TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN BẾ VĂN TUẤN
ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN TUỔI THỌ CỦA
THÉP PEARLIT 10ГН2МФА TRONG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LÂM ĐỒNG, 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN BẾ VĂN TUẤN – 1410722
ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN TUỔI THỌ CỦA
THÉP PEARLIT 10ГН2МФА TRONG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ
KHÓA 2014 – 2018
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đà Lạt, ngày……tháng…. năm ……
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đà Lạt, ngày……tháng…. năm ……
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 đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức và tạo môi
trường học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà
Lạt cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin bày tỏ sự biết ơn đến Cô giáo hướng dẫn Nguyễn Thị Nguyệt Hà đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên và truyền đạt vốn kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận.
Và cuối cùng, chân thành cám ơn các bạn trong lớp Kỹ Thuật Hạt Nhân K38
và gia đình đã luôn sát cánh trong những năm học qua, dành sự tin tưởng, giúp đỡ để
có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Lâm Đồng, tháng 11 năm 2018
BẾ VĂN TUẤN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu trong khóa luận này chưa được ai công bố dưới bất kì hình thức nào. Tôi hoàn toàn
chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
Lâm Đồng, tháng 11 năm 2018
Sinh viên BẾ VĂN TUẤN
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT
AGR Advanced Gas-cooled Lò khí graphit cải tiến
Reactor
Boiling Water Reactor Lò nước sôi BWR
Fast Breeder Reactor Lò phản ứng tái sinh nhanh FBR
GAS-Cooled Reactor Lò khí graphit GCR
IAEA
International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế
Kim loại KL
Lò phản ứng hạt nhân LPƯHN
Light Water Lò nước nhẹ graphit LWGR
Graphite Reactor
NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân
PHWR Pressurised Heavy Water Lò nước nặng áp lực
Reactor
Pressurized Water Reactors Lò nước áp lực PWR
Stress-Corrosion Cracking Nứt do môi trường ăn mòn SCC
và ứng suất
Steam Generator Bình sinh hơi SG
Vodo - Vodyanoi Kiểu lò phản ứng nước áp VVER
Energetichesky Reaktor lực được thiết kế bởi Nga
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 ... 2
1.1. Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân ...................................................................... 2
1.2. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 .................................................................. 3
1.2.1. Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 ............................................ 3
1.2.2. Bình sinh hơi .............................................................................................. 4
1.2.3. Thép pearlit 10ГН2МФА trong bình sinh hơi ........................................... 7
1.2.4. Môi trường làm việc của bình sinh hơi ...................................................... 7
TÓM TẮT CHƯƠNG 1 ............................................................................................ 8
CHƯƠNG 2 - SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT
TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ................................................................ 9
2.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất ...................................... 9
2.2. Khởi tạo SCC .................................................................................................. 11
2.3. Lan truyền SCC .............................................................................................. 13
2.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép pearlit ........................................................... 18
2.5. Phương pháp tính toán sự tích tụ hydro .......................................................... 20
2.6. Phương pháp tính toán hệ số cường độ ứng suất ............................................ 21
TÓM TẮT CHƯƠNG 2 .......................................................................................... 24
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỰ TÍCH TỤ HYDRO, HỆ SỐ
CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA THÉP
PEARLIT 10ГН2МФА .......................................................................................... 25
3.1. Kết quả tính toán nồng độ hydro trong thép pearlit ........................................ 25
3.2. Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất ..................................................... 28
3.3. Kết quả tính toán mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit 10ГН2МФА ........................................................................................................... 31
3.4. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng ........................ 33
TÓM TẮT CHƯƠNG 3 .......................................................................................... 34
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 37
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mô hình lò phản ứng hạt nhân WWER-1000 ............................................ 3
Hình 1.2. Bình sinh hơi .............................................................................................. 5
Hình 2.1. a. Vết nứt SCC giữa các hạt; b. Vết nứt SCC bên trong các hạt ................ 9
Hình 2.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt ............................................. 11
Hình 2.3. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC ............................................ 13
Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp thụ ............................................................. 16
Hình 2.5. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết ............................................... 17
Hình 2.6. Phân tử nước và phân tử hydroni . ............................................................ 19
Hình 2.7. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt . ........................................... 19
Hình 2.8. Mô tả trạng thái hydro trong thép pearlit . ................................................ 19
Hình 2.9. Vùng đàn hồi trên vật liệu ........................................................................ 22
Hình 3.1. Sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit theo thời gian ....................... 27
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất trong thép pearlit .................. 31
theo thời gian ............................................................................................................. 31
Hình 3.3. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian (chỉ
sự tích tụ hydro) ........................................................................................................ 33
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các loại lò đang được sử dụng .................................................................. 2
Bảng 1.2. Các thông số bình sinh hơi ......................................................................... 5
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của thép 10ГН2МФА, tỉ lệ % .................................. 7
Bảng 3.1. Các thông số để tính nồng độ H2 trong thép pearlit ................................. 25
Bảng 3.2. Kết quả tính toán sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit .................. 25
theo thời gian ............................................................................................................. 25
Bảng 3.3. Các thông số dùng để tính sự ảnh hưởng hydro tới hệ số cường độ ứng
suất của thép pearlit .................................................................................................. 28
Bảng 3.4. Kết quả tính toán ảnh hưởng của hệ số cường độ ứng suất trong thép
pearlit theo thời gian ................................................................................................. 28
Bảng 3.5. Kết quả ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn ................................... 31
ở một số giá trị độ pH ................................................................................................ 31
Bảng 3.6. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian ..... 31
Bảng 3.7. Thời gian làm việc còn lại đến hư hỏng ................................................... 33
MỞ ĐẦU
Bình sinh hơi (Stream Generators) là một trong những thành phần 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. Các
ống trao đổi nhiệt (tubes) của bình sinh hơi phải làm việc trong môi trường khắc
nghiệt và chịu ảnh hưởng của các tác nhân như: chênh lệch nhiệt độ, áp suất, các tương tác hóa học và phóng xạ cao… Các tác nhân này ảnh hưởng mạnh đến các thành phần cuả NMĐHN nói chung và các ống trong bình sinh hơi nói riêng, từ đó có khuynh hướng phát triển những khuyết tật và các vết nứt trên chúng, làm giảm
tuổi thọ của chúng. Vấn đề đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của các thiết bị trong
NMĐHN là vấn đề được chú ý của ngành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, sự hiểu biết về
sự hình thành và phát triển của vết nứt là kiến thức thiết yếu để đảm bảo tính toàn vẹn
về cấu trúc của thành phần và thiết bị trong NMĐHN. Nhiều nghiên cứu đã đề cập
đến tác động của các môi trường làm việc trong nhà máy tới các thiết bị. Mục đích
của khóa luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến thép pearlit
10ГН2МФА (10GN2MFA) trong bình sinh hơi thông qua việc tính toán hệ số cường
độ ứng suất, mức độ hư hỏng và đánh giá thời gian đến khi hư hỏng trên ống trao đổi
nhiệt.
