5. Phương pháp nghiên cứu
2.3.5. Công nghệ hàn thép siêu hợp kim (thép Duplex)
Thép này ngày càng được sử dụng nhiều do cơ tính cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Chúng thuộc nhóm thép hệ Fe-Cr-Ni gồm 2 pha cân bằng 50% Ferit và 50% Austenit.
Các nguyên tố quan trọng nhất trong thép siêu hợp kim là Cr, Ni, Mo và Nitơ. Cr và Mo là 2 nguyên tố ổn định pha Ferit. 2 nguyên tố còn lại ổn định pha Austenit. Ngoài ra, các nguyên tố Cr, Mo, N có ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng chống ăn mòn của thép.
So với thép không gỉ thuộc nhóm Ferit thì thép duplex có độ dai lớn hơn và tính hàn tốt hơn. Chúng có cơ tính cao hơn thép không gỉ austenit.
Khi hàn loại thép này, thì việc duy trì được thành phần hóa học, tính hất của thép như ở trạng thái trước khi hàn, sự cân đối của 2 pha (A-F) trong kim loại mối hàn và VAHN là những yếu tố then chốt quyết định chất lượng của liên kết hàn.
Tỷ lệ Ferit là do thành phần hóa học và tốc độ nguội mối hàn quyết định. Khi các nguyên tố ổn đinh austenit lớn như Ni, N thì tỷ lệ Ferit trong mối hàn sẽ cao và không phụ thuộc vào tốc độ nguội. Tuy nhiên, tỷ lệ Ferit quá cao hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng lớn tới khả năng chống ăn mòn và tính dẻo của mối hàn. Do vậy, kỹ thuật khống chế tỷ lệ Ferit có tầm quan trọng đặc biệt.
Có thể sử dụng các phương pháp hàn: SMAW, GTAW, GMAW, FCAW, SAW để hàn thép siêu hợp kim.
KẾT LUẬN
Vấn đề công nghệ, kỹ thuật, lựa chọn vật liệu hàn và xử lý nhiệt khi hàn ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của kim loại mối hàn.
Khi hàn thép hợp kim Cr-Mo, thường cần phải lưu ý tới chế độ PWHT để bảo đảm cơ tính cũng như độ dẻo dai của mối hàn sau khi hàn, đặc biệt là khi làm việc ở nhiệt độ cao.
Với các loại thép không gỉ và thép siêu hợp kim đặc biệt quan tâm tới chu trình nhiệt, và lựa chọn vật liệu hàn (thêm vào các nguyên tố Ti, Nb…). Khi hàn lưu ý tới dải nhiệt độ nhạy cảm 500 – 800 oC vì trong dải này thường có hiện tượng giòn pha và ăn mòn tinh giới. Nó ảnh hưởng trực tiếp tới cơ tính và khả năng làm việc của chi tiết.
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HÀN THÉP HỢP KIM P91 3.1. Giới thiệu chung về thép hợp kim P91
Thép P91 được xếp vào nhóm thép Crom-Molypden, và có đặc tính giống với một số thép không gỉ Ferit có độ bền nhão tốt khi làm việc ở nhiệt độ cao (Creep Strength-Enhanced Ferritic steel – CSEF).
Trong ngành công nghiệp năng lượng, lợi ích của việc sử dụng thép P91 đó là: Giảm được khối lượng của kết cấu, cải thiện hiệu suất nhiệt và độ ổn định, từ đó tiết kiệm được chi phí sản xuất kết cấu và chi phí vận hành. Tuy nhiên, các lợi ích này chỉ phát huy được khi mà công nghệ hàn được sử dụng để hàn kết cấu phải phù hợp và đảm bảo chất lượng yêu cầu.
