NGHIÊN cứu và ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN gây RA hư HỎNG của ỐNG SINH hơi TRONG NHÀ máy NHIỆT điện

NGHIÊN C ỨU VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY RA HƯ HỎNG CỦA ỐNG SINH HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN INVESTIGATION AND ESTIMATION OF THE CAUSES OF FAILURE FOR BOILER TUBES IN THERMAL POWER PLA

NGHIÊN C ỨU VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY RA HƯ HỎNG CỦA

ỐNG SINH HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

INVESTIGATION AND ESTIMATION OF THE CAUSES OF FAILURE FOR BOILER

TUBES IN THERMAL POWER PLANTS

Lê Th ị Giang

Khoa Cơ Khí, Đại học Thủy Lợi, Hà Nội, Việt Nam

ltgiang@tlu.edu.vn

TÓM T ẮT

Ống sinh hơi làm từ thép cacbon SA 210 C được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện Môi trường làm việc thường xuyên có nhiệt độ cao cho nên ống bắt đầu hư hỏng sau thời gian sử dụng 3 năm Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng như sự suy thoái tổ chức tế vi,

ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay quá nhiệt Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về tổ

chức tế vi ở trạng thái ủvà trạng thái làm việc, khảo sát và đánh giá một số dạng hư hỏng bằng cách sử dụng các thiết bị hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét kết hợp với phân tích phổ EDS; và đồng thời xác định được chiều dày định mức cho phép nhằm dự đoán nguy cơ hư

hỏng xảy ra đối với ống sinh hơi

Từ khóa: ống sinh hơi, tổ chức tế vi, ăn mòn, ăn mòn xói mòn, chiều dày định mức

ABSTRACT

The boiler tubes that are made of carbon steel SA 210C, used in thermal power plants and operated at high temperatures for long time In this study, the failure of boiler tubes appear after 3 years-service There are many causes of failure such as microstructural degradation, corrosion, erosion-corrosion, or overheating This paper introduces some results

of research about the microstructure in annealing and in working status, investigation and estimation some failures by using light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy analysis (EDS) Concurrently, predicting the risk of failure for the boiler tubes which was carried out through determining the minimum admissible thickness

Keywords: boiler tube, microstructure, corrosion, erosion-corrosion, admissible thickness

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ống sinh hơi là một bộ phận cấu tạo nên lò hơi, nơi mà bên trong đó xảy ra quá trình nước được hóa hơi Hỗn hợp hơi và các hạt lỏng bị hơi cuốn theo sẽ theo ống sinh hơi đi lên

và tập trung vào bao hơi để hơi được tách tối đa ra khỏi các hạt lỏng này Hơi bão hòa thu được sẽ đi vào bộ quá nhiệt để chuyển đổi thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tuabin bộ phận biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tuabin kéo máy phát để sản xuất ra điện năng

Thép SA 210 C dùng để làm ống sinh hơi với nhiệt độ hơi trong ống khoảng 300 –

400oC [1], nhiệt độ của ống kim loại khoảng 350oC [2] Đối với nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, điều kiện làm việc với nhiệt độ bên ngoài ống (phía trong buồng đốt) 900oC, nhiệt độ hơi bên trong ống 540oC Như vậy, dưới điều kiện làm việc nhiệt độ cao sau một thời gian hiện tượng

hư hỏng của ống sinh hơi làm từ thép cacbon thấp thường xảy ra nhanh hơn so với thời gian thiết kế Đã có nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy ống sinh hơi hư hỏng sớm do một số nguyên nhân như mỏi nhiệt, ăn mòn, ăn mòn xói mòn…[1-6]

Trong bài báo nàytrình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về các dạng hư

hỏng thường xảy ra đối với ống sinh hơi và kết quả nghiên cứu về tổ chức tế vi của thép ở

trạng thái cân bằng và trạng thái sau 3 năm sử dụng và phân tích thành phần kết tủa xuất hiện

ở bề mặt bên trong ống để làm rõ hơn về các nguyên nhân gây ra hư hỏng sớm Đồng thời, bài báo đã sử dụng công thức xác định chiều dày định mức theo TCVN 7704: 2007 để tính toán chiều dày tối thiểu cho phép áp dụng trong trường hợp cụ thể đối với nhà máy Nhiệt điện

