Các mối hàn trên ống sưởi điện bằng thép không gỉ 316 là vị trí hư hỏng phổ biến nhất trong các hệ thống nước khử ion có độ dẫn điện-thấp, mặc dù nồng độ clorua dưới 10 ppm. Dữ liệu dịch vụ hiện trường từ các vòng tuần hoàn nước dược phẩm-cho-bơm (WFI) cho thấy các mối hàn mặt bích và các mối hàn ống-đến-đầu cuối thường phát triển hiện tượng ăn mòn và rỗ giữa các hạt sau 18–36 tháng hoạt động, ngay cả khi điện trở suất của nước lớn vượt quá 1 MΩ·cm. Hiện tượng này mâu thuẫn với dự đoán thông thường rằng nước có độ pH{12}}clorua trung tính thấp{13}}có nguy cơ ăn mòn không đáng kể đối với thép không gỉ austenit. Nguyên nhân cốt lõi nằm ở sự kết hợp giữa sự nhạy cảm với vùng ảnh hưởng nhiệt{15}}của mối hàn (HAZ) và chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại do hoạt động của bộ gia nhiệt không liên tục. Trong mỗi chu kỳ bật{17}}tắt, nhiệt độ bề mặt vỏ bọc dao động giữa điểm đặt xung quanh và điểm đặt thông thường là 150–200 độ đối với hệ thống WFI. Chu trình này làm suy giảm crom cục bộ tại các ranh giới hạt trong HAZ, khiến những vùng này dễ bị tấn công bởi thậm chí cả các loài oxy hóa trong nước có độ tinh khiết cao. Bài viết này định lượng mối quan hệ giữa lịch sử nhiệt của mối hàn, mức độ nhạy cảm và sự bắt đầu rỗ trong chu trình nhiệt độ{23}}thấp, cung cấp khung thông số kỹ thuật cho các kỹ sư chỉ định lò sưởi ngâm bằng thép không gỉ hàn 316 cho dịch vụ nước có độ tinh khiết cao.
Cơ chế luyện kim nhạy cảm với nhiệt độ-thấp trong vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 hàn
Sự hiểu biết thông thường cho rằng sự nhạy cảm của thép không gỉ 316 đòi hỏi phải tiếp xúc với nhiệt độ từ 450 độ đến 850 độ trong thời gian đủ để kết tủa cacbua crom ở ranh giới hạt. Tuy nhiên, việc hàn ống bọc thành mỏng (độ dày thành điển hình là 1,0–1,6 mm) tạo ra HAZ hẹp khiến vùng nóng chảy nguội đi nhanh chóng. HAZ này chứa các cacbua crom phân tán mịn hình thành trong chu trình nhiệt hàn, để lại một vùng nghèo crom-nặng liền kề với mỗi ranh giới hạt. Trong môi trường ăn mòn tiêu chuẩn có chứa clorua, sự nhạy cảm nhẹ này có thể không gây ra hư hỏng ngay lập tức. Tuy nhiên, trong nước khử ion có độ tinh khiết cao có lượng oxy hòa tan (thường là 5–8 ppm ở nhiệt độ phòng, giảm xuống 2–3 ppm ở 80 độ), một cơ chế ăn mòn độc đáo sẽ xuất hiện.
Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại giữa nhiệt độ môi trường xung quanh và 150–200 độ sẽ tăng tốc hai quá trình. Thứ nhất, ứng suất giãn nở nhiệt chênh lệch giữa kim loại mối hàn (hệ số cao hơn một chút do cấu trúc đúc) và kim loại cơ bản gây ra các vết nứt vi mô ở vùng ranh giới hạt nghèo crom-. Thứ hai, chu trình làm nóng và làm mát định kỳ sẽ bơm một lượng nhỏ nước khử ion vào và ra khỏi bề mặt-phá vỡ các khiếm khuyết HAZ. Trong giai đoạn gia nhiệt, nước bay hơi từ các kẽ hở nhỏ này, tập trung mọi tạp chất dạng vết (bao gồm clorua dư từ quá trình sản xuất hoặc xử lý nước) theo hệ số 100–1000. Các phép đo điện thế điện hóa trên mối hàn thép không gỉ 316 theo chu kỳ cho thấy HAZ trở thành anốt đối với cả kim loại mối hàn và kim loại cơ bản ở mức 150–200 mV trong phần gia nhiệt của chu trình, tạo ra tế bào ăn mòn được điều khiển.
