Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng và thời gian đến tổ chức tế vi và cơ tính của ống thép chịu nhiệt hợp kim thấp TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, TẢI TRỌNG VÀ THỜI GIAN ĐẾN TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CỦA ỐNG THÉP CHỊU NHIỆT HỢP KIM THẤP Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2021 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Anh Hòa PGS TS Phùng Thị Tố Hằng Phản biện 1: PGS.TS Phạm Đức Thắng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Dương Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nhiệt điện đóng vai trò quan trọng cấu nguồn cung lượng Việt Nam Sản lượng điện từ nguồn nhiệt điện chiếm tỷ phần lớn tổng lượng điện sản xuất ngày khẳng định vai trò nguồn điện chủ lực nhằm đảm bảo an ninh lượng quốc gia Trong nhà máy nhiệt điện, nước hóa nhiệt đốt nhiên liệu hóa thạch than, khí… Hơi nước dẫn qua hệ thống đường ống vào tuabin để tạo điện Để tăng hiệu làm việc tuabin trình vận hành, hệ thống cần tăng áp suất nhiệt độ cao so với mức vận hành Điều đồng nghĩa với việc tiết kiệm lượng, giảm lượng khí thải CO2 giảm tác động xấu đến môi trường… Nhà máy vận hành cách có hiệu đảm bảo cung cấp lượng điện ổn định cho lưới điện yêu cầu cấp thiết Tuy nhiên, trình vận hành nhà máy, hư hỏng hệ thống ống dẫn vấn đề nghiêm trọng thường xảy nhà máy nhiệt điện Một số cố hư hỏng xảy đường ống dẫn làm việc nhiệt độ cao sau thời gian dài vận hành nhà máy Trong đó, cố có mức độ ảnh hưởng (các vết nứt nhỏ) thường xảy Sự cố có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng (vết nứt lớn) xuất hiện, dạng cố thường gặp tần suất Do đó, cố cần phải nắm bắt, dự đoán xử lý kịp thời Thép hợp kim thấp sử dụng rộng rãi loại vật liệu hệ thống ống dẫn nhà máy điện nguyên tử, nhà máy nhiệt điện ngành cơng nghiệp hóa dầu Tuy nhiên, nghiên cứu đặc tính thép hợp kim thấp thời gian đầu làm việc chưa quan tâm Theo đó, ống thép phải chịu nhiệt độ cao áp suất lớn giai đoạn Thậm chí, nhà máy nhiệt điện vận hành với áp suất nhiệt độ tối đa để tăng hiệu làm việc giai đoạn đầu làm việc Các cơng trình nghiên cứu thép ống hợp kim thấp cịn chưa đầy đủ Đặc biệt, mác thép sử dụng rộng rãi số lượng gồm có P11 P22 Việt Nam chưa quan tâm Một số nghiên cứu tập trung chủ yếu vào đánh giá đặc tính mối hàn thép hợp kim thấp có nhiều hư hỏng xảy Tuy nhiên, thực tế cho thấy hư hỏng xuất vị trí thành ống Các sai hỏng thành ống xảy đột ngột khó xác định vị trí xác Ngồi ra, chưa có nghiên cứu đầy đủ nguyên nhân dẫn đến hình thành vết nứt khởi nguồn hình thành hư hỏng Chính vậy, để đánh giá khả hình thành hư hỏng xác định nguyên nhân hư hỏng, ống thép mác P11/P22 nghiên cứu phân tích thơng qua việc xác định tổ chức tế vi tính điều kiện thay đổi nhiệt độ, tải trọng thời gian Mục tiêu luận án Mục tiêu chung luận án nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng thông số nhiệt độ, tải trọng thời gian đến tổ chức tế vi tính thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp (mác P11 P22) sử dụng nhà máy nhiệt điện Việt Nam Mục tiêu cụ thể luận án bao gồm: - Kiểm tra tính thép ống P11 P22 thay đổi thông số nhiệt độ, tải trọng thời