Cẩm Phả, Quảng Ninh từ đó đề ra phương án khắc phục Ngoài ra, các nhà máy Nhiệt điện khác có thể sử dụng công thức trên để tính toán chiều dày tối thiểu cho phép đối với ống sinh hơi khi biết được áp lực bên trong ống và đường kính ngoài của ống, từ đó có thể dự đoán nguy cơ hư hỏng của ống xảy ra nếu chiều dày của ống lúc kiểm tra nhỏ hơn chiều dày định

mức cho phép

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Chuẩn bị mẫu

Thép dùng làm ống sinh hơi được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là thép SA 210 C

có thành phần hóa học theo khối lượng như trong bảng 1 và có tính chất cơ học như trong

bảng 2 [7] Mẫu thép được sử dụng làm thí nghiệm thuộc phần phía dưới của đường ống sinh hơi trong nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh

Kích thước của đường ống sinh hơi: Ø63,5 x 8 (mm)

B ảng 1: Thành phần hóa học của thép SA 210 C

V ật liệu Thành ph ần hóa học (theo khối lượng, %)

SA 210 C

≤ 0,35 0,29 ÷ 1,06 ≥ 0,10 ≤ 0,048 ≤ 0,058

B ảng 2: Tính chất cơ học của thép SA 210 C ở nhiệt độ phòng

V ật liệu Gi ới hạn bền

(MPa)

Gi ới hạn chảy (MPa)

Độ dãn dài (%)

2.2 Thiết bị đo

Cấu trúc tế vi của mẫu thép được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học Mục đích dùng để quan sát được sự thay đổi của tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp và trạng thái làm

việc, đồng thời cho thấy hướng phát triển của vết nứt

Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích phổ (EDS) cho phân tích mẫu thép của ống sinh hơi đã bị hư hỏng để nghiên cứu:

- Tổ chức tế vi

- Phân tích thành phần kết tủa xuất hiện ở bề mặt trong

Mẫu được mài bằng giấy ráp đến độ nhám 2000, sau đó được đánh bóng trong dung

dịch oxit crôm và sử dụng dung dịch tẩm thực cho thép SA 210 C theo tiêu chuẩn ASTM E

407 hỗn hợp (HNO3 + C2H5OH) theo tỷ lệ 1:20

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 M ột số dạng hư hỏng của ống sinh hơi

Khảo sát tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh cho thấy một số dạng hư hỏng thường xảy ra đối với ống sinh hơi (hình 1) Hình 1a, 1b là hình ảnh một phần ống được cắt ra

từ ống sinh hơi chưa sử dụng và sau 3 năm sử dụng, ta thấy đối với ống sinh hơi đã qua sử

dụng thì vật liệu của ống đã bị thoái hóa, xuất hiện gỉ màu nâu sẫm trên đường ống

Hư hỏng ống sinh hơi dạng “miệng cá” xảy ra do thiếu nước bên trong đường ống Trong khi đó ở bên ngoài đường ống tiếp xúc với nhiệt độ của buồng đốt rất cao làm nhiệt độ

của ống kim loại sẽ tăng cao lên dễ dẫn đến hiện tượng hư hỏng do quá nhiệt (hình 1c)

Bên cạnh dạng hư hỏng trên thì hư hỏng dạng xói mòn cũng thường hay xảy ra, nguyên nhân do chuyển động tương đối giữa dòng khí nóng bên trong buồng đốt với bề mặt vật liệu

của ống sinh hơi tăng lên làm tốc độ xói mòn cũng tăng lên dẫn đến quá trình phá hủy bề mặt

xảy ra (hình 1d) Đặc biệt, quá trình xói mòn càng mãnh liệt khi bột than cháy không hoàn toàn trong buồng đốt của lò hơi, lúc đó các hạt bột than này sẽ va chạm cọ sát vào bề mặt ống sinh hơi làm cho quá trình phá hủy bề mặt càng xảy ra nhanh hơn

