CHƯƠNG I.1 Tổng quan về thép chế tạo ống hơi Tùy thuộc vào mức độ tiên tiến và yêu cầu của vị trí làm việc sẽ lựa chọn loại thép để chế tạo ống dẫn hơi cho phù hợp. Các loại thép sử dụng cho lĩnh vực này cần có cơ tính ổn định và chịu được ăn mòn của hơi nước ở nhiệt độ cao. Các loại thép hóa bền bằng dung dịch rắn có độ chịu nhiệt trong phạm vi khoảng 500750oC. Để đạt được cơ tính mong muốn, tất cả các loại thép chịu nhiệt được hợp kim hóa thêm một số nguyên tố như: Cr để tăng tính chống ôxy hóa và Ni để đạt giá trị tối ưu giữa độ bền và độ dẻo, các nguyên tố khác (Mo, W, Co,…) được sử dụng nhằm mục đích tăng cơ tính ở nhiệt độ cao.
Các nguyên tố hợp kim vi lượng như Ti, Nb, B,… cũng được cho vào trong thép để tăng cơ tính của các loại thép chịu nhiệt sử dụng trong nhà máy điện. Dựa trên thành phần hóa học và tổ chức tế vi, có các loại thép sau đây.1 Thép hợp kim thấp Do có cơ tính phù hợp và chịu được ăn mòn ở nhiệt độ cao, thép hợp kim thấp được sử dụng nhiều nhất trong chế tạo đường ống dẫn hơi của nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là các đường ống dày. Phổ biến nhất là 2 mác thép có ký hiệu là P11 (1CrMoV) và P22 (2Cr1Mo). Khi nhiệt độ và áp suất hơi tăng lên, các đường ống làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn nên cần phải có các mác thép khác; ví dụ như P24 (7CrMoVTiB10-10).
Để tăng tuổi thọ làm việc của các đường ống, các công ty sản xuất đã phải nghiên cứu và phát triển rất nhiều mác thép mới bằng cách sử dụng các nguyên tố hợp kim như V, W, Nb, Ti,… nhằm mục đích tăng độ bền và giữ sự ổn định của ống ở nhiệt độ cao (xem bảng 1. Do thành phần hóa học và tổ chức tế vi của mác P23 và P24 tương đối giống với P22 nên không có sự khác biệt về cơ lý tính của chúng (bao gồm cả tính chống ôxy hóa). Tuy nhiên, khác biệt lớn nhất giữa chúng là cơ tính ở nhiệt độ cao do sự có mặt của một số nguyên tố hợp kim. Thông thường, thép chịu nhiệt hợp kim thấp có tính dẻo ở nhiệt độ thấp và giữ được độ bền ở nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, nếu giữ ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài thì loại thép này trở nên giòn và dễ bị phá hủy. Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 2 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Bảng 1. Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi Mác thép Thành phần (%) P22 P23 P24 C 0,050,15 0,040,10 0,050,10 Mn 0,300,60 0,100,60 0,300,70 Si < 0,50 < 0,50 0,150,45 Cr 1,902,60 1,902,60 2,202,60 Mo 0,871,13 0,050,30 0,701,10 W - 1,451,75 - Nb - 0,020,09 - V - 0,200,30 0,200,30 B - 0,00050,0060 0,00150,0070 S < 0,025 < 0,010 < 0,010 P < 0,025 < 0,030 < 0,020 Khác - N < 0,030 N < 0,012; Ti = 0,060,10 1.2 Thép ferit-mactenxit Trong nhà máy nhiệt điện, sử dụng 2 loại thép có Cr trung bình (từ 59%) và Cr cao (khoảng 12%). Loại thép có chứa 912% Cr thường sử dụng để chế tạo các ống dẫn hơi có nhiệt độ làm việc cao hơn 620oC.
