Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy nhiệt điện đốt than hiện chiếm khoảng 56% tổng lượng điện sản xuất trong nước, đóng vai trò chủ lực trong hệ thống năng lượng quốc gia. Ống dẫn hơi trong các nhà máy này thường làm việc ở nhiệt độ trên 300ºC và áp suất lên tới 20 MPa, dẫn đến nguy cơ hư hỏng như nứt tế vi, ăn mòn cục bộ, biến dạng cơ học và phá hủy ống. Thép hợp kim thấp ASTM A335 P22, với thành phần Cr khoảng 2.27% và Mo 0.89%, được sử dụng phổ biến để chế tạo ống dẫn hơi nhờ khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, dưới tác động của nhiệt độ và thời gian làm việc, tổ chức tế vi và cơ tính của thép P22 có thể thay đổi, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá sự thay đổi tổ chức tế vi và cơ tính của thép P22 khi nung ở các nhiệt độ 500, 600 và 700ºC trong các khoảng thời gian 24, 48 và 72 giờ, từ đó dự báo tuổi thọ và đề xuất giải pháp bảo trì phù hợp cho các ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu ống thép P22 lấy từ Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh, với quy trình nung mẫu và phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học và điện tử quét, phân tích thành phần pha bằng phổ EDS, cùng thử kéo xác định cơ tính.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu, thiết kế và bảo dưỡng hệ thống ống dẫn hơi, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn cho các nhà máy nhiệt điện, đồng thời giảm thiểu tổn thất kinh tế do sự cố thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về vật liệu kim loại chịu nhiệt, đặc biệt là thép hợp kim thấp Cr-Mo như ASTM A335 P22. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tổ chức tế vi ferit-peclit và ferit-bainit: Thép P22 có thể tồn tại dưới dạng tổ chức ferit-peclit hoặc ferit-bainit, trong đó ferit-bainit ổn định hơn khi chịu nhiệt độ cao lâu dài.
  • Chuyển biến pha và giản đồ làm nguội liên tục (CCT): Nhiệt độ và tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến sự hình thành các pha như ferit, bainit, mactenxit, quyết định tính chất cơ học của thép.
  • Quá trình tiết pha (precipitation): Sự hình thành và phát triển các pha cacbit, nitrit và cacbonitrit trong thép ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo của vật liệu khi làm việc ở nhiệt độ cao.
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến cơ tính: Sự khuếch tán nguyên tử và biến đổi tổ chức tế vi theo thời gian và nhiệt độ làm thay đổi độ cứng, độ bền kéo và độ dẻo của thép.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu ống thép ASTM A335 P22 được lấy từ Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh, với kích thước Φ51×8 mm. Thành phần hóa học được xác định bằng máy phân tích quang phổ phát xạ Metal LAB 75/80J MVU-GNR.
  • Quy trình nung mẫu: Mẫu được nung trong lò điện trở HTC 08/16 với khí bảo vệ ở các nhiệt độ 500, 600 và 700ºC, giữ nhiệt trong 24, 48 và 72 giờ, sau đó làm nguội cùng lò.
  • Phân tích tổ chức tế vi: Sử dụng kính hiển vi quang học Axioplan 2 và kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F để quan sát cấu trúc ferit-peclit và ferit-bainit, đồng thời chụp ảnh SEM với độ phân giải cao.
  • Phân tích thành phần pha: Phổ nguyên tố EDS được thực hiện kết hợp với SEM để xác định thành phần các pha trong mẫu.
  • Xác định cơ tính: Thử kéo trên máy INSTRON 8801 theo tiêu chuẩn TCVN 197:2012 (ISO 6892-1:2009) và ASTM E8M:2013a, đo giới hạn bền, giới hạn chảy, độ giãn dài và độ co thắt.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu được cắt từ ống thép ban đầu, kích thước chuẩn theo ASTM E8-E8M, đảm bảo tính đại diện và độ chính xác trong phân tích.
  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm nung và phân tích kéo được thực hiện trong khoảng thời gian 3 tháng, đảm bảo đủ điều kiện khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học và tổ chức tế vi ban đầu: Mẫu thép P22 có thành phần C 0.0866%, Cr 2.27%, Mo 0.89%, phù hợp tiêu chuẩn ASTM A335. Tổ chức tế vi ban đầu gồm ferit và peclit với kích thước hạt khoảng 23.8 µm, được xác nhận qua kính hiển vi quang học và SEM.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tổ chức tế vi: Sau nung ở 500, 600 và 700ºC trong 24, 48 và 72 giờ, kích thước hạt tăng nhẹ lên khoảng 31 µm. Tổ chức tế vi vẫn duy trì ferit-peclit, không có sự thay đổi pha rõ rệt, tuy nhiên có sự phát triển các pha tiết pha thô hơn ở biên giới hạt khi nhiệt độ và thời gian nung tăng.

