15CrMo tấm thép chịu nhiệt mô Pearlite, có độ bền nhiệt cao (δb ≥440MPa) và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, và có khả năng chống ăn mòn hydro nhất định. Do hàm lượng Cr, C và các yếu tố hợp kim khác cao hơn trong thép, xu hướng cứng của thép rõ ràng hơn và khả năng hàn kém.

Khả năng hàn 15CrMo

 Vật liệu hàn

Đặc điểm làm việc cho khả năng hàn của thép 15CrMo,

Đề án Ⅰ: hàn sơ nhiệt, sử dụng dây hàn ER80S-B2L, đế hàn T1G, điện cực E8018-B2, bề mặt hàn hồ quang của điện cực hàn, xử lý nhiệt cục bộ sau khi hàn.

Xử lý nhiệt sau hàn

Các bộ phận thử nghiệm với sơ đồ hàn I được thông qua, sau khi hàn nên được xử lý ủ nhiệt độ cao cục bộ. Quá trình xử lý nhiệt là: tốc độ nóng lên 200 ℃/h, tăng lên 715 ℃ cách nhiệt trong 1 giờ 15 phút, tốc độ làm mát 100 ℃/h, giảm xuống 300 ℃ sau khi làm mát không khí. Cụ thể, JL-4 loại bánh xích điện nóng (1146 × 310) được sử dụng để bọc các mối hàn, cách nhiệt bằng lớp len nhôm silicat, độ dày của lớp cách nhiệt là 50mm, kiểm soát nhiệt độ bằng cách sử dụng DJK-A loại điện nóng tự động điều khiển nhiệt kế.

Kết quả kiểm tra đánh giá quá trình hàn

Sơ đồ kiểm tra Kiểm tra độ bền kéo Kiểm tra độ uốn Kiểm tra độ bền tác động aky (J/cm2)

Độ bền kéo δb/Mpa Vị trí gãy Góc uốn cong Mặt cong Trở lại Đường nối nóng chảy Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Phương án Ⅰ 550/530 vật liệu mẹ 50. Đủ điều kiện 84,8 162 135,6

Phương án II 525/520 Nguyên liệu cơ bản 50. Đủ điều kiện 79,4 109,2 96,7

Quy trình hàn 15CrMo

2.1 Vật liệu hàn

Đối với khả năng hàn của thép 15CrMo và đặc điểm làm việc của đường ống áp suất cao tại chỗ, theo kinh nghiệm trước đây, tham khảo thẻ công nghệ hàn được cung cấp ở nước ngoài, chúng tôi đã chọn hai phương án để thử nghiệm hàn.

Đề án Ⅰ: hàn sơ nhiệt, sử dụng dây hàn ER80S-B2L, đế hàn T1G, điện cực E8018-B2, bề mặt hàn hồ quang của điện cực hàn, xử lý nhiệt cục bộ sau khi hàn.

Đề án II: Sử dụng dây hàn ER80S-B2L, đế hàn T1G, điện cực E309Mo-16, điện cực hàn lấp đầy bề mặt hàn hồ quang, không xử lý nhiệt sau khi hàn. Xem Bảng 1 về thành phần hóa học và tính chất cơ học của dây và que hàn.

Bảng 1 Thành phần hóa học và tính chất cơ học của vật liệu hàn

Mô hình C Mn Si Cr Ni Mo S P δb/Mpa δ,%

ER80S-B2L≤0.05 0.70.41.2 <0.20.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤500 25

E8018-B2 0.070.7 0.3 1.1 0.5 ≤0.04 ≤0.03 550 19

E309Mo-16≤0.12 0.5～2.5 0.9 22.0～25.0 12.0～14.0 2.0～3.0≤0.025≤0.035 550 25

2.2 Chuẩn bị trước khi hàn

Các bộ phận thử nghiệm sử dụng ống thép 15CrMo, đặc điểm kỹ thuật là φ325 × 25, loại vát và kích thước xem Hình 1.

Trước khi hàn, sử dụng máy mài góc để đánh bóng bên trong và bên ngoài bevel và cạnh bevel trong phạm vi 50mm để lộ ra ánh kim loại, sau đó rửa sạch bằng acetone.

