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

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

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

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 26 tháng 12 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 26 tháng 12 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

Kết luận 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

Kết luận Chương 2 48

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 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

Kết luận 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

1 Q Năng lượng hoạt hóa (kJ.mol-1)

8 A Độ giãn dài tương đối (%)

9 EDS Phổ tán xạ năng lượng tia X (energy

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

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

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit theo tiêu

chuẩn ASTM A335

18

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 Bảng 3.2 Cơ tính của thép P11 tiếp xúc với hơi nước (300 oC - 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

nhiệt độ khác nhau trong 72 giờ

76

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 Rò rỉ do ăn mòn xuyên thủng trên thành ống 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

ở nhiệt độ 550 oC

23

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;

GNR)

43

Hình 2.9 Vị trí cắt mẫu soi tổ chức tế vi 44 Hình 2.10 Kính hiển vi quang học (Axioplan 2) 44

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

không đổi 95 N ở nhiệt độ phòng

50

Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 chịu tải trọng

không đổi 125 N ở nhiệt độ phòng

50

Hình 3.3 Cơ tính của thép P11 thay đổi theo tải trọng trong thời gian 2160 giờ

ở nhiệt độ phòng

52

Hình 3.4 Tổ chức tế vi của thép P11 (a) Ban đầu và chịu tải trọng không đổi

(b) 60 N; (c) 95 N; (d) 125 N trong thời gian 2160 giờ

Hình 3.7 Tổ chức tế vi của thép P11 ban đầu (a) và khi tiếp xúc với hơi nước

(300 oC - 0,2 MPa) trong (b) 720 giờ; (c) 1440 giờ; (d) 2880 giờ

56

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 khi tiếp xúc với

hơi nước (300 oC - 0,2 MPa)

57

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa thời gian và kích thước hạt của thép P11 khi tiếp

xúc với hơi nước (300 oC - 0,2 MPa)

Hình 3.14 Tổ chức tế vi của thép P22 ban đầu (a) và nung ở nhiệt độ 500 oC

trong (b) 24 giờ; (c) 48 giờ và (d) 72 giờ

63

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổ chức tế vi của thép P22 nung trong

72 giờ ở nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC và (c) 700 oC

64

Hình 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt của thép P22 không chịu

tải trọng

65

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

độ (a) 500 oC; (b) 600 oC và (c) 700 oC

70

Hình 3.19 Kết quả phân tích EDS của thép P22 nung ở nhiệt độ 700 oC trong

(a) 24 giờ; (b) 48 giờ và (c) 72 giờ

73

Hình 3.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của thép P22 chịu tải trọng

không đổi 95 N trong 72 giờ

75

Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P22 chịu tải trọng

không đổi 95 N ở nhiệt độ 700 oC

75

Hình 3.22 So sánh cơ tính của thép P22 khi có và không có tải trọng ở nhiệt độ

cao

76

Hình 3.23 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tỷ lệ Rp/Rm của thép P22 chịu tải trọng

không đổi 95 N trong 72 giờ

78

Hình 3.24 Tổ chức tế vi của thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N trong 72

giờ ở nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC và (c) 700 oC

Hình 3.28 Phân bố cacbit trong thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N ở 700

oC tại thời gian (a) 24 giờ; (b) 48 giờ; (c) 72 giờ

87

Hình 3.29 Sự hình thành lỗ rỗng trong thép P22 khi nung ở 700 oC trong 72

giờ dưới tải trọng không đổi (a) 95 N và (b) 125 N

89

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

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 CO2 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

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 khác nhau;

- 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);

+ 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

- 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

Vì vậy, các nhà máy nên thực hiện kiểm tra hiện trường về sự thay đổi tổ chức tế vi của ống thép để có thể dự báo được sự hư hỏng, lập 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

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

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

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]

Nguồn điện

Công suất (MW)

Tỷ lệ công suất (%)

Tỷ lệ sản phẩm (%)

Công suất (MW)

Tỷ lệ công suất (%)

Tỷ lệ sản 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

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

A - Hơi quá nhiệt

B - Hơi quá nhiệt

C - Hơi quá nhiệt

D - Hơi quá nhiệt

E - Nước nóng và hơi bão hòa

Lớn hơn 580 Trên 540 đến 580 Trên 450 đến 540 Đến 450

Lớn hơn 115

Không quy định Không quy định Không quy định Lớn hơn 3,9 Lớn hơn 8,0

2

A - Hơi quá nhiệt

B - Hơi quá nhiệt

C - Nước nóng và hơi bão hòa

Trên 350 đến 450 Đến 350

A - Hơi quá nhiệt

B - Hơi quá nhiệt

C - Nước nóng và hơi bão hòa

Trên 250 đến 350 Trên 250

Trên 0,07 đến 1,6 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 CO2 [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

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

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

Mức độ rò rỉ hơi nước 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 Rò rỉ do ăn mòn xuyên thủng thành ống [3]

1.2.4 Phá hủy nghiêm trọng

Dạng phá hủy có hậu quả nghiêm trọng nhất là vỡ ống (hình 1.6) Sự cố này xảy ra do bị gãy thành đường ống; hậu quả của dạng phá hủy này có liên quan đến việc phá hỏng chức năng của các bộ phận bị vỡ Hiện tượng này có thể xảy ra đột ngột, do đó, gây ra hậu quả nghiêm trọng và khắc phục sự cố gặp nhiều khó khăn Chính vì vậy, dự đoán và kiểm tra thường xuyên đường ống dẫn hơi là một phương

án ưu tiên và quan trọng

Hình 1.6 Ống thép P22 hư hỏng tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả

1.3 Ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến ống dẫn hơi

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất

Thép làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao với áp suất lớn, cơ tính của thép giảm dẫn đến giảm khả năng chống phá hủy rão của thép Bên cạnh đó, khi làm việc

