Nghiên ứu sự phá hỏng của ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN VĂN TÂN NGHIÊN CỨU SỰ PHÁ HỎNG CỦA ỐNG DẪN HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠ

TỔNG QUAN

Tổng quan về thép chế tạo ống hơi

Lựa chọn loại thép chế tạo ống dẫn hơi phụ thuộc vào yêu cầu và mức độ tiên tiến của vị trí làm việc Thép sử dụng cần có cơ tính ổn định và khả năng chống ăn mòn do hơi nước ở nhiệt độ cao Các loại thép hóa bền bằng dung dịch rắn thường có độ chịu nhiệt trong khoảng nhất định.

Để đạt được cơ tính mong muốn cho thép chịu nhiệt trong khoảng 500-750°C, các nguyên tố hợp kim như Cr và Ni được thêm vào nhằm tăng cường khả năng chống ôxy hóa và tối ưu hóa độ bền cũng như độ dẻo Ngoài ra, các nguyên tố khác như Mo, W, và Co cũng được sử dụng để cải thiện cơ tính ở nhiệt độ cao Các nguyên tố vi lượng như Ti, Nb, và B cũng được bổ sung để nâng cao cơ tính của thép chịu nhiệt, đặc biệt trong các ứng dụng tại nhà máy điện Dựa trên thành phần hóa học và tổ chức tế vi, có nhiều loại thép chịu nhiệt khác nhau.

Thép hợp kim thấp, với cơ tính phù hợp và khả năng chịu ăn mòn ở nhiệt độ cao, là vật liệu chính trong chế tạo đường ống dẫn hơi cho nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là các đường ống dày Hai mác thép phổ biến nhất là P11 (1CrMoV) và P22 (2Cr1Mo) Khi nhiệt độ và áp suất hơi tăng cao, cần sử dụng các mác thép khác như P24 (7CrMoVTiB10-10) để đảm bảo độ bền Để nâng cao tuổi thọ của các đường ống, các công ty sản xuất đã nghiên cứu và phát triển nhiều mác thép mới, sử dụng các nguyên tố hợp kim như V, W, Nb, Ti nhằm tăng độ bền và ổn định ở nhiệt độ cao.

Các mác P23 và P24 có thành phần hóa học và tổ chức tế vi tương tự như P22, dẫn đến không có sự khác biệt về cơ lý tính, bao gồm tính chống ôxy hóa Tuy nhiên, điểm khác biệt lớn nhất giữa chúng là cơ tính ở nhiệt độ cao, do sự hiện diện của một số nguyên tố hợp kim Thép chịu nhiệt hợp kim thấp thường có tính dẻo ở nhiệt độ thấp và duy trì độ bền ở nhiệt độ cao, nhưng nếu được giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, loại thép này sẽ trở nên giòn và dễ bị phá hủy.

Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 3

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi

Trong nhà máy nhiệt điện, sử dụng 2 loại thép có Cr trung bình (từ 5 9%) và 

Thép chứa 9-12% Cr, thường được sử dụng để chế tạo ống dẫn hơi có nhiệt độ làm việc trên 620°C, không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn giảm phát thải khí CO2 và các khí độc khác khoảng 20% Việc tăng áp suất hơi nước từ 180 bar/530-540°C lên 300 bar/600°C đã dẫn đến sự phát triển của mác thép 9Cr (hay P91) từ mác thép 12CrMoV, và sau đó là mác P92 với sự hợp kim hóa thêm W, bắt đầu được áp dụng từ năm 2001 Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện độ bền dão của thép 9-12% Cr, với hàm lượng C thấp hơn (0,1% max) và bổ sung các nguyên tố như Mo, W, V, Nb, N để tăng cường độ bền dão cũng như khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao.

Một số nhà sản xuất đã cho thêm 0,04% B vào thép để tăng độ bền dão của thép ở

650 o C trong 130000 giờ, cao hơn dự kiến là 650 o C trong 105 giờ nên đã góp phần giảm độ dày của ống và tiết kiệm nguyên vật liệu

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit (ASTM)

Loại thép này được phát triển từ hệ 18% Cr – 8% Ni, tương đương với mác AISI 302 Để đạt được cơ tính yêu cầu, người ta đã hợp kim hóa thêm một số nguyên tố khác như Mn, Mo, W, Cu, Al, Ti, Nb, V Các nguyên tố này được phân loại thành nhóm ổn định ferit hoặc ổn định austenit, và mức độ ảnh hưởng của từng nguyên tố được thể hiện trong một công thức cụ thể.

