›

Khóa luận Đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER - 1000

pdf 50 trang thiennha21 14/04/2022 4150
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER - 1000", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_danh_gia_tuoi_tho_cua_thep_austenit_08x18h10t_tron.pdf

Nội dung text: Khóa luận Đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER - 1000

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN  NGUYỄN ĐĂNG THỨC - 1410718 ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ KHÓA 2014 - 2018
  2. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Đà Lạt, ngày tháng . năm i
  3. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đà Lạt, ngày tháng . năm ii
  4. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và Quý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em đã từng học, đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức và tạo môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Em xin cảm ơn gia đình và các bạn cùng lớp HNK38 đã hỗ trợ và đồng hành cùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt Hà, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hoàn thành khóa luận này. Lâm Đồng, tháng 12, năm 2018 NGUYỄN ĐĂNG THỨC iii
  5. DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ads adsorb Hấp thụ KL Kim loại NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân PWR Pressurized Water Reactor Lò phản ứng áp lực SCC Stress Corrosion Cracking Nứt trong môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào VVER water-water power reactor Lò phản ứng nước áp lực iv
  6. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 2 1.1. Giới thiệu lò VVER-1000 2 1.2. Bình sinh hơi 3 1.3. Kết luận chương 1 5 CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 6 2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu 6 2.1.1. Khuyết tật 6 2.1.2. Khuếch tán 7 2.1.3. Ứng suất 8 2.1.4. Nứt 9 2.2. Thép không gỉ 10 2.3. Kết luận chương 2 13 CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 14 3.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất 14 3.2. Khởi tạo SCC 16 3.3. Lan truyền SCC 18 3.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ 20 3.5. Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của clorua 24 3.6. Hệ số cường độ ứng suất 27 3.7. Kết luận chương 3 31 v
  7. CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T 32 4.1. Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất KI 33 4.2. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T 35 4.3. Kết quả tính toán độ mở vết nứt trung bình hằng năm 37 4.3. Kết luận chương 4 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 vi
  8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 2 Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi 5 Bảng 2.1. Thành phần hóa học (%) khác ngoài sắt (Fe) của một số thép không gỉ 12 dùng trong NMĐHN . 12 Bảng 4.1. Các thông số để tính nồng độ hydro có trong thép . 32 Bảng 4.2. Các thông số để tính hệ số cường độ ứng suất . 32 Bảng 4.3. Kết quả hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ . 33 Bảng 4.4. Kết quá tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T 35 Bảng 4.5. Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ. 37 vii
  9. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 2 Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 4 Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky 7 Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ 8 Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 휹 9 Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản 9 Hình 3.1. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt . 14 Hình 3.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt . 16 Hình 3.3. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC . 18 Hình 3.4. Phân tử nước và phân tử hydroni . 21 Hình 3.5. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt . 21 Hình 3.6. Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ . 22 Hình 3.7. Quá trình hình thành các bước trượt tại các nút mạng tinh thể 23 kim loại . 23 Hình 3.8. Các dạng liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại 23 Hình 3.9. Mô hình tách CrCl3 ra khỏi thép không gỉ 26 Hình 3.10. Vùng đàn hồi trên vật liệu . 28 Hình 4.1. Sự phụ thuộc giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro. 34 Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng 36 Hình 4.3. Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua 38 viii
  10. MỞ ĐẦU Bình sinh hơi là một trong những bộ phận quan trọng của nhà máy điện hạt nhân. Chức năng của bình sinh hơi là lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước ở vòng thứ cấp tạo hơi với áp suất cao làm quay tua bin phát điện. Việc các ống trao đổi nhiệt, cũng như lớp vỏ bên trong bình sinh hơi phải làm việc trong những môi trường rất khắc nghiệt như: môi trường có tính oxy hóa cao, sự chênh lệch nhiệt độ, áp suất; có hoạt độ phóng xạ lớn, Có tác động rất lớn đến khẳng năng làm việc lâu dài của chúng. Các tác nhân này có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cấu thành chúng, gây ra các hiện tượng như gãy nứt, ăn mòn, làm giảm tuổi thọ của vật liệu. Vậy nên, việc đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy cho các thiết bị NMĐHN là cần quan trọng và cần chú ý trong nghành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, tìm hiểu và nghiên cứu về sự hình thành và phát triển vết nứt, cũng như tính toán được thời gian làm việc của vật liệu (đến khi hư hỏng) là những kiến thức cần thiết chúng ta cần có, nhằm nâng cao độ an toàn cho các thiết bị NMĐHN. Mục đích chính của khóa luận này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của clorua đến nồng độ hydro trong thép austenit 08X18H10T. Từ đó, có thể tính toán được tuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của nó bằng các công thức bán thực nghiệm. Khóa luận được trình bày thành 4 chương như sau: Chương 1- Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 Chương 2- Các khái niệm về cơ học vật liệu và thép không gỉ Chương 3- Sự lan truyền SCC trong vật liệu và phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất, tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong nhà máy điện hạt nhân Chương 4- Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc còn lại của vật liệu và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép 08X18H10T 1
  11. CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1. Giới thiệu lò VVER-1000 Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng ) truyền tới thiết bị sinh điện năng như turbin để sản xuất điện năng [1]. Hình 1.1. Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 [2] Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 [2] Tên nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 Loại lò phản ứng Lò nước áp lực (PWR) Chất làm mát Nước nhẹ Chất làm chậm Nước nhẹ Phổ neutron Neutron nhiệt Công suất nhiệt 3000.00 MWth Công suất điện 1060.00 MWe Hiệu suất nhà máy điện 33.7% Tuổi thọ trung bình 60 năm 2
