5. Phương pháp nghiên cứu
3.6. Kết quả thực nghiệm
3.6.1. Số liệu ban đầu
Bài toán thực nghiệm được triển khai thực hiện hàn quy trình hàn cho: - Thép ống SA355 (P91)
- Chiều dày 30 mm; đường kính Φ 323.9 mm.
- Sử dụng trong hệ thống ống dẫn hơi, bao hơi của nhà máy nhiệt điện.
3.6.2. Xây dựng quy trình hàn
Qua các bước phân tích trong mục từ 3.0.1 đến 3.0.5, tổng hợp lại thành bảng các thông số quy trình hàn, xử lý nhiệt như sau:
Bảng 3.0.6: Các thông số quá trình hàn cho ống thép hợp kim P91
Thông số Lớp Lót Lớp phủ Ghi chú
Quá trình hàn GTAW/TIG SMAW/MMA Hàn tay Vật liệu hàn AWS A5.28 –
ER90S-B9
AWS A5.5 –
E9015-B9 Lincoln/Kobelco Đường kính que/dây 2.4 (2%Thori) 2.6; 3.2; 4.0
Khí xông mặt sau Argon (99.999%)
Không yêu cầu Duy trì cho tới khi hàn xong lớp TIG Lưu lượng khí bảo vệ
(lít/phút) 4 – 15 Khí bảo vệ Argon (99.999%)
Không yêu cầu Lưu lượng khí bảo vệ
(lít/phút) 8 – 25
Nhiệt nung sơ bộ (oC) Tối thiểu 200 Nhiệt độ giữa các đường
hàn (oC) Tối đa 300
Chuẩn bị liên kết
(a)dùng cho các chi tiết có chiều dày < 30mm
(b)dùng cho các chi tiết có chiều dày > 30mm (c)cho liên kết T, góc (d)cho liên kết ống với bích Thông số chế độ hàn Xem bảng 3.0.7 PWHT
h) Làm nguội dưới 100 oC trước khi thực hiện PWHT i) Dải nhiệt độ nung: 730 – 774 oC, giữ tối thiểu 02 giờ j) Tốc độ nung: 100 -150 oC/giờ
Bảng 3.0.0.7: Thông số chế độ hàn cho thép P91 Lớp hàn Quá trình hàn
Vật liệu hàn Dòng điện Điện áp Tốc độ hàn Năng lượng
đường Mác vật liệu Đường kính (mm) Cực tính A V mm/min kJ/mm Lót GTAW ER90S-B9 2.4 DC- 70 - 160 10 - 14 40 - 60 0.70 - 3.36 Nóng GTAW ER90S-B9 2.4 DC- 70 - 160 10 - 14 40 - 70 0.60 - 3.36 Phủ/ điền đầy SMAW E9015-B9 2.6 DC+ 70 - 100 20 - 28 50 - 90 0.93 - 3.36 SMAW E9015-B9 3.2 DC+ 80 - 120 20 - 28 60 - 100 0.96 - 3.36 SMAW E9015-B9 4.0 DC+ 100 - 150 20 - 28 60 - 110 1.09 - 4.20
3.6.3. Kết quả thực nghiệm quy trình hàn
Giai đoạn chuẩn bị, gá đính phôi
Gá đặt phôi lên đồ gá và chuẩn bị các thiết bị gia nhiệt
Cài đặt chế độ xử lý nhiệt nung sơ bộ và nhiệt độ giữa các đường hàn
Kiểm tra gá đặt, và các khâu chuẩn bị trước khi hàn
Quá trình thực hiện mối hàn
Kiểm tra lớp Lót
Kiểm tra mối hàn hoàn thiện
Sản phẩm sau khi đạt ngoại dạng, được xử lý nhiệt theo sơ đồ sau, trước khi cho kiểm tra chụp bức xạ (RT) và kiểm tra phá hủy: uốn, kéo, thử độ cứng.
