Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Đánh giá tuổi thọ của thép Austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000

Chia sẻ: Công Nữ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chính của khóa luận này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của clorua đến nồng độ hydro trong thép austenit 08X18H10T. Từ đó, có thể tính toán được tuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của nó bằng các công thức bán thực nghiệm.

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: Đánh giá tuổi thọ của thép Austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN  NGUYỄN ĐĂNG THỨC - 1410718 ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ KHÓA 2014 - 2018
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Đà Lạt, ngày…...tháng…. năm …… i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Đà Lạt, ngày…...tháng…. năm …… ii
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và Quý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em đã từng học, đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức và tạo môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Em xin cảm ơn gia đình và các bạn cùng lớp HNK38 đã hỗ trợ và đồng hành cùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt Hà, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hoàn thành khóa luận này. Lâm Đồng, tháng 12, năm 2018 NGUYỄN ĐĂNG THỨC iii
DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ads adsorb Hấp thụ KL Kim loại NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân PWR Pressurized Water Reactor Lò phản ứng áp lực SCC Stress Corrosion Cracking Nứt trong môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào VVER water-water power reactor Lò phản ứng nước áp lực iv
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 .... 2 1.1. Giới thiệu lò VVER-1000 .................................................................................2 1.2. Bình sinh hơi .....................................................................................................3 1.3. Kết luận chương 1 .............................................................................................5 CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ ......... 6 2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu ......................................................................6 2.1.1. Khuyết tật ...................................................................................................6 2.1.2. Khuếch tán ..................................................................................................7 2.1.3. Ứng suất .....................................................................................................8 2.1.4. Nứt ..............................................................................................................9 2.2. Thép không gỉ .................................................................................................10 2.3. Kết luận chương 2 ...........................................................................................13 CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ................... 14 3.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất ....................................14 3.2. Khởi tạo SCC ..................................................................................................16 3.3. Lan truyền SCC ..............................................................................................18 3.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ .......................................................20 3.5. Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của clorua .....................................................................................................................24 3.6. Hệ số cường độ ứng suất ................................................................................27 3.7. Kết luận chương 3 ...........................................................................................31 v
CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T ...................................... 32 4.1. Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất KI ................................................33 4.2. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T ..35 4.3. Kết quả tính toán độ mở vết nứt trung bình hằng năm ...................................37 4.3. Kết luận chương 4 ...........................................................................................39 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 41 vi
