Dây hàn nhôm cho bình chịu áp lực và bồn chứa

Vì sao bồn chứa và thiết bị chứa dùng hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có độ bền riêng cao, lớp màng oxit hình thành tự nhiên trên bề mặt cho khả năng chống ăn mòn tốt, và không bị chuyển biến giòn ở nhiệt độ thấp, vì vậy được ứng dụng rộng rãi cho bồn chứa nhiệt độ thấp, xe bồn vận chuyển cũng như thiết bị chứa trong ngành hóa chất và khu vực ven biển. So với thiết bị bằng thép, bồn chứa bằng hợp kim nhôm giảm đáng kể khối lượng bản thân, có thể bỏ qua công đoạn sơn phủ chống ăn mòn bổ sung, đồng thời vẫn tin cậy trong các điều kiện siêu lạnh như LNG hay oxy lỏng. Với xe bồn — nơi chi phí vận chuyển và tải trọng hữu ích là yếu tố then chốt — lợi ích tổng hợp từ việc giảm khối lượng càng thể hiện rõ rệt.

Do phải chịu áp suất và chứa môi chất, kim loại nền của loại thiết bị này thường là hợp kim nhôm-magiê hệ 5xxx (phổ biến là 5083, 5086, 5454). Độ bền mối nối và độ đặc chắc của mối hàn quyết định trực tiếp việc toàn bộ thiết bị có được nghiệm thu hay không. Vì vậy, chọn mã dây hàn là khâu đầu tiên trong thiết kế quy trình — chọn đúng ngay từ đầu, các bước đánh giá quy trình hàn và kiểm tra không phá hủy về sau cũng dễ dàng đạt hơn.

Số F của kim loại phụ khi đánh giá quy trình hàn

Theo Bảng QW-432 của ASME BPVC Section IX, kim loại phụ nhôm được xếp vào các số F (F-number) từ F-21 đến F-26 (không có F-24). F-21 gồm các dây hàn hệ 1xxx như ER1100 và ER1188. F-22 gồm các dây hàn Al-Mg, bao gồm ER5183, ER5356, ER5554, ER5556, ER5654 và ER5754. F-23 gồm các dây hàn Al-Si, bao gồm ER4043, ER4047, ER4643, ER4943 và ER4010. ER2319 thuộc F-25, còn các loại Al-Si-Cu như ER4145 và ER4009 được xếp vào F-26. Như vậy dải sản phẩm TGM nằm trong hai nhóm: ba mã dây Al-Mg khuyến nghị trên trang này đều là F-22, còn hai mã dây Al-Si ER4043 và ER4047 là F-23.

Section IX xếp nhóm kim loại phụ theo số F dựa trên đặc tính sử dụng (QW-431), và việc thay đổi từ số F này sang số F khác là một biến số thiết yếu (essential variable) đối với đánh giá quy trình hàn (QW-404.4). Trên thực tế, bản thân việc chuyển đổi giữa các dây hàn F-22 như ER5356 và ER5183 không đòi hỏi PQR mới, trong khi chuyển sang dây hàn F-23 như ER4043 thì có. Section IX cũng lưu ý rằng việc xếp nhóm không có nghĩa là các dây hàn trong cùng nhóm có thể thay thế nhau tùy tiện mà không xét đến tính tương thích với kim loại nền cũng như các đặc tính luyện kim và cơ tính yêu cầu. Các biến số thiết yếu và biến số thiết yếu bổ sung khác của WPS — như số P của kim loại nền, chiều dày, độ bền kéo tối thiểu và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) — vẫn phải được đáp ứng.

Có hai hệ quả quan trọng trong chế tạo bồn chứa. Thứ nhất là độ bền: khi yêu cầu độ bền kéo tối thiểu của mối hàn là 40 ksi (276 MPa) trên 5083 hoặc 5456, ER5183 là dây hàn được khuyến nghị vì ER5356 thường không đạt được mức này — nghĩa là cùng số F không thay thế được việc kiểm tra độ bền kéo mà mối nối phải đạt. Thứ hai là nhiệt độ làm việc: ER5554 vẫn nằm trong F-22, nhưng được chọn cho làm việc lâu dài trên khoảng 65°C trên kim loại nền 5454 chứ không phải vì độ bền, và độ bền kéo ở trạng thái sau hàn của nó thấp hơn ER5356 hoặc ER5183.