gian; - Xác định biến đổi tổ chức tế vi thép ống P11 P22 điều kiện nhiệt độ, tải trọng thời gian; - Phân tích, đánh giá mối quan hệ tính tổ chức tế vi thép ống P11 P22 để làm rõ chế gây hư hỏng ống thép dẫn nhà máy nhiệt điện Phương pháp nghiên cứu luận án Trên sở mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu, phân tích kiểm tra sau: - Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu so sánh điểm tương đồng khác biệt nghiên cứu trước với kết đạt luận án; - Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: + Đặt mẫu thép P11 P22 điều kiện (nhiệt độ, tải trọng thời gian) cần nghiên cứu; + Kiểm tra tính mẫu thép P11 P22 phương pháp thử độ bền kéo; + Quan sát tổ chức tế vi mẫu thép kính hiển vi quang học hiển vi điện tử quét (SEM); + Xác định thành phần phân bố nguyên tố pha cacbit phương pháp phổ tán xạ lượng tia X hiển vi điện từ quét (SEM-EDS) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 1) Ý nghĩa khoa học - Đã bổ sung kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số nhiệt độ, tải trọng thời gian đến tính tổ chức tế vi thép chịu nhiệt chứa hàm lượng Cr thấp (1÷2 %) - Đã khẳng định hình thành hạt cacbit xuất lỗ rỗng biên giới hạt, dẫn đến suy giảm độ bền thép P11 P22 nung nhiệt độ 500÷700 oC tác động tải trọng không đổi - Đã bổ sung, làm rõ thêm chế phá hỏng rão ống thép dẫn mác P11 P22 nhà máy nhiệt điện 2) Ý nghĩa thực tiễn - Kết khẳng định chảy rão xảy sớm thép P11 P22 ống thép làm việc điều kiện nhiệt độ cao 500 o C tải trọng lớn Thông qua kiểm tra trường thay đổi tổ chức tế vi ống thép (phương pháp replica), dự báo hư hỏng để có phương án sửa chữa chủ động thay phận ống dẫn có nguy bị hỏng - Trong thực tế, cần vận hành nhà máy điện với nhiệt độ áp suất cao để nâng cao hiệu kinh tế - kỹ thuật Do đó, kết nghiên cứu luận án nguồn thông tin tham khảo nhà máy nhiệt điện việc xác định điều kiện làm việc (nhiệt độ áp suất) tối ưu thép ống P11 P22 Tính luận án - Những thay đổi tính tổ chức tế vi thép hợp kim thấp mác P11 P22 nghiên cứu tương đối chi tiết điều kiện nhiệt độ, tải trọng thời gian khác - Luận án quan sát thay đổi pha cacbit hình thành lỗ rỗng thép P22 chịu tải trọng không đổi nhiệt độ cao thời gian dài Đây dấu hiệu ban đầu dẫn đến suy giảm mạnh tính thép Bố cục luận án - Mở đầu - Chương Tổng quan nghiên cứu - Chương Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Chương Kết thảo luận - Kết luận chung - Danh mục cơng trình cơng bố luận án - Tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện, nước hóa nhiệt đốt nhiên liệu hóa thạch than, khí… Hơi nước dẫn qua hệ thống đường ống vào tuabin để tạo điện Hầu hết phận lò hơi, tuabin, hệ thống đường ống dẫn nhà máy nhiệt điện thường làm việc môi trường nhiệt độ áp suất cao Nhiệt độ áp suất làm việc bên hệ thống ống dẫn lên tới 580 o C với áp suất khoảng MPa (bảng 1.1) Bảng 1.1 Môi chất làm việc nhiệt độ làm việc đường ống dẫn Cấp ống dẫn Thông số giới hạn môi chất Môi chất làm việc A - Hơi nhiệt B - Hơi nhiệt C - Hơi nhiệt D - Hơi nhiệt E - Nước nóng bão hịa A - Hơi q nhiệt B - Hơi nhiệt C - Nước nóng bão hòa A - Hơi nhiệt B - Hơi nhiệt C - Nước nóng bão hòa A - Hơi nhiệt bão hịa B - Nước