MỞ ĐẦU Trong công nghiệp hóa chất các dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục trong các điều kiện công nghệ khắc nghiệt đƣợc khống chế rất nghiêm ngặt và một môi trƣờng hóa chất gây nên han gỉ, hƣ hỏng cho các thiết bị, máy móc. Theo số liệu thống kê mới nhất, trong các nhà máy hóa chất chi phí dành cho bảo vệ chống ăn mòn chiếm 70 - 80% chi phí sửa chữa và dịch vụ sửa chữa trong năm. Do vậy, ngƣời ta ngày càng chú ý hơn đến việc bảo vệ chống ăn mòn thiết bị công nghệ để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn. Một trong các kỹ thuật bảo vệ chống ăn mòn là lựa chọn loại vật liệu chế tạo nên kết cấu, máy móc có khả năng làm chậm quá trình ăn mòn.
Thép không gỉ, thép hợp kim cao chịu ăn mòn trên cơ sở thép crôm – niken có giá thành cao, là một trong những vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị, máy móc sản xuất hóa chất. Tuy vậy, ngƣời ta không thể sử dụng thép hợp kim để chế tạo hoàn toàn một kết cấu máy vì lý do kinh tế, mà chỉ sử dụng chúng cho từng vị trí công nghệ có yêu cầu cao về nhiệt và chống mòn. Từ đây, vấn đề sử dụng các kết cấu đƣợc hình thành từ hai loại vật liệu là thép cacbon và thép không gỉ đã đƣợc đặt ra. Để đáp ứng điều này, các nhà chế tạo máy đã đƣa ra giải pháp là sử dụng đồng thời thép hợp kim (thép không gỉ) và thép cacbon trong một kết cấu bằng kỹ thuật hàn.
Đây là một vấn đề khó khăn vì trong thực tế, để xây dựng một qui trình hàn thép không gỉ - thép cacbon là không đơn giản vì chúng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật mà còn phụ thuộc vào tay nghề của ngƣời thợ. Ngoài ra, để xây dựng qui trình này cần tiến hành một số lƣợng lớn thực nghiệm với các mác thép cụ thể để đảm bảo đƣợc chất lƣợng mối hàn sao cho khi qua kiểm tra, đánh giá phân tích không có các khuyết tật hàn. Đây là các nội dung chính đƣợc quan tâm đề cập đến trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tính cấp thiết của đề tài Việc tham gia của các kim loại khác nhau trong cùng một kết cấu nói chung là một thách thức lớn về công nghệ vì sự khác biệt trong các tính chất lý tính, cơ 1 tính và phƣơng pháp luyện kim của các kim loại cơ bản.
Đây chính là vấn đề khó khăn khi sử dụng hai kim loại khác nhau (ở đây là thép cacbon và thép không gỉ) để chế tạo các kết cấu cơ khí bằng phƣơng pháp hàn.1: Sản xuất hệ vỏ & ống trao đổi nhiệt sử dụng hai vật liệu Sự tham gia của kim loại khác nhau đã mang đến một tiềm năng sử dụng những lợi thế của vật liệu khác nhau để chế tạo ra các kết cấu cơ khí ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, nhà máy nhiệt điện. Mục đích chính của việc sử dụng kim loại thứ hai tham gia trong kết cấu là để đạt đƣợc tính chất cơ học tốt hoặc là khối lƣợng riêng thấp hay có tính chống ăn mòn tốt. Và kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng cho phép sử dụng hai kim loại khác nhau trong những năm gần đây là kỹ thuật hàn. Mặc dù những vấn đề liên quan đến hàn các vật liệu khác nhau là rất hạn chế, xuất phát từ các vấn đề nhƣ độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn nhƣ hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon.
Thép không gỉ austenit là thép hợp kim cao làm tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn và tăng độ bền của kết cấu. Thép cacbon thấp và trung bình là thép dễ dàng gia công bằng các quá trình cơ khí và quá trình hàn. Nhu cầu sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này trong một số ngành công nghiệp bằng kỹ thuật hàn đã đƣa đến các tiến bộ nhƣ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí trơ (GTAW/TIG). Trong các tiêu chuẩn AWS D1.6 và ASME IX việc hàn hai kim loại khác nhau đƣợc đề cập đến với các thông số khá tổng quát và phạm vi giá trị khá rộng.
Do vậy, việc xác định các qui trình hàn phù hợp cho hai vật liệu với mác cụ thể là một khó khăn do đòi hỏi số lƣợng lớn thí nghiệm và chi 2 phí đo kiểm cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ về số nhà máy lọc hoá dầu ở Việt Nam, nhu cầu xây dựng các bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas càng đòi hỏi phải có các qui trình hàn để hàn hai loại vật liệu khác nhau nhƣ thép cacbon thấp và thép không gỉ. Xuất phát từ thực tiễn đó, việc nghiên cứu và đề xuất công nghệ hàn hai vật liệu khác nhau đã đƣợc triển khai nghiên cứu trong đề tài: “Nghiên cứu xây dựng qui trình chế tạo và kiểm tra mối hàn các vật liệu khác nhau bằng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Mục tiêu chính của đề tài là đƣa ra một quy trình hàn và thông số hàn hợp lý để chế tạo chi tiết mẫu hai vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM là thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L [20] ở dạng liên kết giáp mối vát cạnh chữ V, bằng phƣơng pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas).
