Nứt mối hàn ống, hộp Inox: Nguyên nhân và giải pháp triệt để

Trong chế tạo và lắp dựng ống, hộp Inox, mối hàn là “điểm sống còn” quyết định độ kín, độ bền và thẩm mỹ. Nứt mối hàn là khuyết tật nghiêm trọng, không được chấp nhận theo hầu hết tiêu chuẩn. Bài viết này phân tích đầy đủ các dạng nứt, nguyên nhân gốc rễ và cách khắc phục–phòng ngừa tối ưu cho ống, hộp Inox (201/304/316/430) trong điều kiện xưởng cơ khí tại Việt Nam.

Các dạng nứt mối hàn thường gặp trên ống, hộp Inox

Nứt nóng (nứt khi đông đặc/solidification cracking)

– Xuất hiện ngay khi hàn, dọc theo tâm mối hàn hoặc rãnh kết tinh.
– Cơ chế: kim loại nóng chảy đông đặc có dải đông đặc rộng + tạp chất S, P, Si tập trung + ứng suất co ngót cao. Austenitic Inox (201/304/316) có nguy cơ cao nếu hàm lượng delta-ferrite quá thấp (FN≈0).

Nứt hóa lỏng vùng HAZ (liquation cracking)

– Nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), sát mép hàn khi một phần ranh giới hạt bị hóa lỏng.
– Dễ gặp ở mối hàn mỏng, tốc độ hàn cao, chuẩn bị mép và làm sạch kém.

Nứt nguội do hydro (hydrogen-assisted cracking)

– Thường xuất hiện sau hàn vài giờ đến vài ngày. Austenitic ít nhạy hơn, nhưng có thể nứt tại vùng pha loãng khi hàn với thép cacbon, hoặc ở ferritic/martensitic (430/410).
– Nguồn hydro: ẩm trong khí bảo vệ, que/dây hàn ẩm, dầu mỡ, rỉ sét.

Nứt miệng hàn (crater crack), nứt chân mối (root crack), nứt HAZ

– Nứt miệng xuất hiện cuối đường hàn khi ngắt hồ quang đột ngột, kim loại đông đặc co rút.
– Nứt chân mối phổ biến khi hàn kín góc trong của hộp/ống, thiếu bảo vệ mặt sau (sugaring) tạo vùng giòn.
– Nứt HAZ ở ferritic (430) do tăng trưởng hạt và giòn hóa nếu nhiệt vào cao.

Nứt do ăn mòn ứng suất clorua (SCC) sau khi đưa vào sử dụng

– Xảy ra trong môi trường có Cl- (nước biển, hóa chất, tẩy rửa chứa clorua), nhiệt độ >50–60°C và ứng suất dư cao. Vết nứt thường mảnh, lan dài theo hướng ứng suất.

Nguyên nhân gốc rễ: vật liệu, thiết kế, quy trình

Vật liệu và que/dây hàn

– Thành phần hóa học: S, P cao tăng nguy cơ nứt nóng. Ống/hộp theo ASTM A554 chất lượng ổn định giúp giảm rủi ro.
– Cấu trúc: Austenitic (201/304/316) cần delta-ferrite FN≈3–10 để giảm nứt nóng. Filler quá “austenitic” (FN≈0) tăng rủi ro.
– Lựa chọn vật liệu điền:
– 304/201 → ER308L (GTAW/GMAW), E308L-16/-17 (SMAW).
– 316 → ER316L/E316L.
– Dissimilar (Inox ↔ thép cacbon, hoặc 430↔304) → ER309L/309Mo để giảm pha loãng và nứt.
– L-grade (≤0.03%C) giảm nhạy cảm hóa bền/nhiễm bẩn ranh giới hạt.

Thiết kế liên kết và độ kẹp chặt

– Ống/hộp có tiết diện kín gây độ cản biến dạng cao, tạo ứng suất ba trục → dễ nứt.
– Gá lắp quá cứng, không khe hở hoặc khe quá lớn đều bất lợi:
– Với chiều dày 1–3 mm: khe hở gốc 0.3–0.8 mm là hợp lý khi hàn ngấu.
– Chiều dài hàn liên tục quá dài trên khung hộp mỏng gây co rút tập trung.

Chuẩn bị mép, làm sạch và bảo vệ khí

– Lớp oxit Cr2O3, dầu mỡ, bụi sắt (nhiễm bẩn từ thép đen) làm tăng giòn nóng và đưa hydro vào vũng hàn.
– Làm sạch cơ học (mài flap disc riêng cho Inox), sau đó dung môi (acetone/isopropanol). Không dùng bàn chải thép cacbon.
– Khí bảo vệ: TIG dùng 100% Ar; MIG dùng Ar + 1–2% O2 hoặc Ar + 1–2% CO2. CO2 cao gây oxy hóa mạnh, tăng vảy xỉ giòn.
– Sấy, bảo quản que/dây hàn khô, tránh ẩm.

