TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ
Giới thiệu chung
VVER-1000 là phiên bản nâng cấp của VVER-640, thuộc thế hệ thứ II của lò phản ứng được thiết kế tại Nga Lò VVER-1000 của Rosatom thuộc thế hệ III+, tương đương với các lò phản ứng hiện đại như EPR 1600 của Avera và AP1000 của Westinghouse.
Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.1 và sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.2 [2]
Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 [2]
Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 có các điểm mạnh sau [2]:
• Thiết kế đổi mới, an toàn và tiến hóa
• Năng lượng điện của tổ máy lên đến 1100MW
• Tuổi thọ của thiết bị có thể kéo dài ít nhất 60 năm
• Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao
• Hệ số vận hành được tính trung bình cho toàn bộ thời gian vận hành của nhà máy điện hạt nhân là 92%
• Chu kỳ thay đảo thanh nhiên liệu là 12 đến 24 tháng
Chất lượng cao của các giải pháp công nghệ và tài liệu thiết kế trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân được xây dựng dựa trên kinh nghiệm thiết kế vững chắc, áp dụng các quy định và tiêu chuẩn tự quản Đặc biệt, chất lượng của nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 còn được đảm bảo theo các khuyến cáo từ các tổ chức quốc tế như IAEA, INSAG, ICRP, IEC, cùng với việc tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế ISO 9001:2000.
Bảng 1.1 cho biết một số thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000
Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000 [11] Đặc tính chung của lò
Công suất điện 1000 – 1200 MWe Áp suất vòng một 15.7 MPa Độ giàu nhiên liệu cao nhất 3.3 – 4.4%
Chu kỳ đảo nhiên liệu (nhiên liệu ở 3 năm trong lò) 6700 – 8000 giờ hiệu quả Áp suất hơi ở đầu ra bình sinh hơi 7.35 MPa
Lượng hơi sinh ra 5880 – 6400 tấn/giờ
Nhiệt độ nước cấp đầu vào bình sinh hơi 220 0 C
Thời gian hoạt động 50 – 60 năm
Xác suất nóng chảy vùng hoạt lò khi sự cố 10 -6 – 10 -7 1/năm.lò
4 Đặc tính chung của vùng hoạt
Số bó thanh nhiên liệu 163 – 253
Số bó thanh nhiên liệu có chứa thanh điều khiền 121
Số thanh nhiên liệu trong 1 bó thanh nhiên liệu 311
Số thanh hấp thụ trong 1 bó 18 – 24
Bước đặt các thanh nhiên liệu 12.75 mm Đường kính ngoài của thanh nhiên liệu 9.1 mm
Số kênh đo nhiệt độ 54 (kết hợp với thanh đo nơtron)
Tỷ số nhiệt tuyến tính cực đại 400 – 448
Tổng độ hấp thụ của các thanh điều khiển 11.5 %
Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của nhiên liệu -1.9x10 -5 1/ 0 C
Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của chất tải nhiệt 0 đến -70x10 -5 1/ 0 C Đặc trưng cơ bản của lò
Hiệu nhiệt độ của chất tải nhiệt giữa đầu ra và đầu vào vùng hoạt 34 0 C Áp suất vòng 1 17.6 MPa
Nhiệt độ chất tải nhiệt khi ra khỏi lò 330 0 C
Chiều dài vỏ lò 11700 mm Đường kính bên trong vỏ lò nơi đặt vùng hoạt 4135 – 5400 mm
Vật liệu vỏ lò Thép 15X2MFA – A
Thời gian sử dụng vỏ lò 60 năm
Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000
1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi
Bình sinh hơi của nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 là thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm, được thiết kế để lắp đặt trong tòa nhà lò Thùng bình sinh hơi có vỏ được tôi luyện, đáy hình elip và các vòi hàn chắc chắn, đồng thời được thiết kế để thuận tiện cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp.
2 Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm (Damage nozzle)
3 Vòi phun xuống dưới (Blow down nozzle)
4 Ống trao đổi nhiệt (Heat – exchange tubes)
5 Thành phần phân tách (Separation Units)
6 Thành phần bơm nước cấp chính (Main feedwater spray unit)
7 Vòi phun khử khí (Gas removal nozzle)
8 Thành phần bơm nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater spray unit)
9 Vòi phun hơi nước (Steam nozzle)
10 Ống phun hơi nước (Steam header)
11 Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater nozzle)
12 Lối vào bình sinh hơi (Access airlock)
Hình 1.4 cho thấy mặt cắt dọc của bình sinh hơi [13]
Hình 1.4 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi
1 Ống dẫn hơi chính 7 Ống dẫn chất tải nhiệt chính
2 Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp 8 Các ống trao đổi nhiệt
3 Hạt đậu 9 Bộ cân bằng áp suất hơi
4 Nắp đậy vòng sơ cấp 10 Ống cấp nước
5 Nắp đậy thứ cấp 11 Bộ tách hơi
6 Nắp đậy sơ cấp 12 Ống dẫn hơi
Bề mặt trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi được cấu tạo từ 10.978 ống hình chữ U, mỗi ống có đường kính 16x1.5mm, được sắp xếp theo chiều ngang Các bó ống được kết nối với bộ thu vòng sơ cấp, trong đó mép ống được hàn bằng hồ quang điện argon ở bên trong bộ thu Vật liệu sử dụng cho ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic.
Bộ thu vòng sơ cấp được thiết kế để phân phối nước làm mát đến các ống trao đổi nhiệt, sau đó nước sẽ được thu gom và loại bỏ khỏi vòng sơ cấp Bên trong bộ thu được phủ lớp chống ăn mòn hai lớp, đảm bảo độ bền Tấm phân phối hơi nước được lắp ở phần trên cùng của thùng bình sinh hơi, trong khi tấm đục lỗ được đặt dưới mực nước của bình sinh hơi nhằm cân bằng lượng hơi nước.
Bình sinh hơi dự trữ một lượng nước lớn nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong tai nạn mất nước cấp [13]
Sự bố trí “hành lang” (corridor) giữa các ống trao đổi nhiệt thì có các lợi thế sau [14]:
- Tăng sự tuần hoàn giữa các bó ống, kết quả là giảm tốc độ hình thành lắng đọng trầm tích trên các ống trao đổi nhiệt
- Giảm khả năng ống bị tắc do cặn bẩn bị tróc ra
- Tăng không gian dưới bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất cặn bẩn
- Dễ dàng cho việc kiểm tra và bảo dưỡng các ống trao đổi nhiệt
- Cải thiện khả năng chế tạo và chất lượng lắp ráp bó ống
- Tăng thể tích bình do đó làm tăng lượng nước trong bình sinh hơi
- Cải thiện một số vấn để về điều kiện của bộ thu hồi chất làm mát
Một số thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường được thể hiện ở bảng 1.2
Bảng 1.2 Các thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò
VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường [13]
Công suất hơi, t/h 1470 Áp suất tại lối ra của bình sinh hơi, MPa 6.27
Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào của bình sinh hơi, 0 C 321
Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra của bình sinh hơi, 0 C 219
Nhiệt độ nước cấp đầu vào của bình sinh hơi, 0 C 220
Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt,
0C 164 Độ ẩm hơi nước tại lối ra của bình sinh hơi, % 0.2
1.2.2 Vật liệu bình sinh hơi
Thép không gỉ, một hợp kim của sắt với hơn 11% kim loại Cr, là vật liệu chủ yếu dùng để chế tạo thành phần bình sinh hơi nhờ khả năng hình thành lớp màng bảo vệ chống oxi hóa thụ động Lớp vỏ bảo vệ này chủ yếu được hình thành từ kim loại Cr Thép không gỉ được phân loại thành bốn loại chính dựa trên cấu trúc vi mô: ferritic, austenitic, martensitic và duplex.
