đảm bảo ngăn chặn áp lực, và nội dung Mo đảm bảo phụ thuộc vào thời gian, ổn định nhiệt độ cao.

C45: Thành phần cơ khí cứng

C45, và ** e 10083** lớp, là một loại thép không hợp kim **có hàm lượng cacbon trung bình** có hàm lượng cacbon danh nghĩa là $0.45\%$. Vật liệu này về cơ bản khác với hai vật liệu còn lại vì nó được thiết kế cho **dịch vụ cơ khí**, không phải đường ống áp suất hoặc nhiệt độ cao. Mục đích của hàm lượng carbon cao là cho phép thép được **xử lý nhiệt** (dập tắt và tôi luyện) để đạt được độ cứng cao, sức mạnh, và chống mài mòn. Ống vách nặng làm từ C45 thường được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp như thùng xi lanh thủy lực, ống lót có đường kính lớn, con lăn, hoặc các bộ phận kết cấu đòi hỏi độ bền kéo cao và tuổi thọ mỏi. Mặc dù nó có độ bền kéo cao trong điều kiện xử lý nhiệt, lượng carbon tương đương cao hơn khiến việc hàn trở nên khó khăn hơn đáng kể so với ST37 hoặc 15Mo3, đòi hỏi các quy trình sử dụng ít hydro cẩn thận và giảm căng thẳng sau hàn.

---

III. Thành phần hóa học: Sự khác biệt xác định

Các ứng dụng khác nhau của ba loại này được thể hiện ngay lập tức trong công thức hóa học của chúng.. Sự khác biệt quan trọng nằm ở hàm lượng carbon và molypden, quyết định các đặc tính hiệu suất cuối cùng của vật liệu dưới các ràng buộc về tường nặng.

Dành cho **ST37/S235JR**, carbon được giữ ở mức thấp ($\các 0.20\%$) để tăng cường độ dẻo và, quan trọng, **Khả năng hàn **. Không có nguyên tố hợp kim cụ thể; hiệu suất có được hoàn toàn từ sự nhẹ nhàng của nó, cấu trúc ferit.

Đối với **15Mo3/16Mo3**, hàm lượng carbon vẫn còn tương đối thấp ($\khoảng 0.16\%$) để duy trì khả năng hàn tốt và độ dẻo leo, nhưng sự hiện diện của $0.25\%$ đến $0.35\%$ **Molypden** là nhân tố thay đổi cuộc chơi. Sự bổ sung nhỏ này biến thép thành một cỗ máy có khả năng chống rão, làm cho nó trở thành sự lựa chọn duy nhất trong số ba lựa chọn này cho dịch vụ nhiệt độ cao có tường dày.

Đối với **C45**, hàm lượng carbon cố tình cao ($0.42\%$ đến $0.50\%$). Giá trị này quá cao để dễ dàng hàn tại hiện trường và gây bất lợi cho hiệu suất rão ở nhiệt độ cao nhưng lại cần thiết để đạt được **độ cứng** cần thiết và khả năng chống mài mòn cần thiết cho các ứng dụng cơ học của nó. Kiểm soát chặt chẽ **Lưu huỳnh ($\chữ{S}$)** và **Phốt pho ($\chữ{P}$)** được yêu cầu ở cả ba lớp, nhưng đặc biệt đối với 15Mo3, để đảm bảo độ dẻo dai và tính toàn vẹn cao trong các phần dày.

Yếu tố	ST37 (S235JR)	15Mo3 (16Mo3)	C45
Carbon ($\chữ{C}$)	$\các 0.20$	$0.12 – 0.20$	$0.42 – 0.50$
Silicon ($\chữ{Si}$)	$\các 0.50$	$0.10 – 0.35$	$0.40$
Mangan ($\chữ{Mn}$)	$\các 1.40$	$0.40 – 0.90$	$0.50 – 0.80$
Phốt pho ($\chữ{P}$)	$\các 0.045$	$\các 0.030$	$\các 0.045$
lưu huỳnh ($\chữ{S}$)	$\các 0.045$	$\các 0.030$	$\các 0.045$
Cr-Mo ($\chữ{Mo}$)	—	$0.25 – 0.35$	—

*chú thích: Giới hạn P và S thấp đối với 15Mo3 phản ánh việc sử dụng bắt buộc của nó trong các ứng dụng có tính toàn vẹn cao, dịch vụ ở nhiệt độ cao.

