Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng...) truyền tới thiết bị sinh điện năng như turbin để sản xuất điện năng.
NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG HÀN KIM LOẠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 3.1 Mối hàn kim loại khác SSC NPP 3.1.1 Khái niệm Hầu hết liên kết NPP thực hàn, hàn kim loại kim loại khác Kim loại khác (chủng loại) xem nguyên tố khác thành phần hóa học (như Cu, Al, Ni…) hợp kim có cấu trúc tế vi khác (như thép carbon thép không gỉ…) Tổ hợp kim loại khác gồm nhiều kim loại với nhiều kim loại bổ sung để tạo nên kim loại mối hàn cuối sau nóng chảy kết tinh gọi mối hàn kim loại khác (DMW) Thiết kế liên kết ống với đầu an toàn US BWR trình bày hình 3.1, ví dụ điển hình mối hàn kim loại khác Tổ hợp kim loại khác vật hàn cho phép sử dụng tính chất tốt kim loại Hàn đắp hàn kim loại khác đặc biệt quan trọng vật hàn dùng cho ứng dụng chống ăn mòn phơi nhiễm với chu trình nhiệt vận hành sử dụng Khi kim loại khác liên kết hàn nóng chảy, xảy tượng hòa trộn thành phần tạo nên mối hàn đó, hợp kim hóa kim loại kim loại bổ sung mối quan tâm chủ yếu Tính chất kim loại mối hàn khác xa so với kim loại Sự kết hợp kim loại có tính chất vật lí hóa học học khác xa tạo nên vấn đề hàn, xử lí q trình làm việc sau DMW hàn hai nhiều kim loại khác với kim loại bổ sung khác Thành phần kim loại mối hàn sau kết tinh khác với thành phần kim loại thay đổi theo thiết kế, trình hàn, kim loại bổ NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG sung, quy trình Tóm lại, yếu tố hiệu ứng tiếp xúc nhiệt vật hàn chế tạo sử dụng sau phải nhận định đánh giá trước hàn Hình 3.1 Tiết diện hệ thống đầu vào họng ống tuần hoàn/ hồi lưu với đầu an toàn USBWR Cấu tạo cũ khác vật liệu kết cấu ống lót nhiệt Mối hàn kim loại khác điển hình làm theo hai bước Đầu tiên, hai (hoặc ba) lớp mỏng vật liệu đệm hàn vào đầu họng vỏ lò thép ferrite để tạo thành lớp đệm Chiều dày điển hình lớp đệm từ đến mm Vật liệu lớp hợp kim với Cr Ni, để bù cho hòa tan kim loại Sau người ta xử lí nhiệt lớp đệm nhiệt độ phù hợp với loại thép hợp kim thấp, cịn thời gian phụ thuộc vào chiều dày tiết diện chi tiết thép ferrite Ví dụ, nhiệt độ PWHT cho họng ống thép SA 508 Cl khoảng 580°C Tiếp theo đầu an toàn hàn với họng ống mà dùng vật liệu bổ sung cho lớp đệm thứ hai, mối hàn khơng cần xử lí nhiệt Trong trường hợp mà hàn đầu an tồn làm từ thép SS, PWHT quan trọng để tránh nhạy cảm nứt đầu an toàn NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG 3.1.2 Hàn DMW nhà máy giới 3.1.2.1 Hoa Kỳ: Các nhà máy Hoa Kỳ xây dựng trước năm 1968 nhận PWHT kèm theo khung thép SS austenite thành phần bên họng ống gắn với đầu an toàn thép SS austenite Điều dẫn đến vật liệu nhạy cảm với lò, nhạy cảm SCC Sau năm 1970, yêu cầu chế tạo thay đổi PWHT