Khóa luận đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000

T Ổ NG QUAN V Ề LÒ PH Ả N Ứ NG H Ạ T NHÂN VVER-1000

Giới thiệu lò VVER-1000

Nhà máy điện hạt nhân là một hệ thống thiết bị điều khiển phản ứng hạt nhân để sản xuất năng lượng dưới dạng nhiệt Nhiệt năng này được truyền qua các chất tải nhiệt như nước, nước nặng, khí hoặc kim loại lỏng tới các thiết bị sinh điện như turbin, từ đó tạo ra điện năng.

Hình 1.1 Mô hình nhà máy điệ n h ạ t nhân VVER1000 [2]

B ả ng 1.1 T ổ ng quan v ề nhà máy điệ n h ạ t nhân VVER-1000 [2]

Tên nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 Loại lò phản ứng Lò nước áp lực (PWR)

Chất làm mát Nước nhẹ

Chất làm chậm Nước nhẹ

Hiệu suất nhà máy điện 33.7%

Tuổi thọ trung bình 60 năm

Bình sinh hơi

Bình sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng, chuyển đổi nước thành hơi nước nhờ nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân, thường được sử dụng trong các lò phản ứng nước áp lực (PWR) Mỗi lò phản ứng có từ hai đến bốn bình sinh hơi, với chiều cao lên tới 70 feet (21 m) và trọng lượng đạt 800 tấn Bình sinh hơi chứa từ 3000 đến 16000 ống trao đổi nhiệt, giữ chất làm mát (nước) ở áp suất cao để ngăn sự sôi Quá trình truyền nhiệt diễn ra giữa lõi lò phản ứng và nước tuần hoàn, sau đó nước được bơm qua ống chính để tạo hơi nước trong vòng thứ cấp, nơi áp suất thấp hơn Hơi nước từ vòng thứ cấp được dẫn đến tuabin để sản xuất điện và sau đó được làm lạnh trước khi quay trở lại bình sinh hơi Nước làm mát thường được cung cấp từ các nguồn tự nhiên như sông, hồ hoặc đại dương.

Các vòng lặp làm mát trong nhà máy hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn, tạo thành rào cản giữa các khu vực phóng xạ và không phóng xạ Chất làm mát có thể bị nhiễm phóng xạ khi tiếp xúc với lõi phản ứng, do đó, việc kiểm tra và bảo trì định kỳ các ống làm mát và thành bình sinh hơi là rất cần thiết Điều này giúp phát hiện kịp thời hư hỏng vật liệu, ngăn chặn sự phát tán chất phóng xạ ra môi trường.

Bình sinh hơi được cấu tạo từ vỏ bình tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi hàn gắn Vỏ bình thiết kế thuận tiện cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp Bề mặt trao đổi nhiệt có 10,978 ống với đường kính 16x1.5 cm, được sắp xếp theo chiều ngang Các bó ống kết nối với bộ thu vòng sơ cấp, và mép ống được hàn bằng hồ quang điện argon bên trong bộ thu Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic.

Các bộ thu vòng sơ cấp được thiết kế nhằm tối ưu hóa việc phân phối chất làm mát cho ống trao đổi nhiệt Bên trong bộ thu, bề mặt được phủ hai lớp chống ăn mòn để nâng cao độ bền Ngoài ra, tấm phân phối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động.

Tấm có lỗ được đặt dưới mực nước của bình sinh hơi để cân bằng lượng hơi Bên trong bình, gần đáy thùng, sự sắp xếp hợp lý của bộ nước cấp và bộ thổi tạo điều kiện tích tụ nước cùng với muối và các tạp chất khác.

Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộnhà lò trong các trường hợp mất nước cấp [2]

Hình 1.2 M ặ t c ắ t d ọ c c ủa bình sinh hơi

2 Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm

6 Máy bơm nước cấp chính

8 Bộ phận cấp nước trong trường hợp khẩn cấp

11 Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp

12 Lối vào bình sinh hơi

Bảng 1.2 Cho biết một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 (cập nhất lần gần nhất 2010)

B ả ng 1.2 M ộ t s ố thông s ố k ỹ thu ậ t chính c ủa bình sinh hơi [2]

Công suất hơi (t/h) 1470 Áp suất tại lối ra SG (MPa) 6.27

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG ( 0 C) 321

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG ( 0 C) 291

Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt ( 0 C) 164 Độ ẩm hơi tại lối ra SG ( 0 C) 0.2

Kết luận chương 1

Trong chương 1 chúng ta tìm hiểu một số vấn đề như sau:

- Khái niệm về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 và một số thông số cơ bản

- Giới thiệu tổng quan vềbình sinh hơi: cấu tạo, môi trường làm việc, nguyên lý hoạt động và một số thông số kỹ thuật chính

CÁC KHÁI NI Ệ M V Ề V Ậ T LI Ệ U VÀ THÉP KHÔNG G Ỉ

Các khái ni ệm cơ bả n v ề v ậ t li ệ u

Cơ học vật liệu là một lĩnh vực nghiên cứu về hành vi của vật liệu rắn dưới tác động của lực Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC) Ngoài ra, nó cũng giới thiệu các khái niệm cơ bản về vật liệu, giúp người đọc hiểu rõ hơn về quá trình nứt gãy và ăn mòn do tác động từ môi trường Đối tượng nghiên cứu chính trong chương này là thép không gỉ.

Khuyết tật Frenkel là một trong những kiểu khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể, xảy ra khi một nguyên tử rời khỏi vị trí của nó, tạo ra một lỗ trống và di chuyển đến vị trí xen kẽ Kiểu khuyết tật này tuân theo các định luật nhiệt động lực học, vì vậy số lượng khuyết tật Frenkel tỷ lệ thuận với hệ số nhiệt động.

Khuyết tật Schottky là một dạng khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể, xảy ra khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới và để lại một lỗ trống Quá trình này yêu cầu năng lượng Es để nguyên tử có thể bứt ra Theo các nguyên lý nhiệt động lực học, có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử, do đó xác suất xuất hiện lỗ trống trong mạng tinh thể tỷ lệ thuận với hệ số Boltzmann, phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để hình thành các lỗ trống và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh thể lý tưởng được cho như sau:

𝑛 𝑁−𝑛= 𝑒 𝑘𝐵𝑇 −𝐸𝑠 (2.1) Trong đó: kB là hằng số Boltzmann, n là số lỗ trống trong mạng tinh thể,

Es là năng lượng để bức một nguyên tử ra khỏi liên kết,

T là nhiệt độ tuyệt đối,

N là tổng số nguyên tử có trong mạng tinh thể

Hình 2.1 (a) Ki ể u khuy ế t t ậ t Frenkel, (b) ki ể u khuy ế t t ậ t Schottky [3]

Từ phương trình (2.1), có thể thấy rằng tinh thể hình thành ở nhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng lỗ trống lớn hơn Nếu quá trình làm nguội diễn ra đột ngột hoặc với tốc độ giảm nhiệt độ lớn, tinh thể sẽ giữ lại nhiều vị trí lỗ trống hơn so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu Tuy nhiên, số lượng lỗ trống vượt mức bình thường sẽ bị tiêu hủy theo thời gian do tính chất khuếch tán.

