การไล่อากาศด้านหลังในการเชื่อมท่อสแตนเลส: การป้องกันปรากฏการณ์ซูการิงและการเกิดออกซิเดชันที่ผิวรากของการเชื่อม

การไล่อากาศด้านหลัง หมายถึง การแทนที่อากาศภายในท่อสแตนเลสด้วยก๊าซเฉื่อย โดยปกติคือ อาร์กอน เพื่อให้ผิวรากของการเชื่อมที่ยังหลอมเหลวอยู่แข็งตัวโดยไม่สัมผัสกับออกซิเจน หากดำเนินการอย่างถูกต้อง จะสามารถป้องกันปรากฏการณ์ 'ซูการิง' ได้ ซึ่งคือพื้นผิวรากของการเชื่อมที่มีลักษณะเป็นเม็ดและเกิดออกซิเดชันอย่างรุนแรง จนทำลายคุณสมบัติในการต้านทานการกัดกร่อน และไม่สามารถขัดหรือขจัดออกได้หลังจากเกิดขึ้นแล้ว เป้าหมายเชิงปฏิบัติคือ ลดปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่ภายในรอยต่อให้ต่ำกว่าประมาณ 0.5% ก่อนเริ่มการเชื่อม และต่ำกว่า 0.1% สำหรับงานที่ใช้วัสดุโลหะผสมสูงหรืองานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูง การได้ผิวรากของการเชื่อมที่มีความเงาและสะอาดนั้นไม่ใช่เพียงเรื่องของรูปลักษณ์เท่านั้น แต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาฟิล์มป้องกันผิว (passive film) และอายุการใช้งานของท่อ

ปรากฏการณ์ซูการิงคืออะไร และเหตุใดจึงเกิดขึ้น
เมื่อเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดออสเทนิติกและดูเพล็กซ์ถึงอุณหภูมิการเชื่อม โครเมียมจะจับกับออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียงทั้งหมด ภายในท่อบรรจุอากาศปกติ อากาศที่ถูกกักไว้จะทำให้ผิวด้านในร้อนเกิดออกซิเดชัน สร้างชั้นออกไซด์ที่มีโครเมียมสูง ผิวหยาบและมืดคล้ายน้ำตาล และพรากโครเมียมออกจากโลหะบริเวณใต้ผิวนั้นโดยตรง โซนที่ขาดโครเมียมนี้ไม่สามารถรักษาระดับฟิล์มแบบพาสซีฟได้อีกต่อไป จึงทำให้ผิวด้านในกลายเป็นจุดอ่อนที่สุดของรอยต่อต่อการกัดกร่อนแบบพิตติ้ง การกัดกร่อนแบบครีวิส และการแตกร้าวจากความเครียดและสื่อกัดกร่อน

ปรากฏการณ์ 'น้ำตาล' ยังส่งผลเสียทางกลศาสตร์ด้วย ชั้นออกไซด์นี้เปราะและไม่สม่ำเสมอ ขัดขวางการไหลของของไหล กักเก็บสิ่งสกปรก และเปิดโอกาสให้เกิดการกัดกร่อนและการสึกหรอจากการเหนื่อยล้า นอกจากนี้ เมื่อปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นแล้ว ความเสียหายที่เกิดขึ้นคือเชิงโลหะวิทยา ไม่ใช่เพียงแค่ฟิล์มผิวภายนอกเท่านั้น การขัดผิวด้านในท่อที่ผลิตเสร็จสมบูรณ์แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย และแม้จะทำได้ ก็ไม่สามารถเติมโครเมียมที่สูญเสียไปจากองค์ประกอบโลหะผสมกลับคืนมาได้ ดังนั้น การป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเชื่อมจึงเป็นวิธีแก้ไขที่เชื่อถือได้เพียงวิธีเดียว