Bài khóa luận này được chia làm 3 chương:
Chương 1 - Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000.
Chương 2 - Sự nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất xảy ra trong nhà máy
điện hạt nhân.
Chương 3 - Kết quả tính toán sự tích tụ hydro, hệ số cường độ ứng suất và thời
gian làm việc còn lại của thép Pearlit 10ГН2МФА.
Kết luận
Tài liệu tham khảo
1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000
1.1. Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân
Nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) là một hệ thống thiết bị điều khiển và kiểm
soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sinh năng lượng dưới
dạng nhiệt, sau đó năng lượng nhiệt này được chuyển hóa thành cơ năng quay tua bin
thông qua các thiết bị của nhà máy.
Lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) hoạt động dựa trên phản ứng phân hạch. Khi một nơtron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân này bị vỡ thành hai hạt nhân con nhẹ
hơn, kèm theo việc phát ra bức xạ khác và phát ra các nơtron tự do. Các nơtron tự do này lại tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền.
Cấu trúc cơ bản của LPƯHN bao gồm: nhiên liệu phân hạch, chất làm chậm,
chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò, tường bảo vệ và các vật liệu
cấu trúc khác.
Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Rất khó có thể
đánh giá ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác. Việc mỗi quốc gia sử
dụng và phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là mục đích sử
dụng của mỗi quốc gia, trình độ khoa học - công nghệ và khả năng tham gia của các
ngành công nghiệp nội địa. Hiện nay, được phát triển nhiều nhất, đó là PWR
(Pressurired Water Reactor), BWR (Boiling Water Reactor) và PHWR (Pressurired
Heavy Water Reactor). Tỷ phần số lượng lò của các loại công nghệ như sau: Lò phản
ứng nước áp lực: 60% (PWR+WWER), kế theo đó là lò phản ứng nước sôi: 21%
BWR, và cuối cùng là lò nước nặng kiểu CANDU: 7% PHWR, phần còn lại là các
loại lò khác [1].
Bảng 1.1. Các loại lò đang được sử dụng [1]
Chất làm Chất tải STT Loại lò Tên gọi Nhiên liệu chậm nhiệt
PWR Lò nước áp lực Nước nhẹ Nước nhẹ 1 Uranium làm giàu 2-5%
BWR Lò nước sôi Nước nhẹ Nước nhẹ 2 Uranium làm giàu 2-5%
VVER Nước nhẹ Nước nhẹ 3 Lò nước áp lực (Liên xô cũ) Uranium làm giàu 2-5%
Lò nước nặng Nước nặng 4 PHWR- CANDU Uranium tự nhiên 0.7% Nước nặng và nước nhẹ
2
GCR Lò khí graphit Graphit Khí He 5 Uranium tự nhiên 0.7%
Uranium tự Lò nước 6 LWGR Graphit Nước nhẹ nhiên graphit
7 AGR Graphit Khí He Lò khí graphit cải tiến Uranium tự nhiên
Uranium làm Lò tái sinh 8 FBR giàu hoặc Không Na nhanh Plutonium
1.2. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000
1.2.1. Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân VVER-1000
Lò phản ứng WWER được thiết kế bởi Liên bang Xô Viết với công suất nằm
trong khoảng 70-1200 MWe và thiết kế lên tới 1700 MWe đang trong giai đoạn
nghiên cứu. Lò phản ứng WWER-1000 được phát triển sau 1975 và là hệ thống gồm
4 bình sinh hơi trong tòa nhà lò phản ứng. Thiết kế lò phản ứng WWER-1000 bao
gồm hệ điều khiển tự động, hệ thống an toàn thụ động và hệ thống che chắn cùng với
một số thiết kế lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ 3 theo tiêu chuẩn của IAEA [1].
Hình 1.1. Mô hình lò phản ứng hạt nhân WWER-1000 [3]
1. Lò hạt nhân 2. Hệ thống làm mát bị động
3
3. Bù trừ áp suất 4. Bình sinh hơi 5. Máy bơm tuần hoàn chính Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 là lò áp suất nên lò sẽ có hai vòng
làm mát tách biệt nhau, điều này giảm thiểu khả năng rò rỉ phóng xạ ra môi trường
bên ngoài. Cụ thể sẽ được trình bày ở phần dưới đây [4]:
- Nhiệt được tạo ra trong lõi lò phản ứng từ các phản ứng phân hạch nhiên liệu hạt nhân, sau đó nhiệt này được loại bỏ khỏi lõi lò bằng chất làm mát (nước). Chất làm mát được vận chuyển tới bình sinh hơi thông qua ống dẫn gọi là “hot leg”.
- Bình sinh hơi là một bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt từ vòng sơ cấp truyền
qua vòng thứ cấp bằng cách đun nước vòng thứ cấp tạo thành hơi nước quay tua bin.
- Sau khi trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi, chất làm mát lại được đưa trở
ngược lại lò phản ứng thông qua đường ống gọi là “cold leg”.
- Có bốn chu trình nhỏ trong vòng sơ cấp. Ở mỗi chu trình, chất làm mát được
bơm bởi bơm áp lực cao (được đặt ở mỗi góc) tới bình sinh hơi.
- Trong vòng sơ cấp, hơi nước được hình thành trong bình sinh hơi và được
đưa tới hệ thống cân bằng (balance of plat systems). Phần lớn hơi nước sinh ra trong
bình sinh hơi được đưa tới tua bin để làm quay tua bin phát điện.
- Sau khi làm quay tua bin, hơi nước được bơm tới hệ thống ngưng tụ và được
ngưng tụ. Từ hệ thống ngưng tụ nước được chuyển tới hệ thống hạ áp và nhiệt rồi qua
hệ thống khử để loại bỏ những khí không ngưng tụ được. Từ hệ thống khử, nước được
đưa qua hệ thống tăng áp và nhiệt rồi tới bình sinh hơi.
