หลักการพื้นฐานของ EN 10219 เหล็กโครงสร้าง: กรอบการทำงานด้านโลหะวิทยาและมาตรฐาน

เหล็กโครงสร้าง, ที่แกนกลางของมัน, แสดงถึงโลหะผสมที่สมดุลระหว่างเหล็กและคาร์บอน, ออกแบบโดยพื้นฐานเพื่อให้มีความแข็งแรงและความแข็งแกร่งสูงด้วยต้นทุนที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้, ก่อให้เกิดโครงกระดูกของโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่. อีเอ็น 10219 มาตรฐาน, หัวข้อเฉพาะ “ส่วนกลวงที่มีโครงสร้างเชื่อมขึ้นรูปเย็นของเหล็กไม่ผสมและเหล็กเมล็ดละเอียด,” จัดทำกรอบทางเทคนิคที่เข้มงวดภายในสหภาพยุโรป (สหภาพยุโรป) สำหรับการผลิตและจำหน่ายท่อเหล็กและส่วนกลวงที่ใช้ในการก่อสร้างทั่วไปและวิศวกรรมโยธา. มันแตกต่างจาก EN 10210, ซึ่งครอบคลุมถึงส่วนที่ขึ้นรูปร้อน, และความแตกต่างนี้มีความสำคัญเนื่องจากกระบวนการขึ้นรูปเย็นมีอิทธิพลภายในต่อสถานะสุดท้ายของวัสดุ, คุณสมบัติทางกล, และความเครียดตกค้างโดยธรรมชาติ, จำเป็นต้องมีข้อกำหนดด้านองค์ประกอบและการทดสอบเฉพาะ.

ระบบการให้เกรดที่ใช้โดย EN 10219 เป็นระบบและให้ข้อมูล, นำเสนอข้อมูลเชิงลึกทันทีเกี่ยวกับคุณลักษณะสำคัญของวัสดุ. คำนำหน้า 'S’ ย่อมาจากเหล็กโครงสร้าง, แสดงให้เห็นวัตถุประสงค์การใช้งานในระดับสากล. ตามด้วยตัวเลข 235 หรือ 355 ซึ่งกำหนดความแข็งแกร่งของผลผลิตขั้นต่ำที่รับประกัน ($\text{R}_\text{eH}$) ในนิวตันต่อตารางมิลลิเมตร ($\text{N}/\text{mm}^2$ หรือ $\text{MPa}$) สำหรับช่วงความหนาของฐาน (โดยเฉพาะ, ขึ้นไป $16\text{mm}$ ความหนา). การกำหนดตัวเลขนี้เป็นข้อมูลที่สำคัญที่สุดสำหรับวิศวกรโครงสร้าง, เนื่องจากควบคุมการคำนวณการออกแบบโดยตรง, การปรับขนาดส่วน, และความสามารถในการรับน้ำหนัก. ตัวอักษรและตัวเลขตามมา, เช่น 'เจอาร์', 'เจ0', และ 'เจ2', เกี่ยวข้องกับพลังงานกระแทกที่รับประกัน—ความต้านทานของวัสดุต่อการแตกหักแบบเปราะ—ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์เฉพาะ, สะท้อนถึงความเหมาะสมสำหรับสภาพอากาศที่เย็นกว่าหรือการใช้งานโหลดแบบไดนามิก. จดหมาย 'เจ’ หมายถึงพลังงานกระแทกขั้นต่ำของ $27\text{J}$ (สิ่งที่ดี), ในขณะที่อักขระต่อท้ายแสดงถึงอุณหภูมิที่ต้องได้รับพลังงานนี้: 'ร’ หมายถึงการทดสอบที่อุณหภูมิห้อง ($+20^\circ\text{C}$), ‘0’ บ่งบอกถึงการทดสอบที่ $0^\circ\text{C}$, และ '2’ บ่งบอกถึงการทดสอบที่ $-20^\circ\text{C}$. ระบบการตั้งชื่อที่เป็นระบบนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าวิศวกรจะสามารถเลือกวัสดุที่มีการผสมผสานความแข็งแกร่งและความเหนียวที่จำเป็นสำหรับสภาพแวดล้อมการปฏิบัติงานเฉพาะได้อย่างรวดเร็ว, ลดความเสี่ยงกะทันหัน, ความล้มเหลวเปราะอย่างรุนแรง, ซึ่งเป็นข้อกังวลหลักในโครงสร้างเหล็กที่มีอัตราความเครียดสูง, รอยหยักที่คมชัด, หรืออุณหภูมิแวดล้อมต่ำ.