Các mẫu thử là vị trí cố định ngang, khoảng cách cửa khẩu là 4mm, sử dụng hàn hồ quang vonfram argon thủ công để hàn sáu điểm dọc theo chu vi vườn, mỗi điểm phải có chiều dài cố định không nhỏ hơn 20mm. Điện cực được nướng theo các thông số kỹ thuật của Bảng 2.

Bảng 2 Đặc điểm kỹ thuật nướng que hàn

Mô hình que hàn Nhiệt độ nướng Thời gian cách nhiệt

E8018-B2 300 ℃ 2h

E309Mo-16 150 ℃ 1.5h

Thông số kỹ thuật

Theo sơ đồ I, cần phải làm nóng trước khi hàn, dựa trên công thức nhiệt độ được đề xuất bởi Tto-Bessyo và cộng sự:

To=350 √ [C] -0,25 (℃) trong công thức, To - nhiệt độ khởi động, ℃.

[C]=[C]x [C]p [C]p=0.005S[C]x

[C] x=C (Mn Cr)/9 Ni/18 7Mo/90 Công thức,

[C] x - thành phần carbon tương đương;

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2) S - Độ dày của mẫu thử (S=25mm trong bài viết này);

[C]x=C （Mn Cr）/9 7/90Mo=0.361

[C] p=0,045 thì To=138 ℃

Do đó, nhiệt độ khởi động được chọn là 150 ℃. Sử dụng ngọn lửa oxy-axetylen để làm nóng mẫu thử, trước tiên sử dụng bút đo nhiệt độ để đánh giá sơ bộ nhiệt độ bề mặt của mẫu thử (ước tính tốc độ thay đổi màu chữ viết tay nhanh và chậm), và cuối cùng xác định nhiệt kế điểm bán dẫn, điểm đo nên chọn ít nhất ba điểm để đảm bảo rằng toàn bộ mẫu thử đạt được nhiệt độ làm nóng trước yêu cầu.

Khi hàn, lớp đầu tiên được làm nền bằng cách sử dụng hàn hồ quang argon vonfram thủ công. Để tránh lõm ở mặt sau của mối hàn tại hàn ngửa, phương pháp điền dây bên trong được sử dụng khi cho ăn dây, tức là dây được đưa vào từ ống thông qua khoảng cách cửa khẩu. Các lớp còn lại được hàn hồ quang với điện cực hàn, tổng cộng 6 lớp, mỗi lớp một đường hàn. Các thông số kỹ thuật hàn của sơ đồ I và sơ đồ II được trình bày trong Bảng 3 và 4. Theo sơ đồ I hàn

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Tên đường hàn Phương pháp hàn Vật liệu hàn Đặc điểm kỹ thuật/mm Dòng hàn/A Điện áp hồ quang/V Preheating và nhiệt độ giữa các lớp Đặc điểm kỹ thuật xử lý nhiệt

Tấm vonfram đánh đáy Argon Arc hàn ER80S-B2Lφ2.4 110 12

Điện cực hàn lớp hàn hồ quang E8018-B2 φ3,2 5 85 ～ 90 23 ～ 25150 ℃ 715. ×75min

Điện cực hàn lớp vỏ E8018-B2 φ3,2 5 85 ～ 90 23 ～ 25

Bảng 4 Các thông số quá trình hàn cho sơ đồ II

Tên đường hàn Phương pháp hàn Vật liệu hàn Đặc điểm kỹ thuật/mm Dòng hàn/A Điện áp hồ quang/V Preheating và nhiệt độ giữa các lớp Đặc điểm kỹ thuật xử lý nhiệt

Tấm vonfram đánh đáy Argon Arc hàn ER80S-B2Lφ2.4 110 12

Điện cực hàn lớp hàn hồ quang E309Mo-16φ3.2 90 ～ 95 22 ～ 24//

Điện cực hàn lớp vỏ E309Mo-16φ3.2 90 ～ 95 22 ～ 24

Khi tiếp xúc, nhiệt độ giữa các lớp không được thấp hơn 150 ℃, để ngăn chặn sự gián đoạn hàn gây ra sự mát mẻ của các bộ phận thử nghiệm. Khi áp dụng hàn nên có hai thợ hàn hoạt động luân phiên. Các biện pháp giữ ấm và làm mát nên được thực hiện ngay sau khi hàn.

