Hàn ống thép hợp kim niken và ống thép không gỉ: Hướng dẫn toàn diện

Giới thiệu

Hàn các kim loại khác nhau, chẳng hạn như ống thép hợp kim niken và ống thép không gỉ, là một yêu cầu chung trong các ngành công nghiệp như sản xuất điện, dầu và khí đốt, hóa dầu, và năng lượng hạt nhân. Những kim loại này thường được nối với nhau bằng kỹ thuật gọi là bơ, bao gồm việc phủ một lớp vật liệu độn tương thích lên một trong các kim loại cơ bản trước khi thực hiện mối hàn cuối cùng. Quá trình này giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến hàn kim loại không giống nhau, chẳng hạn như sự không phù hợp giãn nở nhiệt, sự ăn mòn, và nứt.

Trong hướng dẫn toàn diện này, we will explore the process of welding nickel ống thép hợp kim buttering to stainless steel pipes. Chúng tôi sẽ đề cập đến các kỹ thuật hàn, vật liệu phụ, bước chuẩn bị, và các biện pháp xử lý sau hàn cần thiết để đảm bảo mối hàn thành công. Ngoài ra, chúng tôi sẽ cung cấp các bảng chi tiết phác thảo thành phần hóa học, tính chất cơ học, và các thông số hàn cho các hợp kim niken và thép không gỉ khác nhau.

Tại sao hàn bơ lại cần thiết cho việc hàn kim loại không giống nhau

Khi hàn các kim loại khác nhau như hợp kim niken và thép không gỉ, một số thách thức nảy sinh do sự khác biệt về thành phần hóa học của chúng, hệ số giãn nở nhiệt, và chống ăn mòn. Những khác biệt này có thể dẫn đến các vấn đề như:

• vết nứt: Tốc độ giãn nở nhiệt khác nhau của hợp kim niken và thép không gỉ có thể gây ra ứng suất trong quá trình gia nhiệt và làm mát, dẫn đến nứt mối hàn.
• sự ăn mòn: Các kim loại khác nhau có thể hình thành các tế bào điện, dẫn đến ăn mòn nhanh ở mối hàn.
• pha loãng: Việc trộn các kim loại khác nhau trong quá trình hàn có thể dẫn đến mối hàn có tính chất cơ học hoặc khả năng chống ăn mòn không mong muốn..

Để vượt qua những thách thức này, một kỹ thuật gọi là bơ được sử dụng. Bơ bao gồm việc phủ một lớp vật liệu độn tương thích (thường là hợp kim gốc niken) vào ống thép không gỉ trước khi thực hiện mối hàn cuối cùng. Lớp này hoạt động như một bộ đệm, giảm nguy cơ nứt và ăn mòn bằng cách tạo ra bề mặt tương thích hơn giữa hai kim loại khác nhau.

Hợp kim niken và thép không gỉ: Một cái nhìn tổng quan

Hợp kim niken

Hợp kim niken được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, sức mạnh nhiệt độ cao, và khả năng chống oxy hóa. Chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu chịu được môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như xử lý hóa học, vũ trụ, và phát điện.

Một số hợp kim niken phổ biến được sử dụng trong hệ thống đường ống bao gồm:

• Inconel 600: Hợp kim niken-crom có ​​khả năng chống oxy hóa và ăn mòn tuyệt vời ở nhiệt độ cao.
• Inconel 625: Hợp kim niken-crom-molypden được biết đến với độ bền cao và khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở.
• Monel 400: Hợp kim đồng-niken có khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường, bao gồm nước biển và môi trường axit.
• Hastelloy C-276: Hợp kim niken-molypden-crom có ​​khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều loại môi trường ăn mòn, bao gồm môi trường axit mạnh và clorua.

Thép không rỉ

Thép không gỉ là hợp kim gốc sắt có chứa ít nhất 10.5% crom, mang lại cho chúng khả năng chống ăn mòn đặc trưng. Thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, dược phẩm, và dầu khí do khả năng chống ăn mòn và dễ chế tạo.