Thông số hàn và kiểm soát nhiệt

– Nhiệt vào quá cao → nứt nóng/giòn HAZ; quá thấp → thiếu ngấu, biên dạng xấu, nứt do khởi nút.
– Interpass nhiệt độ cho austenitic: ≤150°C; ferritic 430: ≤150°C, tránh lưu nhiệt lâu.
– Kết thúc đường hàn cần đắp bù miệng (crater fill), không cắt hồ quang đột ngột.

Kiểm soát mặt trong (back purging) với ống, hộp

– Không có khí lót mặt sau → “sugaring” (oxy hóa đường rễ) giòn, dễ nứt chân mối và là điểm khởi phát ăn mòn.
– Purge Ar 5–10 L/phút đến khi O2 < 50 ppm trước khi mồi hồ quang. Dùng băng keo nhiệt, nút cao su, bóng purge hoặc backing đồng.

Quy trình chẩn đoán nhanh tại xưởng

– 1) Phân loại thời điểm nứt: xuất hiện ngay khi hàn, vài giờ sau, hay trong vận hành.
– 2) Kiểm tra bằng mắt và chất thẩm thấu màu (PT) toàn bộ mối hàn, đặc biệt chân/rìa và miệng hàn.
– 3) Kiểm tra chất lượng làm sạch, dấu vết “sugaring” mặt trong, vảy ôxy hóa dày.
– 4) Rà soát WPS/thiết lập: cường độ dòng, điện áp, tốc độ, khí, lưu lượng, interpass.
– 5) Đánh giá gá lắp: độ kẹp, trình tự điểm định vị, chiều dài lượt hàn.
– 6) Xác nhận vật liệu: mác Inox, chứng chỉ vật liệu ống/hộp và dây/que hàn; tương thích filler (308L/316L/309L).
– 7) Kiểm tra độ ẩm kho tiêu hao, khí (điểm sương), và rò rỉ khí bảo vệ.
– 8) Với nứt trong sử dụng: phân tích môi trường (Cl-, nhiệt độ), quan sát dạng nứt SCC.

Thông số khuyến nghị (tham khảo) cho ống, hộp mỏng Inox

Lưu ý: điều chỉnh theo vị trí, liên kết và máy thực tế. Ưu tiên mối hàn dạng “stringer”, hạn chế lắc rộng.

– TIG (GTAW), chiều dày 1.0–3.0 mm (304/201/316)
– Điện cực: Tungsten 2% Th/La 1.6–2.4 mm, mài nhọn.
– Dòng DCEN: 45–120 A (1.0 mm: 45–70 A; 2.0 mm: 70–95 A; 3.0 mm: 90–120 A).
– Khí: Ar 100%, 8–12 L/phút; purge mặt sau 5–8 L/phút (O2 < 50 ppm). - Filler: ER308L (304/201), ER316L (316), ER309L (dissimilar), đường kính 1.0–1.6 mm. - Interpass ≤150°C; đắp bù miệng hàn trước khi ngắt hồ quang. - MIG (GMAW), dây 0.8–1.0 mm - Khí: Ar + 1–2% O2 hoặc Ar + 1–2% CO2, 12–16 L/phút. - Điện áp/dòng: 16–19 V, 70–140 A (ngắn mạch/spray thấp). - Tốc độ cấp dây: 3.5–6.0 m/phút; tốc độ chạy 250–450 mm/phút tùy dày. - Ưu tiên đi một lượt mảnh, ít chồng lớp để giảm nhiệt vào. - SMAW (hàn que), chiều dày ≥2.0 mm - Que E308L-16/-17, E316L-16, E309L-16; Φ2.5–3.2 mm. - Dòng 65–110 A; sấy/giữ khô que; hồ quang ngắn. - Gá lắp & trình tự - Điểm định vị dài 8–12 mm cách nhau 50–80 mm, đối xứng để phân tán ứng suất. - Hàn so le các cạnh khung hộp, tránh kéo dài liên tục một phía.

Giải pháp khắc phục tại chỗ và phòng ngừa dài hạn

Sửa chữa vết nứt hiện hữu (đúng kỹ thuật)

– Khoanh vùng bằng PT để xác định đầy đủ chiều dài nứt.
– Khoan “stop-hole” Φ1.5–2.0 mm tại hai đầu vết nứt nhằm chặn lan truyền (áp dụng cho tấm/khung chịu ứng suất).
– Mài bỏ hoàn toàn vết nứt đến nền kim loại tốt (V/U-groove nhỏ), làm sạch cơ học + dung môi.
– Hàn lại với filler phù hợp, giảm nhiệt vào, có purge mặt sau nếu là mối ngấu.
– PT lại sau sửa; nếu là kết cấu chịu tải/áp lực, cân nhắc thử kín, thử uốn/loe đầu (với ống).

Phòng ngừa nứt nóng

– Chọn filler có FN 3–10: ER308L/316L tiêu chuẩn; tránh dùng filler hoàn toàn austenitic (như 310) cho 304/316 trừ khi có tính toán.
– Hạn chế nhiệt vào: dòng/điện áp hợp lý, tăng tốc độ, không lắc rộng, hạn chế đắp nhiều lớp không cần thiết.
– Kiểm soát tạp chất: dùng ống/hộp chuẩn ASTM A554; thay nguồn vật liệu có S, P cao.
– Thiết kế giảm kẹp chặt, tăng khe hở gốc hợp lý, hàn so le.