---

IV. Tính chất cơ học: Sức mạnh vs. Môi trường dịch vụ

Các tính chất cơ học thể hiện mục đích chức năng của từng loại tường nặng. Chúng tôi thấy sự phân chia rõ ràng giữa cường độ thấp, vật liệu kết cấu có độ dẻo cao (ST37), vật liệu chống rão chuyên dụng (15Mo3), và vật liệu cơ khí có độ bền cao (C45).

**ST37/S235JR** cung cấp mức tối thiểu cần thiết **Cường độ năng suất ($\sigma_{và}$) của $235 \chữ{ MPa}$**. Giá trị này, kết hợp với diện tích mặt cắt lớn của bức tường nặng, đủ cho tải trọng kết cấu tĩnh cơ bản. Điều quan trọng, độ bền thấp đi kèm với độ dẻo cao ** (Kéo dài)**, đảm bảo đường ống có thể hấp thụ một lượng lớn biến dạng dẻo trước khi gãy.

**15Mo3/16Mo3** có giới hạn chảy ở nhiệt độ phòng tối thiểu tương đương với ST37 ($\khoảng 275 \chữ{ MPa}$), nhưng giá trị của nó nằm ở **cường độ đứt gãy của rão phụ thuộc vào thời gian**. Với mức giá $500^circtext{C}$, 15Mo3 duy trì ứng suất cho phép nhiều hơn đáng kể so với ST37, làm cho nó trở thành vật liệu khả thi duy nhất trong số ba loại cho dịch vụ chịu áp lực thành nặng ở nhiệt độ đó.

**C45** thể hiện sức mạnh cao nhất, với mức đảm bảo tối thiểu **Độ bền kéo ($\sigma_{ts}$) khoảng $ 580 \chữ{ MPa}$** trong điều kiện bình thường hóa của nó (và cao hơn nhiều khi được làm nguội và tôi luyện). Độ bền thô này rất cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng động hoặc cơ học theo chu kỳ cao, chẳng hạn như trong xi lanh thủy lực hoặc trục máy móc. Tuy nhiên, độ dẻo của nó là thấp nhất trong ba, phản ánh vai trò chính của nó trong việc chống mài mòn và hư hỏng cơ học hơn là chứa áp suất cao, chất lỏng nhiệt độ cao.

Tài sản	ST37 (S235JR)	15Mo3 (16Mo3)	C45 (Chuẩn hoá)
Mang lại sức mạnh ($\sigma_{và}$) Min.	$235 \chữ{ MPa}$	$275 \chữ{ MPa}$	$325 \chữ{ MPa}$
Độ bền kéo ($\sigma_{ts}$) Min.	$360 \chữ{ MPa}$	$410 \chữ{ MPa}$	$580 \chữ{ MPa}$
Kéo dài ($\chữ{A}$) Min.	$24\%$	$22\%$	$14\%$
Thử nghiệm tác động (KV)	$27 \chữ{ J}$ ở mức $20^circtext{C}$	Đảm bảo	—

*chú thích: Sức mạnh của C45 có thể tăng lên đáng kể trong điều kiện tôi và tôi luyện, thường đạt đến mức năng suất cao hơn $500 \chữ{ MPa}$.

