Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của ống thép chịu nhiệt hợp kim thấp

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm làm rõ ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp (mác P11 và P22) đang được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của ống thép chịu nhiệt hợp kim thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HIỀN TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, TẢI TRỌNG VÀ THỜI GIAN ĐẾN TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CỦA ỐNG THÉP CHỊU NHIỆT HỢP KIM THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, TẢI TRỌNG VÀ THỜI GIAN ĐẾN TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CỦA ỐNG THÉP CHỊU NHIỆT HỢP KIM THẤP Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Bùi Anh Hòa 2. PGS. TS. Phùng Thị Tố Hằng Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận án tiến sĩ của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2021 TM. Tập thể hướng dẫn Tác giả Luận án Tiến sĩ Bùi Anh Hòa Nguyễn Thu Hiền
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Bùi Anh Hòa và PGS.TS. Phùng Thị Tố Hằng đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật gang thép, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành được công trình nghiên cứu của mình. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến đồng nghiệp của tôi tại Viện Cơ Khí Năng Lượng và Mỏ - VINACOMIN đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi có cơ hội học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình luôn luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2021 Tác giả Luận án Tiến sĩ Nguyễn Thu Hiền
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................1 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .......................................................................... 3 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 6 2. Mục tiêu của luận án ........................................................................................ 7 3. Phương pháp nghiên cứu của luận án ............................................................... 7 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án........................................................ 8 5. Tính mới của luận án ........................................................................................ 9 6. Bố cục của luận án ........................................................................................... 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ................................................................... 10 1.1. Sơ lược về nhà máy nhiệt điện..................................................................... 10 1.1.1. Vai trò của nhiệt điện đối với an ninh năng lượng của Việt Nam ........... 10 1.1.2. Công nghệ vận hành trong các nhà máy nhiệt điện ................................ 11 1.2. Dạng hư hỏng đối với ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện ..................... 123 1.2.1. Vết nứt nhỏ ............................................................................................ 13 1.2.2. Ăn mòn cục bộ và bào mòn thành ống ................................................... 13 1.2.3. Rò rỉ quá mức ........................................................................................ 14 1.2.4. Phá hủy nghiêm trọng ............................................................................ 15 1.3. Ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến ống dẫn hơi..................................... 15 1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất ........................................................ 15 1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian làm việc ......................................................... 