วิธีการผลิตท่อเหล็ก

ท่อเหล็กเป็นท่อกลวงยาวที่ใช้สำหรับวัตถุประสงค์หลากหลาย การผลิตท่อเหล็กมีสองวิธีหลัก ซึ่งจะได้ท่อแบบเชื่อมและแบบไร้รอยต่อ ทั้งสองวิธีเริ่มต้นด้วยการหล่อเหล็กดิบให้เป็นรูปทรงที่ใช้งานได้ง่ายขึ้น จากนั้นจึงนำไปขึ้นรูปเป็นท่อโดยการยืดเหล็กให้เป็นท่อไร้รอยต่อ หรือโดยการบีบขอบเหล็กเข้าหากันแล้วเชื่อมปิด วิธีการผลิตท่อเหล็กวิธีแรกเริ่มขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 และได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องจนกลายเป็นกระบวนการผลิตที่ทันสมัยในปัจจุบัน ในแต่ละปีมีการผลิตท่อเหล็กหลายล้านตัน ความอเนกประสงค์ของท่อเหล็กทำให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้บ่อยที่สุดในอุตสาหกรรมเหล็ก
ประวัติศาสตร์

มนุษย์ใช้ท่อมานานหลายพันปีแล้ว บางทีการใช้งานครั้งแรกอาจเกิดขึ้นโดยเกษตรกรโบราณที่ผันน้ำจากลำธารและแม่น้ำไปยังไร่นาของตน หลักฐานทางโบราณคดีชี้ให้เห็นว่าชาวจีนใช้ท่อกกในการขนส่งน้ำไปยังสถานที่ต่างๆ มาตั้งแต่ประมาณ 2000 ปีก่อนคริสตกาล มีการค้นพบท่อดินเหนียวที่อารยธรรมโบราณอื่นๆ ใช้ ในช่วงศตวรรษที่ 1 หลังคริสตกาล ท่อตะกั่วชิ้นแรกถูกสร้างขึ้นในยุโรป ในประเทศเขตร้อน ท่อไม้ไผ่ถูกใช้ในการขนส่งน้ำ ชาวอเมริกันในยุคอาณานิคมใช้ไม้เพื่อจุดประสงค์ที่คล้ายกัน ในปี 1652 ระบบประปาแห่งแรกถูกสร้างขึ้นในบอสตันโดยใช้ท่อนซุงกลวง

ท่อเชื่อมผลิตโดยการรีดแผ่นเหล็กผ่านลูกกลิ้งที่มีร่องหลายชุด ซึ่งจะขึ้นรูปวัสดุให้เป็นรูปทรงกลม จากนั้น ท่อที่ยังไม่ได้เชื่อมจะผ่านลวดเชื่อม อุปกรณ์เหล่านี้จะปิดผนึกปลายท่อทั้งสองด้านเข้าด้วยกัน
ย้อนกลับไปในปี 1840 ช่างเหล็กสามารถผลิตท่อไร้รอยต่อได้แล้ว วิธีการหนึ่งคือการเจาะรูตรงกลางแท่งโลหะกลม จากนั้นจึงนำแท่งโลหะไปให้ความร้อนและดึงผ่านแม่พิมพ์หลายชุดเพื่อยืดให้เป็นท่อ วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพเพราะเจาะรูตรงกลางได้ยาก ทำให้ได้ท่อที่ไม่สม่ำเสมอ ด้านหนึ่งหนากว่าอีกด้าน ในปี 1888 วิธีการปรับปรุงใหม่ได้รับสิทธิบัตร ในกระบวนการนี้ แท่งโลหะตันจะถูกหล่อขึ้นโดยมีแกนอิฐทนไฟอยู่ตรงกลาง เมื่อเย็นตัวลงแล้วจึงนำอิฐออก เหลือไว้เพียงรูตรงกลาง ตั้งแต่นั้นมา เทคนิคการรีดแบบใหม่ได้เข้ามาแทนที่วิธีการเหล่านี้แล้ว
ออกแบบ

ท่อเหล็กมีสองประเภท คือ ท่อไร้รอยต่อและท่อที่มีรอยเชื่อมตลอดความยาว ทั้งสองประเภทมีประโยชน์ใช้สอยแตกต่างกัน ท่อไร้รอยต่อมักมีน้ำหนักเบากว่าและผนังบางกว่า ใช้สำหรับจักรยานและการขนส่งของเหลว ส่วนท่อมีรอยเชื่อมจะมีน้ำหนักมากกว่าและแข็งแรงกว่า มีความสม่ำเสมอดีกว่าและมักตรงกว่า ใช้สำหรับงานต่างๆ เช่น การขนส่งก๊าซ ท่อร้อยสายไฟฟ้า และท่อประปา โดยทั่วไปจะใช้ในกรณีที่ท่อไม่ได้รับแรงกดดันสูงมากนัก