[12] Thành phần của các loại thép này được thể hiện trong bảng 1.3
Bảng 1.3 Thành phần của các loại thép không gỉ [12]
Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt nhờ vào lớp màng oxit bảo vệ rất mỏng được hình thành trong môi trường oxy hóa Khi thêm Cr vào thép, tốc độ ăn mòn giảm khoảng 10% do sự hình thành lớp màng thụ động Để có lớp màng thụ động chắc chắn, hàm lượng Cr cần ít nhất 11%, và sự bảo vệ này tăng nhanh khi hàm lượng Cr đạt khoảng 17% Chính vì vậy, nhiều loại thép không gỉ thường chứa từ 17 đến 18% Cr.
Hình 1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [12]
1.2.3 Môi trường làm việc của bình sinh hơi
Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân làm việc trong điều kiện môi trường hết sức khắc nghiệt như [12]:
- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao
Trong quá trình bình sinh hơi, nước có nhiệt độ cao, cụ thể ở vòng sơ cấp, nhiệt độ tại đầu vào chân nóng đạt 593.15 ± 3.50K với áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa, khiến nước tồn tại ở dạng lỏng Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552K tại áp suất 6.28 ± 0.20 MPa, nước chuyển sang trạng thái hơi Khi nước ở vòng thứ cấp tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt, hiện tượng sôi của nước diễn ra.
- Môi trường phóng xạ lớn
Các tia phóng xạ như nơ-trôn (n), hạt alpha (𝛼), hạt beta (𝛽) và tia gamma (𝛾) phát sinh từ các hạt nhân phóng xạ và hạt nhân ở trạng thái kích thích do phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 Những tia này tác động mạnh mẽ vào cấu trúc vật liệu, dẫn đến sự giảm độ bền và biến đổi cấu trúc trong vật liệu.
Nước khi bị chiếu xạ bởi tia phóng xạ sẽ phân hủy thành các ion và chất oxy hóa nguy hiểm như •OH, H2O2, O2, H2, •𝑂 2 − 𝑒𝑎𝑞•, và H Những ion và chất này sẽ phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình hóa học nhất định.
H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra môi trường oxy hóa dẫn đến sự ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ.
Kết luận chương 1
Ở chương 1 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau:
- Những đặc điểm nổi trội của nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 và các thông số cấu tạo của nó
- Cấu tạo của bình sinh hơi, vật liệu được dùng để làm nên bình sinh hơi và môi trường làm việc của bình sinh hơi
MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU
Khuyết tật
Khuyết tật Schottky là một loại khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể, được hình thành khi một nguyên tử bị loại bỏ khỏi mạng, tạo ra một lỗ trống Để bức nguyên tử ra khỏi mạng, cần một năng lượng nhất định, ký hiệu là 𝐸 𝑠 Sự hỗn loạn trong mạng tinh thể do các định luật nhiệt động lực học dẫn đến xác suất tạo ra lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann, phụ thuộc vào năng lượng cần thiết và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt Mối quan hệ giữa số lượng lỗ trống (n) và số nguyên tử trong mạng tinh thể (N) được thể hiện qua phương trình (1).
Trong đó: 𝑘 𝐵 – Hằng số Boltzmann, n – Số lượng lỗ trống, N – Số các nguyên tử trong mạng tinh thể
Hình 2.1 Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) [10]
Khuyết tật Frenkel là một loại khuyết tật trong mạng tinh thể, xảy ra khi một nguyên tử rời khỏi vị trí của nó và di chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng Biến thể này tuân theo các định luật nhiệt động lực học, với số lượng khuyết tật Frenkel tỷ lệ thuận với hệ số Boltzmann.
Biến vị
Biến vị là một loại khuyết tật tuyến tính có vai trò quan trọng trong cấu trúc vi mô của vật liệu Nó kiểm soát cường độ hiệu suất và ảnh hưởng đến biến dạng dẻo của tinh thể chất rắn khi ở nhiệt độ cao.
13 bình thường Biến vị cũng góp phần vào sự phát triển của tinh thể và trong cấu trúc giao diện giữa các tinh thể [10]
Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu do sự trượt giữa các bề mặt kề nhau và các lực thấp hơn xuất phát từ sự không hoàn hảo bên trong các tinh thể hình thành biến vị Biến vị góc có thể được hiểu là việc chèn thêm một nửa mặt phẳng vào bên trong tinh thể, dẫn đến việc giảm ứng suất cần thiết để tạo ra sự trượt Sự hiện diện của biến vị góc trong tinh thể làm giảm lực cần thiết cho sự di chuyển, nhờ vào sự di chuyển của các biến vị góc.
Hình 2.2 Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b)
Ứng suất và biến dạng
2.3.1 Khái niệm ứng suất, biến dạng Ứng suất kĩ thuật là ứng suất được xác định bằng tỷ số của lực vuông góc tác dụng lên vật mẫu với diện tích mặt cắt ngang ban đầu của nó (hình 2.3)
Hình 2.3 Ứng suất kĩ thuật [4]
Để so sánh các mẫu vật có kích thước khác nhau, lực được tính trên một đơn vị diện tích, hay còn gọi là chuẩn hóa diện tích Trong thí nghiệm kéo và nén, diện tích vuông góc với lực, trong khi đó, trong thí nghiệm cắt hoặc xoắn, diện tích vuông góc với trục quay Ứng suất được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó: 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝐹 – Lực tác dụng lên mẫu (N), A– Diện tích ban đầu của mẫu (m 2 )
Hình 2.4 Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác dụng lên thanh đồng nhất [3]
Biến dạng là sự thay đổi kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén Để so sánh các mẫu có độ dài khác nhau, độ dãn dài được chuẩn hóa Biến dạng được xác định thông qua tỉ số giữa chiều dài biến dạng và chiều dài ban đầu, được gọi là biến dạng kĩ thuật.
Biến dạng kỹ thuật trong các đường cong ứng suất – biến dạng được xác định là biến dạng tuyến tính trung bình, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho chiều dài ban đầu của nó.
Trong đó: 𝜀 – Biến dạng tuyến tính trung bình, 𝑙 𝑖 – Chiều dài của mẫu do biến dạng (m), 𝑙 0 – Chiều dài ban đầu của mẫu (m), ∆𝑙 – Độ giãn dài của mẫu do biến dạng (m)
2.3.2 Đường cong ứng suất – biến dạng
• Định luật Hooke Đối với vật liệu chịu ứng suất kéo ở mức độ tương đối thấp, ứng suất và biến dạng tỷ lệ với nhau thông qua phương trình (4)[7]:
Trong đó: E – Mô đun đàn hồi, hoặc mô đun Young (N/m 2 ), 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝜀 – Biến dạng
• Đường cong ứng suất, biến dạng
Hình dạng và kích cỡ của đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần kim loại, gia công nhiệt, tiền sử biến dạng dẻo, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất trong quá trình thử nghiệm Đường cong này được mô tả qua các thông số như cường độ kéo, cường độ hiệu suất, phần trăm độ giãn dài và giảm diện tích, trong đó hai thông số đầu thể hiện cường độ và hai thông số sau phản ánh tính dẻo Đồ thị ứng suất – biến dạng cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong một số phạm vi ứng suất, với vật liệu có tính đàn hồi trong vùng tuyến tính, và biến dạng vĩnh viễn xảy ra khi vượt qua giới hạn đàn hồi Vật liệu có thể bắt đầu "co thắt" và dẫn đến vỡ Trong vùng tuyến tính, các đường cong của một loại vật liệu cụ thể luôn giống nhau bất kể kích thước vật lý khác nhau, cho thấy tính tuyến tính và độ dốc là hằng số của loại vật liệu đó, được gọi là mô đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E) trong ứng suất kéo và nén.