16 1.3.3. Ảnh hưởng của môi trường ôxy hóa....................................................... 16 1.4. Các loại thép sử dụng trong nhà máy nhiệt điện........................................... 16 1.4.1. Thép hợp kim thấp ................................................................................. 17 1.4.2. Thép ferit - mactenxit ............................................................................ 18 1.4.3. Thép austenit ......................................................................................... 19 1.5. Nghiên cứu về hư hỏng của thép ống dẫn hơi .............................................. 19 1.5.1. Tình hình nghiên cứu thép ống dẫn hơi trên thế giới .............................. 19 1.5.2. Nghiên cứu hư hỏng trong thép ống tại Việt Nam .................................. 26 1.6. Tính bền nhiệt trong hợp kim, hiện tượng rão và cơ chế phá hủy rão ........... 27 1.6.1. Tính bền nhiệt........................................................................................ 27 1.6.2. Rão trong hợp kim và cơ chế phá hủy rão .............................................. 28 Tóm tắt Chương 1 .............................................................................................. 36
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............................ 37 2.1. Vật liệu thí nghiệm ...................................................................................... 37 2.2. Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 38 2.2.1. Thí nghiệm đối với thép ống P11 ........................................................... 39 2.2.2. Thí nghiệm đối với thép ống P22 ........................................................... 41 2.3. Phương pháp phân tích và kiểm tra .............................................................. 43 2.3.1. Phân tích thành phần hóa học của thép................................................... 43 2.3.2. Kiểm tra tổ chức tế vi ............................................................................ 44 2.3.3. Kiểm tra cơ tính ..................................................................................... 47 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 49 3.1. Ảnh hưởng của thời gian và tải trọng đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép P11 ở nhiệt độ phòng .................................................................................. 49 3.1.1. Cơ tính của thép P11 chịu tải trọng ........................................................ 49 3.1.2. Tổ chức tế vi của thép P11 chịu tải trọng ............................................... 53 3.2. Ảnh hưởng của thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của thép P11 khi tiếp xúc với hơi nước có nhiệt độ 300oC và áp suất 0,2MPa ............................... 55 3.2.1. Tổ chức tế vi của thép P11 khi tiếp xúc với hơi nước ............................. 56 3.2.2. Cơ tính của thép P11 khi tiếp xúc với hơi nước...................................... 57 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép P22 khi không chịu tải trọng ................................................................ 59 3.3.1. Cơ tính của thép P22 khi không chịu tải trọng ....................................... 60 3.3.2. Tổ chức tế vi của thép P22 khi không chịu tải trọng............................... 63 3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phân bố nguyên tố hợp kim trong thép P22 ................................................................................................ 65 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép P22 dưới tác động của tải trọng không đổi ........................................... 74 3.4.1. Cơ tính của thép P22 và các nhân tố ảnh hưởng ..................................... 74 3.4.2. Tổ chức tế vi của thép P22 dưới tác động của nhiệt độ và tải trọng không đổi .............................................................................................. 78 3.4.3. Vai trò của cacbit đối với thép P22 ........................................................ 80 3.4.4. Cơ chế phá hủy rão và sự hình thành lỗ rỗng đối với thép P22 chịu tải trọng không đổi ở nhiệt độ cao ......................................................... 88 Tóm tắt Chương 3 .............................................................................................. 92 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 96
