ท่อเหล็กทำอย่างไร

ท่อเหล็กเป็นท่อกลวงยาวที่ใช้งานได้หลากหลายวัตถุประสงค์ ผลิตด้วยสองวิธีที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้เกิดท่อเชื่อมหรือท่อไร้รอยต่อ ในทั้งสองวิธี เหล็กดิบจะถูกหล่อให้เป็นรูปทรงเริ่มต้นที่ใช้งานได้ง่ายกว่า จากนั้นจึงนำไปขึ้นรูปเป็นท่อโดยการยืดเหล็กให้เป็นท่อไร้รอยต่อ หรือบีบขอบให้ติดกันแล้วเชื่อมปิด วิธีการผลิตท่อเหล็กยุคแรกเริ่มถูกนำมาใช้ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 1800 และได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องจนกลายเป็นกระบวนการที่ทันสมัยที่เราใช้ในปัจจุบัน ในแต่ละปีมีการผลิตท่อเหล็กหลายล้านตัน ด้วยความอเนกประสงค์ของท่อเหล็กทำให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้บ่อยที่สุดในอุตสาหกรรมเหล็ก
ประวัติศาสตร์

มนุษย์ใช้ท่อน้ำมานานหลายพันปีแล้ว การใช้งานครั้งแรกน่าจะเป็นของเกษตรกรโบราณที่ผันน้ำจากลำธารและแม่น้ำเข้าสู่ไร่นา หลักฐานทางโบราณคดีชี้ให้เห็นว่าชาวจีนใช้ท่อน้ำกกเพื่อขนส่งน้ำไปยังสถานที่ที่ต้องการตั้งแต่ 2000 ปีก่อนคริสตกาล ท่อดินเหนียวที่เคยใช้โดยอารยธรรมโบราณอื่นๆ ถูกค้นพบ ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 1 ท่อน้ำตะกั่วแรกถูกสร้างขึ้นในยุโรป ในประเทศเขตร้อน ท่อไม้ไผ่ถูกนำมาใช้เพื่อขนส่งน้ำ ชาวอเมริกันในยุคอาณานิคมก็ใช้ไม้เพื่อวัตถุประสงค์ที่คล้ายคลึงกัน ในปี ค.ศ. 1652 ระบบประปาแห่งแรกถูกสร้างขึ้นที่เมืองบอสตันโดยใช้ท่อนซุงกลวง

ท่อเชื่อมขึ้นรูปโดยการรีดแผ่นเหล็กผ่านชุดลูกกลิ้งร่องที่ขึ้นรูปวัสดุให้เป็นทรงกลม จากนั้นท่อที่ยังไม่ได้เชื่อมจะผ่านขั้วเชื่อม อุปกรณ์เหล่านี้จะปิดผนึกปลายทั้งสองข้างของท่อเข้าด้วยกัน
ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1840 ช่างเหล็กสามารถผลิตท่อไร้รอยต่อได้แล้ว โดยใช้วิธีหนึ่งคือการเจาะรูผ่านแท่งโลหะกลมตัน จากนั้นนำแท่งโลหะไปเผาให้ร้อนและดึงผ่านแม่พิมพ์หลายชุดเพื่อยืดให้ยาวขึ้นเป็นท่อ วิธีนี้ไม่ได้ผลเพราะเจาะรูตรงกลางได้ยาก ส่งผลให้ท่อมีผิวไม่เรียบ โดยด้านหนึ่งหนากว่าอีกด้านหนึ่ง ในปี ค.ศ. 1888 ได้มีการจดสิทธิบัตรวิธีการปรับปรุงใหม่ ในกระบวนการนี้ แท่งโลหะแข็งจะถูกหล่อรอบแกนอิฐทนไฟ เมื่ออิฐเย็นตัวลง อิฐจะถูกนำออกโดยเหลือรูไว้ตรงกลาง นับแต่นั้นมา เทคนิคการรีดแบบใหม่ๆ ก็เข้ามาแทนที่วิธีการเหล่านี้
ออกแบบ

ท่อเหล็กมีสองประเภท คือ ท่อเหล็กไร้ตะเข็บ และท่อเหล็กไร้ตะเข็บเชื่อมเพียงเส้นเดียวตลอดความยาว ทั้งสองประเภทมีการใช้งานที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วท่อไร้ตะเข็บจะมีน้ำหนักเบากว่าและมีผนังบางกว่า ใช้สำหรับจักรยานและขนส่งของเหลว ส่วนท่อแบบมีตะเข็บจะมีน้ำหนักมากกว่าและแข็งแรงกว่า มีความสม่ำเสมอมากกว่าและมักจะตรงกว่า ใช้สำหรับการขนส่งก๊าซ ท่อร้อยสายไฟฟ้า และระบบประปา โดยทั่วไปแล้วท่อไร้ตะเข็บจะใช้ในกรณีที่ท่อไม่ได้รับแรงกดมาก