Chế độ xử lý nhiệt theo như trong bảng 3.0.6 trên cơ sở tra cứu theo ASME B31.1 (Bảng 132), ASME VIII, Div.1 bảng UCS-56 và bảng 6.8 của ASME VIII Div.2. Sơ đồ xử lý nhiệt được thể hiện như trong hình 3.10 sau đây.
Kết quả chụp ảnh bức xạ đạt yêu cầu, thông tin như dưới đây:
PQR No. 175 Page 1 of 1
Procedure No. EMETC-NDT-06 Material Type: SA335P91+SA335P91 Technique:
DWSI
Acceptance standard: ASME IX-2007 Welding Process: GTAW+SMAW
Source: Gama Focal spot size Film
type IQI type Sensitivity (%) Density FFD (mm) Exp. Time Source strength: 50 Ci 2.5 x 3.0 mm Fuji 50 1B- ASTM 2.0% 2.0 – 4.0 323.9 50 min
Processing: manual Date off Radiogrhaphy: 26-Mar-2013
No. Welder Identification/ line No. Size/ Dia. Thick/ Sch Film location Defect type Defect Dimension Location Acc/ Rej Remark 1 Nguyen Van Thang- 6G ID: 142512337
323.9 30.0 A-B P 2.0 Random ACC After
PWHT SF
C-D CP 10.0 B-60 ACC
P 2.0 Random
Note:
ACC: Accpeted REJ: Rejected
Defect types:
P: Polosity CP: Cluster Porosity SF: Surface
Kết quả thử kéo và uốn mối hàn đều cho kết quả đạt yêu cầu, và được thể hiện trong bảng dưới đây.
Kết quả thử độ cứng tại ba vị trí cắt: 6 giờ, 9 giờ, 12 giờ (tham khảo phụ lục 2, 3, 4). Các giá trị lớn nhất trong cả ba vị trí cắt thử cả ở KLCB, KLMH và VAHN
đều cho kết quả nhỏ hơn độ cứng cho phép 290 HV [9]. Vậy kết quả độ cứng nằm trong giới hạn cho phép.
Tổng hợp thành bảng thông số quy trình hàn như trong phụ lục 3.
3.7. Hướng nghiên cứu mở rộng
3.7.1. Đặt vấn đề
Theo như phân tích trong mục 3.3 về lựa chọn phương pháp hàn, trong phạm vi của luận văn này, tác giả muốn đưa ra một hướng mới cho việc hàn kết cấu ống P91. Thay vì sử dụng phương pháp hàn có thể gọi là truyền thống đối với các dạng liên kết ống đó là lót TIG, phủ hồ quang tay SMAW. Tác giả đưa ra đề xuất sử dụng hàn phủ bằng dây lõi thuốc FCAW thay cho SMAW.
Nghiên cứu dưới đây sẽ chỉ ra những ưu điểm khi sử dụng hàn FCAW cho thép P91 và việc tiết kiệm được thời gian hơn so với các phương pháp hàn khác. Nghiên cứu dựa trên các kết quả công bố của một số hãng vật liệu khi mà họ tìm hiểu để sản xuất ra vật liệu hàn cho phương pháp hàn FCAW cho thép P91. Các kết quả nghiên cứu thể hiện qua kết quả của các phép thử cơ tính bao gồm cả thử kiểm tra độ bền nhão, thử va đập mối hàn.
3.7.2. Cơ sở vật liệu hàn khi hàn FCAW
Các yêu cầu đối với dây hàn lõi thuốc là khả năng sử dụng tốt đối với mọi vị trí hàn bao gồm cả hàn trần và hàn ống 5G cho các kết cấu ống. Khi ở các vị trí làm việc đó, thì việc yêu cầu kiểm soát hồ quang dễ, giọt kim loại lỏng dịch chuyển êm vào vũng hàn, biên dạng mối hàn phẳng, đều và ít bắn tóe, dễ bong xỉ. Kết hợp các đặc tính đó, nghiên cứu thấy rằng nên sử dụng loại dây hàn với lớp thuốc rutil (TiO2). Tuy nhiên, có hai hạn chế đối với hệ thuốc này đó là:
- Thuốc rutil thì khó điều chế hơn so với hệ thuốc bazo (vì có hàm lượng Oxy cao hơn).