บทบาทของการใช้อาร์กอนไหลย้อนกลับขณะเชื่อม
การล้างย้อนกลับทำงานโดยการเติมก๊าซอาร์กอน ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อยที่มีน้ำหนักมากกว่าอากาศเข้าไปในบริเวณรอยต่อทั้งหมด ก๊าซอาร์กอนเมื่อไหลเข้าไปจะเจือจางและผลักอากาศที่มีออกซิเจนออกไป จนกระทั่งปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่ต่ำพอที่จะไม่เกิดออกไซด์อย่างมีนัยสำคัญระหว่างการแข็งตัว จากนั้นจึงทำการเชื่อม โดยใช้ก๊าซป้องกันจากหัวเชื่อมเพื่อปกป้องพื้นผิวด้านนอก และใช้ก๊าซล้างย้อนกลับเพื่อปกป้องพื้นผิวด้านใน ทำให้ทั้งสองด้านของรากของการเชื่อมสะอาด

ก๊าซอาร์กอนมักถูกเลือกใช้เนื่องจากคุณสมบัติที่เฉื่อย หาได้ง่าย และมีความหนาแน่นสูง ซึ่งช่วยให้มันตกตัวและแทนที่อากาศได้ดีในแนวเชื่อมแบบนอน สำหรับรอยต่อที่มีความหนาหรือมีองค์ประกอบโลหะผสมสูงขึ้น ผู้ผลิตบางรายอาจเติมไฮโดรเจนเล็กน้อยลงในก๊าซอาร์กอนเพื่อให้รากของการเชื่อมมีผิวเงาขึ้น อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมที่มีไฮโดรเจนนี้ใช้ได้เฉพาะกับเหล็กกล้าออสเทนิติกเท่านั้น และห้ามใช้กับเหล็กกล้าดูเพล็กซ์หรือเหล็กกล้ามาร์เทนซิติกอย่างเด็ดขาด เนื่องจากเสี่ยงต่อการแตกร้าว หลักการพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม คือ ต้องป้องกันไม่ให้ออกซิเจนสัมผัสกับรากที่ร้อนจัด จนกว่ารากนั้นจะเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิที่การเกิดออกซิเดชันสามารถเกิดขึ้นได้

บรรลุเป้าหมายระดับออกซิเจน

การล้างก๊าซออกอย่างมีประสิทธิภาพต้องวัดค่าได้ ไม่ใช่คาดเดา ปิดผนึกปริมาตรที่กำลังล้างก๊าซ ปล่อยอาร์กอนเข้าด้วยอัตราที่ควบคุมได้ และสังเกตค่าที่ท่อระบายออกด้วยเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนจนกว่าค่าที่อ่านได้จะถึงเป้าหมายก่อนเริ่มเชื่อม ค่าเกณฑ์ที่ยอมรับโดยทั่วไปคือออกซิเจนคงเหลือต่ำกว่า 0.5% สำหรับงานสแตนเลสทั่วไป โดยอาจกำหนดค่าที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง

ปริมาตรและอัตราการไหลของก๊าซไนโตรเจนต้องสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของท่อมากพอ ถ้าอัตราการไหลน้อยเกินไป จะเหลือช่องว่างของอากาศค้างอยู่ แต่ถ้ามากเกินไป จะก่อให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วน ซึ่งอาจรบกวนแอ่งโลหะหลอมละลายหรือพัดเป่ารากของการเชื่อมให้ดับลง ควรปล่อยอาร์กอนเข้าทางด้านล่าง และระบายอากาศออกทางด้านบน เพื่อให้อากาศที่เบากว่าถูกดันออกไปข้างหน้าโดยก๊าซเฉื่อยที่กำลังไหลเข้ามา และต้องให้เวลาเพียงพอสำหรับการล้างก๊าซก่อนจุดอาร์ก