thực hoàn toàn trước gắn phần tử thép SS austenite vào Kể từ nhận hợp kim 600 182 (trạng thái ủ), kim loại mối hàn nói chung tương đương chí vật liệu nhạy cảm lị, phần tử hợp kim 600 khơng bị hạn chế nhận PWHT Trong đa số nhà máy BWR, việc PWHT vỏ thùng thực đầy đủ trước hàn gắn vào chi tiết chính, ngoại trừ lớp hàn hợp kim 182 (hợp kim 600) Các nhà máy Westinghouse có thiết kế đầu an tồn lớp đệm khác Thiết kế thông dụng đầu an toàn thép SS Type 316 rèn hàn với họng ống vật liệu lớp đệm hợp kim NiCrFe (82/182) mối hàn vật liệu thấu hoàn toàn Trong thiết kế khác, lớp đệm thép SS austenite hàn đắp lên họng ống không dùng đầu an tồn Thiết kế gặp lớp đệm hợp kim NiCr-Fe đầu họng hàn với đầu an toàn thép SS rèn với mối hàn thép SS thấu hoàn toàn Đầu an toàn thép SS sử dụng họng ống bơm làm nguội sơ cấp thép SS dạng đúc ống chân nguội thép C nhà máy Babcock & Wilcox Combustion Engineering Đầu an toàn hàn với thân bơm thép SS lớp đệm hợp kim 600 đắp vào đầu ống chân nguội Sau ngồi cơng trường, mối hàn hợp kim 600 thực đầu an toàn đầu lớp đệm ống thép ferrite (hình 1.2) Tất mối hàn ngồi cơng trường xử lí nhiệt PWHT NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Trong nhà máy Combustion Engineering, hợp kim 82/182 dùng làm lớp đệm kim loại bổ sung cho mối hàn kim loại khác họng ống bơm làm nguội lò phản ứng ống nhánh nối Đầu an toàn thép SS thực họng ống nhánh làm nguội với đường ống nhánh thép SS Trong nhà máy Combustion Engineering với valve ngăn cách vòng làm nguội chính, đầu an tồn sử dụng valve ống 3.1.2.2 Pháp: Trong nhà máy Pháp, đầu an tồn ln làm xưởng Lớp đệm hàn đắp thép SS AISI 308 loại AISI 309, trừ ba nhà máy cuối cùng, mà mối hàn kim loại khác RPV sử dụng hợp kim 82 Trong thiết kế nhà máy EPR, kết cấu trình chế tạo mối hàn khác RPV, bình sinh tạo áp thực hoàn tồn khác với trước 3.1.2.3 Đức: Sơ đồ bố trí điển hình BWR theo thiết kế Siemens trình bày hình 3.2 Ống làm thép C đắp thép SS Như vậy, mối hàn RPV ống làm nguội khơng phải mối hàn kim loại khác nhau, thấy góc bên phải hình 3.2 Mối hàn kim loại khác nằm ống họng ống thép không gỉ Những mối hàn sử dụng lớp đệm hợp kim 182 (hoặc hợp kim 82) lớp hàn hợp kim 182 (hoặc hợp kim 82) Mối hàn kim loại khác điển hình thực Đức có lớp đệm bề mặt lượt đáy liên kết hàn (gồm lớp phủ) dùng kim loại bổ sung thép SS Thiết kế làm cho bề mặt bên hoàn tồn khơng chứa hợp kim Ni, điều làm cho kiểm tra chân mối hàn siêu âm dễ NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế Siemens BWR cho thấy thiết kế mối hàn RPV với ống thép carbon đường ống với họng thép SS [2] 3.1.2.4 Nga: Trong nhà máy ВВЭР-440/1000, mối hàn kim loại khác vành RPV rèn (thép 12X2MΦA / 15X2HMΦA) với đường ống làm nguội (thép SS 08X18H10T) hàn với lớp đệm, lớp thép RPV hàn điện cực 25Cr/12.5Ni 16Cr/25Ni/6Mo