khóa luận tốt nghiệp đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000

Kết luận chương 2...13 CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN .... CHƯƠN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN



NGUYỄN ĐĂNG THỨC - 1410718

ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA 2014 - 2018

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Đà Lạt, ngày… tháng… năm ……

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Đà Lạt, ngày… tháng… năm ……

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân vàQuý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em đã từng học, đã nhiệt tình truyền dạykiến thức và tạo môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tạitrường Đại học Đà Lạt

Em xin cảm ơn gia đình và các bạn cùng lớp HNK38 đã hỗ trợ và đồng hànhcùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt

Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn ThịNguyệt Hà, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hoàn thành khóa luận này

Lâm Đồng, tháng 12, năm 2018

NGUYỄN ĐĂNG THỨC

DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

adsKLNMĐHNPWRSCCVVER

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 2

1.1 Giới thiệu lò VVER-1000 2

1.2 Bình sinh hơi 3

1.3 Kết luận chương 1 5

CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 6

2.1 Các khái niệm cơ bản về vật liệu 6

2.1.1 Khuyết tật 6

2.1.2 Khuếch tán 7

2.1.3 Ứng suất 8

2.1.4 Nứt 9

2.2 Thép không gỉ 10

2.3 Kết luận chương 2 13

CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 14

3.1 Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất 14

3.2 Khởi tạo SCC 16

3.3 Lan truyền SCC 18

3.4 Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ 20

3.5 Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của clorua 24

3.6 Hệ số cường độ ứng suất 27

3.7 Kết luận chương 3 31

CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT,

THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT

TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T 32

4.1 Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất KI 33

4.2 Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T 35

4.3 Kết quả tính toán độ mở vết nứt trung bình hằng năm 37

4.3 Kết luận chương 4 39

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 2Bảng 1.2 Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi 5Bảng 2.1 Thành phần hóa học (%) khác ngoài sắt (Fe) của một số thép không gỉ 12dùng trong NMĐHN 12Bảng 4.1 Các thông số để tính nồng độ hydro có trong thép 32Bảng 4.2 Các thông số để tính hệ số cường độ ứng suất 32Bảng 4.3 Kết quả hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ 33Bảng 4.4 Kết quá tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T35

Bảng 4.5 Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ 37

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 2

Hình 1.2 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 4

Hình 2.1 (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky 7

Hình 2.2 Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ 8

Hình 2.3 Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 9

Hình 2.4 Các dạng nứt cơ bản 9

Hình 3.1 a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt 14

Hình 3.2 Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt 16

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC 18

Hình 3.4 Phân tử nước và phân tử hydroni 21

Hình 3.5 Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt 21

Hình 3.6 Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ 22

Hình 3.7 Quá trình hình thành các bước trượt tại các nút mạng tinh thể 23

kim loại 23

Hình 3.8 Các dạng liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại 23

Hình 3.9 Mô hình tách CrCl ra khỏi thép không gỉ 263 Hình 3.10 Vùng đàn hồi trên vật liệu 28

Hình 4.1 Sự phụ thuộc giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro 34

Hình 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng 36

Hình 4.3 Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua 38

MỞ ĐẦU

Bình sinh hơi là một trong những bộ phận quan trọng của nhà máy điện hạtnhân Chức năng của bình sinh hơi là lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước ở vòngthứ cấp tạo hơi với áp suất cao làm quay tua bin phát điện Việc các ống trao đổinhiệt, cũng như lớp vỏ bên trong bình sinh hơi phải làm việc trong những môitrường rất khắc nghiệt như: môi trường có tính oxy hóa cao, sự chênh lệch nhiệt độ,

áp suất; có hoạt độ phóng xạ lớn,… Có tác động rất lớn đến khẳng năng làm việclâu dài của chúng Các tác nhân này có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cấu thành chúng,gây ra các hiện tượng như gãy nứt, ăn mòn, làm giảm tuổi thọ của vật liệu Vậy nên,việc đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy cho các thiết bị NMĐHN là cần quan trọng

và cần chú ý trong nghành kỹ thuật hạt nhân Do đó, tìm hiểu và nghiên cứu về sựhình thành và phát triển vết nứt, cũng như tính toán được thời gian làm việc của vậtliệu (đến khi hư hỏng) là những kiến thức cần thiết chúng ta cần có, nhằm nâng cao