  12. 1.2. Bình sinh hơi Bình sinh hơi là bộ phận trao đổi nhiệt được sử dụng để biến đổi nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân. Chúng được sử dụng trong các lò phản ứng nước áp lực (PWR) giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp. Trong các nhà máy điện thương mại, có hai đến bốn bình sinh hơi cho mỗi lò phản ứng; mỗi bình sinh hơi có thể có chiều cao lên tới 70 feet (21 m) và nặng tới 800 tấn. Mỗi bình sinh hơi có thể chứa từ 3000 đến 16000 ống trao đổi nhiệt, mỗi ống có đường kính khoảng 0.75 inch (19 mm). Chất làm mát (nước) được duy trì ở áp suất cao để ngăn chặn sự sôi. Truyền nhiệt diễn ra giữa lõi lò phản ứng và nước tuần hoàn và chất làm mát sau đó được bơm qua phía ống chính của máy tạo hơi nước bằng máy bơm làm mát trước khi quay trở lại lõi lò phản ứng. Qúa trình này được gọi là vòng sơ cấp. Sau đó nước sẽ được “đun” sôi ở bên trong bình sinh hơi để tạo ra hơi nước, goi là vòng thứ cấp (nước sẽ được giữ ở áp suất thấp hơn so với vòng sơ cấp). Hơi nước từ vòng thứ cấp được chuyển đến các tuabin để sản xuất điện. Hơi nước sau đó được làm lạnh qua nước làm mát và trở về máy phát hơi nước để được đun nóng một lần nữa. Nước làm mát có thể được tái tuần hoàn đến các tháp làm mát, nơi nó tỏa nhiệt trước khi trở lại để ngưng tụ hơi nước nhiều hơn [1]. Thường thì nước được dùng cho quá trình làm mát của các NMĐHN có thể được cung cấp bởi một con sông, hồ, hoặc đại dương. Các vòng lặp này cũng có vai trò an toàn quan trọng vì chúng tạo thành một trong những rào cản chính giữa các mặt phóng xạ và không phóng xạ của nhà máy bởi vì chất làm mát sẽ bị “nhiễm” phóng xạ khi tiếp xúc với lõi trong quá trình làm mát lò phản ứng [1]. Vì vậy, tính an toàn của các ống làm mát và thành bình sinh hơi cần được ưu tiên lên hàng đầu. Cần tiến hành quan sát và kiểm tra thường xuyên để phát hiện có sự hư hỏng vật liệu hay không, tránh lan truyền chất phóng xạ ra môi trường. Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi được hàn vào. Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp. Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5 cm mỗi ống được bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 1.2. Các bó ống được kết nối với bộ thu vòng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quang điện argon trên bề bên trong của bộ thu. Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic. 3
  13. Các bộ thu vòng sơ cấp được thế kế để chất làm mát phân phối nhiệt cho ống trao đổi nhiệt. Bề mặt trong của bộ thu được phủ hai lớp chống ăn mòn. Tấm phân phối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi. Tấm có lỗ được bố trí dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi. Bên trong bình sinh hơi, gần đáy thùng, do sự sắp xếp thích hợp của bộ nước cấp và bộ thổi của bình sinh hơi nên tạo ra các điều kiện cho sự tích tụ nước với muối và các tạp chất khác. Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong các trường hợp mất nước cấp [2]. Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 1. Thùng bình 8. Bộ phận cấp nước trong trường hợp 2. Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm khẩn cấp 9. 3. Vòi phun xuống Vòi phun hơi nước 4. Ống trao đổi nhiệt 10. Ống phun hơi nước 5. Bộ phận phân tách 11. Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp 6. Máy bơm nước cấp chính 12. Lối vào bình sinh hơi. 7. Vòi phun tách khí 4
  14. Bảng 1.2 Cho biết một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 (cập nhất lần gần nhất 2010) Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi [2] Thông số Giá trị Công suất hơi (t/h) 1470 Áp suất tại lối ra SG (MPa) 6.27 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG (0C) 321 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG (0C) 291 Nhiệt độ nước cấp (0C) 220 Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt (0C) 164 Độ ẩm hơi tại lối ra SG (0C) 0.2 1.3. Kết luận chương 1 Trong chương 1 chúng ta tìm hiểu một số vấn đề như sau: - Khái niệm về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 và một số thông số cơ bản. - Giới thiệu tổng quan về bình sinh hơi: cấu tạo, môi trường làm việc, nguyên lý hoạt động và một số thông số kỹ thuật chính. 5
  15. CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật liệu rắn chịu lực. Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liên quan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũng như một số khái niệm cơ bản về vật liệu để giúp ta dễ hình dung hơn về quá trình nứt gãy, hay ăn mòn do tác động từ môi trường đến vật liệu. Đối tượng nghiên cứu chính là thép không gỉ. 2.1.1. Khuyết tật Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể kiểu khuyết tật Frenkel. Khuyết tật Frenkel là một kiểu khuyết tật biến thể được thêm vào, được biết đến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen kẽ trong mạng tinh thể (xem hình 2.1a). Kiểu khuyết tật Frenkel tuân theo các định luật nhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết tật kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Một kiểu khuyết tật cũng phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật Schottky. Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới tinh thể ra ngoài và xuất hiện một lỗ trong hình 2.1b. Để quá trình xảy ra cần phải cấp năng lượng Es cho nguyên tử bức ra. Theo các tính chất nhiệt động lực học thì luôn có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạng lưới tinh thể có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt [3]. Phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh thể lý tưởng được cho như sau: − 푠 푛 = 푒 (2.1) −푛 Trong đó: kB là hằng số Boltzmann, n là số lỗ trống trong mạng tinh thể, Es là năng lượng để bức một nguyên tử ra khỏi liên kết, T là nhiệt độ tuyệt đối, N là tổng số nguyên tử có trong mạng tinh thể. 6
  16. Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [3] Từ phương trình (2.1) có thể nhận ra rằng, một tinh thể được hình thành ở nhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng các lỗ trống cao hơn. Nếu tinh thể được làm nguội một cách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các vị trí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu. Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinh thể lớn hơn mức bình thường sẽ bị tiêu hủy bằng tính chất khuếch tán theo thời gian. Một tinh thể thường có lẫn tạp chất. Các tạp chất là các nguyên tử khác hoàn toàn và hiện diện trong tinh thể chính hoặc một nguyên tử xếp nhầm vào tinh thể chính làm phá vỡ tính tuần hoàn cục bộ. Các tạp chất chiếm những vị trí mạng bên trong tinh thể. Những tính chất quan trọng của tạp chất trong tinh thể là tăng cường độ cứng của vật liệu, ví dụ các nguyên tử carbon được thêm vào như một nguyên tố hợp kim, nguyên tử carbon sẽ cản trở chuyển động sự rối loạn của các nguyên tử tinh thể làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim. Các tạp chất cũng có khả năng khuếch tán bên trong vật liệu [4]. 2.1.2. Khuếch tán Lý thuyết khuếch tán dựa trên định luật Fick, ban đầu định luật này được sử dụng trong khuếch tán hóa học. Nếu nồng độ của một chất tan trong một vùng của dung dịch lớn hơn một vùng khác, thì chất tan khuếch tán từ vùng có nồng độ cao hơn sang vùng có nồng độ thấp hơn. Hơn nữa, tốc độ của dòng chất tan tỷ lệ với gradient của nồng độ chất tan. Đây là phát biểu gốc của định luật Fick [3]. Với nồng độ gradient của khuyết tật hiện diện bên trong vật liệu, những điểm khuyết tật này bắt đầu khuyết tán là kết quả của định luật 2 nhiệt động lực học dưới sự ràng buộc của kiểu khuếch tán cần có đủ năng lượng để vượt quá rào cản thế năng phát sinh từ môi trường xung quanh. Do vậy, sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu và năng lượng cần thiết (gọi là năng lượng kích hoạt để tạo ra một sự chuyển 7