- Hệ thuốc rutil được cấu thành bởi một hàm lượng nhỏ các hoạt chất như Nb, V, và chúng có thể tham gia vào hợp kim hóa mối hàn. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải bổ sung được Titan vào trong kim loại mối hàn. Vì nó có khả năng tạo được cacbit có độ bền cao hơn. Hàn FCAW cho mối hàn có độ bền
thường cao hơn từ 5-10% so với khi hàn SMAW và SAW và có cùng độ bền với hàn GTAW sau khi thực hiện PWHT. Tính dẻo có thể thấp hơn nhưng đọ bền nhão thì cao hơn so với khi hàn SAW và SMAW. Do vậy, để tăng được hàm lượng của Titan (0.02-0.04%) thì cần phải kiểm soát Nb và V ở mức độ thấp nhất.
Việc chế tạo dây hàn rutil là khá phức tạp và đắt tiền. 3.7.3. Lợi ích của việc sử dụng hàn FCAW
Hình 3.0.11 sau thể hiện so sánh về năng suất đắp khi thực hiện bằng các phương pháp hàn khác nhau.
Hình 3.0.11: So sánh tốc độ đắp của FCAW với SMAW và GMAW [11]
Với hàn FCAW, sử dụng dây 1.2mm, nó cho năng suất đắp cao hơn hầu hết các phương pháp hàn hồ quang khác (ngoại trừ hàn SAW). Và nó còn được biết đến với ưu thế hàn ở đã dạng các vị trí hàn. So với hàn GMAW, hàn FCAW có thể sử dụng dòng lớn hơn do khả tỷ lệ đốt cháy dây hàn cao hơn. Mặt khác, khi dùng với dạng dịch chuyển tia, hàn FCAW cho chiều sâu ngâu tốt hơn các phương pháp khác
khi hàn ở mọi tư thế. Chu kỳ tải của quá trình hàn FCAW cũng cao hơn so với hàn GTAW và SMAW, bởi vậy cải thiện được năng suất và tiết kiệm thời gian.
Như vậy, quá trình hàn FCAW được mong đợi là sẽ dần thay thế cho hàn SMAW. Quá trình hàn GTAW vẫn được sử dụng để hàn lót cho ống đặc biệt là với các ống nhỏ và mỏng. Riêng quá trình hàn SAW sẽ thích hợp để hàn những ống lớn, chiều dày lớn và có thể quay để đưa vị trí hàn về hàn sấp. Quá trình hàn FCAW thường được thực hiện là bán tự động để linh hoạt cho việc hàn cả trong xưởng và ngoài công trường. Trong một số trường hợp khi hàn trong xưởng, để nâng cao năng suất thì có thể tiến hành cơ giới hóa để hàn.
Qua thực nghiệm của hãng Metrode, khi hàn FCAW và SMAW cho ống có đường kính 310 – 360mm, chiều dày 65mm, sử dụng dây hàn Supercore F91. Kết quả cho thấy phương pháp hàn FCAW rút ngắn được 25 – 40% thời gian so với hàn que SMAW.
3.7.4. Thành phần hóa học, cơ tính của kim loại mối hàn khi FCAW
Khi thiết kế và chế tạo dây hàn lõi thuốc, thành phần của lớp kim loại đắp phải được chú ý sao cho gần với tính chất mà que hàn SMAW (như E9015-B9) thể hiện ở trong kim loại mối hàn. Trong tiêu chuẩn AWS A5.29, có một dây hàn thỏa mãn được các yêu cầu đó là E101T1-B9 (tương ứng với dây Supercore F91 của Lincoln).
Để bảo đảm được cơ tính khi hàn bằng FCAW, cần phải kiểm tra một số phương pháp như: Thử độ dai va đập (Impact test), thử phá hủy qua kiểm tra độ mở vết nứt (CTOD).