Ni eq = 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, các mác thép austenit đang dần được thay thế bằng thép ferit độ bền cao Tuy nhiên, trong những bộ phận yêu cầu khả năng chống ôxy hóa và độ bền dãn cao, thép austenit vẫn được ưa chuộng Để đảm bảo hiệu quả hoạt động của các nhà máy nhiệt điện, nhiệt độ của hơi nước quá nhiệt cần đạt từ 650 đến 700 độ C, vì vậy thép austenit sẽ vẫn là vật liệu chủ yếu trong ngành công nghiệp này.

Nguyễn Văn Tân - KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL 5 chế tạo các bộ phận Trong một số trường hợp đặc biệt, hợp kim Ni được sử dụng mặc dù có giá thành cao Khi nhiệt độ hơi nước từ 550 đến 600 độ C, thép ferit-mactenxit là lựa chọn chính Nếu nhiệt độ hơi nước giảm hơn nữa, ống dẫn hơi từ thép hợp kim thấp có thể được sử dụng, tuy nhiên, tuổi thọ ngắn của chúng là một vấn đề cần giải quyết.

Tổng quan về thép ASTM A335 P22

1.2.1 Tính chất và ứng dụng

Thép P22, hay thép 2.25Cr-1Mo, là loại thép hợp kim dựa trên crôm và molypden, được sử dụng phổ biến trong lò hơi và đường ống Trong hơn 50 năm qua, thép 2-1/4Cr-1Mo đã được chuẩn hóa và công nhận trên toàn cầu, với các tiêu chuẩn kỹ thuật từ Hoa Kỳ, Anh, Đức và Nhật Bản Thép P22, theo tiêu chuẩn ASTM, được ứng dụng thành công trong các nhà máy nhiệt điện nhờ vào độ bền nhiệt cao và khả năng chống oxi hóa Nó thường được sử dụng cho đường ống dẫn hơi, ống quá nhiệt và ống hoàn nhiệt, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ lên đến 600ºC Tuy nhiên, chất lượng ống được đảm bảo tốt nhất khi làm việc dưới 600ºC Việc lựa chọn vật liệu và thành phần hóa học phù hợp cần dựa trên thông tin cụ thể về áp suất, nhiệt độ và môi trường Các giản đồ cơ chế giúp hiểu rõ hơn về biến dạng và nứt gãy dưới tác động của ứng suất và nhiệt độ Những giản đồ này thường đi kèm với thử kéo và độ dãn ở các điểm nóng chảy tuyệt đối, cung cấp thông tin về điều kiện phá hủy và gãy của thép hợp kim thấp, bao gồm gãy do uốn và gãy tách giòn.

Nguyễn Văn Tân - KH-KT Vật liệu Kim loại - 15BVLKL nhấn mạnh rằng việc đánh giá chính xác hành vi gãy của vật liệu cần có sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố thành phần và tổ chức vi mô, cũng như điều kiện hoạt động cụ thể.

Bảng 1.3 Thành phần hoá học

Thép P22, theo tiêu chuẩn ASTM A-335, có thành phần hóa học được trình bày trong bảng 1.3, với mức quy định cho các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh tương đối thấp Điều này giúp cải thiện độ dẻo dai và giảm tính giòn của thép.

Cơ tính Giới hạn kéo

Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) (nhỏ nhất)

1.2.2 Tổ chức tế vi và xử lý nhiệt

Nhiệt độ chuyển đổi là nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển biến pha, thường được sử dụng để chỉ nhiệt độ giới hạn trong một loạt biến đổi Các nghiên cứu về hành vi của thép P22 đã xác định được nhiệt độ này.

• Nhiệt độ AC1 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

Nhiệt độ chuyển đổi từ austenit sang ferit hoặc ferit cộng xementit trong quá trình làm nguội thường xảy ra ở khoảng 721°C.

• AR3 là nhiệt độ mà tại đó bắt đầu xảy ra chiển biến ferit trong khi làm nguội, ở khoảng 821°C

• AR 4 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

Nhiệt độ M(f) là khoảng 204°C, tại đó xảy ra quá trình chuyển pha khi làm nguội kết thúc Điều quan trọng là các chuyển biến pha phụ thuộc vào thời gian ở nhiệt độ thấp trong quá trình làm nguội, thay vì khi nung nóng, và cũng phụ thuộc vào tốc độ thay đổi nhiệt độ Bảng 1.5 minh họa tác động của tốc độ làm nguội đến thành phần các pha trong thép.