Thời gian bắt đầu rỗ được định lượng từ các thử nghiệm HAZ hàn theo chu kỳ
Thử nghiệm cấp tốc trong phòng thí nghiệm sử dụng 316 mẫu ống thép không gỉ có mối hàn TIG tự sinh (không có kim loại phụ) được tiến hành trong nước khử ion (điện trở suất 18 MΩ·cm, oxy hòa tan 6 ppm, pH 6,8, không thêm clorua). Các mẫu phải chịu chu kỳ nhiệt từ 25 độ đến 180 độ với tốc độ gia nhiệt 5 độ mỗi phút, thể hiện chu kỳ hoạt động của bộ sưởi điển hình. Mỗi chu kỳ đầy đủ bao gồm thời gian giữ 30 phút ở 180 độ, sau đó làm mát không khí cưỡng bức xuống 25 độ. Lỗi được xác định là vết rỗ có thể nhìn thấy dưới độ phóng đại 50 lần hoặc vết thủng được đo bằng kiểm tra chất thẩm thấu thuốc nhuộm.
Không đạp xe, ngâm 180 độ liên tục: Không quan sát thấy hiện tượng rỗ sau 5000 giờ. HAZ vẫn bị động do không có chu trình ứng suất nhiệt.
50 chu kỳ nhiệt (khoảng{1}} giờ hoạt động ở chế độ làm nóng): Không thấy vết rỗ. Thử nghiệm kích hoạt lại thế năng điện hóa (EPR) cho thấy mức độ nhạy cảm (DOS) là 3%, dưới ngưỡng điển hình cho sự ăn mòn tích cực.
200 chu kỳ nhiệt (khoảng{1}} giờ): Bằng chứng đầu tiên về vết rỗ vi mô tại mối hàn HAZ. Các vết rỗ có đường kính nhỏ hơn 20 µm, chỉ có thể phát hiện được bằng SEM. DOS tăng lên 8%.
600 chu kỳ nhiệt (khoảng{1}} giờ): Rỗng có thể nhìn thấy ở 10–15 vị trí dọc theo HAZ trên cả hai mặt của mép hàn. Độ xuyên hố sâu nhất: 0,3 mm trên mẫu tường 1,2 mm (độ xuyên tường 25%). DOS: 14%.
1200 chu kỳ nhiệt (khoảng{1}} giờ): Nhiều lỗ thủng ở 70% mẫu. Độ sâu hố trung bình: 0,9 mm, dẫn đến rò rỉ qua thành 1,2 mm. DOS vượt quá 20%.
Để so sánh, các mẫu giống hệt nhau được thử nghiệm trong nước khử ion có thêm natri clorua 50 ppm (vẫn được coi là clorua thấp) đã thất bại chỉ sau 250 chu kỳ, chứng tỏ rằng cơ chế nhạy cảm hoạt động hiệp đồng với cả dấu vết clorua. Phát hiện quan trọng là nước khử ion tinh khiết không có lượng clorua có thể đo được vẫn gây ra hiện tượng rỗ sau 1200 chu kỳ, chỉ do ảnh hưởng của nồng độ trong các kẽ hở do chu trình nhiệt-điều khiển tại HAZ.
Vai trò của đầu vào và nhiệt mối hàn sau{0}}Xử lý mối hàn trong vòng đời
Các thông số của quá trình hàn ảnh hưởng mạnh mẽ đến mức độ nhạy cảm và khả năng chống rỗ chu kỳ nhiệt sau đó. Ba điều kiện hàn phổ biến để chế tạo vỏ bọc thép không gỉ 316 đã được đánh giá:
| Tình trạng mối hàn | Nhiệt lượng đầu vào (kJ/cm) | Chiều rộng HAZ (mm) | Đo DOS sau khi hàn | Chu trình nhiệt đến thủng hố | Ứng dụng được đề xuất |
|---|---|---|---|---|---|
| TIG tự sinh đầu vào nhiệt cao (80–100 A, di chuyển chậm) | 1.8 – 2.5 | 1.2 – 1.8 | 22% | 180 – 300 | Không được khuyến khích cho bất kỳ dịch vụ xe đạp nào |
| Đầu vào nhiệt tiêu chuẩn TIG (50–70 A, hành trình trung bình) | 1.0 – 1.5 | 0.6 – 1.0 | 12% | 600 – 900 | Có thể chấp nhận được đối với dịch vụ không liên tục dưới 150 độ,<1000 cycles total |
| TIG xung đầu vào nhiệt độ thấp (30–50 A, di chuyển nhanh, bổ sung nếu cần) | 0.5 – 0.8 | 0.3 – 0.5 | 5% | 1800 – 2400 | Được đề xuất cho nước có độ tinh khiết cao, dịch vụ chạy xe đạp |
| Nhiệt lượng đầu vào thấp + sau{1}}ủ dung dịch hàn (1050 độ, làm nguội bằng nước) | 0.5 – 0.8 | 0 (kết tinh lại hoàn toàn) | <1% | >10.000 (không quan sát thấy hiện tượng rỗ khi chấm dứt thử nghiệm) | Tối ưu cho các ứng dụng WFI dược phẩm quan trọng |
Điều kiện ủ dung dịch giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhạy cảm nhưng thường không thực tế đối với các cụm gia nhiệt đã hoàn thiện vì dây điện trở bên trong (thường là NiCr 80/20) không thể chịu được nhiệt độ 1050 độ nếu không bị oxy hóa và thay đổi kích thước. Do đó, đối với hầu hết các lò sưởi được chế tạo, việc chỉ định hàn TIG xung đầu vào nhiệt độ thấp với kiểm soát nhiệt đầu vào nghiêm ngặt dưới 0,8 kJ/cm mang lại sự dung hòa tốt nhất giữa khả năng sản xuất và khả năng chống ăn mòn.