ở nhiệt độ trên 600 ºC, lớp vảy ôxyt hình thành bên trong thành ống với tốc độ nhanh [4,5] Thép ống bị ăn mòn tạo ra lỗ rỗng trong nền thép, khi đó, thép giảm khả năng làm việc Vì vậy, mác thép chế tạo ống dẫn hơi thường phải hợp kim hóa bằng crôm (Cr), môlypđen (Mo),… để thép có tính chống gỉ cao; nhiệt độ làm việc cao dẫn đến hàm lượng nguyên tố kể trên cao, đặc biệt là nguyên tố Cr [6-8] Xét về phương diện này, các thép không gỉ đều là thép bền nóng Điều này có nghĩa là khi làm việc ở nhiệt độ cao, thép ống cần có khả năng hạn chế sự suy giảm về cơ tính

và có tính chống ăn mòn tốt Trong đó, Cr là quan trọng, có mặt trong mọi loại thép làm việc ở nhiệt độ cao do khả năng duy trì độ bền rão và chống ôxy hóa

1.3.2 Ảnh hưởng của thời gian làm việc

Thời gian làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến cơ tính của ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện Kéo dài thời gian làm việc nhưng đảm bảo không gây ra sự cố bất ngờ là rất cần thiết Cùng với nhiệt độ làm việc, thời gian thép ống trong điều kiện thực tế sẽ thay đổi tổ chức tế vi và cơ tính của ống thép Với thời gian dài, lỗ rỗng trong tổ chức tế vi xuất hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, các lỗ trống tích tụ lại ở biên giới hạt dẫn đến phá hủy rão ống thép [9,10] Do đó, cần phải thường xuyên kiểm tra định kỳ ống thép theo thời gian để kịp thời thay thế, bảo dưỡng và sữa chữa kịp thời nhằm hạn chế phá hủy ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện

1.3.3 Ảnh hưởng của môi trường ôxy hóa

Ống dẫn hơi quá nhiệt trong nhà máy nhiệt điện có thể bị phá hỏng do bị ăn mòn bởi môi trường hơi nước Do đó, ngăn ngừa quá trình ôxy hóa và làm chậm quá trình ăn mòn trong khi vẫn tăng nhiệt độ và áp suất hơi nước được rất nhiều nhà sản xuất và nghiên cứu quan tâm Để giảm tác hại của ôxy hóa, tăng cường sự ổn định của pha ferit với kích thước nhỏ mịn, thép được hợp kim hóa với nguyên tố hợp kim như Cr và một số nguyên tố hợp kim vi lượng khác như Ti hoặc Nb [6-8]

1.4 Các loại thép sử dụng trong nhà máy nhiệt điện

Thép sử dụng cho lĩnh vực chịu nhiệt độ và áp suất cao cần có cơ tính ổn định

và chịu được ăn mòn của hơi nước và được xếp vào nhóm thép và hợp kim bền nhiệt Để đáp ứng được yêu cầu sử dụng, thép ống thường hợp kim hóa một số nguyên tố hợp kim gồm có Cr, Mo, Ni,… Trong đó các nguyên tố có vai trò như Cr

để tăng tính chống ôxy hóa, Ni đạt giá trị tối ưu giữa độ bền và độ dẻo, Mo tăng cơ tính ở nhiệt độ cao Ngoài ra, thép ống cũng có thể hợp kim hóa với một số nguyên

tố vi lượng như Ti, Nb, B với vai trò tăng cơ tính của các loại thép sử dụng trong nhà máy nhiệt điện Dòng thép này gồm nhiều chủng loại khác nhau, tùy thuộc vào mức độ và nguyên tố hợp kim hóa Trong phạm vi nhà máy nhiệt điện, tùy thuộc vào điều kiện làm việc, thường dùng một số loại thép, thậm chí có thể chỉ là thép cacbon thông thường như thép làm nồi hơi chịu áp suất thấp và trung bình (dưới 60 atm) và nhiệt độ làm việc không quá 450 oC như thép CT34, CT38, C15, C20 Các thép làm ống dẫn hơi quá nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao hơn (540-560 oC) thì phải

dùng các thép hợp kim thấp như thép 12CrMo, 12CrMoV Để làm cánh tuôcbin hơi cần dùng thép hợp kim cao hơn (hợp kim phức tạp hơn) như thép mactenxit (mác thép 15Cr12WNiMoV), 12Cr13, 15Cr11MoV) Nồi hơi áp suất siêu cao phải dùng thép hợp kim cao loại austenit như 9Cr14Ni19W2Nb Nhóm thép làm các chi tiết bắt chặt trong thiết bị nồi hơi, tuabin như bulông, vít cấy làm kín khít các mối nối, mặt bích, cần có yêu cầu cơ bản là giới hạn chảy cao, thường dùng các mác 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA, 25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA,… Trong phạm

vi luận án này, chỉ trình bày một số mác thép chế tạo các dạng ống trong điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao như sau

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi theo tiêu

chuẩn ASTM A335 [11,12]

Thành phần

(%)

Mác thép P11

(1.25Cr0.5Mo)

P22 (2.25Cr1Mo)

P23 (2.25CrMoVB)

P24 (2.4CrMoVTiB)

0,060,10

Thép ống P11 và P22 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến chống rão, đặc biệt trong ngành hóa dầu và năng lượng, trong các bình áp lực, đường ống dẫn hơi và các bộ phận kết cấu Mác thép này có khả năng chống ăn mòn và rão tốt, có độ dẻo dai cao, tính hàn tốt và giá thành thấp hơn các mác thép hợp kim cao Loại thép này còn có tính giãn nở nhiệt thấp và tính dẫn nhiệt cao Do

đó, thép phù hợp để sử dụng ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn khi được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam

Ngoài ra, các mác P23 và P24 được sử dụng để chế tạo một số đường ống làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt Mác P23 và P24 tương đối giống với P22 về tính chất (bao gồm tính chống ôxy hóa) Tuy nhiên, do có thêm nguyên tố hợp kim

vi lượng, mác thép P23 và P24 có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn [13]