แผ่นกั้นการล้างก๊าซและการจัดวางใช้งานจริง
ในการติดตั้งท่อขนาดยาว การล้างก๊าซทั้งท่อจะใช้เวลานานและสิ้นเปลือง ดังนั้นจึงใช้แผ่นกั้นการล้างก๊าซแบบละลายน้ำได้หรือแบบกลไก เพื่อกั้นบริเวณสั้น ๆ รอบรอยต่อไว้โดยเฉพาะ แผ่นหรือฟิล์มกระดาษที่ละลายน้ำได้เป็นที่นิยมมาก เพราะสามารถละลายและถูกชะล้างออกไปได้เองระหว่างการทดสอบแรงดันด้วยน้ำ (hydrotesting) หรือขณะใช้งานจริง โดยไม่ทิ้งสิ่งตกค้างใด ๆ ไว้ในท่อ ส่วนปลั๊กแบบพองตัวและปลั๊กแบบกลไกสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลายครั้งสำหรับงานที่ทำซ้ำ ไม่ว่าจะใช้แผ่นกั้นแบบใด ก็ต้องจัดให้มีช่องระบายอากาศที่ควบคุมได้ เพื่อป้องกันไม่ให้ความดันสะสมจนทำให้รากของการเชื่อมบิดเบี้ยว และควรใช้เทปกาวหรือปิดรอยเชื่อมไว้จนกว่าจะเริ่มทำการเชื่อม
การปฏิบัติที่ดียังหมายถึงการล้างก๊าซออกก่อนเชื่อม และรักษาอัตราการไหลของก๊าซให้สูงอย่างต่อเนื่องระหว่างการเชื่อม รวมทั้งดำเนินการล้างก๊าซจนกว่าบริเวณรอยเชื่อมชั้นรากและชั้นร้อนจะเย็นลง พร้อมทั้งป้องกันปลายท่อเปิดจากลมพัดผ่าน เวิ่นเฉียงใช้มาตรการควบคุมเหล่านี้ในการผลิตท่อและท่อโลหะที่ผ่านการเชื่อมตามมาตรฐาน ASTM A249, A269, A312 และ A928 โดยคุณภาพรอยเชื่อมได้รับการตรวจสอบยืนยันด้วยวิธีทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) และการทดสอบแรงดันน้ำ (hydrostatic testing) ภายใต้ระบบ ISO 9001

การอ่านและการยอมรับสีของรอยเชื่อมชั้นราก
สีของรอยเชื่อมชั้นรากที่เสร็จสมบูรณ์เป็นตัวบ่งชี้ภาพโดยเร็วเกี่ยวกับปริมาณออกซิเจนที่เข้าไปสัมผัสกับโลหะ รอยเชื่อมชั้นรากที่มีสีเงินแวววาวหรือสีเหลืองฟางบ่งชี้ว่าเกิดการออกซิเดชันน้อยมาก และโดยทั่วไปถือว่ายอมรับได้ ส่วนเฉดสีที่เข้มขึ้น ตั้งแต่สีน้ำเงินผ่านสีเทา แสดงถึงระดับการออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น และหากเป็นรอยเชื่อมชั้นรากสีเทาเข้มหรือดำ มีลักษณะเป็นเม็ด ถือว่าเกิดปรากฏการณ์ 'sugaring' ซึ่งจะถูกปฏิเสธทันที หลายข้อกำหนดและมาตรฐาน เช่น AWS D18.1 สำหรับการเชื่อมท่อเพื่อการใช้งานด้านสุขาภิบาล ได้กำหนดระดับการเปลี่ยนสีที่ยอมรับได้ไว้พร้อมแผนภูมิสีประกอบ
เนื่องจากสีที่เกิดจากความร้อนทำให้ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนลดลง แม้แต่ในกรณีที่ยังไม่ถึงขั้นเกิดสเกลแบบเต็มรูปแบบ การทำงานที่ต้องใช้วัสดุบริสุทธิ์สูงหรือใช้งานในสภาวะที่รุนแรงจึงจำเป็นต้องได้รากเชื่อมที่มีความเงาสูงสุด และบางครั้งอาจต้องทำความสะอาดหลังการเชื่อมด้วย การบันทึกสีของรากเชื่อมควบคู่ไปกับค่าออกซิเจนขณะพ่นแก๊สจะช่วยให้คุณมีหลักฐานที่สามารถติดตามย้อนกลับได้ว่ารอยต่อถูกสร้างขึ้นภายใต้การควบคุม