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Ký hiệu/Chữ viết tắt Giải nghĩa 1 Q Năng lượng hoạt hóa (kJ.mol-1) 2 R Hằng số khí, R = 8.314 J.mol-1.K-1 3 T Nhiệt độ (K) 4 Rm Giới hạn bền (MPa) 5 Rp Giới hạn chảy (MPa) 6  Ứng suất (MPa) 7  Độ biến dạng 8 A Độ giãn dài tương đối (%) 9 EDS Phổ tán xạ năng lượng tia X (energy dispersive X-ray) 10 SEM Hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope) 11 TEM Hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope) 12 ASTM Hiệp hội Kiểm tra về Vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) 13 ASME Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (American Society of Mechanical Engineers) 14 AISI Viện Nghiên cứu Gang thép Hoa Kỳ (American Iron and Steel Institute) 15 Tm Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (oC) 16 G Môđun cắt 17 γc Năng lượng bề mặt của lỗ rỗng 18 E Mô đun đàn hồi 1
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Dự báo công suất điện từ các nguồn vào năm 2020 và năm 2030 11 Bảng 1.2 Môi chất làm việc và nhiệt độ làm việc trong đường ống dẫn hơi 12 Bảng 1.3 Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi theo tiêu chuẩn ASTM A335 17 Bảng 1.4 Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit theo tiêu 18 chuẩn ASTM A335 Bảng 1.5 Thời gian phá hủy của mẫu thép ống 1.25Cr-0.5Mo (P11) 25 Bảng 2.1 Thành phần hóa học của mẫu thép ống P11 và P22 37 Bảng 2.2 Tiêu chuẩn cơ tính mác thép P11 và P22 theo ASTM A335 38 Bảng 2.3 Điều kiện thí nghiệm đối với thép P11 39 Bảng 2.4 Điều kiện thí nghiệm đối với thép P22 41 Bảng 3.1 Cơ tính của thép P11 chịu tải trọng không đổi ở nhiệt độ phòng 49 o Bảng 3.2 Cơ tính của thép P11 tiếp xúc với hơi nước (300 C - 0,2 MPa) 57 Bảng 3.3 Cơ tính của thép P22 không chịu tải trọng 61 Bảng 3.4 Cơ tính của thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N trong 72 giờ 75 Bảng 3.5 Cơ tính của thép P22 trong điều kiện không và có tải trọng 95 N ở các 76 nhiệt độ khác nhau trong 72 giờ 2
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ lệ sản xuất điện từ các nguồn khác nhau năm 2019 10 Hình 1.2 Sơ đồ điển hình của một nhà máy nhiệt điện đốt than 11 Hình 1.3 Vết nứt nhỏ trên ống thép 13 Hình 1.4 Ăn mòn trên ống thép 14 Hình 1.5 Ăn mòn xuyên thủng 14 Hình 1.6 Ống thép P22 hư hỏng tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả 15 Hình 1.7 Sự giảm cơ tính của thép P92 ở (a) nhiệt độ phòng và (b) 600 oC 20 Hình 1.8 Cấu trúc của lớp ôxyt bên trong ống T91 sau 18408 giờ làm việc 20 Hình 1.9 Ảnh TEM của thép 9Cr-Mo (a) trước và (b) sau thử rão 21 Hình 1.10 Tổ chức tế vi của thép P22: (a) ferit-peclit; (b) ferit-bainit 22 Hình 1.11 Mối quan hệ giữa ứng suất và thông số rão của thép T23 22 Hình 1.12 Phân bố cacbit trong thép hợp kim thấp Cr-Mo sau thời gian hóa già 23 o ở nhiệt độ 550 C Hình 1.13 Phân bố cacbit trên nền thép ống sau thời gian hóa già 24 Hình 1.14 Dạng cơ chế phá hủy đối với vật liệu đa tinh thể 28 Hình 1.15 Cơ chế phá hủy rão tương ứng với các vùng nhiệt độ - ứng suất 29 Hình 1.16 Cơ chế phá hủy rão xuyên hạt 30 Hình 1.17 Cơ chế phát triển mầm lỗ rỗng 33 Hình 1.18 Cơ chế phá hủy rão biên hạt 34 Hình 1.19 Lỗ rỗng phát triển trên biên giới hạt 35 Hình 2.1 Mẫu ống thép sử dụng cho nghiên cứu 37 Hình 