1.2.2. Bình sinh hơi
Bình sinh hơi trong thiết kế VVER-1000 có ký hiệu PGV-1000 gồm các thành
phần: bộ sinh hơi, vòi phun hơi, khung đỡ, bộ hấp thụ, các bộ phận phụ trợ cho khung đỡ.
Bình sinh hơi PGV-1000 được thiết kế là một thùng hình trụ nằm ngang, có
chiều dài 13820 mm với đường kính trong là 4200 mm. Hai đầu có hình elip được hàn kín. Thùng của bình sinh hơi chứa các bộ gom nước vòng sơ cấp, bề mặt trao đổi nhiệt và các bộ phận bên trong. Thùng được chế tạo từ thép 10ГН2МФА. Bộ ống góp chất làm mát vòng sơ cấp là một ống hình trụ đứng có thành dày với đường kính và bề dày không đồng nhất. Chiều cao tổng cộng của ống là 5100 mm, đường kính cực đại là 1176 mm và bề dày 171 mm. Bộ ống góp được chế tạo bằng thép 10ГН2МФА. Bề mặt bên trong được tráng lớp vật liệu bảo vệ chống ăn mòn. Bộ ống góp có 10978 lỗ với đường kính 16.25 mm bên trong phần hình trụ trung tâm để lắp
4
ráp với các ống trao đổi nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống có kích thước
16x1.5 mm, được chế tạo từ thép 08KH18N10T. Các ống trao đổi nhiệt được uốn cong thành hình chữ U và lắp ráp thành bó ống. Các ống trong bó được đặt kiểu hành
lang với khoảng cách theo phương thẳng đứng là 22 mm và khoảng cách theo phương
ngang là 24 mm. Các ống được xếp nghiêng so với các bộ góp (20 mm theo chiều
dài) giúp có thể xả nước dễ dàng ra khỏi ống. Các ống được cố định với bộ góp bằng cách hàn thành ống với bề mặt trong của bộ góp với độ sâu của mối hàn không nhỏ hơn 1.4 mm.
Hình 1.2. Bình sinh hơi [3]
Khi bình sinh hơi hoạt động thì các thông số được miêu tả như bảng 1.2 [2]:
Bảng 1.2. Các thông số bình sinh hơi
Thông số Giá trị
6.27
321
291
220
164
Áp suất tại lối ra SG, MPa Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG, 0C Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG, 0C Nhiệt độ nước cấp, 0C Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, 0C Độ ẩm hơi tại lối ra SG, % 0.20
Bình sinh hơi có phương ngang được sử dụng trong nhà máy VVER, có một số ưu thế so với các bình sinh hơi loại khác. Thiết kế này chú trọng đến việc đảm bảo
an toàn cho nhà máy, với các đặc điểm như sau [3]:
5
- Tốc độ bay hơi trên trên bề mặt thấp (0.2 – 0.3 m/s) cho phép sử dựng một
mô hình tách hơi đơn giản nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu độ ẩm của hơi.
- Giảm tốc độ trung bình của vòng thứ cấp (0.5 m/s), làm giảm sự dung động
của các ống trao đổi nhiệt.
- Tỷ lệ giữa độ dày thành ống và đường kính của ống trao đổi nhiệt cao hơn so
với các thiết kế trước, tránh được khả năng vỡ ống trao đổi nhiệt trong suốt quá trình vận hành.
- Các bộ góp hình trụ thẳng đứng của vòng sơ cấp cho phép tránh được sự ứ
đọng nước trong bộ góp, giảm sự hư hại tại những chỗ uốn khúc.
- Bình sinh hơi nằm ngang làm tăng không gian tích trữ nước trong vòng thứ
cấp so với kiểu bình sinh hơi thẳng đứng. Điều này làm tăng khả năng làm mát khi
xảy ra sự cố kèm theo sự mất khả năng cung cấp nước của đường nước cấp khẩn cấp
tới bình sinh hơi.
- Ưu điểm quan trọng của bình sinh hơi nằm ngang là có thể ứng dụng một mô
hình sấy hơi kiểu bậc thang, điều đó cho phép duy trì nồng độ các tạp chất không thể
hòa tan thấp hơn nồng độ cân bằng trong nước xả.
- Bình sinh hơi cung cấp khả năng tuần hoàn tự nhiên trong vòng sơ cấp thậm
trí cả trong trường hợp mức nước tụt thấp hơn mức đặt các hàng ống phía trên.
- Thiết kế nằm ngang cung cấp một lối vào thuận tiện trong tiếp cận tới hệ
thống ống để thanh tra, kiểm tra, bảo trì, bão dưỡng.
Việc bố trí các bó ống trao đổi nhiệt có dạng hành lang bao quanh cho phép:
- Tăng tốc độ tuần hoàn trong các bó ống, giúp giảm thiểu tốc độ phát triển
của các lắng cặn trong ống trao đổi nhiệt và giảm nồng độ các chất ăn mòn trong hệ
thống, điều này giúp giảm thiểu xác suất sai hỏng do ăn mòn trong các ống trao đổi
nhiệt.
- Dễ dàng ra vào không gian chứa các ống trao đổi nhiệt để kiểm tra và làm
sạch khi cần thiết.
- Tăng không gian bên trong bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất lắng đọng. Việc sử dụng bình sinh hơi nằm ngang còn giúp giảm thiểu chiều cao nhà lò, do đó cải tiến khả năng chống chịu địa chấn của hệ thống.
