›

Khóa luận Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra

pdf 61 trang thiennha21 14/04/2022 4290
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_tinh_toan_thoi_gian_lam_viec_con_lai_cua_cac_thanh.pdf

Nội dung text: Khóa luận Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KĨ THUẬT HẠT NHÂN VÕ THỊ VIỆT KIỀU – 1410704 TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC THANH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI TRÊN BỀ MẶT CỦA CHÚNG XUẤT HIỆN CÁC VẾT RỖ DO TRẦM TÍCH ĐỒNG GÂY RA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KĨ SƯ HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ KHÓA 2014 – 2018
  2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i
  3. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii
  4. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kĩ thuật hạt nhân đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt 4.5 năm học tập tại Trường Đại học Đà Lạt. Em cũng cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện cho em được đến trường và tập thể lớp HNK38 luôn bên cạnh giúp đỡ em trong việc học tập. Cuối cùng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt Hà, cám ơn cô đã giúp em hoàn thành khóa luận và tận tình dạy dỗ chỉ dạy em trong suốt thời gian làm khóa luận. Lâm Đồng, tháng 12 năm 2018 Võ Thị Việt Kiều iii
  5. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ads Adsorb Hấp thụ Hệ thống an toàn thụ động cải AP Advanced Passive tiến EPR European Pressurised Reactor Lò phản ứng áp lực châu Âu International Atomic Energy Cơ quan năng lượng nguyên tử IAEA Agency quốc tế International Commission on Ủy ban quốc tế về bảo vệ phóng ICRP Radiological Protection xạ International Electrotechnical IEC Ủy ban kĩ thuật điện quốc tế Commission International Nuclear Safety Tổ chức an toàn hạt nhân quốc INSAG Group tế International Organization for Cơ quan thiết lập tiêu chuẩn ISO Stadardization quốc tế PWR Pressurized Water Reactors Lò nước áp lực Nứt do môi trường ăn mòn và SCC Stress Crossion Crack có ứng suất áp vào Vodo – Vodyanoi Kiểu lò phản ứng nước áp lực VVER Energetichesky Reaktor được thiết kế bởi Nga iv
  6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000 3 Bảng 1.2. Các thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường 7 Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép không gỉ 9 Bảng 2.1. Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu 16 Bảng 4.1. Kết quả tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích 42 Bảng 4.2. Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 44 Bảng 4.3. Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2 45 Bảng 4.4. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt. 47 v
  7. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 2 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 2 Hình 1.3. Bình sinh hơi 5 Hình 1.4. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 6 Hình 1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn 10 Hình 2.1. Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) 12 Hình 2.2. Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b) 13 Hình 2.3. Ứng suất kĩ thuật 13 Hình 2.4. Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác dụng lên thanh đồng nhất 14 Hình 2.5. Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng 16 Hình 2.6. Hành vi dẻo và giòn của vật liệu 17 Hình 2.7. Các dạng nứt cơ bản 18 Hình 3.1. Vết nứt do gãy liên kết giữa các hạt (a) và vết nứt xuất phát từ bên trong hạt (b) 20 Hình 3.2. Các quá trình diễn ra tại đầu vết nứt 21 Hình 3.3. Các giai đoạn của quá trình SCC theo thời gian 23 Hình 3.4. Mối quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anode 26 Hình 3.5. Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom 27 Hình 3.6. Mô hình vỡ lớp màng 28 Hình 3.7. Sơ đồ thể hiện tỉ lệ mật độ điện tích oxy hóa/thời gian đốivới sự biến dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt 29 Hình 3.8. Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt SCC 29 vi
  8. Hình 3.9. Sơ đồ của mô hình vỡ lớp màng cho thấy sự hình thành của lớp màng giòn dọc theo biên giới hạt và sự vỡ của lớp màng giòn do ứng suất dẫn đến sự khởi tạo và lan truyền vết nứt 30 Hình 3.10. Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ 32 Hình 3.11. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạn nứt liên kết 33 Hình 4.1. Sự hình thành trầm tích đồng của ống trao đổi nhiệt 36 Hình 4.2. Mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt 37 Hình 4.3. Thành của ống trao đổi nhiệt T 37 Hình 4.4. Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic 38 Hình 4.5. Vết nứt trong thép không gỉ do trầm tích đồng 38 Hình 4.6. Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành 40 Hình 4.7. Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian 40 Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích 43 Hình 4.9. (a) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τ1 ; (b) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τH 46 Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt theo thời gian τH 48 vii
  9. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ VVER – 1000 2 1.1. Giới thiệu chung 2 1.2. Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 5 1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi 5 1.2.2. Vật liệu bình sinh hơi 9 1.2.3. Môi trường làm việc của bình sinh hơi 10 1.3. Kết luận chương 1 11 CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 12 2.1. Khuyết tật 12 2.2. Biến vị 12 2.3. Ứng suất và biến dạng 13 2.3.1. Khái niệm ứng suất, biến dạng 13 2.3.2. Đường cong ứng suất – biến dạng 15 2.3.3. Nứt 18 2.4. Kết luận chương 2 19 CHƯƠNG 3- NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ CÓ ỨNG SUẤT ÁP VÀO 20 3.1. Khái niệm nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào (SCC) 20 3.2. Các thông số kiểm soát sự lan truyền SCC 21 3.3. Khởi tạo SCC 22 3.4. Các cơ chế lan truyền SCC 24 3.4.1. Cơ chế hòa tan 25 3.4.2. Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) 26 3.4.3. Mô hình giải hòa tan trượt hoặc mô hình vỡ lớp màng 27 viii
  10. 3.4.4. Mô hình gãy cơ học 30 3.5. Kết luận chương 3 34 CHƯƠNG 4- SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT 35 4.1. Đồng trong trầm tích của bình sinh hơi 35 4.2. Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt 37 4.3. Tính toán và nhận xét 42 4.3.1. Tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (VCu) 42 4.3.2. Tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1(V1) và giai đoạn (VH) (hình 4.2 và hình 4.7) 44 4.3.3. Tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt τocm 46 4.4. Kết luận chương 4 48 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 ix
  11. LỜI MỞ ĐẦU Bình sinh hơi là một bộ phận quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân, nó là một thiết bị trao đổi nhiệt biến nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ phản ứng phân hạch. Chúng được sử dụng trong các loại lò PWR và VVER giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp. Môi trường làm việc của bình sinh hơi cực kì khắt nghiệt: nhiệt độ cao, áp suất cao, môi trường phóng xạ lớn, chịu tác động của các ion và chất oxy hóa nguy hiểm, Vì vậy, thép không gỉ austenitic được chọn để chế tạo bình sinh hơi, đặc biệt là chế tạo các ống trao đổi nhiệt, đây là loại thép có khả năng chịu nhiệt tốt và chống ăn mòn cao. Trong khóa luận này sẽ đề cập đến vấn đề trầm tích đồng ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi loại lò VVER – 1000. Trong quá trình hoạt động của bình sinh hơi, nước cấp từ bên ngoài mang theo đồng, đồng sau đó tích tụ lên các ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi tạo thành trầm tích, đẩy nhanh quá trình hình thành các khuyết tật và vết nứt trên ống, làm giảm tuổi thọ của chúng. Do đó, để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của nhà máy điện hạt nhân thì việc hiểu được vết nứt hình thành như thế nào và tính toán thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt khi phát hiện trầm tích đồng là cần thiết. Khóa luận gồm bốn chương: - Chương 1: Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000. - Chương 2: Một vài khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu. - Chương 3: Nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào. - Chương 4: Sự hình thành vết nứt của thành ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng và tính toán thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt. 1
