Khóa luận 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 VVER1000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRẦN MINH HÙNG – 1310525 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 HẠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TRẦN MINH HÙNG – 1310525

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

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN

KHÓA 2013-2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

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 qua các môn đại cương 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 cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Em xin cảm ơn bạn cùng lớp HNK37 và gia định 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 2017

TRẦN MINH HÙNG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 2

1.1 Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 2

1.2 Bình sinh hơi 3

1.3 Môi trường làm của bình sinh hơi 6

1.4 Vật liệu bình sinh hơi 7

1.5 Kết luận chương I 9

CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 10

2.1 Liên kết 10

2.2 Khuyết tật 11

2.3 Khuếch tán 13

2.4 Biến vị 14

2.5 Ứng suất, biến dạng 15

2.6 Định luật Hooke 18

2.7 Ứng suất mặt và biết dạng mặt 20

2.8 Nứt 21

2.9 Biểu thị ứng suất trong hệ tọa độ Đề Các 22

2.10 Kết luận chương II 28

CHƯƠNG III: SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT XẢY RA TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 29

3.1 Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất 30

3.2 Khởi tạo SCC 32

3.3 Lan truyền SCC 33

3.3.1 Cơ chế hòa tan 35

3.3.2 Vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất giữa các liên kết hạt 36

3.3.3 Mô hình hòa tan trượt hoặc mô hình phá vỡ lớp màng 37

3.3.4 Các mô hình cơ học gãy 41

3.4 Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ 46

3.4 Hệ số cường độ ứng suất 49

3.5 Kết luận chương III 53

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỰ TÍCH TỤ CỦA HYDRO TRONG THÉP KHÔNG GỈ VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT 54

4.1 Kết quả tính toán sự tích tụ của hydro trong thép không gỉ 54

4.2 Kết quả hệ số cường độ ứng suất theo công thức bán thực nghiệm 58

4.3 Kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 15.0 61

4.4 Kết quả tính bài toán Westergaard 65

4.5 Kết luận chương IV 66

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SIF Stress Intensity Factor Hệ số cường độ ứng suất

FEA Finite Element Analysis Phương pháp phân tích mặt phẳng hữu

hạn

SCC Stress Corrosion

Cracking Nứt trong môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào

IGSCC Intergranular Stress

Corrosion Cracking Gãy liên kết giữa các hạt nguyên tử do SCC

FCC Face-Centered Cubic Lập phương tâm diện

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các thông tin cơ bản về lò VVER-1000 [2] 2

Bảng 2 Các thông số chính của bình sinh hơi [4] 6

Bảng 3 Thành phần của các loại thép không gỉ [5] 7

Bảng 4 Các thông số để tính nồng độ CH2 trong thép không gỉ [15] 54

Bảng 5 Nồng độ hydro theo thời gian trong thép không gỉ 55

Bảng 6 Các thông số dùng để tính sự ảnh hưởng hydro tới hệ số cường độ ứng suất của thép không gỉ [15] 58

Bảng 7 Quan hệ giữa hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ theo thời gian 59

Bảng 8 Bảng kết quả của các phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất khác nhau 66

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1 Sơ đồ minh họa NMĐHN loại lò VVER-1000 [4] 2

Hình 2 Bình sinh hơi [4] 4

Hình 3 Mặt cắt dọc bình sinh hơi [4] 5

Hình 4 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [5] 8

Hình 5 Ứng dụng của các loại thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân [6] 8

Hình 6 Thế năng L-J[8] 11

Hình 7 (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [8] 12

Hình 8 (a) Biến vị, (b) Sự di chuyển của biến vị [7] 14

Hình 9 Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [7] 15

Hình 10 Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài  [7] 15

Hình 11 Lực P được áp lên thanh với tiết diện A’ [7] 17

Hình 12 Lực P được áp lên một bề mặt của khối hình chữ nhật [7] 17

Hình 13 Mô tả quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu [7] 18

Hình 14 Mối quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng của vật liệu [9] 21