  17. đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác). Dòng hạt 퐽 của hạt được cho bởi định luật Fick [3]: 퐽 = − ∇ (2.2) Trong đó: D là hệ số khuếch tán, ∇ là hướng khuếch tán, Nd là nồng độ hạt. Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau: − D= 표푒 (2.3) Trong đó: Ed là năng lượng kích hoạt, T là nhiệt độ khuếch tán, Do là một hằng số. 2.1.3. Ứng suất Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ đang chịu tải với cường độ lực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 2.2). Trong thanh sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn trục. Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm. Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thể được mô tả bằng ứng suất trung bình đối với tiết diện này [5]. Vì vậy: 푃  = ± (2.4) ′ Theo quy ước dấu “-” thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh. Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [6] 8
  18. Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 휹 [6] Thứ nguyên của ứng suất là lực/(chiều dài)2, đơn vị thường dùng N/m2 (Pa – Pascal), MN/m2 (MPa – Mega Pascal). Ứng suất gây ra sự biến dạng của vật liệu. Khi áp dụng lực (và đó cũng là ứng suất) dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo (nén) dài ra (co lại) như hình 2.3 Độ biến dạng 휀 được cho bởi: 훿 휀 = (2.5) 퐿표 Trong đó: δ là chiều dài biến dạng, L0 là chiều dài ban đầu của thanh. 2.1.4. Nứt Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại lực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của các hạt (transgranular). Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãy intergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [5]. Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.4. Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản [4] 9
  19. Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy. Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giòn. Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ tồn tại từ trước. Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặt của các vết rỗ là không thể tránh được trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu. Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu. Dạng nứt gãy tách (hình 2.4a) là dạng thường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt gãy tách. Hệ số cường độ ứng suất là hàm của tải (loading), kích thước vết nứt và cấu trúc hình học của vết nứt. Hệ số này được thể hiện ở công thức (2.6): 퐾 = 휎√ 훽 (2.6) Trong đó: K: độ bền gãy nứt (MPa√ ), 휎: là ứng suất vật liệu (MPa) a: độ dài vết vết nứt (m), 훽: hằng số phụ thuộc vào vật liêu. 2.2. Thép không gỉ Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi (võ bình, ống trao đổi nhiệt ) là thép không gỉ. Đặc tính của thép này là không những có crôm cao (>16 - 18%) mà còn chứa niken cao (≥ 6 - 8%) là nguyên tố mở rộng đủ để thép có tổ chức austenite, vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động, lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại crôm. Nó còn có tên gọi là thép họ 18 - 8 (> 18%Cr, > 8%Ni) được sử dụng nhiều nhất và chiếm tỷ lệ áp đảo trong thép không gỉ (ở Mỹ là 70%) là do có các tính chất chống ăn mòn, công nghệ và cơ tính tốt. Về tính chống ăn mòn, ngoài HNO3 nó có thể chịu được H2SO4 (với mọi nồng độ và ở nhiệt độ thường), HCl (loãng và ở nhiệt độ thường) [7]. Môi trường làm việc của thép trong bình sinh hơi rất khắc nghiệt, chịu nhiều tác động như: 10
  20. - Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao: Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng (inlet) là 563.15 ± 3.50 K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước ở thể lỏng. Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 536 K tại áp suất 6.28 ± 0.20 MPa nước tồn tại ở dạng hơi. Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt thì xảy ra sự sôi của nước [2]. - Môi trường phóng xạ lớn Neutron, các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở trạng thái kích thích được sản sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo ra môi trường trong lò có hoạt độ phóng xạ rất cao (các tia phóng xạ là n, α, β, γ). Các tia phóng xạ có tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu [4]. - Quá trình ion hóa Do trong lò phản ứng có hoạt độ phóng xạ cao, khi nước bị chiếu xạ sẽ bị -, - + - phân hủy thành ion và chất oxy hóa nguy hiểm như OH H2O2, Cl , H , H . Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau: - O2 + 4e + 2H2O → 4OH (2.7) + 2H2O → O2 + 4H +4e (2.8) - O2 + 4e + 2H2O → 4OH (2.9) + - O2 + 2H +2e → H2O2 (2.10) - - 2Cl → Cl2 + 2e (2.11) - H2O2,, Cl là những chất oxy hóa mạnh, có khả năng ăn mòn vật liệu mạnh, vì vậy việc kiểm soát hàm lượng các ion như H-, Cl- là rất quan trọng trong việc chống ăn mòn vật liệu bên trong bình sinh hơi. Để nâng cao tính chống ăn mòn phải làm cho thép có tổ chức một pha austenit đồng nhất, không cho phép có cacbit crôm. Tiến hành austenit hóa bằng cách nung đến nhiệt độ cao (1050 – 1100oC) để cacbit hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm nguội nhanh để cố định tổ chức này. Thao tác này trong thực tế vẫn quen gọi là tôi vì về hình thức công việc nó giống hệt tôi thông thường, song cần chú ý là nó không tạo ra mactenxit cứng như khi thực hiện với thép kết cấu, dụng cụ, mà cố định tổ chức một pha austenit đồng nhất nên có tính chống ăn mòn tốt nhất [7]. 11
  21. Bảng 2.1. Thành phần hóa học (%) khác ngoài sắt (Fe) của một số thép không gỉ dùng trong NMĐHN [7]. Loại thép C Cr Ni Mn Khác 12X18H9 0.12 17.0 – 19,.0 8.0 – 10.0 2,.0 08X18H10 0.08 17.0 – 19.0 09.0 – 11.0 1.0 – 2.0 08X18H10T 0.08 17.0 – 19,.0 8.0 – 11.0 2.0 Ti5.C+0.8 12X18H9T 0.12 17.0 – 19.0 8.0 – 11.0 2.0 Ti5.C+0.8 Các biện pháp giúp giảm quá quá trình ăn mòn thép không gỉ giữa các mối hàn: - Giảm lượng cacbon xuống dưới 0,08% (08X18H10, 08X18H10), nếu giảm xuống 0.03-0.04% thì càng tốt, tuy nhiên rất khó để làm được điều này vì chi phí tốn kém - Hợp kim hóa thêm bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như titan (Ti), niobi (Nb), tantan (Ta) với lượng vừa đủ để liên kết hết cacbon của thép thành cacbit tương ứng, do đó không thể hình thành cacbit crôm khi nung nóng. Ví dụ: lượng titan đưa vào ít nhất phải gấp 5 lần lượng cacbon (C) thực tế có trong thép và nhiều nhất cũng không quá 0,80% [7]. Ngoài ra để cải thiện tính ăn mòn vật liệu do ion Cl- bên trong bình sinh hơi, người ta có thể thêm nguyên tố Molynden (Mo) vào trong quá trình luyện thép [7]. Tuy nhiên, để có thể dùng được số lượng lớn, đảm bảo tính chống ăn mòn vật liệu tốt ở môi trường có hoạt độ phóng xạ không quá cao, thì việc sử dụng thép 08X18H10 vẫn là sự lựa chọn có tính khả thi nhất. Trong khóa luận này, sẽ tập trung chủ yếu về loại thép không gỉ 08X18H10 này. 12
  22. 2.3. Kết luận chương 2 Trong chương 2 đã tìm hiểu các vấn đề như sau: - Khái niệm cơ bản về thép không gỉ và phân loại từng loại. - Môi trường làm việc của thép không gỉ 08Х18Н10Т bên trong bình sinh hơi. - Cách tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu (về mặt thành phần hóa học). - Cung cấp một số khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu, giúp dễ hiểu hơn trong việc tìm hiểu SCC và cách tính toán hệ số cường độ ứng suất. 13