Các loại thép không gỉ phổ biến được sử dụng trong hệ thống đường ống bao gồm:

• 304 Thép không gỉ: Thép không gỉ austenit có khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng định hình tuyệt vời.
• 316 Thép không gỉ: Thép không gỉ austenit có thêm molypden để cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở.
• 321 Thép không gỉ: Thép không gỉ austenit được ổn định bằng titan để ngăn chặn sự kết tủa cacbua trong quá trình hàn.
• Thép không gỉ Duplex: Thép không gỉ có cấu trúc vi mô hỗn hợp austenite và ferrite, cung cấp độ bền cao và khả năng chống ăn mòn ứng suất tuyệt vời.

Quy trình hàn ống thép hợp kim niken và ống thép không gỉ

Bươc 1: Lựa chọn vật liệu

Bước đầu tiên trong quá trình hàn là lựa chọn vật liệu hợp kim niken và thép không gỉ phù hợp. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, môi trường hoạt động, và các đặc tính cần thiết cho mối hàn cuối cùng.

Ví dụ, nếu ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn, Inconel 625 có thể được chọn cho hợp kim niken, trong khi 316 thép không gỉ có thể được lựa chọn cho ống thép không gỉ.

Bươc 2: Lựa chọn vật liệu phụ

Vật liệu độn được sử dụng để hàn và hàn đóng một vai trò quan trọng trong sự thành công của mối hàn. Vật liệu độn phải tương thích với cả hợp kim niken và thép không gỉ để ngăn ngừa các vấn đề như nứt, sự ăn mòn, và pha loãng.

Các vật liệu độn phổ biến được sử dụng để hàn hợp kim niken với thép không gỉ bao gồm:

• ERNiCr-3: Vật liệu độn niken-crom thường được sử dụng để hàn Inconel 600 đến thép không gỉ.
• ERNiCrMo-3: Vật liệu độn niken-crom-molypden dùng để hàn Inconel 625 và Hastelloy C-276 sang thép không gỉ.
• ERNiCu-7: Vật liệu độn đồng niken dùng để hàn Monel 400 đến thép không gỉ.

Bươc 3: Bơ ống thép không gỉ

Quá trình bôi bơ bao gồm việc phủ một lớp vật liệu độn vào ống thép không gỉ trước khi thực hiện mối hàn cuối cùng.. Lớp này đóng vai trò là vùng chuyển tiếp giữa thép không gỉ và hợp kim niken., giảm nguy cơ nứt và ăn mòn.

Quy trình bơ:

1. Chuẩn bị bề mặt: Bề mặt ống inox phải được làm sạch hoàn toàn để loại bỏ các chất bẩn, chẳng hạn như dầu, dầu mỡ, hoặc lớp oxit. Điều này có thể được thực hiện bằng phương pháp cơ học (ví dụ., mài) hoặc làm sạch bằng hóa chất.
2. Làm nóng sơ bộ: Tùy thuộc vào độ dày của vật liệu và hợp kim cụ thể được hàn, có thể cần phải làm nóng trước để giảm nguy cơ nứt. Nhiệt độ làm nóng trước thường dao động từ 100°C đến 200°C.
3. Đèo Bơ: Một lớp vật liệu độn (ví dụ., ERNiCrMo-3) được áp dụng cho ống thép không gỉ bằng quy trình hàn như GTAW (Hàn hồ quang vonfram) hoặc SMAW (Hàn hồ quang kim loại được bảo vệ). Lớp bơ phải đủ dày để tránh bị loãng với kim loại cơ bản trong quá trình hàn cuối cùng.
4. Kiểm tra: Sau khi phủ lớp bơ, nó cần được kiểm tra các khuyết tật như vết nứt, độ xốp, hoặc sự kết hợp không hoàn toàn. Kiểm tra không phá hủy (NDT) có thể sử dụng các phương pháp như kiểm tra siêu âm hoặc kiểm tra chụp ảnh phóng xạ để đảm bảo chất lượng của lớp bơ.

