Hàn Ống Đồng‐Niken: 5 Sai Lầm Làm Mất Khả Năng Chống Ăn Mòn (Và Cách Tránh Chúng)

Giới thiệu

Ống đồng-niken thường gặp sự cố trong môi trường nước biển chủ yếu vì mối hàn. Kim loại nền hiếm khi là nguyên nhân. Bản thân hợp kim — Cu-Ni 90/10 hoặc 70/30 — được thiết kế để tạo thành một lớp oxit bảo vệ có thể tồn tại hàng chục năm dưới dòng nước biển chảy liên tục. Tuy nhiên, quá trình hàn tạo ra ba vùng vi cấu trúc riêng biệt trong một vật liệu vốn đồng nhất: vùng hàn (WZ), vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và kim loại nền không bị ảnh hưởng (BM). Mỗi vùng có vi cấu trúc khác nhau và tiềm năng điện hóa khác nhau .

Chính sự không đồng nhất này là nơi bắt đầu hiện tượng ăn mòn.

Nghiên cứu đã nhiều lần chỉ ra rằng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thể hiện khả năng chống ăn mòn kém nhất trong mối hàn đồng–niken, do cấu trúc hạt thô hình thành từ nhiệt lượng hàn đưa vào . Các nghiên cứu khác phát hiện rằng, trong một số điều kiện nhất định, chính vùng hàn có thể chuyển từ cực catốt ban đầu được bảo vệ thành cực anốt bị ăn mòn gia tốc, với mật độ dòng ăn mòn cao nhất trong ba vùng .

Hợp kim không phải là vấn đề. Vấn đề nằm ở mối hàn. Dưới đây là năm sai lầm thường xuyên làm suy giảm khả năng chống ăn mòn của mối hàn ống đồng–niken — cùng các biện pháp cụ thể nhằm ngăn chặn chúng.

Sai lầm 1: Vượt quá nhiệt độ giữa các lớp hàn giới hạn

Đồng–niken không yêu cầu nung nóng trước, và điều này khiến nhiều thợ hàn nhầm tưởng hợp kim có khả năng chịu nhiệt tốt. Thực tế không phải vậy. Nhiệt độ giữa các lớp hàn — tức là nhiệt độ của vùng hàn ngay trước khi thực hiện lớp hàn tiếp theo — phải được kiểm soát trong một dải rất hẹp.

Đối với đồng–niken 90/10 và 70/30, nhiệt độ giữa các lớp hàn tối đa là 150°C (300°F) theo hầu hết các đặc tả dự án, với các hướng dẫn của AWS thường đề xuất giới hạn chặt chẽ hơn nữa ở mức 100°C . Một số tài liệu hàn đề xuất giới hạn nhiệt độ giữa các lớp hàn xuống mức thấp tới 65°C (150°F) để giảm thiểu sự pha loãng và ngăn ngừa nứt nóng.

Vượt quá giới hạn này gây ra ba hậu quả, tất cả đều làm giảm khả năng chống ăn mòn:

Làm thô cấu trúc hạt trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt vốn đã là điểm yếu nhất trong mối hàn Cu-Ni. Nhiệt độ giữa các lớp hàn cao hơn cho phép các hạt phát triển lớn hơn, làm tăng khả năng bị ăn mòn cục bộ và ăn mòn do vi sinh vật (MIC) ở vùng HAZ. Khi có mặt vi khuẩn khử sunfat (SRB), hiện tượng ăn mòn xảy ra ưu tiên tại vùng HAZ, nơi ứng suất dư và cấu trúc hạt bị thay đổi làm tăng hoạt tính anốt .

Thúc đẩy hình thành rỗ khí. Độ tan của các khí trong vũng hàn nóng chảy tăng khi nhiệt độ tăng. Khi mối hàn nguội đi, những khí này bị đẩy ra ngoài; nếu tốc độ làm nguội quá nhanh hoặc vũng hàn quá nóng, chúng sẽ bị giữ lại dưới dạng rỗ khí. Đối với hợp kim đồng–niken, rỗ khí không chỉ là khuyết tật về mặt thẩm mỹ — nó tạo ra các khe hở nơi nước biển có thể ứ đọng và khởi phát ăn mòn điểm.