  23. CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 3.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất “Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC)” là thuật ngữ để diễn tả sự hỏng hóc xảy ra chậm trong quá trình làm việc của vật liệu kỹ thuật, gây ra sự lan truyền vết nứt. Sự lan truyền vết nứt là kết quả của sự kết hợp giữa tương tác ứng suất và các phản ứng ăn mòn hóa học. Các ứng suất kéo của SCC có thể là các ứng suất dư trong quá trình chế tạo hoặc ứng suất được hình thành trong quá trình làm việc của thiết bị. Trong một số hợp kim hoặc môi trường, SCC xảy ra tại ứng suất dưới điểm giới hạn của vật liệu. SCC là hình thức ăn mòn bên trong và tạo ra sự giảm độ bền mà không gây ra mất mát kim loại lớn. Nó gây ra sự hỏng hóc và giòn nhanh chóng của thép mà không có dấu hiệu báo trước vì thế nó được coi là cực kỳ nguy hiểm. Một số thảm họa lớn xảy ra với nguyên nhân là do SCC của thiết bị thép bao gồm: vỡ các đường ống truyền khí áp cao, các vụ nổ lò hơi gây thiệt hại nghiêm trọng trong các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu. Vết nứt SCC có thể là nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) hoặc xuất phát từ bên trong các hạt (transgranular). Hình 3.1 cho thấy SCC giữa các hạt và trong các hạt. Cơ chế SCC có thể khác nhau đối với các kết hợp hợp kim / môi trường khác nhau [8]. Hình 3.1. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [9]. Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [9]: - Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1. - Lan truyền vết nứt giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái ổn định. - Lan truyền vết nứt giai đoạn 3 hoặc sự gãy cuối cùng. 14
  24. Có nhiều cơ chế khác nhau được đề xuất để giải thích tương tác giữa ứng suất và ăn mòn xảy ra ở đầu vết nứt và có nhiều hơn một quá trình gây ra SCC. Cơ chế được đề suất được chia thành hai loại cơ bản là: cơ chế anot và cơ chế catot. Tức là trong quá trình ăn mòn, hai phản ứng tại anot và catot buộc phải xảy ra, và hiện tượng này dẫn đến kết quả sự lan truyền vết nứt có thể kết hợp với một trong hai loại. Cơ chế thể hiện anot rõ ràng nhất là sự hòa tan hoặc loại bỏ vật liệu từ đầu vết nứt. Cơ chế catot thể hiện rõ ràng nhất là sự khuếch tán, hấp thụ, đánh giá hydro và tính giòn. Tuy nhiên, một cơ chế cụ thể phải có khả năng giải thích được tốc độ lan truyền thật sự của vết nứt, hoặc giải thích về hình ảnh của vết nứt. Một số cơ chế nổi bật được đề cập chi tiết hơn trong phần “cơ chế lan truyền vết nứt” ở chương II này. Bằng cách hòa tan, làm tan hóa học hoặc gãy cơ học (ductile or brittle) là nguyên nhân gây ra sự phá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử ở đầu vết nứt. Cơ học gãy bao gồm những quá trình phá hủy cơ học bình thường được kích thích hoặc được gây ra bởi một trong những phản ứng sau đây giữa vật liệu và môi trường [8]. - Sự hấp thụ của các loại môi trường - Các phản ứng bề mặt - Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt - Lớp màng bề mặt (surface films). Tất cả các cơ chế gãy cơ học được đề xuất chứa một hoặc nhiều phản ứng trên và đây cũng là một bước cần thiết trong việc xác định quá trình SCC. Các cơ chế được đề suất cho SCC yêu cầu những quá trình cụ thể hoặc sự kiện cụ thể xảy ra theo trình tự để sự lan truyền vết nứt là có thể. Các yêu cầu này giải thích vùng ổn định (the plateau region) mà ở đó tốc độ lan truyền vết nứt là độc lập với các ứng suất cơ học được áp vào. Hình 3.2 minh họa đầu vết nứt trong đó sự lan truyền vết nứt là kết quả từ của phản ứng hóa học với đầu kim loại của vết nứt đang lan truyền. Ví dụ này được chọn vì nó tối đa hóa các bước có thể xảy ra. Kiểm tra hình 3.2 cho thấy “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm: - H2 chuyển dọc theo vết nứt hoặc ra xa đầu vết nứt - Các phản ứng trong dung dịch gần vết nứt - Sự hấp phụ bề mặt ở hoặc gần đầu vết nứt - Khuếch tán bề mặt - Các phản ứng bề mặt - Hấp thụ vào số lượng lớn - Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ở đầu vết nứt thêm - Các phản ứng hóa học với số lượng lớn 15
  25. - Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử Hình 3.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt [4]. Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong môi trường lỏng, bao gồm những thông số sau: - Nhiệt độ - Áp suất - Loại chất tan - Nồng độ hoặc hoạt độ chất tan - pH - Thế năng điện hóa - Độ nhớt dung dịch - Khuấy hoặc trộn Sự thay đổi bất kỳ tham số nào trên đây đều có thể ảnh hưởng đến “các bước kiểm soát tốc độ”, hoặc là tăng lên hoặc là giảm đi tốc độ lan truyền vết nứt. 3.2. Khởi tạo SCC Khởi tạo SCC là khoảng thời gian cần thiết để đạt được điều kiện môi trường cục bộ ở các khuyết tật. Những khuyết tật này có thể từ các quá trình gia công, trầy xước, rỗ hoặc các vết rạn ăn mòn do phá vỡ liên kết. Trước khi bắt đầu quá trình khởi tạo, các chất hóa học môi trường cục bộ phải phù hợp cho việc khởi tạo vết nứt được thiết lập. Giai đoạn này rất quan trọng đối với các vật liệu thụ động hay chủ động vì 16
  26. môi trường ở đầu vết nứt khác với môi trường tổng thể và môi trường ở đầu vết nứt là rất quan trọng cho việc khởi tạo và lan truyền vết nứt. Thời gian này còn được gọi là “ thời gian cảm ứng (induction)” hoặc là “thời gian ủ bệnh (incubation)” chiếm phần lớn thời gian trước khi diễn ra sự gãy. Do đó, khởi tạo SCC có thể được mô tả qua hai thông số [9]. - Thời gian ủ bệnh trước khi hình thành vết nứt tinc. - Ngưỡng tới hạn cơ học, được thể hiện dưới dạng ứng suất ngưỡng a0 (đối với các bề mặt nhẵn), hoặc là hệ số cường độ ứng suất tới hạn KISCC (có sự hiện diện của các vết nứt tồn tại trước đó). 1 Kth a0 = (3.1)  F 0 Trong đó: ΔKth là ngưỡng “stress” do ăn mòn; F là một hằng số; Δσ0 là độ lệch ứng suất bề mặt 2 (K ) −V t = ISCC exp m int 22 (3.2) B( − 0 ) V0 Trong đó: KISCC là mức hệ số cường độ ứng suất ăn mòn để cho vết nứt phát triển đối với đồng thâu trong dung dịch anoniac, σ là ứng suất được áp vào, σ0 là ứng suất cần thiết để đóng vết nứt, B là hằng số, Vm là thế năng điện hóa học của mẫu. Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng vết nứt và thời gian tại những gian đoạn khác nhau của sự lan tuyền vết nứt được thể hiện ở hình 3.3. Thời gian ủ bệnh phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường. Đối với mỗi loại kết hợp giữa vật liệu và môi trường ở trạng thái ổn định thì có thời gian ủ bệnh cụ thể nhưng nếu trạng thái ổn định này bị phá vỡ bởi một lý do nào đó thì thời gian ủ bệnh có thể thay đổi. Nghiên cứu trước đây về SCC của thép không gỉ austenite trong dung dịch clorua đã chỉ ra rằng có một giai đoạn ủ bệnh dài trước khi vết nứt được khởi tạo. Một khi vết nứt được khởi tạo trước thời gian ủ bệnh nó sẽ lan truyền dưới sự kết hợp giữa môi trường ăn mòn và ứng suất kéo. 17
  27. Các vết nứt có thể khởi tạo tại các vết trầy xước, các rãnh hoặc các vết lõm trên bề mặt kim loại với một cường độ ứng suất cao hoặc tại các hóc ăn mòn mà lớp màn bảo vệ thụ động bị phá hủy. Sự vỡ cục bộ của lớp màng thụ động ở bền mặt kim loại có thể diễn ra do sự biến dạng dẻo. Ăn mòn điện hóa trong một môi trường cụ thể cũng có thể gây ra sự khởi tạo SCC (một điện cực sẽ bị hòa tan, điện cực còn lại sẽ kết tủa) dẫn đến sự tập trung của ứng suất tại đầu vết nứt bị hòa tan. Các bước trượt xảy ra ở bề mặt cũng có ảnh hưởng đến sự khởi tạo vết nứt SCC khi lớp màng thụ động bị hỏng và hình thành các anot cục bộ ở một bên dẫn đến các vết nứt xuất phát từ các hạt [9]. 3.3. Lan truyền SCC Một khi quá trình khởi tạo đã diễn ra, sự lan truyền SCC sẽ diễn ra dưới tác động của môi trường, ứng suất kéo và cấu trúc vi mô. Hình học vết nứt được duy trì sao cho đầu vết nứt hoạt động bình thường trong khi tường vết nứt có lớp mạng thụ động. Tốc độ các bước kiểm soát phổ biến trong cơ chế lan truyền vết nứt là tốc độ vận chuyển khối lượng trong vùng nứt, tốc độ các phản ứng oxy hóa khử ở đầu biến dạng vết nứt và ứng xử không đàn hồi của vật liệu. Hình 3.3. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC [10]. • Phản ứng bề mặt tại đầu vết nứt - Các phản ứng anot: oxy hóa, hòa tan, hình thành màng muối. - Các phản ứng catot: khử nước tạo hydro nguyên tử 18
