Xả khí ngược trong hàn ống thép không gỉ: Ngăn ngừa hiện tượng "đường hóa" và oxy hóa mặt đáy mối hàn

Xả khí ngược là quá trình thay thế không khí bên trong ống thép không gỉ bằng khí trơ, thường là argon, nhằm đảm bảo phần đáy mối hàn đang nóng chảy đông đặc mà không tiếp xúc với oxy. Thực hiện đúng kỹ thuật này giúp ngăn ngừa hiện tượng "đường hóa" — lớp bề mặt đáy mối hàn có dạng hạt, bị oxy hóa nghiêm trọng, làm suy giảm khả năng chống ăn mòn và không thể loại bỏ bằng cách mài khi đã hình thành. Mục tiêu thực tế là giảm nồng độ oxy dư trong mối nối xuống dưới khoảng 0,5 % trước khi bắt đầu hồ quang; đối với các ứng dụng yêu cầu hợp kim cao hoặc độ tinh khiết cao, ngưỡng này cần thấp hơn 0,1 %. Một mặt đáy mối hàn sáng bóng và sạch không chỉ mang tính thẩm mỹ — đó chính là yếu tố duy trì màng thụ động và tuổi thọ phục vụ của ống.

Hiện tượng "đường hóa" là gì và nguyên nhân hình thành
Khi thép không gỉ austenit và thép không gỉ duplex đạt đến nhiệt độ hàn, crôm sẽ phản ứng với bất kỳ oxy nào trong phạm vi tiếp xúc. Trong một ống chưa được làm sạch khí, không khí bị giữ lại sẽ oxy hóa phần đáy nóng của mối hàn, tạo thành một lớp oxit giàu crôm có màu sẫm, thô ráp và giống đường, đồng thời làm mất crôm khỏi lớp kim loại ngay bên dưới nó. Vùng thiếu crôm này không còn khả năng hình thành màng thụ động, do đó phần đáy trở thành điểm yếu nhất của mối hàn trước sự ăn mòn lỗ rỗ, ăn mòn khe hở và nứt do ăn mòn ứng suất.

Hiện tượng ‘đường hóa’ còn gây tổn hại về mặt cơ học. Lớp oxit này giòn và không đều; nó cản trở dòng chảy, tích tụ cặn bẩn và tạo điều kiện cho ăn mòn và mỏi bắt đầu phát triển. Hơn nữa, một khi hiện tượng này đã xảy ra, tổn thương là về mặt kim loại học chứ không chỉ là một lớp màng bề mặt. Việc mài phần bên trong của một ống đã hoàn thiện gần như không thể thực hiện được và cũng không thể khôi phục lại lượng crôm đã mất khỏi hợp kim, nên việc ngăn chặn hiện tượng này ngay trong quá trình hàn là giải pháp duy nhất đáng tin cậy.

Vai trò của việc thổi khí argon từ phía sau
Việc xả khí ngược hoạt động bằng cách bơm đầy khí argon – một loại khí trơ nặng hơn không khí và không phản ứng với kim loại nóng – vào bên trong mối hàn. Khi argon chảy vào, nó làm loãng và đẩy không khí chứa oxy ra ngoài cho đến khi lượng oxy còn sót lại đủ thấp để không hình thành oxit đáng kể trong quá trình đông đặc. Sau đó, người ta thực hiện việc hàn với khí bảo vệ từ mỏ hàn che phủ mặt ngoài, đồng thời khí xả bảo vệ mặt trong, nhờ đó cả hai mặt của phần chân mối hàn đều giữ được độ sạch.

Argon thường là lựa chọn tiêu chuẩn do tính trơ, khả năng sẵn có và khối lượng riêng cao giúp khí này lắng xuống và đẩy không khí ra khỏi các mối hàn nằm ngang. Đối với các mối hàn dày hơn hoặc có hàm lượng hợp kim cao hơn, một số nhà gia công thêm một lượng nhỏ hydro vào argon nhằm tạo ra phần chân sáng hơn; tuy nhiên, các hỗn hợp chứa hydro chỉ được sử dụng trên các mác thép austenit và tuyệt đối không áp dụng cho thép duplex hay thép martensit do nguy cơ nứt. Nguyên lý vẫn không thay đổi: ngăn oxy tiếp xúc với phần chân nóng cho đến khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng xảy ra quá trình oxy hóa.

Đạt Mục Tiêu Về Hàm Lượng Oxy

Việc xả khí hiệu quả được đo lường, không dựa vào suy đoán. Niêm phong thể tích cần xả, đưa khí argon vào với tốc độ kiểm soát, đồng thời theo dõi khí thải bằng máy phân tích oxy cho đến khi chỉ số đạt ngưỡng mục tiêu trước khi hàn. Ngưỡng chấp nhận phổ biến là dưới 0,5% oxy dư đối với công việc inox thông thường, với giới hạn chặt chẽ hơn cho các ứng dụng yêu cầu cao.

Thể tích và lưu lượng khí thổi sạch phải phù hợp với đường kính và chiều dài ống. Lưu lượng quá thấp sẽ để lại các túi khí; lưu lượng quá cao gây nhiễu loạn, có thể làm xáo trộn vũng hàn nóng chảy hoặc thổi tắt phần đáy mối hàn. Nên đưa khí argon vào ở vị trí thấp và xả khí ra ở vị trí cao để không khí nhẹ hơn bị đẩy về phía trước luồng khí trơ đang tiến vào, đồng thời đảm bảo thời gian thổi sạch đủ trước khi đánh hồ quang.

