MỞ ĐẦU Ăn mòn ứng lực (Stress Corrosion Cracking – sau đây viết tắt là SCC) là sự nứt vật liệu do tác động đồng thời của ứng suất kéo và môi trường ăn mòn. Dạng hư hỏng này rất nguy hiểm, vì nó xảy ra âm ỉ bên trong và làm giảm đáng kể độ bền cơ học của kim loại, mặc dù lượng kim loại tổn hao rất ít. Sự khởi đầu của SCC khó phát hiện khi thanh/kiểm tra, vết nứt tiếp tục phát triển trong khi các thiết bị đang làm việc và là nguyên nhân của quá trình gẫy cơ học rất nhanh, bất thình lình gây nên những sự cố hư hỏng thảm khốc như nổ đường ống vận chuyển khí áp lực cao, nổ nồi hơi cùng với sự phá hủy nhà máy điện, nhà máy hóa chất, lọc dầu. Một vài ví dụ tiêu biểu các tai nạn thảm khốc xảy ra có nguyên nhân chính do SCC phải kể đến: Sự cố sập Cầu Bạc năm 1967 do quá tải giao thông, trên sông Ohio tại Point Pleasant, Tây Virginia, Hoa Kỳ sau 39 năm đưa vào sử dụng, đã làm 46 người thiệt mạng [1]; Sự cố vỡ cánh tuốc bin hơi nước của nhà máy điện hạt nhân Hinkley Point Power Station tại Anh năm 1969 đã gây những tổn thất to lớn về vật chất và phá hủy máy móc thiết bị [2-3]; Sự cố hư hỏng lò phản ứng hạt nhân Flixborough ở Anh năm 1974 làm 28 người chết, một số người bị thương, và gây thiệt hại lớn về vật chất [4-5].
Thép không gỉ 304, 316 với thành phần hợp kim chính là 13-18% Cr, 8-11% Ni được bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim như Ti, Mo. làm tăng độ bền ăn mòn, độ dãn dài của vật liệu. Với độ bền ăn mòn cao, tính hàn tốt, các loại thép không gỉ này được sử dụng để chế tạo bồn chứa trong công nghiệp dầu khí, sản xuất phân bón; chế tạo các đường ống dẫn dầu/khí làm việc trong môi trường khí quyển (có hoặc không có lớp bảo vệ). Đặc biệt, trong công nghiệp điện hạt nhân, các loại thép không gỉ này được dùng làm bồn chứa nhiên liệu thải (waste nuclear fuel) với yêu cầu tuổi thọ trung bình 40 đến 60 năm [6-11].
Trước đây, phần lớn các nghiên cứu SCC của thép không gỉ (SUS 304 và 316) đều tập trung ở môi trường dung dịch chứa ion clorua với nhiệt độ ít nhất từ 50- 60oC. Tuy nhiên, theo nhiều thống kê trên thế giới, nhiều sự cố và tai nạn đã xảy ra do SCC khi các chi tiết/thiết bị vận hành ở điều kiện nhiệt độ không cao hơn nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển 2 biển/ven biển, do sự tích tụ ion Cl- trên bề mặt vật liệu tại những vị trí tập trung ứng suất (mối hàn, khuyết tật do quá trình sản xuất thép cán nguội thương mại, góc nhọn sắc…), đạt đến nồng độ tới hạn, gây xuất hiện SCC, vết nứt sau đó lan truyền theo biên hạt, xuyên hạt hoặc cả hai và dẫn đến gẫy chi tiết. Vì vậy, từ những năm 80, việc nghiên cứu SCC của thép không gỉ trong môi trường khí quyển ven biển đã được thế giới rất quan tâm. Và để chủ động ngăn chặn SCC, các nhà khoa học đã đề nghị thực hiện một trong các biện pháp sau: Giảm độ nhạy của vật liệu; Loại bỏ các tác nhân gây ăn mòn tương ứng với từng loại vật liệu sử dụng; Kiểm soát hoặc loại bỏ ứng suất tác động lên vật liệu.
Ở Việt Nam, cùng với sự phát triển của công nghiệp, khi các nhà máy hóa chất, phân bón, lọc dầu, v. được đưa vào hoạt động thì các dạng hư hỏng phổ biến của các chi tiết/thiết bị thép không gỉ 304 và 316 trong các nhà máy này thường liên quan tới SCC. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu SCC trong môi trường khí quyển của các loại thép này còn rất ít. Sự hiểu biết về cơ chế, quá trình xảy ra SCC của thép không gỉ trong khí quyển còn rất hạn chế, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và các điều kiện tới hạn gây ra SCC chưa được quan tâm nghiên cứu.
Vì vậy NCS đã chọn đề tài “Nghiên cứu ăn mòn ứng lực thép không gỉ mác 304 và 316 trong môi trường khí quyển nhiệt đới Việt Nam” nhằm hiểu rõ cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng đến sự xuất hiện vết nứt (độ nhạy SCC) và sự phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực trên thép không gỉ 304 và 316 trong một số điều kiện khí quyển nhiệt đới Việt Nam (khí quyển ven biển và khí quyển thành phố xa biển). Từ đó, góp phần dự báo và ngăn ngừa các nguy cơ xảy ra SCC trong môi trường công nghiệp ven biển, giảm thiểu các hư hỏng lặp lại, đảm bảo sản xuất an toàn và hiệu quả. Mục tiêu của luận án: 1. Làm rõ cơ chế SCC và quy luật ảnh hưởng của các yếu tố chính (điều kiện môi trường, điều kiện xử lý mẫu, ứng suất) đến độ nhạy và sự phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép không gỉ 304 và 316 trong môi trường khí quyển.