  28. - Hấp thụ: hấp thụ hydro được tạo ra trong các phản ứng catot, hấp thụ các ion có chứa clo, lưu huỳnh hoặc các chất khác. - Khuếch tán bề mặt. • Phản ứng trong dung dịch gần đầu vết nứt như thủy phân các cation kim loại, kết tủa muối. • Vận chuyển khối lượng vật chất dọc theo vết nứt trong pha lỏng. - Khuếch tán hóa học - Khuếch tan trong thế năng gradient - Đối lưu • Sự thay đổi cục bộ của vật liệu ở đầu vết nứt - Hấp thụ và khuếch tán trong vật liệu: hydro được hình thành bởi các phản ứng catot, các lỗ trống hình thành bởi các phản ứng hòa tan. - Hình thành các lớp xốp hoặc vùng nghèo Crom bằng cách hòa tan chọn lọc - Thay đổi các tính chất cơ học như biến dạng dẻo do cường độ tập trung ứng suất, biến dạng nghỉ một phần gây ra bởi sự hòa tan anot và sự tăng tính di động của biến vị. • Cơ chế hỏng - Tại bề mặt, ví dụ như sự vỡ lớp màng bảo vệ thụ động, tách rời khỏi vật liệu, sự phân cắt, vv. - Ngăn cách đầu vết nứt với môi trường do hydro bám hút (gây ra giòn hóa hydro). Trong số tất cả các quá trình kể trên, một số quá trình đóng góp trực tiếp cho sự phát triển của vết nứt, trong khi một số khác tạo ra các điều kiện cục bộ khác với môi trường tổng thể trong vật liệu, điều này thích hợp cho sự lan truyền vết nứt. Do đó, trong quá trình lan truyền vết nứt, các điều kiện động lực học và nhiệt động lực học được tạo ra ở đầu vết nứt. Ở bất kỳ quá trình nào cũng có thể là bước xác định tốc độ trong quá trình lan truyền vết nứt. Các cơ chế lan truyền SCC có thể được chia thành một trong hai cách sau: liên quan đến tính giòn của kim loại do các phản ứng ăn mòn hoặc sự phát triển của vết nứt bởi quá trình hòa tan cục bộ. Một số cơ chế được đề xuất cho sự lan truyền vết nứt phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường. Mô hình cơ học gãy được giả định rằng vết nứt chủ yếu lan truyền bằng cách hòa tan và sau đó ứng suất chèn gây ra cơ chế gãy (dẻo hoặc giòn). Một số mô hình được đề xuất gồm: mô hình lớp màng bị phân tách, mô hình vết rạn nứt mờ, mô hình đường hầm, mô hình hấp thụ và mô hình hydro [10]. 19
  29. 3.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ Như đã đề cập ở trên, khi tăng nồng độ hydro sẽ dẫn đến sự giảm tính cơ học và phá hủy thép không gỉ. Hydro có mặt trong thép tác động cục bộ đến độ bền của thép và tạo ra sự giòn hóa hydro cục bộ. Giòn hóa hydro của thép austenit ảnh hưởng mạnh tới ngành công nghiệp hạt nhân và các lĩnh vực công nghệ khác. Mặc dù các điều kiện tạo ra sự giòn hóa hydro trên thép được nghiên cứu và phát triển nhưng hiện nay người ta vẫn chưa hoàn toàn loại bỏ được sự ảnh hưởng của hydro đến thép austenit. Hydro hoạt tính xuyên thấu qua hầu hết các loại vật liệu. Hydro được hấp thụ bởi thép pearlit có thể chia thành ba bước như sau: 1. Trạng thái ion hóa (proton) 2. Trạng thái phân tử 3. Tạo thành Hydrua của các hợp kim. Trong các trường hợp đơn giản, sự tương tác của hydro với thép pearlit có thể được biểu diễn bằng một loạt các phản ứng sau: + 1. Sự phân ly của ion hydoni (H3O ). 2. Sự bổ sung electron cho ion hydro. 3. Sự hút bám của các nguyên tử hydro trên bề mặt vật liệu. 4. Một số nguyên tử hydro bị hấp thụ bởi vật liệu. Sự tích tụ hydro chủ yếu xảy ra ở các vùng dẻo của thép pearlit (đỉnh vết nứt). Điều kiện bên trong bình sinh hơi khi đang hoạt động tạo ra môi trường ăn mòn điện hóa đối với các vật liệu kết cấu. Các ion hydro không thể tự tồn tại trong dung dịch + nước một cách độc lập, mà nó ở dạng ở ion hydroni (H3O ), tức là ion hydro thứ ba gắn với một phân tử nước (hình 3.4). Trong quá trình ăn mòn điện hóa tại đỉnh vết nứt các ion hydro sẽ nhận electron từ kim loại của đỉnh vết nứt (hình 3.5). Phản ứng 3.4 – 3.6 tạo ra ion hydro và các sản phẩm phụ. Phần lớn các ion hydro (H+) sẽ bám vào bề mặt của thép sau đó hình thành các phân tử khí hydro (H2) và thoát ra ngoài để lại các lỗ nhỏ trên bền mặt thép không gỉ, phần nhỏ các nguyên tử hydro bị hút bám sẽ bị vật liệu hấp thụ vào trong nó. 20
  30. Hình 3.4. Phân tử nước và phân tử hydroni [11]. Hình 3.5. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt [11]. Tại anot: Me → Men+ + ne- (3.3) Tại catot: + + H3O → H2O + H (3.4) + + - H3O → 2H + OH (3.5) + 2- H3O → 3H + O (3.6) + - nH + ne → nHhb (3.7) nHhb → κHhb + (1-κ)H2↑ (3.8) 21
  31. Hình 3.6. Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ [11]. Trong vật liệu, ảnh hưởng chủ yếu của hydro là quá trình làm tăng độ giòn và dễ bị bẻ gãy của vật liệu. Trong quá trình này, một số ion hydro bám vào bề mặt của vật liệu một số khác sẽ khuếch tán vào bên trong vật liệu. Độ hòa tan của ion hydro vào trong vật liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng, vậy nên việc tăng nhiệt độ sẽ làm tăng sự khuếch tán của ion hydro, nhất là trong trường hợp nồng ion hydro ở môi trường bên ngoài vật liêu lớn hơn nhiều so với nồng độ ion hydro trong vật liệu thì sự khuếch tán ion hydro có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ thấp. Các ion hydro sau khi khuếch tán vào vật liệu sẽ nhận electron của vật liệu để thành các nguyên tử hydro. Đối với các nguyên tử hydro đơn lẻ này, chúng dần dần tái kết hợp lại với nhau bên trong vật liệu để tạo thành phân tử hydro, tạo nên áp lực ngay bên trong vật liệu. Áp lực này có thể tăng tới mức vật liệu sẽ bị giảm độ bền, độ mềm dẻo, và sức căng, tới điểm giới hạn và hình thành các vết nứt [12]. Sự biến dạng cấu trúc của vật liệu bởi hydro yếu, có thể giải thích bằng một trong những cách này: Trong hình 3.7 là sơ đồ hình thành các bước trượt - phần kích thích tại anot của các bề mặt kim loại tiếp xúc với dung dịch điện phân: tác động tổng cộng của các ứng suất như: ứng suất cơ học, thủy lực, nhiệt dẻo, ứng suất dư, dẫn đến việc thiết lập lại cấu trúc của biến vị, tức là, dẫn tới việc các biến vị thoát ra trên bề mặt giới hạn kim loại với nước và hình thành các bước trượt (Hình 3.7). 22
  32. 1. Các phần giới hạn giữa kim loại và môi trường ăn mòn (nước). 2. Các nguyên tử biến vị trong các bước trượt. 3, 4, 5 Các bước trượt với các chiều cao khác nhau. Hình 3.7. Quá trình hình thành các bước trượt tại các nút mạng tinh thể kim loại [12]. Hình 3.8. Các dạng liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại [12]: 1. Trong thể tích kim loại (tồn tại 6 liên kết) 2. Trên bề mặt kim loại (thiếu một liên kết) 3. Của nguyên tử biến vị - cạnh của bước trượt (thiếu 2 liên kết) 4. Của nguyên tử biến vị - cạnh mép của bước trượt (thiếu 3 liên kết) Sự thiếu vắng của một số liên kết dẫn đến việc giảm năng lượng kích thích của việc hòa tan kim loại của anot E. Ngoài ra, bề mặt của bước trượt là không thụ động (chủ động), vì với tốc độ thoát cao trên bề mặt của lớp thụ động không có thời gian hình thành. Do đó, vùng hòa tan anot là một hỗn hợp. Nó bao gồm bề mặt không thụ động (chủ động, cái được hình thành bởi các bước trượt), bề mặt phân chia kim loại với môi trường, bề mặt thụ động. Mật độ dòng ăn mòn của kim loại được đặt ở trạng thái kích thích ăn mòn lớn hơn 103-104 lần so với trạng thái thụ động. Đây là các bước để xác định tốc độ hòa tan (giải phóng) của các nguyên tử được bố trí lại và lượng e-hóa trị được chuyển sang catot bằng các nguyên tử chất tan. Đổi lại, các e kết hợp với proton và tạo thành các nguyên tử hấp phụ hydro (nguyên tử hydro hút bám): + − 3 + 3푒 = 3 푠 (3.9) 23