Bươc 4: Hàn hợp kim niken vào thép không gỉ bơ

Sau khi lớp bơ đã được phủ lên ống thép không gỉ, mối hàn cuối cùng có thể được thực hiện giữa ống hợp kim niken và ống thép không gỉ bơ.

Quy trình hàn:

1. Quá trình hàn: Quá trình hàn được sử dụng để nối hợp kim niken với ống thép không gỉ phủ bơ có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu và ứng dụng cụ thể. Các quy trình hàn phổ biến bao gồm:
   • GTAW (Hàn TIG): Cung cấp khả năng kiểm soát chính xác mối hàn và thường được sử dụng cho các mối hàn chất lượng cao trong các ứng dụng quan trọng.
   • SMAW (Que hàn): Một quy trình linh hoạt có thể được sử dụng để hàn ở nhiều vị trí và môi trường khác nhau.
   • GMAW (Hàn MIG): Thích hợp cho tốc độ hàn nhanh hơn và vật liệu dày hơn.
2. Vật liệu phụ: Vật liệu độn tương tự được sử dụng để phết bơ (ví dụ., ERNiCrMo-3) nên sử dụng cho mối hàn cuối cùng để đảm bảo tính tương thích giữa hợp kim niken và lớp bơ.
3. Thông số hàn: Các thông số hàn, chẳng hạn như dòng điện hàn, điện áp, và tốc độ di chuyển, cần được kiểm soát cẩn thận để tránh quá nhiệt và biến dạng. Bảng sau đây cung cấp các thông số hàn điển hình cho quy trình GTAW và SMAW:

Quá trình hàn	Vật liệu phụ	Hiện hành (A)	Điện áp (V)	Tốc độ di chuyển (mm/phút)	Nhiệt độ làm nóng trước (° C)	Nhiệt độ giữa (° C)
GTAW (TIG)	ERNiCrMo-3	100-150	10-14	100-150	100-200	150-250
SMAW (Dán)	ERNiCrMo-3	80-120	20-24	80-120	100-200	150-250
GMAW (TÔI)	ERNiCrMo-3	150-200	20-25	150-200	100-200	150-250

4. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT): Tùy thuộc vào vật liệu và ứng dụng, có thể cần phải xử lý nhiệt sau hàn để giảm ứng suất dư và cải thiện tính chất cơ học của mối hàn. Nhiệt độ PWHT thường dao động từ 600°C đến 800°C, tùy thuộc vào hợp kim cụ thể được hàn.

Bươc 5: Kiểm tra và thử nghiệm

Sau khi quá trình hàn hoàn tất, mối hàn phải được kiểm tra và thử nghiệm để đảm bảo chất lượng và tính toàn vẹn của nó. Các phương pháp kiểm tra phổ biến bao gồm:

• Kiểm tra trực quan: Mối hàn được kiểm tra bằng mắt để phát hiện các khuyết tật bề mặt như vết nứt, độ xốp, hoặc sự kết hợp không hoàn toàn.
• Kiểm tra không phá hủy (NDT): Các phương pháp như kiểm tra siêu âm (OUT), kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT), hoặc thử nghiệm thẩm thấu thuốc nhuộm (PT) có thể được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bên trong mối hàn.
• Bài kiểm tra cơ học: Các thử nghiệm cơ học như thử nghiệm độ bền kéo, thử nghiệm uốn cong, hoặc thử nghiệm va đập có thể được thực hiện để đánh giá độ bền và độ bền của mối hàn.

Những thách thức trong việc hàn hợp kim niken với thép không gỉ

Hàn hợp kim niken với thép không gỉ đặt ra một số thách thức do sự khác biệt về thành phần hóa học và tính chất vật lý của chúng. Một số thách thức chính bao gồm:

1. Sự giãn nở nhiệt không phù hợp

Hợp kim niken và thép không gỉ có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, có thể dẫn đến ứng suất nhiệt trong quá trình sưởi ấm và làm mát. Những ứng suất này có thể gây ra vết nứt ở mối hàn, đặc biệt là trong các đường ống có thành dày hoặc hình học phức tạp.