nóng Nhiệt độ, oC Lớn 580 Trên 540 đến 580 Trên 450 đến 540 Đến 450 Lớn 115 Trên 350 đến 450 Đến 350 Lớn 115 Trên 250 đến 350 Trên 250 Lớn 115 Trên 115 đến 250 Lớn 115 Áp suất, MPa Không giới hạn Không giới hạn Không giới hạn Lớn 3,9 Lớn 8,0 Đến 3,9 Từ 2,2 đến 3,9 Từ 3,9 đến 8,0 Đến 2,2 Từ 1,6 đến 2,2 Từ 1,6 đến 3,9 Trên 0,07 đến 1,6 Đến 1,6 1.2 Dạng hư hỏng ống dẫn nhà máy nhiệt điện Trong trình vận hành nhà máy, hư hỏng hệ thống ống dẫn vấn đề nghiêm trọng xảy nhà máy nhiệt điện (hình 1.1) Trong đó, cố có mức độ ảnh hưởng (các vết nứt nhỏ) thường xảy Bên cạnh đó, cố có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng (vết nứt lớn) xuất hiện, nhiên, dạng cố thường tần suất - Vết nứt nhỏ: xuất bên bên thành ống hệ thống ống dẫn Sự cố dấu hiệu cho biết phá hủy đường ống xảy - Ăn mòn cục bào mòn thành ống: xảy tốc độ ăn mòn thành ống vượt giá trị cho phép điều kiện làm việc thực tế - Rò rỉ mức: tạo thành điểm phun nước dẫn đến thiệt hại khu vực lân cận Sự cố ảnh hưởng đến trình vận hành an tồn lao động nhà máy - Phá hủy nghiêm trọng (vỡ ống): xảy đột ngột nên gây hậu nghiêm trọng khắc phục cố gặp nhiều khó khăn Hình 1.1 Ống thép P22 hư hỏng nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả Vì vậy, dự đốn kiểm tra thường xuyên đường ống dẫn phương án ưu tiên quan trọng để có biện pháp sửa, khắc phục thay thế, đảm bảo q trình vận hành an tồn hạn chế tổn thất kinh tế cho nhà máy 1.3 Ảnh hưởng điều kiện làm việc đến ống dẫn Thép làm việc điều kiện nhiệt độ cao với áp suất lớn, tính thép giảm dẫn đến giảm khả chống phá hủy rão thép Bên cạnh đó, làm việc nhiệt độ 600 ºC, lớp vảy ơxyt hình thành thành ống với tốc độ nhanh Kéo dài thời gian làm việc đảm bảo không xảy cố cần thiết Do đó, cần phải thường xuyên kiểm tra định kỳ ống thép theo thời gian để kịp thời thay thế, bảo dưỡng sữa chữa kịp thời nhằm hạn chế phá hủy ống dẫn nhà máy nhiệt điện 1.4 Các loại thép sử dụng nhà máy nhiệt điện Thép sử dụng cho lĩnh vực chịu nhiệt độ áp suất cao cần có tính ổn định chịu ăn mòn nước xếp vào nhóm thép hợp kim bền nhiệt Để đáp ứng yêu cầu sử dụng, thép ống thường hợp kim hóa số nguyên tố hợp kim gồm có Cr, Mo, Ni,… Trong nguyên tố có vai trị Cr để tăng tính chống ơxy hóa, Ni đạt giá trị tối ưu độ bền độ dẻo, Mo tăng tính nhiệt độ cao Thép hợp kim thấp sử dụng phổ biến chế tạo đường ống dẫn nhà máy nhiệt điện, đặc biệt đường ống với thành ống dày Phổ biến mác thép có ký hiệu P11 (CrMo) P22 (2CrMo) theo tiêu chuẩn ASTM Để tăng tuổi thọ làm việc đường ống, nhà sản xuất phải nghiên cứu phát triển nhiều mác thép cách sử dụng nguyên tố hợp kim V, W, Nb, Ti,… nhằm mục đích tăng tính giữ ổn định ống thép nhiệt độ cao Thép ống P11 P22 sử dụng rộng rãi ứng dụng liên quan đến chống rão, đặc biệt ngành hóa dầu lượng, bình áp lực, đường ống dẫn phận kết cấu Mác thép có khả chống ăn mịn rão tốt, có độ dẻo dai cao, tính hàn tốt giá thành thấp mác thép hợp kim cao Loại thép cịn có tính giãn nở nhiệt thấp tính dẫn nhiệt cao Do đó, thép phù hợp để sử dụng điều kiện nhiệt độ cao áp suất lớn sử dụng nhà máy nhiệt điện Việt Nam 1.5 Nghiên cứu hư hỏng thép ống dẫn Thép P11 P22 sử dụng làm đường ống dẫn hơi, ống