độ an toàn cho các thiết bị NMĐHN

Mục đích chính của khóa luận này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của cloruađến nồng độ hydro trong thép austenit 08X18H10T Từ đó, có thể tính toán đượctuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất và độ mở vết nứt trung bình hằng nămcủa nó bằng các công thức bán thực nghiệm

Khóa luận được trình bày thành 4 chương như sau:

Chương 1- Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000

Chương 2- Các khái niệm về cơ học vật liệu và thép không gỉ

Chương 3- Sự lan truyền SCC trong vật liệu và phương pháp tính hệ số

cường độ ứng suất, tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong nhà máy điện hạtnhân

Chương 4- Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc

còn lại của vật liệu và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép 08X18H10T

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1 Giới thiệu lò VVER-1000

Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bịđiều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản

tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng ) truyền tới thiết bị sinh điện

Hình 1.1 Mô hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 [2]

Bảng 1.1 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 [2]

Tên nhà máy điện hạt nhânLoại lò phản ứng

Chất làm mátChất làm chậmPhổ neutronCông suất nhiệtCông suất điệnHiệu suất nhà máy điệnTuổi thọ trung bình

1.2 Bình sinh hơi

Bình sinh hơi là bộ phận trao đổi nhiệt được sử dụng để biến đổi nước thànhhơi nước từ nhiệt sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân Chúng được sử dụng trong các lòphản ứng nước áp lực (PWR) giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp Trong cácnhà máy điện thương mại, có hai đến bốn bình sinh hơi cho mỗi lò phản ứng; mỗibình sinh hơi có thể có chiều cao lên tới 70 feet (21 m) và nặng tới 800 tấn Mỗi

ngăn chặn sự sôi Truyền nhiệt diễn ra giữa lõi lò phản ứng và nước tuần hoàn vàchất làm mát sau đó được bơm qua phía ống chính của máy tạo hơi nước bằng máybơm làm mát trước khi quay trở lại lõi lò phản ứng Qúa trình này được gọi là vòng

sơ cấp Sau đó nước sẽ được “đun” sôi ở bên trong bình sinh hơi để tạo ra hơi nước,goi là vòng thứ cấp (nước sẽ được giữ ở áp suất thấp hơn so với vòng sơ cấp) Hơinước từ vòng thứ cấp được chuyển đến các tuabin để sản xuất điện Hơi nước sau đóđược làm lạnh qua nước làm mát và trở về máy phát hơi nước để được đun nóngmột lần nữa Nước làm mát có thể được tái tuần hoàn đến các tháp làm mát, nơi nó

được dùng cho quá trình làm mát của các NMĐHN có thể được cung cấp bởi mộtcon sông, hồ, hoặc đại dương

Các vòng lặp này cũng có vai trò an toàn quan trọng vì chúng tạo thành mộttrong những rào cản chính giữa các mặt phóng xạ và không phóng xạ của nhà máybởi vì chất làm mát sẽ bị “nhiễm” phóng xạ khi tiếp xúc với lõi trong quá trình làm

hơi cần được ưu tiên lên hàng đầu Cần tiến hành quan sát và kiểm tra thường xuyên

để phát hiện có sự hư hỏng vật liệu hay không, tránh lan truyền chất phóng xạ ramôi trường

Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòiđược hàn vào Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên trong

từ vòng sơ cấp Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5

cm mỗi ống được bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 1.2 Các bó ốngđược kết nối với bộ thu vòng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quangđiện argon trên bề bên trong của bộ thu Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉaustenitic

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 mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việccân bằng lượng hơi Bên trong bình sinh hơi, gần đáy thùng, do sự sắp xếp thíchhợp của bộ nước cấp và bộ thổi của bình sinh hơi nên tạo ra các điều kiện cho sựtích tụ nước với muối và các tạp chất khác

Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động

Hình 1.2 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi

1 Thùng bình

2 Vòi phun khi xảy ra nguy

hiểm

3 Vòi phun xuống

4 Ống trao đổi nhiệt

9 Vòi phun hơi nước

10.Ống phun hơi nước

11 Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp

12.Lối vào bình sinh hơi

Bảng 1.2 Cho biết một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi trong nhà