วัตถุดิบ

วัตถุดิบหลักในการผลิตท่อคือเหล็กกล้า เหล็กกล้าประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ โลหะอื่นๆ ที่อาจมีอยู่ในโลหะผสม ได้แก่ อะลูมิเนียม แมงกานีส ไทเทเนียม ทังสเตน วานาเดียม และเซอร์โคเนียม บางครั้งอาจมีการใช้วัสดุตกแต่งเพิ่มเติมในระหว่างการผลิต เช่น สี เป็นต้น
ท่อไร้รอยต่อผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่ให้ความร้อนและขึ้นรูปแท่งโลหะแข็งให้เป็นรูปทรงกระบอก จากนั้นจึงรีดจนกระทั่งยืดและกลวง เนื่องจากส่วนตรงกลางที่กลวงมีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ จึงใช้หัวเจาะรูปทรงกระสุนเจาะเข้าไปตรงกลางแท่งโลหะขณะที่กำลังรีด โดยทั่วไปแล้ว จะมีการทาน้ำมันบางๆ ลงบนท่อเหล็กในขั้นตอนสุดท้ายของสายการผลิต เพื่อช่วยปกป้องท่อ แม้ว่าจะไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป แต่กรดซัลฟิวริกก็ถูกนำมาใช้ในขั้นตอนการผลิตขั้นตอนหนึ่งเพื่อทำความสะอาดท่อ

กระบวนการผลิต

ท่อเหล็กผลิตขึ้นด้วยกระบวนการสองแบบที่แตกต่างกัน วิธีการผลิตโดยรวมของทั้งสองกระบวนการประกอบด้วยสามขั้นตอน ขั้นแรก เหล็กดิบจะถูกแปรรูปให้มีรูปร่างที่ใช้งานได้ง่ายขึ้น ต่อมา ท่อจะถูกขึ้นรูปบนสายการผลิตแบบต่อเนื่องหรือกึ่งต่อเนื่อง สุดท้าย ท่อจะถูกตัดและดัดแปลงให้ตรงตามความต้องการของลูกค้า ผู้ผลิตท่อเหล็กบางรายจะใช้เครื่องตัดเลเซอร์ท่อการตัดหรือเจาะท่อก่อนหน้านี้เพื่อเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของท่อ

ท่อไร้รอยต่อผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการให้ความร้อนและขึ้นรูปแท่งโลหะแข็งให้เป็นรูปทรงกระบอก จากนั้นจึงรีดจนกระทั่งยืดและกลวง เนื่องจากส่วนตรงกลางที่กลวงมีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ จึงใช้หัวเจาะรูปทรงกระสุนเจาะเข้าไปตรงกลางแท่งโลหะขณะที่กำลังรีด
การผลิตแท่งโลหะ

1. เหล็กหลอมเหลวผลิตโดยการหลอมแร่เหล็กและถ่านโค้ก (สารที่มีคาร์บอนสูงซึ่งเกิดจากการให้ความร้อนแก่ถ่านหินโดยปราศจากอากาศ) ในเตาหลอม จากนั้นจึงกำจัดคาร์บอนส่วนใหญ่โดยการเป่าออกซิเจนเข้าไปในของเหลว เหล็กหลอมเหลวจะถูกเทลงในแม่พิมพ์เหล็กขนาดใหญ่ที่มีผนังหนา ซึ่งจะเย็นตัวลงกลายเป็นแท่งเหล็ก

2. เพื่อขึ้นรูปผลิตภัณฑ์แผ่นเรียบ เช่น แผ่นและแผ่นโลหะ หรือผลิตภัณฑ์ยาว เช่น แท่งและเหล็กเส้น แท่งโลหะจะถูกขึ้นรูปด้วยลูกกลิ้งขนาดใหญ่ภายใต้แรงดันมหาศาล ซึ่งจะได้เป็นแท่งโลหะและแผ่นเรียบ