Hình 15 Ba dạng nứt gãy cơ bản [10] 22

Hình 16 Khe nứt hình elip trong mặt phẳng vô hạn [11] 22

Hình 17 Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt ở biên [11] 25

Hình 18 Tấm phẳng hữu hạn với hai vết nứt ở biên [11] 26

Hình 19 Tấm phẳng hữu hạn với vết nứt bên trong [11] 26

Hình 20 Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt nghiêng bên trong [11] 27

Hình 21 Tấm phẳng với vết nứt biên chịu tải tập trung ở giữa và hai gối 27

Hình 22 a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [13] 29

Hình 23 Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt[12] 31

Hình 24 Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC [13] 34

Hình 25 Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom [13] 37

Hình 26 Quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anod [13] 38 Hình 27 Mô hình rạng vỡ lớp màng [13] 38

Hình 28 Sơ đồ thể hiện tỷ lệ mật độ điện tích oxy hóa / thời gian đối với sự biến dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt [13] 40

Hình 29 Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt

SCC[13] 40

Hình 30 Quan hệ giữa tốc độ biến dạng và tốc độ lan truyền vết nứt trong mô hình hòa tan trượt [13] 42

Hình 31 Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ [13] 44

Hình 32 Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết [13] 45

Hình 33 Phân tử nước và phân tử hydroni [15] 47

Hình 34 Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt [15] 47

Hình 35 Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ [15] 48

Hình 36 Vùng đàn hồi trên vật liệu 50

Hình 37 Sự phụ thuộc nồng độ hydro trong thép không gỉ theo thời gian 57

Hình 38 Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong kim loại theo thời gian 60

Hình 39 Giao diện khởi động của phần mềm ANSYS WORKBENCH 15.0 61

Hình 40 Giao diện ANSYS WORKBENCH 15.0 62

Hình 41 Cách bước tiến hành tính toán mô phỏng 63

Hình 42 Meshing trên toàn bộ mô hình 63

Hình 43 Meshing tại vết nứt 64

Hình 44 Sự thay đổi ứng suất trên mô hình vết nứt 64

Hình 45 Giá trị hệ số cường độ suất K1 tại đỉnh vết nứt 65

MỞ ĐẦU

Một trong những thành phần quan trọng của nhà máy điện hạt nhân là bình sinh hơi (Stream Generators) 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 Ví dụ như: phóng xạ gây ra sự ăn mòn của thép [1], hay ảnh hưởng boron đến tính chất cơ học thép 60SiCr7 [2] Tuy nhiên, mục đích của khóa luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến vật liệu của bình sinh hơi thông qua việc tính toán hệ số cường độ ứng suất trên ống trao đổi nhiệt

Một trong những công cụ để tính hệ số cường độ ứng suất (SIF) hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là phần mềm ANSYS ANSYS là hãng phần mềm mô phỏng

kỹ thuật hạng đầu trên thế giới hiện nay ANSYS được thành lập năm 1970, có hơn 3,000 chuyên gia trong lĩnh vực phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chất lưu, điện tử, bán dẫn, phần mềm nhúng và thiết kế tối ưu Với 40 năm hình thành và phát triển, ANSYS là công ty phần mềm mô phỏng kỹ thuật lớn nhất thế giới, có hơn 45,000 khách hàng, bao gồm 96 công ty trong 100 công ty công nghiệp theo tập chí FORTURE 500 đánh giá [3] Và vì thế, trong bài khóa luận này đã sử dụng phần mềm ANSYS phiên bản 15.0 của hãng ANSYS để tính hệ số cường ứng suất (SIF) với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

Việc dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH phiên bản 15.0 để mô phỏng

và tính toán hệ số cường độ ứng suất (SIF) có ý nghĩa là: giúp giảm chi phí thực nghiệm và có kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả tính toán lý thuyết

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

VVER-1000 1.1 Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000

Nhà máy điện hạt nhân 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 Hình 1 mô tả sơ đồ mình họa nhà máy điện hạt nhân loại

lò VVER-1000

Hình 1 Sơ đồ minh họa NMĐHN loại lò VVER-1000 [4]