  12. CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ VVER – 1000 1.1. Giới thiệu chung VVER – 1000 là phiên bản phát triển từ VVER – 640 thuộc lò phản ứng thế hệ thứ II được thiết kế tại Nga. VVER – 1000 của Rosatom thuộc thế hệ III+ tương đương với các lò phương Tây như EPR 1600 của Avera và các lò Mỹ như AP1000 của Westinghouse [2]. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.1 và sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.2 [2]. Hình 1.1. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 [2] 2
  13. Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 có các điểm mạnh sau [2]: • Thiết kế đổi mới, an toàn và tiến hóa • Năng lượng điện của tổ máy lên đến 1100MW. • Tuổi thọ của thiết bị có thể kéo dài ít nhất 60 năm. • Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao. • Hệ số vận hành được tính trung bình cho toàn bộ thời gian vận hành của nhà máy điện hạt nhân là 92%. • Chu kỳ thay đảo thanh nhiên liệu là 12 đến 24 tháng. • Chất lượng cao của các giải pháp công nghệ và tài liệu dẫn chứng thiết kế được dựa trên kinh nghiệm dày dạn trong thiết kế, áp dụng sự tự quản, quy phạm và các tiêu chuẩn trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Chất lượng của nhà máy điện hạt nhân với VVER – 1000 cũng dựa trên các khuyến cáo của các tổ chức quốc tế như IAEA, INSAG, ICRP, IEC trong lĩnh vực đảm bảo chất lượng các tiêu chuẩn quốc tế ISO – 9001 – 2000. Bảng 1.1 cho biết một số thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000. Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000 [11] Đặc tính chung của lò Công suất nhiệt 3000 – 3300 MWth Công suất điện 1000 – 1200 MWe Áp suất vòng một 15.7 MPa Độ giàu nhiên liệu cao nhất 3.3 – 4.4% Chu kỳ đảo nhiên liệu (nhiên liệu ở 3 năm 6700 – 8000 giờ hiệu quả trong lò) Áp suất hơi ở đầu ra bình sinh hơi 7.35 MPa Lượng hơi sinh ra 5880 – 6400 tấn/giờ Nhiệt độ nước cấp đầu vào bình sinh hơi 220 0C Thời gian hoạt động 50 – 60 năm Xác suất nóng chảy vùng hoạt lò khi sự cố 10-6 – 10-7 1/năm.lò 3
  14. Đặc tính chung của vùng hoạt Số bó thanh nhiên liệu 163 – 253 Số bó thanh nhiên liệu có chứa thanh điều 121 khiền Số thanh nhiên liệu trong 1 bó thanh nhiên 311 liệu Số thanh hấp thụ trong 1 bó 18 – 24 Bước đặt các thanh nhiên liệu 12.75 mm Đường kính ngoài của thanh nhiên liệu 9.1 mm Số kênh đo nơtron 54 54 (kết hợp với thanh đo Số kênh đo nhiệt độ nơtron) Tỷ số nhiệt tuyến tính cực đại 400 – 448 Tổng độ hấp thụ của các thanh điều khiển 11.5 % Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của nhiên liệu -1.9x10-5 1/0C Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của chất tải 0 đến -70x10-5 1/0C nhiệt Đặc trưng cơ bản của lò Hiệu nhiệt độ của chất tải nhiệt giữa đầu ra 340C và đầu vào vùng hoạt Áp suất vòng 1 17.6 MPa Nhiệt độ chất tải nhiệt khi ra khỏi lò 3300C Chiều dài vỏ lò 11700 mm Đường kính bên trong vỏ lò nơi đặt vùng 4135 – 5400 mm hoạt Vật liệu vỏ lò Thép 15X2MFA – A Thời gian sử dụng vỏ lò 60 năm 4
  15. 1.2. Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi Bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 (hình 1.3) là một thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm. Thùng bình sinh hơi được thiết kế để đặt trong tòa nhà lò (containment building), nó gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi được hàn vào. Thùng bình sinh hơi được thiết kế để thuận tiện cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp [13]. Hình 1.3. Bình sinh hơi 1. Thùng bình (Vessel) 2. Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm (Damage nozzle) 3. Vòi phun xuống dưới (Blow down nozzle) 4. Ống trao đổi nhiệt (Heat – exchange tubes) 5. Thành phần phân tách (Separation Units) 6. Thành phần bơm nước cấp chính (Main feedwater spray unit) 7. Vòi phun khử khí (Gas removal nozzle) 8. Thành phần bơm nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater spray unit) 9. Vòi phun hơi nước (Steam nozzle) 10. Ống phun hơi nước (Steam header) 5
  16. 11. Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater nozzle) 12. Lối vào bình sinh hơi (Access airlock) Hình 1.4 cho thấy mặt cắt dọc của bình sinh hơi [13]. Hình 1.4 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 1. Ống dẫn hơi chính 7. Ống dẫn chất tải nhiệt chính 2. Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp 8. Các ống trao đổi nhiệt 3. Hạt đậu 9. Bộ cân bằng áp suất hơi 4. Nắp đậy vòng sơ cấp 10. Ống cấp nước 5. Nắp đậy thứ cấp 11. Bộ tách hơi 6. Nắp đậy sơ cấp 12. Ống dẫn hơi 6
  17. Bề mặt trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi bao gồm 10978 ống hình chữ U với đường kính mỗi ống là 16x1.5mm, được bố trí theo chiều ngang. Các bó ống được nối với bộ thu (collectors) vòng sơ cấp, mép ống được hàn hồ quang điện argon ở bề bên trong của bộ thu. Vật liệu của ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic [13]. Bộ thu vòng sơ cấp được thiết kế để nước làm mát phân phối đến các ống trao đổi nhiệt, sau đó nước được gom lại và loại bỏ khỏi vòng sơ cấp. Bề mặt bên trong của bộ thu phủ lớp chống ăn mòn hai lớp. Tấm phân phối hơi nước được lắp ở phần trên cùng của thùng bình sinh hơi. Tấm đục lỗ được đặt dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi nước [13]. Bình sinh hơi dự trữ một lượng nước lớn nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong tai nạn mất nước cấp [13]. Sự bố trí “hành lang” (corridor) giữa các ống trao đổi nhiệt thì có các lợi thế sau [14]: - Tăng sự tuần hoàn giữa các bó ống, kết quả là giảm tốc độ hình thành lắng đọng trầm tích trên các ống trao đổi nhiệt. - Giảm khả năng ống bị tắc do cặn bẩn bị tróc ra. - Tăng không gian dưới bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất cặn bẩn. - Dễ dàng cho việc kiểm tra và bảo dưỡng các ống trao đổi nhiệt. - Cải thiện khả năng chế tạo và chất lượng lắp ráp bó ống. - Tăng thể tích bình do đó làm tăng lượng nước trong bình sinh hơi. - Cải thiện một số vấn để về điều kiện của bộ thu hồi chất làm mát. Một số thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường được thể hiện ở bảng 1.2. 7
  18. Bảng 1.2. Các thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường [13] Thông số Giá trị Công suất hơi, t/h 1470 Áp suất tại lối ra của bình sinh hơi, MPa 6.27 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào của 321 bình sinh hơi, 0C Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra của 219 bình sinh hơi, 0C Nhiệt độ nước cấp đầu vào của bình sinh hơi, 0C 220 Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, 164 0C Độ ẩm hơi nước tại lối ra của bình sinh hơi, % 0.2 8
  19. 1.2.2. Vật liệu bình sinh hơi Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi là thép không gỉ. Thép không gỉ là hợp kim của sắt chứa hơn 11% kim loại Cr và 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 Cr. Thép không gỉ thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc vi mô của chúng. Theo đó, sẽ có bốn loại thép không gỉ là ferritic, austenitic, martensitic và duplex [12]. Thành phần của các loại thép này được thể hiện trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép không gỉ [12] Lớp màng thụ động Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt là do chúng tạo ra một lớp màng rất mỏng không nhìn thấy được trong môi trường oxy hóa. Lớp màng này là một lớp oxit bảo vệ thép khỏi sự tấn công của môi trường. Khi Cr được thêm vào thép, tốc độ ăn mòn giảm xuống khoảng 10% bởi vì sự hình thành lớp bảo vệ hay lớp màng thụ động. Để đạt được một lớp màng thụ động chắc chắn và liên tục thì hàm lượng Cr cần thiết phải ít nhất là 11% (hình 1.5). Sự bảo vệ thụ động này tăng rất nhanh với hàm lượng Cr tăng lên khoảng 17%. Đây là lý do tại sao nhiều loại thép không gỉ chứa từ 17 – 18% Cr [12]. 9
  20. Hình 1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [12] 1.2.3. Môi trường làm việc của bình sinh hơi Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân làm việc trong điều kiện môi trường hết sức khắc nghiệt như [12]: - Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao Trong bình sinh hơi, nước ở nhiệt độ rất cao: Ở vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng là 593.15 ± 3.50K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước ở thể lỏng; ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552K 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. - Môi trường phóng xạ lớn Các tia phóng xạ (n, 훼, 훽, 훾) từ các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở trạng thái kích thích được sản sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân U – 235, tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu. - Các chất hóa học Nước bị chiếu xạ bởi các tia phóng xạ và phân hủy thành ion và chất oxy hóa − nguy hiểm như •OH,H2O2, O2, H2, • 2 푒 푞•, H. Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau: + - O2 + 2H + 2e ↔ H2O2 (1.1) + - H2O2 + 2H + 2e ↔ 2H2O (1.2) + - H2 ↔ H2 (ads) + e (1.3) 10
