Nứt mối hàn trên ống, hộp Inox: Nguyên nhân và cách khắc phục

Hiện tượng nứt mối hàn trên ống, hộp Inox gây rò rỉ, giảm tuổi thọ và chi phí sửa chữa lớn. Bài viết này phân tích đầy đủ nguyên nhân điển hình (nứt nóng, nứt lạnh/hydro, nứt do ăn mòn ứng suất, nứt mỏi…), cách chẩn đoán và biện pháp khắc phục theo thực tế xưởng gia công ống/hộp mỏng đến trung bình. Chủ đề này là mắt xích quan trọng trong cẩm nang ống và hộp Inox vì chất lượng mối hàn quyết định độ kín, độ bền và an toàn công trình.

Các dạng nứt mối hàn Inox thường gặp và cơ chế

– Nứt nóng (solidification/liquation cracking): xuất hiện khi kim loại mối hàn còn nóng đỏ đến gần nhiệt độ hóa rắn. Với Inox Austenitic (304/304L, 316/316L), nguy cơ cao do các tạp P, S, Si tạo màng eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp bám biên hạt; hàm lượng ferrite delta quá thấp cũng làm tăng rủi ro. Dấu hiệu: nứt dọc theo tâm mối hàn (centerline), nứt chân/đỉnh mối; thường xuất hiện ngay sau khi hàn hoặc sau va đập nhẹ. (TWI)
– Nứt lạnh/hydro: hiếm ở Austenitic nhưng gặp ở Inox Martensitic (410, 420) và Ferritic (430) do tôi nguội và hydro khuếch tán. Dấu hiệu: nứt trễ sau vài giờ–vài ngày, tiếng “tách” nhỏ, xuất hiện gần HAZ. (TWI)
– Nứt do ăn mòn ứng suất clorua (SCC): xảy ra trong vận hành khi có ion Cl-, nhiệt độ thường >60°C và ứng suất kéo dư sau hàn. Dấu hiệu: mạng nứt tơ, xuất hiện sau vài tuần–vài tháng, tập trung vùng HAZ và bề mặt có “heat tint”. (Nickel Institute)
– Nứt mỏi: phát sinh ở chân/đỉnh mối hàn tại kết cấu chịu rung động; khởi phát từ khuyết tật vi mô (underfill, lack of fusion).
– Nứt hố co (crater crack): do ngừng hồ quang đột ngột, co ngót không được bù; hay gặp khi hàn TIG/GMAW ở ống mỏng.
Lưu ý: “Sugaring” (oxy hóa mặt sau khi hàn TIG không có purge) không phải nứt nhưng làm giòn, giảm Cr, tạo mầm nứt và ăn mòn sau này.

Vì sao ống, hộp Inox dễ nứt hơn tấm phẳng?

– Gá lắp cứng và hình học kín làm tăng độ kìm hãm co ngót, tăng ứng suất kéo dọc mối hàn.
– Ống/hộp mỏng (0,8–2,0 mm) dễ quá nhiệt, méo, tạo “chỗ thắt” và hố co.
– Mối hàn kín cần bảo vệ mặt sau; nếu purge kém (O2 cao), bề mặt bị oxy hóa, biên hạt yếu.
– Tính dị hướng sau uốn/định hình ống làm tập trung ứng suất ở đường hàn dọc khi chịu tải/va đập.

Chẩn đoán nhanh nguyên nhân theo dấu hiệu hiện trường

– Nứt xuất hiện ngay khi nguội, chạy dọc tâm mối TIG tự động/autogenous trên 304/316: nghi nứt nóng do FN quá thấp, tốc độ cao, khe hở/độ kìm hãm lớn.
– Nứt sau 1–3 ngày trên 410/430, khí ẩm, kim loại nguội nhanh: nghi nứt lạnh/hydro; kiểm tra quy trình sấy que/dây, tiền nhiệt.
– Nứt dạng mạng tơ sau vài tháng vận hành trong môi trường có muối/Cl-, nhiệt >60°C: nghi SCC; kiểm tra xử lý bề mặt sau hàn và cấp vật liệu (304 vs 316L).
– Nứt tại hố co cuối đường hàn: do dừng hồ quang đột ngột, thiếu lấp hố co.
– Nứt tại góc hộp (toe/fillet): liên quan thiết kế góc sắc, thấu kém/lệch mép, ứng suất tập trung.
Kiểm tra khuyến nghị:
– NDT: thẩm thấu màu (PT) để xác định độ dài nứt; nội soi ống nếu cần.
– Đo O2 khi purge: mục tiêu <100 ppm cho TIG bên trong ống kín. - Đo ferrite FN mối hàn Austenitic (ferritscope) mục tiêu FN ~3–10 để giảm nứt nóng. - Soi macro/micro, phân tích thành phần/khí nếu xảy ra hàng loạt.