- Mục tiêu thứ hai của đề tài là nghiên cứu và xây dựng qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu hai vật liệu có khuyết tật hàn. Trên cơ sở đó chế tạo thử nghiệm chi tiết mẫu có khuyết tật hàn phục vụ trong đào tạo kiểm tra khuyết tật mối hàn bằng phƣơng pháp siêu âm và chụp ảnh phóng xạ. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu công nghệ hàn thép cacbon và thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn TIG.
Đây là liên kết hàn giáp mối vát cạnh chữ V, trên hai loại vật liệu khác nhau về cấu trúc, cơ tính, lý tính và hóa tính. Các vật liệu cơ bản là thép tấm cacbon A516 Grade 65 và thép tấm không gỉ austenit A240 316L [20].2: Liên kết hàn giáp mối thép cacbon – thép không gỉ 3 1. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu: - Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L. - Qui trình hàn chế tạo khuyết tật thiếu thấu chân và khuyết tật nứt cặp vật liệu là thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L.
- Chế tạo thử nghiệm mẫu hàn và các mẫu hàn có các khuyết tật thiếu ngấu chân, khuyết tật nứt. Phƣơng pháp nghiên cứu Vì đây là một đề tài thực hiện mà các quy trình hàn, thông số hàn, vật liệu hàn chƣa đƣợc quy định thành các tiêu chuẩn. Cho nên để thỏa mãn tính công nghệ và tính kinh tế tác giả lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu là: Nghiên cứu lý thuyết + thực nghiệm. cụ thể: - Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nƣớc, từ đó xác định những nội dung cần thiết mà đề tài cần giải quyết.
đồng thời khảo sát trang thiết bị sẵn có ở trong nƣớc để phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài. - Nghiên cứu kỹ cấu trúc, tính chất của cặp vật liệu, lý thuyết về ứng xử của kim loại cơ bản trong quá trình hàn và công nghệ hàn thép cacbon - thép không gỉ từ đó đƣa ra các biện pháp công nghệ để thực hiện đƣờng liên kết hàn. - Sử dụng các thiết bị thông dụng để tiến hành hàn thực nghiệm, kiểm tra, đo đạc, đánh giá quá trình thực hiện. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại từ đó làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn và các mẫu hàn có khuyết tật thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn TIG.
- Xác định đƣợc thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn phụ để hàn cặp vật liệu liệu thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L. 4 - Tính chọn đƣợc các thông số hàn (cƣờng độ dòng điện hàn, vận tốc hàn, nhiệt độ giữa các đƣờng hàn) phù hợp từ đó kiểm soát năng lƣợng đƣờng không vƣợt qua giới hạn cho phép. - Đề xuất đƣợc quy trình hàn chế tạo chi tiết mẫu và chi tiết mẫu có khuyết tật thiếu thấu chân, khuyết tật nứt cho thép cacbon A516 Grade 65 với thép không gỉ austenit A240 316L. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Cho phép ứng dụng phƣơng pháp hàn TIG để hàn thép cacbon A516 Grade 65 với thép không gỉ austenit A240 316L ở dạng liên kết hàn giáp mối tấm vát cạnh chữ V.
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo khuyết tật có chủ ý thƣờng gặp nhất trong quá trình hàn hai vật liệu này là khuyết tật thiếu thấu chân và khuyết tật nứt. - Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này góp phần vào quá trình đào tạo, kiểm tra không phá hủy (NDT), ứng dụng và chuyển giao công nghệ hàn hai vật liệu thép cacbon – thép không gỉ nói riêng và công nghệ hàn hai vật liệu nói chung vào quá trình chế tạo các kết cấu có hai hoặc nhiều chủng loại vật liệu trong các ngành công nghiệp đặc thù nhƣ đóng tàu, dầu khí, hóa chất,… 1. Nội dung đề tài Kết cấu của luận văn “Nghiên cứu xây dựng qui trình chế tạo và kiểm tra mối hàn các vật liệu khác nhau bằng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy” đƣợc thực hiện bao gồm các chƣơng sau: - Chƣơng 1: Giới thiệu - Chƣơng 2: Tổng quan - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết - Chƣơng 4: Quy trình hàn hai vật liệu khác nhau - Chƣơng 5: Thực nghiệm – Đánh giá - Chƣơng 6: Kết luận và kiến nghị 5 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2. GIỚI THIỆU VỀ KIM LOẠI HÀN 2.1 Thép không gỉ Thép không gỉ là một nhóm thép hợp kim cao, chứa ít nhất 12% crôm [1, 20].
Nói chung, chúng đƣợc tạo thành từ các nguyên tố hợp kim với một nguyên tố khác làm cho chúng có thể chống ăn mòn trong nhiều môi trƣờng khác nhau. Những nguyên tố này cũng làm thay đổi cấu trúc tế vi của thép hợp kim, do đó có ảnh hƣởng rõ rệt về tính chất cơ học và tính hàn của chúng.