lớp hàn điện cực 19Cr/10Ni/1Mo/1Nb 18Cr/11Ni/3Mo/V Lớp cuối hàn điện cực 18Cr/11Ni/3Mo/V Trong nhà máy ВВЭР (Nga, Tiệp khắc, Hungary) người ta không sử dụng hợp kim Ni 3.1.3 Các biến số hàn Hàn kim loại khác có u cầu biến số hàn hàn thơng thường, hiệu ứng tương tác kim loại khác cần xem xét qua ứng dụng cụ thể [5] Trong DMW, người ta quan tâm chủ yếu đến thành phần tính chất kim loại mối hàn Thành phần kim loại mối hàn phụ thuộc nhiều vào kim loại bản, kim loại bổ sung tỉ lệ hịa lỗng tương đối chúng Hịa loãng (dilution) NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG xác định thay đổi thành phần kim loại bổ sung gây trộn lẫn kim loại kim loại đường hàn trước Thành phần kim loại mối hàn thường không đồng nhất, đặc biệt mối hàn nhiều lượt Khi thiết kế rãnh mối hàn liên kết kim loại khác nhau, cần quan tâm đến đặc trưng nóng chảy kim loại kim loại bổ sung hiệu ứng hịa lỗng Góc vát rộng làm giảm độ hịa lỗng, cho phép kiểm soát độ nhớt kim loại mối hàn tốt hơn, cho không gian thao tác hồ quang tốt Trong hàn nóng chảy, kim loại khác kim loại bổ sung (nếu có) nóng chảy kết hợp lại vũng hàn Kim loại mối hàn phase đơn hỗn hợp hai hay nhiều phase kết tinh Kim loại bổ sung DMW phải dễ dàng hợp kim hóa với kim loại để tạo kim loại mối hàn có dẻo liên tục Đặc biệt, kim loại bổ sung phải chấp nhận hịa lỗng kim loại không tạo nên cấu trúc tế vi nhạy cảm với nứt (bảng 3.1) Bảng 3.1: Thành phần kim loại kim loại bổ sung mẫu hàn (%) [5] Nguyên tố Cr Ni Mo Fe Thép Cr-Mo 2.5 1.0 95.5 Thép SS 316 17.0 12.0 2.5 63.0 ERNiCr-3 20 72 Bảng 3.2 cho thấy mối quan hệ tính chất vật lí số kim loại thép carbon Nếu vào nhiệt độ nóng chảy khác nhau, kết luận khó mà hàn nhơm với thép, nhiệt độ nóng chảy nhơm thấp kim loại khác NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Bảng 3.2: Quan hệ tính chất vật lí kim loại với thép carbon [5] Tính chất tương đối Tỉ số tính chất(a) Thép Cu Al SS Hệ số dãn nở nhiệt C 1.0 1.4 1.9 Austenite 1.3 trung bình Độ dẫn nhiệt Nhiệt dung Mật độ/ Khối lượng 1.0 1.0 1.0 7.8 08 1.1 3.1 1.9 0.3 0.3 1.0 1.0 70Ni- 76Ni- 30Cu 1.2 16Cr-8Fe 1.1 0.5 1.1 1.1 0.3 0.9 1.1 riêng Nhiệt độ nóng chảy 1.0 0.7 0.4 0.9 0.9 0.9 a) Các giá trị thể tỉ số tương đối thép carbon, khơng phải tính chất thực tế b) Từ nhiệt độ thường đến 260 oC Sự chênh lệch đáng kể khoảng nhiệt độ nóng chảy hai kim loại kim loại mối hàn kim loại gây nứt tinh chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp Kết tinh co ngót kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao gây ứng suất kim loại bị yếu điều kiện kết tinh phần Đôi người ta giải vấn đề cách đắp nhiều lớp kim loại bổ sung có dải nhiệt độ nóng chảy trung gian lên bề mặt vật liệu có dải nhiệt độ nóng chảy thấp theo phương pháp biết đến lớp đệm (butter) Lớp đệm làm giảm hiệu ứng