Biện pháp khắc phục và phòng ngừa theo nguyên nhân

1) Vật liệu và kim loại điền

– Chọn dây/que phù hợp: 308L cho 304/304L; 316L cho 316/316L; 309L cho hàn dị vật liệu. Ưu tiên bản “L” carbon thấp để hạn chế nhạy cảm hóa (giảm nguy cơ SCC/IGC). (AWS D1.6, Lincoln Electric)
– Kiểm soát ferrite delta: dùng kim loại điền có FN dự kiến 3–10 theo biểu đồ DeLong/WRC-1992 để giảm nứt nóng; tránh TIG “autogenous” trên mác giàu Ni/Cr nếu từng nứt.
– Hạn chế tạp P, S; dùng vật liệu đạt ASTM A554/A312 chuẩn ống/hộp, yêu cầu chứng chỉ nhiệt luyện/kim tương khi gia công quan trọng.

2) Chế độ hàn (WPS) và nhiệt vào

– Quản lý nhiệt vào HI = (V x I x 60 x k) / (1000 x tốc độ hàn). Với TIG lấy k≈0,6; ưu tiên HI thấp–trung bình, dao động mỏ nhỏ.
– Giới hạn nhiệt độ giữa các lớp và bề mặt phôi: Austenitic <150°C để hạn chế nhạy cảm hóa; Ferritic/Martensitic theo khuyến nghị nhà sản xuất. - Xử lý hố co: kích hoạt chức năng crater fill/slope-down; quay lại chấm kín miệng hố. - Trình tự hàn giảm kìm hãm: back-step, chia đoạn đối xứng; dùng đồ gá cho phép co ngót tự do.

3) Bảo vệ khí và purge mặt sau

– TIG/GTAW: Argon 99,99%, 8–12 L/phút; ống/hộp kín cần back purging với O2 < 100 ppm; dùng băng gốm/giấy purge hoặc nắp chặn mềm, theo dõi bằng máy đo O2. - GMAW xung cho ống/hộp mỏng: khí Ar+2%CO2 hoặc Ar+1–2%O2 để giữ hồ quang ổn định, hạn chế oxy hóa; lưu ý không dùng CO2 cao với Inox. - Bảo vệ kéo đuôi (trailing shield) cho mối dài để tránh heat tint.

4) Chuẩn bị mép, gá lắp và thiết kế

– Làm sạch 2 bên mép ≥20 mm: tẩy dầu, bụi, ẩm; chỉ dùng bàn chải/nỉ chuyên dụng cho Inox.
– Khe hở và lệch mép hợp lý: ống/hộp mỏng ưu tiên khe hở nhỏ, fit-up sát; dùng backing/copper chill bar để tản nhiệt.
– Bo góc hộp nếu có thể; tránh góc sắc tập trung ứng suất. Bố trí gân/tăng cứng hợp lý giảm rung động.

5) Kiểm soát hydro và nhiệt cho Ferritic/Martensitic

– Sấy que/dây theo khuyến nghị; giữ khô khí và ống dẫn. Tránh hơi ẩm bề mặt.
– Tiền nhiệt: 150–250°C cho 410/420 (theo WPS/PQR); duy trì giữa các đường hàn; ram giảm ứng suất sau hàn khi yêu cầu.

6) Xử lý sau hàn

– Tẩy gỉ – thụ động hóa: loại bỏ heat tint bằng gel axit nitric/fluoric hoặc giải pháp citric chuyên dụng; rửa sạch, trung hòa để phục hồi lớp thụ động Cr2O3, giảm nguy cơ SCC/ăn mòn kẽ. (Nickel Institute)
– Mài bo chân mối (toe dressing) hoặc TIG remelt nhẹ cho kết cấu chịu mỏi.
– Không trộn dụng cụ thép carbon lên Inox (tránh nhiễm sắt tự do).

7) Kiểm soát môi trường vận hành (SCC)

– Chọn vật liệu phù hợp: 316L cho môi trường clorua nhẹ; Duplex 2205 cho khắc nghiệt hơn. Giữ nhiệt độ thành ống <60°C khi có Cl- nếu dùng Austenitic chuẩn. - Cách nhiệt khô, tránh ẩm ngấm muối; thiết kế thoát nước, tránh khe kẹt. - Giảm ứng suất dư: trình tự hàn tối ưu; ở nhiệt độ cao quan trọng có thể cân nhắc ủ hòa tan (khó áp dụng cho kết cấu hoàn thiện).

Thông số gợi ý khi hàn ống/hộp Inox mỏng–trung bình

– TIG 1,0–1,5 mm: điện cực 1,6–2,4 mm (2% thori/ceria), 45–85 A DCEN, Ar 8–10 L/phút; dây 1,0–1,2 mm 308L/316L; tốc độ 150–250 mm/phút; purge 5–10 L/phút đến O2<100 ppm. - TIG 2,0–3,0 mm: 80–120 A, Ar 10–12 L/phút; có thể vát mép nhỏ nếu yêu cầu thấu hoàn toàn. - GMAW xung dây 0,8–1,0 mm: khí Ar+2%CO2, điện áp 18–23 V, dòng trung bình 80–140 A; cài đặt xung theo nhà SX máy hàn để giảm nhiệt vào và bắn tóe. Lưu ý: Thông số chỉ là điểm khởi đầu; bắt buộc lập WPS/PQR theo AWS D1.6 hoặc ASME IX cho sản xuất hàng loạt.