Bảng 1.2 Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi [2]

Thông số

Công suất hơi (t/h)

Áp suất tại lối ra SG (MPa)

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương 1 chúng ta tìm hiểu một số vấn đề như sau:

cơ bản

lý hoạt động và một số thông số kỹ thuật chính

CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 2.1 Các khái niệm cơ bản về vật liệu

Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vậtliệu rắn chịu lực Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liênquan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môitrường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũng như một số khái niệm cơ bản về vật liệu đểgiúp ta dễ hình dung hơn về quá trình nứt gãy, hay ăn mòn do tác động từ môi trườngđến vật liệu Đối tượng nghiên cứu chính là thép không gỉ

2.1.1 Khuyết tật

Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể kiểu khuyết tậtFrenkel Khuyết tật Frenkel là một kiểu khuyết tật biến thể được thêm vào, được biếtđến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen kẽtrong mạng tinh thể (xem hình 2.1a) Kiểu khuyết tật Frenkel tuân theo các định luậtnhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết tật kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ sốBoltzmann Một kiểu khuyết tật cũng phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật Schottky.Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới tinh thể rangoài và xuất hiện một lỗ trong hình 2.1b Để quá trình xảy ra cần phải cấp nănglượng Es cho nguyên tử bức ra Theo các tính chất nhiệt động lực học thì luôn có sựchuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạng lưới tinh thể

có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann Nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết đểtạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt [3]

Phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinhthể lý tưởng được cho như sau:

− Trong đó:

kB là hằng số Boltzmann,

n là số lỗ trống trong mạng tinh thể,

T là nhiệt độ tuyệt đối,

Hình 2.1 (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [3]

Từ phương trình (2.1) có thể nhận ra rằng, một tinh thể được hình thành ởnhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng các lỗ trống cao hơn Nếu tinh thể được làm nguộimột cách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các

vị trí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinhthể lớn hơn mức bình thường sẽ bị tiêu hủy bằng tính chất khuếch tán theo thời gian

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 [4]

2.1.2 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 [3]

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 chuyển

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

được cho bởi định luật Fick [3]:

Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ đang chịu tải với

cường độ lực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 2.2) Trong

thanh sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn

trục Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để

mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết

diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thể được mô tả bằng ứng suất trung bình đối

với tiết diện này [5] Vì vậy:

= ±

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

Hình 2.2 Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [6]

Hình 2.3 Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài [6]

Thứ nguyên của ứng suất là lực/(chiều dài)2, đơn vị thường dùng N/m2 (Pa –Pascal), MN/m2 (MPa – Mega Pascal)

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 2.3 Độbiến dạng được cho bởi:

=

Trong đó:

δ là chiều dài biến dạng,

L0 là chiều dài ban đầu của thanh

2.1.4 Nứt

Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoạilực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy củacác hạt (transgranular) Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãyintergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [5]

Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.4

Hình 2.4 Các dạng nứt cơ bản [4]

Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy.Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu

có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giòn

Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ cácvết rỗ tồn tại từ trước Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặtcủa các vết rỗ là không thể tránh được trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu

Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xácđịnh độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu Dạng nứt gãy tách (hình 2.4a) là dạngthường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất củadạng nứt gãy tách

Hệ số cường độ ứng suất là hàm của tải (loading), kích thước vết nứt và cấutrúc hình học của vết nứt Hệ số này được thể hiện ở công thức (2.6):

vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động, lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thànhchủ yếu bởi kim loại crôm Nó còn có tên gọi là thép họ 18 - 8 (> 18%Cr, > 8%Ni)được sử dụng nhiều nhất và chiếm tỷ lệ áp đảo trong thép không gỉ (ở Mỹ là 70%) là

do có các tính chất chống ăn mòn, công nghệ và cơ tính tốt

Môi trường làm việc của thép trong bình sinh hơi rất khắc nghiệt, chịu nhiềutác động như:

10

- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao:

Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu

nước tồn tại ở dạng hơi Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi

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

độ phóng xạ rất cao (các tia phóng xạ là n, α, β, γ) Các tia phóng xạ có tác động