องค์ประกอบสุดท้าย, 'ชม', ซึ่งใช้เฉพาะกับ $\text{S355}$ คะแนนอยู่ระหว่างการสนทนา (S355J0H และ S355J2H), แสดงว่าสินค้าเป็น Hollow Section, ยืนยันการบังคับใช้โดยตรงภายใต้ EN 10219 ขอบเขต. แบบแผนการตั้งชื่อแบบองค์รวมนี้ - การผสมผสานความแข็งแกร่ง, ความเหนียว, และรูปแบบ—เป็นรากฐานสำคัญของข้อกำหนดวัสดุของยุโรป, ช่วยให้สามารถเลือกวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพและเป็นมาตรฐานทั่วทั้งทวีป. ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเกรด S235 และเกรด S355 อยู่ที่กระบวนการผสมและการรีด. S235 เป็นรุ่นพื้นฐาน, เหล็กโครงสร้างที่ไม่เจือ, อาศัยปริมาณคาร์บอนต่ำและเทคนิคการรีดมาตรฐานเป็นหลัก. S355, ในทางกลับกัน, ได้รับความแข็งแรงของผลผลิตที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญผ่านการเติมโลหะผสมโดยเจตนามากขึ้น (แมงกานีสเป็นหลัก ($\text{Mn}$)) และบ่อยครั้งผ่านการรีดแบบควบคุมหรือไมโครอัลลอยด์ (โดยใช้ธาตุอย่างไนโอเบียม ($\text{Nb}$), วาเนเดียม ($\text{V}$), และไทเทเนียม ($\text{Ti}$)) เพื่อปรับปรุงโครงสร้างเกรนและเพิ่มความแข็งแรงโดยการตกตะกอน, เทคนิคที่เรียกว่าการประมวลผลที่ควบคุมด้วยความร้อนเชิงกล (ทีเอ็มซีพี), ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความสมดุลในการเชื่อมและความแข็งแรง.

พิมพ์เขียวเคมี: การควบคุมความแข็งแรงและความสามารถในการเชื่อมผ่านองค์ประกอบ

องค์ประกอบทางเคมีของเหล็กโครงสร้างตามมาตรฐาน EN 10219 โดยพื้นฐานแล้วเป็นการประนีประนอมระหว่างการบรรลุความแข็งแรงเชิงกลที่ต้องการและการรักษาความสามารถในการเชื่อมที่ดีเยี่ยม. ต่างจากโลหะผสมชนิดพิเศษที่มีความแข็งแรงสูงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง และต้นทุน/ความสามารถในการเชื่อมเป็นเรื่องรอง, ตลาดเหล็กโครงสร้างที่มีปริมาณมากต้องการความง่ายในการผลิตในภาคสนาม. สิ่งนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมองค์ประกอบอย่างเข้มงวดซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กและศักยภาพในการแตกร้าวด้วยความเย็นในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ($\text{HAZ}$) ในระหว่างการเชื่อม.

องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการควบคุมคือคาร์บอน ($\text{C}$). ในขณะที่คาร์บอนเป็นตัวเสริมความแข็งแรงหลักในเหล็ก, การเพิ่มปริมาณอย่างรวดเร็วจะลดความสามารถในการเชื่อมและเพิ่มแนวโน้มของเหล็กต่อพฤติกรรมเปราะ. เพื่อความแข็งแรงที่สูงขึ้น $\text{S355}$ เกรด, ปริมาณคาร์บอนสูงสุดถูกจำกัดอย่างมากเมื่อเทียบกับมาตรฐานเก่า, สะท้อนให้เห็นถึงความต้องการสมัยใหม่ในการบรรลุความแข็งแกร่งผ่านโลหะผสมที่ไม่ใช่คาร์บอนและการปรับแต่งโครงสร้างจุลภาค (ทีเอ็มซีพี). มาตรฐานนี้บรรลุการรับประกันความสามารถในการเชื่อมนี้ ไม่เพียงแต่ผ่านขีดจำกัดองค์ประกอบโดยตรง แต่ยังผ่านการคำนวณค่าเทียบเท่าคาร์บอนด้วย ($\text{CEV}$). ที่ $\text{CEV}$ เป็นสูตรเชิงประจักษ์ที่ใช้หาปริมาณผลรวมของธาตุผสมทั้งหมดที่มีต่อความสามารถในการชุบแข็งของวัสดุ, ให้ตัวชี้วัดเดียวเพื่อทำนายความไวต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเย็นระหว่างการเชื่อม. สูตรทั่วไปที่ใช้สำหรับเหล็กซีรีส์ EN คือสถาบันการเชื่อมระหว่างประเทศ ($\text{IIW}$) สูตร:

อีเอ็น 10219 มาตรฐานกำหนดขีดจำกัดสูงสุดเฉพาะไว้บน $\text{CEV}$ สำหรับแต่ละเกรด, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนที่หนาขึ้น. โดยการจำกัด $\text{CEV}$, มาตรฐานกำหนดโดยเนื้อแท้ว่าผู้ผลิตสามารถใช้มาตรฐานได้, ขั้นตอนการเชื่อมที่ให้ผลผลิตสูงโดยมีการอุ่นเครื่องน้อยที่สุดหรือไม่มีการอุ่นเลย, ความได้เปรียบทางเศรษฐกิจและลอจิสติกส์ที่สำคัญในโครงการก่อสร้าง.