  21. + + - H2 (ads) ↔ 2H + e (1.4) H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra môi trường oxy hóa dẫn đến sự ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ. 1.3. Kết luận chương 1 Ở chương 1 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau: - Những đặc điểm nổi trội của nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 và các thông số cấu tạo của nó. - Cấu tạo của bình sinh hơi, vật liệu được dùng để làm nên bình sinh hơi và môi trường làm việc của bình sinh hơi. 11
  22. CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 2.1. Khuyết tật Khuyết tật Schottky là loại khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể. Trong một tinh thể hoàn hảo, khuyết tật Schottky được tạo ra bằng cách loại bỏ một nguyên tử trong mạng tinh thể và tạo ra một lỗ trống (hình 2.1a). Cần có một năng lượng 푠 để bức nguyên tử ra khỏi mạng tinh thể. Trong mạng tinh thể luôn tồn tại sự hỗn loạn của các nguyên tử do các định luật nhiệt động lực học, vì vậy xác suất tạo ra lỗ trống tỉ lệ với hệ số Boltzmann. Do đó, nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra lỗ trống và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt. Phương trình (1) thể hiện mối quan hệ giữa số lượng lỗ trống (n) và số các nguyên tử trong mạng tinh thể (N) [10]: 푛 = exp⁡(− 푠 ) (2.1) −푛 Trong đó: – Hằng số Boltzmann, n – Số lượng lỗ trống, N – Số các nguyên tử trong mạng tinh thể. Hình 2.1. Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) [10] Khuyết tật Frenkel là một biến thể bổ sung, một nguyên tử rời khỏi mạng lưới và chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng tinh thể (hình 2.1b). Khuyết tật Frenkel cũng tuân thủ các định luật nhiệt động lực học, do đó số lượng khuyết tật Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [10]. 2.2. Biến vị Biến vị là khuyết tật tuyến tính. Vai trò của nó trong cấu trúc vi mô là kiểm soát cường độ hiệu suất và biến dạng dẻo tiếp theo của tinh thể chất rắn ở nhiệt độ 12
  23. bình thường. Biến vị cũng góp phần vào sự phát triển của tinh thể và trong cấu trúc giao diện giữa các tinh thể [10]. Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi sự trượt của các bề mặt kề nhau và các giá trị lực thấp hơn được giải thích là do sự không hoàn hảo bên trong các tinh thể hình thành biến vị. Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể (hình 2.2a). Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể thì ứng suất cần thiết để tạo ra sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc (hình 2.2b) [10]. Hình 2.2. Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b) 2.3. Ứng suất và biến dạng 2.3.1. Khái niệm ứng suất, biến dạng Ứng suất kĩ thuật là ứng suất được xác định bằng tỷ số của lực vuông góc tác dụng lên vật mẫu với diện tích mặt cắt ngang ban đầu của nó (hình 2.3). Hình 2.3. Ứng suất kĩ thuật [4] 13
  24. Để so sánh các vật mẫu có kích thước khác nhau, lực được tính trên một đơn vị diện tích, còn được gọi là chuẩn hóa diện tích. Trong các thí nghiệm kéo và nén, diện tích vuông góc với lực (hình 2.4). Trong các thí nghiệm cắt hoặc xoắn, diện tích vuông góc với trục quay. Ứng suất được tính theo công thức sau [7]: 퐹 휎 = (2.2) Trong đó: 휎 – Ứng suất (MPa), 퐹 – Lực tác dụng lên mẫu (N), A– Diện tích ban đầu của mẫu (m2). Hình 2.4. Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác dụng lên thanh đồng nhất [3] Biến dạng là sự thay đổi về kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén. Để so sánh các mẫu có độ dài khác nhau, độ dãn dài cũng được chuẩn hóa. Biến dạng được xác định bởi tỉ số giữa chiều dài do biến dạng và chiều dài ban đầu của mẫu, được gọi là biến dạng kĩ thuật [7]. Biến dạng sử dụng trong các đường cong ứng suất – biến dạng kỹ thuật là biến dạng tuyến tính trung bình, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho chiều dài ban đầu của nó [7]. 푙 −푙 ∆푙 휀 = 𝑖 0 = (2.3) 푙0 푙0 14
  25. Trong đó: 휀 – Biến dạng tuyến tính trung bình, 푙𝑖– Chiều dài của mẫu do biến dạng (m), 푙0– Chiều dài ban đầu của mẫu (m), ∆푙 – Độ giãn dài của mẫu do biến dạng (m). 2.3.2. Đường cong ứng suất – biến dạng • Định luật Hooke Đối với vật liệu chịu ứng suất kéo ở mức độ tương đối thấp, ứng suất và biến dạng tỷ lệ với nhau thông qua phương trình (4)[7]: 휎 = 휀 (2.4) Trong đó: E – Mô đun đàn hồi, hoặc mô đun Young (N/m2), 휎 – Ứng suất (MPa), 휀 – Biến dạng. • Đường cong ứng suất, biến dạng Hình dạng và kích cỡ của đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại sẽ phụ thuộc vào thành phần kim loại, gia công nhiệt, tiền sử biến dạng dẻo và tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất trong quá trình thử nghiệm. Các thông số được sử dụng để mô tả đường cong ứng suất – biến dạng là cường độ kéo, cường độ hiệu suất hoặc điểm hiệu suất, phần trăm độ giãn dài và giảm diện tích. Hai thông số đầu là thông số cường độ và hai thông số sau cho thấy tính dẻo [7]. Đồ thị ứng suất – biến dạng kĩ thuật (hình 2.5) cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong một số phạm vi ứng suất. Nếu ứng suất ở trong vùng tuyến tính, vật liệu là đàn hồi trong vùng này, biến dạng cũng được loại bỏ. Nhưng nếu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật liệu sẽ biến dạng vĩnh viễn. Vật liệu có thể bắt đầu "co thắt" ở một số vị trí và cuối cùng là vỡ. Trong vùng tuyến tính, một loại vật liệu cụ thể sẽ luôn có các đường cong giống nhau mặc dù kích thước vật lý khác nhau. Do đó, có thể nói rằng tính tuyến tính và độ dốc là hằng số của loại vật liệu. Trong ứng suất kéo và nén, hằng số này được gọi là mô đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E) [7]. 퐹/ = (2.5) ∆푙/푙 Trong đó: 퐹/ – Ứng suất (N/m2), ∆푙/푙 – Biến dạng, E – mô đun đàn hồi(N/m2). 15
  26. Bảng 2.1. Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu [7] Vật liệu E (N/m2) Nhôm 6.89 x 1010 11.73x 1010 Đồng 20.70 x 1010 Thép 2.1 x 108 Hình 2.5. Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng [7] Các vùng điển hình có thể quan sát được trong đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2.5 là [7]: 1. Vùng đàn hồi (Elastic region) 2. Hiệu suất (Yielding) 3. Biến dạng cứng (Strain Hardening) 4. “Co thắt” và hỏng (Necking and Failure) 16
  27. Cần lưu ý rằng đối với các vật liệu thực tế khác nhau thì đường cong sẽ khác nhau, không phải lúc nào các khu vực trên cũng được thể hiện rõ ràng và phạm vi của từng khu vực trong không gian ứng suất – biến dạng là phụ thuộc vào vật liệu, và không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện tất cả các khu vực trên. • Hành vi giòn và dẻo của vật liệu Hành vi của vật liệu có thể được phân thành hai loại: giòn và dẻo. Lớp vật liệu dẻo gồm thép và nhôm, lớp vật liệu giòn gồm: thủy tinh, gốm sứ, bê tông và gang. Để phân biệt hai loại này ta dựa vào đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2.6) [7]. Hình 2.6. Hành vi dẻo và giòn của vật liệu [7] Độ nhạy của vật liệu dẻo và giòn được thể hiện bởi sự khác biệt về cả chất lượng và định lượng trong đường cong ứng suất – biến dạng tương ứng. Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy còn vật liệu giòn gãy ở biến dạng nhỏ hơn nhiều. Trong vật liệu dẻo, vùng hiệu suất chiếm phần lớn đường cong ứng suất – biến dạng, trong khi vật liệu giòn thì vùng hiệu suất gần như không tồn tại. Các vật liệu giòn thường có mô đun Young tương đối lớn và có ứng suất tối đa so với các vật liệu dẻo [7]. Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy. Ngược lại, vật liệu giòn gãy đột ngột và không có dấu hiệu báo trước. Do đó các vật liệu dẻo như thép là sự lựa chọn hàng đầu trong cấu trúc xây dựng. Năng lượng hấp thụ (trên một đơn vị thể tích) trong thử nghiệm độ bền kéo, là vùng dưới đường cong ứng suất – biến dạng. Bằng cách so sánh các đường cong trong hình 2.6 ta thấy rằng các vật liệu dẻo có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn nhiều trước khi gãy [7]. 17