Một tinh thể thường chứa tạp chất, là các nguyên tử khác biệt có thể làm thay đổi cấu trúc của tinh thể Những tạp chất này chiếm vị trí mạng bên trong tinh thể và có tác động quan trọng đến tính chất của vật liệu, chẳng hạn như tăng cường độ cứng Ví dụ, khi nguyên tử carbon được thêm vào như một nguyên tố hợp kim, chúng cản trở sự di chuyển của các nguyên tử trong tinh thể, từ đó làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim Ngoài ra, tạp chất còn có khả năng khuếch tán bên trong vật liệu.

Lý thuyết khuếch tán, dựa trên định luật Fick, mô tả quá trình khuếch tán hóa học, trong đó chất tan di chuyển từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp Tốc độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ của chất tan, phản ánh bản chất của định luật Fick.

Sự hiện diện của nồng độ gradient khuyết tật trong vật liệu dẫn đến sự khuếch tán của các khuyết tật, theo định luật 2 nhiệt động lực học Quá trình này yêu cầu một lượng năng lượng đủ lớn để vượt qua rào cản thế năng từ môi trường xung quanh Do đó, sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu và năng lượng kích hoạt cần thiết để tạo ra sự chuyển động của khuyết tật.

8 đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác) Dòng hạt 𝐽 𝑁 𝑑 của hạt được cho bởi định luật Fick [3]:

D là hệ số khuếch tán,

Nd là nồng độ hạt

Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau:

Ed là năng lượng kích hoạt,

T là nhiệt độ khuếch tán,

Do là một hằng số

Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ chịu tải với cường độ lực P kéo ở hai đầu theo hai hướng khác nhau Trong thanh, sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ nào Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm Nếu nội lực phân bố đều trên tiết diện, ứng suất ở mỗi điểm có thể được mô tả bằng ứng suất trung bình đối với tiết diện đó.

= ± 𝐴′ 𝑃 (2.4) Theo quy ước dấu “-” thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh

Hình 2.2 L ực P đượ c áp lên thanh n ằ m ngang v ớ i ti ế t di ện A’ [6]

Hình 2.3 L ực P đượ c áp lên thanh n ằ m ngang gây bi ế n d ạ ng chi ề u dài 𝜹 [6]

Ứng suất được định nghĩa là lực chia cho bình phương chiều dài, với đơn vị thường dùng là N/m² (Pa - Pascal) và MN/m² (MPa - Mega Pascal) Ứng suất này gây ra sự biến dạng của vật liệu; khi lực được áp dụng dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo dài hoặc nén lại Độ biến dạng 𝜀 có thể được tính toán dựa trên ứng suất này.

Trong đó: δ là chiều dài biến dạng,

L0 là chiều dài ban đầu của thanh

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 do sự phát hủy của các hạt (transgranular) Ngược lại, gãy intergranular xảy ra khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ, dẫn đến sự phân tách giữa các hạt.

Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.4

Hình 2.4 Các d ạ ng n ứt cơ bả n [4]

Khảnăng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy

Vật liệu có độ bền đứt gãy cao sẽ trải qua gãy dẻo, trong khi vật liệu có độ bền đứt gãy thấp sẽ gãy giòn Độ bền nứt gãy phản ánh lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ có sẵn Đây là một đặc tính quan trọng của vật liệu, bởi vì sự hiện diện của các vết rỗ là điều không thể tránh khỏi trong quá trình xử lý và chế tạo.

Hệ số cường độ ứng suất (K) là tham số quan trọng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu Trong số các dạng nứt gãy, nứt gãy tách (hình 2.4a) là dạng phổ biến nhất, vì vậy chúng ta sẽ tập trung vào hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt gãy này trong phần này.

Hệ số cường độ ứng suất phụ thuộc vào tải, kích thước và hình dạng của vết nứt Công thức tính toán hệ số này được thể hiện như sau: (2.6).

K: độ bền gãy nứt (MPa√𝑚),

𝜎: là ứng suất vật liệu (MPa) a: độ dài vết vết nứt (m),

𝛽: hằng số phụ thuộc vào vật liêu.

Thép không gỉ

Thép không gỉ là một trong những vật liệu chính để chế tạo các thành phần của bình sinh hơi, như võ bình và ống trao đổi nhiệt Thép này có hàm lượng crôm cao (>16 - 18%) và niken cao (≥ 6 - 8%), giúp tạo ra cấu trúc austenite và hình thành lớp màng bảo vệ chống oxi hóa thụ động chủ yếu từ crôm Thép không gỉ 18 - 8, với hơn 18% crôm và 8% niken, là loại phổ biến nhất, chiếm 70% thị trường thép không gỉ tại Mỹ, nhờ vào khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ lý vượt trội.

Về tính chống ăn mòn, ngoài HNO 3 nó có thể chịu được H2SO4 (với mọi nồng độ và ở nhiệt độthường), HCl (loãng và ở nhiệt độ thường)[7]

Môi trường làm việc của thép trong bình sinh hơi rất khắc nghiệt, chịu nhiều tác động như:

- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao:

Trong hệ thống bình sinh hơi nước, ở vòng sơ cấp, nước tồn tại ở thể lỏng với nhiệt độ đầu vào khoảng 563.15 ± 3.50 K và áp suất 15.7 ± 0.3 MPa Trong khi đó, ở vòng thứ cấp, nước chuyển sang dạng hơi với nhiệt độ 536 K và áp suất 6.28 ± 0.20 MPa Khi nước ở vòng thứ cấp tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt, hiện tượng sôi diễn ra, tạo ra hơi nước.

- Môi trường phóng xạ lớn

Phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 sản sinh ra neutron, các hạt nhân phóng xạ và hạt nhân ở trạng thái kích thích, tạo ra môi trường trong lò với hoạt độ phóng xạ cao, bao gồm các tia phóng xạ như n, α, β, γ Những tia phóng xạ này có ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc vật liệu, làm giảm độ bền và gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu.

Trong lò phản ứng có hoạt độ phóng xạ cao, nước bị chiếu xạ sẽ phân hủy thành các ion và chất oxy hóa nguy hiểm như OH-, H2O2, Cl-, H+ và H- Các ion và chất này tương tác lẫn nhau và với môi trường xung quanh, tạo ra các phản ứng hóa học phức tạp.

