Phân tích toàn diện về phân loại ống không hàn bằng thép carbon: Từ tiêu chuẩn quốc gia đến các tình huống ứng dụng

Giới thiệu: Vì sao việc phân cấp ống thép carbon không mối hàn lại đặc biệt quan trọng?

Các ống thép carbon không mối hàn, được ví như những "mạch máu" của ngành công nghiệp, đóng vai trò then chốt trong việc vận chuyển chất lỏng, truyền tải áp lực và làm kết cấu đỡ trong các lĩnh vực như dầu khí, hóa chất, năng lượng và sản xuất máy móc. Các điều kiện vận hành khác nhau đặt ra những yêu cầu về hiệu năng rất khác biệt đối với vật liệu ống—từ việc vận chuyển các chất lỏng thông thường ở nhiệt độ và áp suất bình thường, đến các đường ống hơi nước hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, từ các kết cấu xây dựng thông dụng cho đến các thiết bị cốt lõi trong nhà máy điện hạt nhân. Việc lựa chọn đúng cấp độ (grade) của ống thép carbon không mối hàn không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng và độ an toàn của dự án mà còn tác động trực tiếp đến tính khả thi về mặt kinh tế của khoản đầu tư.

Bài viết này sẽ trình bày một cách có hệ thống hệ thống phân loại ống thép carbon không hàn, từ các tiêu chuẩn áp dụng, cấp vật liệu, quy trình sản xuất đến các yêu cầu kiểm tra, giúp bạn tìm ra con đường ra quyết định khoa học nhất trong mê cung phức tạp của việc lựa chọn vật liệu.

I. Các chiều phân loại cốt lõi của ống thép carbon không hàn
Việc phân loại ống thép carbon không hàn chủ yếu được thể hiện trên bốn phương diện: cấp tiêu chuẩn áp dụng, cấp vật liệu, cấp chất lượng sản xuất và cấp điều kiện vận hành.

1.1 Phân loại theo tiêu chuẩn áp dụng
Việc sản xuất và ứng dụng ống thép carbon không hàn ở nước tôi chủ yếu tuân theo các tiêu chuẩn quốc gia cốt lõi sau đây, những tiêu chuẩn này bản thân chúng đã cấu thành một phương thức phân loại quan trọng:

Mã tiêu chuẩn | Tên tiêu chuẩn | Ứng dụng chính

GB/T 8163 Ống thép không hàn dùng để vận chuyển chất lỏng | Vận chuyển chất lỏng thông thường, chẳng hạn như dầu, dầu khí, nước, không khí, v.v.

GB 3087 – Ống thép không hàn dùng cho nồi hơi áp suất thấp và trung bình | Hơi quá nhiệt, nước sôi, v.v. trong nồi hơi áp suất thấp và trung bình

GB 6479 – Ống thép không hàn áp suất cao dùng cho thiết bị phân bón | Thiết bị phân bón và đường ống áp suất cao, bao gồm cả điều kiện nhiệt độ thấp

GB 9948 – Ống thép không hàn dùng cho quá trình cracking dầu mỏ | Các đơn vị cracking dầu mỏ, nơi tiêu chuẩn GB 8163 không phù hợp

GB/T 5310 – Ống thép không hàn dùng cho nồi hơi áp suất cao | Đường ống dẫn hơi quá nhiệt cho nồi hơi áp suất cao

GB/T 8162 – Ống thép không hàn dùng cho mục đích kết cấu | Các kết cấu và bộ phận cơ khí chung, ví dụ như bộ phận xây dựng và máy móc

GB/T 9711 – Ống thép dùng trong ngành vận chuyển dầu và khí đốt | Đường ống dẫn dầu và khí đốt đường dài

Cần lưu ý rằng các lĩnh vực đặc thù như nhà máy điện hạt nhân có các tiêu chuẩn phân loại riêng. Ví dụ, tiêu chuẩn GB/T 24512.1 quy định các yêu cầu phân loại đối với ống thép carbon không hàn dùng trong nhà máy điện hạt nhân, áp dụng cho thiết bị cấp 1, cấp 2 và cấp 3.