Tấm chắn thổi sạch và cách bố trí thực tế
Trên các đường ống dài, việc thổi sạch toàn bộ ống là chậm và lãng phí, do đó người ta dùng tấm chắn thổi sạch tan trong nước hoặc cơ khí để cô lập một vùng ngắn quanh mối nối. Các tấm chắn làm từ giấy hoặc màng phim tan trong nước được ưa chuộng vì chúng hòa tan và bị cuốn trôi trong quá trình thử thủy lực hoặc vận hành sau này, không để lại bất kỳ dư lượng nào trong đường ống. Các nút chặn dạng bơm hơi và nút chặn cơ khí có thể tái sử dụng cho các công việc lặp lại. Dù dùng loại tấm chắn nào, cũng cần bố trí cửa xả điều khiển để tránh tích tụ áp suất gây biến dạng phần đáy mối hàn, đồng thời dùng băng dính hoặc che kín khe hàn cho đến khi bắt đầu hàn.
Thực hành tốt cũng có nghĩa là xả khí trước khi hàn và duy trì lưu lượng khí ổn định trong suốt quá trình hàn, tiếp tục xả khí cho đến khi mối hàn đáy và mối hàn nóng đã nguội hoàn toàn, đồng thời che chắn đầu ống mở để tránh luồng gió lùa. Wenqiang áp dụng các biện pháp kiểm soát này trên toàn bộ dây chuyền sản xuất ống và ống hàn của mình theo các tiêu chuẩn ASTM A249, A269, A312 và A928, với chất lượng mối hàn được xác minh bằng kiểm tra không phá hủy (NDT) và thử nghiệm thủy tĩnh trong khuôn khổ hệ thống ISO 9001.

Đọc và chấp nhận màu sắc của mối hàn đáy
Màu sắc của mối hàn đáy sau khi hoàn tất là một chỉ báo trực quan nhanh về lượng oxy đã tiếp xúc với kim loại. Mối hàn đáy có màu bạc sáng hoặc vàng rơm thường cho thấy mức oxy hóa tối thiểu và nói chung là chấp nhận được. Các sắc độ sẫm hơn — từ xanh lam đến xám — phản ánh mức oxy hóa ngày càng tăng; còn mối hàn đáy có màu xám đậm hoặc đen, dạng hạt thì gọi là hiện tượng ‘đường hóa’ (sugaring) và sẽ bị loại bỏ. Nhiều quy định và tiêu chuẩn — ví dụ như AWS D18.1 dành cho hàn ống vệ sinh — quy định các mức độ đổi màu chấp nhận được kèm theo bảng màu minh họa.
Vì lớp oxit do nhiệt làm giảm khả năng chống ăn mòn ngay cả khi chưa đạt mức 'đường hóa' đầy đủ, nên các công việc yêu cầu độ tinh khiết cao hoặc vận hành trong môi trường khắc nghiệt đòi hỏi phải có phần gốc mối hàn sáng nhất và đôi khi cần làm sạch sau khi hàn. Ghi lại màu sắc phần gốc cùng với chỉ số nồng độ oxy trong khí bảo vệ giúp bạn có bằng chứng có thể truy xuất được rằng mối hàn đã được thực hiện trong điều kiện kiểm soát.

Kết luận
Việc bảo vệ mặt sau mối hàn bằng khí trơ là yếu tố quyết định giữa một mối hàn inox có khả năng chống ăn mòn suốt vài thập kỷ và một mối hàn bị phá hủy từ bên trong ra ngoài. Thay thế không khí bằng argon, giảm nồng độ oxy còn lại xuống dưới khoảng 0,5%, cách ly vùng hàn bằng các ngăn chặn khí bảo vệ, xác minh khí thải bằng máy phân tích oxy, và chỉ chấp nhận phần gốc sáng bóng, không có oxit. Thực hiện đúng các bước này sẽ bảo vệ crôm — nguyên tố mang lại tính thụ động cho inox. Kết quả là phần gốc mối hàn có khả năng chống ăn mòn tương đương với ống gốc, điều mà các hệ thống đường ống dùng trong ngành hóa chất, y tế, thực phẩm và khai thác ngoài khơi đòi hỏi trong suốt nhiều thập kỷ vận hành.

Các câu hỏi thường gặp
Câu hỏi: Tôi có thể mài bỏ lớp 'đường hóa' sau khi hàn không?
A: Thông thường là không. Hiện tượng đường hóa (sugaring) là quá trình oxy hóa lớp gỉ bên trong ống, đồng thời làm hao hụt crôm ở lớp kim loại bên dưới; hơn nữa, bề mặt bên trong ống thường không thể tiếp cận được. Việc mài không thể khôi phục lại lượng crôm đã mất, do đó phương pháp duy nhất đáng tin cậy là ngăn ngừa hiện tượng này bằng cách thổi khí bảo vệ từ phía sau (back-purging).
H: Mức độ oxy dư tôi nên đạt được trước khi hàn là bao nhiêu?
A: Dưới khoảng 0,5% là chấp nhận được đối với nhiều ứng dụng thép không gỉ, trong khi các mối hàn sử dụng thép không gỉ hợp kim cao, độ tinh khiết cao hoặc phục vụ trong môi trường ăn mòn mạnh cần đạt dưới khoảng 0,1%. Luôn kiểm tra bằng máy phân tích oxy tại đầu xả khí bảo vệ trước khi bắt đầu hồ quang.

Ống thép không gỉ hàn sạch chống ăn mòn, được thổi khí bảo vệ từ phía sau (back-purged) – sản phẩm của Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/