---

V. Dung sai kích thước: Độ chính xác dưới khối lượng

Đạt được dung sai kích thước chặt chẽ trong ống vách nặng là một nhiệm vụ to lớn. Khối lượng và quán tính nhiệt của thép trong quá trình tạo hình nóng dẫn đến sự chênh lệch lớn hơn trong thành phẩm. Các tiêu chuẩn, vì thế, thường cho phép độ lệch kích thước lớn hơn so với ống có thành mỏng, đặc biệt đối với **Độ dày của tường (WT)** và **Hình bầu dục**.

Bức tường dày khoan dung (Độ lệch tâm)

Đối với ống tường nặng liền mạch, dung sai WT tiêu chuẩn thường là $pm 12.5\%$ độ dày danh nghĩa. Tuy nhiên, cho các ứng dụng áp suất cao quan trọng (15Mo3), người mua có thể chỉ định dung sai chặt chẽ hơn nhiều, nhu la $+15\%$ đến $-8\%$, để đảm bảo độ dày thành tối thiểu cần thiết cho áp suất và tuổi thọ của dây leo. Điều này đảm bảo yếu tố an toàn được duy trì, ngay cả khi nó dẫn đến mức tiêu thụ vật liệu cao hơn.

Đường kính ngoài và hình bầu dục

Trong quá trình làm mát ống vách nặng cán nóng, ứng suất dư có thể làm cho đường ống bị lệch, một hiện tượng được gọi là **Ovality**. Đối với phần nặng, dung sai của **Đường kính ngoài (TỪ)** rất quan trọng để lắp mặt bích hoặc các bộ phận cơ khí (đặc biệt là C45). Các tiêu chuẩn thường xác định dung sai tuyệt đối cố định hoặc dung sai phần trăm, nhưng đối với các ứng dụng có độ nhạy cao như xi lanh thủy lực (C45), dung sai của **Đường kính trong (ID)** thường là điều quan trọng nhất, yêu cầu quá trình gia công nguội hoặc mài giũa thứ cấp để đạt được độ chính xác và độ hoàn thiện bề mặt cần thiết.

Thông số kích thước	Ống nước liền mạch (Chung)	Ống áp lực quan trọng (15Mo3)
Đường kính ngoài (TỪ)	$\buổi chiều 1\%$ của OD, hoặc $pm 0.5 \chữ{ mm}$ (Cái nào lớn hơn)	Kiểm soát chặt chẽ hơn có thể được đàm phán, thường $pm 0.75\%$
Bức tường dày (WT)	$\buổi chiều 12.5\%$ của WT danh nghĩa	Bất đối xứng: $+15\%$ / $-8\%$ (Thường được chỉ định cho áp suất cao)
Ovality	Max $2\%$ của OD	Max $1\%$ của OD
Thẳng	Max $0.15\%$ tổng chiều dài	$0.15\%$ tổng chiều dài

---

CHÚNG TÔI. Kiểm tra và Kiểm tra: Đảm bảo tính toàn vẹn hoàn hảo trong khối lượng

Việc kiểm tra đường ống có thành dày nghiêm ngặt hơn việc kiểm tra đường ống có thành mỏng vì bất kỳ sai sót bên trong nào cũng có nguy cơ dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng dưới tải trọng lớn mà vật liệu được thiết kế để chịu đựng.. Các chế độ kiểm tra ST37, 15Mo3, và C45 phải xác nhận không chỉ các đặc tính vật liệu mà còn cả tính toàn vẹn cấu trúc bên trong của tiết diện dày.

Kiểm tra không phá hủy (Nde)

Đối với tất cả các đường ống tường nặng, đặc biệt là 15Mo3, **Kiểm tra siêu âm (OUT)** là bắt buộc. UT gửi sóng âm thanh tần số cao xuyên qua vật liệu để phát hiện các sai sót bên trong, chẳng hạn như cán mỏng, bao gồm, hoặc vết nứt bên trong, không thể tiếp cận để kiểm tra trực quan. Đối với các phần quan trọng, **Kiểm tra hạt từ tính (MT)** cũng được sử dụng để phát hiện các vết nứt bề mặt và gần bề mặt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với ống cơ C45 nơi tính toàn vẹn bề mặt là rất quan trọng đối với tuổi thọ mỏi.