แมงกานีส ($\text{Mn}$) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดเป็นอันดับสอง. เป็นสารเสริมกำลังอันทรงพลังที่ทำงานประสานกับคาร์บอน, แต่ที่สำคัญกว่านั้น, มันส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างเพิร์ลไลต์เนื้อละเอียดที่ต้องการและเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงทั้งความสามารถในการขึ้นรูปร้อนและความเหนียวทนแรงกระแทก. ยิ่งมีความแข็งแรงสูง $\text{S355}$ เกรดย่อมมีสูงกว่าเสมอ $\text{Mn}$ เนื้อหามากกว่า $\text{S235}$ เกรด. ธาตุรองอื่นๆ เช่น ฟอสฟอรัส ($\text{P}$) และซัลเฟอร์ ($\text{S}$) มีจำนวนจำกัดอย่างเคร่งครัด, เนื่องจากทั้งคู่เป็นอันตราย; $\text{P}$ ช่วยลดความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ, ในขณะที่ $\text{S}$ แบบฟอร์ม $\text{MnS}$ การรวม, ซึ่งทำให้ความเหนียวของแรงกระแทกลดลงอย่างรุนแรง, โดยเฉพาะในทิศทางที่มีความหนาทะลุ, ปัจจัยสำคัญในการเชื่อมต่อท่อ. ส่วนล่าง $\text{S}$ และ $\text{P}$ ขีดจำกัดใน $\text{J0}$ และ $\text{J2}$ เกรดสะท้อนถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการรับประกันความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ.

ตารางที่ 1: ข้อกำหนดด้านองค์ประกอบทางเคมี (EN 10219)

ตารางต่อไปนี้ให้รายละเอียดความเข้มข้นของธาตุสูงสุดที่ EN อนุญาต 10219, ทำให้มั่นใจได้ทั้งความแข็งแรงที่ต้องการและโปรไฟล์ความสามารถในการเชื่อมที่สำคัญสำหรับส่วนที่มีความหนาปกติ ($\text{t}$) น้อยกว่าหรือเท่ากับ $16\text{mm}$ (ขีดจำกัดจะแตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับส่วนที่หนากว่า).

บันทึก: สำหรับ $\text{t} > 16\text{mm}$, สูงสุด $\text{C}$ และ $\text{CEV}$ โดยทั่วไปขีดจำกัดจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยสำหรับทุกเกรด, รับทราบถึงความยากลำบากที่เพิ่มขึ้นในการบรรลุโครงสร้างจุลภาคที่สอดคล้องกันในวัสดุที่มีความหนามากขึ้น.

ตารางแสดงกลยุทธ์ด้านวัสดุที่ชัดเจน: S235JR เป็นรุ่นพื้นฐาน, เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่มีส่วนล่าง $\text{CEV}$. เกรด S355 มีความแข็งแกร่งโดยหลักๆ แล้วผ่านการเพิ่มที่อนุญาต $\text{Mn}$ (ขึ้นไป $1.60\%$) และการแนะนำของ $\text{Si}$ ควบคุม (สารกำจัดออกซิไดซ์และสารเสริมความแข็งแกร่ง), ทั้งหมดในขณะที่ยังคงควบคุมอยู่ $\text{C}$ ขีด จำกัด. การปรับปรุงจาก S355JR ถึง S355J0H และ S355J2H นั้นละเอียดอ่อนแต่มีความสำคัญทางโลหะวิทยา, เห็นได้จากขีดจำกัดสูงสุดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นในเรื่องอันตราย $\text{P}$ และ $\text{S}$, ซึ่งรับประกันโดยตรงว่าจะรับประกันคุณสมบัติการกระแทกที่อุณหภูมิต่ำที่สูงกว่าตามที่กำหนดโดย $\text{J0}$ และ $\text{J2}$ การจำแนกประเภท.

การขึ้นรูปเย็นและผลที่ตามมาทางกล: ความเครียด, ความแข็งแกร่ง, และความเหนียว

คุณลักษณะที่กำหนดของ EN 10219 ผลิตภัณฑ์เป็นวิธีการผลิต: การขึ้นรูปเย็น. ท่อ, หรือส่วนกลวง, โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นจากแถบหรือแผ่นเหล็กรีดร้อนที่เชื่อมตามยาวเป็นครั้งแรก (มักใช้การเชื่อมด้วยความต้านทานไฟฟ้า ($\text{ERW}$) หรือการเชื่อมอาร์คแบบจมอยู่ใต้น้ำ ($\text{SAW}$) กระบวนการ) แล้วจึงผ่านการขึ้นรูปเป็นม้วนที่อุณหภูมิห้อง. กระบวนการนี้แตกต่างอย่างมากกับส่วนที่ขึ้นรูปร้อน (EN 10210), ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง, มักจะสูงกว่าอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของเหล็ก.