Hình 3.0.1: So sánh về chiều dày và khối lượng của P91 và P22 (2-1/4Cr-1Mo) & F22 (7)
3.2. Tính chất cơ lý & hóa học của thép P91
Khi hàn thép P91, có một tính chất đặc trưng là: Mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt thường có cơ tính cao sau khi hàn, tuy nhiên tính dẻo của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể được cải thiện đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao thông qua xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT). Bởi vậy, khi kiểm tra độ bền kéo của kim loại mối hàn thường vượt so với kim loại cơ bản, và mối hàn khi kéo thường bị đứt ở phía kim loại cơ bản gần vùng ảnh hưởng nhiệt.
Khi làm việc ở nhiệt độ thấp, ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của kim loại cơ bản, kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt được thể hiện như trong
hình 3.0.2. Nhìn từ hình vẽ ta có thể thấy, độ cứng ở kim loại mối hàn cao hơn so với vùng ảnh hưởng nhiệt.
Hình 3.0.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của VAHN, KLCB và KLMH
Khi làm việc ở nhiệt độ cao (500 – 600 oC), các tính chất của thép P91 và mối hàn cần được quan tâm đặc biệt. Tuy độ bền kéo ở nhiệt độ cao không phản ảnh điều kiện làm việc của kim loại mối hàn cho thép P91 vì nó chỉ phản ảnh trong thời gian ngắn khi thử nghiệm, nhưng nó cung cấp thông tin để so sánh giữa độ bền của kim loại cơ bản và kim loại mối hàn trong khi kiểm tra cơ tính. Trong hình số 3.0.3 thể hiện giới hạn chảy của KLMH so sánh với yêu cầu của KLCB khi làm việc ở dải nhiệt độ cao từ 500 – 650 oC. Ví dụ: Xét ở 550 oC, nếu yêu cầu độ bền của KLCB là 270 MPa thì giới hạn chảy 0,2% luôn thỏa mãn.
Hình 3.0.3: Giới hạn chảy của KLCB và KLMH khi làm việc ở nhiệt độ cao [7]
Xét về độ bền nhão (creep properties) của thép P91 khi làm việc ở nhiệt độ cao, Người ta sử dụng phép thử kiểm tra ứng suất phá hủy (stress rupture test) cho kim loại mối hàn. Các phép thử và nghiên cứu chỉ ra rằng, trong kim loại mối hàn có chứa hàm lượng C+Nb+N quá thấp hoặc Mn+Ni quá cao (>2%) thì sẽ dẫn đến ứng suất phá hủy thấp. Trong hình số 3.0.4 chỉ ra kết quả thử nghiệm ứng suất phá hủy cho KLMH ở 550-660 oC cho một số loại quá trình hàn, phép thử diễn ra trong suốt 20.000 giờ. Qua rất nhiệt phép thử và tổng kết của các nhà nghiên cứu, thì phá hủy nhão của liên kết hàn khi hàn thép P91 thì thường xảy ra ở kim loại cơ bản [7].
Hình 3.0.4: Kết quả thử ứng suất phá hủy trong khoảng 550 – 660 oC, và 20.000 giờ [7]
Hình 3.0.5: Các đặc điểm về ứng suất phá hủy trong liên kết hàn [7]
Người ta nhận thấy rằng, phá hủy của kết cấu hàn sẽ được kiểm soát triệt để bởi ứng xử của VAHN, nhưng hiện chưa có một sự thống nhất nào về phướng án lựa chọn tối ưu của thành phần kim loại mối hàn và độ bền để trì hoãn sự hỏng hóc từ đó
kéo dài được tuổi thọ của kết cấu. Qua nhiều thí nghiệm, đã chứng tỏ việc bổ sung thêm các nguyên tố Nb, V, Si và N vào trong kim loại mối hàn sẽ giúp cải thiện độ bền nhão của thép ở nhiệt độ cao. Thành phần hóa học cân bằng sẽ cản trở việc hình thành pha Delta Ferit để tạo thành tổ chức hoàn toàn Mactenxit góp phần tạo ra được cả độ dẻo và độ bền nhão tối ưu nhất. Tuy nhiên, nhiệt độ nung của tổ chức pha Mactenxit ảnh hưởng lớn tới độ dai va đập của thép. Vì vậy, việc lựa chọn chế độ nung (nhiệt độ nung và thời gian nung) sẽ rất quan trọng, và ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính và khả năng làm việc của kết cấu.