Phòng ngừa nứt nguội/hydro

– Làm khô khí bảo vệ (điểm sương thấp), kiểm tra rò rỉ và lưu lượng.
– Sấy que/dây theo khuyến cáo, bảo quản kín ẩm; làm sạch dầu/mỡ hoàn toàn.
– Với ferritic/martensitic hoặc liên kết với thép cacbon: cân nhắc preheat nhẹ 80–150°C (430 có thể preheat thấp khi chi tiết dày/độ kẹp cao), chọn ER309L cho mối hàn dị vật liệu.

Phòng ngừa nứt miệng/đáy mối

– Luôn đắp bù miệng hàn; dùng tính năng crater-fill (MIG) hoặc giảm dần dòng (TIG slope-down).
– Purge mặt sau đủ thời gian và lưu lượng; dùng backing đồng khi không thể purge.

Phòng ngừa SCC trong vận hành

– Chọn mác phù hợp môi trường: 316/316L hoặc duplex cho clorua; tránh 201/304 trong môi trường Cl- nóng.
– Giảm ứng suất dư: thiết kế giảm kẹp; mài phá sắc cạnh; phân bố mối hàn. (Austenitic khó xử lý nhiệt giảm ứng suất mà không gây nhạy cảm; ưu tiên biện pháp cơ học).
– Làm sạch, tẩy gỉ–thụ động hóa sau hàn; tránh dùng hóa chất chứa Cl- trong bảo trì; rửa tráng kỹ.

Khuyến nghị theo mác Inox phổ biến

– 201: Dễ nứt nóng hơn 304 khi pha loãng lớn; dùng ER308L, kiểm soát nhiệt vào, purge tốt.
– 304: Dễ hàn; kiểm soát interpass ≤150°C; ER308L là tiêu chuẩn.
– 316: Tương tự 304; dùng ER316L; thích hợp môi trường Cl- nhẹ, nhưng SCC vẫn có thể xảy ra >60°C.
– 430 (ferritic): Tránh nhiệt vào cao và giữ nhiệt lâu; có thể preheat nhẹ (≤150°C) khi dày/kẹp chặt; dùng ER430Ti hoặc ER309L cho mối dị vật liệu; không PWHT ở nhiệt cao vì nguy cơ giòn.

Tiêu chuẩn và mức chấp nhận

– ISO 5817 (Cấp B/C/D) quy định chất lượng mối hàn hồ quang kim loại – “Vết nứt” bị cấm ở mọi cấp chất lượng.
– AWS D1.6 (Kết cấu Inox) và TCVN liên quan: nứt là khuyết tật không chấp nhận.
– EN 1011-3 (Hướng dẫn hàn Inox) – kiểm soát nhiệt vào, vật liệu tiêu hao, chống nứt nóng/nguội.
– ASTM A554 (Ống/hộp Inox hàn cơ khí) – yêu cầu về thành phần, cơ tính và chất lượng đường hàn sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

– Có cần preheat khi hàn Inox? Với austenitic (201/304/316) thường không; giữ interpass ≤150°C. Ferritic dày/kẹp chặt có thể preheat nhẹ ≤150°C; martensitic cần preheat/PWHT theo WPS.
– MIG hàn Inox có dùng CO2 tinh khiết? Không. Dùng Ar + 1–2% CO2 hoặc 1–2% O2 để ổn định hồ quang, hạn chế oxy hóa.
– Vì sao cần purge mặt sau khi hàn ống/hộp kín ngấu? Để tránh “sugaring” giòn, giảm nguy cơ nứt chân mối và ăn mòn sớm.
– Crater crack xử lý thế nào? Mài bỏ, hàn sửa và dùng chức năng crater-fill hoặc giảm dần dòng (downslope) cho lần sau.

Kết luận

Nứt mối hàn trên ống, hộp Inox bắt nguồn từ ba nhóm chính: vật liệu/filler không phù hợp, thiết kế–độ kẹp chặt gây ứng suất cao, và quy trình hàn–bảo vệ khí–nhiệt vào chưa kiểm soát. Cách khắc phục hiệu quả gồm: chọn đúng filler (ER308L/316L/309L) với FN phù hợp, tối ưu thông số hàn để giảm nhiệt vào, bảo vệ mặt sau (purge) nghiêm ngặt, làm sạch triệt để, thiết kế gá lắp cho phép co ngót, và xử lý đúng kỹ thuật khi sửa chữa. Với môi trường sử dụng có clorua, ưu tiên vật liệu chống SCC và hoàn thiện bề mặt sau hàn. Tuân thủ các tiêu chuẩn (ISO 5817, AWS D1.6, EN 1011-3, ASTM A554) sẽ giúp loại bỏ nứt từ gốc và đảm bảo tuổi thọ kết cấu Inox trong sản xuất và vận hành.