Các thông tin cơ bản của NMĐHN loại lò VVER-1000 được cho ở bảng 1

Bảng 1 Các thông tin cơ bản về lò VVER-1000 [2]

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 Bình sinh hơi

Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại VVER-1000 là một thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm [4] Tổng quan của bình sinh hơi này được thể hiện ở hình 2

Hình 2 Bình sinh hơi [4]

Thùng bình sinh hơi được thiết kế để đặt trong tòa nhà lò (containment building) 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 [4]

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 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

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 (được gọi là vùng muối “salt cell”)

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 [4]

Bảng 2 cho biết các thông số chính của bình sinh hơi của nhà NMĐHN loại VVER-1000

8 Các ống trao đổi nhiệt

9 Bộ cân bằng áp suất hơi

10 Ống cấp nước

11 Bộ tách hơi

12 Ống dẫn hơi

Bảng 2 Các thông số chính của bình sinh hơi [4]

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 khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, 0C 164

1.3 Môi trường làm 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 [4]

- 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, ,   ) 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 [1]

- 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, O eaq2  , H Các ion

và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau:

O2 + 2H+ + 2e- H2O2 (1)

H2O2 + 2H+ + 2e- 2H2O (2)

H2 H2+(ads) + e- (3)

H2+(ads) 2H+ +e- (4)

H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra môi trường oxy hóa dẫn đến sự

ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ [1]

1.4 Vật liệu bình sinh hơi

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 Thép không gỉ là hợp kim của sắt chứa hơn 11% kim loại Crom và vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo

vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động Lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại Crom Thép không rỉ thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc vi mô của chúng Theo đó, sẽ có bốn loại thép không gỉ là thép không rỉ ferritic, austenitic, martensitic và duplex (bảng 3)

Bảng 3 Thành phần của các loại thép không gỉ [5]

nhanh với hàm lượng Cr tăng lên khoảng 17% Đây là lý do tại sao nhiều loại thép không rỉ chứa từ 17-18% Cr [5]

Hình 4 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [5]

- Ứng dụng của thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân

Hình 5 Ứng dụng của các loại thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân [6]

Ngoài những ưu điểm về độ bền, độ cứng, độ dẻo, đô dai va đập cao hơn thép cacbon thì thép không gỉ có những tính chất như tính chịu nhiệt, chịu ăn mòn tốt [5] do vậy ứng dụng của thép trong MĐHN là vô cùng đa dạng và phong phú Ví

dụ, trong hình 5 có thể thấy thép không gỉ được ứng dụng để làm ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi (gồm các hợp kim 600MA, 600TT, 690TT, 800) hay vỏ bình sinh hơi…

1.5 Kết luận chương I

 Trong chương I đã tìm hiểu được các vấn đề như sau:

- Các thông số cơ bản và nguyên lý hoạt động của NMĐHN loại VVER-1000

- Cấu trúc tổng quan và các thông số cơ bản của bình sinh hơi trong NMĐHN loại lò VVER-1000

- Phân tích và tìm hiểu môi trường làm việc của các thiết bị cụ thể của bình sinh hơi

- Tìm hiểu về thép không gỉ và các ứng dụng của thép không gỉ trong NMĐHN

CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC

VẬT LIỆU

Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật liệu rắn chịu lực Mục tiêu chính trong lĩnh vực này là mô hình hóa sự biến dạng của một vật liệu cụ thể dưới tác dụng của nhiều loại tải khác nhau 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 giới thiệu các khái niệm về các loại liên kết, các loại khuyết tật, ứng suất, sự biến dạng, định luật Hooke, hệ số cường độ ứng suất của vật liệu Vật liệu quan tâm ở đây là thép không gỉ