Theo các tiêu chuẩn về vật liệu của AWS có khuyến cáo, PWHT cho thép P91 trong dải từ 745 – 770 oC trong 2 giờ. Theo các tiêu chuẩn của BS EN ISO thì khuyến cáo nên PWHT trong dải 750 – 770 oC trong từ 2-3 giờ. Mộ điều rất quan trọng đó là không cần phải nung mối hàn tới nhiệt độ quá cao, vì sẽ dẫn đến chuyển biến pha Austenit, hình thành nên tổ chức pha martensit không hoàn toàn ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo dai mong muốn.
Việc lựa chọn loại quá trình hàn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ dai va đập của kim loại mối hàn vì tác động của thuốc hàn và khí bảo vệ. Với phương pháp hàn TIG, bảo vệ bởi argon sẽ cho mối hàn có độ dai va đập lớn nhất vì hàm lượng oxy có trong kim loại mối hàn (khoảng 100-200 ppm) chỉ bằng ¼ so hàm lượng oxy sinh ra trong thuốc hàn của các phương pháp hàn SMAW, FCAW và SAW (khoảng 400-800 ppm). Đối với phương pháp hàn MIG thì khá phức tạp, hình 3.6 thể hiện sự ảnh hưởng của hàm lượng oxy trong kim loại mối hàn đến độ dai va đập. Từ đây, có thể sơ bộ lựa chọn được hàm lượng oxy cho phép trong mối hàn để có được độ dai va đập yêu cầu.
Hình 3.0.6: ảnh hưởng của hàm lượng oxy trong mối hàn đến độ dai va đập [7]
Thành phần hóa học của thép P91 được thể hiện như trong bảng 3.0.1. Yếu tố cơ bản quyết định lựa chọn vật liệu hàn chính là thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và điều kiện làm việc của kết cấu. Thông thường, vật liệu hàn được lựa chọn phải tạo ra lớp kim loại đắp có thành phần hóa học và cơ tính tối thiểu bằng hoặc hơn với vật liệu cơ bản và phải thỏa mãn được khả năng chống gỉ hoặc oxi-hóa nếu kết cấu yêu cầu.
So với các loại thép khác như P22/ P21, P5, P7, P9…Ngoài thành phần chính là Cr-Mo, Thép P91 được bổ sung thêm hàm lượng nhỏ của một số các nguyên tố như Vanadi, Niobi và Ni-tơ với mục đích cải thiện cơ tính và khả năng chịu mài mòn khi làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng tính hàn vẫn giống với các nhóm thép hợp kim Cr-Mo trước đó.
Bảng 3.0.2: Các mác thép và các dạng phôi cùng thuộc nhóm với thép P91 [7]
3.3. Lựa chọn phương pháp hàn
Việc lựa chọn phương pháp hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: Kích thước và chiều dày chi tiết sẽ hàn.
Nơi thực hiện sản xuất hàn (trong xưởng hay ngoài công trường). Các trang thiết bị sẵn có.
Nhân lực thực hiện công việc hàn đã được phê chuẩn sẵn có. Các loại vật liệu hàn có sẵn phù hợp.
Các yêu cầu về cơ tính và độ dẻo/ dai va đập (nếu có).