Các biện pháp kỹ thuật để kéo dài tuổi thọ mối hàn trong dịch vụ đạp nước khử ion
Khi môi trường vận hành liên quan đến nước khử ion hoặc nước thẩm thấu ngược với chu kỳ gia nhiệt không liên tục, năm biện pháp thiết kế và thông số kỹ thuật có thể trì hoãn hoặc ngăn ngừa hư hỏng rỗ HAZ. Đầu tiên, yêu cầu nhà sản xuất thiết bị gia nhiệt phải xác định chất lượng từng lô hàn bằng thử nghiệm EPR theo tiêu chuẩn ASTM G108, với DOS tối đa có thể chấp nhận được là 8% đối với dịch vụ chung hoặc 5% đối với ứng dụng dược phẩm. Thứ hai, chỉ định rằng hàn phải được thực hiện với tấm chắn khí kéo theo (argon hoặc nitơ) trên đường kính bên trong của ống bọc bất cứ khi nào có thể tiếp cận được, ngăn chặn quá trình oxy hóa gốc mối hàn bên trong làm cạn kiệt crom cục bộ. Thứ ba, yêu cầu đánh bóng cơ học sau mối hàn-của vùng HAZ bên ngoài để đạt độ hoàn thiện bề mặt Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,4 µm. Đánh bóng loại bỏ lớp bề mặt mỏng nơi sự suy giảm crom trầm trọng nhất; Thử nghiệm điện hóa cho thấy việc đánh bóng mối hàn với DOS ban đầu là 12% sẽ làm giảm DOS hiệu dụng ở bề mặt xuống còn 6%, tăng gấp đôi tuổi thọ chu kỳ nhiệt. Thứ tư, triển khai một giao thức vận hành giúp giảm thiểu số chu kỳ nhiệt đầy đủ bằng cách sử dụng chế độ tuần hoàn liên tục hoặc chế độ chờ nguồn điện thấp thay vì tắt hoàn toàn bộ sưởi. Dữ liệu từ một nhà máy dược phẩm đã thay đổi từ điều khiển bật{14}}sang điều khiển theo tỷ lệ với nhiệt độ chờ 60 độ đã giảm tỷ lệ hỏng hóc trong mối hàn từ 15% mỗi năm xuống dưới 1%. Thứ năm, đối với các hệ thống lắp đặt mới dự kiến có hơn 2000 chu kỳ nhiệt trong vòng đời 10 năm, hãy chỉ định rằng tất cả các mối hàn phải được ủ dung dịch sau khi hàn và trước khi lắp ráp lần cuối, ngay cả khi việc này yêu cầu quy trình chế tạo hai{21}giai đoạn với việc hàn lại các bộ phận bên trong.
Chỉ định chất lượng mối hàn để có độ tin cậy-lâu dài ở máy nước nóng có độ tinh khiết cao-
Khi mua máy sưởi ngâm điện bằng thép không gỉ 316 cho nước khử ion, thẩm thấu ngược hoặc dịch vụ nước cất, các kỹ sư nên đưa các yêu cầu rõ ràng về chất lượng mối hàn vào thông số kỹ thuật mua hàng. Yêu cầu bản sao hồ sơ đánh giá quy trình hàn (WPQR) hiển thị các thông số nhiệt đầu vào và yêu cầu kết quả kiểm tra EPR trên phiếu hàn có cùng thông số. Đối với các ứng dụng có tần suất chu kỳ gia nhiệt dự kiến trên hai chu kỳ mỗi ngày, bắt buộc phải hàn TIG xung đầu vào nhiệt độ thấp với đầu vào nhiệt tối đa là 1,0 kJ/cm và chiều rộng HAZ tối đa cho phép là 0,7 mm. Trong trường hợp điện trở suất của nước vượt quá 1 MΩ·cm (độ dẫn điện dưới 1 µS/cm), hãy chỉ định rằng tất cả các mối hàn ướt đều được đánh bóng bằng điện để loại bỏ 20–30 µm vật liệu bề mặt, loại bỏ lớp nghèo crom{10}}nhiều nhất. Bằng cách giải quyết vấn đề nhạy cảm với mối hàn như một cơ chế hỏng hóc chính thay vì cho rằng hàm lượng clorua thấp đảm bảo khả năng chống ăn mòn, các kỹ sư có thể đạt được tuổi thọ của thiết bị sưởi hơn 10 năm ngay cả trong các ứng dụng tuần hoàn nước có yêu cầu{12}}độ tinh khiết cao.