การขึ้นรูปเย็นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาและทางกลที่สำคัญหลายประการ:

1. การแข็งตัวของงาน: การเสียรูปของพลาสติกในระหว่างการขึ้นรูปทำให้เกิดการเคลื่อนที่และการคูณภายในโครงตาข่ายคริสตัลของเหล็ก. การชุบแข็งงานนี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุและ, ในระดับที่น้อยกว่า, ความต้านทานแรงดึงของมัน. ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นนี้สามารถ, ขัดแย้งกัน, เป็นทั้งประโยชน์และความท้าทาย. ในขณะที่ส่วนท่อสุดท้ายอาจแสดงความแข็งแรงของผลผลิตที่แท้จริงสูงกว่าค่าขั้นต่ำที่รับประกันอย่างมาก (เช่น, $355\text{MPa}$), การเพิ่มขึ้นนี้มาพร้อมกับการสูญเสียความเหนียวที่ลดลง (การยืดตัว) และ, อาจ, ความเหนียวลดลง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าแผ่นเหล็กไม่ได้มีเนื้อละเอียดเพียงพอในการเริ่มต้น. อีเอ็น 10219 มาตรฐานรองรับการชุบแข็งงานนี้โดยระบุการทดสอบทางกลกับตัวอย่างที่นำมาจากผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป, จึงเป็นการตรวจสอบสถานะทางกลหลังจากการขึ้นรูปเย็น.

2. ความเครียดที่เหลืออยู่: กระบวนการขึ้นรูปเย็นทำให้เกิดความเค้นตกค้างที่สำคัญในโครงสร้างท่อ, ส่วนใหญ่อยู่บริเวณมุมและรอยเชื่อม. โดยทั่วไปความเค้นเหล่านี้จะถูกอัดที่พื้นผิวด้านนอกและแรงดึงที่พื้นผิวด้านใน. แม้ว่าความเค้นเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องส่งผลกระทบต่อความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดของชิ้นส่วนภายใต้แรงตึงหรือแรงอัดแบบสถิต (เนื่องจากการยอมจำนนภายใต้ภาระตามมา), มีความสำคัญอย่างยิ่งในแง่ของประสิทธิภาพความล้าและความต้านทานการโก่งงอ. สำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อความเหนื่อยล้า, หรือที่เกี่ยวข้องกับการโหลดแบบไดนามิก, การมีอยู่ของความเค้นดึงตกค้างสูงใกล้กับรอยเชื่อมหรือความไม่ต่อเนื่องทางเรขาคณิตอื่นๆ สามารถเร่งการเริ่มต้นและการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมาก, จำเป็นต้องประเมินความเหนื่อยล้าอย่างละเอียด.

3. ความซื่อสัตย์ในการเชื่อม: สำหรับรอยเชื่อมนั้นเอง, กระบวนการขึ้นรูปเย็นขึ้นอยู่กับการเชื่อมและการเชื่อม $\text{HAZ}$ ไปจนถึงสายพันธุ์พลาสติก, ซึ่งทำหน้าที่ทั้งทำให้ความแปรผันเฉพาะจุดในโครงสร้างจุลภาคเป็นเนื้อเดียวกันและทดสอบความสมบูรณ์ของรอยเชื่อม. เอฟเฟกต์การทำงานแบบเย็นสามารถเป็นประโยชน์ในการปรับมาตรฐานเล็กน้อย $\text{HAZ}$ โครงสร้างจุลภาคแต่จำเป็นต้องมีการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดในระหว่างขั้นตอนการเชื่อมเริ่มแรก เพื่อป้องกันข้อบกพร่องที่อาจรุนแรงขึ้นในระหว่างการขึ้นรูป.

