Tìm hiểu và tính toán hệ số cường độ ứng suất

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).

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

iv

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

Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến tác động của các môi trường làm việc trongnhà máy tới các thiết bị Ví dụ như: phóng xạ gây ra sự ăn mòn của thép [1], hay ảnh

luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến vật liệu của bình sinh hơi thôngqua 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 vàphổ 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 hơn3,000 chuyên gia trong lĩnh vực phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chấtlưu, điện tử, bán dẫn, phần mềm nhúng và thiết kế tối ưu Với 40 năm hình thành vàphát triển, ANSYS là công ty phần mềm mô phỏng kỹ thuật lớn nhất thế giới, có hơn45,000 khách hàng, bao gồm 96 công ty trong 100 công ty công nghiệp theo tập chíFORTURE 500 đánh giá [3] Và vì thế, trong bài khóa luận này đã sử dụng phầnmềm 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 thựcnghiệm và có kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả tính toán lý thuyết

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG

HẠT NHÂN VVER-10001.1 Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000

Nhà máy điện hạt nhân là một hệ thống thiết bị điều khiển và kiểm soát phảnứng 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 quacác thiết bị của nhà máy Hình 1 mô tả sơ đồ mình họa nhà máy điện hạt nhân loại lòVVER-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 vònglàm mát tách biệt nhau, điều này giảm thiểu khả năng rò rỉ phóng xạ ra môi trườngbên 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 nhiênliệu 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 dẫngọi là “hot leg”

- Bình sinh hơi là một bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt từ vòng sơ cấp truyềnqua vòng thứ cấp bằng cách đun nước vòng thứ cấp tạo thành hơi nướcquay 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 đượcđưa tới hệ thống cân bằng (balance of plat systems) Phần lớn hơi nướcsinh ra trong bình sinh hơi được đưa tới tua bin để làm quay tua bin phátđiện

- Sau khi làm quay tua bin, hơi nước được bơm tới hệ thống ngưng tụ vàđược 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 bìnhsinh hơi

1.2 Bình sinh hơi

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

3

Hình 2 Bình sinh hơi [4]

Thùng bình sinh hơi được thiết kế để đặt trong tòa nhà lò (containmentbuilding) Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và cácvòi được hàn vào Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bêntrong từ vòng sơ cấp [4]

Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5 cm mỗi ốngđược bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 2 Các bó ống được kết nối với bộthu vòng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quang điện argon trên bềbên 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 ốngtrao đổi nhiệt Bề mặt trong của bộ thu được phủ hai lớp chống ăn mòn Tấm phânphối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi Tấm có lỗ được bố trí dưới mựcnước 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 nướccấp 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 độngnăng 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

Hình 3 Mặt cắt dọc bình sinh hơi [4]

5

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

Thông số

Công suất hơi, t/h

Áp suất tại lối ra SG, MPa

Độ ẩm hơi tại lối ra SG, %

1.3 Môi trường làm của bình sinh hơi

- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao

Giá trị

14706.273212912201640.20

Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầuvào chân nóng (inlet) là 593.15  3.50K, áp suất khoảng 15.7  0.3 MPa nên nước ởthể lỏng Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552 K tại áp suất 6.28 0.20 MPanước tồn tại ở dạng hơi Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổinhiệt 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 đượcsản sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo ra môi trường trong lò có hoạt

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, O2eaq , H Các ion

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

H2  H2+(ads) + e- (3)

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 sắtchứa hơn 11% kim loại Crom và vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệnhư một lớp chống oxi hóa thụ động Lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thànhchủ yếu bởi kim loại Crom Thép không rỉ thường được chia thành nhiều loại dựatrên cấu trúc vi mô của chúng Theo đó, sẽ có bốn loại thép không gỉ là thép không rỉferritic, austenitic, martensitic và duplex (bảng 3)

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

7

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 thépcacbon 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 trongbình 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 1000