2.4 Xử lý nhiệt sau hàn

3 Kiểm tra đánh giá quá trình hàn

Kiểm tra lỗ hổng siêu âm 100% được thực hiện theo tiêu chuẩn JB4730-94 "Kiểm tra không phá hủy bình áp lực" sau khi hàn mẫu thử. Mối hàn loại I là đủ điều kiện. Kiểm tra đánh giá quá trình hàn theo tiêu chuẩn JB4708 "Đánh giá quá trình hàn của tàu áp lực thép". Kết quả đánh giá được trình bày trong Bảng 5.

Bảng 5 Kết quả kiểm tra đánh giá quá trình hàn

Sơ đồ kiểm tra Kiểm tra độ bền kéo Kiểm tra độ uốn Kiểm tra độ bền tác động aky (J/cm2)

Độ bền kéo δb/Mpa Vị trí gãy Góc uốn cong Mặt cong Trở lại Đường nối nóng chảy Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Phương án Ⅰ 550/530 vật liệu mẹ 50. Đủ điều kiện 84,8 162 135,6

Phương án II 525/520 Nguyên liệu cơ bản 50. Đủ điều kiện 79,4 109,2 96,7

Từ kết quả kiểm tra độ bền kéo, có thể thấy rằng cả hai mẫu thử kéo của sơ đồ đều bị hỏng trong vật liệu cơ bản, cho thấy độ bền kéo của mối hàn cao hơn vật liệu cơ bản; Kiểm tra uốn tất cả đều đạt tiêu chuẩn, cho thấy độ dẻo của mối hàn tốt hơn. Theo kết quả kiểm tra độ dẻo dai tác động trong Bảng 5, độ dẻo dai tác động của sơ đồ I cao hơn đáng kể so với sơ đồ II, chứng minh rằng đặc điểm kỹ thuật xử lý nhiệt sau hàn của sơ đồ I là lý tưởng, ủ nhiệt độ cao không chỉ đạt được mục đích cải thiện tổ chức khớp và hiệu suất, mà còn làm cho độ dẻo dai và sức mạnh phù hợp. Từ kết quả của tính chất cơ học ở nhiệt độ phòng, có thể thấy rằng cả hai phương án quy trình hàn được đề xuất đều có thể được sử dụng trong xây dựng hiện trường. Đề án I sử dụng điện cực hàn gần với thành phần cơ bản. Hiệu suất của mối hàn phù hợp với vật liệu cơ bản. Mối hàn phải có độ bền nhiệt cao. Việc sử dụng lâu dài của mối hàn ở nhiệt độ cao không dễ bị phá hủy. Khó khăn là thông số kỹ thuật xử lý nhiệt sau khi hàn tương đối nghiêm ngặt, nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt và kiểm soát tốc độ sưởi ấm và làm mát không đúng sẽ gây ra sự suy giảm hiệu suất hàn. Đề án II sử dụng điện cực hàn thép không gỉ Austenitic để áp dụng hàn, mặc dù có thể loại bỏ xử lý nhiệt sau hàn, nhưng do hệ số giãn nở của mối hàn và vật liệu cơ bản khác nhau, hiện tượng di chuyển khuếch tán carbon có thể xảy ra khi làm việc ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, dễ dẫn đến sự phá hủy của mối hàn trong khu vực nóng chảy. Vì vậy, xét về độ tin cậy sử dụng, việc áp dụng phương án hàn tại chỗ ổn định hơn.

4 Kết luận

Hàn ống áp suất cao 15CrMo thép dày tường là khả thi với cả hai phương án hàn. Để đảm bảo hiệu suất mối hàn phù hợp với vật liệu gốc và có độ bền nhiệt cao, sử dụng sơ đồ Ⅰ hiệu quả tốt hơn, điều quan trọng là kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý nhiệt sau khi hàn.

Phương án II Mặc dù có thể loại bỏ xử lý nhiệt sau hàn, nhưng khả năng mối hàn bị phá hủy do sự di chuyển của carbon ở nhiệt độ cao không thể bỏ qua, do đó, chỉ khi xử lý nhiệt không thể được thực hiện sau khi hàn.