1.4.2 Thép ferit-mactenxit

Ngoài thép hợp kim thấp với hàm lượng Cr, Mo không cao Thép ống có hàm lượng nguyên tố Cr trung bình (từ 59 %) và Cr cao (khoảng 12 %) cũng được sử dụng trong nhà máy nhiệt điện Mác thép chứa 912 %Cr thường sử dụng để chế tạo các ống dẫn hơi có nhiệt độ làm việc cao hơn 620 oC [14-17] Trên cơ sở mác thép 12CrMoV, các nhà sản xuất đã phát triển thành mác 9Cr (hay P91) và sau đó hợp kim hóa thêm W thành mác P92 bắt đầu áp dụng từ năm 2001 Bảng 1.4 cho thấy các mác thép chứa hàm lượng C thấp hơn (lớn nhất là 0,1 %) và một số nguyên

tố vi lượng như Mo, W, V, Nb, N,… Thép với thành phần như vậy sẽ tăng độ bền rão và tăng khả năng chống lại ôxy hóa hoặc ăn mòn ở nhiệt độ cao

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit

theo tiêu chuẩn ASTM A335 [12,16]

-1.4.3 Thép austenit

Tổ chức tế vi của loại thép ống này hoàn toàn là austenite Hợp kim hóa thêm Ni

để mở rộng vùng austenite, làm tổ chức tế vi của thép với hàm lượng Ni cao nhận được chỉ

có một pha austenite Đây là tổ chức có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn ferit và mactenxit, do vậy có tác dụng nâng cao nhiệt độ kết tinh lại của thép, cản trở sự biến dạng của thép và nâng cao độ bền ở nhiệt độ cao cho thép (tăng độ bền rão) [18] Ví dụ như một số mác thép

được phát triển dựa trên hệ 18%Cr – 8%Ni (tương đương mác AISI 302) Để đảm bảo cơ tính yêu cầu, thép được hợp kim hóa thêm một số nguyên tố khác như Mn,

Mo, W, Cu, Al, Ti, Nb, V,… Các nguyên tố này có thể chia thành nhóm ổn định ferit hoặc ổn định austenit Hiện nay, do yếu tố kinh tế và tính hàn kém nên các mác thép austenit đã dần được thay thế bằng các loại thép ferit độ bền cao Tuy nhiên, những bộ phận yêu cầu cao về khả năng chống ôxy hóa và độ bền rão thì vẫn sử dụng loại thép austenit Để các nhà máy nhiệt điện hoạt động ổn định và an toàn khi nhiệt độ của hơi nước cao, thép austenit được sử dụng trong chế tạo một số bộ phận làm việc trong điều kiện khắc nhiệt Trong một số trường hợp đặc biệt, thép được hợp kim hóa bằng nguyên tố Ni mặc dù giá thành khá đắt

1.5 Nghiên cứu về hư hỏng của thép ống dẫn hơi

1.5.1 Tình hình nghiên cứu thép ống dẫn hơi trên thế giới

Thép ferit có khả năng dẫn nhiệt tốt, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ và có tính nhạy cảm với nhiệt nhỏ hơn so với thép austenit [19] Chính vì vậy, thép được sử dụng nhiều trong các nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, trong các nhà máy nhiệt điện, hạn chế của thép là tính chống rão thấp ở nhiệt độ cao Thép ống ferrit được chia ra 2 loại chính đó là thép ferit hợp kim thấp với hàm lượng Cr thấp và thép ferit hợp kim cao có hàm lượng Cr tương đối cao

Các nhà nghiên cứu đã tập trung đến mác thép hợp kim cao sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện [4,20-29] Mác thép điển hình là T/P92 có khả năng chống chảy rão tốt ở 650 oC và được ứng dụng trong chế tạo đường ống dẫn chịu được nhiệt độ

và áp suất cao Mặc dù vậy, mác thép này vẫn ghi nhận một số hư hỏng trong quá trình sử dụng [4] Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của thép P92 đã được thực hiện [25,30] Các nghiên cứu này cho biết cơ tính của thép P92 được quyết định bởi các nhân tố như hóa bền dung dịch rắn, cấu trúc lệch và pha hóa bền Duan và cộng sự đã nghiên cứu sự suy giảm cơ tính và thay đổi tổ chức tế

vi của thép P92 ở 600 oC trong khoảng thời gian từ 1000 đến 29000 giờ, và nhận xét rằng sự tiết ra pha cacbit M23C6 cùng với tốc độ thô hóa nhanh của pha laves đã làm giảm dần cơ tính của thép ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ cao ngay trong khoảng thời gian ban đầu (hình 1.7)

Hình 1.7 Sự biến đổi cơ tính của thép P92 trong thời gian hóa già (a) tại nhiệt độ

Hình 1.8 Cấu trúc của lớp ôxyt bên trong ống T91 sau 18408 giờ làm việc [4]

Hasegawa và cộng sự đã nghiên cứu về rão đối với thép chịu nhiệt hợp kim cao 9 %Cr – 1 %Mo ở điều kiện ứng suất 150 MPa, 5058 giờ và 600 oC thông qua quan sát sự thay đổi tổ chức tế vi bằng kỹ thuật TEM (hình 1.9); đã phát hiện được mật độ lệch rất cao tồn tại cùng với xementit dạng tấm và các pha cacbit dạng MX hoặc M23C6 trong thép trước khi thử rão, nhưng đối với thép sau thử rão có sự giảm nhẹ vể mật độ lệch và không có sự thay đổi rõ rệt về kích thước và phân bố mactexit [31]

Hình 1.9 Ảnh TEM của thép 9Cr-Mo (a) trước và (b) sau thử rão [31]

Nhiều mác thép chịu nhiệt hợp kim cao đang được nghiên cứu phát triển cho những nhà máy nhiệt điện có nhiệt độ hơi nước cao đến 700 oC [32-34] Do yếu tố kinh tế, mác thép chịu nhiệt hợp kim thấp vẫn được quan tâm nhiều hơn bởi vì xu hướng sử dụng thép hợp kim thấp là một trong những ưu tiên với chi phí đầu tư và vận hành nhà máy điện thấp hơn Thép chịu nhiệt 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 [35]