1.2 Phân loại theo cấp độ vật liệu

Các cấp độ vật liệu phổ biến đối với ống thép carbon không hàn bao gồm:

Loạt thép carbon thấp: Thép số 10, thép số 20 – chủ yếu dùng cho đường ống vận chuyển chất lỏng

Loạt thép carbon trung bình: Thép số 35, thép số 45 – chủ yếu dùng cho các chi tiết chế tạo cơ khí

Loạt thép hợp kim thấp: Q345 (16Mn), 09MnV – dùng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền cao hơn.

II. Phân tích chuyên sâu các cấp độ tiêu chuẩn cốt lõi

2.1 Ống thép không hàn dùng cho vận chuyển chất lỏng (GB/T 8163)

Đây là tiêu chuẩn cơ bản nhất đối với ống thép carbon không hàn, áp dụng cho điều kiện môi trường dầu, khí dầu mỏ và các môi chất kỹ thuật khác có nhiệt độ thiết kế dưới 350℃ và áp suất dưới 10,0 MPa.

Cấp độ vật liệu: 10, 20, Q345, v.v.

Yêu cầu kiểm tra: Phân tích thành phần hóa học, thử kéo, thử dẹt và thử thủy lực là bắt buộc. Các thử nghiệm loe đầu ống và uốn nguội có thể được yêu cầu theo thỏa thuận.

Quy trình sản xuất: Chủ yếu được luyện trong lò phản ứng hoặc lò chuyển đổi, dẫn đến hàm lượng tạp chất và khuyết tật bên trong tương đối cao.

Các tình huống áp dụng: Hệ thống đường ống công nghiệp thông thường, hệ thống xử lý nước và vận chuyển chất lỏng ở áp suất thấp.

2.2 Ống thép không hàn dùng cho nồi hơi áp suất thấp và trung bình (GB 3087): Tiêu chuẩn được thiết kế đặc biệt cho hệ thống nồi hơi, áp dụng cho các đường ống hơi quá nhiệt và nước sôi trong nồi hơi áp suất thấp và trung bình.

Các mác vật liệu: 10, 20

Yêu cầu kiểm tra: Ngoài các thử nghiệm chung, còn bắt buộc phải thực hiện thử uốn nguội.

Quy trình sản xuất: Tương tự như tiêu chuẩn GB/T 8163, được luyện trong lò phản ứng hoặc lò chuyển đổi, với yêu cầu kiểm soát chất lượng cao hơn một chút.

Các tình huống áp dụng: Đường ống hơi công cộng trong nồi hơi, nhà máy điện, hệ thống sưởi ấm và các nhà máy hóa dầu.

2.3 Ống thép không hàn dùng cho quá trình chưng cất dầu mỏ (GB 9948): Được thiết kế đặc biệt cho các đơn vị lọc dầu, phù hợp với các ứng dụng mà ống thép GB/T8163 không thích hợp.

Các cấp vật liệu: 10, 20; Dãy thép crôm-molipđen bao gồm 12CrMo, 15CrMo, v.v.

Yêu cầu kiểm tra: Ngoài các thử nghiệm cơ bản, còn yêu cầu thực hiện thử nghiệm loe đầu ống và thử nghiệm va đập; yêu cầu kiểm tra rất nghiêm ngặt.

Quy trình sản xuất: Chủ yếu sử dụng lò điện để luyện kim kết hợp với tinh luyện trong lòng thùng chứa, dẫn đến số lượng khuyết tật về thành phần và khuyết tật bên trong tương đối ít.

Các tình huống áp dụng: Môi chất dầu và khí-dầu có nhiệt độ thiết kế vượt quá 350℃ hoặc áp suất lớn hơn 10,0 MPa; đường ống vận hành gần môi trường hydro; các môi trường dễ xảy ra ăn mòn do ứng suất.