H2O2 và Cl- là những chất oxy hóa mạnh, có khả năng ăn mòn vật liệu, do đó việc kiểm soát hàm lượng các ion như H- và Cl- là rất quan trọng để ngăn chặn ăn mòn bên trong bình sinh hơi Để nâng cao tính chống ăn mòn, cần làm cho thép có tổ chức một pha austenit đồng nhất, tránh sự hình thành cacbit crôm Quá trình austenit hóa được thực hiện bằng cách nung thép ở nhiệt độ cao (1050 – 1100 °C) để cacbit hòa tan vào austenit, sau đó làm nguội nhanh nhằm cố định tổ chức này Mặc dù quy trình này thường được gọi là tôi, nhưng nó không tạo ra mactenxit cứng như trong trường hợp thép kết cấu hay dụng cụ, mà chỉ cố định tổ chức một pha austenit đồng nhất, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn.

B ả ng 2.1 Thành ph ầ n hóa h ọ c (%) khác ngoài s ắ t (Fe) c ủ a m ộ t s ố thép không g ỉ dùng trong NMĐHN [7]

Loại thép C Cr Ni Mn Khác

Các biện pháp giúp giảm quá quá trình ăn mòn thép không gỉ giữa các mối hàn:

- Giảm lượng cacbon xuống dưới 0,08% (08X18H10, 08X18H10), nếu giảm xuống 0.03-0.04% thì càng tốt, tuy nhiên rất khó để làm được điều này vì chi phí tốn kém

Hợp kim hóa thép bằng cách thêm các nguyên tố tạo cacbit mạnh như titan (Ti), niobi (Nb) và tantan (Ta) giúp liên kết toàn bộ cacbon trong thép thành cacbit tương ứng, ngăn chặn sự hình thành cacbit crôm khi nung nóng Cụ thể, lượng titan cần bổ sung ít nhất phải gấp 5 lần lượng cacbon thực tế trong thép, nhưng không vượt quá 0,80%.

Để cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu do ion Cl- trong bình sinh hơi, có thể thêm nguyên tố Molynden (Mo) vào quá trình luyện thép Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả trong môi trường có hoạt độ phóng xạ không quá cao, thép 08X18H10 vẫn là lựa chọn khả thi nhất Khóa luận này sẽ tập trung chủ yếu vào loại thép không gỉ 08X18H10.

K ế t lu ận chương 2

Trong chương 2 đã tìm hiểu các vấn đềnhư sau:

- Khái niệm cơ bản về thép không gỉ và phân loại từng loại

- Môi trường làm việc của thép không gỉ 08Х18Н10Т bên trong bình sinh hơi

- Cách tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu (về mặt thành phần hóa học)

Cơ học vật liệu là một lĩnh vực quan trọng giúp hiểu rõ về ứng suất và biến dạng của vật liệu Bài viết này sẽ cung cấp những khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu, từ đó hỗ trợ việc tìm hiểu về SCC (Stress Corrosion Cracking) và cách tính toán hệ số cường độ ứng suất một cách dễ dàng hơn Việc nắm vững những kiến thức này sẽ giúp bạn áp dụng hiệu quả trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.

S Ự LAN TRUY Ề N SCC TRONG V Ậ T LI ỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH H Ệ S Ố CƯỜNG ĐỘ Ứ NG SU Ấ T, TU Ổ I TH Ọ C Ủ A THÉP

Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất

"Nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC)" là hiện tượng hỏng hóc chậm trong vật liệu kỹ thuật, dẫn đến sự lan truyền vết nứt do sự kết hợp giữa ứng suất và phản ứng ăn mòn hóa học SCC có thể xảy ra ngay cả khi ứng suất dưới điểm giới hạn của vật liệu, gây ra sự giảm độ bền mà không làm mất mát kim loại lớn Hiện tượng này rất nguy hiểm vì nó gây ra sự hỏng hóc và giòn nhanh chóng của thép mà không có dấu hiệu cảnh báo Một số thảm họa lớn, như vỡ đường ống khí áp cao và nổ lò hơi, có nguyên nhân từ SCC Vết nứt SCC có thể là nứt liên kết giữa các hạt (intergranular) hoặc xuất phát từ bên trong các hạt (transgranular) Cơ chế SCC khác nhau tùy thuộc vào sự kết hợp giữa hợp kim và môi trường.

Hình 3.1 a, V ế t n ứ t SCC gi ữ a các h ạ t; b, V ế t n ứ t SCC bên trong các h ạ t [9]

Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [9]:

- Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1

- Lan truyền vết nứt giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái ổn định

- Lan truyền vết nứt giai đoạn 3 hoặc sự gãy cuối cùng

Có nhiều cơ chế khác nhau giải thích sự tương tác giữa ứng suất và ăn mòn tại đầu vết nứt, với nhiều quá trình gây ra SCC Các cơ chế này được chia thành hai loại chính: cơ chế anot và cơ chế catot Trong quá trình ăn mòn, hai phản ứng xảy ra tại anot và catot, dẫn đến sự lan truyền vết nứt có thể liên quan đến một trong hai loại cơ chế này.

Cơ chế thể hiện anot rõ ràng nhất là sự hòa tan hoặc loại bỏ vật liệu từ đầu vết nứt

Cơ chế catot chủ yếu thể hiện qua sự khuếch tán, hấp thụ, đánh giá hydro và tính giòn, nhưng cần có một cơ chế cụ thể để giải thích tốc độ lan truyền và hình ảnh của vết nứt Các cơ chế nổi bật được trình bày chi tiết trong phần “cơ chế lan truyền vết nứt” ở chương II Sự hòa tan, tan hóa học hoặc gãy cơ học (ductile hoặc brittle) là nguyên nhân dẫn đến sự phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử ở đầu vết nứt Cơ học gãy bao gồm các quá trình phá hủy cơ học bình thường, thường được kích thích bởi các phản ứng giữa vật liệu và môi trường.

- Sự hấp thụ của các loại môi trường

- Các phản ứng bề mặt

- Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt

- Lớp màng bề mặt (surface films)

Tất cả các cơ chế gãy cơ học được đề xuất đều bao gồm một hoặc nhiều phản ứng, điều này là cần thiết để xác định quá trình SCC.

Các cơ chế cho SCC yêu cầu các quá trình và sự kiện cụ thể diễn ra theo trình tự để sự lan truyền vết nứt có thể xảy ra Những yêu cầu này giải thích vùng ổn định, nơi tốc độ lan truyền vết nứt không phụ thuộc vào các ứng suất cơ học Hình 3.2 minh họa đầu vết nứt, trong đó sự lan truyền là kết quả của phản ứng hóa học với đầu kim loại Ví dụ này được chọn vì nó tối đa hóa các bước có thể xảy ra, và kiểm tra hình 3.2 cho thấy “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.

- H2 chuyển dọc theo vết nứt hoặc ra xa đầu vết nứt

- Các phản ứng trong dung dịch gần vết nứt

- Sự hấp phụ bề mặt ở hoặc gần đầu vết nứt

- Các phản ứng bề mặt

- Hấp thụ vào số lượng lớn

- Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ởđầu vết nứt thêm

- Các phản ứng hóa học với sốlượng lớn

- Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử

Hình 3.2 Sơ đồ các quá trình di ễ n ra t ại đỉ nh v ế t n ứ t [4]

Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong môi trường lỏng, bao gồm những thông số sau:

- Nồng độ hoặc hoạt độ chất tan

Sự thay đổi bất kỳ tham số nào có thể tác động đến "các bước kiểm soát tốc độ", dẫn đến việc tăng hoặc giảm tốc độ lan truyền của vết nứt.