∆𝑙/𝑙 (2.5) Trong đó: 𝐹/𝐴 – Ứng suất (N/m 2 ), ∆𝑙/𝑙 – Biến dạng, E – mô đun đàn hồi(N/m 2 )
Bảng 2.1 Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu [7]
Hình 2.5 Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng [7]
Các vùng điển hình có thể quan sát được trong đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2.5 là [7]:
1 Vùng đàn hồi (Elastic region)
3 Biến dạng cứng (Strain Hardening)
4 “Co thắt” và hỏng (Necking and Failure)
Cần lưu ý rằng đường cong ứng suất – biến dạng của các vật liệu thực tế khác nhau sẽ có sự khác biệt Các khu vực trong đường cong không phải lúc nào cũng được thể hiện rõ ràng, và phạm vi của từng khu vực phụ thuộc vào loại vật liệu Hơn nữa, không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện đầy đủ các khu vực này.
• Hành vi giòn và dẻo của vật liệu
Hành vi của vật liệu được chia thành hai loại chính: giòn và dẻo Vật liệu dẻo bao gồm thép và nhôm, trong khi vật liệu giòn bao gồm thủy tinh, gốm sứ, bê tông và gang Sự phân biệt giữa hai loại vật liệu này dựa trên đường cong ứng suất – biến dạng.
Hành vi của vật liệu dẻo và giòn được thể hiện qua sự khác biệt về độ nhạy trong đường cong ứng suất – biến dạng Vật liệu dẻo có khả năng chịu đựng biến dạng lớn trước khi gãy, trong khi vật liệu giòn thường gãy ở mức biến dạng nhỏ hơn nhiều Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu dẻo có vùng hiệu suất chiếm ưu thế, ngược lại, vật liệu giòn gần như không có vùng hiệu suất Thêm vào đó, vật liệu giòn thường sở hữu mô đun Young lớn và có ứng suất tối đa cao hơn so với vật liệu dẻo.
Vật liệu dẻo, như thép, có khả năng chịu đựng sự biến dạng lớn trước khi gãy, trong khi vật liệu giòn gãy đột ngột mà không có dấu hiệu báo trước Do đó, thép thường là sự lựa chọn hàng đầu trong xây dựng Năng lượng hấp thụ trên một đơn vị thể tích trong thử nghiệm độ bền kéo được xác định bởi vùng dưới đường cong ứng suất – biến dạng So sánh các đường cong cho thấy vật liệu dẻo hấp thụ năng lượng lớn hơn nhiều trước khi gãy.
Không phải tất cả các vật liệu đều dễ dàng phân loại là dẻo hay giòn, vì độ nhạy của chúng phụ thuộc vào môi trường hoạt động Nhiều vật liệu dẻo có thể trở nên giòn khi nhiệt độ giảm Với sự tiến bộ trong công nghệ luyện kim và hợp chất, nhiều vật liệu hiện nay đã được cải tiến, kết hợp giữa hai thành phần dẻo và giòn.
Khi các liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt yếu, chúng sẽ vỡ ra từng phần, hiện tượng này được gọi là gãy transgranular Ngược lại, gãy intergranular xảy ra khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ hoàn toàn.
Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.7
Hình 2.7 Các dạng nứt cơ bản [10] a Mô hình tách b Mô hình trượt c Mô hình xé
Độ bền đứt gãy là khả năng của vật liệu chịu được nứt trước khi gãy, với vật liệu có độ bền cao thường trải qua gãy dẻo, trong khi vật liệu có độ bền thấp thường gãy giòn Đặc tính này thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ có sẵn, điều này rất quan trọng vì các vết rỗ không thể tránh khỏi trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu.
Hệ số cường độ ứng suất (K) là một tham số quan trọng dùng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu Trong đó, dạng nứt gãy tách là dạng phổ biến nhất và sẽ được xem xét kỹ lưỡng trong phần này.
Hệ số cường độ ứng suất phụ thuộc vào tải trọng, kích thước và hình học của vết nứt, được mô tả bằng công thức (2.6) [7].
Trong đó: K1– Độ bền đứt gãy (MPa√𝑚), 𝜎 – Ứng suất (MPa), a – Độ dài vết nứt (m), 𝛽 – Hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu.
Kết luận chương 2
Trong chương 2, chúng ta đã khám phá các khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu, bao gồm khuyết tật, biến vị, ứng suất, biến dạng và vết nứt Những khái niệm này cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình hình thành vết nứt trong môi trường ăn mòn dưới tác động của ứng suất Phần này sẽ được phân tích chi tiết hơn trong chương 3.
NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ CÓ ỨNG SUẤT ÁP VÀO
Khái niệm nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào (SCC)
Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất áp vào (SCC) là sự hỏng hóc chậm trong vật liệu kỹ thuật, gây lan truyền vết nứt dưới tác động của ứng suất kéo và môi trường chứa clorua hoặc dung dịch ăn mòn Ứng suất kéo có thể đến từ ứng suất dư trong hợp kim hoặc ứng suất hoạt động của thiết bị SCC có thể xảy ra ở mức ứng suất thấp hơn ứng suất đàn hồi của vật liệu, với vết nứt phát sinh từ hố ăn mòn hoặc ứng suất tập trung trước đó Đây là dạng ăn mòn bên trong, làm giảm đáng kể độ bền cơ học của vật liệu mà không có dấu hiệu cảnh báo, gây ra những thảm họa nghiêm trọng như vỡ ống dẫn khí áp suất cao và nổ lò hơi Vết nứt SCC có thể là gãy liên kết giữa các hạt hoặc từ bên trong hạt, với cơ chế khác nhau tùy theo kết hợp hợp kim và môi trường.
Hình 3.1 Vết nứt do gãy liên kết giữa các hạt (a) và vết nứt xuất phát từ bên trong hạt (b) [1]
Quá trình SCC được chia làm 3 giai đoạn [9]:
- Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1
- Lan truyền vết nứt ở giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái ổn định
- Lan truyền vết nứt ở giai đoạn 3 hoặc sự gãy cuối cùng.
Các thông số kiểm soát sự lan truyền SCC
Hình 3.2 minh họa quá trình lan truyền của vết nứt, trong đó sự phát triển của vết nứt là kết quả của các phản ứng hóa học với đầu kim loại Ví dụ này được lựa chọn vì nó tối đa hóa các bước có thể xảy ra trong quá trình này Như thể hiện trong hình 3.2, “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.