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến tổ chức tế vi và độ cứng

Tổ chức tế vi Độcứng Vickers

Tổ chức tế vi của vật liệu kim loại phụ thuộc vào thành phần hóa học và quá trình xử lý nhiệt Khi tốc độ làm nguội chậm hơn gần trạng thái cân bằng, pha ferit sẽ hình thành, trong khi bainit hoặc mactenxit xuất hiện dưới điều kiện làm nguội nhanh hơn Việc xác định tổ chức tế vi có thể thực hiện thông qua giản đồ thời gian, nhiệt độ và chuyển biến pha.

Hình 1.1 Giản đồ làm nguội liên tục với thép P22[2]

Đường cong chuyển biến làm nguội liên tục (CCT) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các tổ chức tế vi thông qua kiểm soát chu kỳ nhiệt trong các quy trình sản xuất Các chu kỳ nhiệt cần phải phù hợp với từng quá trình cụ thể để đạt hiệu quả tối ưu Kích thước hạt pha austenite, tức là kích thước hạt tại thời điểm chuyển biến đầu tiên từ austenit, là một yếu tố quan trọng cần xem xét, vì nó ảnh hưởng đến quá trình chuyển biến và nhiệt độ trong quá trình cán nóng và ủ.

Các tổ chức tế vi dự kiến khi làm nguội từ khoảng 954°C do đó có thể được ước tính từ các giản đồ CCT thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.2 Giản đồ chuyển biến khi làm nguội liên tục với thép 0.1% Cacbon,

2-1/4Cr-1Mo (F = Ferit; B = Bainit; M = Mactenxit) [3]

Trong quá trình hàn, tốc độ làm nguội nhanh dẫn đến việc hình thành tổ chức tế vi bainit ở kim loại mối hàn và vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ), như thể hiện trong hình 1.3.

• Làm nguội chậm thường xảy ra sau khi xử lí nhiệt làm đồng đều thành phần, tổ chức tế vi khi đó thường chủ yếu là ferit như hình 1.4

Hình 1.3 Tổ chức tế vi điển hình chủ yếu là bainit khi làm nguội nhanh [3]

Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

Hình 1.4 Tổ chức tế vi điển hình chủ yếu là ferit khi làm nguội chậm [3]

Thép Cr-Mo là vật liệu phổ biến trong các ứng dụng chống dão, đặc biệt trong ngành hóa dầu và năng lượng Nó được sử dụng rộng rãi trong các bình áp lực, đường ống, nồi hơi và các bộ phận kết cấu.

Thép này nổi bật với khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai cao, đồng thời có khả năng hàn tốt và chi phí hợp lý Ngoài ra, thép còn có sự giãn nở nhiệt thấp và tính dẫn nhiệt cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp.

Sự phát triển của các phương pháp kiểm tra và nghiên cứu tổ chức tế vi đã hỗ trợ phân tích sai hỏng và ước tính tuổi thọ còn lại của các thành phần hoạt động ở nhiệt độ cao và áp suất Mặc dù việc ước tính tuổi thọ còn lại của các thành phần trong nhà máy nhiệt điện và các quá trình công nghiệp đã thu hút nhiều sự chú ý, nhưng công nghệ đánh giá chi phí và hiệu quả vẫn chưa được phát triển.

Thép P22 có khả năng hình thành hai loại tổ chức tế vi: Ferit-bainit và ferit-peclit Trong suốt quá trình hóa già, tổ chức tế vi Ferit-bainit thể hiện sự ổn định cao hơn so với Ferit-peclit, mặc dù có sự suy thoái của bainit đã được quan sát Khi xảy ra phá hỏng, hai tổ chức tế vi này có thể trở nên khó xác định, trừ khi có kiến thức về các pha trong vật liệu mới.

Tổ chức tế vi của vật liệu trong điều kiện tương tự, như được thể hiện trong hình 1.5, cho thấy sự hiện diện của ferit và peclit.

Hình 1.5 Tổ chức tế vi Ferit-Peclit của thép P22[4]

Tình hình hoạt động của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam

1.3.1 Thép trong nhà máy nhiệt điện Điện than chiếm khoảng 40% tổng sản lượng điện của toàn thế giới Vì ưu thế cơ bản của nhiệt điện than là giá than ổn định và có thể cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu khác, vốn đầu tư ban đầu ít, thời gian xây dựng nhanh, vận hành ổn định Ở Việt Nam, than lại có trữ lượng khá lớn với hai loại chủ yếu là than antraxit Quảng Ninh và than nâu vùng đồng bằng Bắc Bộ là một lợi thế cho việc phát triển các nhà máy nhiệt điện đốt than Tại Việt Nam, sản phẩm của điện theo xu hướng toàn cầu, trong đó có tỷ lệ lớn nhất sản phẩm tổng thể từ năng lượng điện và chúng được phân phối từ Bắc vào Nam Nhà máy nhiệt điện đốt than vẫn sẽ là một nguồn năng lượng quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trên toàn thế giới trong tương lai