  3. Thay đổi thành phần pha theo EDS: Phân tích phổ EDS cho thấy sự phân bố các nguyên tố Cr, Mo, Fe ổn định, nhưng có sự phát triển các pha cacbit molypden và cacbonitrit ở nhiệt độ cao hơn 600ºC và thời gian nung dài, góp phần làm thay đổi cơ tính.

  4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến cơ tính: Giới hạn bền giảm từ 510 MPa (mẫu ban đầu) xuống còn khoảng 460 MPa khi nung ở 700ºC trong 72 giờ. Giới hạn chảy giảm từ 360 MPa xuống khoảng 320 MPa, độ giãn dài giảm nhẹ từ 36% xuống còn 30%. Độ bền và độ dẻo giảm rõ rệt hơn khi nhiệt độ và thời gian nung tăng, cho thấy sự hóa già và phát triển pha tiết pha thô làm giảm khả năng chịu lực và độ dẻo của thép.

Thảo luận kết quả

Sự tăng kích thước hạt và phát triển pha tiết pha thô là nguyên nhân chính làm giảm cơ tính của thép P22 khi làm việc ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già trên thép hợp kim thấp Cr-Mo. Việc duy trì tổ chức ferit-peclit cho thấy thép vẫn giữ được tính ổn định pha ở nhiệt độ dưới 700ºC, tuy nhiên sự phát triển cacbit molypden làm giảm độ bền kéo và độ dẻo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong ứng suất-biến dạng cho các mẫu nung ở các điều kiện khác nhau, thể hiện rõ xu hướng giảm cơ tính theo nhiệt độ và thời gian. Bảng tổng hợp thành phần hóa học và kết quả thử kéo cũng giúp minh họa sự biến đổi cơ tính tương ứng với tổ chức tế vi.

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để dự báo tuổi thọ còn lại của ống thép P22 trong nhà máy nhiệt điện, từ đó đề xuất kế hoạch bảo trì, thay thế phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm tra định kỳ tổ chức tế vi và cơ tính của ống dẫn hơi: Áp dụng phương pháp hiển vi quang học và thử kéo định kỳ mỗi 1-2 năm để phát hiện sớm sự hóa già và giảm cơ tính, giúp dự báo tuổi thọ chính xác hơn. Chủ thể thực hiện: Bộ phận bảo trì nhà máy nhiệt điện.

  2. Giới hạn nhiệt độ làm việc tối đa cho ống P22 không vượt quá 600ºC: Để hạn chế sự phát triển pha tiết pha thô và giảm cơ tính, nên duy trì nhiệt độ vận hành dưới 600ºC trong điều kiện áp suất cao. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành.

  3. Nghiên cứu và áp dụng các loại thép hợp kim cao hơn cho các vị trí chịu nhiệt độ trên 600ºC: Ví dụ thép ferit-mactenxit hoặc thép austenit có khả năng chịu nhiệt và chống hóa già tốt hơn, nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị. Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển vật liệu.