PGV-1000 thiết kế dựa trên nguyên tắc thiết kế bình sinh hơi của lò VVER- 440 với một số thay đổi. Đặc biệt là vật liệu của ống dẫn đã được thay đổi, thép không gỉ austenit 08CHL8N10T được thay thế bằng thép hợp kim thấp 10ГН2МФА với tính chất cơ học (độ bền kéo) cao hơn. Trái ngược với tiền nhiệm của nó, bình sinh
6
hơi PGV-1000 bị một số vấn đề, đặc biệt là nứt trong “cold leg”. Trong giai đoạn
1986-1991, một số bình sinh hơi đã được thay thế do các vấn đề về nứt. Người ta đã thực hiện các nghiên cứu để xác định nguyên nhân của sự xuống cấp và kết quả cho
thấy rằng sự kết hợp của các yếu tố như tải trọng thiết kế và vận hành cùng với ảnh
hưởng hóa học của nước chính là nguyên nhân gây ra thiệt hại đó. Từ đó, một số biện
pháp khắc phục đã được đề ra và thực hiện tại các nhà máy cũng như thiết kế các bình sinh hơi cho các nhà máy đang được xây dựng [5]. 1.2.3. Thép pearlit 10ГН2МФА trong bình sinh hơi
Thép 10ГН2МФА (10GN2MFA) được sản xuất bởi công ty Vitkovice 1 và đã được sử dụng làm vật liệu kết cấu cho thiết bị NMĐHN của Liên Xô cũ từ năm 1974 [5]. Thép 10ГН2МФА là một loại thép hợp kim thấp (có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%), được sử dụng chế tạo thùng bình sinh hơi, bộ ống góp… . Do những ưu điểm về độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai va đập cao, tính chịu nhiệt và chịu ăn mòn tốt do vậy thép pearlit được ứng dụng trong NMĐHN. Thành phần hóa học của thép pearlit 10ГН2МФА theo tỉ lệ % như trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của thép 10ГН2МФА, tỉ lệ % [6]
C Mn Si P S Cu Ni Cr Mo V Ti Al
Min 0.08 0.8 0.17 - - - 1.8 - 0.4 0.03 - 0.005
Max 0.12 1.1 0.37 0.008 0.005 0.3 2.3 0.3 0.7 0.07 0.015 0.035
1.2.4. Môi trường làm việc của bình sinh hơi
- 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 593.15±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 552 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.
- Các chất hóa học: Do trong lò 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, O2, H2, O2⁻, H.
7
Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo
các phương trình sau:
(1.1) O2 + 2H⁺ + 2e⁻ H2O2
(1.2) H2O2 + 2H⁺ + 2e⁻ 2H2O
(1.3) H2 H2⁺ + e⁻
(1.4) H2⁺ 2H+ +e⁻
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 [2].
TÓM TẮT CHƯƠNG 1
Trong chương 1 ta đã tìm hiểu được các vấn đề như sau: - Tổng quan về LPƯHN và các loại LPƯHN phổ biến. - Tìm hiểu về LPƯHN VVER-1000. - Cấu trúc và các thông số cơ bản của bình sinh hơi trong NMĐHN loại lò
VVER-1000.
- Giới thiệu về thép pearlit 10ГН2МФА. - Phân tích và tìm hiểu về môi trường làm việc trong bình sinh hơi.
8
CHƯƠNG 2 - SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT
TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
2.1. 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)
[7].
Hình 2.1. a. Vết nứt SCC giữa các hạt; b. Vết nứt SCC bên trong các hạt [8]
Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [8]: - Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1.
9
- 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. 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 2 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 [7].
- 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 2.2 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 2.2 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
10
- Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ở đầu vết nứt thêm
- Các phản ứng hóa học với số lượng lớn - Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử
Hình 2.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt [7]
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 [7]:
- 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.
2.2. 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
11
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
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 3ô tả qua hai thông số [8].
- 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).
(2.1)
Trong đó: ΔKth là ngưỡng mỏi do ăn mòn; F là một hằng số; Δσ0 là độ lệch ứng suất bề
mặt
(2.2)
Trong đó KISCC là ngưỡng 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 2.3. 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 đã chỉ ra rằng có một giai đoạn ủ bệnh dài trước khi vết nứt được khởi tạo [9].
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. Có một số cơ chế lan truyền vết nứt được mô tả ở phần tiếp theo.
12
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.
2.3. 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 2.3. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC [9]
• 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 - 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.
13
- 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. Cơ chế hòa tan được giả định rằng sự lan truyền vết nứt là do sự hòa tan tích cực tại đầu vết nứt. Các mô hình khác nhau theo cơ chế này là: mô hình hòa
14
tan trượt, mô hình vỡ màng bảo vệ, và mô hình sự nứt SCC do gãy liên kết giữa các
hạt [9].
• Mô hình giòn hóa (Embrittlement Models) Theo các nhóm cơ chế, Các vết nứt SCC lan truyền theo cách giòn hóa trong
phần lớn các trường hợp, và do đó, phương pháp tiếp cận của Griffith đối với sự gãy
giòn là có thể được liên quan [8]. Vì thế, ứng suất gãy cần thiết cho sự lan truyền vết
nứt hình elip cho cách thức giòn hóa có thể được ước lượng từ phương trình:
[2.3]
Trong đó E là mô đun Young và là năng lượng bề mặt. Do đó, bất kỳ quá
trình nào làm giảm năng lượng sẽ giảm ứng suất cần thiết cho sự gãy giòn.
Năng lượng có thể bị giảm xuống nếu một số loại chất tan bị hấp phụ ở về
mặt gãy. Điều này thường xảy ra trong quá trình giòn hóa hydro của thép. Nhưng nếu
sự biến dạng dẻo có mặt ở vết gãy thì theo Orowan: Phần năng lượng bề mặt sẽ được
sửa đổi để tính toán cho công thực hiện trong quá trình biến dạng dẻo. Vì thế (công
cho biến dạng dẻo) được thêm vào phần . Ngoài ra hydro phản ứng với các biến vị,
lỗ trống (các lỗ rỗng lớn hơn) hoặc ảnh hưởng đến chỗ gãy và nó cũng có thể hình
thành hydrua. Những lớp màng giòn hóa này có thể được hình thành tại bề mặt tiếp
xúc của kim loại và chỗ rạn vỡ dẫn đến sự hòa tan tích cực và sự lan truyền vết nứt
[9].
• Mô hình hấp phụ chọn lọc (Selective Adsorption Model) Mô hình hấp phụ chọc lọc đề xuất rằng loại chất tan cụ thể có thể bị hấp phụ
tại bề mặt kim loại do đó làm giảm năng lượng bề mặt, phần năng lượng trong
phương trình Griffith hoặc Petch-troh làm giảm ứng suất cần thiết để gây ra một vết
gãy giòn. Theo mô hình này, các chất tan cụ thể cũng như sự phụ thuộc điện hóa của
SCC có thể được giải thích là các chất tan ăn mòn chọn lọc bị hấp phụ tại bề mặt kim loại và tương tác với các liên kết biến dạng tại đỉnh vết nứt làm giảm độ bền liên kết được mô tả như trong hình 2.4.