บทสรุป
การพ่นแก๊สจากด้านหลังคือปัจจัยสำคัญที่ทำให้รอยเชื่อมสแตนเลสสามารถต้านทานการกัดกร่อนได้นานหลายทศวรรษ หรือกลับกลายเป็นล้มเหลวจากการกัดกร่อนเริ่มต้นจากด้านในสู่ด้านนอก ให้แทนที่อากาศด้วยอาร์กอน ลดปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่ให้ต่ำกว่าประมาณ 0.5% แยกบริเวณรอยต่อออกจากส่วนอื่นด้วยแผ่นกั้นเพื่อควบคุมการไหลของแก๊ส ตรวจสอบค่าออกซิเจนที่ปล่อยออกมาด้วยเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจน และยอมรับเฉพาะรากเชื่อมที่มีผิวเงาและปราศจากออกไซด์เท่านั้น หากปฏิบัติตามขั้นตอนเหล่านี้อย่างเคร่งครัด คุณจะรักษาโครเมียมไว้ได้ ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ทำให้สแตนเลสมีคุณสมบัติแบบพาสซีฟ ผลลัพธ์ที่ได้คือรากเชื่อมที่มีความต้านทานการกัดกร่อนเทียบเท่ากับท่อต้นฉบับ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบท่อในงานเคมี งานสุขาภิบาล งานอาหาร และงานนอกชายฝั่ง ที่ต้องใช้งานอย่างต่อเนื่องยาวนานหลายทศวรรษ

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: ฉันสามารถขัดเอาสเกลที่เกิดขึ้นหลังการเชื่อมออกได้หรือไม่
ก: โดยทั่วไป ไม่ควรทำ การเกิดคราบสีน้ำตาล (sugaring) เกิดจากการออกซิเดชันของพื้นผิวด้านในของรอยเชื่อม ซึ่งยังทำให้โครเมียมใต้ผิวนั้นสูญเสียไปด้วย และพื้นผิวด้านในของท่อโดยทั่วไปเข้าถึงได้ยากมาก การขัดหรือขัดแต่งด้วยเครื่องจักรจึงไม่สามารถคืนโครเมียมที่สูญเสียไปได้ ดังนั้นการป้องกันตั้งแต่ต้นด้วยการไล่อากาศจากด้านหลัง (back-purging) จึงเป็นวิธีที่เชื่อถือได้เพียงวิธีเดียว
ค: ระดับออกซิเจนคงเหลือที่เหมาะสมก่อนการเชื่อมควรอยู่ที่เท่าใด
ก: ระดับต่ำกว่าประมาณ 0.5% ถือว่าใช้ได้สำหรับงานสแตนเลสหลายประเภท แต่สำหรับงานเชื่อมที่ใช้วัสดุสแตนเลสชนิดผสมสูง ความบริสุทธิ์สูง หรือใช้งานในสภาวะรุนแรง ควรลดระดับออกซิเจนให้ต่ำกว่าประมาณ 0.1% เสมอ โปรดตรวจสอบค่าด้วยเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนที่ต่อเข้ากับท่อระบายอากาศจากกระบวนการไล่อากาศก่อนเริ่มการเชื่อมจริง

ท่อสแตนเลสที่ผ่านการเชื่อมแบบไล่อากาศจากด้านหลังและทำความสะอาดเพื่อป้องกันการกัดกร่อนแล้ว จากบริษัทเหวินเฉียง: +86 577 8922 2595 / https://www.chinawqsteel.com/