2.1 Liên kết

Các loại liên kết giữa hai nguyên tử gồm: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại Các loại liên kết này được xem là các liên kết mạnh hay còn gọi là các liên kết sơ cấp Trong đó, bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa hai ion mang điện tích trái dấu Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử bằng một hay nhiều cặp điện tử góp chung và liên kết kim loại là liên kết bên trong các kim loại, là sự chia sẻ các điện tử tự do giữa các nguyên tử kim loại trong mạng lưới tinh thể Ngoài các lực liên kết sơ cấp được kể ở trên, trong liên kết giữa hai nguyên tử còn có loại liên kết yếu hay liên kết thứ cấp Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử bị phân cực Thế năng Lennard-Jones (L-J) mô tả những liên kết này của nguyên tử hình cầu (khí trơ) Do các liên kết sơ cấp này có hành vi tương tự về mặt mô tả toán học của thế năng trong một số hình thức, thế năng L-J cũng được dùng để mô tả liên kết của kim loại, mặc dù nó không hoàn toàn chính xác cho liên kết kim loại [6] Một phiên bản khái quát cho thế năng L-J được cho bởi:

Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật Schottky [8] 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 7b Để quá trình xảy ra cần phải cấp năng lượng Es cho nguyên tử bức ra Theo các định luật 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 Với n là số lượng lỗ trống, N là số lượng nguyên tử trong mạng tinh thể lý tưởng thì phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh thể lý tưởng được cho như sau [8]:

Hình 7 (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [8]

Trong đó:

kB là hằng số Boltzmann

n là số lỗ trống trong mạng tinh thể

N tổng số nguyên tử trong mạng tinh thể lý tưởng

Kiểu 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 7a) Kiểu khuyết tật Frenkel cũng theo các định luật nhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [8]

Từ phương trình (9) 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 Phương trình khuếch tán sẽ được trình bày ở phần 2.3

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 [8]

2.3 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 [8]

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 đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác) Dòng hạt

D là hệ số khuếch tán; Nd là nồng độ hạt

Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau:

d B

Khi mô tả (lý thuyết) lực cần thiết tác động làm biết dạng vật liệu vĩnh viễn

và các giá trị lực này thường được dự đoán thông qua đo đạt thực nghiệm Trong thực tế thì độ bền của các tinh thể yếu hơn lý thuyết Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi biên độ trượt của các bề mặt kề nhau và các giá trị lực thấp hơn được giải thích là do sự không hoàn hảo bên trong các tinh thể hình thành các biến vị Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể, được thể hiện ở hình 8a Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể, ứng suất cần thiết để tạo sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc Sự di chuyển của biến vị được thể hiện qua hình 8b.Như đã quan sát, chỉ có những phần của mặt phẳng liền kề thay đổi các vị trí ràng buộc Cuối cùng, sau vài bước tương tự, kết quả cuối cùng sẽ giống nhau nếu toàn

bộ mặt liền kề bị trượt trong một bước

Hình 8 (a) Biến vị, (b) Sự di chuyển của biến vị [7]

Hình 8a mô tả một mặt phẳng biến mất hình thành nên một biến vị và hình 8b mô tả sự di chuyển của biến vị.

2.5 Ứng suất, biến dạng

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 9) 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 [9] Vì vậy:

'

P A

Theo quy ước dấu “-“ thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh

Hình 9 Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [7]

Hình 10 Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài  [7]

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 10 Khoảng kéo dài  phụ thuộc vào chiều dài ban đầu L0 của thanh [9] Độ biến dạng

 được cho bởi:

0

L



Giả thiết rằng sự biến dạng là đồng nhất dọc theo thanh Do đó, độ biến dạng

sẽ bằng với biến dạng trung bình dọc theo thanh Độ biến dạng có ý nghĩa là phần

trăm của sự kéo dài đối với yếu tố thể tích nhỏ nhất Trong trường hợp này là thanh hình trụ với chiều cao nhỏ nhất Tổng chiều dài kéo dài là tổng cộng biến dạng dọc theo thanh

Do sự kéo dài dọc theo trục của thanh, vì vậy thanh cũng sẽ hẹp lại theo chiều ngang (đường kính thanh sẽ giảm khi chiều dài thanh tăng lên) Biến dạng nay được cho bởi công thức sau [9]:

Trong đó:

 là tỷ lệ Possion Đối với thép không gỉ   0.3

là biến dạng khi thanh bị nén lại

là biến dạng khi thanh bị kéo dài ra

Đối với các loại hình học khác nhau của vật liệu hoặc hướng tác dụng của lực P như hình 11 có thể là tăng nội lực bên trong thanh (hướng lực P song song với tiết diện A’) Lực tác dụng trên mỗi đơn vị diện tích cho trường hơp này gọi là ứng suất nghiêng Ứng suất nghiêng tại mỗi điểm được mô tả bằng ứng suất xiên trung bình chia cho tiết diện thanh đó [9] Do đó:

'

P A

Trong đó:

là ứng suất nghiêng

P là lực tác dụng được áp vào thanh

A’ là tiết diện thanh

Một sự xuất hiện phổ biến trong cách ghi ký hiệu tổng quá cho ứng suất nghiêng và ứng suất kéo: ij Các chỉ số i, j cho thông tin về ứng suất được áp vào theo hướng i, j trong mặt phẳng tọa độ

Hình 11 Lực P được áp lên thanh với tiết diện A’ [7]

Hình 12 Lực P được áp lên một bề mặt của khối hình chữ nhật [7]

Hình 12 mô tả khi lực P được áp lên bề mặt của khối hình chữ nhật với chiều cao H, và tiết diện A’, gây ra một chuyển vị u

Khi i j thì ứng suất là ứng suất nghiêng ijij, ijij hay ij ij [9] Xét một khối hình chữ nhật được làm bằng vật liệu đồng nhất dưới tác động ứng suất nghiêng sẽ làm nó biến dạng Sự biến dạng này được gọi là biến dạng nghiêng, được ký hiệu là  và được xác định như sau [9]:

u H

Trong đó u là chuyển vị và H là độ cao khối hình chữ nhật (hình 12)

Thực nghiệm cho thấy là khi nhiệt độ tăng có thể làm tăng thể tích của vật liệu Một vật liệu nhiệt dẻo có tính chất giãn nở tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ

T

 với hệ số giãn nở tuyến tính  (giả định rằng hệ số này không thay đổi trong quá trình thay đổi nhiệt độ) như là một yếu tố tỷ lệ Biến dạng nhiệt được cho bởi công thức sau [9]

Hình 13 Mô tả quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu [7]

Hình 13 cho thấy quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng của một vật liệu nhất định Khi ứng suất tăng từ 0 đến σ (mỗi vật liệu sẽ có một σ nhất định) thì biến dạng sẽ tăng tuyết tình theo ứng suất Khi ứng suất vượt qua giá trị thì biến dạng vĩnh viễn xảy ra

2.6 Định luật Hooke

Các tính chất của vật liệu được xác định thực nghiệm Quan hệ ứng suất biến dạng đối với các vật liệu đàn hồi tuyến tính được cho bởi định luận Hooke [9]

0 0 0 0

Các biến dạng từng phần do các ứng suất theo hướng x, y, và z được ký hiệu lần lượt là 1 ,  2 và  3 Từ phương trình (13) và (18) ta được:

Nếu xem xét các tính chất nhiệt dẻo của vật với mối quan hệ biến dạng do nhiệt độ thì tổng độ biến dạng theo hướng x (và tương tự cho tổng độ biến dạng theo hướng y và z) được cho bởi:

Tương tự, sẽ có trường hợp độ biến dạng một trong các hướng bằng 0 Ví dụ,

Đây được gọi là định luật Hooke tổng quát cho biến dạng phẳng [9]

Quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng được thể hiện ở hình 14

Hình 14 Mối quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng của vật liệu [9]

Như đã giải thích ở hình 13 đối với mỗi vật liệu khác nhau sẽ giới hạn ứng suất áp vào để làm biến dạng vĩnh viễn Hình 14 thể hiện quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thép không gỉ với độ biến dạng 0.2% thì thép không gỉ mới bắt đầu biến dạng vĩnh viễn