Đối với thép hợp kim thấp, cách thức biến dạng và nứt gãy ứng với ứng suất

và nhiệt độ có thể thu được bằng cách kiểm tra với phương pháp phù hợp Các kết quả này cung cấp thông tin liên quan đến đặc tính và hành vi của thép [7,8,10,36-38] Thép 1CrMoV và 2Cr1Mo dựa trên cơ sở Cr và Mo là mác thép hợp kim thấp điển hình được sử dụng rộng rãi trong các lò hơi và đường ống Mác thép được biết đến như thép P11 và P22 sử dụng thành công trong các nhà máy nhiệt điện đòi hỏi cơ tính ở nhiệt cao và khả năng chống oxy hóa Ứng dụng phổ biến nhất của mác thép này là sử dụng làm đường ống dẫn hơi, ống quá nhiệt, hoặc ống hoàn nhiệt với nhiệt độ cao nhất lên đến khoảng 600 ºC [36]

Tùy thuộc vào quy trình chế tạo, thép P22 có thể hình thành tổ chức tế vi ban đầu là ferit-bainit hoặc ferit-peclit; trong đó, tổ chức tế vi của thép ferit-bainit ổn định hơn ferit-peclit Hình 1.10a là tổ chức tế vi ferit-peclit đặc trưng của thép P22

Hình 1.10b cho thấy tổ chức tế vi của thép ferit-bainit, được cho là giúp tăng cơ tính

và tăng tuổi thọ của thép ống khi làm việc trong nhà máy nhiệt điện Mặc dù thép có thành phần hóa học tương tự nhau, nhưng tổ chức tế vi ferit-bainit đã không có dấu hiệu thải bền ở nhiệt độ cao trong thời gian dài [39] Ngoài ra, trong tổ chức tế vi ferit-peclit cũng có sự chuyển biến sau một thời gian làm việc; xementit hình cầu đã phân huỷ hoàn toàn và làm tăng lượng kết tinh lại ở các đường biên hạt Vì vậy, sử dụng biện pháp thay đổi tổ chức tế vi ban đầu của thép ống dẫn hơi có thể kiểm soát được sự giảm bền của thép trong quá trình làm việc

Hình 1.10 Tổ chức tế vi của thép P22: (a) ferit-peclit; (b) ferit-bainit [39]

Cũng giống như thép hợp kim cao, các thép ống hợp kim thấp cũng xuất hiện một số hư hỏng sau một thời gian dài làm việc ở nhiệt độ cao Do đó, kiểm tra và đánh giá hư hỏng vật liệu là một vấn đề quan trọng, đặc biệt là đối với thép ống hợp kim thấp làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tương đối cao Cho đến nay đã

có một số nghiên cứu trên thế giới được thực hiện để đánh giá khả năng làm việc của thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp sau khi bị hỏng hoặc định kỳ thay thế sau một thời gian làm việc trong điều kiện thực tế [40] Các nghiên cứu này tập trung đánh giá về cơ tính, tổ chức tế vi, phân bố pha cacbit và sự hình thành vết nứt tế vi với các phương pháp tiếp cận khác nhau Trong đó, nghiên cứu sự thay đổi đặc tính (tổ chức tế vi, cơ tính,…) của mác thép ở điều kiện làm việc khác nhau trong khoảng thời gian nhất định của thép là một cách tiếp cận tốt

Kucharova và cộng sự đã nghiên cứu hành vi rão của thép T23 trong khoảng nhiệt độ 500-650 oC với ứng suất thay đổi từ 50-400 MPa (hình 1.11), và đi tới nhận xét rằng sự giảm mạnh độ bền rão của thép T23 sau một thời gian dài là do giảm mật độ lệch cũng như giảm hóa bền tiết pha trong tổ chức tế vi không ổn định ở nhiệt độ cao [40] Townsend và cộng sự đã chỉ ra mối liên hệ giữa độ cứng và tuổi thọ của ống khi so sánh ống thép hợp kim đã sử dụng với ống thép chưa sử dụng; nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa độ cứng và sự phân bố cacbit khi ngăn cản chuyển động của lệch trong tổ chức tế vi đồng nhất [38]

Hình 1.11 Mối quan hệ giữa ứng suất và thông số rão của thép T23 [40]

Để lắp ghép các ống dẫn hơi, cần phải thực hiện hàn ghép nối các ống thép lại với nhau nên đánh giá chất lượng tại vùng hàn trở nên rất quan trọng Fujibayashi

đã nghiên cứu các mối hàn đối với thép ống 1,25Cr-0.5Mo sau khi đã làm việc trong một khoảng thời gian dài cho thấy hư hỏng xảy ra chủ yếu ở vị trí gần mối hàn [8] Theo đó, đã quan sát được lỗ rỗng và chứng minh được vai trò của lỗ rỗng quyết định đến khả năng làm việc của mối hàn Quá trình hư hỏng trong thời gian làm việc là do hình thành lỗ rỗng tại biên giới và nguyên nhân dẫn đến sự hình thành của chúng là do cơ chế trượt Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như áp suất thay đổi đến sự hình thành và phát triển vết nứt chưa được làm rõ Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác tập trung vào sự hình thành cacbit tại vị trí gần mối hàn [10] Trong đó, vai trò của cacbit được phân tích và đánh giá tại vị trí ảnh hưởng của nhiệt khi hàn, liên quan tới sự nóng chảy của thép làm đường ống ở vị trí mối hàn, quá trình nguội nhanh của mối hàn và lan truyền nhiệt của mối hàn ra các vùng xung quanh mối hàn, làm biến đổi tổ chức tế vi, trong đó

có sự hòa tan cacbit (khi nung nóng) và tiết cacbit, phân bố lại cacbit khi làm nguội

Hình 1.12 Phân bố cacbit trong thép hợp kim thấp Cr-Mo sau thời gian hóa già

ở nhiệt độ 550 o C [41]

Ứng suất (MPa) Ứng suất (MPa)