Cách xếp nhóm trên tuân theo Bảng QW-432 và bảng hướng dẫn chọn dây hàn của AWS A5.10 như đã công bố; hãy đối chiếu với phiên bản Section IX được quy định cho hợp đồng của bạn. Nếu bạn đang đánh giá quy trình hàn cho một bồn chứa mới và cần ý kiến tham khảo về định hướng dây hàn, hãy gửi cho chúng tôi mác kim loại nền, chiều dày và nhiệt độ làm việc qua biểu mẫu liên hệ.

Vì sao mối hàn bị loại ở khâu kiểm tra — rỗ khí mới chỉ là một nửa vấn đề

Mối hàn của bình chịu áp lực và bồn chứa thường phải kiểm tra không phá hủy theo phương pháp thể tích — phổ biến nhất là chụp ảnh phóng xạ, và dùng siêu âm ở những trường hợp tiêu chuẩn cho phép thay cho chụp phim. Tiêu chí nghiệm thu lại áp dụng cho hai nhóm khuyết tật theo hai cách hoàn toàn khác nhau; phân biệt được đâu là nhóm nào trước khi phim chụp trả về xưởng là việc nên làm, chứ không phải đợi đến lúc đó mới tìm hiểu.

Theo ASME Section VIII, Division 1, việc nghiệm thu chụp ảnh phóng xạ do UW-51 quy định: nứt, không thấu (lack of penetration) và không ngấu (lack of fusion) đều không được chấp nhận ở bất kỳ kích thước nào — chỉ cần xuất hiện một chỉ thị thuộc ba dạng này là mối hàn không đạt nghiệm thu; tiêu chuẩn không đưa ra ngưỡng kích thước nào để châm chước. Ngược lại, các chỉ thị tròn, tức rỗ khí, lại được đánh giá theo biểu đồ rỗ khí trong tiêu chuẩn, ở đó cả kích thước từng lỗ rỗ lẫn mức độ tập trung của chúng đều được tính đến: một loạt lỗ rỗ tuy nhỏ nhưng nằm tập trung trong một đoạn ngắn vẫn có thể bị loại, dù không có lỗ nào vượt quá kích thước cho phép. Kiểm tra siêu âm có bộ tiêu chí nghiệm thu riêng (UW-53 cùng Phụ lục bắt buộc 12), nhưng cách phân chia vẫn như vậy: nhóm khuyết tật dạng nứt không có mức châm chước nào.

Hệ quả thực tế đối với xưởng chế tạo bồn nhôm là: rỗ khí được chú ý nhiều nhất vì nó xuất hiện thường xuyên nhất, nhưng khuyết tật không ngấu mới là dạng tốn kém hơn nhiều khi bị phát hiện, bởi nó không có mức chấp nhận nào cả. Rỗ khí bắt nguồn từ hydro — hơi ẩm và nhiễm bẩn trên dây hàn, trong mối nối hoặc trong đường khí. Không ngấu lại bắt nguồn từ nhiệt và màng oxit: nhôm dẫn nhiệt ra khỏi mối nối rất nhanh, nên tại chỗ bắt đầu đường hàn, hoặc ở những chỗ nhiệt lượng đưa vào quá thấp so với chiều dày vật liệu, vũng hàn có thể chỉ tì lên mặt vát mà không thực sự thấm ướt mặt vát. Màng oxit bám chắc cũng cản trở sự thấm ướt tại mặt vát, và vì nhôm gần như không đổi màu khi sắp nóng chảy nên thợ hàn hầu như không có dấu hiệu quan sát nào để nhận biết.

Từ chỉ thị đến nguyên nhân

Dưới đây là cách đọc nhanh ý nghĩa thường gặp của một kết quả kiểm tra trên bồn nhôm, cùng với điều cần điều chỉnh ở mối nối tiếp theo. Việc nghiệm thu luôn được đánh giá theo tiêu chuẩn áp dụng và quy trình hàn đã qua đánh giá (WPS đã được PQR chứng nhận).

Đọc thêm: trình tự kiểm tra khi mối hàn bị rỗ khí, quy trình làm sạch trước khi hàn và cách kiểm tra khí bảo vệ — xem hướng dẫn xử lý rỗ khí khi hàn nhôm.