2.8 Nứt

Khi 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

Các dạng nứt cơ bản được mô tả ở hình 15

Hình 15 Ba dạng nứt gãy cơ bản [10]

Trong đó:

- Hình 15a là mô hình tách: hai bề mặt nứt bị tách theo hướng Y

- Hình 15b mô hình trượt: hai bề mặt trượt lên nhau theo hướng X

- Hình 15c mô hình xé: hai bề mặt trượt lên nhau và xé ra theo hướng Z

2.9 Biểu thị ứng suất trong hệ tọa độ Đề Các

 Bài toán Westergaard

Khi vết nứt xuất hiện, tại vùng gần đỉnh của vết nứt có xuất hiện ứng suất tập trung, để biểu thị cho mức độ tập trung của ứng suất tại vùng gần đỉnh của vết nứt người ta dùng hệ số K được gọi là hệ số cường độ ứng suất (SIF)

Xét bài toán khe nứt elip trong tấm phẳng có kích thước lớn vô hạn (hình 16):

Hình 16 Khe nứt hình elip trong mặt phẳng vô hạn [11]

Với trường ứng suất được mô tả như sau:

Với ij là các ứng suất gần đỉnh vết nứt, tương ứng với 3 dạng nứt thì sẽ có các hệ

số cường độ ứng suất KI, KII, KIII

Kết hợp phương trình (37), và (40) với   0 thì thu được phương trình sau:

Với  là hàm phụ thuộc vào các dạng mô hình nứt khác nhau [11]

 Trường ứng suất và chuyển vị tại gần đỉnh vết nứt

- Dạng nứt gãy I

Trường ứng suất

3cos 1 sin sin

    trong trường hợp biến dạng phẳng

 là mô đun đàn hồi trượt

xz

K r

Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất vào cấu trúc của vết nứt và phụ tải được thể hiện sau đây:

Xét tấm phẳng với một vết nứt biên chịu ứng suất kéo đều đơn trục (xem hình 17)

Hình 17 Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt ở biên [11]

Tấm phẳng với hai vết nứt biên chịu ứng suất kéo đều đơn trục

Hình 18 Tấm phẳng hữu hạn với hai vết nứt ở biên [11]

Tấm phẳng với vết nứt bên trong chịu ứng suất kéo đều đơn trục

Hình 19 Tấm phẳng hữu hạn với vết nứt bên trong [11]

Tấm phẳng với vết nứt nghiêng, bên trong chịu ứng suất kéo đều đơn trục

Hình 20 Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt nghiêng bên trong [11]

Tấm phẳng với vết nứt biên chịu tải tập trung ở giữa và hai gối đỡ

Hình 21 Tấm phẳng với vết nứt biên chịu tải tập trung ở giữa và hai gối

2 3

 Trong chương II đã tìm hiểu các vấn đề sau:

Các khái niệm về vật liệu như: liên kết, khuyết tật, lý thuyết khuếch tán hydro trong kim loại, ứng suất, biến dạng, hệ số cường độ ứng suất, cách tính lý thuyết tính toán hệ số cường độ ứng suất trong các trường hợp đơn giản và cụ thể

Chương II này đã cung cấp các khái niệm cơ bản để hiểu về ứng xử của vật liệu vật liệu khi chịu tải (chịu lực) thông qua các khái niệm cơ bản về vật liệu và cung cấp lý thuyết như khuếch tán, ứng suất tới hạn = % và công thức tính toán lý thuyết hệ số cường độ ứng suất cho chương III

CHƯƠNG III: SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT XẢY RA TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

“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 Quan sát 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) [12]

Hình 22 a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [14]

Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [14]:

- Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1

- Lan truyền vết nứt giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái ổn định

- Lan truyền vết nứt trạng thái 3 hoặc sự gãy cuối cùng

3.1 Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất

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 III 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 [12]

- Sự hấp thụ của các loại môi trường

- H2 chuyển dọc theo vết nứt hoặc ra xa đầu vết nứt

- Các phản ứng trong dung dịch gần vết nứt