VVER 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 trongNMĐHN

9

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 vậtliệu rắn chịu lực Mục tiêu chính trong lĩnh vực này là mô hình hóa sự biến dạng củamột vật liệu cụ thể dưới tác dụng của nhiều loại tải khác nhau Chương này sẽ cungcấp kiến thức tổng quan về những phần liên quan đến chương sau về cơ học hành vivật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũngnhư giới thiệu các khái niệm về các loại liên kết, các loại khuyết tật, ứng suất, sự biếndạng, 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 làcác liên kết sơ cấp Trong đó, bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa haiion mang điện tích trái dấu Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa cácnguyên tử bằng một hay nhiều cặp điện tử góp chung và liên kết kim loại là liên kếtbên trong các kim loại, là sự chia sẻ các điện tử tự do giữa các nguyên tử kim loạitrong mạng lưới tinh thể Ngoài các lực liên kết sơ cấp được kể ở trên, trong liên kếtgiữa hai nguyên tử còn có loại liên kết yếu hay liên kết thứ cấp Van der Waals là liênkết 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 sơcấp này có hành vi tương tự về mặt mô tả toán học của thế năng trong một số hìnhthức, thế năng L-J cũng được dùng để mô tả liên kết của kim loại, mặc dù nó khônghoàn toàn chính xác cho liên kết kim loại [6] Một phiên bản khái quát cho thế năngL-J được cho bởi:

F r  

Các nguyên tử ở trạng thái cân bằng khi lực tác dụng lên chúng giảm xuống

F  r0  0tại khoảng cáchr0 Phương trình trên sẽ bằng 0 khi khoảng cách là:

Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tậtSchottky [8] Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạnglưới tinh thể ra ngoài và xuất hiện một lỗ trong hình 7b Để quá trình xảy ra cần phải

luôn có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạnglưới tinh thể có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann Nó phụ thuộc vào năng lượngcần thiết để tạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằngnhiệt Với n là số lượng lỗ trống, N là số lượng nguyên tử trong mạng tinh thể lýtưởng thì phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trongtinh thể lý tưởng được cho như sau [8]:

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

Trong đó:

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, đượcbiết đến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen

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 mộtcách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các vịtrí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinh thểlớn 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 hoàntoàn và hiện diện trong tinh thể chính hoặc một nguyên tử xếp nhầm vào tinh thểchính làm phá vỡ tính tuần hoàn cục bộ Các tạp chất chiếm những vị trí mạng bêntrong 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 tốhợp kim, nguyên tử carbon sẽ cản trở chuyển động sự rối loạn của các nguyên tử tinhthể làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim Các tạp chất cũng có khả năngkhuếch 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 sửdụng trong khuếch tán hóa học Nếu nồng độ của một chất tan trong một vùng củadung dịch lớn hơn một vùng khác, thì chất tan khuếch tán từ vùng có nồng độ caohơn sang vùng có nồng độ thấp hơn Hơn nữa, tốc độ của dòng chất tan tỷ lệ vớigradient 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 điểmkhuyết 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 năngphát sinh từ môi trường xung quanh Do vậy sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độvật liệu và năng lượng cần thiết (gọi là năng lượng kích hoạt để tạo ra một sự chuyểnđổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác) Dòng hạt

J N d của hạt được cho bởi định luật Fick [8]

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 vịgóc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinhthể, được thể hiện ở hình 8a Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể, ứng suất cầnthiết 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 cónhững phần của mặt phẳng liền kề thay đổi các vị trí ràng buộc Cuối cùng, sau vàibước tương tự, kết quả cuối cùng sẽ giống nhau nếu toàn bộ mặt liền kề bị trượt trongmột 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 độlực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 9) Trong thanh sẽ sinh ra mộtnội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn trục Lực trên một đơn vịdiện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là  , dùng để mô tả nội lực bên trong tại mỗiđiểm Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thểđược mô tả bằng ứng suất trung bình đối với tiết diện này [9] Vì vậy:



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 ứngsuất) dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo (nén) dài ra (co lại) như hình 10

 được cho bởi:



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

15

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

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

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 tiếtdiện A’) Lực tác dụng trên mỗi đơn vị diện tích cho trường hơp này gọi là ứng suấtnghiêng Ứng suất nghiêng tại mỗi điểm được mô tả bằng ứng suất xiên trung bìnhchia cho tiết diện thanh đó [9] Do đó:

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

theo hướng i, j trong mặt phẳng tọa độ

16

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 chiềucao 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 độngứng suất nghiêng sẽ làm nó biến dạng Sự biến dạng này được gọi là biến dạng

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

trình thay đổi nhiệt độ) như là một yếu tố tỷ lệ Biến dạng nhiệt được cho bởi côngthức 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]

18

Mô hình vật liệu theo phương trình (19) chỉ có giá trị đến cường độ bền nhất

Quan hệ giữa biến dạng nghiêng và ứng suất xiên được mô hình hóa như sau[9]:

(20)Trong đó:

G là mô đun đàn hồi nghiêng của vật liệu

là độ biến dạng nghiêng

là ứng suất nghiêng

Đối với các vật liệu đàn hồi tuyến tính đẳng hướng trong không gian ba chiều,các biến dạng bởi ứng suất theo từng hướng và biến dạng gây ra bởi sự thay đổi nhiệt

độ có thể chồng lên nhau Vì vậy, trong hệ tọa độ Đề Các, tổng biến dạng theo hướng

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

Một trường hợp đặc biệt trong định luật Hooke tổng quát là khi ứng suất theo



x  1

 x   y  T E



y  1  y   x T E



z

1 x  y 

T E

20

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

z  yz  zx  0 và định luật Hook tổng quát được viết là:

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

(34)(35)(36)

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 ứngsuất áp vào để làm biến dạng vĩnh viễn Hình 14 thể hiện quan hệ giữa ứng suất vàbiến dạng của thép không gỉ với độ biến dạng 0.2% thì thép không gỉ mới bắt đầubiến dạng vĩnh viễn

2.8 Nứt

Khi mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại lựctác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của cáchạt (transgranular) Ngược lại với gãy transgranular là gãy intergranular, gãyintergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ

Các dạng nứt cơ bản được mô tả ở hình 15

21

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 tậptrung, để biểu thị cho mức độ tập trung của ứng suất tại vùng gần đỉnh của vết nứtngười 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 (hình16):

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

r là khoảng cách từ đỉnh vết nứt tới nhân đang xét

cường độ ứng suất KI, KII, KIII

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

- Dạng nứt gãy I

Trường ứng suất

23

zz  xx yy trong trường hợp biến dạng phẳng

 là mô đun đàn hồi trượt

24

(52)

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]

25

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]

K I   a

  1.12  0.41    4.78   15.44  

 w   w   w 

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]

(58)(59)

(60)(61)

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

 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 hydrotrong kim loại, ứng suất, biến dạng, hệ số cường độ ứng suất, cách tính lý thuyết tínhtoán 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 sựhỏng hóc xảy ra chậm trong quá trình làm việc của vật liệu kỹ thuật, gây ra sự lantruyền vết nứt Quan sát sự lan truyền vết nứt là kết quả của sự kết hợp giữa tương tácứng suất và các phản ứng ăn mòn hóa học Các ứng suất kéo của SCC có thể là cácứng suất dư trong quá trình chế tạo hoặc ứng suất được hình thành trong quá trình làmviệc của thiết bị Trong một số hợp kim hoặc môi trường, SCC xảy ra tại ứng suấtdưới 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 nhanhchóng của thép mà không có dấu hiệu báo trước vì thế nó được coi là cực kỳ nguyhiểm Một số thảm họa lớn xảy ra với nguyên nhân là do SCC của thiết bị thép baogồm: vỡ các đường ống truyền khí áp cao, các vụ nổ lò hơi gây thiệt hại nghiêm trọngtrong các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu Vết nứt SCC có thể là nứt do gãy liên kếtgiữa 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