nhiệt, ống hoàn nhiệt với nhiệt độ cao lên đến khoảng 600 ºC Tùy thuộc vào quy trình chế tạo, thép P22 hình thành tổ chức tế vi ferit-bainit ferit-peclit; đó, tổ chức tế vi thép ferit-bainit đánh giá ổn định ferit-peclit Sau thời gian dài làm việc nhiệt độ cao, thép ống xuất số hư hỏng Một số nghiên cứu thực với mác thép ống P11 P22 để đánh giá khả làm việc mẫu thép điều kiện làm việc nhiệt độ cao áp suất cao Các nghiên cứu tập trung đánh giá tính, tổ chức tế vi, phân bố pha cacbit hình thành vết nứt tế vi với phương pháp tiếp cận khác Trong đó, nghiên cứu thay đổi đặc tính mác thép (tổ chức tế vi, tính,…) điều kiện làm việc khoảng thời gian định thép cách tiếp cận tốt Cũng có nghiên cứu đánh giá phân tích vai trị cacbit, nhiên, kết vai trò cacbit thép chưa làm sáng tỏ Ở Việt Nam, có nghiên cứu vấn đề hư hỏng xảy thép ống hợp kim cao P91 Kết cho thấy nhiệt độ thời gian nung làm thay đổi tổ chức tế vi thép P91; nhiệt độ nung cao và/hoặc thời gian nung dài thay đổi tổ chức tế vi suy giảm tính xảy mạnh Nhưng chưa có nghiên cứu thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp loại ống sử dụng với số lượng lớn nhà máy nhiệt điện nước Do đó, cần phải có nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện làm việc đến biến đổi tính chất thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp khoảng thời gian làm việc ban đầu 1.6 Tính bền nhiệt hợp kim, tượng rão chế phá hủy rão Với thép làm đường ống dẫn nhà máy nhiệt điện, bên cạnh khả chống ôxy hóa làm việc nhiệt độ cao cần thiết phải có tính bền nóng tiêu quan trọng, định khả chịu áp lực tuổi thọ đường ống Khi làm việc nhiệt độ cao, tác dụng tải trọng không đổi thấp giới hạn chảy thời gian dài, vật liệu kim loại bị biến dạng dẻo cách chậm chạp, gọi rão Đó nối tiếp cách liên tục hai trình đối lập biến dạng dẻo (hóa bền) kết tinh lại (thải bền) Hiện tượng rão trở nên đặc biệt nguy hiểm vật liệu kim loại làm việc nhiệt độ cao (cao nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại), đó, chúng bị biến dạng dẻo dẫn tới phá hủy sau thời gian Khi vật liệu chịu nhiệt độ lớn 0,3×Tm (với Tm nhiệt độ nóng chảy vật liệu), vài chế phá hủy kích hoạt Với chế phá hủy rão xuyên biên, lỗ rỗng tế vi có dạng khác so với phá hủy dẻo nhiệt độ thấp Khi vật liệu theo chế chảy rão, ứng suất có giá trị thấp trước Q trình tạo mầm lỗ rỗng bị hạn chế biến dạng tốc độ biến dạng chảy rão độc lập Do đó, lỗ rỗng bị hạn chế phát triển Cuối chế tạo mầm phát triển lỗ rỗng bên hạt biên giới Các lỗ rỗng hạt có liên kết với dẫn đến phá hủy vật liệu CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu thí nghiệm Ống thép P11 P22 sử dụng nghiên cứu sản xuất theo cơng nghệ cán ống nóng khơng hàn (Seamless pipe), ủ nhiệt độ 700-800 oC làm nguội ngồi khơng khí Đây loại chưa qua sử dụng, dùng để chế tạo phận ống dẫn nhà máy nhiệt điện Việt Nam.Hai loại ống thép có kích thước sau: - Đường kính trong: 30 mm; - Đường kính ngồi: 40 mm; - Chiều dày thành ống: mm Hình 2.1 Mẫu ống thép sử dụng cho nghiên cứu Thành phần hóa học mẫu thép ống phân tích máy quang phổ phát xạ cho bảng 2.1 Kết cho thấy thành phần hóa học thép phù hợp tiêu chuẩn quy định mác thép P11 P22 Bảng 