Hiện nay, quá trình hàn kết hợp lót bằng hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW) và phủ bằng hàn hồ quang tay (SMAW) được sử dụng chủ yếu cho các ống thép P91. Tuy nhiên, phương án này có nhược điểm là năng suất không cao do hàn bằng tay. Bởi vậy, xu thế mới sẽ phải thay thế bởi phương án khác để làm tăng năng suất đắp mà vẫn bảo đảm chất lượng của liên kết. Với
những chi tiết và liên kết cho phép hàn cơ giới hóa, thì phương pháp hàn dưới lớp thuốc (SAW) thường được sử dụng vì nó cho năng suất cao. Tuy nhiên, đối với các trường hợp yêu cầu hàn ở tư thế phức tạp như 6G thì một phương pháp được đề cập đến như một lựa chọn tốt đó là hàn bằng dây lõi thuốc (FCAW). Phương pháp hàn FCAW đã được thực hiện thành công cho các vật liệu như P11 (1CrMo) hay P22 (2CrMo), nhưng nó vẫn là một quá trình mới với thép P91.
Bảng 3.0.3 dưới đây đưa ra khuyến cáo lựa chọn các phương pháp hàn đối với từng loại kết cấu và liên kết cụ thể cho thép P91 trong ngành công nghiệp năng lượng.
Bảng 3.0.3: Lựa chọn các phương pháp hàn cho thép P91 [7]
Loại kết cấu Kiểu liên kết Lựa chọn phương pháp
hàn Giàn ống trao đổi nhiệt
(ống nhỏ)
Hàn giáp mối ngoài công trường/ hàn sửa
GTAW+SMAW TIG obitan + SMAW Giàn nung quá nhiệt
hoặc nung lại (ống nhỏ)
Hàn ống giáp mối ngoài công trường
TIG tay/ obitan + SMAW TIG tay hoặc obitan Ống góp hơi Hàn giáp mối ngoài công
trường
TIG, SMAW, FCAW or SAW
TIG tay hoặc SMAW TIG/MIG cơ khí hóa TIG+SMAW, obitan TIG
Nồi hơi hoặc bao hơi Giáp mối TIG, SMAW, FCAW, SAW
Van hơi Giáp mối Chủ yếu dùng TIG,
SMAW, FCAW, đôi khi dùng SAW
Đoạn ống gấp khúc Giáp mối ngoài công trường
Chủ yếu dùng TIG, SMAW, FCAW. Đôi khi dùng SAW.
3.4. Lựa chọn vật liệu hàn cho thép P91
Theo như phân tích được đề cập trong mục 3.2, Vật liệu hàn lựa chọn cần đáp ứng tạo ra mối hàn có thành phần hóa học gần giống với vật liệu cơ bản và cơ tính tối thiểu bằng hoặc lớn hơn so với kim loại cơ bản.
Hiện có rất nhiều tiêu chuẩn quốc gia đề cập đến việc chế tạo vật liệu hàn cho thép P91 cho các phương pháp hàn SMAW, Dây hàn TIG/MIG/SAW hoặc dây FCAW. Chi tiết cách chọn các loại vật liệu hàn và thành phần hóa học đưa ra trong bảng 3.0.4.
Bảng 3.0.4: thông tin các loại vật liệu hàn sử dụng cho hàn thép P91
3.5. Xử lý nhiệt khi hàn
3.5.1. Xử lý nhiệt trước & trong khi hàn
Trước khi hàn thép P91, cần phải tiến hành nung nóng sơ bộ loại bỏ hết tạp chất và hơi nước, ngăn ngừa nứt do hydro. Mặc dù thép P91 có độ cứng cao hơn P22, tuy nhiên yêu cầu nung sơ bộ để chống nứt hydo đối với kiểu liên kết chữ Y lại yêu cầu thấp hơn so với thép P22. Điều này cũng lý giải một phần ở việc nó có nhiệt độ chuyển biến pha thấp hơn, và một phần nhỏ Austenite còn lại có tác dụng tích cực khi duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn.