29

- 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 chếđược đề suất được chia thành hai loại cơ bản là: cơ chế anot và cơ chế catot Tức làtrong quá trình ăn mòn, hai phản ứng tại anot và catot buộc phải xảy ra, và hiện tượngnày dẫn đến kết quả sự lan truyền vết nứt có thể kết hợp với một trong hai loại Cơchế thể hiện anot rõ ràng nhất là sự hòa tan hoặc loại bỏ vật liệu từ đầu vết nứt Cơchế 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 đềcập chi tiết hơn trong phần “cơ chế lan truyền vết nứt” ở chương III này Bằng cáchhòa tan, làm tan hóa học hoặc gãy cơ học (ductile or brittle) là nguyên nhân gây ra sựphá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử ở đầu vết nứt Cơ học gãy bao gồm nhữngquá trình phá hủy cơ học bình thường được kích thích hoặc được gây ra bởi một trongnhững phản ứng sau đây giữa vật liệu và môi trường [12]

- Sự hấp thụ của các loại môi trường

- Các phản ứng bề mặt

- Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt

- Lớp màng bề mặt (surface films)

Tất cả các cơ chế gãy cơ học được đề xuất chứa một hoặc nhiều phản ứng trên

và đây cũng là một bước cần thiết trong việc xác định quá trình SCC

Các cơ chế được đề suất cho SCC yêu cầu những quá trình cụ thể hoặc sự kiện

cụ thể xảy ra theo trình tự để sự lan truyền vết nứt là có thể Các yêu cầu này giảithích vùng ổn định (the plateau region) mà ở đó tốc độ lan truyền vết nứt là độc lậpvới các ứng suất cơ học được áp vào Hình 23 minh họa đầu vết nứt trong đó sự lantruyền vết nứt là kết quả từ của phản ứng hóa học với đầu kim loại của vết nứt đanglan truyền Ví dụ này được chọn vì nó tối đa hóa các bước có thể xảy ra Kiểm trahình 23 cho thấy “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm:

- Các phản ứng trong dung dịch gần vết nứt

- Sự hấp phụ bề mặt ở hoặc gần đầu vết nứt

- Khuếch tán bề mặt

- Các phản ứng bề mặt

- Hấp thụ vào số lượng lớn

- Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ở đầu vết nứt thêm

- Các phản ứng hóa học với số lượng lớn

- Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử

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

Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong môitrường lỏng, bao gồm những thông số sau [12]:

Sự thay đổi bất kỳ tham số nào trên đây đều có thể ảnh hưởng đến “các bướckiểm soát tốc độ”, hoặc là tăng lên hoặc là giảm đi tốc độ lan truyền vết nứt.

3.2 Khởi tạo SCC

Khởi tạo SCC là khoảng thời gian cần thiết để đạt được điều kiện môi trườngcục bộ ở các khuyết tật Những khuyết tật này có thể từ các quá trình gia công, trầyxước, rỗ hoặc các vết rạn ăn mòn do phá vỡ liên kết Trước khi bắt đầu quá trình khởitạo, các chất hóa học môi trường cục bộ phải phù hợp cho việc khởi tạo vết nứt đượcthiết lập Giai đoạn này rất quan trọng đối với các vật liệu thụ động hay chủ động nhưthép không gỉ austenite vì môi trường ở đầu vết nứt khác với môi trường tổng thể vàmôi trường ở đầu vết nứt là rất quan trọng cho việc khởi tạo và lan truyền vết nứt.Thời gian này còn được gọi là “ thời gian cảm ứng (induction)” hoặc là “thời gian ủbệnh (incubation)” chiếm phần lớn thời gian trước khi diễn ra sự gãy Do đó, khởi tạoSCC có thể được mô tả qua hai thông số [14]

diện của các vết nứt tồn tại trước đó)

triển đối với đồng thâu trong dung dịch anoniac;  là ứng suất được áp vào;

của mẫu

Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng vết nứt và thời gian tại những gian đoạnkhác nhau của sự lan tuyền vết nứt được thể hiện ở hình 24 Thời gian ủ bệnh phụ