Một điểm cần chú ý khi hàn FCAW đó là, bên cạnh khả năng có thể hàn được mọi loại tư thế hàn, thì lớp vỏ bọc rutil là một yếu tố cần thiết để tăng khả năng tham gia của Titan vào trong kim loại mối hàn. Hơn nữa, một hàm lượng khoảng 0.3% Silic được thêm vào để cải thiện được khả năng chống oxy-hóa và khả năng làm việc của dây hàn. Chính vì thế, kim loại mối hàn khi hàn FCAW sẽ cứng hơn so với khi hàn bằng SMAW (theo một số nghiên cứu thì có thể cao hơn khoảng 20HV sau khi cùng xử lý nhiệt PWHT ở chế độ giống nhau). Bởi vậy, khi hàn xử lý nhiệt PWHT cho mối hàn bằng FCAW thì thường lưu ý tăng nhiệt độ hơn một chút so với chế độ
xử lý mối hàn bằng SMAW. Mặt khác, mối hàn khi hàn FCAW thường có hàm lượng Oxy cao hơn khi hàn SMAW (do sử dụng khí bảo vệ có chứa Oxy, như Ar + CO2 với tỷ lệ từ 20-25% CO2).
Độ dai va đập của mối hàn khi hàn FCAW có những giá trị rất khác nhau. Một số kết quả nghiên cứu của hãng vật liệu Metrode chỉ ra rằng mối hàn cho độ dai va đập tốt nhất trong dải từ 25-35 J tại 20 oC, khi sử dụng khí trộn Ar + CO2 (tỷ lệ 80:20). Và độ dai va đập trung bình sẽ đạt được ở 30J tại 20 0C sau khi xử lý nhiệt ở 760 oC trong vòng từ 4-5 giờ.
Với quá trình hàn FCAW, khí bảo vệ ảnh hưởng nhiều tới độ dai va đập. Thông thường, giảm hàm lượng Oxy (tức là giảm CO2) trong khí bảo vệ, sẽ dẫn đến giảm được hàm lượng oxy trong kim loại mối hàn và tăng được độ dai va đập. Cụ thể hơn, nếu khi hàn FCAW sử dụng khí bảo vệ Ar + CO2 với tỷ lệ 95:5 sẽ giảm hàm lượng oxy từ 6-10 lần so với khi dùng cùng loại khí bảo vệ nhưng tỷ lệ là 80:20, và do đó làm tăng đọ dai va đập của kim loại mối hàn lên khoảng 10%.
Tuy nhiên, một nhược điểm của phương pháp kiểm tra độ dai va đập đó là nó không phản ảnh hết ảnh hưởng của các thành phần hóa học cũng như các giá trị khác đến độ bền của kim loại mối hàn, mà phải sử dụng một phương pháp kiểm tra khác đó là kiểm tra độ bền qua kiểm tra độ mở vết nứt (CTOD). Qua nhiều thí nghiệm, người ta chỉ ra rằng, kiểm tra CTOD sẽ thấy được sự ảnh hưởng lớn hơn từ PWHT & thành phần hóa học so với kiểm tra độ dai va đập. Cụ thể, khi kiểm tra độ dai va đập thì sẽ không thấy được sự ảnh hưởng của Niobi (với hàm lượng từ 0.02 – 0.09%) nếu giữ nhiệt 750 oC từ 2 – 8 giờ khi PWHT, nhưng phép thử CTOD thì sẽ sự ảnh hưởng nghiêm trọng của Nb nếu tăng thời gian PWHT.