2.1 Thành phần hóa học mẫu thép P11 P22 (% k.l) C Si 0,109 0,364 0,090 0,230 Cr Mn Mo Mẫu thép P11 1,065 0,438 0,487 Mẫu thép P22 2,270 0,470 0,890 P S 0,013 0,010 0,005 0,015 Bảng 2.4 Điều kiện thí nghiệm thép P22 Không chịu tải trọng Chịu tải trọng không đổi nhiệt độ cao Nhiệt độ (oC) 500 600 700 300 400 500 600 Tải trọng (N) 95 95 700 125 Thời gian (giờ) 24 48 72 72 24 48 48 72 Mẫu thử kéo treo nung lị điện trở kiểu ống đứng (Nabertherm), hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm nung mẫu P22 chịu tải trọng khơng đổi 2.3 Phương pháp phân tích kiểm tra Thành phần hóa học mẫu ống thép P11 P22 phân tích thiết bị quang phổ phát xạ (Metal LAB 75/80J MVU-GNR) Kiểm tra tổ chức tế vi thực kính hiển vi quang học (Axioplan 2) Cơ tính xác định thông qua phương pháp thử kéo thiết bị thử độ bền kéo (INTRON) Ngoài ra, phân bố cacbit mẫu thép quan sát thiết bị SEM (JEOL JSM-7600F) kết hợp vi phân tích thành phần phổ nguyên tố (EDS) 11 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng thời gian tải trọng đến tính tổ chức tế vi thép P11 nhiệt độ phịng 3.1.1 Cơ tính thép P11 chịu tải trọng Kết thay đổi tính thép P11 theo thời gian chịu tải trọng nhiệt độ phịng cho hình 3.1 Có thể thấy rằng, tính thép thay đổi tăng tải trọng tác động lên thép kéo dài thời gian thép chịu tải trọng không đổi Khi tăng thời gian giữ tải trọng, ban đầu giới hạn bền giới hạn chảy thép tăng lên, độ giãn dài gần không thay đổi (a) (b) Hình 3.1 Ảnh hưởng thời gian đến tính thép P11 chịu tải trọng khơng đổi (a) 95 N (b) 125 N nhiệt độ phòng Hình 3.2 mơ tả thay đổi tính mẫu thép chịu ứng suất khác thời gian 2160 nhiệt độ phòng Như vậy, hóa bền biến dạng tăng lên mức độ biến dạng tăng (do tải trọng tác dụng vào mẫu tăng), thể rõ mẫu chịu tải trọng khác khoảng thời gian đủ dài để bộc lộ hết hiệu ứng hóa bền vai trị trượt lệch Hình 3.2 Cơ tính thép P11 thay đổi theo tải trọng 12 Quá trình tăng lên giới hạn bền giới hạn chảy giải thích theo chế hóa bền biến cứng tải trọng tác dụng lên mẫu; trạng thái ban đầu, ứng suất tạo nội thép tác dụng cải thiện tính Thơng thường, q trình hồi phục xảy chậm nhiệt độ phòng nhanh nhiệt độ làm việc Đối với nghiên cứu này, giảm độ bền rão mẫu xảy chậm nhiệt độ phòng thời gian lên đến 2160 giờ; cho thấy giảm độ bền rão nhiệt độ phòng thời gian chịu tải trọng định 3.1.2 Tổ chức tế vi thép P11 chịu tải trọng Ảnh chụp hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi thép P11 chịu tải trọng bao gồm ferit (vùng trắng), chiếm khoảng 87 % peclit (vùng đen), khoảng 13 % hình 3.3 3.4 Rõ ràng, khơng có xuất pha thay đổi ứng suất thời gian Hình 3.3 Tổ chức tế vi thép P11 (a) Ban đầu chịu tải trọng không đổi (b) 60 N; (c) 95 N; (d) 125 N thời gian 2160 Hình 3.4 Tổ chức tế vi thép P11 chịu tải trọng khác thời gian 4320 giờ: (a) 95 N; (b) 125 N 13 Hình 3.5 ảnh chụp SEM mẫu thép P11 sau chịu tải trọng 95 N nhiệt độ phòng 4320 Kết cho thấy tổ chức peclit gồm có xementit (màu sáng) ferit (màu tối) Vi phân tích thành phần kỹ thuật EDS cho thấy hạt xementit cacbit phức dạng (Cr,Fe)C với C Cr cao so với thành phần trung bình mác thép Sự tồn dạng hạt peclit giúp thép giữ tính nhiệt độ cao thời gian dài Hình 3.5 Ảnh SEM-EDS thép P11 chịu tải trọng khơng đổi 95 N 4320 Có thể thấy rằng, q trình suy giảm tính xảy sau tổ chức tế vi vật liệu thay đổi không rõ ràng 3.2 Ảnh hưởng thời gian đến tổ chức tế vi tính thép P11 tiếp xúc với nước 300 oC áp suất 0,2 MPa 3.2.1 Tổ chức tế vi thép P11 tiếp xúc với nước Hình 3.6 ảnh tổ chức tế vi mẫu thép P11 tăng thời gian tiếp xúc với nước có nhiệt độ 300 oC áp suất 0,2 MPa Tổ chức tế vi xác định tương tự mẫu thép P11 ban đầu Như vậy, sau thời gian 2880 giờ, chưa có chuyển biến pha mẫu thép P11 tiếp xúc với nước 14 Hình 3.6 Tổ chức tế vi thép P11 ban đầu (a) tiếp xúc với nước (b) 720; (c) 1440 (d) 2880 3.2.2 Cơ tính thép P11 tiếp xúc với nước Ảnh tổ chức tế vi cho thấy khơng có chuyển biến pha thép P11 tiếp xúc với nước 300 oC áp suất 0,2 MPa thời gian dài Tuy nhiên, kết thử tính cho thấy giới hạn bền giới hạn chảy có thay đổi theo thời gian hình 3.7 Khi tăng thời gian tiếp xúc với nước dẫn đến tính thép P11 giảm xuống Do vậy, tổ chức tế vi kết luận không ảnh hưởng rõ rệt đến tính mẫu thép P11 thí nghiệm Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian đến tính thép P11 tiếp xúc với nước (300 oC - 0,2 MPa) Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép P11 cho thấy tăng thời gian giữ nhiệt, kích thước hạt tăng lên tương ứng Kích thước hạt có tăng từ 16 µm (mẫu ban đầu) lên đến 23 µm sau khoảng thời gian 2880 Như vậy, phụ thuộc kích thước hạt vào thời gian giữ nhiệt đáng kể Điều chuyển dịch biên giới hạt tăng lên, đồng thời, hạt sáp nhập với sau thời gian giữ nhiệt Kết cho thấy thép P11 điều kiện tiếp xúc với nước nhiệt độ cao dẫn đến suy giảm tính thép 15 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến tính tổ chức tế vi thép P22 không chịu tải trọng 3.3.1 Cơ tính thép P22 khơng chịu tải trọng Ảnh hưởng thời gian đến tính thép P22 nung nhiệt độ 500, 600 700 oC cho hình 3.8 Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian đến tính thép P22 không chịu tải trọng 500, 600 700 oC Xu hướng giảm tính thép P22 tăng thời gian giữ nhiệt rõ rệt nhiệt độ nung khác So với mẫu ban đầu, giới hạn bền giới hạn chảy mẫu sau nung có xu hướng giảm, độ giãn dài có xu hướng tăng lên khơng nhiều Qua thí nghiệm này, nhận thấy nhiệt độ làm việc tăng dẫn đến giảm tính thép ống P22 nhà máy nhiệt điện 3.3.2 Tổ chức tế vi thép P22 không chịu tải trọng Tổ chức tế vi ban đầu thép P22 sau nung nhiệt độ 500 oC với khoảng thời gian giữ nhiệt 24, 48 72 xác định gồm có peclit ferit hình 3.9 Tỷ phần peclit mẫu thép P22 ban đầu xác định khoảng 19,3 %; lại ferit Kết cho thấy, tăng nhiệt độ thời gian giữ nhiệt, tổ chức tế vi không thay đổi so với mẫu thép P22 ban đầu; nhiên, kích thước hạt có thay đổi nung 700 oC 72 16 Hình 3.9 Tổ chức tế vi thép P22 ban đầu (a) nung nhiệt độ 500 oC (b) 24 giờ; (c) 48 (d) 72 Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tổ chức tế vi thép P22 nung 72 nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC (c) 700 oC Hình 3.10 ảnh tổ chức tế vi mẫu thép P22 sau nung nhiệt độ 500, 600 700 oC 72 Ở điều kiện thí nghiệm này, tổ chức tế vi kết luận khơng có chuyển biến rõ rệt; tổ chức tế vi giống mẫu thép P22 ban đầu Kích thước hạt thép P22 tăng lên theo nhiệt độ mẫu không chịu tải trọng Cụ thể, nhiệt độ tăng từ 500 đến 700 oC kích thước hạt xác định tăng từ 18 lên 27 µm Điều giải thích nhiệt độ tăng lên, có kết tinh lại xảy dịch chuyển biên giới hạt sáp nhập hạt nhỏ thành hạt lớn 3.3.2 Tổ chức tế vi thép P22 khơng chịu tải trọng Vi phân tích nguyên tố EDS vị trí biên hạt mẫu thép P22 ban đầu hình 3.11, thành phần nguyên tố hợp kim vùng chủ yếu Si Cr Ngồi ra, phân tích EDS mẫu thép P22 ban đầu cho thấy nguyên tố Cr Si có tồn biên giới hạt 17 Hình 3.11 Kết phân tích EDS thép P22 ban đầu Hình 3.12 kết phân tích EDS mẫu thép P22 nung nhiệt độ khác 24 Ở nhiệt độ 500 600oC, thành phần hóa học thép P22 gần không thay đổi Khi tăng nhiệt độ đến 700 oC, phát thấy có thay đổi; thép P22 khơng cịn xuất ngun tố Si Chính giảm Si khuếch tán cho nguyên nhân làm giảm khả làm việc thép ống Hình 3.12 Kết phân tích EDS thép P22 nung 24 nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC (c) 700 oC 18 Hình 3.13 kết phân tích EDS mẫu thép P22 nung nhiệt độ 700 oC thời gian 24, 48 72 Rõ ràng, nguyên tố Cr tồn pha thép P22; đó, ngun tố Si gần khơng xuất kết phân tích nhiệt độ tăng lên với thời gian nung dài Tại vị trí biên giới hạt, khơng có xuất ngun tố Si cho hòa tan vào ferit dẫn đến tăng bền giảm độ dẻo Tuy nhiên, kết thử tính cho thấy giới hạn bền giảm tăng nhiệt độ giới hạn chảy khơng thay đổi Điều chứng tỏ vai trò ảnh hưởng Si đến tính thép P22 khơng nhiều điều kiện nghiên cứu Hình 3.13 Kết phân tích EDS thép P22 nung nhiệt độ 700 oC (a) 24 giờ; (b) 48 (c) 72 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến tính tổ chức tế vi thép P22 tác động tải trọng không đổi 3.4.1 Cơ tính thép P22 nhân tố ảnh hưởng Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính thép P22 chịu tải trọng không đổi 72 cho hình 3.14 Cơ tính tăng lên 19 cho xảy hiệu ứng hóa bền tích lũy nội Kết tương tự tăng thời gian chịu tải trọng mẫu thép P11 chịu tải trọng nhiệt độ phịng; tính thép tăng lên đến giá trị lớn nhất, sau giảm xuống Giới hạn chảy giảm rõ rệt, điều chứng tỏ nhiệt độ tăng thép chịu tải trọng dẫn đến thép có khả chuyển sang trạng thái bị chảy rão sớm Hình 3.14 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến tính thép P22 chịu tải trọng Hình 3.15 so sánh tính thép P22 điều kiện khơng có tải trọng khơng đổi 95 N nhiệt độ 500, 600 700 oC thời gian 72 Dưới tác động tải trọng nhiệt độ cao, giới hạn bền giới hạn chảy thép P22 giảm xuống Có thể kết luận rằng, thép P22 chịu tác động tải trọng khả làm việc thép giảm; chảy rão xuất sớm Hình 3.15 So sánh tính thép P22 nhiệt độ cao Thực tế cho thấy rằng, điều kiện làm việc thép ống nhiệt độ áp suất cao gây biến dạng dẻo Mức độ giảm độ bền chủ yếu ảnh hưởng tải trọng 20 3.4.2 Tổ chức tế vi thép P22 tác động nhiệt độ tải trọng khơng đổi Hình 3.16 ảnh chức tế vi mẫu thép P22 tải trọng không đổi 95 N nhiệt độ 500, 600 700 oC Nghiên cứu cho thấy rằng, thép P22 giữ trạng thái ổn định thời gian ngắn (72 giờ) chịu tải trọng 95 N nhiệt độ 500-700 oC Mặc dù khơng có thay đổi rõ rệt tổ chức tế vi, tính thay đổi Vì vậy, khẳng định thay đổi tính thép P22 khơng phải thay đổi tổ chức tế vi