Hình 3.2 Các quá trình diễn ra tại đầu vết nứt [9]
1 Chất mang vận chuyển vào vết nứt
2 Các phản ứng trong dung dịch
3 Sự hấp phụ bề mặt
5 Các phản ứng bề mặt
7 Sự khuếch tán trạng thái rắn
8 Các phản ứng trạng thái rắn
9 Quá trình gãy, nứt thật sự
Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong môi trường chất lỏng bao gồm những thông số sau [9]:
- Nồng độ hoặc hoạt độ chất tan
Thay đổi bất kỳ thông số nào có thể tác động đến sự lan truyền vết nứt, làm tăng hoặc giảm tốc độ của nó Việc điều chỉnh tốc độ phản ứng môi trường có thể kìm hãm hoặc kích thích sự lan truyền vết nứt Môi trường tại đầu vết nứt khác biệt rõ rệt so với môi trường xung quanh Nếu một sự thay đổi lớn trong môi trường tạo ra điều kiện cho sự hình thành môi trường SCC tại nhân vết nứt, thì sự lan truyền sẽ diễn ra Ngược lại, nếu môi trường không đủ khả năng duy trì vết nứt, quá trình lan truyền sẽ ngừng lại.
Ngoài các thông số môi trường được liệt kê ở trên, thì tốc độ lan truyền vết nứt còn bị ảnh hưởng bởi [9]:
- Độ lớn của ứng suất áp vào hoặc hệ số cường độ ứng suất
- Trạng thái ứng suất, bao gồm: ứng suất phẳng và biến dạng phẳng
- Chế độ tải ở đầu nứt (sức căng hoặc xoắn)
- Thành phần hợp kim, bao gồm thành phần chính và thành phần tạp chất
- Các điều kiện luyện kim
Khởi tạo SCC
Khởi tạo SCC là quá trình cần thiết để tạo ra điều kiện môi trường cục bộ tại các khuyết tật đã có trên bề mặt mẫu, như gia công, trầy xước, rỗ hoặc rãnh ăn mòn Trước khi bắt đầu quá trình này, cần thiết lập hóa học cục bộ của môi trường phù hợp để khởi tạo vết nứt Giai đoạn này rất quan trọng đối với các vật liệu như thép không gỉ austenitic, vì môi trường cục bộ tại đầu vết nứt khác biệt so với môi trường tổng thể.
23 trường cục bộ đóng vai trò quan trọng trong việc khởi tạo và lan truyền vết nứt, với thời gian này được gọi là “thời gian cảm ứng” (ti) hoặc “thời gian ủ bệnh” Thời gian cảm ứng thường chiếm một phần lớn trong tổng thời gian gãy (𝑡𝑓) Do đó, quá trình khởi tạo SCC có thể được mô tả thông qua hai tham số.
• “Thời gian ủ bệnh” hoặc thời gian bắt đầu, trước khi hình thành vết nứt
Ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn (𝐾 𝐼𝑆𝐶𝐶) là yếu tố quan trọng quyết định sự phát triển của vết nứt trên đồng thau trong dung dịch amoniac Ứng suất (𝜎) được áp dụng lên vật liệu, trong khi Ứng suất cần thiết để đóng vết nứt (𝜎 0) và hằng số (B) cũng đóng vai trò quan trọng Thêm vào đó, thế năng điện hóa học của mẫu (−𝑉 𝑚) ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của đồng thau.
Ngưỡng tới hạn cơ học, được biểu diễn bằng ứng suất ngưỡng 𝜎 𝑓 cho bề mặt nhẵn, hoặc hệ số cường độ ứng suất tới hạn KISCC khi có sự hiện diện của các vết nứt trước đó, là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá độ bền của vật liệu.
Trong đó: ∆𝐾 𝑡ℎ – Ngưỡng mỏi do ăn mòn, F – Hằng số, ∆𝜎 0 – Độ lệch ứng suất bề mặt
Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng của vết nứt và thời gian trong các giai đoạn khác nhau của quá trình lan truyền vết nứt được minh họa rõ ràng trong hình 3.3.
Hình 3.3 Các giai đoạn của quá trình SCC theo thời gian [9]
Thời gian ủ bệnh của vật liệu phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường Trong điều kiện ổn định, thời gian ủ bệnh sẽ có giá trị cụ thể, nhưng nếu có sự xáo trộn, thời gian này có thể thay đổi Nghiên cứu trước đây về SCC của thép không gỉ austenitic trong dung dịch clorua đã chỉ ra rằng thời gian ủ bệnh có thể kéo dài trước khi vết nứt xuất hiện.
Vết nứt có thể bắt đầu trước “thời gian ủ bệnh” và lan rộng dưới tác động của môi trường ăn mòn cùng với ứng suất kéo Chúng thường xuất hiện tại các vết trầy xước, vết khía hoặc vết lõm trên bề mặt kim loại, nơi có cường độ ứng suất cao, hoặc tại các vết rỗ ăn mòn khi lớp màng thụ động bị phá hủy Sự phá vỡ cục bộ của lớp màng thụ động cũng có thể xảy ra do biến dạng dẻo Ngoài ra, ăn mòn điện hóa có thể khởi tạo SCC trong môi trường ăn mòn cụ thể Các bước trượt trên bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự khởi tạo SCC khi lớp màng thụ động bị hư hỏng, dẫn đến việc hình thành các anod cục bộ và vết nứt từ bên trong hạt.
Các cơ chế lan truyền SCC
Sự tương tác giữa ứng suất và ăn mòn tại đầu vết nứt được giải thích qua nhiều cơ chế khác nhau, chủ yếu chia thành hai loại: cơ chế anod và cơ chế catot Trong quá trình ăn mòn, cả hai phản ứng này đều diễn ra và dẫn đến sự lan truyền của vết nứt Cơ chế anod chủ yếu liên quan đến việc hòa tan và loại bỏ vật liệu ở đầu vết nứt, trong khi cơ chế catot tập trung vào việc đánh giá, hấp thụ, khuếch tán hydro và tính giòn Để giải thích tốc độ lan truyền vết nứt, cần có một cơ chế cụ thể có khả năng mô tả hình ảnh và quá trình hình thành vết nứt Sự phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử tại đầu vết nứt thường xảy ra thông qua solvat hóa hoặc gãy cơ học, với gãy cơ học bao gồm các quá trình gãy bình thường được kích thích bởi các tương tác giữa vật liệu và môi trường.
- Sự hấp phụ của các loại chất tan trong môi trường
- Các phản ứng bề mặt
- Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt
Tất cả các cơ chế gãy cơ học đều bao gồm một hoặc nhiều quá trình cần thiết trong quá trình SCC.
Mô hình này cho rằng sự lan truyền vết nứt xảy ra do hòa tan tích cực tại đầu vết nứt, có thể liên tục hoặc do hỏng định kỳ của lớp màng bề mặt, dẫn đến nứt do gãy liên kết giữa các hạt Khi vết nứt đã hình thành, nó sẽ lan truyền dưới tác động của môi trường, với tốc độ hòa tan tại thành vết nứt chậm hơn so với đầu vết nứt Đối với các kim loại thụ động, sự chênh lệch này gây ra sự lan truyền vết nứt, và để đạt được tốc độ lan truyền cao, đầu vết nứt cần có dòng ăn mòn cao Tiêu chí cho cơ chế nứt trong dung dịch yêu cầu đầu vết nứt phải lan truyền nhanh hơn tốc độ ăn mòn trên thành vết nứt không bị biến dạng, nếu không, vết nứt sẽ bị cùn Điều kiện môi trường-vật liệu cho SCC phụ thuộc vào động lực học và nhiệt động lực học của lớp màng bảo vệ, với độ nhạy nứt liên quan đến phạm vi thế năng hóa học và pH Nếu lớp màng bảo vệ bị phá vỡ, bề mặt trần sẽ bị hòa tan Tốc độ phản ứng điện hóa tại đầu vết nứt cần cao hơn đáng kể so với cạnh vết nứt để tạo ra vết nứt nhọn SCC có thể bị ngăn chặn bằng cách làm cùn các vết nứt mới tạo ra trong giai đoạn khởi tạo nếu các điều kiện môi trường-vật liệu không được thỏa mãn Tốc độ lan truyền vết nứt trong nhiều hệ thống hợp kim dẻo/môi trường tỷ lệ thuận với tốc độ hòa tan được xác định thực nghiệm tại đầu vết nứt.