Đối với thép hợp kim thấp 2.25Cr-1Mo, pha được tiết ra chủ yếu là cacbit sau thời gian dài làm việc ở nhiệt độ 550 °C (hình 1.12); pha tiết ra có kích thước thô, xuất hiện ở biên giới hạt và phân bố không đồng đều Hiện tượng này ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của thép ống dẫn hơi Hình 1.13 là kết quả phân tích thành phần của các hạt cacbit bằng kỹ thuật SEM-EDS cho thấy rằng hàm lượng Cr

và Mo tương đối cao so với thành phần hóa học của mác thép [42]

Hình 1.13 Phân bố cacbit trên nền thép ống sau thời gian hóa già [42]

Theo Fujibayashi [43], thời gian phá hủy (tr) của thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp khi chịu tải trọng ở nhiệt độ cao được mô tả bởi mối quan hệ theo quy luật như trong công thức 1.1

t r n exp (1.1) Trong đó:

Để tính toán được thời gian làm việc của thép ống, có thể sử dụng biện pháp kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi của thép sau thời gian 105 giờ đầu tiên trong điều kiện làm việc Khi đánh giá phá hủy rão của thép ống 1.25Cr-0.5Mo (tương đương với mác thép P11), thí nghiệm của Fujibayashi đã thực hiện trong điều kiện nhiệt độ

và áp suất cao; kết quả nghiên cứu về thời gian phá hủy mẫu thép ống này được cho trong Bảng 1.5 [8] Có thể thấy, ứng suất và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến tuổi thọ làm việc của mác thép này Bên cạnh đó, độ cứng của thép sẽ thay đổi và ảnh hưởng đến độ bền rão của thép ống chịu nhiệt

Bảng 1.5 Thời gian phá hủy của mẫu thép ống 1.25Cr-0.5Mo (P11) [8]

Nhiệt độ (oC) 610 630 630 650 670 Ứng suất (MPa) 100 60 80 40 40 Thời gian (giờ) 31 512 65 1220 393

Một số nghiên cứu khác khẳng định rằng độ bền rão của thép ống và độ cứng

có mối quan hệ với nhau trong quá trình làm việc của ống thép; khi đó, thời gian ống thép bị phá hủy sẽ được tính toán theo mối quan hệ này [43,44] Ngoài ra, phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi và cơ tính của thép cũng được áp dụng để xác định thời gian có thể sử dụng của thép ống Đồng thời, phương pháp này đươc cho

là một công cụ hữu hiệu nhằm xác định tuổi thọ của các ống dẫn hơi để tránh bị phá hủy trong quá trình vận hành các nhà máy nhiệt điện [45]

Từ những phân tích ở trên, có thể thấy rằng nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến cơ tính và sự phân bố cacbit thay đổi theo thời gian làm việc của thép ống dưới ứng suất kéo và áp suất cao, dẫn đến nguy cơ phá hủy của thép ống hoặc tìm hiểu nguồn gốc của sự phá hủy xảy ra trong tương lai là rất quan trọng Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu công bố về kết quả đạt được đối với vấn đề này của thép chịu nhiệt hợp kim cao trên thế giới, nhưng chỉ có một số tác giả nghiên cứu về thép chịu nhiệt hợp kim thấp Những nghiên cứu này đã đề cập đến sự suy giảm của cơ tính

và thay đổi tổ chức tế vi do hiện tượng rão ở nhiệt độ cao; tuy nhiên, đánh giá và phân tích vai trò của cacbit đến phá hủy ống thép chưa được làm sáng tỏ Mặt khác, các mẫu thép hợp kim thấp trong những nghiên cứu này được kiểm tra sau một thời gian rất dài hoặc lấy từ các ống thép bị hỏng từ nhà máy nhiệt điện Do đó, kết quả chưa giải thích được những hiện tượng xảy ra trong giai đoạn đầu làm việc của ống thép, hoặc ngay cả khi nhà máy chưa đi vào hoạt động thì ống thép đã chịu tải trọng tĩnh của hệ thống đường ống Việc xác định được mức độ suy giảm cơ tính của thép ống chịu nhiệt ở ngay giai đoạn làm việc ban đầu cũng là rất cần thiết

1.5.2 Nghiên cứu hư hỏng trong thép ống tại Việt Nam

Hiện nay, nhu cầu trong nước về các sản phẩm ống thép đen, ống thép tôn mạ kẽm hoặc ống thép mạ kẽm nhúng nóng,… đã được đáp ứng bởi Công ty Ống thép Hòa Phát, Công ty Thép ống Hoa Sen, Công ty Thép ống Việt Đức,… Các sản phẩm được đánh giá có độ bền cao, khả năng chống ôxy hóa tốt và giá thành có tính cạnh tranh cao Tuy nhiên, hầu hết sản lượng ống thép được cung cấp cho các công trình xây dựng ở trong nước hoặc xuất khẩu ra nước ngoài Một số loại ống thép chịu nhiệt do các công ty Việt Nam sản xuất đã có trên thị trường trong nước, nhưng do chất lượng chưa đảm bảo hoặc chưa có độ tin cậy khi làm việc ở nhiệt độ cao nên các nhà máy nhiệt điện vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài

Mặc dù là không nhiều, nhưng đã có một số nghiên cứu về chế tạo thép ống ở Việt Nam Ví dụ như, giáo sư Nguyễn Trọng Giảng và cố giáo sư Nguyễn Tất Tiến

đã sử dụng mô hình hóa và mô phỏng quá trình ép chảy ngược để nâng cao chất lượng ống thép; hoặc nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngược thép hợp kim thấp độ bền cao để chế tạo ống chịu áp lực trong luận án tiến sỹ của nghiên cứu sinh Bùi Khắc Khánh (2019), Có thể thấy rằng, nghiên cứu về công nghệ chế tạo và nâng cao chất lượng ống thép chịu nhiệt ít được quan tâm