Sự hấp thụ thường xảy ra tại các biến vị hay các khuyết tật di động tại đỉnh vết nứt. Mô hình này liên quan đến sự gãy giòn và do đó phù hợp với sự phân cắt giống
như sự gãy xuất phát từ các hạt nguyên tử của thép pearlit. Tuy nhiên, có một số tranh luận về lý thuyết này. Một trong số những tranh luận chính là sự lan truyền vết nứt được kiểm soát bởi sự vận chuyển các ion nguy hại đến đỉnh vết nứt và các nghiên
15
cứu thực tế đã cho thấy rằng một vết nứt nhọn không thể duy trì trạng thái ổn định ở
hợp kim dẻo FCC ở vận tốc nứt thấp [8].
Fuller, Lawn and Thompson [8] xem xét các mô hình nguyên tử cho sự hấp
phụ gây ra sự gãy. Trong mô hình này, các nguyên tử được kết nối với nhau bằng các
liên kết nằm ngang của hằng số lò xo (β) và các liên kết thẳng đứng của hằng số lò
xo (α). Mô hình này được thể hiện ở hình 2.5. Khi một chất tan hóa học (hình 2.4) bị hấp phụ ở đầu vết nứt, nó hình thành lên kết AB và sự hỏng hóc xảy ra do sự phá vỡ liên kết AA.
Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp thụ [9]
Hình 2.4 là sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ. Mô hình này đòi hỏi một loại
ion cụ thể từ môi trường (ở trường hợp này là ion B) tương tác và giảm sức bền kết
dính của liên kết A-A0 ở đầu của một vết nứt giòn.
16
Hình 2.5. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết [9]
Hình 2.5 mô tả quá trinh sự vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết và quá trình
tạo liên kết mới tại đỉnh vết nứt (Phân tử AA (môi trường) phản ứng với lên kết BB
(đỉnh nứt), liên kết BB bị gãy tạo ra các liên kết đầu cuối AB)
• Những mô hình giòn hóa Hydro (Hydrogen Embrittlement Models) Theo những mô hình này, SCC được gây ra bởi sự tăng trưởng của vết nứt do
nguồn hydro bên ngoài [8]. Một số mô hình giòn hóa hydro được đề xuất cho những
hệ hợp kim - môi trường như sau:
1) Mô hình biến đổi thành thép không gỉ martensite (Strain-induced martensite
model)
2) Các mô hình hydrua (Hydride modes)
3) Tương tác với biến vị (Interaction with dislocations)
Trong một số mô hình hydrua, hydrua đóng vai trò quan trọng trong SCC ở một số hợp kim không màu như titan, chúng tác động bằng cách cản trở sự di chuyển của các biến vị do vậy nó thúc đẩy quá trình gãy giòn của mạng lưới hoặc bằng cách cung cấp đường dẫn cho gãy giòn thông qua trạng thái hydro khuếch tan vào bên trong kim loại.
Các biến vị đóng vai trò quan trọng trong quá trình giòn hóa hydro. Trong mô
này, sự giòn hóa được tạo ra bởi hydro (hydro tương tác với số pin, các biến vị, cho
17
phép sự gãy giòn). Sự giòn hóa hydro xảy ra tại các kim loại do sự hấp thụ hydro
trong quá trình phản ứng trên bề mặt kim loại [8]. Các phản ứng này là:
(2.4)
(2.5)
H2O + 2M = MH + MOH H2O + MH = MOH +H2 Những phản ứng này chỉ xảy ra ở vùng hoạt.
2.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép pearlit
Như đã đề cập ở trên, khi tăng nồng độ hydro sẽ dẫn đến sự giảm tính cơ học và phá hủy thép pearlit. 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 pearlit 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 pearlit.
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 eclectron 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 2.6). 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 2.7). Phản ứng 2.7 - 2.9 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.
18
Hình 2.6. Phân tử nước và phân tử hydroni [10].
Hình 2.7. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt [10].
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11) Tại anot: Me → Men+ + ne- Tại catot: H3O+ → H2O + H+ H3O+ → 2H+ + OH- H3O → 3H+ + O2- nH+ + ne- → nHhb nHhb → κHhb + (1-κ)H2↑
Hình 2.8. Mô tả trạng thái hydro trong thép pearlit [15].
19
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.
2.5. Phương pháp tính toán sự tích tụ hydro
Công thức bán thực nghiệm về sự tích tụ hydro trong vật liệu được tìm ra tại
bộ môn NMĐHN của trường Đại học Năng Lượng Matxcova (MPEI), Liên Bang
Nga được cho bởi phương trình (2.12) [10]:
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Trong đó:
- là nồng độ của hydro trong kim loại và trong hợp kim (ml H2/100g.KL
trong điều kiện bình thường).
- k,q là các hằng số được xác định dựa trên kết quả xử lý số liệu thực nghiệm. - Δτi là khoảng thời gian thực nghiệm giữa hai phép đo liên tiếp nhau, trong
khoảng thời gian này tất cả các giá trị của các thông số khác không thay đổi (giờ).
để nồng độ hydro đạt được giá trị ( - pHi là độ pH môi trường ăn mòn. - τhi là thông số bổ trợ, có thứ nguyên và ý nghĩa vật lý của thời gian cần thiết )i-1, bằng với giá trị của nồng độ hydro đạt
được trong khoảng thời gian vận hành trước đó nhưng với giá trị pHi.
• Mức độ hư hỏng của thép pearlit:
(2.15)
20
Với: M là mức độ hư hỏng; là nồng độ hydro tích tụ trong thép pearlit
10ГН2МФА; là giới hạn nồng độ hydro tích tụ trong thép pearlit 10ГН2МФА (
= 3.84 ml/100g.KL).
• Thời gian làm việc còn lại của thép pearlit đến khi hư hỏng:
(2.16)
Trong đó:
là thời gian làm việc còn lại của vật liệu;
là nồng độ hydro tích tụ trong thời gian ;
k,q là các hằng số được xác định dựa trên kết quả xử lý số liệu thực nghiệm; pHi là độ pH môi trường ăn mòn.
2.6. Phương pháp tính toán hệ số cường độ ứng suất
Xuất phát từ phương trình khuếch tán.
(2.17)
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:
(2.18)
Phương trình này đóng vai trò điều kiện bổ sung. Khi r→∞ thì c tiến về 0.
Nghiệm bài toán là:
(2.19)
Trong đó là phương trình vi phân mũ. Hãy nhớ là phương
trình Ei(-x) khi x dương thì nó sẽ đơn điệu giảm, khi đó:
21
Khi x→0 (2.20)
Khi x→0 (2.21)
Với là hằng số Euler [10].