Hình 3.4 Mối quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anode [9]
3.4.2 Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular)
Sự phân ly các chất tan và kết tủa ở biên hạt dẫn đến tính không đồng nhất điện hóa, gây ra sự hòa tan của các hạt Quang phổ điện tử Auger được sử dụng để xác định hiệu ứng tách tại vùng lân cận vết gãy trên bề mặt thép không gỉ 304, cho thấy sự suy giảm Crom ở biên hạt đã làm tăng khả năng tấn công của dung dịch oxy hóa yếu như H2SO4 – CuSO4 Hiện tượng hòa tan này liên quan đến sự khác biệt thế năng giữa các vùng biên hạt và kim loại còn lại, tạo ra động lực cho quá trình hòa tan Ngoài ra, các đặc tính biến đổi lớp màng tại biên hạt cũng góp phần vào sự hòa tan và hiện tượng IGSCC Nghiên cứu chỉ ra rằng sự hòa tan tăng cường do chất phân ly có thể làm suy yếu lớp màng bảo vệ, dẫn đến lan truyền vết nứt Ranh giới hạt cản trở sự di chuyển biến vị và gây tắc ngẽn, dẫn đến biến dạng cục bộ và có thể gây ra IGSCC.
Hình 3.5 Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom [9]
3.4.3 Mô hình giải hòa tan trượt hoặc mô hình vỡ lớp màng
Trong mô hình hòa tan trượt, quá trình hòa tan xảy ra tại các đường ống trượt, nơi lớp màng bề mặt của thép bị vỡ do ứng suất trong biến dạng dẻo Sự biến dạng dẻo cục bộ tại đầu vết nứt tạo ra ứng suất tập trung, dẫn đến vỡ lớp màng chỉ tại điểm này, gây ra hòa tan anod ở đầu vết nứt và cho phép vết nứt lan truyền Phương thức lan truyền này thường được quan sát thấy trong hiện tượng SCC ở các hạt của thép không gỉ austenitic.
Vỡ lớp màng là do sự xuất hiện của các bước trượt qua lớp màng thụ động mỏng
Mô hình hòa tan trượt cho thấy sự tái tạo và lan truyền vết nứt trong thép không gỉ austenitic, đặc biệt trong môi trường nước nóng và dung dịch chứa clorua Các thông số cơ bản như tốc độ biến dạng tại đầu nứt và tần suất vỡ lớp màng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Hình 3.6 minh họa sự khởi tạo và lan truyền vết nứt, trong khi hình 3.4 cho thấy mối tương quan giữa động học hòa tan/tái tạo và tốc độ ăn mòn giữa các hạt Để mô hình hoạt động hiệu quả, chiều cao bước trượt cần lớn hơn độ dày của lớp màng bề mặt, giúp giải thích phần lớn hư hỏng do SCC trong các điều kiện ăn mòn khắc nghiệt.
Mô hình vỡ lớp màng liên quan đến nhiều giả thuyết về tác động của môi trường lên quá trình gãy dẻo, cho rằng sự gia tăng các vị trí hòa tan tích cực do biến dạng tập trung và sự hòa tan ưu tiên của biến vị di động có thể xảy ra Các lớp màng bảo vệ như oxit và muối kim loại có thể bị vỡ do biến dạng, dẫn đến khởi tạo vết nứt Tốc độ biến dạng tại đầu vết nứt có thể tăng lên do ứng suất tăng hoặc ứng suất theo chu kỳ, và khi lớp màng bị vỡ, sự lan truyền vết nứt sẽ phụ thuộc vào quá trình oxy hóa bề mặt kim loại trần, cũng như nhiệt động lực học và động học của hệ thống kim loại-môi trường Sự duy trì lan truyền vết nứt phụ thuộc vào quá trình vỡ lớp màng và tái hình thành liên tục, với tốc độ biến dạng khác nhau tại đầu vết nứt.
Hình 3.7 minh họa tỷ lệ mật độ điện tích oxy hóa theo thời gian, liên quan đến sự biến dạng tại đỉnh nứt và các mặt bên không bị biến dạng của vết nứt.
Các bước kiểm soát tốc độ chi phối đến sự lan truyền vết nứt bằng mô hình hòa tan trượt [1]:
1 Sự khuếch tán trong chất lỏng của các phân tử nước hoặc các cation hòa tan vào và ra khỏi khu vực vết nứt
2 Tốc độ oxy hóa tổng thể (tốc độ hòa tan và tốc độ tái tăng trưởng oxit) hoặc tốc độ tái tạo
3 Tốc độ vỡ lớp màng ở đầu vết nứt
Các tham số này có thể liên quan trực tiếp đến ứng suất, môi trường và vi cấu trúc, như trong hình 3.8
Hình 3.8 Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt SCC [13]
3.4.4 Mô hình gãy cơ học
• Mô hình rạn nứt hoặc mô hình giòn hóa lớp màng (tarnish rupture model or brittle film model)
Mô hình rạn nứt, hay còn gọi là mô hình giòn hóa lớp màng, liên quan đến hiện tượng SCC giữa các hạt của thép không gỉ austenitic, cũng có thể áp dụng cho SCC trong môi trường nước nóng hoặc dung dịch polythionate Trong mô hình này, lớp màng bề mặt trở nên giòn hoặc yếu do tác động của môi trường, phát triển chủ yếu dọc theo các ranh giới hạt Khi vật liệu chịu ứng suất, lớp màng sẽ gãy giòn ở một độ sâu nhất định, để lộ kim loại trần và dẫn đến quá trình hòa tan cho đến khi kim loại tái tạo lớp màng giòn một lần nữa Quá trình này lặp đi lặp lại, dẫn đến sự lan truyền liên tục của vết nứt Sự khác biệt giữa mô hình này và mô hình vỡ lớp màng là mô hình vỡ lớp màng liên quan đến các lớp màng thụ động mỏng (~ 50 Å), trong khi mô hình rạn nứt với lớp màng không bảo vệ dày (~ 1000 Å hoặc lớn hơn) bị hạn chế bởi sự vận chuyển ion trong dung dịch.
Mô hình vỡ lớp màng được thể hiện trong Hình 3.9 cho thấy sự hình thành lớp màng giòn dọc theo biên giới hạt Sự vỡ của lớp màng này xảy ra do ứng suất, dẫn đến việc khởi tạo và lan truyền các vết nứt.
Theo cơ chế gãy cơ học, vết nứt SCC thường lan truyền theo cách giòn hóa, làm cho phương pháp Griffith về gãy giòn có thể áp dụng Do đó, ứng suất gãy cần thiết để kích thích sự lan truyền của vết nứt hình elip theo cách giòn hóa có thể được ước tính từ phương trình 3.3 [1].