  28. Cần lưu ý rằng không phải tất cả các vật liệu đều có thể dễ dàng phân loại là dẻo hay giòn. Độ nhạy vật liệu cũng phụ thuộc vào môi trường hoạt động, nhiều vật liệu dẻo trở nên giòn khi nhiệt độ giảm. Với sự phát triển của công nghệ luyện kim và hợp chất, nhiều vật liệu được cải tiến, kếp hợp giữa hai thành phần dẻo và giòn [7]. 2.3.3. 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 [10]. Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.7 Hình 2.7. Các dạng nứt cơ bản [10] a. Mô hình tách b. Mô hình trượt c. Mô hình xé 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 [7]. 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 [7]. 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 2.7a) 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 [7]. 18
  29. 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) [7]: 퐾1 = 휎√ 훽 (2.6) Trong đó: K1– Độ bền đứt gãy (MPa√ ), 휎 – Ứng suất (MPa), a – Độ dài vết nứt (m), 훽 – Hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu. 2.4. Kết luận chương 2 Ở chương 2 ta đã tìm hiểu về một số khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu sau: khuyết tật, biến vị, ứng suất, biến dạng và vết nứt. Những khái niệm này giúp ta hiểu hơn về việc vết nứt được hình thành như thế nào trong môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào và phần này sẽ được tìm hiểu kĩ hơn trong chương 3. 19
  30. CHƯƠNG 3- NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ CÓ ỨNG SUẤT ÁP VÀO 3.1. Khái niệm nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào (SCC) Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất áp vào (SCC) là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả sự hỏng hóc xảy ra chậm trong quá trình làm việc của vật liệu kỹ thuật, gây ra sự lan truyền vết nứt [9]. Đây là một dạng ăn mòn cục bộ xảy ra dưới tác động đồng thời của ứng suất kéo và môi trường làm việc có chứa clorua hoặc dung dịch ăn mòn (caustic). Ứng suất kéo để SCC xảy ra có được từ các ứng suất dư trong hợp kim do các quá trình chế tạo hoặc các ứng suất hoạt động do thiết bị được sử dụng. Trong một số hợp kim / môi trường nhất định, SCC có thể xảy ra ở mức ứng suất thấp hơn ứng suất đàn hồi của vật liệu. Các vết nứt có thể được tạo từ các hố ăn mòn hoặc các ứng suất tập trung khác trước đó và lan truyền trong kim loại nếu điều kiện phù hợp. SCC là một dạng ăn mòn bên trong và tạo ra sự giảm mạnh mẽ về độ bền cơ học của vật liệu. Nó gây ra một sự hư hỏng nhanh chóng của vật liệu mà không có bất kỳ dấu hiệu nào trước đó và do đó được coi là cực kì nguy hiểm. Một số thảm họa lớn do SCC của thiết bị thép, bao gồm vỡ ống dẫn khí áp suất cao, nổ lò hơi và thiệt hại nghiêm trọng ở các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu. Vết nứt SCC có thể là gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) hoặc từ bên trong 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 [1]. Hình 3.1. Vết nứt do gãy liên kết giữa các hạt (a) và vết nứt xuất phát từ bên trong hạt (b) [1] 20
  31. Quá trình SCC được chia làm 3 giai đoạn [9]: - Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1 - Lan truyền vết nứt ở giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái ổn định - Lan truyền vết nứt ở giai đoạn 3 hoặc sự gãy cuối cùng. 3.2. Các thông số kiểm soát sự lan truyền SCC Hình 3.2 minh họa đầu vết nứt trong đó sự lan truyền vết nứt là kết quả của các 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. Nhìn hình 3.2 thấy được “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm [9]: Hình 3.2. Các quá trình diễn ra tại đầu vết nứt [9] 1. Chất mang vận chuyển vào vết nứt 2. Các phản ứng trong dung dịch 3. Sự hấp phụ bề mặt 4. Khuếch tán bề mặt 5. Các phản ứng bề mặt 6. Sự hấp phụ 7. Sự khuếch tán trạng thái rắn 8. Các phản ứng trạng thái rắn 9. Quá trình gãy, nứt thật sự 21
  32. Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong môi trường chất lỏng bao gồm những thông số sau [9]: - 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 Thay đổi bất kỳ thông số nào cũng có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền vết nứt, làm tăng hoặc làm giảm tốc độ lan truyền vết nứt. Ngoài ra, có thể kìm hãm hoặc kích thích sự lan truyền vết nứt bằng cách thay đổi tốc độ phản ứng môi trường. Môi trường tại đầu vết nứt thì khác biệt đáng kể so với môi trường chung. Nếu một sự thay đổi môi trường lớn cho phép hình thành môi trường SCC tại nhân nứt, thì sau đó sẽ lan truyền vết nứt. Nếu môi trường không thể duy trì vết nứt này thì việc lan truyền vết nứt sẽ dừng lại [9]. Ngoài các thông số môi trường được liệt kê ở trên, thì tốc độ lan truyền vết nứt còn bị ảnh hưởng bởi [9]: - Độ lớn của ứng suất áp vào hoặc hệ số cường độ ứng suất - Trạng thái ứng suất, bao gồm: ứng suất phẳng và biến dạng phẳng - Chế độ tải ở đầu nứt (sức căng hoặc xoắn) - Thành phần hợp kim, bao gồm thành phần chính và thành phần tạp chất. - Các điều kiện luyện kim - Hình dạng vết nứt 3.3. Khởi tạo SCC Khởi tạo SCC là thời gian cần thiết để đạt được điều kiện môi trường cục bộ tại bất kỳ khuyết tật đã có từ trước trên bề mặt mẫu hoặc để tạo thành một khuyết tật có thể dẫn đến nứt. Các khuyết tật này có thể là từ gia công, trầy xước, rỗ hoặc các rãnh ăn mòn giữa các hạt. Trước khi quá trình khởi tạo bắt đầu, hóa học cục bộ của môi trường thích hợp cho việc khởi tạo vết nứt cần được thiết lập. Giai đoạn này rất quan trọng đối với các vật liệu chủ động hoặc thụ động như thép không gỉ austenitic vì môi trường cục bộ tại đầu vết nứt khác với môi trường tổng thể và môi 22
  33. trường cục bộ này rất quan trọng cho việc khởi tạo và lan truyền vết nứt. Thời gian này còn được gọi là “thời gian cảm ứng” (ti) hoặc “thời gian ủ bệnh”, thường chiếm một phần lớn trong tổng thời gian gãy (푡 ). Do đó, việc khởi tạo SCC có thể được mô tả theo hai tham số [1]: • “Thời gian ủ bệnh” hoặc thời gian bắt đầu, trước khi hình thành vết nứt 2 (퐾 푆 ) − 푡𝑖 = 2 2 exp⁡( ) (3.1) (휎 −휎0 ) 0 Trong đó: 퐾 푆 – Ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn để cho vết nứt phát triển đối với đồng thau trong dung dịch amoniac, 휎– Ứng suất được áp vào, 휎0- – Ứng suất cần thiết để đóng vết nứt, B – Hằng số, − – Thế năng điện hóa học của mẫu. • Ngưỡng tới hạn cơ học, được biểu diễn dưới dạng ứng suất ngưỡng 휎 (đối với bề mặt nhẵn), hoặc là hệ số cường độ ứng suất tới hạn KISCC (có sự hiện diện của các vết nứt từ trước) 1 ∆퐾푡ℎ 휎 = ( ) (3.2) 퐹∆휎0 Trong đó: ∆퐾푡ℎ – Ngưỡng mỏi do ăn mòn, F – Hằng số, ∆휎0 – Độ lệch ứng suất bề mặt. Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng vết nứt và thời gian ở các giai đoạn khác nhau của quá trình lan truyền vết nứt được thể hiện trong hình 3.3. Hình 3.3. Các giai đoạn của quá trình SCC theo thời gian [9] 23
  34. “Thời gian ủ bệnh” phụ thuộc vào sự kết hợp vật liệu / môi trường. Đối với một sự kết hợp vật liệu / môi trường ở trạng thái ổn định thì có một “thời gian ủ bệnh” cụ thể, nhưng nếu trạng thái ổn định này bị rối loạn bởi một số lý do thì “thời gian ủ bệnh” có thể thay đổi. Trước đó nghiên cứu về SCC của thép không gỉ austenitic trong dung dịch clorua đã chỉ ra rằng có một “thời gian ủ bệnh” lâu trước khi vết nứt được bắt đầu [1]. Một khi vết nứt được bắt đầu trước “thời gian ủ bệnh”, nó sẽ lan truyền dưới tác động kết hợp của môi trường ăn mòn và ứng suất kéo thích hợp. Các vết nứt có thể được khởi tạo bởi nhiều cơ chế. Chúng có thể được bắt đầu tại các vết trầy xước, vết khía hoặc vết lõm trên bề mặt kim loại, nơi cường độ ứng suất cao, hoặc tại các vết rỗ ăn mòn, nơi lớp màng thụ động bị phá hủy cơ học. Sự phá vỡ cục bộ của lớp màng thụ động trên bề mặt kim loại cũng có thể xảy ra do biến dạng dẻo. Ăn mòn điện hóa cũng có thể khởi tạo SCC trong một môi trường ăn mòn cụ thể. Các bước trượt nổi lên trên bề mặt cũng có ảnh hưởng rõ rệt trên sự khởi tạo SCC khi lớp màng thụ động bị hư hỏng và tạo thành các anod cục bộ ở một bên dẫn đến các vết nứt từ bên trong hạt [1]. 3.4. Các cơ chế lan truyền SCC Có nhiều cơ chế khác nhau được đề xuất để giải thích sự tương tác giữa ứng suất - ăn mòn xảy ra ở đầu vết nứt và có nhiều hơn một quá trình gây ra SCC. Các cơ chế được đề xuất có thể chia thành hai loại cơ bản: cơ chế anod và cơ chế catot. Tức là, trong suốt quá trình ăn mòn, cả hai phản ứng anod và catot đều xảy ra và dẫn đến lan truyền vết nứt. Cơ chế anod rõ ràng nhất là hoạt động hòa tan và loại bỏ vật liệu ở đầu vết nứt. Cơ chế catot rõ ràng nhất là đánh giá, hấp thụ, khuếch tán hydro và tính giòn. Tuy nhiên, một cơ chế cụ thể phải có khả năng giải thích tốc độ lan truyền vết nứt thực tế, hình ảnh về vết nứt và cơ chế hình thành hoặc tạo mầm vết nứt. Người ta thường giả định rằng sự phá vỡ các liên kết giữa các nguyên tử ở đầu vết nứt xảy ra hoặc bằng cách solvat hóa (quá trình tương tác giữa các phân tử/ion chất tan và dung môi) và hòa tan hoặc gãy cơ học (dẻo hoặc giòn). Gãy cơ học bao gồm các quá trình gãy bình thường được kích thích hoặc được gây ra bởi một trong những tương tác sau giữa vật liệu và môi trường [9]: - Sự hấp phụ của các loại chất tan trong môi trường - Các phản ứng bề mặt - Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt - Lớp màng bề mặt 24