Nó làm tổn hại quá trình hình thành màng bảo vệ. Màng oxit bảo vệ (Cu₂O có chứa niken và sắt) hình thành thông qua sự tương tác kiểm soát giữa bề mặt hợp kim và nước biển trong vài tuần. Một mối hàn bị quá nhiệt sẽ có thành phần hóa học bề mặt và vi cấu trúc khác biệt so với mối hàn được thực hiện ở nhiệt độ đúng, do đó màng hình thành sau cùng có thể mỏng hơn, ít đặc khít hơn và kém khả năng bảo vệ hơn.

Phòng ngừa:

• Sử dụng nhiệt kế tiếp xúc hoặc bút chì chỉ thị nhiệt độ để đo nhiệt độ giữa các lớp hàn trước mỗi lượt hàn. Không dựa vào ước lượng bằng mắt.

• Đối với ống thành mỏng (≤3 mm), mối hàn có thể nguội tự nhiên giữa các lượt hàn. Đối với các tiết diện dày hơn, cần làm mát bằng khí cưỡng bức — tuyệt đối không được làm mát nhanh bằng nước.

• Áp dụng một kỹ thuật hàn từng đường thẳng với chiều dài hồ quang tối thiểu để kiểm soát lượng nhiệt đưa vào và tránh các vũng hàn rộng, nóng làm tăng nhiệt độ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Lỗi 2: Làm sạch khí bảo vệ phía sau không đủ — Yếu tố gây ăn mòn vô hình

Đây là lỗi gây hại nghiêm trọng nhất trong hàn ống đồng-niken, và người thợ hàn không thể quan sát được lỗi này trong suốt quá trình hàn.

Khi bề mặt bên trong mối hàn ống đồng-niken tiếp xúc với không khí trong quá trình hàn, nhiệt sinh ra khiến bề mặt bên trong bị oxy hóa. Kết quả là hình thành một lớp vảy oxit màu đen hoặc xanh lam — thường được mô tả bởi thợ hàn là có vẻ ngoài ‘bong tróc’ hoặc ‘cháy’ — tại phần chân mối hàn bên trong. Lớp oxit này khác biệt về mặt hóa học so với kim loại cơ bản xung quanh và cũng yếu hơn về mặt cơ học.

Hậu quả ăn mòn rất nghiêm trọng. Phần chân mối hàn được làm sạch không đầy đủ tạo ra một bề mặt có tiềm năng điện hóa khác với kim loại cơ bản liền kề. Trong môi trường nước biển, sự chênh lệch này thúc đẩy hiện tượng ăn mòn điện hóa. Vùng chân mối hàn đã bị oxy hóa trở thành cực dương và bị ăn mòn ưu tiên. Vấn đề trở nên trầm trọng hơn trong các hệ thống nước biển, nơi bề mặt bên trong luôn tiếp xúc với chất điện ly đang chảy: một khi ăn mòn bắt đầu tại chân mối hàn, nó sẽ lan dọc theo đường hàn và cuối cùng gây thủng toàn bộ thành ống.

Kinh nghiệm thực tiễn của ngành đối với hệ thống ống đồng-niken xác nhận điều này. Các diễn đàn hàn ghi nhận rằng nếu không thực hiện làm sạch khí phía sau (back purge) đầy đủ, bề mặt bên trong sẽ xuất hiện ‘dấu hiệu bong tróc, trông như một lớp đồng đã bị cháy đi’ — đây là dấu hiệu trực quan rõ ràng cho thấy khả năng chống ăn mòn đã bị suy giảm. thực hành khuyến nghị là duy trì nồng độ oxy ở mức khoảng 100 phần triệu (ppm) bên trong ống trong quá trình hàn, hoặc ít nhất đảm bảo hàm lượng ôxy ở mặt sau dưới 2% trước khi hàn .