Do trong lò phản ứng có hoạt độ phóng xạ cao, khi nước bị chiếu xạ sẽ bị phân

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

ăn mòn vật liệu bên trong bình sinh hơi

Để nâng cao tính chống ăn mòn phải làm cho thép có tổ chức một pha austenitđồng nhất, không cho phép có cacbit crôm Tiến hành austenit hóa bằng cách nung

nguội nhanh để cố định tổ chức này Thao tác này trong thực tế vẫn quen gọi là tôi vì

về hình thức công việc nó giống hệt tôi thông thường, song cần chú ý là nó không tạo

ra mactenxit cứng như khi thực hiện với thép kết cấu, dụng cụ, mà cố định tổ chức

Bảng 2.1 Thành phần hóa học (%) khác ngoài sắt (Fe) của một số thép không gỉ

dùng trong NMĐHN [7].

Loại thép

12X18H908X18H1008X18H10T12X18H9T

Các biện pháp giúp giảm quá quá trình ăn mòn thép không gỉ giữa các mốihàn:

xuống 0.03-0.04% thì càng tốt, tuy nhiên rất khó để làm được điều này vì chi phí tốnkém

ứng, do đó không thể hình thành cacbit crôm khi nung nóng Ví dụ: lượng titan đưavào ít nhất phải gấp 5 lần lượng cacbon (C) thực tế có trong thép và nhiều nhất cũng

Tuy nhiên, để có thể dùng được số lượng lớn, đảm bảo tính chống ăn mòn vật liệu tốt

2.3 Kết luận chương 2

Trong chương 2 đã tìm hiểu các vấn đề như sau:

- Khái niệm cơ bản về thép không gỉ và phân loại từng loại

- Môi trường làm việc của thép không gỉ 08Х18Н10Т bên trong bình sinh

13

CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

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

“Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC)” là thuật ngữ để diễn tả sự

hỏng hóc xảy ra chậm trong quá trình làm việc của vật liệu kỹ thuật, gây ra sự lantruyền vết nứt Sự lan truyền vết nứt là kết quả của sự kết hợp giữa tương tác ứngsuất và các phản ứng ăn mòn hóa học Các ứng suất kéo của SCC có thể là các ứngsuất 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) Hình3.1 cho thấy SCC giữa các hạt và trong các hạt Cơ chế SCC có thể khác nhau đối vớicác kết hợp hợp kim / môi trường khác nhau [8]

Hình 3.1 a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [9].

Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [9]:

- Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1

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

định

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 II 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 mộttrong những phản ứng sau đây giữa vật liệu và môi trường [8]

- 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 3.2 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 3.2 cho thấy “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm:

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

- 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 3.2 Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt [4].

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

môi trường ở đầu vết nứt khác với môi trường tổng thể và môi trường ở đầu vết nứt làrất 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 ủ bệnh (incubation)” chiếm phầnlớn thời gian trước khi diễn ra sự gãy Do đó, khởi tạo SCC có thể được mô tả qua haithông số [9]

- Thời gian ủ bệnh trước khi hình thành vết nứt tinc

- Ngưỡng tới hạn cơ học, được thể hiện dưới dạng ứng suất ngưỡng a0 (đối vớicác bề mặt nhẵn), hoặc là hệ số cường độ ứng suất tới hạn KISCC (có sự hiện diện củacác vết nứt tồn tại trước đó)

Vm là thế năng điện hóa học 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 3.3 Thời gian ủ bệnh phụthuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường Đối với mỗi loại kết hợp giữa vậtliệu và môi trường ở trạng thái ổn định thì có thời gian ủ bệnh cụ thể nhưng nếu trạngthái ổn định này bị phá vỡ bởi một lý do nào đó thì thời gian ủ bệnh có thể thay đổi.Nghiên cứu trước đây về SCC của thép không gỉ austenite trong dung dịch clorua đãchỉ ra rằng có một giai đoạn ủ bệnh dài trước khi vết nứt được khởi tạo

Một khi vết nứt được khởi tạo trước thời gian ủ bệnh nó sẽ lan truyền dưới sựkết hợp giữa môi trường ăn mòn và ứng suất kéo

17