Việc sử dụng loại thép này không những đạt được hiệu quả cao mà còn giảm phát thải khí CO2 và các loại khí độc khác (khoảng 20%) nhờ tăng được thông số hơi nước từ 180 bar/530540oC lên 300 bar/600oC. Trên cơ sở mác thép 12CrMoV, các nhà sản xuất đã phát triển thành mác 9Cr (hay P91) và sau đó hợp kim hóa thêm W thành mác P92 bắt đầu áp dụng từ năm 2001. Nhiều nghiên cứu cải thiện độ bền dão của thép 912% Cr đã được thực hiện.2, có thể thấy rằng loại thép này có chứa hàm lượng C thấp hơn (0,1% max) và có chứa thêm một số nguyên tố khác như Mo, W, V, Nb, N,… để tăng độ bền dão và tăng khả năng chống lại ôxy hóa hoặc ăn mòn ở nhiệt độ cao. Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 3 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Một số nhà sản xuất đã cho thêm 0,04% B vào thép để tăng độ bền dão của thép ở 650o C trong 130000 giờ, cao hơn dự kiến là 650oC trong 105 giờ nên đã góp phần giảm độ dày của ống và tiết kiệm nguyên vật liệu.
Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit (ASTM) Mác thép Thành phần (%) T/P9 T/P91 T/P92 C 0,12 0,10 0,07 Mn 0,45 0,45 0,45 Si 0,60 0,40 0,06 Cr 9,0 9,0 9,0 Mo 1,0 1,0 0,50 W - - 1,8 V - 0,20 0,20 B - - 0,004 Khác - N = 0,049; Ni = 0,8 - 1.3 Thép Austenit Loại thép này được phát triển dựa trên hệ 18% Cr – 8% Ni (tương đương mác AISI 302). Để đạt được cơ tính yêu cầu, người ta hợp kim hóa thêm một số nguyên tố khác như Mn, Mo, W, Cu, Al, Ti, Nb, V,… Các nguyên tố này có thể chia thành nhóm ổn định ferit hoặc ổn định austenit, mức độ ảnh hưởng của từng nguyên tố được cho trong công thức sau : Nieq = Ni + Co + 0,5Mn + 0,3Cu + 30C + 23N (%) Creq = Cr + 2,0Si + 1,5Mo + 1,75Nb + 1,5Ti + 5,5Al + 0,75W (%) Hiện nay, do yếu tố kinh tế và tính hàn kém nên các mác thép austenit đã dần được thay thế bằng các loại thép ferit độ bền cao. Tuy nhiên, những bộ phận yêu cầu cao về khả năng chống ôxy hóa và độ bền dão thì vẫn sử dụng loại thép austenit. Để các nhà máy nhiệt điện hoạt động hiệu quả thì nhiệt độ của hơi nước quá nhiệt phải đạt 650700oC, vì vậy thép austenit sẽ là vật liệu chiếm ưu thế trong Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 4 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chế tạo các bộ phận.
Trong một số trường hợp đặc biệt, còn sử dụng hợp kim Ni mặc dù giá thành của loại vật liệu này rất đắt. Ngược lại, khi nhiệt độ hơi nước thấp hơn (khoảng 550600oC) thì loại thép ferit-mactenxit sẽ là chủ yếu. Nếu nhiệt độ hơi nước thấp hơn nữa thì có thể sử dụng các ống dẫn hơi chế tạo từ thép hợp kim thấp, nhưng tuổi thọ ngắn của đường ống là vấn đề cần khắc phục.2 Tổng quan về thép ASTM A335 P22 1.1 Tính chất và ứng dụng Thép P22 hoặc thép 2.25Cr-1Mo dựa trên cơ sở crôm và molypden được sử dụng rộng rãi trong các lò hơi và đường ống. 2-1/4Cr-1Mo thép hợp kim thấp đã được chuẩn hóa ở các nước trên thế giới trong hơn 50 năm.
Ví dụ đặc điểm kỹ thuật từ Hoa Kỳ, Anh Quốc, Đức và Nhật Bản. Các hợp kim nay được biết đến rộng rãi như là thép P22dựa trên tiêu chuẩn ASTM, đã được sử dụng thành công trong các nhà máy nhiệt điện đòi hỏi độ bền nhiệt cao (có nguồn gốc chủ yếu từ sự phân tán của cacbit molypden) và khả năng chống oxi hóa (có nguồn gốc từ hàm lượng Cr). Ứng dụng phổ biến nhất của mác thép này là được sử dụng làm đường ống dẫn hơi, ống quá nhiệt và ống hoàn nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao lên đến khoảng 600ºC[1]. Thực tế sản xuất cho thấy trong quá trình làm việc chất lượng ống được đảm bảo nhất là khi hoạt động ở nhiệt độ dưới 600ºC.