chênh lệch nhiệt độ nóng chảy Phần lớn kim loại hợp kim có tính dẫn nhiệt tốt, bảng 3.2 Khi hàn hai kim loại có độ dẫn nhiệt khác đáng kể, nhiệt truyền nhanh chóng từ vũng hàn sang kim loại kế bên ảnh hưởng đến lượng đường cần để làm nóng chảy cục kim loại NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Sự khác hệ số dãn nở nhiệt (CTE) kim loại DMW sinh ứng suất liên kết nhiệt độ thay đổi Yếu tố quan trọng liên kết hàn làm việc nhiệt độ cao môi trường nhiệt độ thay đổi theo chu kì Ví dụ thực tế nhà máy nhiệt điện NPP, thép SS austenite liên kết với thép hợp kim thấp Cr-Mo Việc chọn gia nhiệt trước xử lí nhiệt sau hàn cách hợp lí liên kết hàn tổ hợp kim loại khác gặp phải vấn đề Khi hàn hợp kim cần gia nhiệt với hợp kim khác không cần gia nhiệt, cần phải gia nhiệt trực tiếp vào phía liên kết yêu cầu Yêu cầu PWHT DMW thách thức với nhà thiết kế Xử lý nhiệt thích hợp mộ phần tử/ chi tiết kết cấu hàn làm hại chi tiết khác mơi trường làm việc sau Ví dụ hợp kim Ni-Cr biến cứng hóa già hàn với thép SS austenite khơng ổn định, tiếp xúc vật hàn để xử lí hóa già cho hợp kim Ni-Cr, làm thép SS bị nhạy cảm (gây tiết phase carbide), giảm khả chống ăn mòn hạt Từ trường tương tác với hồ quang dòng điện chiều (DC) tạo nên trường lực làm biến dạng giới hạn hồ quang gây thổi lệch hồ quang Khi phần tử hàn sắt từ tính, hồ quang DC lệch phía liên kết Lúc lượng lớn kim loại sắt từ bị nóng chảy, gây hịa lỗng q mức Cũng khơng ngấu đáy mối hàn Những kết xảy hàn thép C với hợp kim Ni thép SS austenite Sự thâm nhập kim loại mối hàn vào biên giới hạt HAZ kim loại xảy hệ hợp kim định Điều có khả gây nên tượng nứt hạt HAZ Thông thường xu hướng tiến tới hành vi chi phối định luật thấm kim loại lỏng Ví dụ, kim loại mối hàn giàu đồng nóng chảy thâm nhập biên giới hạt thép carbon thép SS austenite NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG hàn Mức độ thâm nhập tăng lên gia nhiệt kim loại bản, có ứng suất kéo, hai 3.2 Quá trình hàn vật liệu Inconel 3.2.1 Vật liệu Inconel Hợp kim Inconel Ni sử dụng rộng rãi NPP đặc biệt NPP Ninh Thuận 2, chúng sử dụng nhiều (bảng 2.1 hình 2.1) Inconel có hàm lượng Cr Ni cao (Cr > 15% Ni > 50%) Đây hợp kim sắt nickel cao có tính khả chống ăn mòn tốt Các liên kết chất lượng cao dễ dàng chế tạo hợp kim nickel q trình hàn thơng thường, hàn hồ quang tay (SMAW), GTAW, GMAW hàn hồ quang chìm (SAW) Lựa chọn trình hàn dựa trên: i) Chiều dày kim loại mối hàn ii) Thiết kế sản phẩm iii) Thiết kế liên kết iv) Tư hàn v) Đồ gá vi) Điều kiện làm việc mơi trường ăn mịn mà mối hàn tiếp xúc vii) Điều kiện sở xưởng cơng trường Quy trình hàn hợp kim nickel tương tự quy trình sử dụng cho thép không gỉ Đặc trưng dãn nở nhiệt hợp kim tương tự đặc trưng thép C, cong vênh biến dạng xảy hàn Tất đường hàn cần có phần nhơ biên dạng lồi, cần