ตารางที่ 2: ข้อกำหนดด้านแรงดึง (EN 10219)

ข้อกำหนดด้านแรงดึงได้รับการทดสอบกับตัวอย่างที่นำมาจากส่วนกลวงที่เสร็จแล้ว และต้องเป็นไปตามข้อกำหนดขั้นต่ำดังต่อไปนี้ (เพื่อความหนา $\text{t} \leq 16\text{mm}$):

ตารางยืนยันคำจำกัดความหลักของเกรด: S355 ให้กำลังรับผลผลิตขั้นต่ำ $120\text{MPa}$ สูงกว่า S235, แสดงถึงความได้เปรียบทางโครงสร้างที่สำคัญในแง่ของประสิทธิภาพของวัสดุ. ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนี้แลกมาเพื่อลดการยืดตัวขั้นต่ำเล็กน้อย, สะท้อนให้เห็นถึงความเป็นจริงทางโลหะวิทยาของการแลกเปลี่ยนระหว่างความแข็งแกร่งและความเหนียว. อย่างมีวิจารณญาณ, มาตรฐานยังระบุช่วงความต้านทานแรงดึงด้วย ($\text{R}_\text{m}$), ซึ่งทำหน้าที่เป็นเพดานเพื่อป้องกันการแข็งตัวมากเกินไปและการเปราะตามมา, สร้างความมั่นใจในความสมดุลของคุณสมบัติที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานเชิงโครงสร้าง.

ความท้าทายที่ยากที่สุด: พลังงานกระแทกและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ

สำหรับส่วนประกอบโครงสร้าง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ต้องเผชิญกับโหลดแบบไดนามิก, กิจกรรมแผ่นดินไหว, หรือสภาพอากาศต่ำกว่าศูนย์, ความต้านทานของวัสดุต่อการแตกหักแบบเปราะมักเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญมากกว่าความแข็งแรงของผลผลิตคงที่. ความต้านทานนี้วัดปริมาณโดยการทดสอบแรงกระแทกแบบ Charpy V-notch, ซึ่งวัดพลังงานที่ดูดซับโดยชิ้นงานมาตรฐานระหว่างการแตกหัก. การกำหนดคุณสมบัติผลกระทบ ($\text{JR}$, $\text{J0}$, $\text{J2}$) คือคำรับรองของวิศวกรว่าท่อจะไม่เสียหายร้ายแรงในลักษณะเปราะที่อุณหภูมิบริการต่ำสุดที่กำหนด.

หลักการทางโลหะวิทยาพื้นฐานที่ควบคุมประสิทธิภาพนี้คืออุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเหนียวเป็นเปราะ ($\text{DBTT}$). วัสดุที่เป็นเหล็กทั้งหมดมีการเปลี่ยนแปลงในโหมดการแตกหักจากแบบเหนียว (การดูดซึมพลังงานสูง, การเสียรูปของพลาสติกที่สำคัญ) ที่อุณหภูมิสูงถึงเปราะ (การดูดซึมพลังงานต่ำ, การแพร่กระจายของรอยแตกอย่างรวดเร็ว) ที่อุณหภูมิต่ำ. เป้าหมายของข้อกำหนดวัสดุ, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ $\text{J0}$ และ $\text{J2}$ เกรด, คือเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุของ $\text{DBTT}$ ต่ำกว่าอุณหภูมิบริการที่คาดการณ์ไว้ต่ำสุดมาก.

การเปลี่ยนจาก S355JR เป็น S355J2H เป็นความก้าวหน้าที่ชัดเจนในการควบคุมการแตกหัก:

• เอส355เจอาร์: การค้ำประกัน $27\text{J}$ ที่ $\mathbf{+20^\circ\text{C}}$. เหมาะสำหรับการก่อสร้างทั่วไปในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิปานกลางซึ่งอุณหภูมิในการใช้งานแทบจะไม่ลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมากนัก.

• S355J0H: การค้ำประกัน $27\text{J}$ ที่ $\mathbf{0^\circ\text{C}}$. ซึ่งให้อัตรากำไรที่มากกว่าเล็กน้อย, เหมาะสำหรับโครงสร้างที่ต้องสัมผัสกับสภาวะเยือกแข็งแต่ไม่อยู่ภายใต้ความเย็นจัด.

• S355J2H: การค้ำประกัน $27\text{J}$ ที่ $\mathbf{-20^\circ\text{C}}$. เกรดนี้จำเป็นสำหรับการใช้งานในภูมิภาคที่มีอากาศหนาวเย็นกว่า, การติดตั้งที่สูง, หรือโครงสร้างที่รับแรงกระแทกในระดับต่ำ $\text{DBTT}$ เป็นสิ่งสำคัญ. ความสำเร็จของทรัพย์สินนี้ที่ $-20^\circ\text{C}$ เป็นผลโดยตรงจากการควบคุมสารเคมีที่เข้มงวดยิ่งขึ้น (ต่ำกว่า $\text{P}$ และ $\text{S}$) และข้อกำหนดสำหรับเหล็กที่ถูกฆ่าจนหมด (เช่น., กำจัดออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์) ด้วยโครงสร้างเม็ดละเอียด, มักจะสำเร็จโดยผ่าน $\text{TMCP}$ และการปรับแต่งเกรนอะลูมิเนียม. ขนาดเกรนละเอียดเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการลดขนาด $\text{DBTT}$ และเสริมความแข็งแกร่งโดยไม่สูญเสียความแข็งแกร่ง.

ตารางที่ 3: ข้อกำหนดด้านพลังงานกระแทก (EN 10219)

ค่าพลังงานกระแทกเฉลี่ยขั้นต่ำต่อไปนี้ ($\text{J}$) จำเป็นสำหรับชิ้นงานตามยาวที่นำมาจากผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป.

การใช้มาตรฐาน $27\text{J}$ มูลค่ามีความสำคัญ, เนื่องจากถือเป็นระดับการดูดซับพลังงานขั้นต่ำซึ่งโดยทั่วไปจะสอดคล้องกับการเปลี่ยนไปใช้ความเหนียวเต็มที่ (แรงเฉือน) พฤติกรรมการแตกหัก, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าวัสดุมีความสามารถในการสำรองเพียงพอในการดูดซับพลังงานเฉพาะจุดโดยไม่เกิดความล้มเหลวร้ายแรงในทันที. ข้อกำหนดที่ต้องรักษาระดับพลังงานนี้ไว้ที่อุณหภูมิต่ำโดยเฉพาะทำให้เกิดความน่าเชื่อถือของโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการใช้งานในสภาพอากาศหนาวเย็น.

การรักษาความร้อนและสภาพของอุปทาน: ผลกระทบของงานเย็น

หนึ่งในแง่มุมที่กำหนดของ EN 10219 ท่อโครงสร้างเป็นแนวทางทั่วไปของมาตรฐานในการอบชุบด้วยความร้อน. ต่างจากมาตรฐานภาชนะรับความดันหรือโลหะผสมเหล็กที่มักจะกำหนดให้มีการบำบัดการทำให้เป็นมาตรฐานหรือการชุบ/แบ่งเบาบรรเทาขั้นสุดท้าย, ที่ $\text{S235}$ และ $\text{S355}$ เกรดต่ำกว่า EN 10219 โดยทั่วไปจะจัดหามาในสภาพตามที่เกิดขึ้น (เช่น., โดยไม่ต้องผ่านการบำบัดความร้อนหลังการขึ้นรูป). รับประกันคุณสมบัติทางกลตามรายละเอียดในตารางในสถานะนี้, ต้องอาศัยสภาพเริ่มต้นของแผ่นเหล็กหรือแผ่นเหล็กที่ใช้ในการขึ้นรูปเป็นอย่างมาก (ซึ่งอาจได้รับการทำให้เป็นมาตรฐานหรือ $\text{TMCP}$-แปรรูปโดยโรงถลุงเหล็ก).

ข้อกำหนดในการอบชุบด้วยความร้อน (EN 10219)

ความจริงที่ว่าโดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็นต้องมีการอบชุบด้วยความร้อนหลังการขึ้นรูปเป็นองค์ประกอบสำคัญในการมีชีวิตทางเศรษฐกิจของผลิตภัณฑ์เหล่านี้. การบำบัดความร้อนหลังการเชื่อมหรือหลังการขึ้นรูปเต็มรูปแบบ (เช่น การบรรเทาความเครียดหรือการทำให้เป็นปกติ) สำหรับท่อโครงสร้างขนาดใหญ่จะเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนอย่างมาก.

อย่างไรก็ตาม, รัฐที่เกิดจากความเย็นมีข้อแม้ทางเทคนิคที่สำคัญ: การปรากฏตัวของความเค้นตกค้างสูงตามที่กล่าวไว้ข้างต้น. แม้จะไม่ใช่โหมดความล้มเหลวในตัวเองก็ตาม, ผู้ผลิตอาจเลือกที่จะดำเนินการบำบัดความร้อนเพื่อบรรเทาความเครียด (โดยทั่วไปจะอยู่ที่ $550^\circ\text{C}$ ถึง $600^\circ\text{C}$) หลังจากการเชื่อมหรือการผลิตที่ซับซ้อน, โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบที่มีไว้สำหรับบริการความล้าที่สูงมากหรือชิ้นส่วนที่มีข้อกำหนดความทนทานต่อขนาดที่แคบ. การรักษาแบบเลือกนี้จะต้องเข้าหาด้วยความระมัดระวัง; ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดความเค้นตกค้างและคืนความเหนียวเล็กน้อย, ผู้ผลิตจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการบำบัดจะไม่ส่งผลเสียต่อคุณสมบัติการกระแทกที่รับประกันโดย $\text{J0}$ หรือ $\text{J2}$ เกรด. การสัมผัสกับอุณหภูมิใกล้เคียงเป็นเวลานาน $600^\circ\text{C}$ สามารถ, เช่น, ทำให้เกิดการตกตะกอนของไมโครอัลลอยด์ ($\text{Nb}/\text{V}$ คาร์ไบด์/ไนไตรด์) เพื่อหยาบ, นำไปสู่การสูญเสียความแข็งแกร่งเล็กน้อยและความเหนียวที่อาจเกิดขึ้น, แม้ว่าโดยทั่วไปผลกระทบนี้จะมีผลเล็กน้อยต่ออุณหภูมิบริการที่พิจารณาโดยมาตรฐานนี้. ประเด็นสำคัญคือมีการรับประกันคุณสมบัติพื้นฐานตามที่เกิดขึ้น, สถานะที่ไม่ผ่านการบำบัดความร้อน, วางความรับผิดชอบให้โรงถลุงเหล็กใช้วัสดุสำเร็จรูป (แผ่น/ม้วน) ที่มีโครงสร้างเม็ดละเอียดที่จำเป็นอยู่แล้ว เพื่อรองรับงานเย็นที่ตามมาและเข้าขั้นสุดท้าย $\text{J}$ ข้อกำหนดด้านความเหนียว.

การเชื่อมและการผลิต: ข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ

ประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างโดยธรรมชาติของการใช้ส่วนกลวง (ไฮสปีด) มักเกิดขึ้นจากโครงสร้างโครงถักและกรอบอวกาศที่ซับซ้อน, ซึ่งต้องมีการเชื่อมส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันอย่างกว้างขวาง, มักเกี่ยวข้องกับข้อต่อที่ซับซ้อนโดยที่ท่อหนึ่งถูกปรับให้เข้ากับโปรไฟล์ของอีกท่อหนึ่ง ($\text{T}$, $\text{K}$, $\text{Y}$ ข้อต่อ). โปรไฟล์ความสามารถในการเชื่อม, ควบคุมโดย $\text{CEV}$ (ตารางที่ 1), จึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง. ต่ำ $\text{CEV}$ ค่าสำหรับ EN 10219 ท่อหมายความว่าจัดอยู่ในประเภทที่มีความสามารถในการเชื่อมที่ดีและโดยทั่วไปสามารถเชื่อมโดยใช้กระบวนการมาตรฐาน (เช่น, การเชื่อมอาร์คโลหะป้องกัน ($\text{SMAW}$), การเชื่อมอาร์กโลหะแก๊ส ($\text{GMAW}$), หรือการเชื่อมอาร์คฟลักซ์คอร์ ($\text{FCAW}$)) โดยมีการอุ่นเครื่องน้อยที่สุดหรือไม่มีการอุ่นเลย, โดยมีเงื่อนไขว่าความหนาของส่วนอยู่ในระดับปานกลางและมีการควบคุมสภาวะแวดล้อม.

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมเบื้องต้นสำหรับเหล็กโครงสร้างเหล่านี้คือการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวด้วยความเย็น (หรือการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน) ใน $\text{HAZ}$. การแตกร้าวประเภทนี้เกิดขึ้นในโครงสร้างจุลภาคที่อ่อนแอ (แข็ง, โครงสร้างคล้ายมาร์เทนซิติกที่เกิดขึ้นใน $\text{HAZ}$), ในที่ที่มีแรงดึง (ที่เหลือหรือนำไปใช้), และ, วิกฤต, เมื่อมีไฮโดรเจนที่แพร่กระจายได้. ต่ำ $\text{CEV}$ ของ $\text{S355}$ เกรดช่วยลดความสามารถในการชุบแข็ง (การก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคที่อ่อนแอ), ในขณะที่ใช้วัสดุสิ้นเปลืองที่มีไฮโดรเจนต่ำ (การเคลือบอิเล็กโทรดหรือฟลักซ์) และ, ถ้าจำเป็น, การอุ่นเครื่องน้อยที่สุด ($50^\circ\text{C}$ ถึง $100^\circ\text{C}$) จัดการปริมาณไฮโดรเจน, ทำให้ข้อต่อไม่มีรอยร้าว.

ปัจจัยการผลิตที่สำคัญอีกประการหนึ่ง, เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของ HSS, คือการพิจารณาออกแบบความล้าบริเวณรอยต่อเชื่อม. ความซับซ้อนของข้อต่อแบบท่อส่งผลให้เกิดความเครียดที่มีความเข้มข้นสูง ($\text{SCF}$) ที่รอยเชื่อม. สำหรับโครงสร้างที่ต้องรับน้ำหนักแบบวน (เช่น, สะพาน, โครงสร้างนอกชายฝั่ง, รถเครน), อายุความเมื่อยล้ามักเป็นเกณฑ์การออกแบบที่ควบคุม, เอาชนะความแรงคงที่. ความเค้นดึงตกค้างสูงที่ล็อคเข้ากับวัสดุใกล้กับรอยเชื่อมเนื่องจากการขึ้นรูปเย็นอาจทำให้ปัญหานี้รุนแรงขึ้น. เพราะเหตุนี้, ต้องระบุขั้นตอนการเชื่อมและรายละเอียดข้อต่ออย่างระมัดระวังตามมาตรฐานความล้าที่เกี่ยวข้อง (เช่น ยูโรโค้ด 3, ส่วนหนึ่ง 1-9) ซึ่งกำหนดหมวดหมู่ข้อต่อเฉพาะและคลาสรายละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่ามีอายุการใช้งานที่เพียงพอ, การพิจารณาที่ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสถานะการขึ้นรูปเย็นเริ่มต้นของท่อ.

การใช้งานและข้อสรุป: เสาหลักแห่งการก่อสร้างสมัยใหม่

อีเอ็น 10219 ท่อเหล็กโครงสร้าง, ตั้งแต่ S235JR พื้นฐานไปจนถึง S355J2H ระดับพรีเมียม, เป็นแกนหลักของโครงการวิศวกรรมโครงสร้างเบาถึงหนัก, เลือกจากการผสมผสานความแข็งแกร่งที่ลงตัว, ความคุ้มค่า, และความสะดวกในการประดิษฐ์. การกำหนดมาตรฐานองค์ประกอบทางเคมีอย่างพิถีพิถัน, ประสิทธิภาพเชิงกล, และความทนทานต่อการแตกหักทำให้มั่นใจได้ว่าจะตอบสนองความต้องการด้านความปลอดภัยและความทนทานที่เข้มงวดในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย.

โดยทั่วไปจะใช้ท่อ S235JR ในองค์ประกอบโครงสร้างที่ไม่ใช่องค์ประกอบหลัก, ราวบันได, นั่งร้าน, และกรอบงานเบาที่ความแข็งแกร่งมีความสำคัญน้อยกว่าต้นทุนและความสามารถในการขึ้นรูป. S355JR แสดงถึงเกรดโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงตามค่าเริ่มต้นของอุตสาหกรรม, เหมาะสำหรับคอลัมน์ส่วนใหญ่, คาน, และการใช้งานโครงถักในสภาพอากาศอบอุ่น. S355J0H และ, วิกฤต, ท่อ S355J2H เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับโครงการโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญซึ่งความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิต่ำเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง, รวมทั้ง:

• โครงสร้างสะพาน: โดยเฉพาะในภูมิภาคที่มีแนวโน้มว่าจะเกิดฤดูหนาวที่รุนแรง, โดยรับประกันความเหนียวแตกหักที่ $-20^\circ\text{C}$ เป็นปัจจัยด้านความปลอดภัยที่ไม่สามารถต่อรองได้.

• โครงสร้างนอกชายฝั่งและการเดินเรือ: รวมทั้งท่าเทียบเรือด้วย, ท่าเรือ, และแจ็คเก็ตนอกชายฝั่งขนาดเล็กถึงขนาดกลาง, โดยที่การสัมผัสกับน้ำทะเลเย็นและการกระทำของคลื่นจะกำหนดความแข็งแกร่งในระดับสูง.

• โครงสร้างไดนามิกและแผ่นดินไหว: เช่น เสาส่งสัญญาณ, บูมเครน, และอาคารในเขตที่เกิดแผ่นดินไหวสูง, โดยที่วัสดุจะต้องมีความเหนียวและความเหนียวสำรองในการดูดซับพลังงานภายใต้อัตราความเครียดที่รุนแรงโดยไม่เกิดการแตกหักแบบเปราะ.

โดยสรุป, ความสำเร็จทางเทคนิคของ EN 10219 ไปป์ต้องอาศัยความสัมพันธ์เชิงลึกระหว่างเคมี (ควบคุมโดย $\text{CEV}$ สำหรับงานเชื่อมและ $\text{P}/\text{S}$ เพื่อความแกร่ง), กระบวนการผลิต (การขึ้นรูปเย็นเพื่อประสิทธิภาพและการชุบแข็งงาน), และการรับประกันกลไกขั้นสุดท้าย (ความแข็งแรงของผลผลิตและพลังงานกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ). ความก้าวหน้าจาก S235 ถึง S355J2H เป็นเส้นทางที่ขับเคลื่อนด้วยวิศวกรรม, ให้ประสิทธิภาพการทำงานแบบแบ่งระดับซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกวัสดุที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัยที่สุดสำหรับงานโครงสร้างที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ. ประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างโดยธรรมชาติของรูปแบบส่วนกลวง, รวมกับความสามารถในการเชื่อมที่ยอดเยี่ยมและรับประกันความเหนียวของสิ่งเหล่านี้ $\text{EN}$ เกรด, รับประกันความโดดเด่นอย่างต่อเนื่องในฐานะวัสดุที่ได้รับเลือกสำหรับงานโครงสร้างที่สำคัญที่สุดของโลก.