Hình 1.10 Sơ đồ của nhà máy nhiệt điện đốt than [12]

Nhà máy nhiệt điện đốt than bao gồm hai cụm thiết bị chính: cụm lò hơi để sản xuất hơi nước và cụm tua bin-máy phát để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng Ngoài ra, còn có lò hơi phụ trợ cho khởi động, hệ thống làm mát, chuẩn bị nhiên liệu (kho than, băng chuyền, máy nghiền than), hệ thống sản xuất khí nén, thu hồi tro bay, gom xỉ đáy lò, lọc bụi và xử lý khói thải.

Bảng 1.7 Dự báo về công suất điện từ các nguồn khác nhau vào năm 2020 và năm 2030

Tỷ lệ sản phẩn (%) Đốt than 36000 48 46,8 75000 51,6 56,4

Cấp than Ống khói Ống dẫn hơi

Tình hình sử dụng điện từ nguồn than ở Việt Nam dự kiến sẽ chiếm tỷ lệ cao (56,4%) trong tương lai Hiện tại, Việt Nam chủ yếu tập trung vào công nghệ lò mà chưa đánh giá đầy đủ vai trò của vật liệu trong việc quyết định chất lượng và tuổi thọ công trình, từ đó ảnh hưởng đến tính kinh tế và hiệu quả đầu tư Việc thiết kế và lựa chọn vật liệu cho các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, và hóa chất thường dựa theo tiêu chuẩn ASME và ASM Handbook, bên cạnh các tiêu chuẩn khác như ΓOCT, DIN, JIS, GB, TB và TCVN, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể Các thành phần như ống dẫn hơi, lò hơi và bình áp lực được sản xuất từ nhiều loại vật liệu kim loại khác nhau, bao gồm thép austenit, thép ferrit và gang, tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ và tải trọng Thời gian làm việc ổn định của các chi tiết phụ thuộc vào thiết kế, lựa chọn vật liệu và các yếu tố như công nghệ lắp ghép và chế độ vận hành.

1.3.2 Sai hỏng thường gặp của ống thép P22 trong nhà máy nhiệt điện

Khảo sát thực tế cho thấy, trong quá trình vận hành nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, các sai hỏng thường gặp ở đường ống sinh hơi bao gồm sự thay đổi tổ chức tế vi theo thời gian, ăn mòn do xói mòn hoặc quá nhiệt, dẫn đến nứt vỡ và bong tróc Môi trường làm việc với nhiệt độ cao và áp suất lớn khiến ống bắt đầu hư hỏng sau khoảng 3 năm vận hành, tùy thuộc vào vật liệu và hạng mục vận hành.

Hình 1.11 và 1.12 mô tả một số dạng hư hỏng tại nhà máy trong quá trình vận hành

Hình 1.11.Hìnhảnh một số hư hỏng củaống tại nhà máy nhiệtđiện Cẩm Phả

(a) ống bị nứt do chiều dày giảm quá mức cho phép (b) ống bị tách lớp một phần bên ngoài

Hình 1.12 Ống bị hư hỏng do chiều dày bị giảm

Mục đích và nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian làm việc đối với thép bền nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam là rất cần thiết Mặc dù ống thép P22 chủ yếu được sử dụng trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, việc dự đoán thời gian làm việc của các ống này là quan trọng để có kế hoạch sửa chữa và thay thế kịp thời Điều này giúp ngăn ngừa sự cố có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người và hư hỏng thiết bị liên quan.

Nghiên cứu về "20 dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện" tập trung vào việc phân tích sự thay đổi của cơ tính và tổ chức tế vi của thép P22 dưới tác động của nhiệt độ và thời gian nung.