  4. Xây dựng quy trình xử lý nhiệt và làm nguội chuẩn cho ống thép mới: Kiểm soát tốc độ làm nguội để tạo tổ chức tế vi ferit-bainit ổn định, tăng độ bền và độ dẻo của vật liệu. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất vật liệu và nhà máy nhiệt điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt được ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian làm việc đến tuổi thọ ống dẫn hơi, từ đó lên kế hoạch bảo trì, thay thế hợp lý, giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt: Tham khảo kết quả phân tích tổ chức tế vi và cơ tính của thép P22 dưới các điều kiện nung khác nhau để phát triển vật liệu mới hoặc cải tiến quy trình xử lý nhiệt.

  3. Nhà sản xuất thép và thiết bị công nghiệp: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thành phần hóa học, quy trình sản xuất và xử lý nhiệt nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Khoa học và Kỹ thuật vật liệu kim loại: Tài liệu tham khảo thực tiễn về nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt, phương pháp phân tích tổ chức tế vi và cơ tính, cũng như ứng dụng trong công nghiệp nhiệt điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thép P22 có thể làm việc ổn định ở nhiệt độ tối đa bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, thép P22 làm việc ổn định dưới 600ºC. Nhiệt độ trên 600ºC kéo dài sẽ làm phát triển pha tiết pha thô, giảm cơ tính và tuổi thọ vật liệu.

  2. Tổ chức tế vi ferit-peclit và ferit-bainit khác nhau như thế nào?
    Ferit-peclit gồm ferit và xementit hình cầu, dễ bị hóa già khi làm việc lâu. Ferit-bainit ổn định hơn, ít bị suy thoái cơ tính khi chịu nhiệt độ cao trong thời gian dài.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích tổ chức tế vi trong nghiên cứu?
    Kính hiển vi quang học Axioplan 2 và kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F được sử dụng để quan sát cấu trúc tế vi với độ phân giải cao, kết hợp phổ EDS để xác định thành phần pha.

  4. Ảnh hưởng của thời gian nung đến cơ tính thép P22 như thế nào?
    Thời gian nung càng dài, đặc biệt ở nhiệt độ cao, làm tăng kích thước hạt và phát triển pha tiết pha thô, dẫn đến giảm giới hạn bền, giới hạn chảy và độ giãn dài của thép.

  5. Làm thế nào để kéo dài tuổi thọ ống dẫn hơi làm từ thép P22?
    Giữ nhiệt độ vận hành dưới 600ºC, kiểm tra định kỳ tổ chức tế vi và cơ tính, áp dụng quy trình xử lý nhiệt phù hợp và thay thế vật liệu chịu nhiệt cao hơn cho các vị trí làm việc khắc nghiệt.

Kết luận

  • Thép ASTM A335 P22 có thành phần hóa học và tổ chức tế vi phù hợp tiêu chuẩn, chủ yếu gồm ferit-peclit với kích thước hạt khoảng 23.8 µm.
  • Nung ở nhiệt độ 500-700ºC trong 24-72 giờ làm tăng kích thước hạt lên khoảng 31 µm và phát triển pha tiết pha thô, ảnh hưởng đến cơ tính.
  • Giới hạn bền và giới hạn chảy giảm lần lượt từ 510 MPa và 360 MPa xuống khoảng 460 MPa và 320 MPa khi nung ở 700ºC trong 72 giờ, độ giãn dài giảm từ 36% xuống 30%.
  • Kết quả nghiên cứu giúp dự báo tuổi thọ ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện, hỗ trợ xây dựng kế hoạch bảo trì và lựa chọn vật liệu phù hợp.
  • Đề xuất kiểm tra định kỳ, giới hạn nhiệt độ vận hành, áp dụng vật liệu chịu nhiệt cao hơn và quy trình xử lý nhiệt chuẩn để nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất tại các nhà máy nhiệt điện và mở rộng nghiên cứu với các loại thép chịu nhiệt khác để nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu. Độc giả và chuyên gia quan tâm có thể liên hệ để trao đổi và hợp tác nghiên cứu sâu hơn.