  33. Theo định nghĩa, nồng độ (của các ion-hydro) được đặc trưng bởi độ pH. Độ pH càng cao (môi trường kiềm), phản ứng khử cực hydro xảy ra càng chậm với cùng một khu vực của các bước trượt. Diện tích của các bước trượt càng lớn, tỷ lệ tạo ra nguyên tử hydro hấp phụ càng cao hơn trên bề mặt kim loại / môi trường ăn mòn trên kim loại. Hầu hết các hydro hấp thụ được kết hợp thành các phân tử khí hydro, và phần còn lại được hấp thụ bởi kim loại. Một phần khác của hydro tạo thành hydrua ổn định và bền vững 푒 푛 - trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo, tương ứng. Điều này được gọi là hiệu ứng cơ hóa - hiện tượng tăng mạnh về mật độ dòng điện ăn mòn trong quá trình chuyển đổi từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo. Hiệu ứng thứ hai được gọi là hiệu ứng Rebinder, hoặc hiệu ứng cơ điện: sự thay đổi về đặc tính cơ học của kim loại tại vị trí tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Nguyên tử hydro có hệ số khuếch tán cao, do đó nó nhanh chóng và đồng thời lấp đầy toàn bộ thể tích của kim loại, được đặt trong trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo. Đó là lượng hydro trong trạng thái không nghịch đảo và được xác định bằng bậc của độ hãm hydro [12]. 3.5. Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của clorua Dưới tác dụng của các yếu tố hư hại đối với lớp thép 08Х18Н10Т, một phương pháp tính toán bán thực nghiệm được đưa ra, nó xét đến sự ảnh hưởng của nguyên tử hydro trong thép crom-niken của lớp (loại) austenit. Theo phương pháp này, thời gian làm việc (trước khi bị phá hủy) của thép không gỉ austenit, ký hiệu là 휏, trong dung dịch chứa oxy và clorua được tính toán theo công thức sau[13]: − 푙𝑔휏 = 푙𝑔휏0 − 0.5푙𝑔 2 − 1.5푙𝑔 푙 (3.10) Trong đó: 휏: là thời gian làm việc (trước khi bị phá hủy) của thép không gỉ (h) 푙𝑔휏0= 3.6 (theo lý thuyết ở nhiệt độ 300℃) 2 : là nồng độ của oxy trong thép không gỉ (mg/kg) 푙−: là nồng độ của clorua (mg/kg) 24
  34. Phương trình tính mật độ dòng catot: − − к 𝑖к = 퐾к ∗ 10 ∗ 푒 ( ⁄푅 ) (3.11) 𝑖к − mật độ dòng catot 퐾к − hằng số chuyển đổi trong một đơn vị dòng catot к − năng lượng kích thích của quá trình phát ra hydro ở catot : độ pH của môi trường Ký hiệu “k” dùng để chỉ các đại lượng liên quan đến catot. Tương tự, mật độ dòng anot được tính theo: − а 𝑖а = 퐾а ∗ 푒 ( ⁄푅 ) (3.12) 𝑖а − mật độ dòng anot 퐾а − hằng số chuyển đổi trong một đơn vị dòng anot а − năng lượng kích thích của quá trình hòa tan kim loại xảy ra ở anot Ký hiệu “a” dùng để tham chiếu tất cả các tham số đến anot. Nếu Sa và Sk tương ứng với tổng diện tích bề mặt kim loại ở phần anot và catot, thì tại nút của mạch điện nhánh kín, tuân theo định luật Kirchhoff – tổng các cường độ dòng điện bằng 0. Có nghĩa là, đối với bất kỳ kim loại bị ăn mòn, hàm lượng kim loại đó đi qua dung dịch trên phần anot tương ứng với hàm lượng phục hồi trên phần catot, tức là, đối với bất kì phần nào của bề mặt kim loại Ia=Ik Với, Ia: là cường độ dòng điện tại anot Ik: là cường độ dòng điện tại catot Ta có: Ia=ia*Sa; Ik=ik*Sk. Vì vậy, xác suất của quá trình trên catot cũng có thể biểu diển bằng xác suất của quá trình phân rã trên anot từ bề mặt kim loại như sau: − 퐾 ∗ 푆 − 푒 ( к⁄ ) = [ а а ⁄ ] ∗ 푒 ( а⁄ ) (3.13) 푅 퐾к ∗ 푆к ∗ + 푅 + − nồng độ ion-hydro trong nước sôi của vòng thứ cấp. 25
  35. Để tính toán xác suất của các quá trình trên catot và anot, cần có những giả thuyết sau. Đầu tiên, xét đến sự cân bằng của một nguyên tử tại bề mặt giới hạn giữa kim loại và môi trường. Mật độ dòng điện trong quá trình trên catot có thể được tính theo công thức sau: ̅ 퐾а ∗ 푆а 0 휎 ф.ш.훾 ф.ш.훾훼 √휌⁄ 𝑖к = ⁄ ∗ 푒 [( ⁄ ) + ( ⁄ ) + ( ) + 푆к 푅 푅 √2 푅 − 0.5푙푛 2 + 1.5푙푛 푙 ] (3.14) Sự xuất hiện của nguyên tử hydro trong thép austenit diễn ra tương ứng với định luật Faraday khi cromclorit CrCl3 bị tách ra khỏi thép không gỉ như hình 3.8. Hình 3.9. Mô hình tách CrCl3 ra khỏi thép không gỉ [12]. Vậy, nếu biết thời gian làm việc (trước khi bị phá hủy) (h) và độ lớn điện tích 2 А đi qua (C) và diện tích bề mặt kim loại ở phần catot (cm ), có thể tính 𝑖к ( ⁄см2): 𝑖к = ⁄휏 ∗ 푆к (3.15) Sử dụng các hằng số chuyển đổi, nồng độ hydro có đơn vị ml.H2 ứng với 100 g kim loại được tính theo công thức sau: 1 2 푆а − а = ⁄ ∗ 22.4 ∗ 10 ∗ 퐾а ∗ ( ⁄ ) ∗ 푒 [ ⁄ ] (3.16) (퐹 푒) 푆к 푅 Thế công thức (3.14) vào công thức (3.16), ta nhận được công thức tính toán nồng độ hydro [12]. 1 2 = ( ) ∗ 22.4 ∗ 10 ∗ 𝑖к (3.17) 퐹 푒 26
  36. Qua công thức trên, có thể nhận thấy mối liện hệ giữa nồng độ clorua đến nồng độ hydro có trong thép. Việc tính tán và kiểm soát nồng độ clorua sẽ giúp ta có thể điều chỉnh nồng độ hydro cho thép một cách hợp lí, giảm thiểu tình trạng ăn mòn vật liệu, giúp nâng cao tuổi thọ cho thép không gỉ. 3.6. Hệ số cường độ ứng suất Xuất phát từ phương trình khuếch tán. ccc 2 1 =+D 2 (3.18) trrr Với 0 < r < ∞, 0 < t < ∞ (r2= x2 + y2). Trong đó: D là hệ số khuếch tán c là nồng độ hydro trong môi trường r là khoảng cách từ góc tọa độ đến một nguyên tử hydro. Bỏ qua tác dụng của gradient ứng suất và biến dạng lên trường nồng độ (tác động này rất nhỏ). Nồng độ không phụ thuộc vào góc cực θ, vì vậy vết nứt không cho thấy sự ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ của ion hydro c. Phương trình bảo toàn khối lượng ion hydro là: 2 Qtrcdrdrc == r t dr  2( , ) (3.19) 000 Phương trình này đóng vai trò điều kiện bổ sung. Khi r→∞ thì c tiến về 0. Nghiệm bài toán là: Qr 2 cEi= −− (3.20) 44 DDt x Trong đó Eixte()(1/) dt= t là phương trình vi phân mũ. Hãy nhớ là phương − trình Ei(-x) khi x dương thì nó sẽ đơn điệu giảm, khi đó: Khi x→0 −Ei( − x ) = − ln x − C (3.21) Khi x→0 −Ei()/ − x = e−x x (3.22) Với C 0,577 là hằng số Euler [11]. Sự khuếch tán hydro vào cuối vết nứt tạo ra vùng đang hồi như trên hình 3.10. 27
  37. Hình 3.10. Vùng đàn hồi trên vật liệu [11]. Tác động lên vết nứt của hydro được xác định thông qua nồng độ của chúng. Vì vậy ta cũng xem xét một cách đơn giản khi mà nồng độ ion hydro c nhỏ hơn một đại lượng nồng độ giới hạn ce nhất định thì kim loại ở trạng thái dẻo, khi nồng độ c vướt quá đại lượng giới hạn ce thì kim loại chuyển sang trạng thái giòn hóa. Xét bán kính nhân tròn (hình 3.9). Khi r = de và c = ce ta có hệ thức sau: 2 4// DcQEidDt (4)ee= −− (3.23) Đại lượng de tăng đơn điệu theo thời gian Công thức hệ số cường độ ứng suất (cho lõi đàn hồi có dạng như hình 3.9) là: KdIIse= (3.24) Trong đó: ηI là hằng số không đổi σs là giá trị ứng suất tác động lên vật liệu và làm cho vật liệu biến dạng vĩnh viễn. Theo công thức này cùng với sự phát triển của vùng đang hồi này hệ số cường độ ứng suất tăng lên cho tới khi đạt một giá trị nhất định KIC (vùng đàn hồi này dưới tác động của hydro sẽ trở nên ngày còn giòn hay gọi là sự giòn hóa hydro) [4]. Từ công thức (3.24) suy ra: 22 dkeIcIs0 = / () (3.25) Cường độ Q (tổng điện tích ion hydro) tỷ lệ với độ mở của vết nứt (ở đỉnh vết nứt) là: Q = 0 (3.26) Trong đó: η là hằng số vật liệu môi trường ν0 là độ mở của vết nứt. Vì hydro di chuyển vào cuối vết nứt nên theo định lý về động lực học chất khí thì số va chạm giữa hydro và đỉnh vết nứt sẽ bằng: 28