Phòng ngừa:

• Sử dụng thiết bị giám sát làm sạch khí hàn. Không đánh giá chất lượng làm sạch khí chỉ dựa vào thời gian lưu lượng khí. Thiết bị giám sát ôxy có khả năng đo xuống tới 10 ppm là tiêu chuẩn cho các mối hàn quan trọng.

• Làm sạch khí bằng argôn hoặc nitơ độ tinh khiết 99,9% cho đến khi hàm lượng ôxy giảm xuống dưới ngưỡng quy định trước khi đánh lửa hồ quang. Tiếp tục dẫn khí làm sạch cho đến khi đạt khoảng 6 lần thay thể tích trong đoạn ống .

• Duy trì lưu lượng khí làm sạch trong quá trình trong suốt quá trình hàn — không chỉ trước khi hàn. Khí làm sạch phải được duy trì cho đến khi lớp hàn gốc nguội xuống dưới ngưỡng oxy hóa.

• Sử dụng vòng băng keo nhôm hoặc màng làm sạch hòa tan trong nước để giữ khí làm sạch trong khu vực mối hàn thay vì làm sạch toàn bộ đoạn ống. Điều này giúp giảm tiêu thụ khí và cải thiện độ ổn định của quá trình làm sạch .

• Lắp đặt bộ che phía sau trên mỏ hàn để bảo vệ mặt trên của phần chân mối hàn khi đang nguội .

Lỗi 3: Sử dụng que hàn không phù hợp

Việc hàn đồng-niken là trường hợp đặc biệt vì que hàn tiêu chuẩn không không tương thích về thành phần với vật liệu cơ bản. Đây không phải là sai sót — mà là do chủ đích.

Que hàn đúng cho hàn Cu-Ni 90/10 là ERCuNi (AWS A5.7 lớp ERCuNi), chứa khoảng 65% Cu, 30–32% Ni và 0,20–0,50% titan titanium đảm nhiệm một chức năng then chốt: hoạt động như chất khử oxy, ngăn ngừa sự xốp và loại bỏ khả năng giòn hóa do oxy trong kim loại mối hàn hoặc vùng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt. .

Khi thợ hàn hoặc thợ gia công sử dụng dây hàn phụ ‘tương thích’ 90/10 — hoặc tệ hơn là dùng dây hàn gốc niken như ERNiCu-7 — hiệu suất chống ăn mòn của mối hàn sẽ thay đổi. ERNiCu-7 (65% Ni, 27% Cu) là một dây hàn phụ hợp lệ cho một số ứng dụng hàn Cu-Ni và thường được dùng cho các mối nối kim loại khác nhau, nhưng nó tạo ra lớp kim loại hàn có tiềm năng điện hóa khác biệt so với ERCuNi. Trong điều kiện vận hành dưới nước biển — khi mối hàn tiếp xúc cùng môi trường với kim loại cơ bản — việc chọn sai dây hàn phụ có thể hình thành một cặp điện hóa ngay trong chính mối nối.

Ngược lại, kim loại hàn với ERCuNi thường thể hiện tốt hơn khả năng hình thành màng và khả năng chống ăn mòn cao hơn vùng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ), chính xác vì hàm lượng niken cao hơn trong dây hàn phụ thúc đẩy sự hình thành một lớp màng oxit bảo vệ bền vững hơn. đây là một trong những lý do khiến vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), chứ không phải kim loại mối hàn, thường là vị trí phá hủy trong các mối hàn đồng-niken được thực hiện đúng cách.

Phòng ngừa:

• Chỉ định ERCuNi (AWS A5.7) là kim loại que hàn cho tất cả các mối hàn ống đồng-niken dùng trong môi trường nước biển. Ghi rõ phân loại AWS vào quy trình hàn (WPS).

• Đối với các mối hàn quan trọng, cần xác minh chứng chỉ kim loại que hàn nêu rõ hàm lượng titan nằm trong khoảng 0,20–0,50%.