2.2 Kích thước mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8 38 Hình 2.3 Quy trình thí nghiệm tổng quát của luận án 38 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm treo mẫu thép P11 ở các mức tải trọng (a) 60 N; 40 (b) 95 N và (c) 125 N Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm cho ống thép P11 tiếp xúc với hơi nước có nhiệt 41 o độ 300 C và áp suất 0,2 MPa Hình 2.6 Lò nung điện trở Nabertherm (HTC 08/16) 42 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm nung mẫu thép P22 chịu tải trọng không đổi 43 Hình 2.8 Thiết bị phân tích quang phổ phát xạ (Metal LAB 75/80J MVU- 43 GNR) Hình 2.9 Vị trí cắt mẫu soi tổ chức tế vi 44 Hình 2.10 Kính hiển vi quang học (Axioplan 2) 44 3
Hình 2.11 Xác định kích thước hạt theo phương pháp lưới tọa độ 45 Hình 2.12 Kính hiển vi điện tử quét (JEOL JSM-7600F) 46 Hình 2.13 Thiết bị thử độ bền kéo (INTRON) 47 Hình 2.14 Hình ảnh các mẫu thép trước khi thí nghiệm 48 Hình 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 chịu tải trọng 50 không đổi 95 N ở nhiệt độ phòng Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 chịu tải trọng 50 không đổi 125 N ở nhiệt độ phòng Hình 3.3 Cơ tính của thép P11 thay đổi theo tải trọng trong thời gian 2160 giờ 52 ở nhiệt độ phòng Hình 3.4 Tổ chức tế vi của thép P11 (a) Ban đầu và chịu tải trọng không đổi 53 (b) 60 N; (c) 95 N; (d) 125 N trong thời gian 2160 giờ Hình 3.5 Tổ chức tế vi của thép P11 chịu tải trọng khác nhau trong thời gian 54 4320 giờ: (a) 95 N; (b) 125 N Hình 3.6 Ảnh SEM-EDS của thép P11 chịu tải trọng không đổi 95 N trong 55 4320 giờ Hình 3.7 Tổ chức tế vi của thép P11 ban đầu (a) và khi tiếp xúc với hơi nước 56 (300 oC - 0,2 MPa) trong (b) 720 giờ; (c) 1440 giờ; (d) 2880 giờ Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 khi tiếp xúc với 57 hơi nước (300 oC - 0,2 MPa) Hình 3.9 Mối quan hệ giữa thời gian và kích thước hạt của thép P11 khi tiếp 58 xúc với hơi nước (300 oC - 0,2 MPa) Hình 3.10 Đường cong ứng suất - biến dạng của thép P22 sau khi nung ở 500- 60 700 oC trong 24 giờ Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P22 không chịu tải 61 o trọng ở 500 C Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P22 không chịu tải 61 o trọng ở 600 C Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P22 không chịu tải 62 o trọng ở 700 C Hình 3.14 Tổ chức tế vi của thép P22 ban đầu (a) và nung ở nhiệt độ 500 oC 63 trong (b) 24 giờ; (c) 48 giờ và (d) 72 giờ Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổ chức tế vi của thép P22 nung trong 64 72 giờ ở nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC và (c) 700 oC Hình 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt của thép P22 không chịu 65 tải trọng 4
Hình 3.17 Kết quả phân tích EDS của thép P22 ban đầu 66 Hình 3.18 Kết quả phân tích EDS của thép P22 nung trong 24 giờ ở các nhiệt 70 o o o độ (a) 500 C; (b) 600 C và (c) 700 C Hình 3.19 Kết quả phân tích EDS của thép P22 nung ở nhiệt độ 700 oC trong 73 (a) 24 giờ; (b) 48 giờ và (c) 72 giờ Hình 3.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của thép P22 chịu tải trọng 75 không đổi 95 N trong 72 giờ Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P22 chịu tải trọng 75 o không đổi 95 N ở nhiệt độ 700 C Hình 3.22 So sánh cơ tính của thép P22 khi có và không có tải trọng ở nhiệt độ 76 cao Hình 3.23 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tỷ lệ Rp/Rm của thép P22 chịu tải trọng 78 không đổi 95 N trong 72 giờ Hình 3.24 Tổ chức tế vi của thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N trong 72 79 giờ ở nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC và (c) 700 oC Hình 3.25 Phân bố cacbit trong thép P22 không chịu tải trọng ở nhiệt độ 700 81 o C trong 72 giờ Hình 3.26 Phân bố cacbit trong thép P22 (a) ban đầu; và chịu tải trọng