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 ................................... 2 Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi ..................................... 5 Bảng 2.1. Thành phần hóa học (%) khác ngoài sắt (Fe) của một số thép không gỉ.. 12 dùng trong NMĐHN . ............................................................................................... 12 Bảng 4.1. Các thông số để tính nồng độ hydro có trong thép . ................................. 32 Bảng 4.2. Các thông số để tính hệ số cường độ ứng suất . ....................................... 32 Bảng 4.3. Kết quả hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ . .................................................................................................................................. 33 Bảng 4.4. Kết quá tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T ................................................................................................................................... 35 Bảng 4.5. Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ. .......................... 37 vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 ............................................. 2 Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi ..................................................................... 4 Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky .......................... 7 Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ ................................ 8 Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 𝜹 ............... 9 Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản ................................................................................... 9 Hình 3.1. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt . ............. 14 Hình 3.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt . ............................................ 16 Hình 3.3. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC ............................................ 18 Hình 3.4. Phân tử nước và phân tử hydroni . ............................................................ 21 Hình 3.5. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt . ........................................... 21 Hình 3.6. Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ . ............................................ 22 Hình 3.7. Quá trình hình thành các bước trượt tại các nút mạng tinh thể ................. 23 kim loại . .................................................................................................................... 23 Hình 3.8. Các dạng liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại ......................... 23 Hình 3.9. Mô hình tách CrCl3 ra khỏi thép không gỉ ............................................... 26 Hình 3.10. Vùng đàn hồi trên vật liệu . ..................................................................... 28 Hình 4.1. Sự phụ thuộc giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro. ............ 34 Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng................. 36 Hình 4.3. Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua ... 38 viii
MỞ ĐẦU Bình sinh hơi là một trong những bộ phận quan trọng của nhà máy điện hạt nhân. Chức năng của bình sinh hơi là lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước ở vòng thứ cấp tạo hơi với áp suất cao làm quay tua bin phát điện. Việc các ống trao đổi nhiệt, cũng như lớp vỏ bên trong bình sinh hơi phải làm việc trong những môi trường rất khắc nghiệt như: môi trường có tính oxy hóa cao, sự chênh lệch nhiệt độ, áp suất; có hoạt độ phóng xạ lớn,… Có tác động rất lớn đến khẳng năng làm việc lâu dài của chúng. Các tác nhân này có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cấu thành chúng, gây ra các hiện tượng như gãy nứt, ăn mòn, làm giảm tuổi thọ của vật liệu. Vậy nên, việc đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy cho các thiết bị NMĐHN là cần quan trọng và cần chú ý trong nghành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, tìm hiểu và nghiên cứu về sự hình thành và phát triển vết nứt, cũng như tính toán được thời gian làm việc của vật liệu (đến khi hư hỏng) là những kiến thức cần thiết chúng ta cần có, nhằm nâng cao độ an toàn cho các thiết bị NMĐHN. Mục đích chính của khóa luận này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của clorua đến nồng độ hydro trong thép austenit 08X18H10T. Từ đó, có thể tính toán được tuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của nó bằng các công thức bán thực nghiệm. Khóa luận được trình bày thành 4 chương như sau: Chương 1- Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 Chương 2- Các khái niệm về cơ học vật liệu và thép không gỉ Chương 3- Sự lan truyền SCC trong vật liệu và phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất, tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong nhà máy điện hạt nhân Chương 4- Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc còn lại của vật liệu và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép 08X18H10T 1