• Không được thay thế bằng ERNiCu-7 hoặc ERNi-1 trừ khi quy trình hàn (WPS) cụ thể cho phép việc này đối với một cấu hình mối hàn nhất định.

• Bảo quản dây hàn trong bao bì gốc và bảo vệ khỏi ô nhiễm từ khí quyển. Dây hàn đồng-niken dễ hấp thụ độ ẩm, dẫn đến hiện tượng rỗ khí.

Sai lầm 4: Bỏ qua công tác làm sạch trước khi hàn và loại bỏ lớp xỉ nhiệt sau khi hàn.

Đồng-niken rất nhạy cảm với nhiễm bẩn bề mặt. Dầu, mỡ, độ ẩm và màng oxit trên các bề mặt tiếp xúc hoặc trên dây hàn sẽ đi thẳng vào vũng hàn, gây ra rỗ khí và tạp chất—những yếu tố khởi phát ăn mòn.

Nghiêm trọng hơn, màu nhiệt (heat tint) lớp vảy hình thành trên bề mặt mối hàn và vùng HAZ liền kề sau khi hàn không chỉ mang tính thẩm mỹ. Đây là một lớp oxit có thành phần hóa học khác với màng bảo vệ mà hợp kim sẽ tự nhiên tạo ra trong quá trình vận hành. Vùng bị đổi màu do nhiệt có tiềm năng điện hóa khác so với kim loại cơ bản sạch và sẽ bị ăn mòn ưu tiên trong nước biển.

Phân tích nguyên nhân hư hỏng của các cút hàn B10 Cu-Ni xác nhận điều này: những khu vực gần đường hàn trên cút — nơi gờ hàn nhô vào dòng chảy và nơi khả năng xuất hiện vảy nhiệt là cao nhất — được xác định là các vùng then chốt dễ bị ăn mòn-xói mòn. .

Phòng ngừa:

• Làm sạch khu vực mối nối — mặt rãnh và 20 mm về mỗi bên — bằng vật liệu mài cơ học (Scotch-Brite hoặc bàn chải thép không gỉ) rồi lau lại bằng dung môi (acetone hoặc isopropanol) . Thực hiện việc này ngay trước khi hàn, chứ không phải vài giờ trước đó.

• Cắt bỏ đầu dây que hàn trước khi sử dụng để tránh đưa tạp chất đã bị oxy hóa vào phần chân mối hàn .

• Sau khi hàn, loại bỏ toàn bộ vảy nhiệt từ nắp mối hàn và vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ) bằng cách sử dụng kem tẩy rửa, làm sạch điện phân hoặc các phương pháp cơ học được phê duyệt dành riêng cho đồng-niken. Không để lại lớp oxit do nhiệt (heat tint) và giả định rằng nó sẽ ‘tự thụ động hóa’ trong quá trình vận hành. Điều này sẽ không xảy ra.

• Đối với mặt trong của ống, cần xác minh rằng phần chân mối hàn có vẻ ngoài sáng bóng, kim loại (không đen hay xanh lam) sau khi xả khí bảo vệ. Nếu phần chân bị đổi màu, mối hàn không đạt yêu cầu cho dịch vụ nước biển.

Sai lầm 5: Chứng nhận quy trình hàn không đúng và thiếu kiểm tra sau hàn

Việc hàn đồng-niken không được bao quát bởi các mẫu quy trình hàn chung (WPS) thường dùng cho thép carbon hoặc thép không gỉ. Hợp kim này đòi hỏi một quy trình chứng nhận được thiết kế đặc biệt nhằm giải quyết các đặc tính riêng biệt của nó: độ dẫn nhiệt cao (ảnh hưởng đến yêu cầu về lượng nhiệt đưa vào), dễ bị nứt nóng do các tạp chất có điểm nóng chảy thấp, và hiện tượng nứt giảm độ dẻo trong khoảng nhiệt độ từ 1.470–2.010°F .