  35. Tất cả các cơ chế gãy cơ học được đề xuất đều chứa một hay nhiều quá trình nêu trên như là một bước cần phải có trong quá trình SCC. 3.4.1. Cơ chế hòa tan Mô hình này giả định rằng sự lan truyền vết nứt là do sự hòa tan tích cực ở đầu vết nứt. Sự hòa tan này có thể liên tục hoặc có thể do sự hỏng định kỳ của lớp màng bề mặt trên vật liệu, dẫn đến nứt do gãy liên kết giữa các hạt hoặc xuất phát từ các hạt. Một khi vết nứt đã bắt đầu, nó trải qua quá trình lan truyền do tác động của môi trường. Tốc độ hòa tan ở thành vết nứt chậm hơn so với tốc độ hòa tan tại đầu vết nứt. Do đó, trong các kim loại thụ động, thành vết nứt hòa tan chậm hơn đầu vết nứt gây ra sự lan truyền vết nứt. Đối với sự lan truyền vết nứt tốc độ cao bởi mô hình hòa tan anod tại đầu vết nứt thì đầu vết nứt phải có các giá trị cao của dòng ăn mòn. Tiêu chí chính cho các cơ chế nứt được đề xuất trong dung dịch là đầu vết nứt phải lan truyền nhanh hơn tốc độ ăn mòn trên thành vết nứt không bị biến dạng, nếu không vết nứt sẽ bị cùn. Dựa trên tiêu chí này, điều kiện môi trường-vật liệu cho SCC có thể được xác định dựa trên các yêu cầu động lực học và nhiệt động lực học cho sự tồn tại của lớp màng bảo vệ trên thành vết nứt. Do đó, độ nhạy nứt sẽ phụ thuộc vào phạm vi thế năng hóa học, pH. Tuy nhiên, nếu lớp màng bảo vệ bị phá vỡ thì bề mặt trần sẽ bị hòa tan. Một yêu cầu khác cho việc lan truyền vết nứt là tốc độ phản ứng điện hóa (hòa tan hoặc quá trình oxy hóa), phải cao hơn đáng kể ở đầu vết nứt so với cạnh vết nứt để tạo ra vết nứt nhọn. Do đó, SCC có thể bị ngăn chặn bằng cách làm cùn các vết nứt vừa mới tạo trong giai đoạn khởi tạo bởi kết hợp môi trường-vật liệu cụ thể khi điều kiện trên không được thỏa mãn. Tốc độ lan truyền vết nứt của nhiều hệ thống hợp kim dẻo / môi trường là tỷ lệ trực tiếp với tốc độ hòa tan được xác định bằng thực nghiệm trong điều kiện cơ học và hóa học tại đầu vết nứt, có thể thấy trong hình 3.4. Trong hình 3.4, có thể thấy rằng tốc độ lan truyền vết nứt trong thép không gỉ austenitic tương ứng với mật độ dòng điện trung bình ~ 10-1 A/cm2 [1]. 25
  36. Hình 3.4. Mối quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anode [9] 3.4.2. Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) Trong sự nứt giữa các hạt, sự phân ly các chất tan hoặc sự kết tủa của các pha rời rạc có thể xảy ra ở biên hạt, dẫn đến tính không đồng nhất điện hóa tại biên hạt và gây ra sự hòa tan của chúng. Quang phổ điện tử Auger được sử dụng để xác định hiệu ứng tách trong vùng lân cận của vết gãy giữa các hạt trên bề mặt loại thép không gỉ 304. Kết quả cho thấy sự suy giảm Crom trong khu vực biên hạt đã dẫn đến sự tấn công của dung dịch oxy hóa yếu, chẳng hạn như, H2SO4 – CuSO4. Sự hòa tan này là do các hiệu ứng mạ điện tại các ranh giới hạt, vì sự khác biệt thế năng giữa các vùng biên hạt và kim loại còn lại. Do đó, động lực cho sự hòa tan liên quan đến sự khác biệt thế năng giữa mạng lưới kim loại và các nguyên tử phân ly tạo thành một tế bào mạ điện. Ngoài các hiệu ứng mạ điện, các đặc tính biến đổi lớp màng trong vùng biên hạt, nơi có sự phân ly, cũng chịu trách nhiệm hòa tan và IGSCC. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu hoà tan tăng cường xảy ra trong khu vực biên hạt do sự hiện diện của chất phân ly thì lớp màng bảo vệ có thể bị suy yếu ở những khu vực đó gây ra lan truyền vết nứt. Ranh giới hạt cũng gây trở ngại cho sự di chuyển biến vị và gây ra tắc ngẽn ở các ranh giới này, dẫn đến sự biến dạng cục bộ trong vùng biên hạt. Điều này cũng có thể gây IGSCC [1]. 26
  37. Hình 3.5. Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom [9] 3.4.3. Mô hình giải hòa tan trượt hoặc mô hình vỡ lớp màng Trong mô hình hòa tan trượt, sự hòa tan diễn ra tại hoặc dọc theo các đường ống trượt. Lớp màng bề mặt của thép bị vỡ do ứng suất trong quá trình biến dạng dẻo, gây ra sự hòa tan anod của kim loại bên dưới. Biến dạng dẻo cục bộ tại đầu vết nứt tập trung ứng suất trong vùng này dẫn đến vỡ lớp màng chỉ ở đầu vết nứt. Điều này gây ra sự hòa tan anod ở đầu vết nứt cho phép lan truyền vết nứt. Phương thức lan truyền này được tìm thấy trong SCC trong các hạt của thép không gỉ austenitic. Vỡ lớp màng là do sự xuất hiện của các bước trượt qua lớp màng thụ động mỏng (10 đến 50Å) và được tái tạo sau giai đoạn hòa tan nhanh. Các thông số cơ bản chi phối sự lan truyền vết nứt là tốc độ biến dạng tại đầu nứt ( 휀/ 푡 ), công thức này xác định tần suất vỡ lớp màng, động học của sự hòa tan tích cực và sự tái tạo của kim loại tiếp xúc do vỡ lớp màng. Việc khởi tạo và lan truyền vết nứt của mô hình này được thể hiện trong hình 3.6. Sự tương quan giữa động học hòa tan/tái tạo và tốc độ ăn mòn giữa các hạt / trong các hạt cũng có thể thu được từ hình 3.4. Để mô hình hòa tan trượt hoạt động, chiều cao bước trượt phải lớn hơn độ dày của lớp màng bề mặt. Mô hình hòa tan trượt có thể giải thích phần lớn hư hỏng do SCC trong thép không gỉ austenitic trong nước có nhiệt độ cao, dung dịch chứa clorua và môi trường ăn mòn [1]. 27
  38. Hình 3.6. Mô hình vỡ lớp màng [9] Đã có nhiều giả thuyết về các nguyên tử ở đầu vết nứt được đề xuất để xem xét tác động của môi trường lên quá trình gãy dẻo. Những giả thuyết này đề xuất sự gia tăng số lượng các vị trí hòa tan tích cực do biến dạng tập trung và sự hòa tan ưu tiên của biến vị di động do hoạt động hóa học của lõi di động hoặc phân ly chất tan tại các biến vị. Để vết nứt lan truyền bởi mô hình hòa tan trượt, các lớp màng bảo vệ khác nhau, chẳng hạn như oxit, hỗn hợp oxit, muối của kim loại có thể bị vỡ do biến dạng phát triển trong các màng này, dẫn đến khởi tạo vết nứt. Tốc độ biến dạng ở đầu vết nứt (điều cần thiết cho sự vỡ lớp màng) có thể tăng do ứng suất tăng hoặc ứng suất theo chu kỳ tăng. Một khi lớp màng bị vỡ, vết nứt lan truyền được chi phối bởi quá trình oxy hóa trên bề mặt kim loại trần, tùy thuộc vào nhiệt động lực học và động học của hệ thống kim loại-môi trường cũng như sự tái hình thành của lớp màng. Sự lan truyền vết nứt sẽ được duy trì nếu quá trình vỡ lớp màng và các quá trình tái hình thành xảy ra liên tục do tốc độ biến dạng khác nhau tại đầu vết nứt như trong hình 3.7 [1]. 28
  39. Hình 3.7. Sơ đồ thể hiện tỉ lệ mật độ điện tích oxy hóa/thời gian đốivới sự biến dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt [9] Các bước kiểm soát tốc độ chi phối đến sự lan truyền vết nứt bằng mô hình hòa tan trượt [1]: 1. Sự khuếch tán trong chất lỏng của các phân tử nước hoặc các cation hòa tan vào và ra khỏi khu vực vết nứt. 2. Tốc độ oxy hóa tổng thể (tốc độ hòa tan và tốc độ tái tăng trưởng oxit) hoặc tốc độ tái tạo. 3. Tốc độ vỡ lớp màng ở đầu vết nứt. Các tham số này có thể liên quan trực tiếp đến ứng suất, môi trường và vi cấu trúc, như trong hình 3.8. Hình 3.8. Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt SCC [13] 29
  40. 3.4.4. Mô hình gãy cơ học • Mô hình rạn nứt hoặc mô hình giòn hóa lớp màng (tarnish rupture model or brittle film model) Các mô hình rạn nứt hoặc đôi khi được gọi là mô hình giòn hóa lớp màng có liên quan đến SCC giữa các hạt của thép không gỉ austenitic. Mô hình này cũng có thể được áp dụng cho SCC của thép không gỉ ở môi trường nước có nhiệt độ cao hoặc trong các dung dịch polythionate. Trong mô hình này, lớp màng bề mặt bị giòn hoặc yếu cơ học do môi trường gây ra. Lớp màng này phát triển ưu tiên dọc theo các ranh giới hạt, như trong hình 3.9. Trong vật liệu chịu ứng suất, lớp màng trải qua gãy giòn ở một độ sâu tới hạn, và đi vào bề mặt, để lộ kim loại trần và dẫn đến hòa tan cho đến khi kim loại tự tái tạo lớp màng và lớp màng giòn được hình thành một lần nữa. Quá trình này lặp lại dẫn đến vết nứt được lan truyền liên tục. Sự khác biệt giữa mô hình này và mô hình vỡ lớp màng là mô hình vỡ lớp màng liên quan đến cáclớp màng thụ động mỏng (~ 50 Å) và tốc độ tái tạo đóng một vai trò quan trọng trong quá trình lan truyền vết nứt. Tuy nhiên, sự lan truyền vết nứt bởi mô hình rạn nứt với lớp màng không bảo vệ dày (~ 1000 Å hoặc lớn hơn) bị hạn chế bởi sự vận chuyển các ion trong dung dịch [1]. Hình 3.9. Sơ đồ của mô hình vỡ lớp màng cho thấy sự hình thành của lớp màng giòn dọc theo biên giới hạt và sự vỡ của lớp màng giòn do ứng suất dẫn đến sự khởi tạo và lan truyền vết nứt [13] 30