3. ในการผลิตเหล็กแท่ง (bloom) แท่งเหล็กจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งเหล็กที่มีร่องคู่หนึ่งซึ่งวางซ้อนกัน ลูกกลิ้งประเภทนี้เรียกว่า "เครื่องรีดสองชั้น" (two-high mills) ในบางกรณีอาจใช้ลูกกลิ้งสามตัว ลูกกลิ้งจะถูกติดตั้งโดยให้ร่องของลูกกลิ้งตรงกัน และเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม การกระทำนี้ทำให้เหล็กถูกบีบและยืดออกเป็นชิ้นที่บางและยาวขึ้น เมื่อผู้ปฏิบัติงานกลับทิศทางการหมุนของลูกกลิ้ง เหล็กจะถูกดึงกลับผ่านทำให้บางและยาวขึ้น กระบวนการนี้จะทำซ้ำจนกว่าเหล็กจะมีรูปร่างตามที่ต้องการ ในระหว่างกระบวนการนี้ เครื่องจักรที่เรียกว่าเครื่องดัดเหล็ก (manipulators) จะพลิกเหล็กเพื่อให้แต่ละด้านได้รับการประมวลผลอย่างเท่าเทียมกัน

4. แท่งเหล็กอาจถูกรีดเป็นแผ่นในกระบวนการที่คล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตเหล็กแท่ง โดยเหล็กจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งคู่ที่เรียงซ้อนกันซึ่งจะยืดเหล็กออก อย่างไรก็ตาม ยังมีลูกกลิ้งติดตั้งอยู่ด้านข้างเพื่อควบคุมความกว้างของแผ่นเหล็ก เมื่อเหล็กมีรูปร่างที่ต้องการแล้ว ปลายที่ไม่เรียบจะถูกตัดออก และแผ่นเหล็กหรือเหล็กแท่งจะถูกตัดเป็นชิ้นสั้นๆ กระบวนการแปรรูปเพิ่มเติม

5. โดยทั่วไปแล้ว แท่งโลหะ (Blooms) จะถูกนำไปแปรรูปเพิ่มเติมก่อนที่จะผลิตเป็นท่อ แท่งโลหะจะถูกแปลงเป็นแท่งกลม (Billet) โดยการนำไปผ่านเครื่องรีดเพิ่มเติม ซึ่งจะทำให้แท่งโลหะยาวและแคบลง แท่งโลหะเหล่านี้จะถูกตัดด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า เครื่องตัดแบบเร็ว (Flying Shears) ซึ่งเป็นเครื่องตัดคู่ที่ทำงานประสานกันและวิ่งไปพร้อมกับแท่งโลหะที่กำลังเคลื่อนที่เพื่อทำการตัด ทำให้สามารถตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิต แท่งโลหะเหล่านี้จะถูกซ้อนกันและในที่สุดจะกลายเป็นท่อไร้รอยต่อ

6. แผ่นเหล็กยังได้รับการแปรรูปเพิ่มเติมอีกด้วย เพื่อให้เหล็กอ่อนตัวลง จะต้องนำไปให้ความร้อนถึง 2,200°F (1,204°C) ก่อน ซึ่งจะทำให้เกิดชั้นออกไซด์เคลือบผิวบนแผ่นเหล็ก ชั้นออกไซด์นี้จะถูกกำจัดออกด้วยเครื่องมือทำลายคราบและน้ำแรงดันสูง จากนั้นแผ่นเหล็กจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งหลายชุดในเครื่องรีดร้อนและแปรรูปเป็นแถบเหล็กบางๆ ที่เรียกว่า สเกลป์ (skelp) เครื่องรีดนี้อาจมีความยาวถึงครึ่งไมล์ ขณะที่แผ่นเหล็กผ่านลูกกลิ้ง มันจะบางลงและยาวขึ้น ในเวลาประมาณสามนาที แผ่นเหล็กหนึ่งแผ่นสามารถเปลี่ยนจากเหล็กหนา 6 นิ้ว (15.2 ซม.) เป็นแถบเหล็กบางๆ ที่ยาวได้ถึงหนึ่งในสี่ไมล์

7. หลังจากยืดเหล็กแล้ว จะทำการดองเหล็ก กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการนำเหล็กผ่านถังที่มีกรดซัลฟิวริกหลายถังเพื่อทำความสะอาดโลหะ ขั้นตอนสุดท้ายคือการล้างด้วยน้ำเย็นและน้ำร้อน ตากให้แห้ง แล้วม้วนขึ้นบนแกนขนาดใหญ่และบรรจุเพื่อขนส่งไปยังโรงงานผลิตท่อ

8. ทั้งเหล็กแผ่นรีดและเหล็กแท่งใช้ในการผลิตท่อ เหล็กแผ่นรีดจะถูกนำไปทำเป็นท่อเชื่อม โดยเริ่มจากการวางเหล็กแผ่นรีดลงบนเครื่องคลายม้วน เมื่อเหล็กม้วนคลายออก มันจะถูกทำให้ร้อน จากนั้นเหล็กจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งที่มีร่องหลายชุด เมื่อเหล็กผ่านลูกกลิ้ง ขอบของเหล็กแผ่นรีดจะม้วนเข้าหากัน ทำให้เกิดเป็นท่อที่ไม่เชื่อม