Một quy trình hàn được chứng nhận (WPS) dành cho hợp kim đồng-niken 90/10 ở một dải độ dày hoặc một vị trí hàn cụ thể sẽ không tự động có hiệu lực cho dải độ dày hoặc vị trí hàn khác. Hàm lượng niken, hàm lượng sắt và hàm lượng titan trong que hàn đều ảnh hưởng đến khả năng nứt, và các thông số hàn phù hợp với hợp kim 90/10 có thể không phù hợp với hợp kim 70/30.

Hậu quả của việc chứng nhận không đầy đủ không biểu hiện ngay lập tức. Các mối hàn vượt qua kiểm tra bằng mắt thường và thậm chí cả kiểm tra bằng tia phóng xạ vẫn có thể chứa các khuyết tật tiềm ẩn — như thấu sâu không đầy đủ tại chân mối hàn, thiếu sự hòa nhập tại các thành bên hoặc nứt vi mô trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) — những khuyết tật này chỉ bộc lộ dưới dạng rò rỉ sau nhiều tháng tiếp xúc với nước biển. Một cuộc điều tra phát hiện rằng rò rỉ tại các mối nối ống đồng-niken là do thấu sâu không đầy đủ tại chân mối hàn, tạo thành một vết lõm hoạt động như điểm tập trung ứng suất và nơi khởi phát nứt mỏi.

Phòng ngừa:

• Chứng nhận WPS theo ASME Section IX hoặc tiêu chuẩn dự án áp dụng, bằng cách sử dụng các mẫu thử khớp với độ dày và cấu hình mối nối trong sản xuất thực tế.

• Chứng nhận thợ hàn đặc biệt cho hợp kim đồng - niken. Thợ hàn đã được chứng nhận để hàn thép không gỉ hoặc thép carbon không tự động đủ điều kiện để hàn Cu-Ni.

• Hoạt động kiểm tra bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ (RT) 100% trên tất cả các mối hàn giáp mép phục vụ trong môi trường nước biển. Đối với các mối hàn quan trọng, bổ sung RT bằng kiểm tra thấm màu (PT) kiểm tra trực quan mặt đáy trước khi hoàn thiện lớp phủ ngoài.

• Đối với mối hàn ống, thực hiện kiểm tra trực quan mặt đáy sau khi làm sạch khí bảo vệ — bằng ống soi hoặc quan sát trực tiếp nếu có thể tiếp cận. Các vùng mặt đáy bị đổi màu là lý do để loại bỏ.

• Bao gồm kiểm tra Ferroxyl hoặc một phương pháp xác minh khả năng chống ăn mòn tương đương trên một mẫu mối hàn từ mỗi lô sản xuất, đặc biệt đối với các dự án có nguy cơ ăn mòn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cao.

Danh sách kiểm tra hàn thực tế

Những điều quan trọng

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là điểm yếu của bạn. Mọi quyết định hàn — năng lượng nhiệt đưa vào, nhiệt độ giữa các lớp hàn, que hàn — đều phải được đưa ra nhằm mục tiêu giảm thiểu suy giảm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có khả năng chống ăn mòn kém nhất trong ba vùng do hiện tượng thô hóa hạt gây ra bởi nhiệt hàn.

Thổi khí trơ mặt sau là bắt buộc. Gốc bị oxy hóa chính là vị trí ăn mòn tiềm tàng sẽ dẫn đến hỏng hóc. Giám sát nồng độ oxy. Không được ước tính.

Que hàn tiêu chuẩn là ERCuNi, không phải ERNiCu-7. Titan trong que hàn ERCuNi có vai trò quan trọng. Hãy sử dụng nó.

Phải loại bỏ lớp xỉn do nhiệt. Đây không phải là vấn đề thẩm mỹ. Đây là một vật liệu khác với hành vi ăn mòn khác.

Thủ tục đủ điều kiện dành riêng cho đồng-niken. Các mẫu quy trình hàn chung (WPS) sẽ không mang lại kết quả đáng tin cậy. Đồng-niken có cơ chế nứt riêng, đặc tính nhiệt riêng và yêu cầu riêng về que hàn.