Nhiệt nung nóng thường là 200 oC cho mọi dải chiều dày của chi tiết ngoại trừ trường hợp hàn TIG. Khi hàn TIG, hàm lượng hydro rất thấp, và nó có thể được giải phóng hết ở dải 100 – 150 oC. Nhiệt độ giữa các đường hàn thường duy trì không được phép quá 300 oC để bảo đảm mỗi đường hàn đều được chuyển biến hoàn toàn
sang Martensite trước khi đường hàn tiếp theo được đắp lên. Thường thì mỗi đường hàn sẽ một phần nào đó ram cho đường hàn sau đó. Hình 3.0.7 thể hiện dải chuyển biến pha Martensite và bảng 3.0.5 chỉ ra khuyến cáo cho nhiệt độ nung sơ bộ cho một số loại quá trình hàn ứng với các loại vật liệu hàn cụ thể.
Hình 3.0.7: ảnh hưởng của nhiệt nung sơ bộ đến tỷ lệ nứt nguội trong thép P91&P22 [7]
3.5.1. Xử lý nhiệt sau khi hàn
Sau khi hàn hoàn thiện, Trước khi tiến hành xử lý nhiệt, mối hàn cần được để nguội xuống dưới 100 oC để loại bỏ hoàn toàn các tổ chức không chuyển biến pha austenite, bởi vì Hydro lẫn ở bên trong của tổ chức austenite có thể khuếch tán chậm hơn khi nó ở trong tổ chức martensite. Hình 3.0.8 thể hiện sự chuyển biến pha cho thép P91. Ứng suất dư do tổ chức không chuyển biến pha austenite không bị ảnh hưởng bởi PWHT, dẫn đến chỉ có Martensite chuyển biến pha khi nguội.
Hình 3.0.8: Chuyển biến pha đối với thép P91
Có một số khó khăn cho việc lựa chọn nhiệt độ PWHT, nhiệt độ nung cần phải cao hơn nhiệt độ mà tiêu chuẩn yêu cầu. Theo phân tích trong mục 3.2, kết hợp với ASME VIII nhiệt độ nung khi PWHT phải trên 730 oC, và nhiệt độ nung lớn nhất phụ thuộc vào thành phần hóa học của kim loại mối hàn, cụ thể là không được vượt quá nhiệt độ của đường AC1 của vật liệu cơ bản (~810 oC). Tuy nhiên, với những mối hàn có chứa hàm lượng Ni+Mn cao hơn 1,5% thì nhiệt của đường AC1 lại thấp hơn. Khi nhiệt độ nung PWHT quá gần với đường AC1 thì sẽ dẫn đến việc một phần kim loại sẽ bị chuyển biến pha austenite, dẫn đến việc không chuyển biến hoàn toàn thành Martensite khi nguội. Bởi vậy, khi nung PWHT, nên lưu ý chọn nhiệt độ cao nhất nhỏ hơn tối thiểu 15 oC so với nhiệt độ của đường AC1. (Ví dụ: dùng que 9MV-N và
Mn+Ni < 1% thì có thể nung ở 774 oC) [7]. Hình 3.9 thể hiện giá trị nhiệt độ của đường AC1 trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tỷ lệ của Ni+Mn.
Hình 3.0.9: Nhiệt độ đường AC1 của thép P91 tỷ lệ với hàm lượng Ni+Mn [7]
Qua nhiều thực nghiệm đã chứng minh rằng, chế độ nung phù hợp với thép P91 là P ≥ 21, trong đó:
e) P = oK.(Logt + 20)x10-3 (Công thức Hollomon–Jaffe). f) oK: Nhiệt độ PWHT.
g) t: Thời gian giữ nhiệt (giờ).
Theo đó, một chế độ nhiệt phù hợp thì hoặc là nung ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối thiểu trong thơi gian dài hoặc ngược lại. Ví du: nung PWHT ở 755 oC trong 3 giờ hoặc nung ở 760 oC trong 2 giờ cho kết quả như nhau (P≈ 28,4). Đôi khi, nếu cần duy