Sự khuếch tán hydro vào cuối vết nứt tạo ra vùng đang hồi như trên hình 2.9.
Hình 2.9. Vùng đàn hồi trên vật liệu [2]
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 2.9). Khi r = de và c = ce ta có hệ thức sau:
(2.22)
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 2.7) là:
(2.23)
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).
Từ công thức (2.23) suy ra:
(2.24)
Cường độ Q (tổng điện tích ion hydro) tỷ lệ với độ mở của vết nứt (ở đỉnh vết
nứt) là:
(2.25)
22
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:
(2.26)
(2.27) Với
Trong đó:
là áp suất của hydro;
là mật độ của hydro;
là tốc độ di chuyển trung bình của hydro;
là tổng số nguyên tử hydro trung vùng dẻo.
Thay công thức (2.27) vào công thức (2.26) thì thu được công thức sau:
(2.28)
Công thức độ mở của vết nứt là:
(2.29)
Trong đó: η2 là một hằng số. Từ phương trình (2.28) ta có:
(2.30)
Thay các phương trình (2.25), (2.22), (2.20), (2.17) lần lượt vào phương trình
(2.30) ta thu được công thức bán thực nghiệm quan hệ giữa nồng độ hydro và hệ số
cường độ ứng suất [8]:
(2.31)
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.
23
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.
(2.32)
Với:
- η là hằng số của vật liệu môi trường.
- , là nồng độ oxi ở môi trường bên ngoài (xét cho trường hợp
thép pearlit 10ГН2МФА), CM là nồng độ hoạt chất của vật liệu (trong trường hợp thép 10ГН2МФА là nồng độ hydro).
- là sự thay đổi thể tích của hợp kim trước và sau khi bị ăn mòn.
với γ là hệ số Posion cho thép - κν là mô đun đàn hồi thể tích,
không gỉ.
-
Từ giá trị (giá trị nồng độ hydro tới hạn cho phép trong vật liệu, trong
trường hợp này đối với thép pearlit 10ГН2МФА thì = 3.84 ml/100g.KL) ta có
thể tính ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn trong thép pearlit, sẽ trình bày ở
Chương 3.
TÓM TẮT CHƯƠNG 2
Trong chương 2 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau:
- Các giai đoạn hình thành và lan truyền vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng
suất áp vào thép pearlit.
- 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 lan truyền của vết nứt của thép pearlit.
- Tìm hiểu về sự ảnh hưởng của hydro tới vật liệu thép pearlit. - Nghiên cứu phương pháp tính toán sự tích tụ hydro, mức độ hư hỏng, hệ số
cường độ ứng suất và thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng của thép pearlit.
24
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỰ TÍCH TỤ HYDRO, HỆ SỐ
CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA THÉP PEARLIT 10ГН2МФА
Trong chương 2 ta đã tìm hiểu về lý thuyết hình thành và phát triển của vết
nứt đối với thép pearlit và sự ảnh hưởng của hydro tới thép pearlit. Ở chương 3 này
ta sẽ trình bày các kết quả tính toán sự ảnh hưởng của hydro tới thép pearlit từ các công thức đã trình bày ở mục 2.5, 2.6 gồm: tính toán nồng độ hydro trong thép pearlit theo thời gian, tính toán hệ số cường độ ứng suất, tính toán mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit, thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng.
3.1. Kết quả tính toán nồng độ hydro trong thép pearlit
Dựa vào công thức bán thực nghiệm (2.12) và các thông số ở bảng 3.1 ta có
kết quả của tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit theo thời gian trong bảng 3.2.
Bảng 3.1. Các thông số để tính nồng độ H2 trong thép pearlit [10]
Hằng số
k
Giá trị 1 4.27 0.3137 q
0.80 (ml/100g.KL trong điều
kiện bình thường)
3.84 (ml/100g.KL trong điều
kiện bình thường)
Bảng 3.2. Kết quả tính toán sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit
theo thời gian
(ml/100g.KL)
(ml/100g.KL)
pH = 5 pH = 7
Thời gian t (tháng)
0.80 0.80 0
0.94 1.22 0.5
1.06 1.53 1
1.17 1.79 1.5
1.27 2.02 2
1.36 2.22 2.5
1.45 2.40 3
25
3.5 2.58 1.53
4 2.74 1.61
4.5 2.89 1.69
5 3.04 1.76
5.5 3.17 1.82
6 3.31 1.89
6.5 3.43 1.95
7 3.56 2.02
7.5 3.67 2.08
8 3.79 2.13
8.5 3.90 2.19
9 4.01 2.24
9.5 4.11 2.30
10 4.22 2.35
10.5 4.32 2.40
11 4.42 2.45
11.5 4.51 2.50
12 4.61 2.55
13 4.79 2.64
14 4.96 2.74
15 5.13 2.82
16 5.30 2.91
17 5.46 2.99
18 5.61 3.07
19 5.76 3.15
20 5.91 3.23
21 6.05 3.30
22 6.19 3.38
23 6.33 3.45
24 6.46 3.52
25 6.60 3.59
26 6.72 3.65
27 6.85 3.72
28 6.97 3.79
26
29 7.10 3.85
30 7.22 3.91
31 7.33 3.97
32 7.45 4.04
33 7.56 4.10
34 7.68 4.15
35 7.79 4.21
36 7.90 4.27
37 8.00 4.33
38 8.11 4.38
39 8.22 4.44
40 8.32 4.49
41 8.42 4.55
42 8.52 4.60
43 8.62 4.65
44 8.72 4.71
45 8.82 4.76
46 8.92 4.81
47 9.01 4.86
48 9.11 4.91
Hình 3.1. Sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit theo thời gian
27
Nhận xét:
Sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit phụ thuộc vào thời gian và giá trị độ pH của môi trường làm việc. Từ hình 3.1, ta thấy với giá trị độ pH = 5 thì nồng độ
hydro tích tụ trong thép tăng nhanh và đạt giá trị giới hạn = 3,84 ml/100g.KL
trong khoảng thời gian khoảng 8 tháng nhanh hơn so với môi trường có giá trị pH = 7 (tốn khoảng 45 tháng). Do đó, trong môi trường làm việc có giá trị pH càng thấp
thì tốc độ tích tụ hydro trong vật liệu càng nhanh.