1.4.2 Nội dung của nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu trong nước và quốc tế về thép chế tạo ống dẫn hơi của nhà máy nhiệt điện

- Tìm hiểu tình hình và xu hướng sử dụng thép chịu nhiệt tại một số nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam hiện nay

- Thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian nung đến sự thay đổi tổ chức tế vi, cơ tính của thép P22

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

Quy trình thí nghiệm

Các bước tiến hành thí nghiệm được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thí nghiệm

Lựa chọn vật liệu (Thép ASTM A335-P22)

Chuẩn bị mẫu (cắt mẫu, kí hiệu mẫu)

Kiểm tra mẫu ban đầu

- Nung mẫu tại nhiệt độ 500, 600 và 700°C trong khoảng thời gian

Tổng hợp và đánh giá kết quả

- Kiểm tra tổ chức tế vi: Hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét

- Vi phân tích thành phần pha: Phổ nguyên tố theo điểm (EDS)

- Kiểm tra cơ tính: Thử kéo

Phương pháp thí nghiệm

2.2.1 Mẫu thí nghiệm Ống thép ASTM A335-P22 được Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả - Quảng Ninh cung cấp ban đầu với kích thướcΦ51×8 (mm) Trước khi thí nghiệm, mẫu được phân tích thành phần để đảm bảo sự chính xác về vật liệu nghiên cứu Thành phần của mẫu được phân tích bằng máy phân tích quang phổ phát xạ: Metal LAB 75/80J MVU-GNR – Italia (hình 2.2) -Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ-Vinacomin

Thành phần của mẫu sau phân tích như trong bảng 2.1 Theo thành phần phân tích thì mẫu hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn

Bảng 2.1 Thành phần hóa học mẫu P22

Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V

Nguyên tố Ni Al Cu Nb Sn Ti Co Fe

Mẫu nghiên cứu được cắt từ phôi ống thép chưa sử dụng với kích thước phù hợp cho các yêu cầu thí nghiệm Sau đó, mẫu được nung trong lò đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong một thời gian nhất định và làm nguội cùng với lò.

Hình 2.2 Thiết bị phân tích thành phần kim loại và hợp kim75/80J MVU

Hình 2.3 Các mẫu nghiên cứu 2.2.2 Thiết bị thí nghiệm

Lò nung mẫu sử dụng là lò điện trở HTC 08/16 - Nabertherm đến từ CHLB Đức, được áp dụng tại Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - Vinacomin Các thí nghiệm nung mẫu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm HitechLOM.

24 Đặc trưng kỹ thuật của lò:

- Nhiệt luyện, thực hiện các phép thử và xử lý về nhiệt trong môi trường khí bảo vệ;

- Nhiệt độ nung tối đa: 1600 o C;

- Kích thước buồng nung:170x290x170 mm

Hình 2.4 Lò nung có khí bảo vệ HTC 08/16 2.2.3 Quy trình nung mẫu

Quy trình vận hành lò hơi tại Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả - Quảng Ninh yêu cầu lò hơi phải đạt đủ nhiệt độ và áp suất làm việc để duy trì hoạt động Nhiệt độ làm việc trong các đường ống dẫn hơi dao động từ 500-600 oC, do đó, nhiệt độ khảo sát được chọn trong khoảng 500-700 oC Quy trình nung mẫu được thực hiện theo hướng dẫn trong hình 2.5.

Hình 2.5 Quy trình nung mẫu

2.2.4 Các phương pháp và thiết bị phân tích

2.2.4.1 Kiểm tra tổ chức tế vi

Sự thay đổi cấu trúc tế vi của các mẫu thí nghiệm đã được khảo sát và ghi lại thông qua kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét, như thể hiện trong hình 2.6.

Hình 2.6 Các mẫu kim tương

Nguyễn Văn Tân- KH-K a Hiển vi quang

Phương pháp sử d dựa vào nguyên lý phản được quan sát nhờ một h đại lên đến 1000 lần

Các mẫu thí nghiệ quan sát và chụp ảnh tổ c của hãng Carl Zeiss – Đứ cơ khí năng lượng và mỏ axít và ethanol

Hình b Hiển vi điện tử

Microscopy - SEM) dựa mẫu để tạo ra hình ảnh c cho ta kết quả về hình th tạo hình ảnh hai chiều củ

KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL nghiên cứu ứng dụng kính hiển vi quang học (Optical Microscopy) để quan sát hình ảnh tổ chức của các thấu kính (thị kính và vật kính) sau khi chuẩn bị mẫu Kính hiển vi quang học Axioplan 2 được sử dụng tại phòng thí nghiệm Vinacomin để phân tích tính năng kỹ thuật Dung dịch tẩm thực là hỗn hợp cần thiết cho quá trình này Bên cạnh đó, kính hiển vi điện tử quét (SEM) được áp dụng để nghiên cứu nguyên lý tán xạ của chùm điện tử, cho phép chụp ảnh các pha tồn tại với độ phân giải cao, cung cấp cái nhìn chi tiết về bề mặt mẫu.

Kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) cho phép quan sát bề mặt mẫu với độ phóng đại cao, cung cấp cái nhìn chi tiết về cấu trúc vi mô Sự kết hợp giữa SEM và các phương pháp phân tích khác như picric có thể nâng cao khả năng nghiên cứu và hiểu biết về mẫu Hình 2.7 minh họa rõ nét quá trình này, cho thấy tầm quan trọng của việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong nghiên cứu vật liệu.

M có khả năng quan sát tổ chức

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có khả năng đạt độ phân giải lên đến 27 tế vi, vượt xa kính hiển vi quang học với độ phân giải chỉ khoảng vài trăm nanomet Hình ảnh từ SEM mang lại cảm giác về không gian ba chiều rõ nét Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu thí nghiệm được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F-Mỹ, được chụp tại phòng thí nghiệm Hiển vi Điện tử và Vi phân tích thuộc Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội.

Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F

Phương pháp phổ nguyên tố EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn, thường được kết hợp với SEM hoặc TEM Khi chùm điện tử năng lượng cao chiếu vào vật rắn, nó tương tác với các lớp điện tử bên trong nguyên tử, dẫn đến sự phát xạ tia X thứ cấp Năng lượng và bước sóng của tia X thứ cấp này đặc trưng cho nguyên tử số (Z) của các nguyên tố có trong mẫu Việc ghi nhận phổ tia X thứ cấp cung cấp thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt và hàm lượng của chúng trong mẫu.

Phân tích phổ nguyên tố EDS cho phép xác định thành phần nguyên tố trong phạm vi nhỏ, từ đó giúp dự đoán sơ bộ về thành phần các pha có trong vật liệu.

Sự thay đổi tổ chức tế vi của vật liệu chịu ảnh hưởng rõ rệt từ nhiệt độ, thời gian nung và quá trình làm việc.

Các phân tích EDS đối với các mẫu thí nghiệm đã được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Hiển vi Điện tử và Vi phân tích thuộc Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội.

Dưới tác động của nhiệt độ, thời gian nung và điều kiện làm việc, cấu trúc của mẫu vật liệu thay đổi, dẫn đến sự biến đổi về cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng và khả năng chịu uốn Để xác định độ bền và độ dẻo, phương pháp thử kéo được áp dụng, trong đó lực kéo được tác động lên hai đầu mẫu cho đến khi mẫu bị phá hủy Phương pháp này cho phép xác định các chỉ số quan trọng như giới hạn chảy, giới hạn bền, độ dãn dài và độ co thắt của vật liệu Thí nghiệm thử kéo cho các mẫu được thực hiện trên thiết bị máy thử mỏi INSTRON, từ đó đánh giá chính xác độ bền và độ dẻo của vật liệu.

8801 của Anh (hình 2.9) tại Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ-Vinacomin

Hình 2.9 Máy thử kéo INSTRON 8801 Đặc trưng kỹ thuật của thiết bị:

- Lực thử kéo: 10 tấn (100 kN)

- Xác định giới hạn bền, giới hạn chảy , độ giãn dài, vẽ đồ thị lực

Thí nghiệm thử kéo được thực hiện theo tiêu chuẩnTCVN 197:2012 (ISO 6892- 1:2009) và ASTM E 8M:2013a

Hình 2.10 Kích thước của mẫu thử kéo

Các mẫu thử được gia công theo kích thước theo tiêu chuẩn ASTM E8-E8M Tiêu chuẩn thiết kế của mẫu thử kéo (hình 2.10) với các thông số dưới đây:

 Chiều dài của phần giảm A = 32 mm

 Chiều dài của phần nắm B = 30 mm

Chiều rộng phần nắm C là 10 mm Để xác định tiết diện mặt cắt ngang, mẫu thử cần được gia công và đo tại điểm giữa với độ chính xác là 0,025 mm.

Khi xác định độ dãn dài, mẫu thử cần được đánh dấu rõ ràng với độ chia chính xác Số điểm đánh dấu sẽ phụ thuộc vào tiêu chuẩn áp dụng Các dấu có thể được đặt trên mặt hoặc cạnh của mẫu thử.

Số lượng mẫu thử có thể là 01 (một) mẫu hoặc nhiều hơn

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tính chất của thép bền nhiệt ASTM A335-P22

Mẫu ống thép P22 được cung cấp ban đầu bởi Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả, ở trạng thái chưa sử dụng Mẫu này đã được kiểm tra thành phần hóa học bằng thiết bị phân tích kim loại và hợp kim qua quang phổ phát xạ, như thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của mẫu ban đầu chưa sử dụng

Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V

Nguyên tố Ni Al Cu Nb Sn Ti Co Fe

Phân tích mẫu cho thấy thành phần hóa học phù hợp với thép P22 theo tiêu chuẩn ASTM A335, do đó, các thí nghiệm tiếp theo sẽ được tiến hành.