Quy trình sửa chữa mối hàn bị nứt (thực hành xưởng)

1) Cô lập và đánh dấu: vệ sinh, PT để khoanh vùng; nếu ống áp lực, giảm áp/thoát sạch môi chất.
2) Mài mở vết nứt dạng rãnh chữ U, vượt quá đầu nứt tối thiểu 10–15 mm; tránh mài quá mỏng thành ống.
3) Làm sạch kỹ, purge mặt sau nếu thấu kín; điều chỉnh WPS theo nguyên nhân gốc (ví dụ thêm 308L để tăng FN, giảm nhiệt vào).
4) Hàn đắp phục hồi; xử lý hố co; kiểm soát interpass.
5) NDT lại (VT/PT; nếu yêu cầu RT/UT với thành dày).
6) Tẩy – thụ động hóa; nghiệm thu theo mức chất lượng đã xác định (ISO 5817).
Ghi nhớ: Theo tiêu chuẩn, mọi dạng “crack” đều không được chấp nhận (ISO 5817; AWS D1.6).

Case thực tế ngắn: Ống 304 dày 1,2 mm nứt đường tâm sau hàn TIG

– Hiện tượng: nứt ngay khi nguội, chạy dọc tâm mối hàn dọc ống, hàn TIG không dùng dây (autogenous).
– Phân tích: mối hàn hoàn toàn Austenitic, FN≈0 → nứt nóng; tốc độ cao, khe hở không đều.
– Khắc phục: thêm dây 308L Ø1,0 mm để đạt FN 3–6; giảm 10–15% tốc độ hàn; bật crater fill; purge mặt sau đến O2<100 ppm; kết quả: hết nứt, bề mặt sáng, đạt PT cấp B theo ISO 5817.

Tiêu chuẩn và mức chấp nhận tham khảo

– ISO 5817: Hàn nóng chảy – Cấp chất lượng của khuyết tật. Mọi vết nứt: không cho phép ở tất cả cấp (B, C, D).
– AWS D1.6/D1.6M: Structural Welding Code – Stainless Steel. Yêu cầu WPS/PQR; cracks = reject.
– ASME Section IX: Quy định thí nghiệm quy trình hàn (PQR) và thông số WPS dùng cho sản xuất lặp lại.

Bảng kiểm nhanh trước – trong – sau khi hàn

Trước khi hàn
– Vật liệu đúng mác; chứng chỉ đạt chuẩn; bề mặt sạch, khô.
– Dây/que đúng loại (308L/316L…), hạn tạp P, S; FN dự kiến phù hợp.
– Fit-up chặt, gá lắp hạn chế kìm hãm; chuẩn bị purge cho ống kín.

Trong khi hàn
– Điều chỉnh dòng/áp, tốc độ để giữ nhiệt vào thấp–trung bình; kiểm soát interpass <150°C (Austenitic). - Purge đến O2<100 ppm; bảo vệ kéo đuôi; lấp kín hố co. - Theo dõi bắn tóe, heat tint; hiệu chỉnh ngay khi thấy “đường thắt” hoặc hồ quang bất ổn. Sau khi hàn - NDT VT/PT; sửa chữa ngay khuyết tật; tẩy – thụ động hóa. - Ghi biên bản thông số, cập nhật WPS nếu có điều chỉnh; lập kế hoạch kiểm tra định kỳ với công trình có Cl-.

Tài liệu tham khảo

– The Welding Institute (TWI): Solidification cracking in austenitic stainless steel weld metals; Hydrogen cracking in steels; Guidance on purge and heat tint. https://www.twi-global.com
– AWS D1.6/D1.6M: Structural Welding Code – Stainless Steel. American Welding Society.
– ASME Section IX: Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures, Welders, Brazers.
– ISO 5817: Welding – Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys – Quality levels.
– Nickel Institute: Guidelines for chloride stress corrosion cracking of austenitic stainless steels. https://www.nickelinstitute.org
– Lincoln Electric/ESAB Knowledge Center: Stainless steel filler selection and ferrite control.

Kết luận
– Nứt mối hàn trên ống, hộp Inox chủ yếu do nứt nóng (Austenitic), nứt lạnh/hydro (Martensitic/Ferritic), SCC trong môi trường Cl-, và nứt do hố co/mỏi.
– Cốt lõi phòng ngừa: chọn đúng vật liệu – kim loại điền (ưu tiên “L”, FN 3–10), kiểm soát nhiệt vào và purge mặt sau, fit-up tốt, xử lý bề mặt sau hàn, và thiết kế giảm ứng suất.
– Khi đã nứt, cần mài mở – hàn phục hồi theo WPS tối ưu và kiểm tra NDT; mọi vết nứt đều không chấp nhận theo ISO 5817/AWS D1.6.
Để được tư vấn quy trình hàn tối ưu cho ống, hộp Inox và nhận báo giá tốt, vui lòng liên hệ Inox Cường Thịnh. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com