Tuy nhiên, rõ ràng những thông tin cụ thể liên quan đến áp suất, nhiệt độ và môi trường cần được xem xét để từ đó lựa chọn vật liệu và thành phần hóa học phù hợp với điều kiện làm việc. Hướng dẫn chung về cách thức biến dạng và nứt gãy khác nhau với ứng suất và nhiệt độ có thể thu được bằng cách kiểm tra các giản đồ cơ chế phù hợp. Những giản đồ này thường được sử dụng với thử kéo và dão với nhiệt độ (T) các điểm nóng chảy tuyệt đối (Tm) và với ứng suất (σ) biểu diễn như là một phần nhỏ của nhiệt độ điều chỉnh mô đun đàn hồi (E). Đối với các kim loại hoặc hợp kim được lựa chọn, các điều kiện cụ thể về phá hủy và gãy sẽ được cung cấp.
Trong trường hợp của thép hợp kim thấp, giản đồ gãy cung cấp thông tin về gãy do uốn, gãy tách giòn, độ dão. Mặc dù các giản đồ này cung cấp hướng liên quan đến hành vi, ứng dụng cho các dự đoán của các hợp kim thương mại thường được giới hạn bởi một giản đồ duy nhất đại diện cho một điều kiện luyện kim. Để có được một Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 5 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật sự đánh giá đúng đắn về hành vi gãy đòi hỏi một sự hiểu biết cụ thể về các yếu tố thành phần và tổ chức tế vi với điều kiện hoạt động cụ thể. Thành phần hoá học Si P S Cr Nguyên tố C Mn Mo (max) (max) (max) (max) 0,05- 0,30- ASTM A335- P22 0,5 0,025 0,025 1,9-2,6 0,87-1,13 0,15 0,60 Thành phần hóa học của thép P22 được nêu trong bảng 1.3, theo tiêu chuẩn ASTM A-335 P22 có mức quy định cho các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh tương đối thấp, dẫn đến cải thiện độ dẻo dai và làm giảm tính giòn của thép.
Cơ tính Giới hạn kéo Giới hạn chảy Độ giãn dài (%) Cơ tính (MPa) (MPa) (nhỏ nhất) ASTM A335- P22 415 205 30 1.2 Tổ chức tế vi và xử lý nhiệt Nhiệt độ chuyển đổi là nhiệt độ mà tại đó xảy ra sự chuyển biến pha. Thuật ngữ này đôi khi được dùng để biểu thị nhiệt độ giới hạn của một loạt biến đổi. Sau đây đã được xác định từ các nghiên cứu về hành vi của thép P22: • Nhiệt độ AC 1 mà tại đó austenit bắt đầu hình thành trong quá trình gia nhiệt, trong khoảng 799-821°C. • Nhiệt độ AC3 là nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển biến từ ferit sang austenite khi gia nhiệt, ở khoảng 871°C.
• AR1 Nhiệt độ mà tại đó sự chuyển biến từ austenit sang ferit hoặc ferit cộng xementit được hình thành trong quá trình trong thời gian làm nguội, thông thường ở khoảng 721°C. Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 6 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật • AR 3 là nhiệt độ mà tại đó bắt đầu xảy ra chiển biến ferit trong khi làm nguội, ở khoảng 821°C. • AR4 là nhiệt độ mà tại đó xảy chuyển biến ferit thành austenite khi làm nguội. • M(s) là nhiệt độ mà tại đó xảy ra chuyển biến từ austenite thành mactenxit khi bắt đầu làm nguội, ở khoảng 393°C.
• M(f) là nhiệt độ mà tại đó được tạo thành khi làm nguội kết thúc, ở khoảng 204°C.