Trong đó: E là mô đun Young và 𝛾 𝑠 là năng lượng bề mặt
Bất kỳ quá trình nào làm giảm 𝛾 𝑠 đều dẫn đến giảm ứng suất cần thiết cho sự gãy giòn, đặc biệt là khi các chất tan được hấp phụ ở bề mặt gãy, như trong quá trình giòn hóa hydro của thép Nếu gãy có liên quan đến biến dạng dẻo, năng lượng bề mặt sẽ được điều chỉnh để tính toán công thực hiện trong quá trình này, dẫn đến việc 𝛾 𝑝 (công biến dạng dẻo) được cộng vào 𝛾 𝑠 Hơn nữa, sự phản ứng của hydro với biến vị có thể tạo ra các lỗ trống lớn hơn, hình thành hydrua và ảnh hưởng đến quá trình gãy Những lớp màng giòn này có thể xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc của kim loại và chỗ vỡ, gây ra sự hòa tan tích cực của kim loại và lan truyền vết nứt.
• Mô hình hấp phụ chọn lọc
Mô hình hấp phụ chọn lọc cho rằng các chất tan cụ thể hấp phụ lên bề mặt kim loại, làm giảm năng lượng bề mặt 𝛾 𝑠 trong phương trình Griffith hoặc Petch-Stroh, từ đó giảm ứng suất cần thiết để gây gãy giòn Đặc trưng của các chất tan và sự phụ thuộc điện hóa của SCC có thể được giải thích qua hiện tượng ăn mòn chọn lọc, khi chúng hấp phụ lên bề mặt kim loại và tương tác với các liên kết biến dạng ở đầu nứt, dẫn đến giảm độ bền liên kết như thể hiện trong hình 3.10.
Hình 3.10 Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ [9]
Sự hấp phụ xảy ra tại các biến vị hoặc khuyết tật di động ở đầu vết nứt, liên quan đến gãy giòn và phù hợp với sự phân tách từ các hạt thép không gỉ austenitic Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn gây tranh cãi, đặc biệt là về việc sự lan truyền vết nứt bị chi phối bởi tốc độ vận chuyển các ion gây hại Nghiên cứu cho thấy rằng một vết nứt nhọn không thể duy trì ổn định trong hợp kim mềm FCC ở vận tốc nứt thấp.
Fuller, Lawn và Thompson đã nghiên cứu các mô hình nguyên tử liên quan đến sự hấp phụ gây ra gãy Trong mô hình này, các nguyên tử được kết nối qua các liên kết ngang với hằng số lò xo (β) và liên kết dọc với hằng số lò xo (α) Khi một chất tan hóa học, như phân tử A2, được hấp phụ tại đầu vết nứt, nó tạo ra hai liên kết AB, dẫn đến sự hỏng hóc do vỡ liên kết yếu AA.
Hình 3.11 Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạn nứt liên kết [9]
• Mô hình giòn hóa hydro
Kết luận chương 3
Trong chương 3, chúng ta đã khám phá quá trình hình thành vết nứt trong môi trường ăn mòn dưới tác động của ứng suất Bài viết cũng đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt cũng như các cơ chế lan truyền của chúng.
SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
Đồng trong trầm tích của bình sinh hơi
Trầm tích của bình sinh chủ yếu chứa oxit sắt, đặc biệt là magnetit (Fe3O4), nhưng kim loại đồng cũng đóng vai trò quan trọng Đồng được phát hiện trong trầm tích từ sản phẩm ăn mòn tại tất cả các nhà máy điện hạt nhân, và nó kích thích quá trình ăn mòn, gây ra vết rỗ trên bề mặt bên ngoài của thanh trao đổi nhiệt.
Khối lượng trung bình của hỗn hợp sắt và đồng từ trầm tích của 46 bình sinh hơi của lò phản ứng VVER – 1000 và VVER – 400 đạt 1288kg, trong đó chứa 27% đồng Đồng chủ yếu xâm nhập vào bình sinh hơi tại các vòng thứ cấp của lò phản ứng VVER – 1000 và VVER – 400 thông qua các lò nhiệt áp suất thấp.
Các sự kiện trong giai đoạn chuyển tiếp có thể tác động đến đồng trong trầm tích Mark và Varrin đã đề xuất một giả thuyết nghiên cứu định tính về ảnh hưởng của việc tắt máy, layup và khởi động đối với hóa học bình sinh hơi Giả thuyết này bao gồm bốn bước quan trọng.
1 Trong quá trình hoạt động bình thường, một số ăn mòn xảy ra trong vòng nước thứ cấp, đưa kim loại hòa tan vào trong nước cấp với số lượng tối thiểu
2 Hoạt động bình thường của bình sinh hơi tập trung các ion kim loại này, buộc kim loại kết tủa và hình thành oxit trong bình sinh hơi
3 Trong quá trình khởi động, trầm tích trong bình sinh hơi được oxy hóa và dùng như một hồ chứa oxy, và oxit cũng được hình thành trong các phần khác của hệ thống thứ cấp
4 Trong các giai đoạn hoạt động ban đầu, các oxit này cùng với các oxit được đưa vào từ vòng thứ cấp bởi nước cấp - được giảm thiểu, hoặc bằng cách oxy hóa trực tiếp kim loại của ống trao đổi nhiệt hoặc thông qua việc đưa oxy vào vòng thứ cấp của bình sinh hơi thông qua nhiều phản ứng
Chuỗi các sự kiện được đưa ra trong giả thuyết này được thể hiện trong hình 4.1 [8]
Trong quá trình hình thành trầm tích đồng của ống trao đổi nhiệt, đồng tạo ra hai oxit phổ biến là Cu2O và CuO, cùng với một hydroxit thông thường là Cu(OH)2, khi tiếp xúc với môi trường nước cấp.
Lớp trầm tích đồng hình thành không chỉ trên bề mặt ống trao đổi nhiệt mà còn ở bên trong Quá trình khử đồng từ dạng oxit diễn ra khi các electron chuyển đổi từ hydroxit sắt hóa trị 2 sang hóa trị 3.
2Fe(OH) 2 + 2OH – 2Fe(OH) 3 +2 е _ (4.7)
Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt
Trầm tích trong bình sinh hơi chứa đồng, và khi bình hoạt động, đồng trong trầm tích và thép của ống trao đổi nhiệt bị hòa tan cục bộ, dẫn đến hình thành vết rỗ trên bề mặt ống Hình 4.2 minh họa quá trình hình thành vết nứt xuyên qua thành ống trao đổi nhiệt do tác động của các yếu tố hư hại như vết rỗ từ trầm tích đồng, sự mỏi của thiết bị, và sự nứt do các thành phần Clo và O2 trong môi trường.
Hình 4.2 Mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt
Bán kính trầm tích đồng (rCu) và phần kim loại bị hỏng (h1) khi hình thành vết rỗ được lấp đầy bởi oxit của thành phần thép Phần hư hỏng (h2) được tạo ra do cơ chế nứt do ăn mòn bởi Clo và oxy Độ dày của thành ống trao đổi nhiệt được tính bằng công thức 𝑇 = ℎ 1 + ℎ 2.
Hình 4.3 Thành của ống trao đổi nhiệt T [5]
38 Để hình dung rõ hơn về vết nứt do trầm tích đồng ta có thể quan sát hình 4.4 và hình 4.5
Hình 4.4 Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic [6]
Hình 4.5 Vết nứt trong thép không gỉ do trầm tích đồng [6]
Thể tích oxit trong hợp kim luôn lớn hơn thể tích kim loại gốc, dẫn đến việc hợp kim phải chịu thêm ứng suất cơ học cục bộ Ứng suất tổng cộng này kích thích các biến dạng vi mô và sự hình thành, trượt của các biến vị Sự hình thành biến vị phụ thuộc vào giá trị năng lượng của khuyết tật trong hợp kim.