9. จากนั้นเหล็กจะผ่านไปยังลวดเชื่อม อุปกรณ์เหล่านี้จะเชื่อมปลายท่อทั้งสองด้านเข้าด้วยกัน รอยเชื่อมจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งแรงดันสูง ซึ่งช่วยให้รอยเชื่อมแน่นสนิท จากนั้นท่อจะถูกตัดให้ได้ความยาวที่ต้องการและเรียงซ้อนกันเพื่อรอการแปรรูปต่อไป ท่อเหล็กเชื่อมเป็นกระบวนการต่อเนื่อง และขึ้นอยู่กับขนาดของท่อ สามารถผลิตได้เร็วถึง 1,100 ฟุต (335.3 เมตร) ต่อนาที

10. เมื่อต้องการท่อไร้รอยต่อ จะใช้แท่งโลหะสี่เหลี่ยมในการผลิต โดยนำแท่งโลหะไปให้ความร้อนและขึ้นรูปให้เป็นรูปทรงกระบอก หรือเรียกว่าแท่งกลม จากนั้นจึงนำแท่งกลมไปใส่ในเตาเผาจนร้อนจัดเป็นสีขาว แล้วจึงนำไปรีดด้วยแรงดันสูง การรีดด้วยแรงดันสูงนี้ทำให้แท่งโลหะยืดออกและเกิดรูตรงกลาง เนื่องจากรูนี้มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จึงใช้หัวเจาะรูปทรงกระสุนเจาะเข้าไปตรงกลางแท่งโลหะขณะที่กำลังรีด หลังจากขั้นตอนการเจาะแล้ว ท่ออาจยังมีความหนาและรูปร่างไม่สม่ำเสมอ เพื่อแก้ไขจึงต้องนำไปผ่านกระบวนการรีดอีกหลายขั้นตอน การประมวลผลขั้นสุดท้าย

11. หลังจากผลิตท่อทั้งสองประเภทแล้ว อาจนำไปผ่านเครื่องดัดให้ตรง หรืออาจมีการติดตั้งข้อต่อเพื่อเชื่อมต่อท่อสองชิ้นขึ้นไปเข้าด้วยกัน ข้อต่อที่ใช้กันทั่วไปสำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าคือการทำเกลียว ซึ่งเป็นร่องแคบๆ ที่ตัดเข้าไปที่ปลายท่อ ท่อยังจะถูกส่งผ่านเครื่องวัดขนาดด้วย ข้อมูลนี้พร้อมกับข้อมูลควบคุมคุณภาพอื่นๆ จะถูกพิมพ์ลงบนท่อโดยอัตโนมัติ จากนั้นท่อจะถูกพ่นด้วยน้ำมันเคลือบป้องกันบางๆ ท่อส่วนใหญ่มักได้รับการบำบัดเพื่อป้องกันสนิม โดยการชุบสังกะสีหรือเคลือบด้วยสังกะสี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานของท่อ อาจใช้สีหรือสารเคลือบอื่นๆ ก็ได้

การควบคุมคุณภาพ

มีการใช้มาตรการหลายอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าท่อเหล็กสำเร็จรูปเป็นไปตามข้อกำหนด ตัวอย่างเช่น มีการใช้เกจวัดรังสีเอ็กซ์เพื่อควบคุมความหนาของเหล็ก เกจวัดทำงานโดยใช้รังสีเอ็กซ์สองลำ ลำหนึ่งส่องไปยังเหล็กที่มีความหนาที่ทราบแล้ว อีกลำหนึ่งส่องไปยังเหล็กที่กำลังเคลื่อนผ่านสายการผลิต หากมีความแตกต่างระหว่างรังสีทั้งสอง เกจจะทำการปรับขนาดลูกกลิ้งโดยอัตโนมัติเพื่อชดเชย

ท่อจะได้รับการตรวจสอบหาข้อบกพร่องในขั้นตอนสุดท้ายด้วย วิธีหนึ่งในการทดสอบท่อคือการใช้เครื่องมือพิเศษ เครื่องมือนี้จะเติมน้ำเข้าไปในท่อแล้วเพิ่มแรงดันเพื่อดูว่าท่อสามารถรับแรงดันได้หรือไม่ ท่อที่ชำรุดจะถูกส่งกลับไปเป็นเศษเหล็ก