Sau một thời gian sử dụng, một số dạng hư hỏng đã xảy ra tại các nhà máy Nhiệt điện của Việt Nam đối với thép ống ferit hợp kim cao (P91) cũng như thép ống hợp kim thấp (P11 và P22) Cho đến nay, mới có một nghiên cứu về vấn đề này đối với thép hợp kim Cr cao ở trong nước Đó là nghiên cứu và đánh giá mác thép P91 sử dụng tại nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam trong luận văn thạc sỹ của tác giả Phạm Hồng Thái; kết quả cho thấy nhiệt độ và thời gian nung làm thay đổi tổ chức

tế vi thép P91 [46] Nhiệt độ nung càng cao, thời gian nung càng dài, sự thay đổi tổ chức tế vi và suy giảm cơ tính càng xảy ra mạnh mẽ Các số liệu thực nghiệm của nghiên cứu là những khuyến cáo quan trọng khi sử dụng thép P91 trong quá trình kiểm tra định kỳ tổ chức tế vi cho các kết cấu đường ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện Ngoài nghiên cứu này, chưa có các nghiên cứu khác ở Việt Nam về thép ống chịu nhiệt dùng trong nhà máy nhiệt điện

Nghiên cứu đánh giá thép hợp kim thấp P11 và P22 trong điều kiện chịu nhiệt

độ và ứng suất chưa được thực hiện ở Việt Nam mặc dù hai loại thép này được dùng phổ biến để chế tạo đường ống sinh hơi ở các nhà máy nhiệt điện trong nước Có thể khẳng định, còn rất thiếu các nghiên cứu về mối quan hệ giữa tổ chức tế vi, tiết pha cacbit và hình thành lỗ rỗng,… và cơ tính của thép ống hợp kim thấp (P11 và P22) dưới tác động của điều điều kiện làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao Cũng như

chưa có nghiên cứu một cách bài bản để có thể giải thích rõ nguyên nhân ban đầu hay sự khởi nguồn của các dạng hư hỏng phát sinh sau này Vì vậy, nghiên cứu về thép ống hợp kim thấp dùng làm ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện là một chủ

đề có ý nghĩa khoa học và rất cần thiết tại Việt Nam hiện nay

1.6 Tính bền nhiệt trong hợp kim, hiện tượng rão và cơ chế phá hủy rão

1.6.1 Tính bền nhiệt

Với các thép làm đường ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện, bên cạnh khả năng chống ôxy hóa khi làm việc ở nhiệt độ cao thì sự cần thiết phải có tính bền nóng là chỉ tiêu rất quan trọng, nó quyết định khả năng chịu áp lực và tuổi thọ của đường ống Tính bền nóng là khả năng của vật liệu kim loại chịu được tải trọng (tức

là giữ được độ bền ở nhiệt độ cao) Khi làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài, vật liệu kim loại sẽ bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp, được gọi là rão Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình đối lập là biến dạng dẻo (hóa bền) và kết tinh lại (thải bền) Hiện tượng rão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi vật liệu kim loại làm việc ở nhiệt độ cao (cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại), khi đó, chúng sẽ

bị biến dạng dẻo và dẫn tới phá hủy sau một thời gian nào đó Để nâng cao tính bền nóng, phải tìm mọi cách chống lại hiện tượng biến dạng rão Vật liệu kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim loại nào có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn sẽ có tính bền nóng cao hơn Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh lại đều sẽ làm tăng tính bền nóng

Tổ chức tế vi của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng Thép có tổ chức austenit có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ chức ferit (hay hỗn hợp ferit và cacbit) do có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn Do ở nhiệt độ cao, biên giới hạt kém bền hơn so với trong hạt, quá trình biến dạng rão dẫn đến phá hủy thường xảy

ra đầu tiên ở biên hạt, do vậy, hạt càng nhỏ (tức biên giới càng nhiều) thì tính bền nóng càng kém Thực nghiệm đã chứng minh được hợp kim có tổ chức một pha với hạt lớn có tính bền nóng cao hơn so với hạt nhỏ Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như Mo, W, Nb, Ti, Zr có tác dụng tạo ra các pha phân tán (như cacbit, nitrit)

sẽ có tác dụng chống rão do cản trở chuyển động của lệch gây biến dạng dẻo Một

số nguyên tố hợp kim như Ni, Mn có tác dụng ổn định tổ chức austenit (nâng cao nhiệt độ kết tinh lại) cũng có tác dụng chống rão

1.6.2 Rão trong hợp kim và cơ chế phá hủy rão

1.6.2.1 Giới thiệu chung

Hình 1.14 mô tả các dạng bị phá hủy khi vật liệu đa tinh thể chịu tác động của tải trọng kéo Ở nhiệt độ thấp, các vết nứt đóng vai trò quyết định đối với dạng phá

hủy [48,49]

Hình 1.14 Dạng cơ chế phá hủy đối với vật liệu đa tinh thể [47]

Ở nhiệt độ cao, vật liệu (hợp kim) có thể bị phá hủy bởi rão theo một trong các

cơ chế tương ứng với các vùng nhiệt độ - ứng suất như hình 1.15 [50] Khi ứng suất vượt quá lực liên kết nguyên tử trong một tinh thể, vật liệu sẽ bị phá hủy trên mặt phẳng vuông góc với trục của ứng suất Hầu hết chất rắn có cấu trúc tinh thể bị phá hủy bởi cơ chế giòn xuyên hạt nếu nhiệt độ đủ thấp; một số kim loại và hợp kim có kiểu mạng lập phương tâm mặt (FCC) là trường hợp ngoại lệ Vết nứt, tồn tại trước hoặc sinh ra do quá trình trượt song tinh hoặc trượt biên hạt, có thể phát triển nhanh chóng để tạo ra cơ chế phá hủy này Ứng suất cần thiết để vết nứt phát triển sẽ nhỏ hơn yêu cầu để sinh ra trượt hoặc song tinh Cơ chế phá hủy xảy ra không có biến

dạng dẻo được gọi là Phương thức 1 Khi vết nứt tồn tại với kích thước nhỏ hoặc

không đáng kể, ứng suất có thể đạt đến giá trị cần thiết để tạo ra trượt hoặc song tinh, gây ra nội ứng suất mà có thể tạo thành vết nứt Cơ chế phá hủy này được gọi