Cụm phẳng hoặc dãy đồng diện trong cấu trúc tinh thể thường xuất hiện trong giới hạn của một hoặc một vài nút mạng Sự hình thành này được gọi là cơ chế chuyển.
39 tiếp biến dạng dẻo từ nút mạng này sang nút mạng kia (cơ chế này thường xảy ra đối với thép austenitic)
Hình thành trầm tích đồng trên thép cacbon xảy ra khi các cụm phẳng nằm gần nhau ở cả hai phía của nút mạng Đầu tiên, hiệu điện thế giữa cặp "đồng/thép" cao hơn nhiều so với các trường hợp hình thành vết rỗ khác, dẫn đến việc các trường hợp này không được quan sát Thứ hai, trong quá trình phát triển vết rỗ, mật độ dòng điện ở anod và catot bằng nhau khi thời gian không đổi Thứ ba, vận tốc chuyển đồng từ dung dịch sang dạng trầm tích trên bề mặt ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với nồng độ hợp chất đồng chứa ammoniac trong nước vòng thứ cấp Cuối cùng, hình dạng của đồng trong trầm tích được coi là tương đối không đổi.
Dòng điện của cặp “đồng / thép” phụ thuộc vào diện tích bề mặt của phần trầm tích đồng tích tụ cục bộ, với diện tích bề mặt ở đoạn catốt tỉ lệ với khối lượng của nó lũy thừa 2/3 Hình dạng trầm tích đồng giả thiết là không đổi, có dạng như hình 1, khiến kích thước (bán kính) tỉ lệ với căn bậc ba của khối lượng Diện tích bề mặt của trầm tích đồng trên ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với bình phương bán kính, cụ thể là phần diện tích tham gia vào phản ứng khử cực hydro ở catốt, từ đó xác định dòng điện ở catốt Vận tốc tan ở anốt cũng tỉ lệ với khối lượng đồng trong trầm tích theo lũy thừa 2/3.
Sự tăng khối lượng của phần đồng tích tụ cục bộ tỉ lệ với tốc độ chuyển đồng sang trạng thái trầm tích
Hình 4.2 có thể được chuyển đổi thành biểu đồ tính toán nhằm dự báo thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện vết rỗ trên chúng, như được thể hiện trong hình 4.6 và hình 4.7.
Hình 4.6 Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành
Trong đó: 𝜏 1 – Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích,
Thời gian hoạt động dự kiến của ống trao đổi nhiệt được xác định bởi 𝜏 𝐻, trong khi 𝜏 𝑜𝑐𝑚 đại diện cho thời gian còn lại cho đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống Khối lượng đồng trong trầm tích tại thời điểm 𝜏 1 được ký hiệu là МCu (𝜏 1), và khối lượng đồng tại thời điểm 𝜏 𝐻 là МCu (𝜏 𝐻) Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích được gọi là 𝑀 𝐶𝑢 𝑙𝑖𝑚.
Hình 4.7 Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian
Độ sâu của vết nứt được xác định bởi các yếu tố như h1 – độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 𝜏 1 và h1(𝜏 𝐻) – độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 cho đến ngày dự báo Bên cạnh đó, tổng bề dày của thành ống trao đổi nhiệt được biểu thị bằng ℎ 1 + ℎ 2 = T, trong khi 𝜏 𝑜𝑐𝑚 đại diện cho thời gian hoạt động.
41 gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống
Tốc độ trung bình chuyển đổi đồng sang trạng thái trầm tích có thể được xác định thông qua phân tích thành phần hóa học của các mẫu trầm tích thu thập từ bề mặt của các ống trao đổi nhiệt.
Trong bài viết này, khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích từ ống trao đổi nhiệt được ký hiệu là \(M_{Cu}(\tau_H)\) và \(M_{Cu}(\tau_1)\) Các giá trị này tương ứng với thời gian hoạt động \( \tau_H \) và \( \tau_1\), trong đó \( \tau_H \) đại diện cho khoảng thời gian hoạt động tính bằng ngày, còn \( \tau_1\) là thời gian ghi nhận sự xuất hiện của đồng trong trầm tích vào ngày đầu tiên.
Sự thiếu hụt tương đối độ dày của thành ống trao đổi nhiệt tại ngày tính toán
Độ sâu của vết nứt 𝜏 𝐻 được tính bằng công thức ℎ 1 (𝜏 𝐻 )/(ℎ 1 + ℎ 2 ), trong đó ℎ 1 (𝜏 𝐻 ) là độ sâu vết nứt được đo bằng phương pháp điều khiển dòng xoáy hoặc các phương pháp khác, còn ℎ 1 + ℎ 2 là tổng độ dày của thành ống trao đổi nhiệt.
Giá trị giới hạn của khối lượng trầm tích đồng 𝑀 𝐶𝑢 𝑙𝑖𝑚 trên ống trao đổi nhiệt là yếu tố quan trọng, khi đạt đến giá trị này, vết nứt xuyên qua thành ống sẽ hình thành chỉ do sự lan rộng của vết rỗ trong thời gian vận hành xác định, mà không liên quan đến các quá trình tạo vết nứt do clorua và oxy, cũng như không tính đến độ mỏi của thiết bị Để xác định giá trị 𝑀 𝐶𝑢 𝑙𝑖𝑚, cần thực hiện đo đạc và xử lý số liệu thực nghiệm Độ sâu tương đối của vết rỗ trên thành ống trao đổi nhiệt được tính theo công thức 4.2.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố liên quan đến độ sâu vết rỗ và khối lượng đồng trong mẫu trầm tích Độ sâu vết rỗ vào ngày dự báo được ký hiệu là ℎ 1 (𝜏 𝐻 ) và được đo bằng milimét Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 được ký hiệu là 𝑀 𝐶𝑢 (𝜏 𝐻 ) và tính bằng gram Tốc độ trung bình chuyển đồng sang trạng thái trầm tích được ký hiệu là 𝑍 𝐶𝑢 và đo bằng gram/giờ Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích được ký hiệu là 𝑀 𝐶𝑢 𝑙𝑖𝑚 (g) Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt cho đến khi vết rỗ phát triển qua thành ống được gọi là 𝜏 𝑜𝑐𝑚 (giờ) Cuối cùng, hệ số chuyển đổi 𝐾 𝐶𝑢 được tính theo công thức 4.3.
Sử dụng công thức 4.1 đến công thức 4.3 ta có thể suy ra công thức 4.4 với sai số của phép đo như sau:
Trong đó: 𝛿 𝐶𝑢 – Sai số của phép đo, 𝜏 𝑜𝑐𝑚 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống (giờ).
Tính toán và nhận xét
4.3.1 Tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (V Cu )
Vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích được tính theo công thức 4.5:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích, được ký hiệu là 𝑉 𝐶𝑢 (g/giờ) Khối lượng đồng đo được trong trầm tích trong khoảng thời gian từ 𝜏 1 đến 𝜏 𝐻 được ký hiệu là 𝑀 𝐶𝑢 (g), với 𝜏 𝐻 là thời gian hoạt động dự báo (giờ) và 𝜏 𝑐𝑢 là thời gian ghi nhận đồng trong trầm tích (giờ).