2.4 Ống thép không hàn dùng cho thiết bị phân bón áp lực cao (GB 6479): Phù hợp cho thiết bị phân bón áp lực cao và đường ống, đáp ứng các điều kiện vận hành khắc nghiệt trong khoảng nhiệt độ từ -40℃ đến 400℃ và áp suất từ 10,0 đến 32,0 MPa.

Các mác vật liệu: 10, 20G, 16Mn, v.v.

Yêu cầu kiểm tra: Bắt buộc thực hiện nghiêm ngặt các thử nghiệm loe đầu ống và thử nghiệm va đập, đặc biệt yêu cầu về độ dai va đập ở nhiệt độ thấp.

Quy trình sản xuất: Tiêu chuẩn này tự thân quy định các yêu cầu về tinh luyện trong lòng lò ladle nhằm giảm thiểu tạp chất và khuyết tật bên trong, từ đó đảm bảo chất lượng cao nhất.

Các tình huống áp dụng: Môi trường nhiệt độ thấp (dưới -20℃); môi chất hóa chất có áp suất cao; các trường hợp yêu cầu an toàn cực kỳ cao.

2.5 Ống thép không hàn dùng cho nồi hơi áp lực cao (GB/T 5310): Tiêu chuẩn chuyên biệt dành cho hệ thống nồi hơi áp lực cao, áp dụng cho môi chất hơi quá nhiệt trong nồi hơi áp lực cao.

Các mác vật liệu: 20G; Các loại thép crôm-molipden bao gồm 15MoG, 20MoG, 12CrMoG, 15CrMoG, v.v.

Yêu cầu kiểm tra: Tương đương tiêu chuẩn 6479, tuân thủ nghiêm ngặt các thử nghiệm loe đầu ống và va đập.

Quy trình sản xuất: Làm tinh luyện trong lòng thùng rót (ladle refining), chất lượng vật liệu cực cao.

So sánh chuẩn quốc tế: Thép 20G theo tiêu chuẩn GB/T 5310 tương đương với thép ASME SA-106 Gr.B, và hai loại này có thể sử dụng thay thế cho nhau trong các dự án kỹ thuật quốc tế.

2.6 Ống thép không hàn dùng cho mục đích kết cấu (GB/T 8162): Khác với các ứng dụng vận chuyển chất lỏng nêu trên, loại sản phẩm này được sử dụng cho các kết cấu chung và kết cấu cơ khí.

Các mác vật liệu: 10, 20, 35, 45, Q345, 20Cr, 40Cr, 15CrMo, v.v.

Độ chính xác kích thước: Được phân thành bốn cấp độ D1–D4 theo sai lệch đường kính ngoài, trong đó độ chính xác cao nhất đạt ±0,50% (tối thiểu ±0,10 mm).

Các lĩnh vực áp dụng: Cầu, công trình xây dựng, chi tiết máy, bộ phận chịu tải của ô tô, giá đỡ thủy lực, v.v.

III. Bảng xếp hạng cấp chất lượng sản xuất và nguyên tắc lựa chọn

3.1 Bảng xếp hạng cấp chất lượng từ thấp đến cao

Dựa trên các quy trình luyện kim, yêu cầu kiểm tra và hiệu suất ứng dụng thực tế, các cấp chất lượng sản xuất của các tiêu chuẩn ống thép nêu trên được xếp hạng như sau:

GB/T 8163 < GB 3087 < GB 9948 < GB/T 5310 < GB 6479

Thứ tự xếp hạng tăng dần từ thấp đến cao. Cần lưu ý rằng GB 6479, do có các yêu cầu đặc biệt về độ dai va đập ở nhiệt độ thấp và các quy định tinh luyện trong lòng lò (ladle refining) nghiêm ngặt nhất, đứng đầu về cấp chất lượng.