  38. Nn= 1  2 (3.27) 3 HH 2 3pH Với  H = (3.28) H Trong đó: pH là áp suất của hydro H là mật độ của hydro 2  H là tốc độ di chuyển trung bình của hydro nH là tổng số nguyên tử hydro trung vùng dẻo. Thay công thức (3.28) vào công thức (3.27) thì thu được công thức sau: 1 3pH Nn= H (3.29) 3 H Công thức độ mở của vết nứt là: 2 02= KEIs/() (3.30) Trong đó: η2 là một hằng số. Thời gian hoạt động trung bình của một NMĐHN trong một năm là khoảng 8000 giờ, từ công thức độ mở vết nứt ta có thể tính được độ mở vết nứt trung bình hằng năm như sau: 푣 = 푣표 ∗ 8000/휏 (3.31) Trong đó: 휏 là thời gian làm việc dẫn đến hư hỏng của vật liệu (h). Từ phương trình (3.30) ta có: 0E s KI = (3.32) 2 Thay các phương trình (3.21), (3.23), (3.26), lần lượt vào phương trình (3.32) ta thu được công thức bán thực nghiệm biểu diễn quan hệ giữa nồng độ hydro và hệ số cường độ ứng suất [9]: C( tDE )4  K =− s (3.33) I r 2 2Ei − 4Dt Trong đó: σs ứng suất căng áp vào mà tại đó độ biến dạng của thép không gỉ tăng mạnh. E mô đun Young. Hệ số η2 = 0.21. 29
  39. Trong môi trường làm việc thực của bình sinh hơi ngoài hydro phản ứng với hợp kim thì còn có các chất phản ứng với hợp kim, ví dụ như Oxy, Clo có khả năng phản ứng với kim loại và tạo thành màng oxit rắn hoặc các muối của clo với kim loại. Do đó, song song với quá trình khuếch tán hydro, luôn luôn có một quá trình cạnh tranh làm tăng lớp màng ăn mòn ở đầu vết nứt. 23  =  340 kD (3.34) Với: - η là hằng số của vật liệu môi trường. 푙2 - 휂 3 = , 푙2 2là nồng độ ở môi trường bên ngoài (xét cho trường hợp 2 thép không gỉ). VV− - = 0 là sự thay đổi thể tích của hợp kim trước và sau khi bị ăn mòn. V0 E - κν là mô đun đàn hồi thể tích, k = với γ là hệ số Posion cho thép  3 ( 1 2− )  không gỉ. k -  =  4 E Tỏng khóa luận này ta sử dụng công thức (3.17) để tính toán nồng độ của hydro thông qua clo, công thức (3.10) để tính thời gian làm việc còn lại, công thức (3.33) để tính hệ số cường độ ứng suất và công thức (3.31) để tính độ mở vết nứt của thép austenit 08X18H10T hằng năm. Kết quả tính toán sẽ được trình bày ở chương IV. 30
  40. 3.7. Kết luận chương 3 Trong chương 3 đã tìm hiểu các vấn đề như sau: - Các giai đoạn hình thành và lan truyên vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất áp vào thép không gỉ. - Tìm hiểu những yếu tố của môi trường gây ra phản ứng ở đỉnh vết nứt và ảnh hưởng đến sự hình thành và tốc độ làn tuyền của vết nứt của thép không gỉ. - Sự tác động của hydro đến việc vật liệu thép không gỉ. - Tìm hiểu sự ảnh hưởng của clorua đến môi trường ăn mòn, mối liên hệ giữa chorua và hydro. - Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc còn lại của vật liệu và độ mở vết nứt trung bình hằng năm. 31
  41. CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T Trong chương 3 ở trên ta đã tìm hiểu lý thuyết cơ chế hình thành và phát triển của vết nứt đối với vật liệu là thép không gỉ và sự ảnh hưởng của clorua tới thép không gỉ. Ở chương IV này ta sẽ trình bày kết quả tính toán sự ảnh hưởng của clorua tới thép không gỉ và kết quả tính hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc còn lại cho đến khi hư hỏng, cũng như tính độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ. Các thông số được sử dụng cho việc tính toán được cho ở các bảng 4.1 và bảng 4.2. Bảng 4.1. Các thông số để tính nồng độ hydro có trong thép [12]. Hàm lượng oxy cố định (mg/kg) 0.01 Diện tích bề mặt canode (cm2) 0.008 Khối lượng riêng của thép(g/cm3) 8213 Thể tích bề mặt bị ăn mòn(cm3) 0.0015 Khối lượng thép bị ăn mòn (g) 12.3 Hằng số Faraday (C/mol) 96500 Điện tích qua bề mặt canode(A/h) 26.8 푙푖 16.5 2 (ml 2/100g KL trong điều kiện bình thường) Bảng 4.2. Các thông số để tính hệ số cường độ ứng suất [12]. Ứng suất căng σs (MPa) 200 Mô đun young E (MPa) 196000 Hệ số η2 0.21 Hệ số thay đổi thể tích của hợp kim ∆ 0.2 Hệ số Posion γ 0.28 Hệ số khuếch tán hydro trong thép không gỉ D (m2/s) 2.5x10-6 Nồng độ 푙2 của môi trường bên ngoài ban đầu (mol/lít). 0.05 Nồng độ 2 tích tụ ban đầu trong thép không gỉ (mol/lít). 0.06 2 -6 Hệ số khuếch tán oxy trong thép 표 (m /s) 1.8x10 Bán kính hạt nhân r (m) 10-10 32
  42. 4.1. Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất KI Hệ số cường độ ứng suất KI của thép austenit 08X18H10T được tính toán dựa vào các công thức (3.10), (3.17), (3.33) và số liệu ở bảng 4.1 và 4.2. Kết quả thu được cho ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Kết quả hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ. 1/2 STT CCl (mg/kg) CH2 (ml/100g KL) KI (MPa.m ) 1 0.05 0.18 9.60 2 0.10 0.50 16.14 3 0.15 0.92 22.02 4 0.20 1.42 27.46 5 0.25 1.98 32.52 6 0.30 2.61 37.43 7 0.35 3.28 42.05 8 0.40 4.01 46.59 9 0.45 4.79 51.00 10 0.50 5.61 55.27 11 0.55 6.47 59.44 12 0.60 7.37 63.51 13 0.65 8.31 67.52 14 0.70 9.29 71.46 15 0.75 10.30 75.32 16 0.80 11.35 79.14 17 0.85 12.43 82.89 18 0.90 13.54 86.58 19 0.95 14.68 90.22 20 1.00 15.86 93.85 21 1.03 16.50 95.76 22 1.05 17.06 97.40 23 1.10 18.29 100.92 24 1.15 19.55 104.40 25 1.20 20.84 107.86 33
  43. t t ấ ) ng su 1/2 ứ ộ ng đ ờ (MPa.m I cư K ố s ệ H Hình 4.1. Sự phụ thuộc giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro. Từ bảng số liệu 4.3 và đồ thị hình 4.1, ta có thể xây dựng được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro của thép austenit 08X18H10T như sau: = 22.969 0.5093 Với x là nồng độ hydro, y là hệ số cường độ ứng suất. Hình 4.1 mô tả sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất vào nồng độ hydro tích lũy trong thép không gỉ theo thời gian.Theo số liệu từ bảng 4.3 và hình 4.1ta thấy, nồng độ hydro trong thép tích lũy càng cao thì hệ số cường độ ứng suất càng tăng, và ngược lại, nồng độ hydro trong thép tích lũy càng thấp thì hệ số cường độ ứng suất càng nhỏ. Khi nồng độ hydro trong thép đạt giá trị giới hạn CH2=16.5 1/2 ml/100g KL thì hệ số cường độ ứng suất tương ứng KI=95.76 MPa.m . 34
  44. 4.2. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T Thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T được tính toán dựa vào các công thức (3.10) và số liệu ở bảng 4.1và 4.2 thì thu được kết quả theo bảng 4.4. Bảng 4.4. Kết quá tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T CCl Thời gian dẫn đến hư hỏng, CH2 (ml/100g KL) STT (mg/kg) x104 (h) 1 0.05 356.07 0.18 2 0.10 125.89 0.50 3 0.15 68.52 0.92 4 0.20 44.50 1.42 5 0.25 31.84 1.98 6 0.30 24.22 2.61 7 0.35 19.22 3.28 8 0.40 15.73 4.01 9 0.45 13.18 4.79 10 0.50 11.26 5.61 11 0.55 9.76 6.47 12 0.60 8.56 7.37 13 0.65 7.59 8.31 14 0.70 6.79 9.29 15 0.75 6.12 10.30 16 0.80 5.56 11.35 17 0.85 5.08 12.43 18 0.90 4.66 13.54 19 0.95 4.29 14.68 20 1.00 3.98 15.86 21 1.02 3.82 16.50 22 1.05 3.70 17.06 23 1.10 3.45 18.29 24 1.15 3.22 19.55 25 1.20 3.02 20.84 35