Bảng 4.1 Kết quả tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích
Từ kết quả tính toán ở bảng 4.1 ta có được đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích theo hình 4.8
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích
Theo đồ thị hình 4.8, vận tốc trung bình chuyển đồng sang trạng thái trầm tích tăng tỷ lệ thuận với khối lượng đồng trong trầm tích Cụ thể, khi khối lượng đồng (𝑀 𝐶𝑢) tăng từ 4g đến 20g, vận tốc (𝑉 𝐶𝑢) tăng từ 0.0001g/giờ lên 0.0025g/giờ, tương ứng với mức tăng 25 lần Điều này cho thấy, khi đồng tích tụ nhiều hơn, vận tốc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích cũng cao hơn, dẫn đến sự hình thành các vết rỗ trên thanh trao đổi nhiệt nhanh chóng, và các vết rỗ này sẽ phát triển thành vết nứt.
Vậ n t ốc trung bìn h của v iệc chuy ển đồ ng s ang t rạ ng t há i t rầ m t ích, V Cu (g /g iờ)
Khối lượng trầm tích đồng, M Cu (g)
4.3.2 Tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1(V 1 ) và giai đoạn (V H ) (hình 4.2 và hình 4.7)
Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 (giai đoạn trong khoảng thời gian hoạt động 𝜏 1 ) được tính theo công thức 4.6:
Vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2 (giai đoạn trong khoảng thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 ) được tính theo công thức 4.7:
Trong nghiên cứu này, các thông số quan trọng bao gồm vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 (𝑉 1) và giai đoạn 2 (𝑉 𝐻) được đo bằng mm/năm Độ sâu của vết rỗ được xác định tại hai thời điểm khác nhau: ℎ 1 (𝜏 1) trong thời gian hoạt động 𝜏 1 và ℎ 1 (𝜏 𝐻) trong thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích là 𝜏 1, trong khi 𝜏 𝐻 là thời gian hoạt động đến ngày dự báo Tổng thời gian vận hành của ống trao đổi nhiệt trong một năm là 8000 giờ.
Bảng 4.2 Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1
Bảng 4.3 Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2
Dựa trên kết quả từ bảng 4.2 và bảng 4.3, chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện vận tốc phát triển của vết nứt theo độ sâu tại khoảng thời gian 𝜏 1, như được minh họa trong hình 4.9a.
Vậ n t ốc ph át t riển vết nứt ở gia i đo ạn 1 , V 1 (m m /nă m )
(a) Độ sâu của vết rỗ trong thời gian τ 1, h 1 (τ 1 )(mm)
Hình 4.9 minh họa sự phát triển của vết nứt theo độ sâu tại hai thời điểm khác nhau: (a) tại thời gian τ1, đồ thị thể hiện vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu; (b) tại thời gian τH, đồ thị tương tự cũng mô tả vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu.
Theo đồ thị hình 4.9, vận tốc vết nứt tăng theo độ sâu của vết nứt trong cả hai khoảng thời gian 𝜏 1 và 𝜏 𝐻 Cụ thể, trong khoảng thời gian 𝜏 1, khi độ sâu vết nứt tăng từ 0.05mm đến 0.5mm, 𝑉 1 tăng từ 0.016mm/năm đến 0.160mm/năm, tương ứng với mức tăng gấp 10 lần Trong khi đó, trong khoảng thời gian 𝜏 𝐻, độ sâu vết nứt từ 0.30mm đến 0.75mm, 𝑉 𝐻 chỉ tăng từ 0.048mm/năm đến 0.120mm/năm, tương ứng với mức tăng 2.5 lần, nhỏ hơn gấp 4 lần so với 𝑉 1 Do đó, giai đoạn ban đầu khi vết rỗ mới xuất hiện rất quan trọng, cần kiểm tra và bảo dưỡng thường xuyên để phát hiện kịp thời tổn thương trên ống trao đổi nhiệt do trầm tích đồng, từ đó có những giải pháp xử lý thích hợp nhằm hạn chế tối đa lượng đồng tích tụ trên ống.
4.3.3 Tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt τ ocm
Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (𝜏 𝑜𝑐𝑚 ) được tính theo công thức 4.4: 1 − 𝛿 𝐶𝑢 = ( ℎ 1 (𝜏 𝐻 )
2 3 với các số liệu sau (các số liệu được lấy từ phòng thí nghiệm kim loại nhà máy điện hạt nhân tại trường Đại học Năng Lượng Moscow, Nga):
- Độ dày của thành ống trao đổi nhiệt T = ℎ 1 + ℎ 2 = 1.5mm
Vậ n t ốc ph át t riển vết nứt ở gia i đo ạn 2 , V H (m m /nă m )
(b) Độ sâu của vết nứt trong thời gian τ H , h 1 (τ H ) (mm)
- Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 (đến ngày được dự báo) h1(𝜏 𝐻 ) = 0.3 ÷ 0.7 mm
- Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích 𝑀 𝐶𝑢 𝑙𝑖𝑚 = 50g/m 2
- Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 𝜏 𝐻 𝑀 𝐶𝑢(𝜏 𝐻 ) = 25g/m 2
- Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 𝜏 1 𝑀 𝐶𝑢(𝜏 1 ) = 5g/m 2
- Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích 𝜏 1 = 25000 giờ
- Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo 𝜏 𝐻 = 50000 giờ
- Sai số của phương pháp 𝛿 = ± 20%
Từ các số liệu ở trên ta tính được thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (bảng 4.4)
Bảng 4.4 Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt
Dựa trên các kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt từ bảng 4.4, chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện thời gian làm việc còn lại của ống theo độ sâu của vết nứt theo thời gian 𝜏 𝐻, như được minh họa trong hình 4.10.
Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt theo thời gian τ H
Theo đồ thị hình 4.10, thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt tỉ lệ nghịch với độ sâu của vết nứt; vết nứt càng sâu thì thời gian làm việc càng ngắn Kết quả từ bảng 4.4 cho thấy, với độ sâu vết nứt 0.3 mm, ống trao đổi nhiệt còn có thể hoạt động đến 10 năm (81250 giờ), nhưng khi vết nứt đạt độ sâu 0.75 mm, thời gian làm việc giảm xuống còn 43899.111 giờ Khi vết nứt xuyên qua thành ống, ống trao đổi nhiệt sẽ không còn khả năng sử dụng, do đó, các tính toán này rất hữu ích trong việc dự đoán thời gian làm việc của ống trao đổi nhiệt, giúp thực hiện các điều chỉnh cần thiết để đảm bảo an toàn cho hoạt động của nhà máy điện hạt nhân.
Kết luận chương 4
Ở chương 4 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau:
- Nghiên cứu sự hình thành của trầm tích đồng trong ống trao đổi nhiệt và con đường mà đồng xâm nhập vào bên trong bình sinh hơi
- Tìm hiểu phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi
Để đánh giá hiệu suất của ống trao đổi nhiệt, cần tính toán vận tốc trung bình của quá trình chuyển đồng sang trạng thái trầm tích, vận tốc phát triển vết nứt và đặc biệt là thời gian làm việc còn lại của ống khi xuất hiện trầm tích đồng.
T hời gia n là m v iệc cò n lạ i c ủa ố ng t ra o đổ i nh iệt , τ ocm (g iờ) Độ sâu của vết nứt trong thời gian τ H , h 1 (τ H ) (mm)