Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến tuổi thọ của thép Pearlit 10ГН2МФА trong nhà máy điện hạt nhân loại vver – 1000

Chia sẻ: Công Nữ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài khóa luận này được chia làm 3 chương được trình bày như sau: Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000. Sự nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất xảy ra trong nhà máy điện hạt nhân. 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến tuổi thọ của thép Pearlit 10ГН2МФА trong nhà máy điện hạt nhân loại vver – 1000

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 BWR Boiling Water Reactor Lò nước sôi FBR Fast Breeder Reactor Lò phản ứng tái sinh nhanh GCR GAS-Cooled Reactor Lò khí graphit IAEA International Atomic Cơ quan Năng lượng Energy Agency nguyên tử quốc tế KL Kim loại LPƯHN Lò phản ứng hạt nhân LWGR Light Water Lò nước nhẹ graphit Graphite Reactor NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân PHWR Pressurised Heavy Water Lò nước nặng áp lực Reactor PWR Pressurized Water Reactors Lò nước áp lực SCC Stress-Corrosion Cracking Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất SG Steam Generator Bình sinh hơi VVER Vodo - Vodyanoi Kiểu lò phản ứng nước áp 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 Uranium làm 1 PWR Lò nước áp lực Nước nhẹ Nước nhẹ giàu 2-5% Uranium làm 2 BWR Lò nước sôi Nước nhẹ Nước nhẹ giàu 2-5% Lò nước áp lực Uranium làm 3 VVER Nước nhẹ Nước nhẹ (Liên xô cũ) giàu 2-5% PHWR- Uranium tự Nước nặng 4 Lò nước nặng Nước nặng CANDU nhiên 0.7% và nước nhẹ 2
Uranium tự 5 GCR Lò khí graphit Graphit Khí He nhiên 0.7% Lò nước Uranium tự 6 LWGR Graphit Nước nhẹ graphit nhiên Lò khí graphit Uranium tự 7 AGR Graphit Khí He cải tiến 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 Áp suất tại lối ra SG, MPa 6.27 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG, 0C 321 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG, 0C 291 Nhiệt độ nước cấp, 0C 220 Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, 0C 164 Độ ẩm hơi tại lối ra SG, % 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: O2 + 2H⁺ + 2e⁻  H2O2 (1.1) H2O2 + 2H⁺ + 2e⁻  2H2O (1.2) H2  H2⁺ + e⁻ (1.3) H2⁺  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 [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