  41. • Mô hình giòn hóa Theo các cơ chế gãy cơ học, vết nứt SCC lan truyền theo cách giòn hóa trong hầu hết các trường hợp, và do đó cách tiếp cận của Griffith đối với sự gãy giòn có thể có liên quan. Vì vậy, ứng suất gãy cần thiết để gây ra sự lan truyền của một vết nứt hình elip theo cách giòn hóa có thể được ước tính từ phương trình 3.3 [1]: 1 2 훾 휎 = ( 푠)2 (3.3) Trong đó: E là mô đun Young và 훾푠 là năng lượng bề mặt. Do đó, bất kỳ quá trình nào làm giảm 훾푠 sẽ làm giảm ứng suất cần thiết cho sự gãy giòn. 훾푠⁡có thể bị giảm nếu một số loại chất tan được hấp phụ ở bề mặt gãy. Điều này thường diễn ra trong quá trình giòn hóa hydro của thép. Nhưng nếu biến dạng dẻo liên quan đến gãy, thì theo Orowan, năng lượng bề mặt sẽ được sửa đổi để tính toán công được thực hiện trong quá trình biến dạng dẻo. Do đó 훾 (công biến dạng dẻo) được thêm vào phần 훾푠. Ngoài ra hydro phản ứng với biến vị, các lỗ trống hoặc khoảng trống lớn hơn có thể tạo thành hydrua và ảnh hưởng đến gãy. Những lớp màng giòn này có thể được hình thành ở bề mặt tiếp xúc của kim loại và chỗ vỡ, dẫn đến sự hòa tan tích cực của kim loại và lan truyền vết nứt [1]. • Mô hình hấp phụ chọn lọc Mô hình hấp phụ chọn lọc giả định rằng các loại chất tan cụ thể bị hấp phụ ở bề mặt kim loại, làm giảm năng lượng bề mặt 훾푠 trong phương trình Griffith hoặc Petch-Stroh, dẫn đến giảm ứng suất cần thiết để gây gãy giòn. Theo mô hình này, đặc trưng của các loại chất tan cũng như sự phụ thuộc điện hóa của SCC có thể được giải thích là các loại ăn mòn có chọn lọc được hấp phụ ở bề mặt kim loại và tương tác với các liên kết biến dạng ở đầu nứt, làm giảm độ bền liên kết như được hiển thị trong hình 3.10 [1]. 31
  42. Hình 3.10. Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ [9] Sự hấp phụ thường xảy ra tại các biến vị hoặc các khuyết tật di động tại đầu vết nứt. Mô hình này liên quan đến gãy giòn và do đó phù hợp với sự phân tách giống như gãy xuất phát từ các hạt của thép không gỉ austenitic. Tuy nhiên, có một số tranh cãi liên quan đến lý thuyết này. Một trong những tranh cãi chính là sự lan truyền vết nứt được chi phối bởi tốc độ vận chuyển các ion gây hại đến đầu vết nứt, và các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một vết nứt nhọn không thể duy trì ổn định trong một hợp kim mềm FCC ở vận tốc nứt thấp [1]. Fuller, Lawn và Thompson xem xét các mô hình nguyên tử đối với sự hấp phụ gây ra gãy. Trong mô hình này, các nguyên tử được nối với nhau bằng các liên kết ngang của hằng số lò xo (β) và liên kết dọc của hằng số lò xo (α). Mô hình này được thể hiện trong hình 3.11. Khi một chất tan hóa học (phân tử A2 trong hình 3.11) được hấp phụ ở đầu vết nứt, nó tạo thành hai liên kết AB và sự hỏng xảy ra do vỡ liên kết bị suy yếu AA [1]. 32
  43. Hình 3.11. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạn nứt liên kết [9] • Mô hình giòn hóa hydro Theo mô hình này, SCC được tạo bởi sự tăng trưởng vết nứt chậm do các nguồn hydro bên ngoài. Có một số mô hình giòn hóa hydro được đề xuất cho các hệ thống hợp kim / môi trường khác nhau: 1. Mô hình biến đổi thành thép không gỉ martensitic 2. Mô hình Hydrua 3. Tương tác với biến vị Trong mô hình biến đổi thành thép không gỉ martensitic, sự hình thành của martensitic có thể liên quan đến sự gãy xuất phát từ các hạt của thép không gỉ austenitic. Quan sát martensitic trên bề mặt gãy SCC của thép không gỉ 304L austenitic trong nhiều trường hợp thấy được vai trò của martensite trong sự nhạy cảm SCC của loại thép này. Giả định rằng việc hydro xâm nhập vào mạng lưới kim loại đã thúc đẩy sự biến đổi của austenite siêu bền thành martensitic [1]. Trong các mô hình hydrua, hydrua được coi là đóng vai trò quan trọng trong SCC của một số hợp kim không màu như hợp kim titan hoặc đóng vai trò là rào cản đối với chuyển động biến vị và do đó thúc đẩy gãy giòn của mạng lưới kim loại hoặc cung cấp đường dẫn cho gãy giòn thông qua các pha hydrua hình thành trong các hợp kim này. Biến vị đóng một vai trò quan trọng trong quá trình giòn hóa hydro. Trong mô hình này, sự giòn hóa, được tạo ra bởi hydro, tương tác với số pin và các biến vị, dẫn đến gãy. 33
  44. Sự giòn hóa hydro xảy ra trong kim loại do sự hấp phụ hydro trong quá trình phản ứng trên bề mặt kim loại. Các phản ứng này là: H2O + 2M = MH + MOH (3.1) H2O + MH = MOH + H2 (3.2) Những phản ứng này chỉ có thể xảy ra tại các vị trí tích cực [1]. 3.5. Kết luận chương 3 Ở chương 3 ta đã tìm hiểu về việc vết nứt được hình thành như thế nào trong môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào, các yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành vết nứt và các cơ chế để lan truyền vết nứt. 34
  45. CHƯƠNG 4- SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT 4.1. Đồng trong trầm tích của bình sinh hơi Mặc dù trầm tích của bình sinh hơi thường bao gồm chủ yếu là oxit sắt (thường là magnetit, Fe3O4) nhưng kim loại đồng vẫn là một thành phần quan trọng. Đồng được tìm thấy trong trầm tích của các sản phẩm ăn mòn trong tất cả các nhà máy điện hạt nhân. Đồng trong trầm tích kích thích sự ăn mòn tạo vết rỗ trên các bề mặt bên ngoài của thanh trao đổi nhiệt [8]. Khối lượng trung bình của hỗn hợp sắt và đồng lấy từ trầm tích của 46 bình sinh hơi của lò phản ứng VVER – 1000 và VVER – 400 là 1288kg (chứa 27% đồng). Lối chính để đồng đi vào bình sinh hơi tại các vòng thứ cấp của lò phản ứng VVER – 1000 và VVER – 400 là các lò nhiệt áp suất thấp [8]. Các sự kiện của giai đoạn chuyển tiếp có thể ảnh hưởng đến đồng trong trầm tích. Mark và Varrin đã trình bày một giả thuyết nghiên cứu định tính về ảnh hưởng của tắt máy, layup và khởi động trên hóa học bình sinh hơi [8]. Giả thuyết đưa ra bốn bước: 1. Trong quá trình hoạt động bình thường, một số ăn mòn xảy ra trong vòng nước thứ cấp, đưa kim loại hòa tan vào trong nước cấp với số lượng tối thiểu. 2. Hoạt động bình thường của bình sinh hơi tập trung các ion kim loại này, buộc kim loại kết tủa và hình thành oxit trong bình sinh hơi. 3. Trong quá trình khởi động, trầm tích trong bình sinh hơi được oxy hóa và dùng như một hồ chứa oxy, và oxit cũng được hình thành trong các phần khác của hệ thống thứ cấp. 4. Trong các giai đoạn hoạt động ban đầu, các oxit này cùng với các oxit được đưa vào từ vòng thứ cấp bởi nước cấp - được giảm thiểu, hoặc bằng cách oxy hóa trực tiếp kim loại của ống trao đổi nhiệt hoặc thông qua việc đưa oxy vào vòng thứ cấp của bình sinh hơi thông qua nhiều phản ứng. Chuỗi các sự kiện được đưa ra trong giả thuyết này được thể hiện trong hình 4.1 [8]. 35
  46. Hình 4.1. Sự hình thành trầm tích đồng của ống trao đổi nhiệt Đồng tạo thành hai oxit thông thường (Cu2O và CuO) và một hydroxit thông thường (Cu(OH)2) trong môi trường nước cấp (từ phương trình 4.1 tới phường trình 4.5) [8]. 4Cu + O2 → 2Cu2O (4.1) 2Cu + H2O → Cu2O + H2 (4.2) 2Cu2O + O2 → 4CuO (4.3) Cu2O + H2O → 2CuO + H2 (4.4) Cu(OH)2 ↔ CuO + H2O (4.5) Lớp trầm tích đồng được hình thành không chỉ trên bề mặt của ống trao đổi nhiệt, mà còn ở độ dày của chúng. Các electron cho việc khử đồng từ dạng oxit sẽ được thực hiện thông qua quá trình chuyển đổi từ hydroxit sắt hóa trị 2 sang hóa trị 3: + – 2H2O 2H + 2OH (4.6) _ – 2Fe(OH) 2 + 2OH 2Fe(OH) 3 +2 е (4.7) 2 + Сu 2+ Сu (4.8) 36
  47. 4.2. Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt Như đã đề cập ở trên, trầm tích của bình sinh hơi có chứa đồng. Khi bình sinh hơi hoạt động, cặp “đồng (trong trầm tích) / thép (vật liệu vỏ ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi)” bị hòa tan cục bộ và vết rỗ được hình thành trên bề mặt các ống trao đổi nhiệt. Hình 4.2 mô tả mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt dưới tác động đồng thời của các quá trình hư hại như: hình thành vết rỗ do trầm tích đồng, sự mỏi của thiết bị và sự nứt do thành phần Clo và O2 trong môi trường gây ra. Hình 4.2. Mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt Trong đó: rCu – Bán kính trầm tích đồng, h1– Phần kim loại bị hỏng khi hình thành vết rỗ (phần này được lấp đầy bởi oxit của thành phần thép), h2 – Phần hư hỏng được hình thành bởi cơ chế nứt do ăn mòn bởi Clo và oxy, = ℎ1 + ℎ2 là độ dày của thành ống trao đổi nhiệt. Hình 4.3. Thành của ống trao đổi nhiệt T [5] 37