không 82 o o đổi 95 N ở nhiệt độ (b) 300 C; (c) 400 C Hình 3.27 Phân bố cacbit trong thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N ở nhiệt 85 o o o độ (a) 500 C; (b) 600 C; (c) 700 C Hình 3.28 Phân bố cacbit trong thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N ở 700 87 o C tại thời gian (a) 24 giờ; (b) 48 giờ; (c) 72 giờ Hình 3.29 Sự hình thành lỗ rỗng trong thép P22 khi nung ở 700 oC trong 72 89 giờ dưới tải trọng không đổi (a) 95 N và (b) 125 N Hình 3.30 Quan hệ giữa biến dạng và thời gian trong biến dạng rão 90 Hình 3.31 Cơ chế tạo mầm lỗ rỗng 91 5
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nhiệt điện đóng vai trò rất quan trọng trong cơ cấu nguồn cung năng lượng của Việt Nam. Sản lượng điện từ nguồn nhiệt điện luôn chiếm tỷ phần lớn trong tổng lượng điện được sản xuất. Năm 2019, nhiệt điện chiếm 58,4 % tổng lượng điện toàn hệ thống. Công suất điện từ nay đến năm 2030 của các nhà máy nhiệt điện được dự đoán vẫn giữ vai trò chủ đạo, theo đó, nhiệt điện bao gồm đốt than và khí ga có thể chiếm trên 63 % tổng nguồn cung. Chính vì vậy, nhiệt điện ngày càng khẳng định vai trò là nguồn điện chủ lực nhằm đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Trong nhà máy nhiệt điện, nước được hóa hơi do nhiệt khi đốt nhiên liệu hóa thạch như than, khí…. Hơi nước được dẫn qua hệ thống đường ống vào tuabin để tạo ra điện năng. Để tăng hiệu quả làm việc của các tuabin trong quá trình vận hành, hệ thống cần tăng áp suất và nhiệt độ cao hơn so với mức vận hành hiện tại. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng, giảm lượng khí thải CO 2 và do vậy giảm tác động xấu đến môi trường… Nhà máy vận hành một cách có hiệu quả và đảm bảo cung cấp lượng điện ổn định cho lưới điện là một yêu cầu hết sức cấp thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành nhà máy, hư hỏng trong các hệ thống ống dẫn hơi là một trong những vấn đề nghiêm trọng thường xảy ra tại các nhà máy nhiệt điện. Một số sự cố hư hỏng xảy ra đối với đường ống dẫn hơi làm việc ở nhiệt độ cao sau một thời gian dài vận hành nhà máy. Trong đó, các sự cố có mức độ ảnh hưởng ít (các vết nứt nhỏ) thường xảy ra. Sự cố có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng (vết nứt lớn) cũng xuất hiện, dạng sự cố này thường gặp ở tần suất ít hơn. Do đó, các sự cố cần phải được nắm bắt, dự đoán và xử lý kịp thời. Thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu trong hệ thống ống dẫn hơi tại các nhà máy điện nguyên tử, nhà máy nhiệt điện và ngành công nghiệp hóa dầu. Tuy nhiên, nghiên cứu về đặc tính của thép hợp kim thấp trong thời gian đầu làm việc chưa được quan tâm. Theo đó, ống thép phải chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn ngay trong giai đoạn này. Thậm chí, nhà máy nhiệt điện được vận hành với áp suất và nhiệt độ tối đa để tăng hiệu quả làm việc ngay trong giai đoạn đầu làm việc. Các công trình nghiên cứu thép ống hợp kim thấp còn chưa đầy đủ. Đặc biệt, mác thép được sử dụng rộng rãi nhất về số lượng gồm có P11 và P22 tại Việt Nam cũng chưa được quan tâm. Một số nghiên cứu tập trung chủ yếu vào đánh giá đặc tính mối hàn của thép hợp kim thấp do có nhiều hư hỏng xảy ra tại đây. Tuy 6
nhiên, thực tế cho thấy hư hỏng cũng xuất hiện tại vị trí thành ống. Các sai hỏng ở thành ống xảy ra đột ngột và khó xác định được vị trí chính xác. Ngoài ra, chưa có các nghiên cứu đầy đủ về nguyên nhân dẫn đến sự hình thành vết nứt cũng như khởi nguồn của sự hình thành hư hỏng này. Chính vì vậy, để đánh giá khả năng hình thành hư hỏng và xác định nguyên nhân hư hỏng, các ống thép mác P11/P22 được nghiên cứu và phân tích thông qua việc xác định tổ chức tế vi và cơ tính ở các điều kiện thay đổi về nhiệt độ, tải trọng và thời gian. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp (mác P11 và P22) đang được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm: - Kiểm tra cơ tính của thép ống P11 và P22 khi thay đổi các thông số như nhiệt độ, tải trọng và thời gian; - Xác định sự biến đổi tổ chức tế vi của thép ống P11 và P22 ở điều kiện nhiệt độ, tải trọng và thời gian; - Phân tích, đánh giá mối quan hệ giữa cơ tính và tổ chức tế vi của thép ống P11 và P22 để làm rõ cơ chế gây hư hỏng ống thép dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện. 3. Phương pháp nghiên cứu của luận án Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu, phân tích và kiểm tra như sau: - Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu và so sánh những điểm tương đồng và khác biệt của các nghiên cứu trước với kết quả đạt được của luận án; - Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: + Đặt mẫu thép P11 và P22 trong các điều kiện (nhiệt độ, tải trọng và thời gian) cần nghiên cứu; + Kiểm tra cơ tính của các mẫu thép P11 và P22 bằng phương pháp thử độ bền kéo; + Quan sát tổ chức tế vi của các mẫu thép bằng kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét (SEM); 7
+ Xác định thành phần và phân bố nguyên tố của pha cacbit bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X của hiển vi điện từ q uét (SEM-EDS). 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1) Ý nghĩa khoa học Mặc dù kết quả nghiên cứu về sự thay đổi các tính chất của thép hợp kim thấp chế tạo ống dẫn hơi trong các điều kiện nhiệt độ, thời gian và ứng suất khác nhau đã được công bố ở trên thế giới, nhưng chủ đề này vẫn cần tiếp tục được nghiên cứu bổ sung và làm rõ hơn lý thuyết về hư hỏng, cũng như nguyên nhân dẫn đến sự hư hỏng của loại thép hợp kim thấp cụ thể trong các nhà máy nhiệt điện. Vì vậy, luận án có ý nghĩa khoa học như sau. - Đã bổ sung kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép chịu nhiệt chứa hàm lượng Cr thấp (1÷2%); - Đã khẳng định sự hình thành hạt cacbit và xuất hiện lỗ rỗng ở biên giới hạt, dẫn đến sự suy giảm độ bền của thép P11 và P22 khi nung ở nhiệt độ 500÷700 oC dưới tác động của tải trọng không đổi; - Đã bổ sung, làm rõ thêm cơ chế phá hỏng rão của ống thép dẫn hơi mác P11 và P22 trong nhà máy nhiệt điện. 2) Ý nghĩa thực tiễn Hiện nay, sử dụng thép hợp kim thấp trong các nhà máy nhiệt điện là một xu thế chung bởi các ưu điểm về giá thành và chi phí vận hành. Ở Việt Nam, thép P11 và P22 đang được sử dụng rộng rãi tại các hạng mục ống dẫn hơi áp suất có nhiệt độ trung bình và cao. Do đó, dự đoán được sự suy giảm cơ tính và tính chất của hai mác thép hợp kim thấp này trong quá trình sử dụng là quan trọng và có ý nghĩa lớn trong thực tế. Đối với luận án này: - Kết quả khẳng định chảy rão có thể xảy ra sớm đối với thép P11 và P22 nếu ống thép làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao hơn 500 oC và tải trọng lớn. Thông qua kiểm tra hiện trường về sự thay đổi tổ chức tế vi của ống thép (phương pháp replica), có thể dự báo được sự hư hỏng để có phương án sửa chữa và chủ động thay thế các bộ phận ống dẫn hơi có nguy cơ bị hỏng; - Trong thực tế, cần vận hành nhà máy điện với nhiệt độ và áp suất hơi cao để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án là một trong những nguồn thông tin tham khảo đối với các nhà máy nhiệt 8