3.1.2 Tổ chức tế vi của thép P22

Các nghiên cứu về tổ chức tế vi của thép P22, bằng kính hiển vi Quang học cho thấy thộp cú ferit-peclit, kớch thước hạt xấp xỉ 23,8 àm ( hỡnh 3.1)

Ngoài việc phân tích bằng kính hiển vi quang học, mẫu cũng được kiểm tra với độ phân giải cao hơn thông qua kính hiển vi điện tử quét SEM để quan sát các pha của thép (hình 3.2).

Hình 3.1 Tổ chức tế vi của thép P22 ban đầu

Giới hạn chả Độ giãn dà

Từ kết quả kiểm tra qua s mác thép ASTM A335- P

3.2 Ảnh hưởng của nhi Để thấy được ảnh được tiến hành nung ở cá

KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL nh3.2.Ảnh SEM của thép P22 ban đầu p P22 độ bền của thép P22 ban đầu được trình bày t

Bảng 3.3 trình bày kết quả kiểm tra độ bền của mẫu P22, với giá trị đạt 510 MPa, vượt tiêu chuẩn 360 MPa Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nhiệt độ nung có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức tế vi của thép P22, đặc biệt ở các mức nhiệt độ 500, 600 và 700 độ C trong khoảng thời gian 24 và 48 giờ.

≥ 30 đầu phù hợp với thép P22, mẫu và 72h

Sau khi nung nóng thép P22 ở các mốc thời gian 24, 48 và 72 giờ, kích thước hạt đã thay đổi, với kích thước hạt khoảng 31 µm, cho thấy sự gia tăng nhẹ so với kích thước ban đầu Tổ chức tế vi không có sự thay đổi rõ rệt.

Hình 3.3 Ảnh tổ chức t giải

KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

(c) tế vi của thép P22 nung ở 500˚C trong 24 giờ (a) X200 , (b) X500 và (c) chụp SEM

Hình 3.4 Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 500˚C trong 48 giờ với độ phân giải (a) X200 , (b) X500 và (c) chụp SEM

Hình 3.5 Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 500˚C trong 72 giờ với độ phân giải (a) X200 , (b) X500 và(c) chụp SEM

*Tổ chức tế vi của mẫu nung ở 600˚C

Hình 3.6 Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 600˚C trong 24 giờ với độ phân giải (a) X200, (b) X500và (c) chụp SEM

Hình 3.7 Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 600˚C trong 48 giờ với độ phân giải (a) X200, (b) X500 và (c) chụp SEM

So sỏnh với mẫu thộp nung ở 500 0 C, kớch thước hạt tăng từ 31,1 àm đến 35 àm khi thời gian nung là 72 giờ

*Tổ chức tế vi của mẫu nung ở 700˚C

Khi nung ở nhiệt độ 700ºC, kích thước hạt của mẫu tăng lên 42,1 lần, gần gấp đôi so với kích thước hạt ban đầu, dẫn đến giảm độ bền, như đã được xác nhận qua các thí nghiệm kéo.

Hình 3.10 Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 700˚C trong 48 giờ với độ phân giải (a) X200 và (b) X500 và (c) chụp SEM

- Sau quá trình kiểm tra tổ chức tế vi của mẫu qua các chế độ nung khác nhau ta nhận thấy:

 Khi tăng nhiệt độ nung và thời gian nung, kích thước hạt có xu hướng tăng lên

 Tổ chức tế vi của mẫu không quan sát thấy có sự biến đổi rõ nét, tổ chức của mẫu gồm 2 pha Ferit+ Peclit

3.3Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến thành phần hoá học của P22

Ngoài việc sử dụng kính hiển vi quang học để kiểm tra sự thay đổi tổ chức tế vi, chúng tôi cũng đã tiến hành kiểm tra sự thay đổi thành phần pha sau khi nung bằng phương pháp phân tích SEM-EDS.