là Phương thức 2, gây ra bởi vết nứt do trượt hoặc song tinh

Phương thức phá hủy giòn liên quan đến sự hình thành và phát triển vết nứt thường xảy ra khi độ dẻo rất thấp (< 1 %) Tăng nhiệt độ sẽ làm giảm sự ứng suất

chảy của vật liệu, và cơ chế phá hủy này gọi là Phương thức 3 Trong phương thức

này, biến dạng dẻo đủ lớn (1-10 %) sẽ làm rộng các vết nứt tồn tại trước đó Quá

trình chảy dẻo hoặc trượt biên hạt sẽ tạo ra vết nứt lớn hơn trên biên hạt hoặc làm cho các vết nứt tồn tại từ trước phát triển một cách ổn định cho đến khi chiều dài vết nứt tăng lên, cùng với ứng suất cao hơn do hóa bền biến dạng sẽ dẫn đến vết nứt phát triển không ổn định và gây ra phá hủy bởi cơ chế nứt

Hình 1.15 Cơ chế phá hủy rão tương ứng với các vùng nhiệt độ - ứng suất [50]

(T m - nhiệt độ chảy,  - ứng suất kéo, E - mô đun đàn hồi)

Phá hủy dẻo xuyên hạt được cho là do sự tạo thành và phát triển của các lỗ rỗng [50] Hạt pha rắn tác động đến trường chuyển vị đàn hồi và trường chuyển vị dẻo trong quá trình biến dạng của vật liệu Ứng suất cục bộ tập trung tại bề mặt hạt pha rắn - nền, và khi đạt tới giá trị tới hạn sẽ phá vỡ hạt pha rắn hoặc tách hạt pha rắn khỏi nền của vật liệu, kết quả là tạo ra lỗ rỗng Do tập trung ứng suất, các lỗ rỗng hình cầu bị kéo giãn trở thành dạng elip Ở mức biến dạng tới hạn nhất định,

biến dạng dẻo xảy ra cục bộ, các lỗ rỗng to hơn và dẫn đến phá hủy (Hình 1.16)

 = 10-12/s

Hình 1.16 Cơ chế phá hủy rão xuyên hạt [50]

a) Lỗ rỗng đã có sẵn hoặc sinh ra tại vị trí tập trung ứng suất b) Lỗ rỗng bị kéo giãn khi vật liệu biến dạng

c) Các lỗ rỗng nối với nhau và gây ra phá hủy 1.6.2.2 Cơ chế phá hủy rão

Khi vật liệu chịu tải trọng ở nhiệt độ lớn hơn 0,3×Tm (với Tm là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu), xảy ra phá hủy rão ở nhiệt độ cao Khi vật liệu bị phá hủy theo

cơ chế chảy rão, ứng suất phá hủy có giá trị thấp hơn trước đó Khác với phá hủy rão ở nhiệt độ thấp do chảy dẻo, rão ở nhiệt độ cao xảy ra có thể phát triển theo cơ chế xuyên hạt, hoặc khi phát triển các lỗ rỗng tế vi Quá trình tạo mầm và phát triển

lỗ rỗng bị hạn chế do biến dạng mặc dù tốc độ biến dạng chảy rão là độc lập Hoặc

là cơ chế rão xảy ra tạo mầm và phát triển lỗ rỗng bên trong hạt và ở biên giới Các

lỗ rỗng trong hạt có liên kết với nhau dẫn đến phá hủy vật liệu

tụ với hình thức ổn định Tạo mầm lỗ rỗng do quá trình tích tụ nút trống khi xuất hiện ứng suất tập trung

2) Trượt biên hạt:

Trượt biên hạt dẫn đến tập trung ứng suất tại vị trí giao của ngã ba biên hạt

Cơ chế trượt bao gồm vượt chướng ngại Theo đó, ứng suất kéo tạo ra bởi trượt biên

Vị trí cổ

eo

hạt do khuếch tán, đây là nguyên nhân hình thành lỗ rỗng Sự hình thành chướng ngại tạo ra trượt giao nhau dọc theo biên hạt Biên ngang (ứng suất kéo chủ yếu có phương vuông góc) có xu hướng tạo nhiều lỗ rỗng hơn Quan sát lỗ rỗng cho thấy (biên giới có phương vuông góc với ứng suất cho phép đồng thời không xuất hiện ứng suất cắt) trượt trên biên hạt có thể là điều kiện không cần thiết cho tạo mầm lỗ rỗng

3) Pha thứ hai trong biên giới hạt:

Khi ứng suất đạt một giá trị tới hạn tại biên giới hạt, mẫm lỗ rỗng dẫn sẽ được tạo thành Các mầm tạo ra ở bề mặt hạt/chất nền sẽ phá vỡ các liên kết nguyên tử giữa pha thứ hai và pha nền Tạo mầm lỗ rỗng rão bằng cơ chế này khi vật liệu có

bề mặt năng lượng thấp của hạt/chất nền Trong khi đó, ứng suất được phát triển trên bề mặt với giá trị cao

4) Biến dạng dẻo:

Cơ chế tạo mầm lỗ rỗng khi rão dựa trên các điều kiện tích tụ do biến dạng tại hoặc gần vị trí bề mặt hạt/nền Ở mức ứng suất thấp và thời gian dài, chuyển đổi từ gãy xuyên hạt sang gãy biên giới hạt được quan sát Trong phạm vi này, tạo mầm lỗ rỗng ở biên giới hạt ở vị trí có phương vuông góc với trục ứng suất và xảy ra do trượt biên hạt Biến dạng cục bộ ở hạt trên biên giới (hạt, tạp chất, chướng ngại, )

do biên giới hạt trượt đạt đến một giá trị tới hạn, do đó, mầm nút trống được tạo ra ở biên giới hạt trước khi lỗ rỗng xuất hiện ở trong hạt tinh thể Biến dạng hình thành bởi ứng suất tập trung vượt quá giới hạn biến dạng dẫn đến sự tạo mầm lỗ rỗng của rão