điện trong việc xác định được điều kiện làm việc (nhiệt độ và áp suất) tối ưu của thép ống P11 và P22. 5. Tính mới của luận án - Những thay đổi về cơ tính và tổ chức tế vi của thép hợp kim thấp mác P11 và P22 đã được nghiên cứu tương đối chi tiết trong các điều kiện nhiệt độ, tải trọng và thời gian khác nhau. - Luận án đã quan sát được sự thay đổi của pha cacbit và hình thành lỗ rỗng trong thép P22 khi chịu tải trọng không đổi ở nhiệt độ cao hoặc trong thời gian dài. Đây là những dấu hiệu ban đầu dẫn đến sự suy giảm mạnh cơ tính của thép. 6. Bố cục của luận án Ngoài phần Mở đầu và các mục theo quy định, luận án được trình bày trong các phần cụ thể như sau: - Chương 1. Tổng quan nghiên cứu - Chương 2. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm - Chương 3. Kết quả và thảo luận - Kết luận chung - Danh mục các công trình đã công bố của luận án - Tài liệu tham khảo 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Sơ lược về nhà máy nhiệt điện 1.1.1. Vai trò của nhiệt điện đối với an ninh năng lượng của Việt Nam Nhiệt điện đã và đang giữ vai trò đặc biệt quan trọng đối với an ninh năng lượng quốc gia của Việt Nam. Từ năm 1976 đến nay, nhiệt điện luôn góp phần lớn tỷ trọng nguồn cung năng lượng cho Việt Nam. Trong giai đoạn 1980 - 1990, sản lượng điện sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện chạy than luôn chiếm trung bình khoảng 40% tổng sản lượng toàn hệ thống. Đến thời kỳ 1990 - 2010, Việt Nam tập trung khai thác mạnh mẽ nguồn thủy điện nên tỷ trọng nguồn cung từ các nhà máy nhiệt điện giảm. Sản lượng từ nguồn nhiệt điện trong giai đoạn này chỉ chiếm 10 - 16% tổng sản lượng điện toàn quốc. Từ năm 2011, quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011- 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII điều chỉnh) được triển khai [1]; theo đó, đến năm 2020 tổng công suất các nhà máy nhiệt điện chạy than khoảng 26.000 MW (chiếm 42,7% công suất nguồn toàn hệ thống). Từ năm 2011 đến nay, hàng loạt nhà máy nhiệt điện công suất lớn (600 - 4000 MW) trên cả nước liên tục được đưa vào vận hành. Nhà máy có công suất lớn nhất là nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ (3990 MW). Bên cạnh đó, cũng có nhiều nhà máy nhiệt điện khác như Phả Lại (1040 MW), Uông Bí (300 MW), Ninh Bình (300 MW),... Hình 1.1 Tỷ lệ sản xuất điện từ các nguồn khác nhau năm 2019 10
Năm 2019, nhiệt điện chiếm 58,4 % tổng lượng điện sản xuất, như trong hình 1.1. Trong khi đó, công suất điện từ nay đến năm 2030 của các nhà máy nhiệt điện được dự đoán vẫn giữ vai trò chủ đạo (bảng 1.1). Theo đó, nhiệt điện bao gồm đốt than và khí ga có thể chiếm trên 63 % tổng nguồn cung. Nhiệt điện khẳng định vai trò là nguồn điện chủ lực nhằm đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia hiện tại và tương lai. Bảng 1.1 Dự báo công suất điện từ các nguồn vào năm 2020 và 2030 [1] 2020 2030 Nguồn điện Công suất Tỷ lệ công Tỷ lệ sản Công suất Tỷ lệ công Tỷ lệ sản (MW) suất (%) phẩm (%) (MW) suất (%) phẩm (%) Đốt than 36000 48 46,8 75000 51,6 56,4 Khí gas 12400 16,5 24 17000 11,8 14,4 Thủy điện 19200 25,5 19,6 N/A 15,6 9,3 Gió 1500 5,6 4,5 8200 9,4 6,0 Hạt nhân N/A N/A 2,1 10700 6,6 10,1 Nhập khẩu 2200 3,1 3,0 7000 4,9 3,8 Tổng 713000 100 100 146000 100 100 1.1.2. Công nghệ vận hành trong các nhà máy nhiệt điện Hình 1.2 Sơ đồ điển hình của một nhà máy nhiệt điện đốt than 11
Trong nhà máy nhiệt điện, nước được hóa hơi do nhiệt khi đốt nhiên liệu hóa thạch như than, khí,... Hơi nước được dẫn qua hệ thống đường ống làm quay tuabin để tạo ra điện năng (hình 1.2). Sau đó, hơi nước chính được đưa trở lại để hoàn nhiệt cho hệ thống ống dẫn, quá trình này được gọi là quá trình gia nhiệt. Hầu hết các bộ phận như lò hơi, tuabin, hệ thống đường ống dẫn trong nhà máy nhiệt điện thường làm việc trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao. Nhiệt độ và áp suất của hơi nước làm việc bên trong hệ thống ống dẫn có thể lên tới 580 oC với áp suất khoảng 8 MPa (bảng 1.2). Bảng 1.2 Môi chất làm việc và nhiệt độ làm việc trong đường ống dẫn hơi Cấp ống Thông số giới hạn của môi chất Môi chất làm việc dẫn Nhiệt độ, oC Áp suất, MPa A - Hơi quá nhiệt Lớn hơn 580 Không giới hạn B - Hơi quá nhiệt Trên 540 đến 580 Không giới hạn 1 C - Hơi quá nhiệt Trên 450 đến 540 Không giới hạn D - Hơi quá nhiệt Đến 450 Lớn hơn 3,9 E - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Lớn