3.2. Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất
Từ công thức hệ sô cường độ ứng suất (2.31) và các thông số ở bảng 3.3 ta có
kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất theo thời gian ở bảng 3.4. Bảng 3.3. Các thông số dùng để tính sự ảnh hưởng hydro tới hệ số cường độ ứng
suất của thép pearlit [10]
Hằng số Giá trị
200 Ứng suất căng σs (MPa)
Mô đun young E (MPa) 196000
0.21 Hệ số η2
Hệ số thay đổi thể tích của hợp kim ∆ 0.2
0.28 2.5x10-6
Hệ số Posion γ Hệ số khuếch tán hydro trong thép không gỉ D (m2/s) Nồng độ của môi trường bên ngoài ban đầu (mol/lít). 10
Nồng độ tích tụ ban đầu trong thép không gỉ (mol/lít).
Hệ số khuếch tán oxy trong thép D0 (m2/s) Bán kính hạt nhân r (m) 10-6 5.4x10-9 10-10
Bảng 3.4. Kết quả tính toán ảnh hưởng của hệ số cường độ ứng suất trong thép
pearlit theo thời gian
Thời gian t (tháng)
pH = 5 KI (MPa.m1/2) 22.93 pH = 7 KI (MPa.m1/2) 22.58 0
0.5 24.77 28.26
1 26.11 31.37
1.5 27.28 33.74
2 28.32 35.67
28
2.5 37.31 29.26
3 38.76 30.11
3.5 40.04 30.89
4 41.21 31.61
4.5 42.28 32.29
5 43.27 32.92
5.5 44.20 33.51
6 45.06 34.08
6.5 45.88 34.61
7 46.65 35.12
7.5 47.38 35.61
8 48.08 36.08
8.5 48.75 36.53
9 49.39 36.96
9.5 50.00 37.38
10 50.59 37.78
10.5 51.16 38.17
11 51.71 38.54
11.5 52.25 38.91
12 52.76 39.26
13 53.75 39.95
14 54.68 40.59
15 55.56 41.21
16 56.40 41.79
17 57.20 42.35
18 57.97 42.89
19 58.71 43.41
20 59.42 43.91
21 60.10 44.39
22 60.76 44.86
23 61.39 45.31
24 62.01 45.74
25 62.61 46.17
26 63.19 46.58
29
27 63.75 46.98
28 64.30 47.37
29 64.83 47.75
30 65.35 48.12
31 65.86 48.48
32 66.35 48.83
33 66.84 49.18
34 67.31 49.52
35 67.77 49.85
36 68.22 50.17
37 68.67 50.49
38 69.10 50.80
39 69.52 51.10
40 69.94 51.40
41 70.35 51.70
42 70.75 51.99
43 71.15 52.27
44 71.54 52.55
45 71.92 52.82
46 72.29 53.09
47 72.66 53.36
48 73.02 53.62
30
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất trong thép pearlit
theo thời gian
Ngưỡng hệ số cường độ ứng suất (KISCC) là giá trị hệ số cường độ ứng suất
ứng với nồng độ hydro giới hạn cho phép trên thép Pearlit ( =3.84 ml/100g.KL).
Kết quả tính toán KISCC được cho ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn ở một số giá trị độ pH
pH = 3 pH = 5 pH = 7 pH = 9
49.21 48.41 47.69 47.00 Hệ số cường độ ứng suất KISCC (MPa.m1/2)
Nhận xét: Từ hình 3.2, ta thấy giá trị hệ số cường độ ứng suất của thép pearlit theo thời gian trong môi trường làm việc có giá trị pH = 5 tăng nhanh trong 2 tháng đầu, giá trị pH = 7 tăng bình thường. Do đó, hệ số cường độ ứng suất trong trong thép pearlit ở môi trường làm việc có độ pH thấp sẽ tăng nhanh tới giá trị cực đại hơn.
Từ Bảng 3.5 ta thấy, ngưỡng hệ số cường độ ứng suất giảm dần theo giá trị. Ở
môi trường có giá trị pH thấp, nồng độ hydro tăng nhanh trong khoảng thời gian ngắn
nên ngưỡng hệ số cường độ ứng suất cao hơn so với môi trường có độ pH cao.
3.3. Kết quả tính toán mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit
10ГН2МФА
Từ công thức (2.15) ta tính được mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong
thép pearlit trong bảng 3.6.Trong khóa luận này, khi tính toán mức độ hư hỏng, chỉ
xét đến hư hỏng do có sự tích tụ hydro mà không xét tới các tác nhân hư hỏng khác.
Bảng 3.6. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian
pH = 5 pH = 7 Thời gian t
(tháng) Mức dộ hư hỏng Mức độ hư hỏng
0 0.21 0.21
0.5 0.32 0.24
1 0.40 0.28
1.5 0.47 0.31
2 0.53 0.33
2.5 0.58 0.36
3 0.63 0.38
31
3.5 0.67 0.40
4 0.71 0.42
4.5 0.75 0.44
5 0.79 0.46
5.5 0.83 0.48
6 0.86 0.49
6.5 0.89 0.51
7 0.93 0.52
7.5 0.96 0.54
8 0.99 0.56
8.5 1.02 0.57
9 0.58
9.5 0.60
10 0.61
10.5 0.63
11 0.64
11.5 0.65
12 0.66
13 0.69
14 0.71
15 0.74
16 0.76
17 0.78
18 0.80
19 0.82
20 0.84
21 0.86
22 0.88
23 0.90
24 0.92
25 0.93
26 0.95
27 0.97
28 0.99
32
29 1.00
Hình 3.3. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian
(chỉ sự tích tụ hydro)
Nhận xét:
Từ hình 3.3, cho thấy khi giá trị pH = 5 thì nồng độ hydro tăng nhanh làm vật
liệu hư hại nhanh hơn và đạt giá trị bằng 1 (ngưỡng thép hư hỏng) trong 8 tháng trong
khi giá trị pH = 7 - thép hư hỏng trong 29 tháng. Ta thấy, thép pearlit rất nhạy cảm
trong môi trường làm việc có độ pH thấp, từ đó ta có thể tăng giá trị pH trong môi
trường làm việc lên để kéo dài tuổi thọ của thép pearlit lâu hơn.
3.4. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng
Từ công thức (2.16) ta tính được thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng
trong bảng 3.7. Ở đây, tính toán bắt đầu từ lúc hydro tích tụ = 0.8 ml/100g.KL
đến ngưỡng giá trị hydro = 3.83 ml/100g.KL.