Hư hỏng dạng ăn mòn xói mòn xảy ra bên trong đường ống (hình 1e) do chất lượng nước cấp vào lò hơi [8] Dưới nhiệt độ và áp suất, các thành phần trong nước có thể hòa tan chuyển thành chất rắn dạng hạt dưới dạng tinh thể hoặc dưới dạng vô định hình và khi vượt quá ngưỡng hòa tan của các thành tố trong nước, cặn bám sẽ xuất hiện bên trong đường ống Ngoài ra, có thể do hơi nước bị nhiễm bẩn bởi bọt hình thành trên bề mặt khối nước và bị

phần hơi lôi cuốn theo Những cặn bám này làm tăng nhiệt độ của ống sinh hơi dẫn tới sự quá nhiệt của vật liệu làm giảm độ bền và hư hỏng đường ống [9]

3.2 Nghiên c ứu tổ chức tế vi

Tổ chức tế vi của thép SA 210 C ở trạng thái cân bằng bao gồm ferit có màu sáng và peclit có màu tối (hình 2) [10] Từ ảnh tổ chức tế vi chụp bởi kính hiển vi điện tử quét (hình 4), ta thấy tổ chức của peclit có dạng tấm được phân bố đan xen với tổ chức ferit

b) Ống sau 3 năm

sử dụng

Hình 1: Hình ảnh ống sinh hơi chưa sử dụng, sau khi sử dụng

và một số dạng hỏng thường xảy ra

a) Ống chưa sử

d ụng

d) Xói mòn

b ề mặt ngoài

e) Ăn mòn xói mòn

c)Hư hỏng dạng

“mi ệng cá”

Quan sát tổ chức tế vi bề mặt ngoài và bề mặt trong (hình 3a, c), ta thấy bề mặt trong và

bề mặt ngoài đều có sự xuất hiện vết nứt

Phương pháp hiển vi điện tử quét và phân tích phổ EDS cho thấy rằng xuất hiện lớp kết

tủa ở bề mặt bên trong của đường ống với thành phần cấu tạo lớp kết tủa được tìm thấy gồm

Fe, O, Mn, Si (hình 5) Các hợp chất của Fe và Mn đã tạo lớp kết tủa có màu vàng nhạt, sau khi tiếp xúc với oxy nó sẽ tạo lớp kết tủa màu nâu (hình 1) Mặt khác, ở nhiệt độ cao (400 –

600oC) xảy ra phản ứng giữa Si với O2 tạo ra oxit SiO2không tan trong nước tạo kết tủa, các

Hình 2: Tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (x500)

a) B ề mặt bên ngoài của ống b) V ị trí giữa của ống

c) Bề mặt bên trong của ống Hình 3: Ảnh hiển vi quang học của tổ chức tế vi thép

sau 3 năm sử dụng (x500)

kết tủa này gây ra tắc nghẽn đường ống, tạo thành lớp cách nhiệt và cản trở sự trao đổi nhiệt gây nên tình trạng nồi hơi quá nhiệt làm nứt đường ống kim loại Hình 3b cho thấy tổ chức tế

vi phía bề ngoài đường ống bị suy thoái do quá nhiệt Đồng thời, ống sinh hơi làm việc trong môi trường nhiệt độ cao (bên ngoài nhiệt độ buồng đốt 900oC, bên trong nhiệt độ hơi 540oC),

phản ứng oxy hóa giữa Fe và H2O xảy ra mãnh liệt có thể gây ra hư hỏng do hydro theo phản ứng sau (hình 3c):

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4[H]; Si + O2→ SiO2

Như vậy, để khắc phục các nguyên nhân hư hỏng do ăn mòn hóa học và nhiệt độ thì ống sinh hơi có thể được làm bằng vật liệu thép không gỉ SUS 304L hoặc 306L Đây là loại thép

có hàm lượng cacbon thấp làm giảm nguy cơ mẫn cảm và cải thiện khả năng chống ăn mòn

của mối hàn, đồng thời trong thành phần thép không gỉ này có hàm lượng molipden cao sẽ làm tăng tính chống ăn mòn hóa học và crôm có trong thép tạo lớp mỏng ôxit Cr2O3 rất vững

chắc bao phủ trên bề mặt thép cũng làm tăng khả năng chống ăn mòn và độ bền ở nhiệt độ cao Ngoài thép không gỉ có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc trên còn có một số loại thép

hợp kim như T11 (1% Cr), T22 (2,25% Cr – 1% Mo)

Hình 4: Ảnh hiển vi điện tử quét của tổ chức tế vi thép sau 3 năm sử dụng

Hình 5: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phân tích phổ (EDS) phần bị kết tủa

