Hàn Thép P91 (9Cr-1Mo-V): Kiểm Soát Preheat 200°C, Interpass ≤300°C và PWHT Bắt Buộc

Thép P91 — tên đầy đủ ASME SA-335 Grade P91, thành phần 9% Chromium – 1% Molybdenum – Vanadium — là vật liệu chịu nhiệt và áp suất cao được dùng trong hệ thống ống hơi chính (main steam line), ống hơi nóng lại (hot reheat) và header của nhà máy nhiệt điện, cũng như trong các hệ thống ống áp suất cao của nhà máy lọc dầu. P91 cho phép làm việc ở nhiệt độ lên đến 600–625°C dưới áp suất cao nhờ cấu trúc martensite tôi ram (tempered martensite) với carbide phân tán mịn. Cũng chính vì cấu trúc này mà P91 là một trong những loại thép khó hàn và đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt nhất trong thực tế công trường.

Tại Sao P91 Khó Hàn Hơn Thép Carbon Thông Thường

Khi hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và kim loại điền đầy (weld metal) của P91 trải qua quá trình biến đổi pha phức tạp. Trong quá trình gia nhiệt và làm nguội, cấu trúc austenite chuyển đổi thành martensite — cấu trúc cứng và giòn. Điểm biến đổi martensite bắt đầu (Ms — martensite start) của P91 nằm khoảng 400°C, kết thúc (Mf — martensite finish) quanh 200°C.

Điều này có nghĩa: bề mặt phải được làm nguội xuống dưới 200°C (gần đến nhiệt độ phòng) trước khi thực hiện PWHT — không thể đưa vào lò ủ khi mối hàn còn nóng. Đây là điểm mà nhiều kỹ sư thiếu kinh nghiệm với P91 hay nhầm: họ cố ý giữ nhiệt độ cao liên tục để tránh "sốc nhiệt", nhưng thực ra làm như vậy ngăn martensite hình thành hoàn toàn, khiến PWHT sau đó không đạt hiệu quả khử ứng suất đúng nghĩa.

Ba Thông Số Nhiệt Độ Bắt Buộc Khi Hàn P91

1. Preheat tối thiểu: 200°C (392°F)

Tiêu chuẩn ASME B31.1 và B31.3 yêu cầu preheat tối thiểu 200°C (392°F) cho P91 (P-Number 5B). Mục đích preheat ở đây không chỉ là ngăn nứt nguội do hydrogen mà còn để giảm gradient nhiệt độ giữa mối hàn và kim loại nền xung quanh — đặc biệt quan trọng vì P91 có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn thép carbon thông thường.

Que Tempilstik® dùng để xác nhận đạt preheat: Part #28327 (392°F / 200°C). Kiểm tra tại vị trí cách mép hàn 75mm về mỗi phía, toàn chu vi ống (không chỉ đo một điểm).

2. Interpass tối đa: 300°C (572°F)

Trong khi preheat là ngưỡng tối thiểu, interpass temperature là ngưỡng tối đa không được vượt quá. Với P91, interpass temperature tối đa thường quy định ≤ 300°C (572°F). Nếu nhiệt độ bề mặt vùng hàn vượt ngưỡng này trước khi đắp lớp tiếp theo, phải dừng lại chờ nguội.

Lý do: nhiệt độ interpass quá cao làm thô hạt austenite trong HAZ, giảm độ dai va đập (Charpy impact toughness) và làm xấu cơ tính của mối hàn sau PWHT. Với P91 dùng trong ống hơi chính, mối hàn phải đạt yêu cầu Charpy impact nghiêm ngặt theo ASME.

Que kiểm tra interpass tối đa: Part #28047 (600°F / 316°C). Que chảy tại 316°C — nếu tan ngay khi chạm bề mặt, nhiệt đã vượt ngưỡng 300°C; dừng hàn, chờ nguội.

3. PWHT bắt buộc: 730–760°C (1350–1400°F)

Sau khi hoàn thành hàn và mối hàn đã nguội xuống dưới 200°C (để martensite hình thành đầy đủ), bắt buộc phải thực hiện PWHT trong dải 730–760°C (1350–1400°F). Thời gian giữ nhiệt (soaking time) tối thiểu theo ASME là 1 giờ cho mỗi 25mm chiều dày, tối thiểu 30 phút bất kể chiều dày.

PWHT thực hiện bằng thiết bị gia nhiệt điện trở (resistance heating) hoặc lò nung, với thermocouple ghi nhiệt độ liên tục (datalogger). Tempilstik® dùng để spot-check bổ sung — xác nhận nhiệt độ bề mặt thực tế tại các điểm xa thermocouple, đặc biệt tại vị trí đường hàn và HAZ:

• #28065 (800°F / 427°C) — xác nhận đã vượt ngưỡng tối thiểu vùng PWHT (que tan = nhiệt độ đạt ≥ 427°C)
• #28057 (700°F / 371°C) — kiểm tra bổ sung ngưỡng dưới của vùng ủ stress relief trung gian

Bảng Tóm Tắt Yêu Cầu Nhiệt Độ và Part Number Cho P91

Hậu Quả Nếu Không Tuân Thủ — Thực Tế Đã Ghi Nhận

Creep failure trên P91 là dạng hỏng hóc đã được ghi nhận tại nhiều nhà máy điện trên thế giới, đặc biệt từ những năm 2000 khi P91 được dùng rộng rãi nhưng quy trình hàn và PWHT chưa được chuẩn hóa đầy đủ. Cơ chế hỏng hóc thường xảy ra tại vùng CG-HAZ (Coarse Grain HAZ) và FG-HAZ (Fine Grain HAZ) — vùng này sau PWHT không đúng nhiệt độ hoặc thời gian sẽ có cấu trúc "Type IV" yếu hơn kim loại nền và vùng weld metal.

Các yếu tố dẫn đến creep failure sớm trên P91:

• PWHT thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn 730°C — carbide không hòa tan và phân tán lại đúng cách
• Thời gian soaking không đủ — ứng suất dư không được khử hết
• Interpass quá cao — hạt austenite thô, cơ tính vùng HAZ giảm mạnh
• Bỏ qua giai đoạn làm nguội xuống dưới 200°C trước PWHT — martensite chưa hình thành đầy đủ
• Hàn sửa chữa (repair weld) không thực hiện lại PWHT toàn bộ mối hàn

Tiêu Chuẩn Áp Dụng Cho P91

Các tiêu chuẩn bắt buộc phải tham chiếu khi hàn P91:

• ASME B31.1 (Power Piping) — Table 132.1 quy định preheat, Table 132 quy định PWHT theo P-Number và chiều dày
• ASME B31.3 (Process Piping) — Table 331.1.1 cho preheat, Table 331.1 cho PWHT
• EN 1011-2:2001 — Annex B và Section 8 cho preheat theo CET, Section 9 cho PWHT — áp dụng cho dự án châu Âu
• ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section I — cho các ứng dụng boiler
• AWS D10.10 — hướng dẫn gia nhiệt cục bộ cho ống — tham khảo bổ sung

Tham khảo thêm về PWHT và cách Tempilstik® hỗ trợ kiểm soát nhiệt độ trong các giai đoạn xử lý nhiệt tại: PWHT là gì? Xử lý nhiệt sau hàn và vai trò của Tempilstik®.

Câu Hỏi Thường Gặp