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1. Giới thiệu lò VVER-1000 Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng...) truyền tới thiết bị sinh điện năng như turbin để sản xuất điện năng [1]. Hình 1.1. Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 [2] Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 [2] Tên nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 Loại lò phản ứng Lò nước áp lực (PWR) Chất làm mát Nước nhẹ Chất làm chậm Nước nhẹ Phổ neutron Neutron nhiệt Công suất nhiệt 3000.00 MWth Công suất điện 1060.00 MWe Hiệu suất nhà máy điện 33.7% Tuổi thọ trung bình 60 năm 2
1.2. Bình sinh hơi Bình sinh hơi là bộ phận trao đổi nhiệt được sử dụng để biến đổi nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân. Chúng được sử dụng trong các lò phản ứng nước áp lực (PWR) giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp. Trong các nhà máy điện thương mại, có hai đến bốn bình sinh hơi cho mỗi lò phản ứng; mỗi bình sinh hơi có thể có chiều cao lên tới 70 feet (21 m) và nặng tới 800 tấn. Mỗi bình sinh hơi có thể chứa từ 3000 đến 16000 ống trao đổi nhiệt, mỗi ống có đường kính khoảng 0.75 inch (19 mm). Chất làm mát (nước) được duy trì ở áp suất cao để ngăn chặn sự sôi. Truyền nhiệt diễn ra giữa lõi lò phản ứng và nước tuần hoàn và chất làm mát sau đó được bơm qua phía ống chính của máy tạo hơi nước bằng máy bơm làm mát trước khi quay trở lại lõi lò phản ứng. Qúa trình này được gọi là vòng sơ cấp. Sau đó nước sẽ được “đun” sôi ở bên trong bình sinh hơi để tạo ra hơi nước, goi là vòng thứ cấp (nước sẽ được giữ ở áp suất thấp hơn so với vòng sơ cấp). Hơi nước từ vòng thứ cấp được chuyển đến các tuabin để sản xuất điện. Hơi nước sau đó được làm lạnh qua nước làm mát và trở về máy phát hơi nước để được đun nóng một lần nữa. Nước làm mát có thể được tái tuần hoàn đến các tháp làm mát, nơi nó tỏa nhiệt trước khi trở lại để ngưng tụ hơi nước nhiều hơn [1]. Thường thì nước được dùng cho quá trình làm mát của các NMĐHN có thể được cung cấp bởi một con sông, hồ, hoặc đại dương. Các vòng lặp này cũng có vai trò an toàn quan trọng vì chúng tạo thành một trong những rào cản chính giữa các mặt phóng xạ và không phóng xạ của nhà máy bởi vì chất làm mát sẽ bị “nhiễm” phóng xạ khi tiếp xúc với lõi trong quá trình làm mát lò phản ứng [1]. Vì vậy, tính an toàn của các ống làm mát và thành bình sinh hơi cần được ưu tiên lên hàng đầu. Cần tiến hành quan sát và kiểm tra thường xuyên để phát hiện có sự hư hỏng vật liệu hay không, tránh lan truyền chất phóng xạ ra môi trường. Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi được hàn vào. Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp. Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5 cm mỗi ống được bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 1.2. Các bó ống được kết nối với bộ thu vòng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quang điện argon trên bề bên trong của bộ thu. Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic. 3
Các bộ thu vòng sơ cấp được thế kế để chất làm mát phân phối nhiệt cho ống trao đổi nhiệt. Bề mặt trong của bộ thu được phủ hai lớp chống ăn mòn. Tấm phân phối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi. Tấm có lỗ được bố trí dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi. Bên trong bình sinh hơi, gần đáy thùng, do sự sắp xếp thích hợp của bộ nước cấp và bộ thổi của bình sinh hơi nên tạo ra các điều kiện cho sự tích tụ nước với muối và các tạp chất khác. Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong các trường hợp mất nước cấp [2]. Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 1. Thùng bình 8. Bộ phận cấp nước trong trường hợp 2. Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm khẩn cấp 9. Vòi phun hơi nước 3. Vòi phun xuống 10. Ống phun hơi nước 4. Ống trao đổi nhiệt 11. Vòi phun nước cấp trong trường 5. Bộ phận phân tách hợp khẩn cấp 6. Máy bơm nước cấp chính 12. Lối vào bình sinh hơi. 7. Vòi phun tách khí 4