Thử nghiệm cơ học và nhiệt độ cao

Trong khi **ST37** chỉ yêu cầu các thử nghiệm độ bền kéo và tác động cơ bản ở nhiệt độ phòng, **15Mo3** đòi hỏi nhiều hơn thế:

• **Kiểm tra độ bền kéo ở nhiệt độ cao:** Xác nhận độ bền ngắn hạn ở nhiệt độ sử dụng cao.
• **Thử nghiệm đứt gãy leo:** Mặc dù không được thực hiện trên mọi ống, chứng chỉ kiểm tra phải được hỗ trợ bởi dữ liệu từ biến xác nhận độ ổn định lâu dài của vật liệu dưới ứng suất ở nhiệt độ—mục đích chính của hợp kim molypden.

Đối với **C45**, việc kiểm tra thường bao gồm **Kiểm tra độ cứng** để đảm bảo việc xử lý nhiệt đã được áp dụng thành công nhằm đạt được khả năng chống mài mòn bề mặt cần thiết cho vai trò cơ học của nó.

Kiểm tra thủy tĩnh

Mỗi chiều dài của ống áp lực (15Mo3) phải trải qua **Thử nghiệm thủy tĩnh**—tạo áp suất bằng nước để $1.5$ lần áp suất làm việc tối đa cho phép. Vật lý này, thử nghiệm không phá hủy xác nhận tính toàn vẹn cấu trúc và độ kín rò rỉ của thành phẩm, bao gồm bất kỳ đường nối hàn.

Giao thức kiểm tra	ST37 (S235JR)	15Mo3 (16Mo3)	C45
Độ bền kéo / Độ giãn dài	Yêu cầu (Phòng nhiệt độ)	Yêu cầu (Phòng nhiệt độ & Nhiệt độ cao)	Yêu cầu (Bình thường hóa/xử lý nhiệt)
Thử nghiệm tác động (Charpy V)	Yêu cầu (Độ dẻo dai được đảm bảo)	Yêu cầu	Không bắt buộc (Độ cứng chỉ là thứ yếu so với sức mạnh)
Kiểm tra thủy tĩnh	Không bắt buộc (Nếu được chỉ định cho áp suất)	Bắt buộc (Mỗi chiều dài ống)	Không bắt buộc (Không dành cho dịch vụ áp lực)
Nde (OUT)	Không bắt buộc (Thường được yêu cầu cho tường nặng)	Bắt buộc (Đối với những sai sót bên trong)	Yêu cầu (Đối với các sai sót nghiêm trọng/độ sạch bên trong)

---

Vii. Phần kết luận: Tổng hợp khối lượng và mục đích

Ống thép thành nặng là loại được xác định theo nhu cầu, không phải hóa học. Vật liệu—ST37, 15Mo3, và C45—là ba giải pháp kỹ thuật độc đáo cho thách thức xây dựng quy mô lớn, thành phần có mặt cắt dày. ST37 cung cấp chi phí thấp, khối kết cấu dễ hàn; 15Mo3 mang lại tính toàn vẹn chống rão chuyên dụng cho thế giới thù địch có áp suất nhiệt độ cao; và C45 mang lại độ bền cơ học thô và độ cứng cần thiết cho máy móc hạng nặng. Điểm chung gắn kết chúng là sự cực kỳ nghiêm ngặt của quy trình sản xuất và thử nghiệm cần thiết để đảm bảo rằng các sai sót bên trong và phương sai kích thước vốn có của các phần dày được giảm thiểu. Sự chú ý tỉ mỉ đến từng chi tiết này đảm bảo rằng những bức tường nặng nề này có thể chịu được lực tác động to lớn một cách đáng tin cậy., tải trọng phức tạp mà chúng được thiết kế để mang trong nhiều thập kỷ phục vụ.