3.2 Nguyên tắc lựa chọn lõi

Trong quá trình lựa chọn thực tế cho các công trình kỹ thuật, cần tuân thủ các nguyên tắc ra quyết định sau:

**Nguyên tắc phù hợp với điều kiện vận hành:** Sử dụng tiêu chuẩn GB/T 8163 cho các điều kiện vận hành thông thường; sử dụng GB 9948 hoặc GB 6479 cho các điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao.

**Nguyên tắc ưu tiên nhiệt độ:** Đối với nhiệt độ thiết kế vượt quá 350℃ hoặc dưới −20℃, trực tiếp lựa chọn cấp chất lượng cao hơn.

**Nguyên tắc đặc thù môi chất:** Đối với các điều kiện làm việc có tiếp xúc với hydro và các môi trường gây ăn mòn ứng suất, cần lựa chọn GB 9948 hoặc GB 6479.

**Nguyên tắc tuân thủ quy định:** Các đường ống dẫn hơi nằm trong phạm vi giám sát của nồi hơi phải sử dụng thép ống mác 3087 hoặc 5310.

**Nguyên tắc kinh tế:** Ống thép chất lượng cao hơn có giá thành cao hơn (ví dụ: mác 9948 đắt gần 1/5 so với mác 8163), do đó cần cân bằng giữa độ tin cậy và chi phí.

3.3 Những hạn chế quan trọng
Theo yêu cầu của các tiêu chuẩn như "Quy phạm giám sát kỹ thuật an toàn đối với đường ống chịu áp lực":

Ống thép mác GB 3087 và GB 8163 không được sử dụng cho đường ống chịu áp lực cấp GC1 (trừ trường hợp mỗi ống đều được kiểm tra bằng siêu âm với chất lượng đạt mức không thấp hơn cấp L2.5 và áp suất thiết kế ≤ 4,0 MPa).

IV. Phân cấp theo lĩnh vực đặc biệt như đóng tàu và nhà máy điện hạt nhân

4.1 Ống thép không hàn dùng cho tàu thủy (GB/T 5312)
Hệ thống đường ống trên tàu được phân thành ba cấp: I, II và III, dựa trên áp suất và nhiệt độ thiết kế:

Cấp đường ống | Yêu cầu về áp suất/nhiệt độ thiết kế | Ứng dụng điển hình

Cấp I | Thông số cao (ví dụ: hơi nước >1,6 MPa/300℃) | Đường ống hơi nước áp suất cao, đường ống nhiên liệu dầu

Cấp II | Thông số trung bình | Hệ thống áp suất trung bình

Cấp III | Thông số thấp | Hệ thống phụ trợ áp suất thấp
Các mác thép là 320, 360, 410, 460 và 490, trong đó các con số biểu thị giới hạn bền kéo tối thiểu (MPa).

4.2 Ống thép không hàn dùng cho nhà máy điện hạt nhân (GB/T 24512.1) — Các ống thép carbon không hàn dùng cho nhà máy điện hạt nhân được phân loại theo mức độ an toàn như sau:

Mức 1: Thiết bị an toàn hạt nhân ở cấp cao nhất

Mức 2: Thiết bị an toàn quan trọng

Mức 3: Thiết bị an toàn thông thường

Loại không phải hạt nhân: Đảo quy ước và hệ thống phụ trợ

V. Hệ thống phân loại và đánh giá chất lượng mới nhất Ngoài hệ thống phân loại tiêu chuẩn truyền thống, ngành công nghiệp đã giới thiệu một hệ thống phân loại và đánh giá chất lượng tinh vi hơn trong những năm gần đây. Theo tiêu chuẩn T/CAS ES470700003-2022 "Quy tắc phân loại và đánh giá chất lượng sản phẩm công nghiệp – Các phụ kiện ống không hàn bằng thép cacbon và thép hợp kim":

Các chiều đo đánh giá:

Đánh giá tư cách cơ bản (loại trừ ngay lập tức nếu không đạt từng mục)