2. pha loãng

Trong quá trình hàn, các kim loại cơ bản (hợp kim niken và thép không gỉ) có thể trộn với vật liệu phụ, dẫn đến pha loãng. Điều này có thể dẫn đến mối hàn có các đặc tính cơ học không mong muốn hoặc khả năng chống ăn mòn.. Lớp bơ giúp giảm độ pha loãng bằng cách tạo ra bề mặt tương thích hơn giữa hai kim loại khác nhau.

3. sự ăn mòn

Hàn các kim loại khác nhau có thể tạo ra tế bào điện, dẫn đến ăn mòn nhanh ở mối hàn. Việc sử dụng vật liệu độn tương thích (ví dụ., ERNiCrMo-3) và các biện pháp xử lý sau hàn thích hợp có thể giúp giảm thiểu vấn đề này.

4. vết nứt

Nứt có thể xảy ra trong hoặc sau khi hàn do ứng suất nhiệt, pha loãng, hoặc sự giòn do hydro. Làm nóng sơ bộ, thông số hàn được kiểm soát, và xử lý nhiệt sau hàn có thể giúp giảm nguy cơ nứt.

Bàn: Thành phần hóa học của hợp kim niken thông thường và thép không gỉ

Tài liệu	kền (Ni)	cơ rôm (CR)	Cr-Mo (Mo)	Sắt (Fe)	Đồng (Cu)	Carbon (C)	Các yếu tố khác
Inconel 600	72 tôi	14-17	–	6-10	–	0.15 tối đa	Mn, Si, S
Inconel 625	58 tôi	20-23	8-10	5 tối đa	–	0.10 tối đa	NB, Mn, Si
Monel 400	63 tôi	–	–	2.5 tối đa	28-34	0.30 tối đa	Mn, Si, S
Hastelloy C-276	57 tôi	14.5-16.5	15-17	4-7	–	0.01 tối đa	W, Mn, Si, S
304 Thép không gỉ	8-10.5	18-20	–	Cân đối	–	0.08 tối đa	Mn, Si, P, S
316 Thép không gỉ	10-14	16-18	2-3	Cân đối	–	0.08 tối đa	Mn, Si, P, S
321 Thép không gỉ	9-12	17-19	–	Cân đối	–	0.08 tối đa	Ti, Mn, Si, P, S
Inox song công	4.5-6.5	22-23	3-3.5	Cân đối	–	0.03 tối đa	Mn, Si, P, S

Phần kết luận

Hàn ống thép hợp kim niken với ống thép không gỉ bằng kỹ thuật hàn bơ là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự chú ý cẩn thận trong việc lựa chọn vật liệu, vật liệu phụ, thông số hàn, và xử lý sau hàn. Bằng cách phủ một lớp bơ bằng vật liệu độn tương thích, nguy cơ nứt, sự ăn mòn, và độ pha loãng có thể giảm đáng kể, dẫn đến mối hàn có chất lượng cao.

Sự thành công của mối hàn phụ thuộc vào việc chuẩn bị bề mặt thích hợp, làm nóng trước, thông số hàn được kiểm soát, và kiểm tra và thử nghiệm kỹ lưỡng. Bằng cách làm theo các nguyên tắc và phương pháp hay nhất được nêu trong hướng dẫn này, bạn có thể đảm bảo mối hàn đáng tin cậy và bền bỉ giữa hợp kim niken và ống thép không gỉ.

Để biết thêm thông tin hoặc hỗ trợ hàn các kim loại khác nhau, tham khảo ý kiến ​​của kỹ sư hàn hoặc chuyên gia vật liệu, người có thể cung cấp hướng dẫn chuyên môn về các yêu cầu cụ thể của dự án của bạn.