Bảng 3.7. Thời gian làm việc còn lại đến hư hỏng
Thời gian còn lại đến khi hư hỏng τMi (giờ)
pH = 5 pH = 7 pH = 9 pH = 3
6030 21822 76026 1765
Nhận xét: Từ số liệu bảng 3.7, ta có thể thấy thời gian làm việc còn lại trong môi trường pH = 9 cao gấp 43 lần trong môi trường có pH = 3. Như vậy, đối với các vật liệu thép
33
pearlit khi làm việc trong môi trường có giá pH thấp thì thời gian còn lại đến khi hư
hỏng càng ngắn. Thời gian làm việc của vật liệu cũng bị nhiều yếu tố khác tác động, trong bài này ta chỉ xét mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro gây ra.
TÓM TẮT CHƯƠNG 3
Trong chương 3 ta đã:
- Tính toán sự tích tụ của hydro trong thép pearlit. Kết quả cho thấy sự tích tụ hydro trong thép pearlit phụ thuộc vào giá trị pH của môi trường, độ pH càng thấp thì tốc độ tích tụ càng nhanh.
- Tính toán hệ số cường độ ứng suất theo thời gian trong hai trường hợp: trong
môi trường có giá trị pH = 5 và pH = 7. Ta thấy rằng hệ số cường độ ứng suất tăng
khi sự tích tụ hydro tăng.
- Tính toán mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit. Tính toán
thời gian làm việc còn lại đến hư hỏng. Ta thấy nếu ta tăng giá trị pH của môi trường
làm việc thì thời gian làm việc của thép pearlit càng dài ra.
34
KẾT LUẬN
Sau khi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này ta thu được các kết quả sau: - Tìm hiểu cở bản về một số loại LPƯHN phổ biến và LPƯHN loại VVER-
1000.
- Tìm hiểu về môi trường làm việc khắc nghiệt trong bình sinh hơi mà các vật
liệu bằng thép pearlit phải chịu đựng.
- Nghiên cứu các mô hình lan truyền vết nứt và ảnh hưởng của hydro tới sự
lan truyền của vết nứt trong thép pearlit.
- Tính toán được sự ảnh hưởng của hydro tới thép pearlit với kết quả như sau:
nồng độ hydro tích tụ thép pearlit phụ thuộc vào giá trị pH của môi trường làm việc.
Với giá trị pH = 5 của thì tốc độ tích tụ trong hydro trong thép pearlit tăng nhanh hơn
so với các môi trường có giá trị pH = 7. Do đó, giá trị pH của môi trường ảnh hưởng
đến tốc độ tích tụ của hydro trên thép pearlit, pH càng thấp thì tốc độ tích tụ hydro
trong vật liệu càng nhanh.
- Tính toán hệ số cường độ ứng suất của vật liệu trong các môi trường có giá
trị pH khác nhau theo thời gian với kết quả như sau: hệ số cường độ ứng suất tăng
nhanh hơn khi độ pH càng nhỏ.
- Tính toán mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro theo thời gian, ta thu được kết
quả: Thép pearlit 10ГН2МФА hư hỏng rất nhanh khi làm việc trong môi trường có
giá trị pH thấp.
- Tính toán thời gian làm việc còn lại đến khi hư hỏng, ta thấy thời gian làm
việc còn lại của thép pearlit trong môi trường có giá trị pH = 9 cao gấp 43 lần so với
môi trường giá trị pH = 3. Do đó, tăng cao giá trị pH trong môi trường làm việc lên
thì sẽ kéo dài tuổi thọ của thép pearlit dài hơn.
Thép pearlit 10ГН2МФА là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các thành phần, thiết bị của NMĐHN loại VVER-1000, đặc biệt trong bình sinh hơi. Từ dữ liệu
của bài khóa luận này cho thấy hydro có ảnh hưởng đến thép pearlit 10ГН2МФА
(làm tăng độ giòn của vật liệu và làm tăng hệ số cường độ ứng suất), dẫn tới ảnh hưởng quá trình hoạt động và tuổi thọ của các thiết bị sử dụng loại thép này.
Bài khóa luận này đã trình bày các công thức lý thuyết, sử dụng và tính toán các công thức bán thực nghiệm về sự tích tụ của hydro trong vật liệu và hệ số cường độ ứng suất phụ thuộc vào nồng độ hydro để chứng minh sự ảnh hưởng của hydro tới thép pearlit 10ГН2МФА. Từ đó làm cơ sở cho các nghiên cứu khác để đề xuất biện pháp nhằm giảm mức độ hư hỏng, cũng như giúp kéo dài tuổi thọ vật liệu, bảo đảm các thiết bị NMĐHN hoạt động an toàn.
35
36
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Đăng Khoa, Phân Tích Hệ Thống An Toàn Trong Lò Phản Ứng WWER-1000 Bằng Phần Mềm Mô Phỏng IAEA, khóa luận tốt nghiệp kĩ sư kĩ thuật
hạt nhân khóa 2012-2017.
[2] 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, khóa luận tốt nghiệp kỹ sư hạt nhân khóa 2013-2018.
[3] Đề Tài Độc Lập Cấp Nhà Nước, Nghiên Cứu, Phân Tích, Đánh Giá Và So Sánh Hệ Thống Công Nghệ Nhà Máy Điện Hạt Nhân Dùng Lò VVER-1000 Giữa Các
Loại AES-91, AES-92 & AES-2006”, Mã số: ĐTĐL.2011-G/82
[4] WWER-1000 REACTOR SIMULATOR WORKSHOP MATERIAL,
International Atomic Energy Agency IAEA, 2011.
[5] WWER-1000 STEAM GENERATOR INTEGRITY, A Publication Of
The Extrarudgetary Programme On The Safety Of Wwer And Rrmk Nuclear Power
Plants, International Atomic Energy Agency, July 1997.
[6] Ladislav Kander, Karel Matocha, Aleš Korčák, Effect Of Intercritical
Annealing On Mechanical Properties Of 10GN2MFA Grade Steel Used For Nuclear
Power Station, 2007.
[7] Dahberg T, Ekberg A, Failure fracture fatigue, Student litteratur, Lund,
Sweden 2002.
[8] Ananya Bhattacharya, Stress Corrosion Cracking of Duplex Stainless
Streels in Caustic Solutions, Georgia Institute of Technology Atlana, GA, December
2008.
[9] Russell H.Jones, book Stress-corrosion Cracking, Copyright 1992 by
ASM International.
[10] 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.