  48. Để hình dung rõ hơn về vết nứt do trầm tích đồng ta có thể quan sát hình 4.4 và hình 4.5. Hình 4.4. Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic [6] Hình 4.5. Vết nứt trong thép không gỉ do trầm tích đồng [6] Thể tích của oxit của các thành phần trong hợp kim luôn lớn hơn thể tích của kim loại mà từ đó oxit được hình thành. Điều này là nguyên nhân làm cho hợp kim phải chịu thêm một ứng suất cơ học cục bộ phụ. Thêm vào đó, ứng suất tổng cộng thúc đẩy các biến dạng vi mô, hay thúc đẩy sự hình thành và sự trượt của các biến vị. Tùy thuộc vào giá trị năng lượng của khuyết tật của hợp kim mà các biến vị hình thành: • Hoặc các cụm phẳng (các dãy đồng diện) trong giới hạn của một hay một vài nút mạng của cấu trúc tinh thể. Sự hình thành này được gọi là cơ chế chuyển 38
  49. tiếp biến dạng dẻo từ nút mạng này sang nút mạng kia (cơ chế này thường xảy ra đối với thép austenitic). • Hoặc các cụm phẳng nằm gần nhau theo cả 2 phía của nút mạng (sự hình thành này thường xảy ra đối với thép cacbon). Đối với việc hình thành trầm tích đồng, tồn tại 4 nhận định sau. Đầu tiên, hiệu điện thế của cặp “đồng / thép” lớn hơn nhiều so với hiệu điện thế trong các trường hợp hình thành vết rỗ khác và do đó các trường hợp này không được quan sát. Thứ hai, trong quá trình phát triển vết rỗ, mật độ dòng điện ở anod và catot là bằng nhau khi thời gian không đổi. Thứ ba, vận tốc chuyển đồng từ trạng thái dung dịch sang dạng trầm tích trên bề mặt của ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với nồng độ của hợp chất đồng chứa ammoniac trong nước của vòng thứ cấp. Thứ tư, hình dạng của đồng trong trầm tích được xem là không đổi (một cách tương đối). Dòng điện của cặp “đồng / thép” phụ thuộc vào diện tích bề mặt của phần trầm tích đồng tích tụ cục bộ. Diện tích bề mặt ở đoạn catốt của phần này tỉ lệ với khối lượng của nó lũy thừa 2/3. Điều này có thể được giải thích một cách đơn giản như sau. Vì giả thiết rằng hình dạng trầm tích đồng là không đổi và có dạng như hình 1 nên kích thước của nó (bán kính của trầm tích đồng) tỉ lệ với căn bậc ba của khối lượng. Diện tích bề mặt của trầm tích đồng trên ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với bình phương bán kính này. Cụ thể chính là phần diện tích bề mặt tham gia vào phản ứng khử cực hydro ở catốt và chính từ giá trị của phần diện tích này có thể tìm được dòng điện ở catốt. Từ đó, vận tốc tan ở anốt (vận tốc phát triển độ sâu của vết rỗ) tỉ lệ với khối lượng đồng có trong trầm tích theo lũy thừa 2/3. Sự tăng khối lượng của phần đồng tích tụ cục bộ tỉ lệ với tốc độ chuyển đồng sang trạng thái trầm tích. Có thể biến đổi hình 4.2 sang biểu đồ tính toán để dự báo thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt trong trường hợp có vết rỗ hình thành trên chúng theo các hình 4.6 và hình 4.7. 39
  50. Hình 4.6. Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành Trong đó: 휏1 – Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích, 표 휏 – Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo, 휏 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống, МCu (휏1) – Khối lượng đồng trong trầm tích ở thời gian 휏1 (trầm tích ghi nhận lúc ban đầu của ống trao đổi nhiệt), МCu (휏 ) – Khối lượng đồng trong trầm tích ở thời gian 휏 (trầm 푙𝑖 tích ghi nhận đến ngày được dự báo), – Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích. Hình 4.7. Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian Trong đó: h1 – Độ sâu của vết nứt, h1(휏1) – Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 휏1, h1(휏 ) – Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 휏 (đến 표 ngày được dự báo), ℎ1 + ℎ2 = T – Bề dày của thành ống trao đổi nhiệt, 휏 – Thời 40
  51. gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống. Tốc độ trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích có thể được tính toán bằng các dữ liệu phân tích thành phần hóa học của các mẫu trầm tích, được lấy từ bề mặt của các ống trao đổi nhiệt: (휏 )− (휏1) 푍 = (4.1) 휏 −휏1 Trong đó: (휏 )⁡và (휏1) lần lượt là khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 휏 và 휏1 tương ứng trong khoảng thời gian vận hành 휏1 ÷ 휏 , 휏 và 휏1 tương ứng là thời gian hoạt động theo ngày tính toán và thời gian hoạt động vào ngày đầu tiên ghi lại được sự có mặt của đồng trong trầm tích. Sự thiếu hụt tương đối độ dày của thành ống trao đổi nhiệt tại ngày tính toán 휏 được tính như sau (hình 4.6): ℎ1(휏 )/(ℎ1 + ℎ2), trong đó ℎ1(휏 ) là độ sâu của vết nứt trong thời gian 휏 : được đo bằng điều khiển dòng xoáy, hoặc bằng các phương pháp khác, ℎ1 + ℎ2 là độ dày của thành ống trao đổi nhiệt. 푙𝑖 Tồn tại một giá trị giới hạn của khối lượng trầm tích đồng trên ống trao đổi nhiệt, mà khi đạt đến giá trị này thì sự hình thành vết nứt xuyên qua thành ống được hình thành chỉ do sự lan rộng của vết rỗ trong khoảng thời gian vận hành xác định (không có sự tham gia của các quá trình tạo vết nứt bởi clorua và oxy, cũng 푙𝑖 như không tính tới độ mỏi của thiết bị). Giá trị chỉ có thể nhận được sau khi tiến hành đo đạc và xử lý số liệu thực nghiệm. Độ sâu tương đối của vết rỗ trên thành ống trao đổi nhiệt được tính theo công thức 4.2: 2 ℎ1(휏 ) 푍 표 3 = 퐾 ( (휏 ) − 푙𝑖 휏 ) (4.2) ℎ1+ℎ2 Trong đó: ℎ1(휏 ) – Độ sâu vết rỗ vào ngày được dự báo (mm), (휏 ) – Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 휏 (g), 푍 – Tốc độ trung bình của việc chuyển đồng sang trạng 푙𝑖 thái trầm tích (g/giờ), – Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích (g), 휏표 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống (giờ), 퐾 – Hệ số chuyển đổi, được tính theo công thức 4.3: 41
  52. ℎ1(휏 )/(ℎ1+ℎ2) 퐾 = 2 (4.3) 3 (휏1) ( 푙𝑖 ) Sử dụng công thức 4.1 đến công thức 4.3 ta có thể suy ra công thức 4.4 với sai số của phép đo như sau: 2 2 (휏 )− (휏1) 표 3 푙𝑖 3 (휏 )− 휏 ℎ1(휏 ) 휏 −휏1 1 − 훿 = ( ) ( ) ( 푙𝑖 ) (4.4) ℎ1+ℎ2 (휏1) 표 Trong đó: 훿 – Sai số của phép đo, 휏 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống (giờ). 4.3. Tính toán và nhận xét 4.3.1. Tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (VCu) Vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích được tính theo công thức 4.5: = (4.5) 휏 −휏 Trong đó: – Vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (g/giờ), – Khối lượng đồng đo được trong trầm tích từ khoảng thời gian 휏1 đến 휏 (g), 휏 – Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo (giờ), 휏 – Thời gian ghi nhận đồng trong trầm tích (giờ). 42
  53. Bảng 4.1. Kết quả tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích 푴푪풖 (g) 흉푪풖 (giờ) 푽푪풖 (g/giờ) 푽푪풖 (g/năm) 4 22000 0.0001 1.6308 x 10-8 6 26000 0.0003 2.8539 x 10-8 8 29000 0.0004 4.3488 x 10-8 10 31000 0.0005 6.0082 x 10-8 12 34000 0.0008 8.5616 x 10-8 14 36000 0.0010 1.1416 x 10-7 16 38000 0.0013 1.5221 x 10-7 18 40000 0.0018 2.0548 x 10-7 20 42000 0.0025 2.8539 x 10-7 Từ kết quả tính toán ở bảng 4.1 ta có được đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích theo hình 4.8. 0.0030 Cu 0.0025 0.0020 0.0015 (g/giờ) 0.0010 0.0005 đồng sang trạngtháitích,trầm V Vậntốc trung bình của việc chuyển 0.0000 0 5 10 15 20 25 Khối lượng trầm tích đồng, MCu (g) Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích Nhận xét: Theo đồ thị hình 4.8 ta có thể thấy được vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích tăng theo khối lượng đồng đo được trong trầm tích. Với tăng từ 4g đến 20g thì tăng từ 0.0001g/giờ đến 0.0025g/giờ, tăng 25 lần. Do vậy, đồng tích tụ càng nhiều thì vận tốc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích càng cao dẫn đến việc hình thành vết rỗ trên các thanh trao đổi nhiệt càng nhanh, và vết rỗ cũng sẽ nhanh chóng phát triển thành vết nứt. 43
  54. 4.3.2. Tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1(V1) và giai đoạn (VH) (hình 4.2 và hình 4.7) Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 (giai đoạn trong khoảng thời gian hoạt động 휏1) được tính theo công thức 4.6: ℎ1(휏1) 1 = (4.6) 휏1/8000 Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2 (giai đoạn trong khoảng thời gian hoạt động 휏 ) được tính theo công thức 4.7: ℎ1(휏 ) = (4.7) 휏 /8000 Trong đó: 1 – Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 (mm/năm), – Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2 (mm/năm), ℎ1(휏1) – Độ sâu của vết rỗ trong thời gian hoạt động 휏1⁡(mm), ℎ1(휏 ) – Độ sâu của vết rỗ trong thời gian hoạt động 휏 (mm), 휏1– Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích (giờ), 휏 – Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo (giờ), 8000 giờ – Thời gian vận hành của ống trao đổi nhiệt trong một năm. Bảng 4.2. Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1. 풉 (흉 ) (mm) V1 (mm/năm) 0.05 0.016 0.10 0.032 0.15 0.048 0.20 0.064 0.25 0.080 0.30 0.096 0.35 0.112 0.40 0.128 0.45 0.144 0.50 0.160 44