Khởi tạo SCC

Khởi tạo SCC là thời gian cần thiết để đạt được điều kiện môi trường cục bộ cho các khuyết tật như trầy xước, rỗ, và vết rạn ăn mòn Trước khi bắt đầu quá trình này, cần đảm bảo rằng các chất hóa học trong môi trường cục bộ phù hợp để khởi tạo vết nứt Giai đoạn này đóng vai trò quan trọng đối với cả vật liệu thụ động và chủ động.

Môi trường ở đầu vết nứt khác biệt so với môi trường tổng thể, và vai trò của nó là rất quan trọng trong việc khởi tạo và lan truyền vết nứt Thời gian này, được gọi là "thời gian cảm ứng" hoặc "thời gian ủ bệnh," chiếm phần lớn thời gian trước khi xảy ra hiện tượng gãy Vì vậy, quá trình khởi tạo SCC có thể được mô tả qua hai thông số.

- Thời gian ủ bệnh trước khi hình thành vết nứt tinc

Ngưỡng tới hạn cơ học được biểu thị qua ứng suất ngưỡng a0 cho các bề mặt nhẵn, hoặc hệ số cường độ ứng suất tới hạn KISCC khi có sự hiện diện của các vết nứt tồn tại trước đó.

Trong đó: ΔKth là ngưỡng “stress” do ăn mòn; F là một hằng số; Δσ0 là độ lệch ứng suất bề mặt

KISCC là hệ số cường độ ứng suất ăn mòn liên quan đến sự phát triển của vết nứt trong đồng thau khi tiếp xúc với dung dịch anoniac Trong đó, σ đại diện cho ứng suất tác động, còn σ0 là mức ứng suất tối thiểu cần thiết để ngăn chặn sự hình thành và phát triển của vết nứt.

Vm là thế năng điện hóa học của mẫu

Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng vết nứt và thời gian ở các giai đoạn khác nhau của sự lan truyền vết nứt được minh họa trong hình 3.3 Thời gian ủ bệnh phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường; mỗi loại kết hợp này có thời gian ủ bệnh cụ thể trong trạng thái ổn định Tuy nhiên, nếu trạng thái ổn định bị thay đổi, thời gian ủ bệnh có thể biến động Nghiên cứu trước đây về SCC của thép không gỉ austenite trong dung dịch clorua cho thấy có một giai đoạn ủ bệnh dài trước khi vết nứt được hình thành.

Một khi vết nứt được khởi tạo trước thời gian ủ bệnh nó sẽ lan truyền dưới sự kết hợp giữa môi trường ăn mòn và ứng suất kéo

Các vết nứt trên bề mặt kim loại có thể hình thành từ các vết trầy xước, rãnh hoặc lõm dưới tác động của ứng suất cao, hoặc từ các khu vực bị ăn mòn khi lớp màng bảo vệ thụ động bị hủy hoại Sự phá vỡ cục bộ lớp màng thụ động có thể xảy ra do biến dạng dẻo, trong khi ăn mòn điện hóa trong môi trường cụ thể cũng góp phần vào sự hình thành SCC, dẫn đến sự tập trung ứng suất tại đầu vết nứt Ngoài ra, các bước trượt trên bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt SCC khi lớp màng thụ động bị tổn thương, tạo ra các anot cục bộ và dẫn đến vết nứt phát sinh từ các hạt.

Lan truy ề n SCC

Sau khi quá trình khởi tạo hoàn tất, sự lan truyền SCC bị ảnh hưởng bởi môi trường, ứng suất kéo và cấu trúc vi mô Hình học của vết nứt được duy trì để đầu vết nứt hoạt động hiệu quả, trong khi tường vết nứt có lớp mạng thụ động Tốc độ lan truyền vết nứt phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ vận chuyển khối lượng trong vùng nứt, tốc độ phản ứng oxy hóa khử tại đầu biến dạng vết nứt và ứng xử không đàn hồi của vật liệu.

Hình 3.3 Sơ đồ mô t ả ba giai đoạ n quá trình n ứ t SCC [10]

• Phản ứng bề mặt tại đầu vết nứt

- Các phản ứng anot: oxy hóa, hòa tan, hình thành màng muối

- Các phản ứng catot: khửnước tạo hydro nguyên tử

- Hấp thụ: hấp thụhydro được tạo ra trong các phản ứng catot, hấp thụ các ion có chứa clo, lưu huỳnh hoặc các chất khác

• Phản ứng trong dung dịch gần đầu vết nứt như thủy phân các cation kim loại, kết tủa muối

• Vận chuyển khối lượng vật chất dọc theo vết nứt trong pha lỏng

- Khuếch tan trong thế năng gradient

• Sự thay đổi cục bộ của vật liệu ở đầu vết nứt

- Hấp thụ và khuếch tán trong vật liệu: hydro được hình thành bởi các phản ứng catot, các lỗ trống hình thành bởi các phản ứng hòa tan

- Hình thành các lớp xốp hoặc vùng nghèo Crom bằng cách hòa tan chọn lọc

Sự thay đổi các tính chất cơ học, bao gồm biến dạng dẻo do cường độ tập trung ứng suất, và biến dạng nghỉ một phần do sự hòa tan anot, đã dẫn đến việc tăng tính di động của biến vị.

- Tại bề mặt, ví dụnhư sự vỡ lớp màng bảo vệ thụđộng, tách rời khỏi vật liệu, sự phân cắt, vv

- Ngăn cách đầu vết nứt với môi trường do hydro bám hút (gây ra giòn hóa hydro)

Trong số các quá trình liên quan, một số đóng vai trò trực tiếp trong sự phát triển của vết nứt, trong khi những quá trình khác tạo ra điều kiện cục bộ khác biệt trong vật liệu, thuận lợi cho sự lan truyền vết nứt Do đó, trong quá trình này, các điều kiện động lực học và nhiệt động lực học được hình thành ở đầu vết nứt Mỗi quá trình đều có thể xác định tốc độ lan truyền của vết nứt.

Các cơ chế lan truyền SCC có thể được chia thành hai loại chính: liên quan đến tính giòn của kim loại do phản ứng ăn mòn hoặc sự phát triển vết nứt qua quá trình hòa tan cục bộ Sự lan truyền vết nứt phụ thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường Mô hình cơ học gãy cho rằng vết nứt chủ yếu lan truyền qua hòa tan, sau đó ứng suất chèn gây ra cơ chế gãy (dẻo hoặc giòn) Một số mô hình được đề xuất bao gồm mô hình lớp màng bị phân tách, mô hình vết rạn nứt mờ, mô hình đường hầm, mô hình hấp thụ và mô hình hydro.