Xác định quy luật ảnh hưởng của một số điều kiện môi trường có vai trò quyết định đến sự xuất hiện và phát triển SCC của thép không gỉ 304 và 316 trong 3 môi trường khí quyển Việt Nam. Góp phần dự báo và ngăn ngừa các nguy cơ xảy ra SCC trong môi trường công nghiệp ven biển. Nội dung nghiên cứu: 1. Thử nghiệm gia tốc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khí quyển, điều kiện xử lý mẫu và ứng suất tới độ nhạy ăn mòn ứng lực của thép không gỉ 304 và 316.
Thử nghiệm trong môi trường khí quyển tự nhiên nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khí quyển tới độ nhạy và sự phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực thép không gỉ 304 và 316. Xác định quy luật ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt ẩm và ion clorua trong môi trường khí quyển đến độ nhạy và sự phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực đối với thép không gỉ 304 và 316. Đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: + Vật liệu: Thép không gỉ 304 và 316. + Cách xử lý mẫu: Thép cán nguội (thép cán nguội thương mại – As-received), nhạy hóa (Sensitized) và xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất (Solution heat treatment).
+ Các mẫu thép được tạo ứng suất bằng cách uốn chữ U, uốn chữ C và mẫu phẳng không chịu ứng suất. - Phương pháp nghiên cứu: + Thử nghiệm gia tốc SCC các mẫu thép không gỉ 304 và 316 trong tủ nhiệt ẩm với các điều kiện nhiệt ẩm và lượng ion clorua khác nhau để đánh giá độ nhạy SCC và các điều kiện tới hạn gây SCC, sử dụng các mẫu thép thương mại cán nguội, nhạy hóa và xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất. + Thử nghiệm các mẫu thép trong môi trường khí quyển tự nhiên, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm không khí bằng thiết bị cảm biến nhiệt ẩm. Xác định thời 4 điểm xuất hiện vết nứt do ăn mòn ứng lực, đo chiều dài vết nứt theo từng thời kỳ thử nghiệm, từ đó xác định ảnh hưởng của các điều kiện môi trường đến độ nhạy và tốc độ phát triển SCC của thép không gỉ trong khí quyển tự nhiên.
+ Hiện trạng ăn mòn của các mẫu thử nghiệm được quan sát trên kính hiển vi soi nổi, kính hiển vi điện tử quét. Sự phát triển vết nứt theo biên hạt và xuyên hạt được ghi nhận qua các kết quả hiển vi kim tương. Ý nghĩa khoa học và điểm mới của luận án: - Luận án là công trình nghiên cứu chi tiết về SCC trong môi trường khí quyển chứa ion clorua và ảnh hưởng của các điều kiện môi trường khí quyển đến độ nhạy SCC của thép không gỉ 304 và 316. Trong đó, các điều kiện tới hạn gây SCC đối với thép 304 và 316 phụ thuộc nhiệt độ thử nghiệm đã được đề xuất.
- Luận án là công trình đầu tiên nghiên cứu về SCC trong một số môi trường khí quyển Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã làm sáng tỏ cơ chế và quy luật ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (tỷ lệ thời gian khô/thời gian ướt, thời gian ướt) và ảnh hưởng khống chế của lượng ion clorua sa lắng đến độ nhạy và sự phát triển SCC của thép không gỉ 304 và 316. Ý nghĩa thực tiễn: - Thông qua các công bố, các kết quả của luận án đã và sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu nghiên cứu AISCC còn đang rất hạn chế của thế giới, đặc biệt là AISCC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. - Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần nâng cao kiến thức về AISCC và khả năng ứng dụng trong thực tiễn để hỗ trợ phòng ngừa AISCC cho các chi tiết thiết bị công nghiệp.
Cấu trúc của luận án bao gồm: Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. 5 Chương 1: Tổng quan trình bày những vấn đề chính về: (1) Ăn mòn ứng lực; (2) Ăn mòn ứng lực trong môi trường khí quyển; (3) Các phương pháp nghiên cứu ăn mòn ứng lực; (4) Tình hình nghiên cứu ăn mòn ứng lực trong môi trường khí quyển trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu trình bày các vấn đề: (1) Vật liệu và mẫu nghiên cứu; (2) Phương pháp chuẩn bị mẫu; (3) Phương pháp thử nghiệm (gia tốc và tự nhiên); (4) Phương pháp đánh giá hiện trạng nứt do ăn mòn ứng lực. Chương 3: Kết quả và thảo luận trình bày các kết quả: (1) Thử nghiệm gia tốc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, điều kiện xử lý mẫu và ứng suất đến sự xuất hiện vết nứt do ăn mòn ứng lực (độ nhạy SCC) của thép không gỉ 304 và 316; (2) Thử nghiệm bán gia tốc (nhỏ muối clorua bão hòa) trong khí quyển Hà Nội xác định quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến sự xuất hiện và phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép không gỉ 304 và 316; (3) Thử nghiệm tự nhiên trong khí quyển Hà Nội, Đồ Sơn và Đồng Hới xác định quy luật ảnh hưởng của lượng ion clorua và độ ẩm không khí đến sự xuất hiện và phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép không gỉ 304 và 316; (4) Cơ chế lan truyền vết nứt.