Mô hình tạo mầm lỗ rỗng của rão trong vật liệu có thể dựa trên phương pháp tiếp cận biến dạng tới hạn Với giả định rằng dưới ứng suất, vật liệu nền trải qua biến dạng dẻo trong khi hạt biến dạng chỉ về mặt đàn hồi, sự tạo lỗ rỗng bằng cách phân tách bề mặt giữa hạt và nền sẽ không xảy ra trừ khi năng lượng đàn hồi được giải phóng, hoặc ít nhất bằng năng lượng bề mặt tạo ra, đó là:

∆Eel + ∆Es ≤ 0 (1.2) Trong đó:

∆Eel - Năng lượng đàn hồi của hạt;

∆Es - Độ tăng năng lượng mới tạo thành trong bề mặt

Năng lượng đàn hồi của hạt, được ước tính dựa trên kết hợp các phương pháp tiếp cận liên tục và vi cơ học, đã được tính gần đúng theo 4/3πµ*r3εp*2 Khi đó, εp*

là giá trị chênh lệch giữa nền vật liệu và biến dạng hạt, µ là môđun cắt của hạt

và r là bán kính hạt Nếu ứng suất rão do biến dạng dẻo xảy ra do trượt (sự đứt gãy xung quanh hạt) dẫn đến giá trị của εp* thay đổi theo εp và bằng (bεp/r)1/2, trong

đó εp* là biến dạng cắt tạo ra sự thay đổi hình dạng của vật liệu Tổng năng lượng liên kết của bề mặt có giá trị 4πr2γ Do đó, biến dạng tới hạn cần thiết để tạo mầm nút trống do rão theo cơ chế này được biểu diễn bằng công thức 1.3 [50]:

εc = 3γ/µb (1.3) Trong đó:

rc = 2 γc/σ (1.4) Trong đó:

rc - Kích thước tới hạn của lỗ rỗng;

γc - Năng lượng bề mặt của lỗ rỗng;

σ - Ứng suất pháp lớn nhất

Đối với sự phát triển của lỗ rỗng, chúng phải có kích thước lớn hơn tới hạn; nếu không, lỗ rỗng sẽ bị biến mất

1) Kiểm soát sự phát triển chảy dẻo:

Sự phát triển của lỗ rỗng do chảy dẻo xảy ra do biến dạng rão tại các biên giới hạt khi không có lỗ rỗng [51] Cơ chế phát triển của lỗ rỗng trong quá trình rão có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của lỗ rỗng trong quá trình phá hủy dẻo ở nhiệt

độ thấp Mức độ biến dạng ở bề mặt lỗ rỗng dẫn đến sự phát triển dọc theo phương của ứng suất chính cực đại Sự phát triển của lỗ rỗng tỷ lệ theo mô hình này được cho là tuân theo công thức (1.5) [51]:

da/dt = aέ – γc/2G (1.5) Trong đó:

a - Bán kính lỗ rỗng;

γc - Năng lượng bề mặt của lỗ rỗng;

G - Môđun cắt

Tại một số biến dạng tới hạn, biến dạng dẻo phát triển theo các bước gồm có cục bộ và các lỗ rỗng tích tụ sau đó phá hủy Cơ chế này trở nên quan trọng với điều kiện tốc độ biến dạng lớn

Khoảng cách tới hạn của các lỗ rỗng đang phát triển được sử dụng như giá trị

sự gần đúng, và giá trị này là một tiêu chuẩn cho sự tích tụ lỗ rỗng Mặc dù mô hình khác nhau, cả hai đều đòi hỏi đường trượt giữa các lỗ rỗng - một điều kiện được đáp ứng khi chiều cao của lỗ rỗng (2×h) gần bằng khoảng cách giữa 2 hạt cạnh nhau:

2×h = α×(2×l – 2×a) (1.6) Trong đó:

α - Hằng số;

2×l - Khoảng cách giữa các lỗ rỗng (được mô tả như trong Hình 1.16)

2) Kiểm soát sự phát triển của khuếch tán:

Hình 1.17 Cơ chế phát triển mầm lỗ rỗng [50]

a) Các lỗ rỗng trên biên hạt b) Lỗ rỗng chịu ứng suất kéo và lớn lên nhờ quá trình khuếch tán

Sự phát triển của các lỗ rỗng giữa các hạt xảy ra bằng cách hấp thụ lỗ rỗng Bề mặt lỗ rỗng được kiểm soát bằng khuếch tán (hình 1.17), kết hợp với chảy dẻo (Hình 1.18) Trong cơ chế phát triển khuếch tán, lỗ rỗng được tạo ra ở biên giới hạt khuếch tán Trong khi đó, các nguyên tử từ nút trống bề mặt được tập hợp tại biên giới (hình 1.17)

Sự khuếch tán lỗ trống xảy ra do sự khác biệt thế hóa của lỗ trống trong biên giới do tác động của ứng suất kéo và vị trí lỗ trống trên bề mặt Các hạt hoạt động như những khối chuyển động theo phương vuông góc đến biên giới không bị hạn chế bởi các yếu tố bên ngoài Biên giới hạt là nguyên nhân và duy trì trạng thái cân bằng giữa nồng độ lỗ trống và ứng suất pháp tuyến

Hình 1.18 Cơ chế phá hủy rão biên hạt [50]

lỗ rỗng xuất hiện trên tất cả biên giới hạt trong khối rắn và tự do phát triển đến điểm phá hủy hoàn toàn Đối với sự phát triển của lỗ rỗng bị hạn chế, lỗ rỗng chỉ có trên biên giới Ở đây, lỗ rỗng phát triển trên các hạt có nút trống di chuyển phù hợp với phương di chuyển trong vật liệu Do đó, sự phát triển của lỗ rỗng có thể bị hạn chế hoàn toàn bởi sự thay đổi của rão trong nền vật liệu Trong một biên giới hạt lý tưởng, lỗ rỗng được tạo ra do lệch biên giới hạt di chuyển Trong các hợp kim với hạt biên giới hạt mật độ cao, biên giới hạt không phải là nguồn tạo lỗ rỗng hoàn hảo Trong trường hợp này có thể tạo ra hai cơ chế: