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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN  NGUYỄN ĐĂNG THỨC - 1410718 ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ KHÓA 2014 - 2018 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Đà Lạt, ngày… tháng… năm …… i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đà Lạt, ngày… tháng… năm …… ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân Quý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em học, nhiệt tình truyền dạy kiến thức tạo mơi trường học tập thuận lợi cho em suốt 4.5 năm học tập trường Đại học Đà Lạt Em xin cảm ơn gia đình bạn lớp HNK38 hỗ trợ đồng hành em suốt thời gian học tập trường Đại học Đà Lạt Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt Hà, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ hồn thành khóa luận Lâm Đồng, tháng 12, năm 2018 NGUYỄN ĐĂNG THỨC iii DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt ads KL NMĐHN PWR SCC VVER iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1 Giới thiệu lò VVER-1000 1.2 Bình sinh 1.3 Kết luận chương CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ 2.1 Các khái niệm vật liệu 2.1.1 Khuyết tật 2.1.2 Khuếch tán 2.1.3 Ứng suất 2.1.4 Nứt 2.2 Thép không gỉ 10 2.3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 14 3.1 Tổng quan nứt mơi trường ăn mịn ứng suất 14 3.2 Khởi tạo SCC 16 3.3 Lan truyền SCC 18 3.4 Ảnh hưởng hydro đến thép không gỉ 20 3.5 Phương pháp tính nồng độ hydro thép austenit ảnh hưởng clorua 24 3.6 Hệ số cường độ ứng suất 27 3.7 Kết luận chương 31 v CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TỐN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T 32 4.1 Kết tính toán hệ số cường độ ứng suất KI 33 4.2 Kết tính tốn thời gian làm việc lại thép austenit 08X18H10T 35 4.3 Kết tính tốn độ mở vết nứt trung bình năm 37 4.3 Kết luận chương 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tổng quan nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 Bảng 1.2 Một số thơng số kỹ thuật bình sinh Bảng 2.1 Thành phần hóa học (%) khác ngồi sắt (Fe) số thép không gỉ 12 dùng NMĐHN 12 Bảng 4.1 Các thơng số để tính nồng độ hydro có thép 32 Bảng 4.2 Các thơng số để tính hệ số cường độ ứng suất 32 Bảng 4.3 Kết hệ số cường độ ứng suất nồng độ hydro thép không gỉ 33 Bảng 4.4 Kết q tính tốn thời gian làm việc lại thép austenit 08X18H10T 35 Bảng 4.5 Độ mở vết nứt trung bình năm thép không gỉ 37 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 Hình 1.2 Mặt cắt dọc bình sinh Hình 2.1 (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky Hình 2.2 Lực P áp lên nằm ngang với tiết diện A’ .8 Hình 2.3 Lực P áp lên nằm ngang gây biến dạng chiều dài Hình 2.4 Các dạng nứt Hình 3.1 a, Vết nứt SCC hạt; b, Vết nứt SCC bên hạt 14 Hình 3.2 Sơ đồ trình diễn đỉnh vết nứt 16 Hình 3.3 Sơ đồ mơ tả ba giai đoạn trình nứt SCC 18 Hình 3.4 Phân tử nước phân tử hydroni 21 Hình 3.5 Các q trình lý hóa diễn đỉnh vết nứt 21 Hình 3.6 Mơ tả trạng thái hydro thép khơng gỉ 22 Hình 3.7 Quá trình hình thành bước trượt nút mạng tinh thể 23 kim loại 23 Hình 3.8 Các dạng liên kết kim loại mạng tinh thể kim loại .23 Hình 3.9 Mơ hình tách CrCl3 khỏi thép khơng gỉ 26 Hình 3.10 Vùng đàn hồi vật liệu 28 Hình 4.1 Sự phụ thuộc hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro 34 Hình 4.2 Ảnh hưởng nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng 36 Hình 4.3 Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình năm theo nồng độ clorua 38 viii MỞ ĐẦU Bình sinh phận quan trọng nhà máy điện hạt nhân Chức bình sinh lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước vòng thứ cấp tạo với áp suất cao làm quay tua bin phát điện Việc ống trao đổi nhiệt, lớp vỏ bên bình sinh phải làm việc môi trường khắc nghiệt như: môi trường có tính oxy hóa cao, chênh lệch nhiệt độ, áp suất; có hoạt độ phóng xạ lớn,… Có tác động lớn đến khẳng làm việc lâu dài chúng Các tác nhân có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cấu thành chúng, gây tượng gãy nứt, ăn mòn, làm giảm tuổi thọ vật liệu Vậy nên, việc đảm bảo tính an toàn độ tin cậy cho thiết bị NMĐHN cần quan trọng cần ý nghành kỹ thuật hạt nhân Do đó, tìm hiểu nghiên cứu hình thành phát triển vết nứt, tính tốn thời gian làm việc vật liệu (đến hư hỏng) kiến thức cần thiết cần có, nhằm nâng cao độ an tồn cho thiết bị NMĐHN Mục đích khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng clorua đến nồng độ hydro thép austenit 08X18H10T Từ đó, tính tốn tuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất độ mở vết nứt trung bình năm cơng thức bán thực nghiệm Khóa luận trình bày thành chương sau: Chương 1- Tổng quan lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 Chương 2- Các khái niệm học vật liệu thép không gỉ Chương 3- Sự lan truyền SCC vật liệu phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất, tuổi thọ thép austenit 08X18H10T nhà máy điện hạt nhân Chương 4- Kết tính tốn hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc lại vật liệu độ mở vết nứt trung bình năm thép 08X18H10T Trong môi trường làm việc thực bình sinh ngồi hydro phản ứng với hợp kim cịn có chất phản ứng với hợp kim, ví dụ Oxy, Clo có khả phản ứng với kim loại tạo thành màng oxit rắn muối clo với kim loại Do đó, song song với q trình khuếch tán hydro, ln ln có q trình cạnh tranh làm tăng lớp màng ăn mòn đầu vết nứt Với: - η số vật liệu môi trường - = thép không gỉ) - = V −V thay đổi thể V - κν không gỉ mơ đun đàn hồi thể tích, - =k E Tỏng khóa luận ta sử dụng cơng thức (3.17) để tính tốn nồng độ hydro thơng qua clo, cơng thức (3.10) để tính thời gian làm việc cịn lại, cơng thức (3.33) để tính hệ số cường độ ứng suất cơng thức (3.31) để tính độ mở vết nứt thép austenit 08X18H10T năm Kết tính tốn trình bày chương IV 30 3.7 Kết luận chương Trong chương tìm hiểu vấn đề sau: - Các giai đoạn hình thành lan truyên vết nứt mơi trường ăn mịn ứng suất áp vào thép khơng gỉ - Tìm hiểu yếu tố mơi trường gây phản ứng đỉnh vết nứt ảnh hưởng đến hình thành tốc độ tuyền vết nứt thép không gỉ - Sự tác động hydro đến việc vật liệu thép không gỉ - Tìm hiểu ảnh hưởng clorua đến mơi trường ăn mịn, mối liên hệ chorua hydro - Nghiên cứu phương pháp tính tốn hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc lại vật liệu độ mở vết nứt trung bình năm 31 CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TỐN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T Trong chương ta tìm hiểu lý thuyết chế hình thành phát triển vết nứt vật liệu thép không gỉ ảnh hưởng clorua tới thép không gỉ Ở chương IV ta trình bày kết tính tốn ảnh hưởng clorua tới thép khơng gỉ kết tính hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc cịn lại hư hỏng, tính độ mở vết nứt trung bình năm thép không gỉ Các thông số sử dụng cho việc tính tốn cho bảng 4.1 bảng 4.2 Bảng 4.1 Các thơng số để tính nồng độ hydro có thép [12] Hàm lượng oxy cố định (mg/kg) Diện tích bề mặt canode (cm ) Khối lượng riêng thép(g/cm ) Thể tích bề mặt bị ăn mòn(cm ) Khối lượng thép bị ăn mịn (g) Hằng số Faraday (C/mol) Điện tích qua bề mặt canode(A/h) (ml /100g KL điều kiện bình thường) 2 Bảng 4.2 Các thơng số để tính hệ số cường độ ứng suất [12] Ứng suất căng σs (MPa) Mô đun young E (MPa) Hệ số η2 Hệ số thay đổi thể tích hợp kim ∆ Hệ số Posion γ Hệ số khuếch tán hydro thép khơng gỉ D (m /s) Nồng độ Nồng độtích tụ ban đầu thép khơng gỉ (mol/lít) mơi trường bên ngồi ban đầu (mol/lít) Hệ số khuếch tán oxy thép(m2/s) Bán kính hạt nhân r (m) 32 4.1 Kết tính tốn hệ số cường độ ứng suất KI Hệ số cường độ ứng suất K I thép austenit 08X18H10T tính tốn dựa vào công thức (3.10), (3.17), (3.33) số liệu bảng 4.1 4.2 Kết thu cho bảng 4.3 Bảng 4.3 Kết hệ số cường độ ứng suất nồng độ hydro thép không gỉ STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 33 Hệ số cường độ ứng suất Hình 4.1 Sự phụ thuộc hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro Từ bảng số liệu 4.3 đồ thị hình 4.1, ta xây dựng phương trình thể mối liên hệ hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro thép austenit 08X18H10T sau: = 22.969 0.5093 Với x nồng độ hydro, y hệ số cường độ ứng suất Hình 4.1 mơ tả phụ thuộc hệ số cường độ ứng suất vào nồng độ hydro tích lũy thép khơng gỉ theo thời gian.Theo số liệu từ bảng 4.3 hình 4.1ta thấy, nồng độ hydro thép tích lũy cao hệ số cường độ ứng suất tăng, ngược lại, nồng độ hydro thép tích lũy thấp hệ số cường độ ứng suất nhỏ Khi nồng độ hydro thép đạt giá trị giới hạn C H2=16.5 1/2 ml/100g KL hệ số cường độ ứng suất tương ứng KI=95.76 MPa.m 34 4.2 Kết tính tốn thời gian làm việc lại thép austenit 08X18H10T Thời gian làm việc cịn lại thép austenit 08X18H10T tính tốn dựa vào công thức (3.10) số liệu bảng 4.1và 4.2 thu kết theo bảng 4.4 Bảng 4.4 Kết q tính tốn thời gian làm việc lại thép austenit 08X18H10T STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Thời gian dẫn đến hư hỏng *104(h) Hình 4.2 Ảnh hưởng nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng Từ bảng số liệu bảng 4.4 đồ thị hình 4.2 ta xây dựng phương trình thể mối liên hệ nồng độ clorua đến thời gian hư hỏng thép austenit 08X18H10T sau: = 3.977 −1.5 104 (ℎ) Với x nồng độ clorua, y thời gian dẫn đến hư hỏng Tuổi thọ thép austenit 08X18H10T (thời gian dẫn đến hư hỏng) phụ thuộc nhiều vào nồng độ clorua có thép Từ bảng 4.4 hình 4.2 ta thấy nồng độ clorua cao thì thời gian làm việc lại thép ngắn.Trong khoảng tăng nồng độ clorua từ 0.05-0.2 mg/kg, khoảng thời gian làm việc lại bị giảm đột ngột, khi, nồng độ clorua từ 0.2-1.2 mg/kg khoảng thời gian làm việc thép không bị thay đổi nhiều Khi nồng độ clorua (C Cl) thép đạt 1.03 mg/kg, nồng độ hydro đạt giới trị giới hạn =16.5 ml/100g KL tuổi thọ vật liệu 38251giờ (≈ 4.4 năm) Từ ta nhận thấy, việc tính toán kiểm soát chặt chẽ hàm lượng clorua thép giúp đánh giá có biện pháp giúp tăng tuổi thọ làm việc thép NMĐHN, tránh gây thất lãng phí 36 4.3 Kết tính tốn độ mở vết nứt trung bình năm Độ mở vết nứt trung bình năm thép austenit tính tốn dựa vào công thức (3.10), (3.17), (3.31) số liệu bảng 4.1và 4.2 Một MNĐHN có thời gian hoạt động trung bình năm khoảng 8000 Kết thu cho bảng 4.5 Bảng 4.5 Độ mở vết nứt trung bình năm thép khơng gỉ STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 37 năm x10-7(m/y) Độ mở vết nứt trung bình Hình 4.3 Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình năm theo nồng độ clorua Từ số liệu tính bảng 4.5 đồ thị hình 4.3, ta xây dựng phương trình thể mối liên hệ độ mở vết nứt trung bình năm theo nồng độ clorua sau: = 95.523 3.0519 (10−7 −1 ) Với x nồng độ clorua, y độ mở vết nứt trung bình năm Theo số liệu tính tốn bảng 4.5, thời gian thép bắt đầu hư hỏng phụ thuộc nhiều vào nồng độ clorua có thép Thời gian dẫn đến hư hỏng ngắn nồng độ hydro thép khơng gỉ cao, dẫn đến độ mở vết nứt tăng, tuổi thọ thép giảm Khi nồng độ clorua tích tụ thép đạt giá trị C Cl=1.03 mg/kg độ mở vết nứt trung bình năm khoảng = 0.01 mm/ năm 38 4.3 Kết luận chương Trong chương tìm hiều vấn đề sau đây: - Tính tốn nồng độ hydro thép khơng gỉ thơng qua mơi trường có diện clorua Khi nồng độ clorua thép CCl=1.03 mg/kg nồng độ hydro tích tụ thép đạt giá trị tới hạn =16.5 ml/100g KL - Tính toán thời gian bắt đầu hư hỏng vật liệu biết nồng độ clorua có mơi trường làm việc vật liệu Khi nồng độ clorua thép CCl=1.03 mg/kg thời gian làm việc cịn lại thép austenit 08X18H10T khoảng 4.4 năm ml/100g KL - Tính tốn hệ số cường độ ứng suất biết nồng độ hydro có thép austenit Nồng độ hydro tích tụ thép đạt giá trị giới hạn =16.5 1/2 hệ số cường độ ứng suất thép austenit 08x18H10T KI=95.76 MPa.m - Tính tốn tốc độ mở rộng vết nứt trung bình năm thép Khi nồng độ clorua tích tụ thép đạt giá trị C Cl=1.03 mg/kg độ mở vết nứt trung bình năm khoảng = 0.01 mm/ năm - Có nhìn trực quan thơng qua số tính tốn biểu đồ, giúp hiểu rõ ảnh hưởng clorua đến thép không gỉ 39 KẾT LUẬN Sau thực đề tài khóa luận tốt nghiệp “Đánh giá tuổi thọ thép austenit 08X18H10T bình sinh nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000” thu kết sau: - Nắm bắt khái niệm, số thông số kỹ thuật bình sinh NMĐHN loại VVER-1000 - Tìm hiểu môi trường làm việc khắc nghiệt thép austenit bên bình sinh - Nắm bắt khái niệm học vật liệu lực tác dụng, khuyết tật, khuếch tán, ứng suất, hình thành lan truyền vết nứt - Tính tốn ảnh hưởng clorua đến thép austenit 08X18H10T với kết sau: tích tụ hydro thép, hệ số cường độ ứng suất, thời gian dẫn đến hư hỏng thép (hay gọi tuổi thọ thép) độ mở vết nứt trung bình năm Từ kết tính tốn thu được, ta nhận thấy, nồng độ clorua thép tăng, nồng độ hydro tích tụ lớn, dẫn đến, hệ số cường độ ứng suất tăng lên, vết nứt to ra, làm cho tuổi thọ thép austenit 08X18H10T giảm xuống Khi nồng độ clorua đạt CCl =1.027 mg/kg, nồng độ hydro thép đạt giá trị tới hạn CH2=16.5 ml/100g KL, thời gian 1/2 làm việc lại hư hỏng 38251giờ (≈ 4.4 năm), hệ số cường độ ứng suất KI=95.76 (MPa.m ) độ mở vết nứt trung bình năm khoảng = 0.01 mm/ năm - Khóa luận rõ ảnh hưởng nồng độ clorua đến thời gian làm việc thép austenit 08X18H10T, từ giúp ta tìm biện pháp nhằm tăng tuổi thọ chúng, tránh gây lãng phí, tốn Hướng nghiên cứu Với kết thu luận văn hướng nghiên cứu tìm hiểu tính tốn tuổi thọ thành phần, thiết bị hoạt động khác NMĐHN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org [2] WWER-1000 REACTOR SIMULATOR WORKSHOP MATERIAL, International Atomic Energy Agency IAEA, 2011 [3] Shervin Shojaee, Modelling Stress Relaxation in Bolt Loaded CT- Specimens, Department of Applied Physics, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden 2014 [4] Trần Minh Hùng, “Tính tốn hệ số cường độ ứng suất đỉnh vết nứt xảy ống trao đổi nhiệt bình sinh nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000”, Trường Đại học Đà Lạt, 2018 [5] Kittel C, Introduction to Solid State Physics 8th ed Hoboken (NJ), John Wiley & Sons, 2004 [6] Robinett RW, Quantum Mechanics – Classical Results, Modern Systems, and Visualized Examples, 2nd ed Oxford (NY), Oxford University Press, 2006 [7] websites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi [8] Dahberg T, Ekberg A, Failure fracture fatigue, Student litteratur, Lund, Sweden 2002 [9] Ananya Bhattacharya, Stress Corrosion Cracking of Duplex Stainless Streels in Caustic Solutions, Georgia Institute of Technology Atlana, GA, December 2008 [10] Russell H.Jones, book Stress-corrosion Cracking, Copyright 1992 by ASM International Нгуен Тхи Нгует Ха, Экспериментально-Теоретическое Моделирование Развития Трещин В Конструкционных Сплавах Оборудования Аэс, едеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Национальный Исследовательский Университет «Мэи», 2016 [11] Глушкова Н Е Магистерская диссертация на тему «Влияние коррозионной среды на коэффициент интенсивности напряжений (применительно к аустенитным сталям», НИУ, «МЭИ», 2010 [12] 41 ... kim loại lỏng ) truyền tới thiết bị sinh điện turbin để sản xuất điện [1] Hình 1.1 Mơ hình nhà máy điện hạt nhân VVER1 000 [2] Bảng 1.1 Tổng quan nhà máy điện hạt nhân VVER- 1000 [2] Tên nhà máy điện. .. Tên nhà máy điện hạt nhân Loại lò phản ứng Chất làm mát Chất làm chậm Phổ neutron Công suất nhiệt Công suất điện Hiệu suất nhà máy điện Tuổi thọ trung bình 1.2 Bình sinh Bình sinh phận trao đổi... VVER- 1000 1.1 Giới thiệu lò VVER- 1000 Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền trạng thái dừng nhằm sản sinh lượng dạng nhiệt