Công thức tính toán trọng lượng tấm thép 15crmo: L × W × Dày × 0,00785=kg/m

Vòng ngoài chuyển sang màu vàng

 Tấm thép hợp kim 15CrMo là cán hai, một vòng ngoài bắt đầu chuyển sang màu vàng và không gỉ Đây là lý do gì?

Để loại bỏ lớp oxit sắt trên bề mặt tấm thép hợp kim 15CrMo, hiện tại đa phương pháp ngâm liên tục, sau khi ngâm bề mặt tấm thép hợp kim 15CrMo thường kèm theo axit, vì lý do này, cần phải rửa bằng nước lạnh hoặc nước ấm, nhưng sau khi rửa bề mặt tấm thép hợp kim 15CrMo thường tạo ra rỉ sét màu vàng. Ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm. Để loại bỏ khuyết điểm này, Nhật Bản đã nghiên cứu cơ chế chuyển sang màu vàng. Lấy axit clohydric làm ví dụ như sau:

FeCl_2+2H_2O=Fe (0H) _2+2HCl (1) Quá trình tẩy

2Fe(OH)_2+O_2=2FeO·OH+H_2O(2) Quá trình sấy khô

Công thức (1) cho thấy trạng thái cân bằng trong dung dịch nước trên bề mặt của tấm ướt, Fe(OH)_2và HCl không có màu vàng.

Công thức (2) là một tấm thép bắt đầu khô, làm cho Fe(OH)_2oxy hóa, ở trạng thái không hòa tan trong nước do tác động của oxy trong không khí. Sau đó FeO · OH trở thành gỉ vàng trên bề mặt của tấm thép hợp kim 15CrMo.

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học

Lớp Thành phần hóa học (Điểm chất lượng) (%)

C Mn Si Cr Mo Ni Nb+Ta S P

15CrMo 0.12~0.18 0.40~0.70 0.17~0.37 0.80~1.10 0.40~0.55 ≤0.30 _ ≤0.035 ≤0.035

Tính chất cơ học

Lớp Sức mạnh kéo MPa Điểm năng suất MPa Độ giãn dài (%)

15CrMo 440~640 235 21

Áp dụng ví dụ

Dầu khí, hóa dầu, nồi hơi áp suất cao, v.v., ống liền mạch được sử dụng đặc biệt có ống liền mạch cho nồi hơi, ống thép liền mạch cho địa chất và ống liền mạch cho dầu khí, v.v.

Thông số kỹ thuật chung

Thông số kỹ thuật vật liệu Độ dày * Chiều rộng * Chiều dài (mm) Có thể được cán theo trọng lượng của các nhà máy thép trên toàn quốc (tấn) Name

15crmo 8 * 1500-4200 * 6000-18800M 198.65T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 12 * 1500-4200 * 6000-18800M 186.618T thép tấm kết cấu hợp kim

15crmo 25 * 1500-4200 * 6000-18800M 258.366T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 30 * 1500-4200 * 6000-18800M 241.624T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 45 * 1500-4200 * 6000-18800M 263.254T thép tấm kết cấu hợp kim

15crmo 55 * 1500-4200 * 6000-18800M 283.318T thép tấm kết cấu hợp kim

15crmo 60 * 1500-4200 * 6000-18800M 169.563T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 70 * 1500-4200 * 6000-18800M 569.356T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 80 * 1500-4200 * 6000-18800M 231.315T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 90 * 1500-4200 * 6000-18800M 341.318T thép tấm kết cấu hợp kim

15crmo 100 * 1500-4200 * 6000-18800M 461.318T thép tấm kết cấu hợp kim

15crmo 110 * 1500-4200 * 6000-18800M 598.359T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 120 * 1500-4200 * 6000-18800M 431.621T Tấm thép kết cấu hợp kim

15crmo 130 * 1500-4200 * 6000-18800M Tấm thép kết cấu hợp kim 388.654T

15crmo 140 * 1500-4200 * 6000-18800M Tấm thép kết cấu hợp kim 348.351T

15crmo 150 * 1500-4200 * 6000-18800M 645.982T thép tấm kết cấu hợp kim