  55. Bảng 4.3. Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2. 풉 (흉푯) (mm) VH (mm/năm) 0.30 0.048 0.35 0.056 0.40 0.064 0.45 0.072 0.50 0.080 0.55 0.088 0.60 0.096 0.65 0.104 0.70 0.112 0.75 0.120 Từ kết quả tính toán ở bảng 4.2 và bảng 4.3 ta có được đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian 휏1 (hình 4.9a) và đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian 휏 (hình 4.9b). 0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 (mm/năm) 1 0.060 1, V 1, 0.040 0.020 Vậntốc phát triển vếtnứt ở giai đoạn 0.000 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 (a) Độ sâu của vết rỗ trong thời gian τ1, h1(τ1)(mm) 45
  56. 0.140 0.120 0.100 0.080 (mm/năm) 0.060 H 2, V 2, 0.040 0.020 Vậntốc phát triển vếtnứt ở giai đoạn 0.000 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 (b) Độ sâu của vết nứt trong thời gian τH, h1(τH) (mm) Hình 4.9. (a) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τ1 ; (b) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τH Nhận xét: Theo đồ thị hình 4.9 có thể thấy vận tốc vết nứt tăng theo độ sâu của vết nứt ở cả 2 khoảng thời gian 휏1 và 휏 . Cụ thể, trong khoảng thời gian 휏1 với độ sâu của vết nứt tăng từ 0.05mm đến 0.5mm thì 1 sẽ tăng từ 0.016mm/năm đến 0.160mm/năm tăng 10 lần, còn trong khoảng thời gian 휏 với độ sâu của vết nứt tăng từ 0.30mm đến 0.75mm thì sẽ tăng từ 0.048mm/năm đến 0.120mm/năm tăng 2.5 lần, nhỏ hơn gấp 4 so với 1. Như vậy, giai đoạn ban đầu lúc vết rỗ mới xuất hiện rất quan trọng, do đó cần phải kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên để phát hiện kịp thời những tổn thương trên ống trao đổi nhiệt do trầm tích đồng, để có những giải pháp xử lý thích hợp, hạn chế đến mức tối đa lượng đồng tích tụ trên ống. 4.3.3. Tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt τocm Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (휏표 ) được tính theo công 2 2 (휏 )− (휏1) 표 3 푙𝑖 3 (휏 )− 휏 ℎ1(휏 ) 휏 −휏1 thức 4.4: 1 − 훿 = ( ) ( ) ( 푙𝑖 ) với các số ℎ1+ℎ2 (휏1) liệu sau (các số liệu được lấy từ phòng thí nghiệm kim loại nhà máy điện hạt nhân tại trường Đại học Năng Lượng Moscow, Nga): - Độ dày của thành ống trao đổi nhiệt T = ℎ1 + ℎ2 = 1.5mm 46
  57. - Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 휏 (đến ngày được dự báo) h1(휏 ) = 0.3 ÷ 0.7 mm - 푙𝑖 2 Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích = 50g/m - Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt 2 trong thời gian hoạt động 휏 (휏 ) = 25g/m - Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt 2 trong thời gian hoạt động 휏1 (휏1) = 5g/m - Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích 휏1 = 25000 giờ - Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo 휏 ⁡= 50000 giờ - Sai số của phương pháp 훿 = ± 20% Từ các số liệu ở trên ta tính được thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (bảng 4.4). Bảng 4.4. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt. 풐 풉 (흉푯) (mm) 흉 (giờ) 0.30 81250.000 0.35 70928.004 0.40 63725.953 0.45 58466.553 0.50 54487.900 0.55 51392.244 0.60 48927.670 0.65 46927.682 0.70 45278.293 0.75 43899.111 Với các kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt ở bảng 4.4 ta có được đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt theo thời gian 휏 (hình 4.10). 47
  58. 90000 80000 70000 60000 (giờ) 50000 ocm τ 40000 30000 20000 đổinhiệt, 10000 0 Thời gian làm Thời gianlàm cònviệc lại của traoống 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 Độ sâu của vết nứt trong thời gian τH, h1(τH) (mm) Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt theo thời gian τH Nhận xét: Theo như đồ thị hình 4.10 ta có thể thấy thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt tỉ lệ nghịch với độ sâu của vết nứt ở thời gian dự báo 휏 , vết nứt càng sâu thì thời gian mà các ống trao đổi nhiệt có thể làm việc càng nhỏ. Theo kết quả tính toán bảng 4.4 có thể thấy được với ℎ1(휏 ) = 0.3 mm thì thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt còn đến 10 năm (81250 giờ) nhưng khi vết nứt phát triển đến độ sâu 0.75mm thì thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt giảm gần một nửa (43899.111 giờ). Một khi vết nứt phát triển xuyên qua thành ống thì ta không thể sử dụng ống trao đổi nhiệt đó nữa, vì vậy, những tính toán này là hữu ích cho việc dự đoán thời gian làm việc của các ống trao đổi nhiệt để có những thay đổi hợp lý nhất, đảm bảo hoạt động an toàn của nhà máy điện hạt nhân. 4.4. Kết luận chương 4 Ở chương 4 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau: - Nghiên cứu sự hình thành của trầm tích đồng trong ống trao đổi nhiệt và con đường mà đồng xâm nhập vào bên trong bình sinh hơi. - Tìm hiểu phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi. - Tiến hành tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích, vận tốc phát triển vết nứt và quan trọng nhất là tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng. 48
  59. KẾT LUẬN Qua khóa luận ta tính được thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng bám trên ống, từ đó có sự thay đổi các ống trao đổi nhiệt hợp lý, đảm bảo hoạt động của nhà máy điện hạt nhân. Khóa luận này đã tìm hiểu về các vấn đề cơ bản như: tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000; các thông số cơ bản và cấu tạo của bình sinh hơi, môi trường làm việc và vật liệu của bình sinh hơi; một vài khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu; vết nứt SCC được hình thành như thế nào và các cơ chế khởi tạo vết nứt SCC. Hiểu được các vấn đề này giúp ta biết được trầm tích đồng từ đâu mà có và quá trình hình thành vết nứt trên ống trao đổi nhiệt do trầm tích đồng. Ta đã tính được vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích và vận tốc phát triển vết nứt và quan trọng nhất là ta tính được thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng bám trên ống. Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (휏표 ) phụ thuộc vào độ sâu của vết rỗ ở khoảng thời gian hoạt động đến ngày được dự báo (ℎ1(휏 )), cụ thể với ℎ1(휏 ) = 표 표 0.3 mm thì 휏 = 81250 giờ và ℎ1(휏 ) = 0.75 mm thì 휏 = 43899.111 giờ. Dựa vào các tính toán ở chương 4 ta có thể gia tăng tuổi thọ cho các ống trao đổi nhiệt bằng việc hạn chế sự tích tụ của đồng lên ống. Kiểm tra chất lượng nước cấp, làm sạch nguồn nước cấp có thể làm giảm lượng trầm tích đồng trên ống, cũng như nếu tăng độ pH của nước cấp có thể giảm lượng sắt vào trong bình sinh hơi. Tuy nhiên, trầm tích và cặn lắng vẫn có thể tích tụ theo thời gian và việc làm sạch bình sinh hơi là cần thiết. Có thể sử dụng các phương pháp hóa học hoặc cơ học để làm sạch bình sinh hơi, thông thường kỹ thuật cơ học sẽ phổ biến hơn nhưng nếu muốn làm sạch kỹ thì nên dùng các phương pháp hóa học. Do đó ta có thể áp dụng kết hợp cả hai phương pháp với nhau để có kết quả tốt nhất. 49
  60. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ananya Bhattacharya, “ Stress Crrosion Cracking of Duplex Stainless Streels in Caustic Solution”, Georgia Institute of Technology Atlana, GA, December 2008. [2] > [3] > [4] > [5] > [6] Matt Sinfield, “Copper – Induced Hot Cracking in Austenitic Stainless Steels”, Naval Surface Wardare Center, Carderock Division, Seattle 2005. [7] Mechanical Properties of Engineering Materials. [8] Mikko Vepsalainen, “Deposit Formation in PWR Steam Generators”. [9] Rusell H.Jones, “Stress – Corrosion Crackong”, Copyright 1992 by ASM International. [10] Shervin Shojaee, “Modelling Stress Relaxation in Bolt Loaded CTSspecomens”, Department of Applied Physics, Chanmer University of Technology, Gothenburg Swenden 2014. [11] “Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân”, Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam, Hà Nội tháng 4/2011. [12] 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. [13] “VVER – 1000 (V – 466B)”, International Atomic Energy Agency IAEA, 2011. [14] Yu.G.Dragunov, S.B.Ryzzhov & A.M.Rogov, “Advanced VVER – 1000 Reactor Plant for Nuclear Power Plant”, Podolsk – Russia, IAEA. 50