hơn 8,0 A - Hơi quá nhiệt Trên 350 đến 450 Đến 3,9 2 B - Hơi quá nhiệt Đến 350 Từ 2,2 đến 3,9 C - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Từ 3,9 đến 8,0 A - Hơi quá nhiệt Trên 250 đến 350 Đến 2,2 3 B - Hơi quá nhiệt Trên 250 Từ 1,6 đến 2,2 C - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Từ 1,6 đến 3,9 A - Hơi quá nhiệt và hơi bão hòa Trên 115 đến 250 Trên 0,07 đến 1,6 4 B - Nước nóng Lớn hơn 115 Đến 1,6 Các đường ống dẫn nước, hơi nước, bình chứa và các bộ phận kết nối khác phải đủ bền để chịu được nhiệt độ và áp suất cao. Để tăng hiệu quả làm việc của các tuabin trong quá trình vận hành, hệ thống cần tăng áp suất và nhiệt độ vận hành tối đa. Điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng, giảm lượng khí thải CO 2 [2]. Kết quả là giảm tác động xấu đến môi trường. Vận hành nhà máy hoạt động một cách có hiệu quả, đảm bảo cung cấp lượng điện ổn định cho lưới điện là một yêu cầu hết sức cấp thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành nhà máy, một số sự cố xảy ra đối với đường ống dẫn hơi khi đã hoạt động trong một thời gian dài. Do đó, các sự cố cần phải được nắm bắt, dự đoán và xử lý kịp thời. 12
1.2. Dạng hư hỏng đối với ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện Trong quá trình vận hành nhà máy, hư hỏng trong các hệ thống ống dẫn hơi là một trong những vấn đề nghiêm trọng xảy ra tại các nhà máy nhiệt điện. Trong đó, các sự cố có mức độ ảnh hưởng ít (các vết nứt nhỏ) thường xảy ra. Bên cạnh đó, sự cố có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng (vết nứt lớn) cũng xuất hiện, tuy nhiên, dạng sự cố này thường ở tần suất ít hơn. Một số dạng hư hỏng xảy trong vật liệu với các mức độ ảnh hưởng khác nhau được liệt kê như sau: 1.2.1. Vết nứt nhỏ Một vết nứt nhỏ xuất hiện bên ngoài hoặc bên trong các thành ống của hệ thống ống dẫn hơi. Sự cố này là một trong những dấu hiệu cho biết phá hủy đường ống có thể xảy ra (hình 1.3) [3]. Khi sự cố xảy ra, hậu quả của chúng rất lớn đối với các bộ phận hoạt động cũng như toàn nhà máy. Do đó, để ngăn chặn những hậu quả xấu hơn trong tương lai, các hoạt động khắc phục phải được thực hiện ngay. Việc đánh giá và dự đoán các vết nứt nhỏ và tìm ra nguyên nhân cần được tiến hành. Qua đó, kết hợp với các phương pháp kiểm tra, các bộ phận bị xuống cấp cần phải tính toán và xác định tác động có thể xảy ra trong quá trình sửa chữa. Các hoạt động khắc phục bao gồm kiểm soát nguyên nhân xảy ra vết nứt cũng như quá trình phát triển vết nứt. Nguyên nhân có thể do việc thiết kế cũng như lựa chọn vật liệu ban đầu không phù hợp với các điều kiện làm việc trong nhà máy. Trong một số trường hợp, hệ thống đường ống dẫn hơi khi có vết nứt nhỏ cần phải thay thế. Hình 1.3 Vết nứt nhỏ trên ống thép [3] 1.2.2. Ăn mòn cục bộ và bào mòn thành ống Mặc dù các phương pháp thiết kế thông thường đã tính toán đến các thông số như tốc độ ăn mòn thành ống, tuy nhiên, các thông số này lại vượt quá giá trị tới 13
hạn trong điều kiện hoạt động thực tế. Vì vậy, các hoạt động cần phải tiến hành kiểm tra thường xuyên để phát hiện các điểm ăn mòn cục bộ (hình 1.4) trước khi dạng hư hỏng này thâm nhập hoàn toàn qua thành ống. Như trong trường hợp với các vết nứt, các biện pháp sửa, khắc phục hoặc thay thế phải tiến hành ngay nhằm đảm bảo quá trình vận hành được an toàn và hạn chế tổn thất kinh tế cho nhà máy. Hình 1.4 Ăn mòn trên ống thép [3] 1.2.3. Rò rỉ quá mức Tốc độ rò rỉ lớn ảnh hưởng đến chức năng của các hệ thống vận hành trong nhà máy nhiệt điện. Trong trường hợp ống dẫn hơi, sự rò rỉ tạo thành một điểm phun hơi nước dẫn đến thiệt hại trong các khu vực lân cận. Hình 1.5 cho thấy có vết rò rỉ đối với thép ống. Sự cố này ảnh hưởng đến quá trình vận hành và mất an toàn lao động trong nhà máy. Hình 1.5 Ăn mòn xuyên thủng [3] 14