Luận án tiến sĩ kĩ thuật vật liệu 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

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến cơ tính ống thép chịu nhiệt hợp kim thấp, phân tích hiệu quả ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Thu Hiền
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Anh Hòa
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Và Thời Gian Đến Tính Chất Ống Thép Chịu Nhiệt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu về nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng đến tính chất ống thép chịu nhiệt là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật vật liệu. Ống thép chịu nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện, nơi mà nhiệt độ và áp suất cao là điều kiện làm việc chính. Việc hiểu rõ về ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian đến tính chất vật liệu giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của ống thép. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc tế vi của thép, từ đó ảnh hưởng đến cơ tính của nó. Đặc biệt, thí nghiệm ống thép cho thấy sự hình thành các vết nứt và lỗ rỗng có thể xảy ra khi ống thép làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.

1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là một yếu tố quyết định trong quá trình vận hành của ống thép chịu nhiệt. Khi nhiệt độ tăng, các phản ứng hóa học và vật lý trong thép diễn ra mạnh mẽ hơn, dẫn đến sự thay đổi trong tính chất vật lý và cơ tính. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ cao có thể làm giảm độ bền kéo và độ dẻo của thép, đồng thời làm tăng khả năng hình thành các vết nứt. Các thí nghiệm cho thấy rằng ở nhiệt độ từ 500 đến 700 độ C, tính chất vật liệu của thép P11 và P22 bị suy giảm rõ rệt. Điều này có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng trong quá trình vận hành của nhà máy nhiệt điện.

1.2. Ảnh hưởng của thời gian

Thời gian làm việc của ống thép cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi thời gian làm việc kéo dài, tính chất cơ học của thép sẽ bị suy giảm do hiện tượng rão. Sự tích tụ của các lỗ rỗng và sự hình thành của các pha không mong muốn trong cấu trúc tế vi của thép là những yếu tố chính dẫn đến sự giảm sút này. Thí nghiệm cho thấy rằng, sau 72 giờ làm việc ở nhiệt độ cao, tính chất vật liệu của thép P22 có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng, dẫn đến khả năng hư hỏng cao hơn. Việc theo dõi và đánh giá thời gian làm việc là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các hệ thống ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận án này bao gồm các bước thí nghiệm và phân tích nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến tính chất ống thép chịu nhiệt. Các mẫu thép P11 và P22 được chuẩn bị và kiểm tra trong các điều kiện khác nhau về nhiệt độ và tải trọng. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị hiện đại như hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để phân tích cấu trúc tế vi và thành phần hóa học của thép. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quý giá về tính chất vật liệu và cơ chế gây hư hỏng của ống thép trong điều kiện làm việc thực tế.

2.1. Quy trình thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm bao gồm việc đặt mẫu thép P11 và P22 vào lò nung để đạt được nhiệt độ mong muốn. Sau đó, các mẫu sẽ được kiểm tra cơ tính bằng phương pháp thử kéo. Các mẫu cũng sẽ được quan sát dưới kính hiển vi để xác định tổ chức tế vi. Việc phân tích thành phần hóa học sẽ được thực hiện bằng phương pháp EDS để xác định sự phân bố của các nguyên tố hợp kim trong thép. Quy trình này giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

2.2. Phân tích kết quả

Sau khi thực hiện thí nghiệm, các kết quả sẽ được phân tích và so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành. Việc phân tích sẽ tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian và tính chất vật liệu. Các số liệu thu được sẽ được sử dụng để xây dựng các mô hình dự đoán về khả năng hư hỏng của ống thép trong điều kiện làm việc thực tế. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả vận hành của nhà máy nhiệt điện mà còn góp phần vào việc cải thiện an toàn trong quá trình sử dụng.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất ống thép chịu nhiệt. Các thí nghiệm cho thấy rằng, khi nhiệt độ tăng lên, cơ tính của thép P11 và P22 giảm đi rõ rệt. Đặc biệt, ở nhiệt độ 700 độ C, sự hình thành các lỗ rỗng và vết nứt trong cấu trúc tế vi của thép diễn ra nhanh chóng. Điều này cho thấy rằng, việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian làm việc là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của ống thép. Ngoài ra, các kết quả cũng chỉ ra rằng, thời gian làm việc kéo dài có thể dẫn đến hiện tượng rão, làm giảm đáng kể tính chất vật liệu.