วัตถุดิบ

วัตถุดิบหลักในการผลิตท่อคือเหล็กกล้า เหล็กกล้าประกอบด้วยเหล็กเป็นหลัก โลหะอื่นๆ ที่อาจมีอยู่ในโลหะผสมนี้ ได้แก่ อะลูมิเนียม แมงกานีส ไทเทเนียม ทังสเตน วาเนเดียม และเซอร์โคเนียม บางครั้งมีการใช้วัสดุตกแต่งบางชนิดในระหว่างการผลิต เช่น สี
ท่อไร้รอยต่อผลิตโดยใช้กระบวนการให้ความร้อนและขึ้นรูปแท่งเหล็กแข็งเป็นรูปทรงกระบอก จากนั้นจึงรีดจนยืดและกลวง เนื่องจากแกนกลางที่กลวงมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จึงมีการดันปลายแหลมรูปกระสุนผ่านตรงกลางของแท่งเหล็กขณะที่กำลังรีด ท่อไร้รอยต่อผลิตโดยใช้กระบวนการให้ความร้อนและขึ้นรูปแท่งเหล็กแข็งเป็นรูปทรงกระบอก จากนั้นจึงรีดจนยืดและกลวง เนื่องจากแกนกลางที่กลวงมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จึงมีการดันปลายแหลมรูปกระสุนผ่านตรงกลางของแท่งเหล็กขณะที่กำลังรีด มักใช้ในกรณีที่ท่อมีการเคลือบ โดยทั่วไปแล้ว จะมีการทาน้ำมันเล็กน้อยลงบนท่อเหล็กที่ปลายสายการผลิต ซึ่งจะช่วยปกป้องท่อ แม้ว่าน้ำมันจะไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป แต่กรดซัลฟิวริกก็ถูกนำมาใช้ในขั้นตอนหนึ่งของการผลิตเพื่อทำความสะอาดท่อ

กระบวนการผลิต

ท่อเหล็กผลิตขึ้นโดยกระบวนการสองแบบที่แตกต่างกัน วิธีการผลิตโดยรวมของทั้งสองกระบวนการประกอบด้วยสามขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือการแปรรูปเหล็กดิบให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้สะดวกยิ่งขึ้น ขั้นตอนต่อไปคือการขึ้นรูปท่อบนสายการผลิตแบบต่อเนื่องหรือกึ่งต่อเนื่อง และขั้นตอนสุดท้ายคือการตัดและปรับแต่งท่อให้ตรงกับความต้องการของลูกค้า ผู้ผลิตท่อเหล็กบางรายจะใช้เครื่องตัดเลเซอร์ท่อการตัดหรือเจาะท่อครั้งก่อนเพื่อเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของท่อ

ท่อไร้รอยต่อผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการให้ความร้อนและขึ้นรูปแท่งเหล็กแข็งให้เป็นรูปทรงกระบอก จากนั้นจึงรีดจนกระทั่งยืดและกลวง เนื่องจากส่วนตรงกลางที่กลวงมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จึงมีการดันปลายแหลมรูปกระสุนผ่านตรงกลางของแท่งเหล็กขณะที่รีด
การผลิตแท่งโลหะ

1. เหล็กกล้าหลอมเหลวเกิดจากการหลอมแร่เหล็กและโค้ก (สารที่มีคาร์บอนสูงซึ่งเกิดขึ้นเมื่อถ่านหินถูกให้ความร้อนโดยไม่มีอากาศ) ในเตาเผา จากนั้นจึงกำจัดคาร์บอนส่วนใหญ่ออกโดยการพ่นออกซิเจนเข้าไปในของเหลว จากนั้นจึงเทเหล็กกล้าหลอมเหลวลงในแม่พิมพ์เหล็กขนาดใหญ่ที่มีผนังหนา ซึ่งจะถูกหล่อเย็นจนกลายเป็นแท่งเหล็ก

2. เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์แบบแบน เช่น แผ่นและแผ่น หรือผลิตภัณฑ์ยาว เช่น แท่งและแท่ง แท่งโลหะจะถูกขึ้นรูปด้วยลูกกลิ้งขนาดใหญ่ภายใต้แรงกดดันมหาศาล การผลิตดอกและแผ่น