Đánh giá năng lực đảm bảo sản xuất (chấm điểm theo từng mục)

Kiểm tra hiệu năng sản phẩm (chấm điểm theo từng mục)

Phân loại cấp độ chất lượng: Dựa trên điểm đánh giá tổng hợp, sản phẩm được chia thành 9 cấp độ từ cao đến thấp:

AAA, AA, A (Cấp độ Xuất sắc)

BBB, BB, B (Cấp độ Tốt)

CCC, CC, C (Cấp độ Đạt yêu cầu)

Phương pháp phân loại này có thể phản ánh toàn diện hơn mức độ chất lượng thực tế của sản phẩm và đáp ứng nhu cầu khác biệt của người dùng đối với chất lượng sản phẩm.

VI. Hướng dẫn ra quyết định lựa chọn và những quan niệm sai lầm phổ biến

6.1 Phương pháp lựa chọn gồm bốn bước
Làm rõ ứng dụng: Vận chuyển chất lỏng? Đường ống nồi hơi? Chịu tải trọng kết cấu?

Đánh giá điều kiện vận hành: Nhiệt độ, áp suất, đặc tính môi chất, điều kiện môi trường

Phù hợp với tiêu chuẩn: Chọn tiêu chuẩn áp dụng dựa trên phân tích nêu trên.

Xác định cấp vật liệu: Chọn cấp vật liệu kinh tế nhất trong phạm vi tiêu chuẩn.

6.2 Những quan niệm sai lầm phổ biến khi lựa chọn
Quan niệm sai 1: "Ống thép 8163 đa năng và có thể sử dụng trong mọi tình huống."
Sửa lại: Ống thép 8163 bị cấm tuyệt đối trong các điều kiện vận hành đặc biệt như nhiệt độ cao, áp suất cao, nhiệt độ thấp và tiếp xúc với hydro.

Quan niệm sai 2: "Cấp tiêu chuẩn càng cao thì càng an toàn."

Hiệu chỉnh: Cấp độ tiêu chuẩn phải phù hợp với nhu cầu thực tế; việc lựa chọn quá mức sẽ gây lãng phí (ví dụ: mác thép 5310 được sử dụng cho đường ống dẫn nước thông thường).

Quan niệm sai lầm 3: "Chỉ xem xét tiêu chuẩn, không quan tâm đến quy trình luyện kim."

Hiệu chỉnh: Ngay cả khi cùng một tiêu chuẩn, sự khác biệt trong quy trình luyện kim giữa các nhà sản xuất khác nhau cũng ảnh hưởng đến chất lượng thực tế.

Quan niệm sai lầm 4: "Bỏ qua sự khác biệt trong yêu cầu kiểm tra."

Hiệu chỉnh: Lợi thế cốt lõi của các tiêu chuẩn cấp độ cao nằm ở yêu cầu kiểm tra nghiêm ngặt hơn.

Kết luận: Việc lựa chọn khoa học tạo ra giá trị kỹ thuật. Việc phân cấp ống thép carbon không hàn là một hệ thống hoàn chỉnh, từ cơ bản đến cao cấp, từ phổ thông đến chuyên biệt. Việc lựa chọn vật liệu đúng đắn cần dựa trên đánh giá chính xác điều kiện vận hành, hiểu rõ các tiêu chuẩn và thiết lập yêu cầu chất lượng hợp lý, nhằm tìm ra sự cân bằng tối ưu giữa độ tin cậy và tính kinh tế.

Khi đối mặt với các điều kiện vận hành phức tạp hoặc những yếu tố bất định, nên tham vấn một kỹ sư vật liệu chuyên nghiệp và tiến hành thử nghiệm quy mô nhỏ để xác minh nếu cần thiết. Dẫu sao, tổn thất do sự cố đường ống gây ra bởi việc lựa chọn vật liệu không phù hợp còn lớn hơn nhiều so với khoản chi phí hợp lý trả thêm cho vật liệu.