Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ, Tải Trọng Và Thời Gian Đến Tổ Chức Tế Vi Của Ống Thép Chịu Nhiệt

Nhiệt điện đóng vai trò then chốt trong cơ cấu nguồn cung năng lượng của Việt Nam. Sản lượng điện từ nguồn nhiệt điện luôn chiếm tỷ phần lớn trong tổng lượng điện được sản xuất. Năm 2019, nhiệt điện chiếm 58,4 % tổng lượng điện toàn hệ thống. Công suất điện từ nay đến năm 2030 của các nhà máy nhiệt điện được dự đoán vẫn giữ vai trò chủ đạo, theo đó, nhiệt điện bao gồm đốt than và khí ga có thể chiếm trên 63 % tổng nguồn cung. Chính vì vậy, nhiệt điện ngày càng khẳng định vai trò là nguồn điện chủ lực nhằm đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu trong hệ thống ống dẫn hơi tại các nhà máy điện nguyên tử, nhà máy nhiệt điện và ngành công nghiệp hóa dầu. Tuy nhiên, nghiên cứu về đặc tính của thép hợp kim thấp trong thời gian đầu làm việc chưa được quan tâm. Theo đó, ống thép phải chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn ngay trong giai đoạn này. Thậm chí, nhà máy nhiệt điện được vận hành với áp suất và nhiệt độ tối đa để tăng hiệu quả làm việc ngay trong giai đoạn đầu làm việc.

Một số sự cố hư hỏng xảy ra đối với đường ống dẫn hơi làm việc ở nhiệt độ cao sau một thời gian dài vận hành nhà máy. Trong đó, các sự cố có mức độ ảnh hưởng ít (các vết nứt nhỏ) thường xảy ra. Sự cố có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng (vết nứt lớn) cũng xuất hiện, dạng sự cố này thường gặp ở tần suất ít hơn. Do đó, các sự cố cần phải được nắm bắt, dự đoán và xử lý kịp thời.

Các ống thép trong nhà máy nhiệt điện phải chịu tác động đồng thời của nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ cao, áp suất lớn, và môi trường oxy hóa. Những yếu tố này có thể gây ra các hiện tượng như creep thép, ăn mòn nhiệt thép, và biến đổi pha thép, dẫn đến suy giảm cơ tính thép chịu nhiệt và cuối cùng là hư hỏng.

Các công trình nghiên cứu thép ống hợp kim thấp còn chưa đầy đủ. Đặc biệt, mác thép được sử dụng rộng rãi nhất về số lượng gồm có P11 và P22 tại Việt Nam cũng chưa được quan tâm. Một số nghiên cứu tập trung chủ yếu vào đánh giá đặc tính mối hàn của thép hợp kim thấp do có nhiều hư hỏng xảy ra tại đây. Tuy nhiên, thực tế cho thấy hư hỏng cũng xuất hiện tại vị trí thành ống. Các sai hỏng ở thành ống xảy ra đột ngột và khó xác định được vị trí chính xác.

Thí nghiệm kéo là một phương pháp cơ bản để xác định các thông số cơ tính thép chịu nhiệt như giới hạn bền, giới hạn chảy, và độ dãn dài. Mẫu thép được kéo từ từ cho đến khi đứt, và các thông số này được ghi lại để đánh giá khả năng chịu tải trọng của vật liệu.

Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử được sử dụng để quan sát tổ chức tế vi thép sau khi chịu tải trọng. Các thay đổi về kích thước hạt, hình dạng hạt, và sự phân bố các pha có thể được ghi nhận và phân tích để hiểu rõ hơn về cơ chế biến dạng và phá hủy của vật liệu.

Phân tích thành phần hóa học của thép là bước quan trọng để xác định mác thép và các nguyên tố hợp kim có trong thép. Phương pháp này giúp kiểm tra xem thành phần hóa học có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật hay không, và có thể ảnh hưởng đến cơ tính thép chịu nhiệt.

Creep thép là hiện tượng biến dạng chậm của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng không đổi trong một khoảng thời gian dài, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Cơ chế phá hủy creep thép thường liên quan đến sự hình thành và phát triển các lỗ rỗng ở biên hạt, dẫn đến sự suy giảm độ bền thép chịu nhiệt.

Thí nghiệm creep thép được thực hiện bằng cách đặt mẫu thép dưới tải trọng không đổi ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian dài. Biến dạng của mẫu được ghi lại theo thời gian, và các thông số creep thép như tốc độ creep thép và thời gian phá hủy được xác định.

Thời gian ủ thép có ảnh hưởng lớn đến cơ tính thép chịu nhiệt. Thời gian ủ thép quá ngắn có thể không đủ để đạt được cấu trúc tế vi thép mong muốn, trong khi thời gian ủ thép quá dài có thể dẫn đến sự thô hóa hạt và suy giảm độ bền thép chịu nhiệt.

Nghiên cứu giúp xác định điều kiện vận hành tối ưu (nhiệt độ và áp suất) cho thép ống P11 và P22, đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật mà vẫn duy trì độ bền và tuổi thọ của vật liệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các nhà máy nhiệt điện ngày càng hướng đến việc vận hành ở nhiệt độ và áp suất cao hơn.

Các nhà máy nên thực hiện kiểm tra hiện trường về sự thay đổi tổ chức tế vi thép của ống thép để có thể dự báo được sự hư hỏng, lập phương án sửa chữa và chủ động thay thế các bộ phận ống dẫn hơi có nguy cơ bị hỏng. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro sự cố và đảm bảo an toàn vận hành.

Việc hiểu rõ các tiêu chuẩn thép chịu nhiệt và áp dụng chúng vào thực tế giúp đảm bảo chất lượng và độ bền của ống thép trong các ứng dụng công nghiệp. Các tiêu chuẩn thép chịu nhiệt quy định các yêu cầu về thành phần hóa học, cơ tính thép chịu nhiệt, và phương pháp thử nghiệm để đảm bảo vật liệu đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Nghiên cứu về biến dạng dẻo thép dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng có thể giúp hiểu rõ hơn về cơ chế biến dạng và phá hủy của vật liệu. Các mô hình biến dạng dẻo thép có thể được sử dụng để dự đoán tuổi thọ và độ bền của ống thép trong các điều kiện làm việc khác nhau.

Phân tích ứng suất dư thép trong thép ống có thể giúp đánh giá ảnh hưởng của quá trình chế tạo và hàn đến độ bền và tuổi thọ của vật liệu. Ứng suất dư thép có thể gây ra sự suy giảm độ bền thép chịu nhiệt và tăng nguy cơ nứt gãy.

Nghiên cứu và phát triển các vật liệu thép hợp kim chịu nhiệt mới với cơ tính thép chịu nhiệt và khả năng chống ăn mòn nhiệt thép tốt hơn là một hướng đi quan trọng để nâng cao hiệu quả và độ bền của các nhà máy nhiệt điện. Các vật liệu mới có thể giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và thay thế, đồng thời tăng tuổi thọ của thiết bị.