Bảng 1.2 Cho biết một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 (cập nhất lần gần nhất 2010) Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi [2] Thông số Giá trị Công suất hơi (t/h) 1470 Áp suất tại lối ra SG (MPa) 6.27 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG (0C) 321 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG (0C) 291 Nhiệt độ nước cấp (0C) 220 Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt (0C) 164 Độ ẩm hơi tại lối ra SG (0C) 0.2 1.3. Kết luận chương 1 Trong chương 1 chúng ta tìm hiểu một số vấn đề như sau: - Khái niệm về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 và một số thông số cơ bản. - Giới thiệu tổng quan về bình sinh hơi: cấu tạo, môi trường làm việc, nguyên lý hoạt động và một số thông số kỹ thuật chính. 5
CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật liệu rắn chịu lực. Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liên quan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũng như một số khái niệm cơ bản về vật liệu để giúp ta dễ hình dung hơn về quá trình nứt gãy, hay ăn mòn do tác động từ môi trường đến vật liệu. Đối tượng nghiên cứu chính là thép không gỉ. 2.1.1. Khuyết tật Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể kiểu khuyết tật Frenkel. Khuyết tật Frenkel là một kiểu khuyết tật biến thể được thêm vào, được biết đến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen kẽ trong mạng tinh thể (xem hình 2.1a). Kiểu khuyết tật Frenkel tuân theo các định luật nhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết tật kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Một kiểu khuyết tật cũng phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật Schottky. Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới tinh thể ra ngoài và xuất hiện một lỗ trong hình 2.1b. Để quá trình xảy ra cần phải cấp năng lượng Es cho nguyên tử bức ra. Theo các tính chất nhiệt động lực học thì luôn có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạng lưới tinh thể có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt [3]. Phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh thể lý tưởng được cho như sau: −𝐸𝑠 𝑛 = 𝑒 𝑘𝐵 𝑇 (2.1) 𝑁−𝑛 Trong đó: kB là hằng số Boltzmann, n là số lỗ trống trong mạng tinh thể, Es là năng lượng để bức một nguyên tử ra khỏi liên kết, T là nhiệt độ tuyệt đối, N là tổng số nguyên tử có trong mạng tinh thể. 6
Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [3] Từ phương trình (2.1) có thể nhận ra rằng, một tinh thể được hình thành ở nhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng các lỗ trống cao hơn. Nếu tinh thể được làm nguội một cách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các vị trí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu. Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinh thể lớn hơn mức bình thường sẽ bị tiêu hủy bằng tính chất khuếch tán theo thời gian. Một tinh thể thường có lẫn tạp chất. Các tạp chất là các nguyên tử khác hoàn toàn và hiện diện trong tinh thể chính hoặc một nguyên tử xếp nhầm vào tinh thể chính làm phá vỡ tính tuần hoàn cục bộ. Các tạp chất chiếm những vị trí mạng bên trong tinh thể. Những tính chất quan trọng của tạp chất trong tinh thể là tăng cường độ cứng của vật liệu, ví dụ các nguyên tử carbon được thêm vào như một nguyên tố hợp kim, nguyên tử carbon sẽ cản trở chuyển động sự rối loạn của các nguyên tử tinh thể làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim. Các tạp chất cũng có khả năng khuếch tán bên trong vật liệu [4]. 2.1.2. Khuếch tán Lý thuyết khuếch tán dựa trên định luật Fick, ban đầu định luật này được sử dụng trong khuếch tán hóa học. Nếu nồng độ của một chất tan trong một vùng của dung dịch lớn hơn một vùng khác, thì chất tan khuếch tán từ vùng có nồng độ cao hơn sang vùng có nồng độ thấp hơn. Hơn nữa, tốc độ của dòng chất tan tỷ lệ với gradient của nồng độ chất tan. Đây là phát biểu gốc của định luật Fick [3]. Với nồng độ gradient của khuyết tật hiện diện bên trong vật liệu, những điểm khuyết tật này bắt đầu khuyết tán là kết quả của định luật 2 nhiệt động lực học dưới sự ràng buộc của kiểu khuếch tán cần có đủ năng lượng để vượt quá rào cản thế năng phát sinh từ môi trường xung quanh. Do vậy, sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu và năng lượng cần thiết (gọi là năng lượng kích hoạt để tạo ra một sự chuyển 7
đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác). Dòng hạt 𝐽𝑁𝑑 của hạt được cho bởi định luật Fick [3]: 𝐽𝑁𝑑 = −𝐷∇𝑁𝑑 (2.2) Trong đó: D là hệ số khuếch tán, ∇ là hướng khuếch tán, Nd là nồng độ hạt. Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau: −𝐸𝑑 D=𝐷𝑜 𝑒 𝑘𝐵 𝑇 (2.3) Trong đó: Ed là năng lượng kích hoạt, T là nhiệt độ khuếch tán, Do là một hằng số. 2.1.3. Ứng suất Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ đang chịu tải với cường độ lực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 2.2). Trong thanh sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn trục. Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm. Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thể được mô tả bằng ứng suất trung bình đối với tiết diện này [5]. Vì vậy: 𝑃 =± (2.4) 𝐴′ Theo quy ước dấu “-” thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh. Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [6] 8
Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 𝜹 [6] Thứ nguyên của ứng suất là lực/(chiều dài)2, đơn vị thường dùng N/m2 (Pa – Pascal), MN/m2 (MPa – Mega Pascal). Ứng suất gây ra sự biến dạng của vật liệu. Khi áp dụng lực (và đó cũng là ứng suất) dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo (nén) dài ra (co lại) như hình 2.3.. Độ biến dạng 𝜀 được cho bởi: 𝛿 𝜀= (2.5) 𝐿𝑜 Trong đó: δ là chiều dài biến dạng, L0 là chiều dài ban đầu của thanh. 2.1.4. Nứt Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại lực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của các hạt (transgranular). Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãy intergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [5]. Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.4. Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản [4] 9
Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy. Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giòn. Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ tồn tại từ trước. Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặt của các vết rỗ là không thể tránh được trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu. Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu. Dạng nứt gãy tách (hình 2.4a) là dạng thường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt gãy tách. Hệ số cường độ ứng suất là hàm của tải (loading), kích thước vết nứt và cấu trúc hình học của vết nứt. Hệ số này được thể hiện ở công thức (2.6): 𝐾 = 𝜎√𝜋𝑎𝛽 (2.6) Trong đó: K: độ bền gãy nứt (MPa√𝑚), 𝜎: là ứng suất vật liệu (MPa) a: độ dài vết vết nứt (m), 𝛽: hằng số phụ thuộc vào vật liêu. 2.2. Thép không gỉ Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi (võ bình, ống trao đổi nhiệt…) là thép không gỉ. Đặc tính của thép này là không những có crôm cao (>16 - 18%) mà còn chứa niken cao (≥ 6 - 8%) là nguyên tố mở rộng đủ để thép có tổ chức austenite, vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động, lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại crôm. Nó còn có tên gọi là thép họ 18 - 8 (> 18%Cr, > 8%Ni) được sử dụng nhiều nhất và chiếm tỷ lệ áp đảo trong thép không gỉ (ở Mỹ là 70%) là do có các tính chất chống ăn mòn, công nghệ và cơ tính tốt. Về tính chống ăn mòn, ngoài HNO3 nó có thể chịu được H2SO4 (với mọi nồng độ và ở nhiệt độ thường), HCl (loãng và ở nhiệt độ thường) [7]. Môi trường làm việc của thép trong bình sinh hơi rất khắc nghiệt, chịu nhiều tác động như: 10
- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao: Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng (inlet) là 563.15 ± 3.50 K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước ở thể lỏng. Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 536 K tại áp suất 6.28 ± 0.20 MPa nước tồn tại ở dạng hơi. Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt thì xảy ra sự sôi của nước [2]. - Môi trường phóng xạ lớn Neutron, các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở trạng thái kích thích được sản sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo ra môi trường trong lò có hoạt độ phóng xạ rất cao (các tia phóng xạ là n, α, β, γ). Các tia phóng xạ có tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu [4]. - Quá trình ion hóa Do trong lò phản ứng có hoạt độ phóng xạ cao, khi nước bị chiếu xạ sẽ bị phân hủy thành ion và chất oxy hóa nguy hiểm như OH-, H2O2, Cl-, H+, H-. Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau: O2 + 4e + 2H2O → 4OH- (2.7) 2H2O → O2 + 4H+ +4e (2.8) O2 + 4e + 2H2O → 4OH- (2.9) O2 + 2H+ +2e- → H2O2 (2.10) 2Cl- → Cl2 + 2e- (2.11) H2O2,, Cl- là những chất oxy hóa mạnh, có khả năng ăn mòn vật liệu mạnh, vì vậy việc kiểm soát hàm lượng các ion như H-, Cl- là rất quan trọng trong việc chống ăn mòn vật liệu bên trong bình sinh hơi. Để nâng cao tính chống ăn mòn phải làm cho thép có tổ chức một pha austenit đồng nhất, không cho phép có cacbit crôm. Tiến hành austenit hóa bằng cách nung đến nhiệt độ cao (1050 – 1100oC) để cacbit hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm nguội nhanh để cố định tổ chức này. Thao tác này trong thực tế vẫn quen gọi là tôi vì về hình thức công việc nó giống hệt tôi thông thường, song cần chú ý là nó không tạo ra mactenxit cứng như khi thực hiện với thép kết cấu, dụng cụ, mà cố định tổ chức một pha austenit đồng nhất nên có tính chống ăn mòn tốt nhất [7]. 11