Hình 3.12 Kết quả EDS của mẫu ban đầu

Nguyên tố Cr Si Al Fe

Hình 3.13 Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 500 0 C trong 24h

- Sau khi phân tích thành phần các nguyên tố trên mẫu ban đầu và các mẫu qua các chế độ nung khác nhau ta có kết quả sau:

 Thành phần của mẫu ban đầu ngoài thành phần chủ yếu là Fe và

Cr còn có thêm thành phần nguyên tố Al và Si

 Sau khi nung mẫu tại nhiệt độ 500, 600 và 700 0 C thành phần của mẫu chỉ còn lại chủ yếu là Fe, Cr

 Hàm lượng các nguyên tố Fe, Cr gần như không có sự thay đổi khi ta thay đổi chế độ nung của các mẫu

3.4 Ảnh hưởng củathời gian nung đến cơ tính của thép P22

Các mẫu được nung ở nhiệt độ khác nhau, cụ thể là 500, 600 và 700°C, và giữ nhiệt trong khoảng thời gian 24, 48 và 72 giờ Kết quả kiểm tra độ bền và giản đồ đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy sự thay đổi đáng kể sau quá trình nung và giữ nhiệt Các kết quả chi tiết được trình bày trong các bảng và hình ảnh dưới đây, cung cấp thông tin cụ thể về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến tính chất cơ học của các mẫu.

 Nung ở 500, 600 và 700˚C trong 24h (hình 3.22 và bảng 3.4):

Hình 3.22 Đường cong ứng suất-biến dạng của mẫu khi nung ở 500,600 và 700°C trong 24h

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra độ bền của mẫu nung ở 500,600 và 700°C trong

Giới hạn chảy (MPa) 306 276 240 Độ giãn dài (%) 31 32 34

 Nung ở 500, 600 và 700 0 C trong 48h (hình 3.23 và bảng 3.5):

 Nung ở 500, 600 và 700˚C trong 72h (hình 3.24 và bảng 3.6):

Sau khi kiểm tra các mẫu ở 500°C trong 10 giờ, cơ tính của thép thay đổi không đáng kể Do vậy, tăng thời gian giữ nhiệt lâu hơn (24, 48 và 72 giờ)

Dựa vào bảng kết quả các mẫu thử sau khi nung qua các chế độ ta nhận thấy:

- Nung các mẫu cùng trong một thời gian, khi tăng nhiệt độ nung thì mẫu có xu hướng giảm giới hạn bền nhưng độ giãn dài lại tăng lên

* Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ bền của thép ở các thời gian khác nhau

Hình 3.25 Ảnh hưởng của thời gian đến độ bền của thép ở 500 o C

Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%)

Từ kết quả thử kéo cho thấy:

- So với mẫu ban đầu giới hạn bền của các mẫu sau nung có xu hướng giảm, trong khi độ giãn dài có xu hướng tăng lên

Với cùng nhiệt độ nung, khi thời gian nung tăng lên, giới hạn bền của mẫu có xu hướng giảm nhẹ, tuy nhiên sự thay đổi này không đáng kể Đồng thời, độ giãn dài của mẫu cũng chỉ thay đổi một cách không đáng kể.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với sự thay đổi kích thước hạt trong cấu trúc vi mô của mẫu thép, như đã phân tích ở phần 3.2 Sự gia tăng kích thước hạt dẫn đến việc giảm độ bền của vật liệu, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ dẻo của nó.

Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%)

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Sau quá trình thực hiện đề tài ‘Nghiên cứu sự phá hỏng của ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện’, có các kết luận sau:

Nghiên cứu đã phân tích sự biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính của thép P22 khi nung ở nhiệt độ từ 500-700 độ C Tổ chức tế vi được xác định thông qua phương pháp hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét, trong khi cơ tính được kiểm tra bằng thiết bị đo độ bền kéo.

Tổ chức tế vi của thép P22 sau khi nung bao gồm hai pha chính là Ferit và Peclit Thời gian và nhiệt độ nung không có ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi tổ chức tế vi của ống thép.

Luận văn hiện tại chỉ tập trung vào nghiên cứu cơ bản về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến tổ chức và cơ tính của thép P22 Để có cái nhìn toàn diện hơn về điều kiện làm việc thực tế, cần tiến hành khảo sát thực nghiệm tại nhà máy với nhiều dữ liệu hơn Bên cạnh đó, cũng cần xem xét tác động của áp suất hơi quá nhiệt đến tính chất của thép P22.

The main findings of the research are published in the article titled "Effect of Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Superheater Steel Pipe in Thermal Power Plant," featured in the Journal of Science & Technology of Technical Universities, Volume 127B, 2018, pages 67-71.

Tiêu đề	Nghiên Cứu Sự Phá Hỏng Của Ống Dẫn Hơi Trong Nhà Máy Nhiệt Điện
Tác giả	Nguyễn Văn Tân
Người hướng dẫn	PGS.TS. Bùi Anh Hòa
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại
Thể loại	luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	13,91 MB