3.7.5. Quy trình hàn sơ bộ khi sử dụng phương pháp hàn FCAW
Trên cơ sở phân tích lựa chọn ở tronng chương 3, và khuyến cáo của nhà sản xuất vật liệu hàn. Tác giả đưa ra khuyến cáo cho quy trình hàn sơ bộ như sau:
KẾT LUẬN
1. Những điểm đã làm được trong luận văn:
- Luận văn được nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm phản ánh tính đúng đắn của lý thuyết. Bản thông số quy trình hàn được tác giả thực hiện, tác giả có so sánh với các quy trình hàn tương tự ở các dự án nhiệt điện trong nước và thấy được sự tương đồng. Như vậy kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao trong thực tế.
- Bên cạnh những kết quả thực nghiệm, trong cuốn luận văn này, tác giả cũng có những nghiên cứu khá sâu riêng đối với công nghệ hàn thép hợp kim Cr- Mo thông qua nghiên cứu và vận dụng các tiêu chuẩn, và đưa ra những khuyến cáo cụ thể cho việc thực hiện hàn thép Cr-Mo.
- Luận văn có đưa ra được nghiên cứu trên mặt lý thuyết và dựa vào các kết quả nghiên cứu của một số hãng về việc thay đổi phương pháp hàn phủ bằng FCAW thay vì hàn bằng SMAW truyền thống trước đây. Đây là một hướng đi mới trong thực tế mà tác giả nghĩ sẽ sớm được sử dụng rộng dãi ở Việt Nam.
2. Góp ý, kiến nghị:
- Kết quả nghiên cứu được tham khảo từ những tài liệu có độ tin cậy, cũng như luận văn cũng có chứng minh thực nghiệm cho trường hợp hàn thép hợp kim P91 bằng phương pháp GTAW+SMAW. Nên luận văn có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho những người có nhu cầu tìm hiểu về thép hợp kim chịu nhiệt.
- Hướng nghiên cứu mới hàn thép P91 bằng GTAW+FCAW có tham khảo kết quả, cũng như có những phân tích cụ thể, rõ ràng. Có thể áp dụng thực nghiệm để chứng minh. Và đây cũng có thể là một hướng nghiên cứu mới cho các đề tài sau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. ASM Specialty Handbook.
[2]. AWS Welding Handbook, Volume 4, 8th edition. [3]. Erich Folkhard, Welding Metallurgy of stainless steels.
[4]. TS. Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, Tập 2, Nxb Khoa Học và Kỹ Thuật.
[5]. Heat resistant alloy welding, Rolled alloys.
[6]. Kent K. Coleman and W. F. Newell JR., P91 and Beyond – Welding the new generation Cr-Mo alloys for high temperature service.
[7]. Welding consumable for P91 steels for the power generation industry, Metrode Co.,
[8]. AWS D10.8 – 96, Recommended Practices for Welding of Chromium- Molybdenum Steel Piping and Tubing.
[9]. Tài liệu dự án nhiệt điện Vũng Áng: VA1-LI-00100-QA-G1-PRO-0011; VA1- LI-00100-M-M8-HT-0001; VA1-LI-00100-M-M8-PWHT-0001.
[10]. Tài liệu dự án nhiệt điện Mông Dương 1: MD1-0-T-030-05-00104.
[11]. Z Zhan, A W Marshall, G B Holloway, Flux cored arc welding: the high productivity welding process for P91, Metrode product limited, UK.
[12]. AWS D10.4 - 86 Recommended Practices for Welding Austenitic Chromium- Nickel Stainless Steel Piping and Tubing
PHỤ LỤC
Phụ lục số 1: Kết quả xử lý nhiệt sau khi hàn cho thép P91 (10)
Phụ lục số 2: Kết quả phép đo độ cứng cho mẫu hàn thép P91 HARDNESS TEST RESULT
Hardness :Vicker Date : 27th March 2013
Load :10 kg Sample Marking : MH-1 (6 O’Clock) Identation 1 2 3 4 5 6 7 HAZ A 209 207 190 173 155 HAZ B 252 224 203 193 196 HAZ C 204 207 205 205 211 HAZ D 261 270 272 270 259 Weld E 192 193 195 197 209 219* 231* Weld F 234 228 219* 220* Base metal G 143 143 143 Base metal H 216 214 213