Ảnh hưở ng c ủa hydro đế n thép không g ỉ

Tăng nồng độ hydro trong thép không gỉ dẫn đến giảm tính cơ học và gây ra hiện tượng giòn hóa hydro cục bộ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền của thép Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp hạt nhân và các lĩnh vực công nghệ khác Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu và phát triển để hiểu rõ hơn về điều kiện gây ra giòn hóa hydro, nhưng tác động của hydro đến thép austenit vẫn chưa thể hoàn toàn được loại bỏ.

Hydro hoạt tính xuyên thấu qua hầu hết các loại vật liệu Hydro được hấp thụ bởi thép pearlit có thể chia thành ba bước như sau:

1 Trạng thái ion hóa (proton)

3 Tạo thành Hydrua của các hợp kim

Trong các trường hợp đơn giản, sựtương tác của hydro với thép pearlit có thể được biểu diễn bằng một loạt các phản ứng sau:

1 Sự phân ly của ion hydoni (H3O + )

2 Sự bổ sung electron cho ion hydro

3 Sự hút bám của các nguyên tử hydro trên bề mặt vật liệu

4 Một số nguyên tử hydro bị hấp thụ bởi vật liệu

Sự tích tụ hydro chủ yếu xảy ra ở các vùng dẻo của thép pearlit, đặc biệt là tại đỉnh vết nứt Trong điều kiện hoạt động của bình sinh hơi, môi trường ăn mòn điện hóa xuất hiện, khiến các ion hydro không thể tồn tại độc lập trong dung dịch nước mà phải ở dạng ion hydroni (H3O+) Tại đỉnh vết nứt, các ion hydro nhận electron từ kim loại, dẫn đến các phản ứng tạo ra ion hydro và sản phẩm phụ Phần lớn ion hydro (H+) bám vào bề mặt thép, hình thành các phân tử khí hydro (H2) và thoát ra, để lại các lỗ nhỏ trên bề mặt thép không gỉ, trong khi một phần nhỏ nguyên tử hydro sẽ bị vật liệu hấp thụ.

Hình 3.4 Phân t ử nướ c và phân t ử hydroni [11]

Hình 3.5 Các quá trình lý hóa di ễ n ra t ại đỉ nh v ế t n ứ t [11]

H3O → 3H + + O 2- (3.6) nH + + ne - → nHhb (3.7) nHhb → κHhb + (1-κ)H2↑ (3.8)

Hình 3.6 Mô t ả tr ạ ng thái hydro trong thép không g ỉ [11]

Hydro có ảnh hưởng lớn đến độ giòn và khả năng bẻ gãy của vật liệu Trong quá trình này, ion hydro bám vào bề mặt và khuếch tán vào bên trong vật liệu, với độ hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng Sự khuếch tán ion hydro xảy ra nhanh chóng khi nồng độ ion hydro bên ngoài cao hơn nhiều so với bên trong, thậm chí ở nhiệt độ thấp Sau khi khuếch tán, ion hydro nhận electron từ vật liệu, biến thành nguyên tử hydro, và dần tái kết hợp thành phân tử hydro bên trong, tạo áp lực Áp lực này có thể dẫn đến giảm độ bền, độ mềm dẻo, và sức căng của vật liệu, gây ra các vết nứt.

Sự biến dạng cấu trúc của vật liệu bởi hydro yếu, có thể giải thích bằng một trong những cách này:

Sơ đồ hình 3.7 minh họa quá trình hình thành các bước trượt tại anot của bề mặt kim loại khi tiếp xúc với dung dịch điện phân Tác động tổng hợp của các ứng suất như ứng suất cơ học, thủy lực, nhiệt dẻo và ứng suất dư gây ra sự thay đổi cấu trúc của biến vị, dẫn đến việc các biến vị thoát ra trên bề mặt kim loại tiếp xúc với nước, từ đó hình thành các bước trượt.

Hình 3.7 Quá trình hình thành các bước trượ t t ạ i các nút m ạ ng tinh th ể kim lo ạ i [12]

Hình 3.8 Các d ạ ng liên k ế t kim lo ạ i trong m ạ ng tinh th ể kim lo ạ i [12]:

1.Trong thể tích kim loại (tồn tại 6 liên kết)

2.Trên bề mặt kim loại (thiếu một liên kết)

3.Của nguyên tử biến vị - cạnh của bước trượt (thiếu 2 liên kết)

4.Của nguyên tử biến vị - cạnh mép của bước trượt (thiếu 3 liên kết)

Sự thiếu hụt liên kết dẫn đến giảm năng lượng kích thích trong quá trình hòa tan kim loại của anot E Bề mặt của bước trượt không thụ động, với tốc độ thoát cao khiến lớp thụ động không có thời gian hình thành, tạo nên một vùng hòa tan anot bao gồm bề mặt không thụ động, bề mặt phân chia kim loại với môi trường và bề mặt thụ động Mật độ dòng ăn mòn của kim loại trong trạng thái kích thích ăn mòn lớn hơn 10^3 - 10^4 lần so với trạng thái thụ động Điều này liên quan đến tốc độ hòa tan của các nguyên tử được sắp xếp lại và lượng e-hóa trị chuyển sang catot qua các nguyên tử chất tan, dẫn đến sự kết hợp của e với proton để tạo thành các nguyên tử hấp phụ hydro.

3, 4, 5 Các bước trượt với các chiều cao khác nhau

2 Các nguyên tử biến vị trong các bước trượt

1 Các phần giới hạn giữa kim loại và môi trường ăn mòn (nước)

Nồng độ ion hydro được xác định bởi độ pH, với độ pH cao (môi trường kiềm) làm chậm phản ứng khử cực hydro trong cùng một khu vực của các bước trượt Diện tích các bước trượt lớn hơn dẫn đến tỷ lệ hấp phụ nguyên tử hydro cao hơn trên bề mặt kim loại hoặc môi trường ăn mòn Phần lớn hydro hấp thụ sẽ kết hợp thành phân tử khí hydro, trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi kim loại Một phần hydro khác sẽ tạo thành hydrua ổn định 𝑀𝑒𝐻 𝑛, với trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng cơ hóa, thể hiện sự gia tăng đáng kể mật độ dòng điện ăn mòn khi chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo.

Hiệu ứng Rebinder, hay còn gọi là hiệu ứng cơ điện, đề cập đến sự biến đổi trong đặc tính cơ học của kim loại khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Nguyên tử hydro có khả năng khuếch tán cao, cho phép nó nhanh chóng lấp đầy toàn bộ thể tích của kim loại Điều này xảy ra trong cả hai trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo Lượng hydro trong trạng thái không nghịch đảo được xác định dựa trên bậc độ hãm hydro.

Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của

Dưới tác động của các yếu tố gây hư hại cho lớp thép 08Х18Н10Т, một phương pháp tính toán bán thực nghiệm đã được đề xuất, nhằm xem xét ảnh hưởng của nguyên tử hydro trong thép crom-niken loại austenit.

Theo phương pháp này, thời gian làm việc của thép không gỉ austenit, ký hiệu là 𝜏, trong dung dịch có chứa oxy và clorua được tính toán bằng một công thức cụ thể.

𝜏: là thời gian làm việc (trước khi bị phá hủy) của thép không gỉ (h)

𝑙𝑔𝜏 0 = 3.6 (theo lý thuyết ở nhiệt độ 300℃)

𝐶 𝑂 2 : là nồng độ của oxy trong thép không gỉ (mg/kg)

𝐶 𝐶𝑙 − : là nồng độ của clorua (mg/kg)

Phương trình tính mật độ dòng catot:

𝐾к− hằng số chuyển đổi trong một đơn vị dòng catot

𝐸 к −năng lượng kích thích của quá trình phát ra hydro ở catot

𝑝𝐻: độ pH của môi trường

Ký hiệu “k” dùng để chỉ các đại lượng liên quan đến catot

Tương tự, mật độ dòng anot được tính theo:

𝐾 а − hằng số chuyển đổi trong một đơn vị dòng anot

𝐸 а − năng lượng kích thích của quá trình hòa tan kim loại xảy ra ở anot

Ký hiệu “a” dùng để tham chiếu tất cả các tham số đến anot

Nếu Sa và Sk là tổng diện tích bề mặt kim loại ở phần anot và catot, thì tại nút của mạch điện nhánh kín, theo định luật Kirchhoff, tổng cường độ dòng điện bằng 0 Điều này có nghĩa là đối với bất kỳ kim loại nào bị ăn mòn, lượng kim loại đi qua dung dịch ở phần anot tương ứng với lượng phục hồi ở phần catot, tức là cho bất kỳ phần nào của bề mặt kim loại, Ia = Ik.

Ia: là cường độ dòng điện tại anot

Ik: là cường độ dòng điện tại catot

Ia=ia*Sa; Ik=ik*Sk

Xác suất của quá trình trên catot có thể được biểu diễn thông qua xác suất của quá trình phân rã trên anot từ bề mặt kim loại.

𝐶 𝐻 + − nồng độ ion-hydro trong nước sôi của vòng thứ cấp

Để tính xác suất cho các quá trình xảy ra trên catot và anot, cần thiết phải đưa ra một số giả thuyết Trước hết, cần xem xét sự cân bằng của nguyên tử tại bề mặt giữa kim loại và môi trường.

Mật độ dòng điện trong quá trình trên catot có thể được tính theo công thức sau:

Sự xuất hiện của nguyên tử hydro trong thép austenit tuân theo định luật Faraday, diễn ra khi cromclorit CrCl3 được tách ra khỏi thép không gỉ.

Hình 3.9 Mô hình tách CrCl 3 ra kh ỏ i thép không g ỉ [12]

Nếu biết thời gian làm việc trước khi bị phá hủy (h), độ lớn điện tích đi qua (C) và diện tích bề mặt kim loại ở phần catot (cm²), ta có thể tính được 𝑖к (A/cm²).

Sử dụng các hằng số chuyển đổi, nồng độ hydro có đơn vị ml.H 2 ứng với 100 g kim loại được tính theo công thức sau:

Thế công thức (3.14) vào công thức (3.16), ta nhận được công thức tính toán nồng độ hydro [12]

Mối liên hệ giữa nồng độ clorua và nồng độ hydro trong thép rất quan trọng Việc tính toán và kiểm soát nồng độ clorua sẽ giúp điều chỉnh nồng độ hydro một cách hợp lý, từ đó giảm thiểu tình trạng ăn mòn vật liệu và nâng cao tuổi thọ cho thép không gỉ.

Hệ số cường độ ứng suất

Xuất phát từ phương trình khuếch tán

D là hệ số khuếch tán c là nồng độ hydro trong môi trường r là khoảng cách từ góc tọa độ đến một nguyên tử hydro

Bỏ qua tác động nhỏ của gradient ứng suất và biến dạng lên trường nồng độ, nồng độ không bị ảnh hưởng bởi góc cực θ Do đó, vết nứt không ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ của ion hydro c.

Phương trình bảo toàn khối lượng ion hydro là:

Phương trình này đóng vai trò điều kiện bổ sung Khi r→∞ thì c tiến về 0 Nghiệm bài toán là:

Trong đó Ei x ( ) =  − x (1/ ) t e dt t là phương trình vi phân mũ Hãy nhớ là phương trình Ei(-x) khi x dương thì nó sẽ đơn điệu giảm, khi đó:

Khi x→0 − Ei ( − = x ) e − x / x (3.22) Với C  0, 577 là hằng số Euler [11]

Sự khuếch tán hydro vào cuối vết nứt tạo ra vùng đang hồi như trên hình 3.10

Hình 3.10 Vùng đàn hồ i trên v ậ t li ệ u [11]

Tác động lên vết nứt của hydro được xác định thông qua nồng độ của chúng

Khi nồng độ ion hydro (c) thấp hơn nồng độ giới hạn (ce), kim loại sẽ ở trạng thái dẻo Tuy nhiên, khi nồng độ c vượt quá giá trị giới hạn ce, kim loại sẽ chuyển sang trạng thái giòn hóa.

Xét bán kính nhân tròn (hình 3.9) Khi r = de và c = ce ta có hệ thức sau:

4 Dc e / Q = − Ei   − d e 2 / (4 Dt )   (3.23) Đại lượng de tăng đơn điệu theo thời gian

Công thức hệ số cường độ ứng suất (cho lõi đàn hồi có dạng như hình 3.9) là:

Trong đó: η I là hằng sốkhông đổi σ s là giá trị ứng suất tác động lên vật liệu và làm cho vật liệu biến dạng vĩnh viễn

Theo công thức này, cùng với sự phát triển của vùng đang hồi, hệ số cường độ ứng suất gia tăng cho đến khi đạt giá trị tối đa KIC Dưới tác động của hydro, vùng đàn hồi này sẽ trở nên giòn hơn, hiện tượng này được gọi là sự giòn hóa hydro.

Từ công thức (3.24) suy ra:

Cường độ Q (tổng điện tích ion hydro) tỷ lệ với độ mở của vết nứt (ở đỉnh vết nứt) là:

Trong đó: η là hằng số vật liệu môi trường ν0 là độ mở của vết nứt

Vì hydro di chuyển vào cuối vết nứt, theo định lý động lực học chất khí, số va chạm giữa hydro và đỉnh vết nứt được xác định bằng công thức liên quan đến áp suất và nhiệt độ.