tránh biên dạng phẳng lõm Trước hàn không yêu cầu gia nhiệt Nếu kim loại bị lạnh (2 °C thấp hơn) phạm vi 300 mm từ vị trí hàn cần làm ấm đến 16 - 21°C để chống ngưng tụ Có thể cần PWHT để tạo biến cứng tiết phase Giảm ứng suất sau hàn cần đáp ứng yêu cầu đặc trưng tránh SCC NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Hợp kim nickel có phạm vi sử dụng rộng rãi loại hợp kim khác Các hợp kim sử dụng làm vật liệu chống ăn mòn, chịu nhiệt, kiểm sốt kích thước dãn nở nhiệt chịu rão turbine bình sinh hơi, hợp kim chống ăn mòn nhiệt độ cao Khi hợp kim với chromium, cải thiện độ ổn định lớp màng thụ động, tạo nên khả chống ăn mịn mơi trường oxy hóa tốt Tính chống ăn mòn cải thiện cách bổ sung molybdenum wolfram Một thuộc tính quan trọng tạo thành hợp kim chống ăn mịn khả tương thích luyện kim với kim loại khác, đồng, chromium, molybdenum sắt Ăn mòn vấn đề quan trọng, song nguyên nhân mà hợp kim nickel định dùng khả chống ăn mòn cục bộ, ăn mòn điểm, kẽ, nứt ăn mòn ứng suất tốt Trong nhiều mơi trường thép SS khơng bị ăn mịn tổng thể lại bị ăn mịn cục mạnh, sau tốn thời gian kinh phí để sửa chữa thay Đôi hợp kim nickel xem siêu hợp kim Nó có độ bền nóng cao, chịu oxy hóa tốt hợp kim Ni, Co, Fe với lượng Cr lớn (25 đến 30%) để chống oxy hóa Phân loại gồm có hợp kim sắt-nickel, nickel cobalt Hợp kim Inconel 690 hợp kim Ni có Cr cao mà ngày sử dụng công nghiệp điện hạt nhân Hàm lượng Cr hợp kim 690 30% so với 16% hợp kim 600 Điều giúp cho việc chống nghèo hóa Cr carbide tiết phase/ biên giới hạt Hơn nữa, Cr cao tăng cường khả chống ăn mòn Với 60% Ni, hợp kim 690 chống SCC sodium hydroxide (NaOH) chloride (NaCl) Ngồi ra, điều kiện mơ bình sinh mơi trường phịng thí nghiệm, hợp kim 690 có khả chống nứt ăn 10 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Bảng 3.4: Thành phần hóa học kim loại bổ sung Inconel [2] Nguyê Inconel 182 Inconel 82 Inconel 52 Inconel 152 Inconel 52 M n tố C Si Mn P S Cr Ni [%] < 0,1 59 [%] < 0,1 < 0,5 2,5-3,5 < 0,03 < 0,015 18-22 < 67 [%] < 0,04 < 0,5 < 0,03 < 0,015 28-31,5 Ni+Co lại [%] < 0,05 < 0,75 190 / 750/674 > 30 /37 42 > 190 / 359 248 35 320 576 316 547 > 435 / 548 460 480 > 250 / 375* > 250 / [MPa] 12 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG A (350ºC) [%] 46 48 37 48 37 * Values in italic are measured values presented in (Boursier et al 2004) ** Typical values of Alloy 52M The other values are according to RCC-M Dưới nêu tóm tắt việc đánh giá tính hàn hợp kim Ni: • Hàm lượng S nên giữ mức thấp nguyên tố phân tán tác động có hại đến tính hàn tính chất khác hợp kim Cần sử dụng nguyên tố tạo sulphide mạnh Mg, Zr, Ti Mn để kết hợp với lưu huỳnh nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xấu nó, biên giới hạt • Hàm lượng P cần giữ mức với S Khó rút bỏ nguyên tố hợp kim