3.1. Phân tích cơ tính

Phân tích cơ tính của thép P11 và P22 cho thấy rằng, ở nhiệt độ cao, độ bền kéo và độ dẻo của thép giảm mạnh. Các thí nghiệm cho thấy rằng, sau 72 giờ làm việc ở nhiệt độ 600 độ C, độ bền kéo của thép P22 giảm xuống dưới mức cho phép. Điều này có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng trong quá trình vận hành của nhà máy nhiệt điện. Việc theo dõi và đánh giá cơ tính của thép là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các hệ thống ống dẫn hơi.

3.2. Đánh giá tổ chức tế vi

Đánh giá tổ chức tế vi của thép P11 và P22 cho thấy rằng, sự hình thành các pha không mong muốn và lỗ rỗng là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm tính chất vật liệu. Các hình ảnh từ kính hiển vi điện tử cho thấy sự xuất hiện của các lỗ rỗng ở biên giới hạt, điều này cho thấy rằng, nhiệt độ và thời gian làm việc có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của thép. Việc hiểu rõ về tổ chức tế vi sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất và vận hành của ống thép trong các nhà máy nhiệt điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Sơ lược về nhà máy nhiệt điện 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. 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),.1 Tỷ lệ sản xuất điện từ các nguồn khác nhau năm 2019 10 Năm 2019, nhiệt điện chiếm 58,4 % tổng lượng điện sản xuất, như trong hình 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. 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.1 Dự báo công suất điện từ các nguồn vào năm 2020 và 2030 [1] 2020 2030 Nguồn điện Công suất Tỷ lệ công Tỷ lệ sản Công suất Tỷ lệ công Tỷ lệ sản (MW) suất (%) phẩm (%) (MW) suất (%) 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. 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 11 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. 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 Môi chất làm việc và nhiệt độ làm việc trong đường ống dẫn hơi Cấp ống Thông số giới hạn của môi chất Môi chất làm việc dẫn Nhiệt độ, oC Áp suất, MPa A - Hơi quá nhiệt Lớn hơn 580 Không giới hạn B - Hơi quá nhiệt Trên 540 đến 580 Không giới hạn 1 C - Hơi quá nhiệt Trên 450 đến 540 Không giới hạn D - Hơi quá nhiệt Đến 450 Lớn hơn 3,9 E - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Lớn hơn 8,0 A - Hơi quá nhiệt Trên 350 đến 450 Đến 3,9 2 B - Hơi quá nhiệt Đến 350 Từ 2,2 đến 3,9 C - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Từ 3,9 đến 8,0 A - Hơi quá nhiệt Trên 250 đến 350 Đến 2,2 3 B - Hơi quá nhiệt Trên 250 Từ 1,6 đến 2,2 C - Nước nóng và hơi bão hòa Lớn hơn 115 Từ 1,6 đến 3,9 A - Hơi quá nhiệt và hơi bão hòa Trên 115 đến 250 Trên 0,07 đến 1,6 4 B - Nước nóng Lớn hơn 115 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 CO 2 [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. 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. 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.

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.3 Vết nứt nhỏ trên ống thép [3] 1. 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 13 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.4 Ăn mòn trên ống thép [3] 1. Rò rỉ quá mức Tốc độ rò rỉ 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.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. Phá hủy nghiêm trọng Dạng phá hủy có hậu quả nghiêm trọng nhất là vỡ ống (hình 1. 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.6 Ống thép P22 hư hỏng tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả 1. Ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến ống dẫn hơi 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 15 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. 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 khả năng 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].