3. ในการผลิตเหล็กแผ่นรีดร้อน (Bloom) แท่งโลหะจะถูกลำเลียงผ่านลูกกลิ้งเหล็กที่มีร่องคู่หนึ่งที่วางซ้อนกัน ลูกกลิ้งประเภทนี้เรียกว่า "เครื่องรีดสองสูง" ในบางกรณีอาจใช้ลูกกลิ้งสามลูก ลูกกลิ้งจะถูกติดตั้งโดยให้ร่องของลูกกลิ้งตรงกันและเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม การกระทำนี้ทำให้เหล็กถูกบีบและยืดออกเป็นชิ้นที่บางลงและยาวขึ้น เมื่อผู้ปฏิบัติงานกลับด้านลูกกลิ้ง เหล็กจะถูกดึงกลับเข้าไปทำให้บางลงและยาวขึ้น กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำจนกว่าเหล็กจะได้รูปร่างที่ต้องการ ในระหว่างกระบวนการนี้ เครื่องจักรที่เรียกว่าแมนิพิวเลเตอร์จะพลิกเหล็กเพื่อให้แต่ละด้านได้รับการประมวลผลอย่างเท่าเทียมกัน

4. แท่งเหล็กอาจถูกรีดเป็นแผ่นเหล็กด้วยกระบวนการที่คล้ายกับกระบวนการผลิตบลูม เหล็กจะถูกผ่านลูกกลิ้งคู่หนึ่งที่วางซ้อนกันเพื่อยืดเหล็ก อย่างไรก็ตาม ยังมีลูกกลิ้งติดตั้งอยู่ด้านข้างเพื่อควบคุมความกว้างของแผ่นเหล็ก เมื่อเหล็กได้รูปทรงตามต้องการแล้ว ปลายเหล็กที่ไม่เรียบจะถูกตัดออก และแผ่นเหล็กหรือบลูมจะถูกตัดเป็นชิ้นสั้นลง กระบวนการต่อไป

5. โดยทั่วไปแล้ว บลูมจะถูกนำไปผ่านกระบวนการเพิ่มเติมก่อนที่จะนำไปผลิตเป็นท่อ บลูมจะถูกแปลงเป็นแท่งโลหะโดยการนำไปผ่านอุปกรณ์รีดหลายแบบ ซึ่งทำให้แท่งโลหะยาวและแคบลง แท่งโลหะจะถูกตัดด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า กรรไกรตัดแบบบิน (Flying Shears) ซึ่งเป็นกรรไกรคู่ที่ตัดชิ้นงานพร้อมกัน โดยจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับแท่งโลหะที่กำลังเคลื่อนที่และตัดชิ้นงาน วิธีนี้ช่วยให้สามารถตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิต แท่งโลหะเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันและจะกลายเป็นท่อไร้รอยต่อในที่สุด

6. แผ่นเหล็กก็ถูกนำมาขึ้นรูปใหม่เช่นกัน เพื่อให้แผ่นเหล็กมีความยืดหยุ่นได้ จะมีการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 2,200°F (1,204°C) ก่อน ทำให้เกิดชั้นออกไซด์เคลือบบนพื้นผิวของแผ่นเหล็ก ชั้นออกไซด์นี้จะถูกแยกออกด้วยเครื่องทำลายตะกรันและการฉีดน้ำแรงดันสูง จากนั้นแผ่นเหล็กจะถูกส่งผ่านชุดลูกกลิ้งบนเครื่องบดร้อน และถูกทำให้เป็นแผ่นเหล็กแคบๆ ที่เรียกว่าสเคลป เครื่องบดนี้สามารถยาวได้ถึงครึ่งไมล์ เมื่อแผ่นเหล็กผ่านลูกกลิ้ง แผ่นเหล็กจะบางลงและยาวขึ้น ภายในเวลาประมาณสามนาที แผ่นเหล็กแผ่นเดียวสามารถเปลี่ยนจากแผ่นเหล็กหนา 6 นิ้ว (15.2 ซม.) เป็นแผ่นเหล็กเส้นบางๆ ที่ยาวได้ถึงหนึ่งในสี่ไมล์

7. หลังจากยืดแล้ว เหล็กจะถูกดอง กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการนำเหล็กไปผ่านถังหลายใบที่มีกรดซัลฟิวริกเพื่อทำความสะอาดโลหะ ในขั้นตอนสุดท้าย เหล็กจะถูกล้างด้วยน้ำเย็นและน้ำร้อน เช็ดให้แห้ง จากนั้นม้วนเป็นม้วนใหญ่และบรรจุเพื่อขนส่งไปยังโรงงานผลิตท่อ

8. ทั้งสเกลป์และบิลเล็ตถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อ สเกลป์ถูกนำมาผลิตเป็นท่อเชื่อม โดยนำไปวางบนเครื่องคลายม้วนเหล็กก่อน เมื่อม้วนเหล็กออกแล้ว เหล็กจะถูกให้ความร้อน จากนั้นเหล็กจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งที่มีร่อง เมื่อเหล็กเคลื่อนผ่าน ลูกกลิ้งจะทำให้ขอบของสเกลป์ม้วนเข้าหากัน ทำให้เกิดเป็นท่อที่ไม่ได้เชื่อม