nóng chảy, cần dùng phơi liệu (quặng) chứa P luyện • Hàm lượng Boron cần giữ mức thấp • Có thể sử dụng ngun tố bổ sung thích hợp Mg kim loại đất để đảm bảo tính chất tốt khác khơng bị ảnh hưởng có hại • Cần quan tâm đến tốc độ nguội từ nhiệt độ vũng hàn nóng chảy điều khiển cẩn thận để giảm thiên tích khơng cân • Với sản phẩm rèn, thay đổi đặc tính biên giới hạt kĩ thuật tinh giới 3.2.3 Kết tinh hợp kim Ni cấu trúc tế vi Quá trình DMW cung cấp phương tiện tích hợp ưu điểm vật liệu thành phần cho phép người thiết kế đạt giải pháp thực tế chi phí thấp thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật Sự hòa tan hai kim loại khác gây thành phần khơng xác định vùng nóng chảy, mà làm suy giảm tính chất vật hàn số trường hợp Hàm lượng Cr Ni hợp kim Ni đóng vai trị việc xác định khả chống ăn mịn vật liệu Nó trước ảnh hưởng IGSCC SCC hợp kim nickel ngăn chặn cách hiệu 13 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG cách xác định trọng lượng 30% Cr trọng lượng 60% Ni Ngồi ra, Cr có lực cao với C dễ dàng tạo thành carbide Nhiệt sinh trình hàn làm cho Cr dễ dàng tương tác với C để tạo thành carbide M 23C6 M7C3, sau carbide tiết phase tinh giới Phản ứng làm nghèo Cr lớp hàn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), tính chống ăn mịn giảm Vấn đề nghèo Cr khắc phục cách tăng hàm lượng Cr hợp kim, cách đưa vào nguyên tố có lực cao Ti Nb để ổn định carbon Vai trò C việc ảnh hưởng đến tính siêu hợp kim Ni chủ yếu qua hình thành carbide sơ cấp thứ cấp Carbide sơ cấp dạng MC từ nóng chảy nhiệt độ cao sau kết tinh sơ cấp Có thể gây carbide MC tiết phase rời rạc biên giới hạt khuyết tật khác hạt mà ưu tiên vị trí Thành phần M thường Nb Ti, thay Mo W Dạng carbide thứ cấp xử lí nhiệt thường dạng M 23C6, với hình thành chủ yếu tinh giới Thành phần M điển hình Cr, thay Mo W Carbide M6C tương tự M23C6 hình thành xử lí nhiệt số siêu hợp kim Khi chế tạo đường ống bình sinh hơi, việc kiểm tra điều kiện luyện kim vật liệu quan trọng Như hợp kim 600 690 liên quan, có lẽ yếu tố riêng ảnh hưởng mà định tính chất cuối ống hàm lượng carbon Vì độ hồ tan carbon vật liệu thấp, chromium carbides dễ dàng tạo thành chu kì ủ khơng tan nhiệt độ khơng đủ cao Nói chung, carbide khơng tan ủ có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tế vi tạo cuối đến tính Lee Jeng [8] nghiên cứu đặc trưng hàn kim loại khác hợp kim Ni 690 với thép SS 304L dùng hai kim loại bổ sung thay đổi luân phiên, cụ thể, 82 (I-82) 52 (I-52) Hàn GTAW với thông số quy trình hàn sử 14 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG dụng để thực hàn giáp mối vát mép chữ V- với lượt sau bốn lớp hợp kim 690 Ni thép SS 304L Thành phần hóa học kim loại kim loại bổ sung trình bày bảng 3.6 Cấu trúc tế vi hợp kim 690 kim loại cho hình 3.3 Cấu trúc phase austenite