  45. (h) 4 ng *10 ng ỏ n hư n h hư ế n n đ ẫ i i gian d ờ Th Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng Từ bảng số liệu bảng 4.4 và đồ thị hình 4.2 ta xây dựng được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa nồng độ clorua đến thời gian hư hỏng của thép austenit 08X18H10T như sau: = 3.977 −1.5. 104 (ℎ) Với x là nồng độ clorua, y là thời gian dẫn đến hư hỏng. Tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T (thời gian dẫn đến hư hỏng) phụ thuộc nhiều vào nồng độ của clorua có trong thép. Từ bảng 4.4 và hình 4.2 ta thấy nồng độ clorua càng cao thì thì thời gian làm việc còn lại của thép sẽ càng ngắn.Trong khoảng tăng của nồng độ clorua từ 0.05-0.2 mg/kg, thì khoảng thời gian làm việc còn lại bị giảm đột ngột, trong khi, nồng độ clorua từ 0.2-1.2 mg/kg thì khoảng thời gian làm việc của thép không bị thay đổi nhiều. Khi nồng độ của clorua (CCl) trong thép đạt 1.03 푙푖 mg/kg, khi đó nồng độ của hydro sẽ đạt giới trị giới hạn 2 =16.5 ml/100g KL thì tuổi thọ của vật liệu là 38251giờ (≈ 4.4 năm). Từ đó ta có thể nhận thấy, việc tính toán và kiểm soát chặt chẽ hàm lượng clorua trong thép sẽ giúp chúng ta đánh giá và có những biện pháp giúp tăng tuổi thọ làm việc của thép trong NMĐHN, tránh gây thất thoát và lãng phí. 36
  46. 4.3. Kết quả tính toán độ mở vết nứt trung bình hằng năm Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép austenit được tính toán dựa vào các công thức (3.10), (3.17), (3.31) và số liệu ở bảng 4.1và 4.2. Một MNĐHN có thời gian hoạt động trung bình hằng năm khoảng 8000 giờ. Kết quả thu được cho ở bảng 4.5. Bảng 4.5. Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ. Thời gian dẫn đến hư hỏng, C C Độ mở vết nứt trung bình STT Cl H2 x104 (h) (mg/kg) (ml/100g KL) hằng năm, x10-7 (m/y) 1 356.07 0.05 0.18 0.01 2 125.89 0.10 0.50 0.08 3 68.52 0.15 0.92 0.30 4 44.50 0.20 1.42 0.72 5 31.84 0.25 1.98 1.42 6 24.22 0.30 2.61 2.47 7 19.22 0.35 3.28 3.94 8 15.73 0.40 4.01 5.91 9 13.18 0.45 4.79 8.45 10 11.26 0.50 5.61 11.62 11 9.76 0.55 6.47 15.51 12 8.56 0.60 7.37 20.18 13 7.59 0.65 8.31 25.71 14 6.79 0.70 9.29 32.19 15 6.12 0.75 10.30 39.66 16 5.56 0.80 11.35 48.24 17 5.08 0.85 12.43 57.96 18 4.66 0.90 13.54 68.90 19 4.29 0.95 14.68 81.13 20 3.98 1.00 15.86 94.81 21 3.82 1.03 16.50 102.74 22 3.70 1.05 17.06 109.01 23 3.45 1.10 18.29 126.49 24 3.22 1.15 19.55 144.70 25 3.02 1.20 20.84 164.63 37
  47. ng ng ằ (m/y) 7 - t t trung bình h ứ t t n ế năm x10năm v ở m ộ Đ Hình 4.3. Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua Từ số liệu đã tính được ở bảng 4.5 và đồ thị hình 4.3, ta có thể xây dựng được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua như sau: = 95.523 3.0519 (10−7 . −1) Với x là nồng độ clorua, y là độ mở vết nứt trung bình hằng năm. Theo số liệu đã được tính toán ở bảng 4.5, thời gian thép bắt đầu hư hỏng phụ thuộc nhiều vào nồng độ clorua có trong thép. Thời gian dẫn đến hư hỏng càng ngắn thì nồng độ hydro trong thép không gỉ càng cao, dẫn đến độ mở vết nứt càng tăng, tuổi thọ của thép càng giảm. Khi nồng độ clorua tích tụ trong thép đạt giá trị CCl=1.03 mg/kg thì độ mở vết nứt trung bình hằng năm khoảng 푣= 0.01 mm/ năm. 38
  48. 4.3. Kết luận chương 4 Trong chương này chúng ta đã tìm hiều những vấn đề sau đây: - Tính toán nồng độ hydro trong thép không gỉ thông qua môi trường có hiện diện clorua. Khi nồng độ clorua trong thép CCl=1.03 mg/kg thì nồng độ của hydro 푙푖 tích tụ trong thép sẽ đạt giá trị tới hạn 2 =16.5 ml/100g KL. - Tính toán được thời gian bắt đầu hư hỏng vật liệu khi biết được nồng độ clorua có trong môi trường làm việc của vật liệu. Khi nồng độ clorua trong thép CCl=1.03 mg/kg thì thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T là khoảng 4.4 năm. - Tính toán hệ số cường độ ứng suất khi đã biết nồng độ hydro có trong thép 푙푖 austenit. Nồng độ hydro tích tụ trong thép đạt giá trị giới hạn 2 =16.5 ml/100g KL 1/2 thì hệ số cường độ ứng suất của thép austenit 08x18H10T KI=95.76 MPa.m . - Tính toán được tốc độ mở rộng vết nứt trung bình hằng năm của thép. Khi nồng độ clorua tích tụ trong thép đạt giá trị CCl=1.03 mg/kg thì độ mở vết nứt trung bình hằng năm khoảng 푣= 0.01 mm/ năm. - Có một cái nhìn trực quan thông qua các con số tính toán cũng như biểu đồ, giúp hiểu rõ hơn sự ảnh hưởng của clorua đến thép không gỉ. 39
  49. KẾT LUẬN Sau khi thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp “Đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000” đã thu được những kết quả như sau: - Nắm bắt các khái niệm, một số thông số kỹ thuật cơ bản của bình sinh hơi cũng như NMĐHN loại VVER-1000. - Tìm hiểu về môi trường làm việc khắc nghiệt của thép austenit bên trong bình sinh hơi. - Nắm bắt được các khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu như là lực tác dụng, khuyết tật, khuếch tán, ứng suất, sự hình thành và lan truyền vết nứt. - Tính toán được sự ảnh hưởng của clorua đến thép austenit 08X18H10T với các kết quả như sau: sự tích tụ hydro trong thép, hệ số cường độ ứng suất, thời gian dẫn đến hư hỏng của thép (hay còn gọi tuổi thọ của thép) và độ mở của vết nứt trung bình hằng năm. Từ kết quả tính toán thu được, ta có thể nhận thấy, nồng độ clorua trong thép càng tăng, thì nồng độ hydro tích tụ càng lớn, dẫn đến, hệ số cường độ ứng suất tăng lên, vết nứt càng to ra, làm cho tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T giảm xuống. Khi nồng độ clorua đạt CCl =1.027 mg/kg, nồng độ hydro trong thép đạt giá trị tới hạn CH2=16.5 ml/100g KL, thời gian làm việc còn lại cho đến khi hư hỏng là 1/2 38251giờ (≈ 4.4 năm), hệ số cường độ ứng suất KI=95.76 (MPa.m ) và độ mở vết nứt trung bình hằng năm khoảng 푣= 0.01 mm/ năm. - Khóa luận này đã chỉ rõ sự ảnh hưởng của nồng độ clorua đến thời gian làm việc của thép austenit 08X18H10T, từ đó giúp ta có thể tìm những biện pháp nhằm tăng tuổi thọ của chúng, tránh gây lãng phí, tốn kém. Hướng nghiên cứu tiếp theo Với các kết quả thu được ở bài luận văn này thì hướng nghiên cứu tiếp theo có thể là tìm hiểu và tính toán tuổi thọ của các thành phần, thiết bị hoạt động khác của NMĐHN. 40
  50. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] WWER-1000 REACTOR SIMULATOR WORKSHOP MATERIAL, International Atomic Energy Agency IAEA, 2011. [3] Shervin Shojaee, Modelling Stress Relaxation in Bolt Loaded CT- Specimens, Department of Applied Physics, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden 2014. [4] Trần Minh Hùng, “Tính toán hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt xảy ra trên ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000”, Trường Đại học Đà Lạt, 2018. [5] Kittel C, Introduction to Solid State Physics. 8th ed. Hoboken (NJ), John Wiley & Sons, 2004. [6] Robinett RW, Quantum Mechanics – Classical Results, Modern Systems, and Visualized Examples, 2nd ed. Oxford (NY), Oxford University Press, 2006. [7] websites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi [8] Dahberg T, Ekberg A, Failure fracture fatigue, Student litteratur, Lund, Sweden 2002. [9] Ananya Bhattacharya, Stress Corrosion Cracking of Duplex Stainless Streels in Caustic Solutions, Georgia Institute of Technology Atlana, GA, December 2008. [10] Russell H.Jones, book Stress-corrosion Cracking, Copyright 1992 by ASM International. [11] Нгуен Тхи Нгует Ха, Экспериментально-Теоретическое Моделирование Развития Трещин В Конструкционных Сплавах Оборудования Аэс, едеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Национальный Исследовательский Университет «Мэи», 2016. [12] Глушкова Н. Е. Магистерская диссертация на тему «Влияние коррозионной среды на коэффициент интенсивности напряжений (применительно к аустенитным сталям», НИУ, «МЭИ», 2010. 41