9. จากนั้นเหล็กจะผ่านอิเล็กโทรดเชื่อม อุปกรณ์เหล่านี้จะเชื่อมปลายทั้งสองข้างของท่อเข้าด้วยกัน รอยเชื่อมจะถูกส่งผ่านลูกกลิ้งแรงดันสูงซึ่งจะช่วยให้เกิดรอยเชื่อมที่แน่นหนา จากนั้นท่อจะถูกตัดตามความยาวที่ต้องการและเรียงซ้อนกันเพื่อดำเนินการต่อไป ท่อเหล็กเชื่อมเป็นกระบวนการต่อเนื่อง และขึ้นอยู่กับขนาดของท่อ สามารถทำความเร็วได้ถึง 1,100 ฟุต (335.3 เมตร) ต่อนาที

10. เมื่อต้องการใช้ท่อไร้รอยต่อ จะใช้แท่งเหล็กสี่เหลี่ยมในการผลิต แท่งเหล็กเหล่านี้จะถูกให้ความร้อนและขึ้นรูปให้เป็นรูปทรงกระบอก หรือที่เรียกว่าทรงกลม จากนั้นแท่งเหล็กจะถูกนำไปอบในเตาเผาที่ให้ความร้อนจนเป็นสีขาว จากนั้นแท่งเหล็กที่ถูกทำให้ร้อนจะถูกรีดด้วยแรงดันสูง การรีดด้วยแรงดันสูงนี้จะทำให้แท่งเหล็กยืดออกและเกิดรูตรงกลาง เนื่องจากรูนี้มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จึงมีการดันปลายแหลมรูปกระสุนผ่านตรงกลางแท่งเหล็กในขณะที่รีด หลังจากขั้นตอนการเจาะ ท่ออาจยังคงมีความหนาและรูปร่างไม่สม่ำเสมอ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ท่อจะถูกส่งผ่านโรงงานรีดอีกชุดหนึ่ง กระบวนการขั้นสุดท้าย

11. หลังจากผลิตท่อประเภทใดประเภทหนึ่งแล้ว ท่อเหล่านั้นอาจผ่านเครื่องยืดตรงได้ นอกจากนี้ยังอาจติดตั้งข้อต่อเพื่อให้สามารถต่อท่อได้สองชิ้นหรือมากกว่า ข้อต่อที่นิยมใช้กันมากที่สุดสำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าคือการทำเกลียว ซึ่งเป็นร่องแน่นที่ถูกตัดเข้าไปในปลายท่อ ท่อจะถูกส่งผ่านเครื่องวัดเช่นกัน ข้อมูลนี้พร้อมกับข้อมูลการควบคุมคุณภาพอื่นๆ จะถูกพิมพ์ลงบนท่อโดยอัตโนมัติ จากนั้นท่อจะถูกพ่นด้วยน้ำมันป้องกันบางๆ โดยทั่วไปท่อส่วนใหญ่จะได้รับการเคลือบเพื่อป้องกันสนิม ซึ่งทำได้โดยการชุบสังกะสีหรือเคลือบสังกะสี อาจใช้สีหรือสารเคลือบอื่นๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งานของท่อ

การควบคุมคุณภาพ

มีมาตรการหลากหลายเพื่อให้แน่ใจว่าท่อเหล็กสำเร็จรูปเป็นไปตามข้อกำหนด ตัวอย่างเช่น มีการใช้เครื่องวัดรังสีเอกซ์เพื่อควบคุมความหนาของเหล็ก เครื่องวัดทำงานโดยใช้รังสีเอกซ์สองชุด ชุดแรกจะฉายรังสีไปยังเหล็กที่มีความหนาที่ทราบ และอีกชุดหนึ่งจะฉายรังสีไปยังเหล็กที่ผ่านเข้ามาในสายการผลิต หากมีความแตกต่างระหว่างชุดสองชุด เครื่องวัดจะปรับขนาดลูกกลิ้งโดยอัตโนมัติเพื่อชดเชย

ท่อยังได้รับการตรวจสอบหาข้อบกพร่องในตอนท้ายของกระบวนการ วิธีหนึ่งในการทดสอบท่อคือการใช้เครื่องจักรพิเศษ เครื่องนี้จะเติมน้ำลงในท่อแล้วเพิ่มแรงดันเพื่อดูว่าท่อยังทนอยู่หรือไม่ ท่อที่ชำรุดจะถูกส่งคืนเป็นเศษเหล็ก