Trong đó: p H là áp suất của hydro

 H là mật độ của hydro

 H là tốc độ di chuyển trung bình của hydro n H là tổng số nguyên tử hydro trung vùng dẻo

Thay công thức (3.28) vào công thức (3.27) thì thu được công thức sau:

Công thức độ mở của vết nứt là:

Trong đó: η2 là một hằng số

Thời gian hoạt động trung bình của một NMĐHN trong một năm là khoảng

8000 giờ, từ công thức độ mở vết nứt ta có thể tính được độ mở vết nứt trung bình hằng năm như sau:

𝑣 = 𝑣𝑜∗ 8000/𝜏 (3.31) Trong đó: 𝜏 là thời gian làm việc dẫn đến hư hỏng của vật liệu (h)

Từ phương trình (3.30) ta có:

Bằng cách thay thế các phương trình (3.21), (3.23), và (3.26) vào phương trình (3.32), chúng ta có thể thu được công thức bán thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa nồng độ hydro và hệ số cường độ ứng suất.

Trong đó: σs ứng suất căng áp vào mà tại đó độ biến dạng của thép không gỉ tăng mạnh

Trong môi trường làm việc, ngoài phản ứng của hydro với hợp kim, còn có các chất như oxy và clo có khả năng tương tác với kim loại Những phản ứng này có thể tạo ra màng oxit rắn hoặc các muối clo, ảnh hưởng đến tính chất của kim loại.

Do đó, song song với quá trình khuếch tán hydro, luôn luôn có một quá trình cạnh tranh làm tăng lớp màng ăn mòn ở đầu vết nứt

- η là hằng số của vật liệu môi trường

𝐻2, 𝐶 𝐶𝑙 2 𝐶 𝐻 2 là nồng độ ở môi trường bên ngoài (xét cho trường hợp thép không gỉ)

 = − là sự thay đổi thể tích của hợp kim trước và sau khi bị ăn mòn

- κν là mô đun đàn hồi thể tích,

− với γ là hệ số Posion cho thép không gỉ

Trong khóa luận này, chúng tôi áp dụng công thức (3.17) để tính toán nồng độ hydro thông qua clo, sử dụng công thức (3.10) để xác định thời gian làm việc còn lại, áp dụng công thức (3.33) để tính hệ số cường độ ứng suất, và sử dụng công thức (3.31) để tính độ mở vết nứt của thép austenit 08X18H10T hàng năm Kết quả tính toán sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp theo.

Kết luận chương 3

Trong chương 3 đã tìm hiểu các vấn đềnhư sau:

- Các giai đoạn hình thành và lan truyên vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất áp vào thép không gỉ

Nghiên cứu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến phản ứng ở đỉnh vết nứt là rất quan trọng, vì chúng có thể tác động đáng kể đến sự hình thành và tốc độ lan truyền của vết nứt trong thép không gỉ Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của vật liệu, đồng thời giảm thiểu rủi ro hư hỏng trong quá trình sử dụng.

- Sựtác động của hydro đến việc vật liệu thép không gỉ

- Tìm hiểu sựảnh hưởng của clorua đến môi trường ăn mòn, mối liên hệ giữa chorua và hydro

Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ số cường độ ứng suất là rất quan trọng để xác định thời gian làm việc còn lại của vật liệu Đồng thời, việc đánh giá độ mở vết nứt trung bình hằng năm cũng góp phần vào việc dự đoán tuổi thọ và độ bền của các cấu kiện Những thông tin này giúp cải thiện quy trình bảo trì và nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật.

CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐCƯỜNG ĐỘỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG

BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T

Trong chương IV, chúng ta sẽ trình bày kết quả tính toán ảnh hưởng của clorua đối với thép không gỉ, bao gồm hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc còn lại trước khi hư hỏng, và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép không gỉ Các thông số cần thiết cho việc tính toán được cung cấp trong bảng 4.1 và bảng 4.2.

B ả ng 4.1 Các thông s ố để tính n ồng độ hydro có trong thép [12]

Hàm lượng oxy cố định (mg/kg) 0.01

Diện tích bề mặt canode (cm 2 ) 0.008

Khối lượng riêng của thép(g/cm 3 ) 8213

Thể tích bề mặt bị ăn mòn(cm 3 ) 0.0015

Khối lượng thép bị ăn mòn (g) 12.3

Hằng số Faraday (C/mol) 96500 Điện tích qua bề mặt canode(A/h) 26.8

𝐶 𝐻 𝑙𝑖𝑚 2 (ml𝐻 2 /100g KL trong điều kiện bình thường) 16.5

B ả ng 4.2 Các thông s ố để tính h ệ s ố cường độ ứ ng su ấ t [12] Ứng suất căng σs (MPa) 200

Hệ số thay đổi thể tích của hợp kim ∆ 0.2

Hệ số khuếch tán hydro trong thép không gỉ D (m 2 /s) 2.5x10 -6

Nồng độ 𝐶 𝐶𝑙 2 của môi trường bên ngoài ban đầu (mol/lít) 0.05

Nồng độ 𝐶 𝐻 2 tích tụ ban đầu trong thép không gỉ (mol/lít) 0.06

Hệ số khuếch tán oxy trong thép 𝐷 𝑜 (m 2 /s) 1.8x10 -6

Kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất K I

Hệ sốcường độứng suất KI của thép austenit 08X18H10T được tính toán dựa vào các công thức (3.10), (3.17), (3.33) và số liệu ở bảng 4.1 và 4.2 Kết quả thu được cho ở bảng 4.3

B ả ng 4.3 K ế t qu ả h ệ s ố cường độ ứ ng su ấ t và n ồng độ hydro trong thép không g ỉ

STT CCl (mg/kg) CH2 (ml/100g KL) KI (MPa.m 1/2 )

Hình 4.1 S ự ph ụ thu ộ c gi ữ a h ệ s ố cường độ ứ ng su ấ t theo n ồng độ hydro

Dựa vào bảng số liệu 4.3 và đồ thị hình 4.1, chúng ta có thể thiết lập phương trình mô tả mối quan hệ giữa hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép austenit.

Với x là nồng độ hydro, y là hệ sốcường độứng suất

Hình 4.1 cho thấy mối quan hệ giữa hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro tích lũy trong thép không gỉ theo thời gian Dữ liệu từ bảng 4.3 và hình 4.1 chỉ ra rằng nồng độ hydro càng cao trong thép thì hệ số cường độ ứng suất càng tăng, ngược lại, nồng độ hydro thấp dẫn đến hệ số cường độ ứng suất giảm Khi nồng độ hydro đạt giá trị giới hạn CH2.5 ml/100g KL, hệ số cường độ ứng suất đạt KI.76 MPa.m 1/2.

Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T

Thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T được tính toán dựa vào các công thức (3.10) và số liệu ở bảng 4.1và 4.2 thì thu được kết quả theo bảng 4.4

B ả ng 4.4 K ế t quá tính toán th ờ i gian làm vi ệ c còn l ạ i c ủ a thép austenit

Thời gian dẫn đến hư hỏng, x10 4 (h) CH2 (ml/100g KL)

Hình 4.2 Ảnh hưở ng c ủ a n ồng độ clorua t ớ i th ờ i gian d ẫn đến hư hỏ ng

Dựa trên bảng số liệu 4.4 và đồ thị hình 4.2, chúng tôi đã xây dựng được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa nồng độ clorua và thời gian hư hỏng của thép austenit 08X18H10T.

Với x là nồng độ clorua, y là thời gian dẫn đến hư hỏng

Tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T chịu ảnh hưởng lớn từ nồng độ clorua, với thời gian làm việc còn lại giảm khi nồng độ clorua tăng Cụ thể, trong khoảng nồng độ clorua từ 0.05-0.2 mg/kg, thời gian làm việc giảm đột ngột, trong khi từ 0.2-1.2 mg/kg, sự thay đổi không đáng kể Khi nồng độ clorua đạt 1.03 mg/kg, nồng độ hydro cũng đạt giới hạn cho phép, dẫn đến tuổi thọ vật liệu chỉ còn 38251 giờ (≈ 4.4 năm) Do đó, việc kiểm soát chặt chẽ hàm lượng clorua trong thép là cần thiết để kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu lãng phí trong quá trình sản xuất.

Th ờ i g ia n d ẫn đ ến h ư hỏ n g * 1 0 4 (h)

Kết quả tính toán độ mở vết nứt trung bình hằng năm

Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép austenit được xác định thông qua các công thức (3.10), (3.17), (3.31) và dữ liệu từ bảng 4.1 và 4.2 Một MNĐHN hoạt động trung bình khoảng 8000 giờ mỗi năm, và kết quả thu được đã được trình bày trong bảng 4.5.

B ả ng 4.5 Độ m ở v ế t n ứ t trung bình h ằng năm củ a thép không g ỉ

STT Thời gian dẫn đến hư hỏng, x10 4 (h)

(ml/100g KL) Độ mở vết nứt trung bình hằng năm, x10 -7 (m/y)

Hình 4.3 S ự ph ụ thu ộc độ m ở v ế t n ứ t trung bình h ằng năm theo nồng độ clorua

Dựa trên số liệu từ bảng 4.5 và đồ thị hình 4.3, chúng ta có thể thiết lập phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ mở vết nứt trung bình hàng năm và nồng độ clorua.

𝑦 = 95.523𝑥 3.0519 (10 −7 𝑚 𝑦 −1 ) Với x là nồng độ clorua, y là độ mở vết nứt trung bình hằng năm

Theo bảng 4.5, thời gian thép bắt đầu hư hỏng phụ thuộc vào nồng độ clorua trong thép Nồng độ clorua càng cao thì thời gian hư hỏng càng ngắn, dẫn đến nồng độ hydro trong thép không gỉ tăng lên, làm gia tăng độ mở vết nứt và giảm tuổi thọ của thép Khi nồng độ clorua tích tụ đạt đến một giá trị nhất định, quá trình hư hỏng sẽ diễn ra nhanh chóng.

CCl=1.03 mg/kg thì độ mở vết nứt trung bình hằng năm khoảng 𝑣= 0.01 mm/ năm Đ ộ m ở v ế t n ứ t tr u n g b ìn h h ằ n g nă m x 10 -7 (m /y )

K ế t lu ận chương 4

Trong chương này chúng ta đã tìm hiều những vấn đềsau đây:

Khi tính toán nồng độ hydro trong thép không gỉ, sự hiện diện của clorua là yếu tố quan trọng Cụ thể, khi nồng độ clorua trong thép đạt 1.03 mg/kg, nồng độ hydro tích tụ sẽ đạt giá trị tới hạn là 2.5 ml/100g khối lượng.

Việc xác định thời gian bắt đầu hư hỏng của vật liệu có thể được thực hiện bằng cách phân tích nồng độ clorua trong môi trường làm việc Đặc biệt, nồng độ clorua trong thép là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của vật liệu.

CCl=1.03 mg/kg thì thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T là khoảng 4.4 năm.

Khi tính toán hệ số cường độ ứng suất của thép austenit, cần lưu ý nồng độ hydro có trong thép Nếu nồng độ hydro tích tụ đạt giá trị giới hạn 𝐶 𝐻 𝑙𝑖𝑚 2.5 ml/100g KL, thì hệ số cường độ ứng suất của thép austenit 08x18H10T sẽ là KI = 76 MPa.m 1/2.

Tốc độ mở rộng vết nứt trung bình hằng năm của thép có thể được tính toán khi nồng độ clorua đạt giá trị CCl=1.03 mg/kg Dưới điều kiện này, độ mở vết nứt trung bình hằng năm ước tính khoảng 𝑣= 0.01 mm/năm.

- Có một cái nhìn trực quan thông qua các con sốtính toán cũng như biểu đồ, giúp hiểu rõ hơn sự ảnh hưởng của clorua đến thép không gỉ

Sau khi hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp về "Đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi của nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000", chúng tôi đã thu được nhiều kết quả quan trọng.

- Nắm bắt các khái niệm, một số thông số kỹ thuật cơ bản của bình sinh hơi cũng như NMĐHN loại VVER-1000

- Tìm hiểu về môi trường làm việc khắc nghiệt của thép austenit bên trong bình sinh hơi

Nắm vững các khái niệm cơ bản trong cơ học vật liệu, bao gồm lực tác dụng, khuyết tật, khuếch tán, ứng suất, cũng như sự hình thành và lan truyền vết nứt, là điều quan trọng để hiểu rõ hơn về hành vi của vật liệu dưới tác động của các yếu tố bên ngoài.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ clorua ảnh hưởng mạnh mẽ đến thép austenit 08X18H10T, với sự tích tụ hydro trong thép tăng lên khi nồng độ clorua cao hơn Điều này dẫn đến hệ số cường độ ứng suất gia tăng, làm cho vết nứt mở rộng và tuổi thọ của thép giảm Cụ thể, khi nồng độ clorua đạt CCl = 1.027 mg/kg, nồng độ hydro đạt giá trị tới hạn CH2.5 ml/100g KL, thời gian còn lại cho đến khi thép hư hỏng là 38,251 giờ (khoảng 4.4 năm), hệ số cường độ ứng suất đạt KI.76 (MPa.m 1/2) và độ mở vết nứt trung bình hằng năm khoảng 𝑣 = 0.01 mm/năm.

Khóa luận này đã chỉ ra ảnh hưởng của nồng độ clorua đến thời gian làm việc của thép austenit 08X18H10T, từ đó mở ra cơ hội tìm kiếm các biện pháp nâng cao tuổi thọ của vật liệu này, giúp giảm thiểu lãng phí và chi phí.

Hướ ng nghiên c ứ u ti ế p theo

Dựa trên các kết quả từ bài luận văn này, hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc xác định và tính toán tuổi thọ của các thành phần và thiết bị hoạt động khác trong nhà máy điện hạt nhân.