ở bề mặt bên trong của đường ống

3.3 Xác định chiều dày định mức cho phép

Theo TCVN 7704: 2007, nồi hơi cần phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, kết

cấu chế tạo, lắp đặt, sử dụng và sửa chữa Ta có chiều dày định mức cho phép của ống sinh hơi, chịu áp lực bên trong được xác định bởi công thức sau:

Trong đó:

S: Chiều dày tối thiểu cho phép (mm)

P: Áp lực bên trong đường ống(P = 1,8 kg/mm2)

Dn: Đường kính ngoài của ống (D = 63,5 mm)

φ: Hệ số bền do mối hàn học thân (ống thép đúc nên φ =1)

σcp: Ứng suất cho phép của SA 210 C(σcp = 33,2 kg/mm2), tra bảng [11]

C: Trị số bù chiều dày (C = 1 mm)

Thay các thông số vào công thức (*), ta được: S = 2,68 mm

Như vậy, để điều kiện bền được đảm bảo thì chiều dày tối thiểu của đường ống sinh hơi

là 2,68 mm Để dự đoán trước nguy cơ xảy ra hư hỏng của đường ống sinh hơi sử dụng máy siêu âm đo chiều dày của các đường ống tại thời điểm khảo sát và so sánh với chiều dày định

mức tối thiểu Khi chiều dày đường ống S < 2,68 mm thì có thể xảy ra hư hỏng, điều này được khắc phục thực tế bằng cách hàn các đoạn ống mới thay thế cho các đoạn ống với chiều dày nhỏ hơn giá trị S

4 K ẾT LUẬN

Qua các kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra một số các kết luận sau:

- Tổ chức tế vi của thép SA 210 C ở trạng thái cân bằng gồm ferit (vùng sáng) và peclit (vùng tối)

- Sau 3 năm sử dụng, xuất hiện các vết nứt tế vi ở bề mặt bên trong và bề mặt bên ngoài

của đường ống, nguyên nhân do quá trình ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay quá nhiệt

- Thành phần kết tủa ở bề mặt trong đường ống được tìm thấy gồm Fe, O, Mn, Si Trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao, hợp chất của các nguyên tố này tạo thành kết tủa gây cản trở quá trình trao đổi nhiệt làm nồi hơi quá nhiệt dẫn đến hiện tượng nứt trong ống sinh hơi

- Kết quả tính toán chỉ ra rằng, với chiều dày định mức cho phép S ≥ 2,68 mm, thì điều

kiện bền được đảm bảo cho ống sinh hơi

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Prabu, S Senthur, et al "Investigation on the Mechanical Properties of SA 210C Tubular

Joints." Procedia Engineering 75 (2014): 103-107

[2] Chaudhuri, Satyabrata "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic

principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99

[3] Smith, B J., and A R Marder "A metallurgical mechanism for corrosion-fatigue

(circumferential) crack initiation and propagation in Cr-Mo boiler tube steels." Materials characterization 33.1 (1994): 45-50

[4] Abou-elazm, A Saad, et al "Failure investigation of secondary super-heater tubes in a

power boiler." Engineering Failure Analysis 16.1 (2009): 433-448

[5] Chaudhuri, Satyabrata "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic

principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99 [6] Sami Ibrahim Jafar “Failure Characteristics Of Boiler Pipes In Al-Emsaeb Electric Power Plants” Journal of Babylon University/Engineering Sciences No.(1) Vol.(20):

201

[7] ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States

[8] A.Galerie, Nguyễn Văn Tư, “Ăn mòn và bảo vệ vật liệu”, NXB KHKT, số

486-69-18/7/2002, 9-2002, tái bản có bổ sung 3-2008

[9] Các vấn đề thường gặp trong lò hơi: http://longtruongvu.vn/cac-van-de-thuong-gap-trong-lo-hoi/

[10] Lê Công Dưỡng, “Vật liệu học”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997

[11] The American Society of Mechanical Engineers, “2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Part D – Properties”, Three Park Avenue, New York, NY, 10016 USA

THÔNG TIN LIÊN H Ệ TÁC GIẢ

ThS Lê Th ị Giang

Bộ môn Công Nghệ Cơ Khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi

Email: ltgiang@tlu.edu.vn

Tel: 0917.075.016