đơn với song tinh ủ hình thành nhiệt luyện Nhiều phần tử tiết phase/ kết tủa phân tán dọc theo tinh giới Tiết phase TiN Cr23C6 Tiết phase TiN thấy hình chữ nhật nhỏ hạt màu vàng kính hiển vi quang học Cr 23C6 phân bố biên giới hạt Cấu trúc tế vi thép SS 304 cho hình 3.3b Hình ảnh phase austenite với song tinh δ-ferrite Bảng 3.6 Thành phần hóa học kim loại hợp kim 690 thép SS 304L, kim loại bổ sung I-52 I-82 (mass.-%) [8] Nguyên 690 304L I-52 I-82 tố C Si Mn P S Cr Ni Al Cu Nb Ti Fe 0.02 0.35 0.29 0.007 0.001 29.70 60.65 … 0.02 … 0.20 8.76 0.03 1.00 2.00 0.045 0.003 18.00 8.00 … … … … Bal 0.03 0.15 0.24 0.003 0.001 28.83 60.65 0.71 0.01 … 0.51 8.86 15 0.04 0.09 0.92 0.007 0.001 19.76 73.38 0.05 0.07 0.27 0.44 0.94 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Hình 3.3 Cấu trúc tế vi hợp kim: (a) inconel 690; (b) SS 304L [8] Hình 3.4 trình bày cấu trúc tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hợp kim 690 304L Trong HAZ hợp kim 690, kích thước hạt thay đổi theo phân bố nhiệt Xét từ đường tâm vùng nóng chảy đến kim loại hợp kim 690, thấy rõ hạt lớn, đến vùng hạt mịn dần cuối kim loại Cấu trúc tế vi thép SS 304L cho thấy phân bố δ-ferrite phase, chịu ảnh hưởng nhiệt hàn Hình 3.4 Cấu trúc tế vi HAZ hợp kim 690 SS 304L [8] Hình 3.5 trình bày cấu trúc tế vi phân hạt mối hàn I-82 Sự phát triển đẳng trục xảy cách tự nhiên I-82 Ở phần nhơ (mũ) vùng nóng chảy, cấu trúc tế vi trung tâm nhánh đẳng trục, nơi gần với hai kim 16 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG loại có dạng nhánh hình kim Cấu trúc tế vi khơng chịu ảnh hưởng từ hiệu ứng hòa tan Cấu trúc tế vi chân vùng nóng chảy tương tự I-52 Khu vực liên nhánh chân vùng nóng chảy lớn vùng nóng chảy thuộc phần nhơ Số lượng tiết phase I-82 lớn I-52 Trong I-82 kết tủa/ tiết phase (phần tử bề mặt) tạo nên chủ yếu nickel, niobium, chromium titanium Hình 3.5 Cấu trúc phân hạt mối hàn I-82: (a) bề mặt phần nhô gần vùng SS 304L; (b) bề mặt phần nhô gần đường tâm; (c) bề mặt phần nhô gần vùng hợp kim 690; (d) bề mặt chân mối hàn gần vùng SS 304L; (e) bề mặt chân mối hàn gần đường tâm; (f) bề mặt chân mối hàn gần vùng hợp kim 690 [8] Khảo sát kim tương mối hàn hợp kim 82 ba cấu trúc tế vi phân biệt rõ ràng Hình 3.6 trình bày ảnh SEM cấu trúc phân hạt khác quan sát mối hàn hợp kim 82 Các hạt kết tinh lại quan sát vùng giới hạn đường hàn (hình 3.6a) Các hạt nhánh hạt có thang kích thước tương tự hạt kết tinh lại, hình 3.6b Các biên giới hạt kết tinh phân biệt dễ dàng chiếu sáng Nomarski DIC so với 17 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG ánh sáng phân cực Phần lớn cấu trúc hàn chứa hạt nhánh hình kim, hình 3.6c Hình 3.6 Ảnh SEM cấu trúc phân hạt khảo sát mối hàn hợp kim 82: (a) hạt kết tinh lại; (b) hạt nhánh ô; (c) hạt nhánh hình kim [2] 3.3 Nứt nóng mối hàn Sự co bị hạn chế mối hàn nguội tạo nên suất kéo liên kết chí gây khuyết tật mối hàn nghiêm trọng – vết nứt Nứt xảy kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt, hai vùng Nứt nóng dạng tổng thể, mà nhìn thấy mắt thường gọi nứt thơ, nhìn thấy kính hiển vi, trường hợp gọi vi nứt Nứt nóng phân loại dựa vị trí chúng gọi nứt kết tinh, mà chúng nhìn thấy mối hàn kết tinh, nứt tinh chế mà thấy 18 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG HAZ kim loại nứt giảm tính dẻo mà thấy kim loại mối hàn HAZ Không phụ thuộc vào phân loại, nứt nóng: • xảy mối hàn kết tinh; • dọc theo biên giới hạt phân hạt kim loại mối hàn; • xảy lớp chất lỏng tồn biên giới hạt rắn; • thường khơng tạo với điểm sắc (phần lớn bắt đầu với dạng trịn); • lan lên bề mặt mà tạo màu oxy hóa (mặc dù vết nứt khơng tiếp xúc khơng bị oxy hóa thể màu kim loại ban đầu) 3.3.1 Nứt kết tinh Có hai điều kiện tiên cần thiết cho xuất nứt chu kì nhiệt hàn: kim loại phải không đủ độ dẻo ứng suất kéo phát triển co ngót phải vượt ứng suất phá hủy tương ứng Nứt kết tinh xảy theo hai chế độ Thứ nhất, ảnh hưởng đến nóng chảy đơng đặc mối hàn, liên quan đến thành phần hợp kim Khi làm nguội hợp kim lỏng xuống đường nhiệt độ lỏng, tinh thể rắn tạo mầm mầm phát triển chúng liên kết tạo thành dạng liền khối, khối chưa hồn tồn đơng đặc Ở nhiệt độ này, hợp kim thu số tính độ bền học Trước tiên giòn, làm nguội tiếp xuống nhiệt độ chuyển tiếp dẻo (NDT), độ dẻo xuất tăng lên mạnh với độ giảm nhiệt độ, hình 3.7 Khoảng cách nhiệt độ liền khối nhiệt độ chuyển tiếp dẻo gọi phạm vi nhiệt độ giòn (BTR) người ta thấy hợp kim có phạm vi nhiệt độ giịn rộng lớn hợp kim nhạy cảm với nứt hàn, hợp kim có phạm vi nhiệt độ giịn hẹp khơng nhạy cảm 19 NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG Hình 3.7 Cơ tính kim loại hàm số nhiệt độ [2] Chế độ thứ hai nứt kết tinh (tinh chế) mà xảy vùng đặc hiểu có mặt màng chất lỏng liên tục hạt Chất lỏng tinh, hợp kim nhôm nhạy cảm nứt định, hình thành tạp chất S thép Trong trường hợp mà tạp chất thúc đẩy vết nứt, lớp màng hình thành chất lỏng làm ướt biên giới hạt; tức lượng bề mặt có liên quan tới biên giới hạt thấp Sulphur phosphorus có xu hướng mở rộng phạm vi đơng đặc thép lên nhiều Vì chúng có xu hướng mạnh để tạo thiên tích biên giới tạo thành hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp, chúng gây vết nứt nghiêm trọng, chí với nồng độ tương đối thấp S P gây nứt kết tinh hợp kim Ni thép SS ferrite Các tính phân biệt vết nứt tinh chế diện màng chất lỏng lại bề mặt phá hủy Các dạng thù hình nhánh cây, trường hợp Nứt giảm độ dẻo màng chất lỏng Mức độ cản trở cao, hợp kim cho dễ nứt Mức độ cản trở hàm số dạng liên kết, độ cứng vững kết cấu, khe hở mép giáp mối, chiều dày tương đối kim loại mối hàn Cản trở lớn 20