định Hình 3.16 Tổ chức tế vi thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N 3.4.3 Vai trò cacbit thép P22 Hình 3.17 Phân bố cacbit thép P22 chịu tải trọng không đổi 95 N nhiệt độ (a) 500 oC; (b) 600 oC; (c) 700 oC Hình 3.17 cho thấy rằng, có thay đổi kích thước phân bố lại hạt cacbit tăng nhiệt độ Ở nhiệt độ 700 oC, lượng hạt cacbit xuất hạt tập trung biên hạt, hạt cacbit ưu tiên 21 tập trung biên giới hạt ngã ba biên giới (hình 3.17c) Bên cạnh đó, số nghiên cứu khác rằng, vị trí cacbit tập trung biên giới hạt có cacbit tượng ăn mịn tinh giới xảy Khi đó, vị trí ăn mịn thép ống chịu áp lực lớn xuất vết nứt tế vi Lỗ rỗng ăn mòn khẳng định tồn vị trí gần hạt cacbit Có thể kết luận rằng, kéo dài thời gian nung dẫn đến thay đổi rõ rệt phân bố kích thước hạt cacbit Khi đó, hạt cacbit có thời gian khuếch tán, hòa tan phân bố lại nên làm giảm tính thép 3.4.4 Cơ chế phá hủy rão hình thành lỗ rỗng thép P22 chịu tải trọng không đổi nhiệt độ cao Lỗ rỗng với kích thước khoảng µm xuất thép P22 chịu tải trọng không đổi 125 N khoảng thời gian 72 (hình 3.18b) Các lỗ rỗng tập trung biên giới bên hạt, ngã ba biên hạt gần hạt cacbit Trong đó, lỗ rỗng hình thành vị trí gần hạt cacbit có tập trung ứng suất lớn Có thể cho tác động tải trọng lớn, lỗ rỗng hình thành để tích/thốt ứng suất dư hóa bền Sau hình thành, lỗ rỗng phát triển dẫn đến phá hủy đường ống Đó phần nguyên nhân dẫn đến hư hỏng ống dẫn tăng nhiệt độ áp suất Hình 3.18 Sự hình thành lỗ rỗng thép P22 nung 700 oC 72 tải trọng không đổi (a) 95 N (b) 125 N Với hình thành lỗ rỗng, thép khẳng định trạng thái chảy rão cuối giai đoạn 700 oC tải trọng không đổi 125 N Giai đoạn kết thúc điểm bắt đầu ổn định dẻo (xuất co thắt), dẫn đến rão chuyển sang giai đoạn Trong giai đoạn cuối này, tốc độ biến dạng gia tăng nhanh mẫu bị phá hủy 22 KẾT LUẬN CHUNG Luận án tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng thông số nhiệt độ, thời gian tải trọng đến tính tổ chức tế vi thép ống dẫn mác P11 P22 Từ kết thu được, đưa kết luận sau 1) Cơ tính mẫu thép P11 thay đổi chịu tác động tải trọng khơng đổi nhiệt độ phịng với hai giai đoạn điển hình: ban đầu tăng tính thải bền Thời gian tải trọng tăng lên, tính thép P11 giảm xuống Cụ thể là, tăng tải trọng từ 60 lên 125 N Rm/Rp thép tăng lên tương ứng từ 488/378 MPa lên 605/402 MPa với thời gian chịu tải trọng 2160 Độ bền thép P11 đạt giá trị lớn sau thời gian 2160 giờ, sau giảm xuống thời gian tăng lên 4320 2) Trong điều kiện chịu tác động nước nhiệt độ 300 oC áp suất 0,2 MPa, độ bền thép P11 giảm xuống tăng thời gian tiếp xúc với nước: Rm giảm từ 482 xuống 474 MPa, Rp giảm từ 376 xuống 369 MPa Trong đó, độ giãn dài thép gần không thay đổi Tổ chức tế vi tất mẫu thép điều kiện nghiên cứu khơng có thay đổi rõ rệt 3) Cơ tính mẫu thép P22 thay đổi chịu tác động nhiệt độ, tải trọng thời gian Tăng thời gian chịu tải trọng nhiệt độ cho thấy Rm Rp mẫu thép giảm, đồng thời thúc đẩy trình rão xảy sớm - Rm Rp thép P22 tăng lên nhiệt độ nung 300 oC (Rm ban đầu 459 MPa tăng lên 507 MPa) Ở nhiệt độ cao 300 o C, Rm thép bắt đầu giảm xuống Nguyên nhân cho giai đoạn thải bền xảy - Ở nhiệt độ 700 oC tải trọng 95 N, tăng thời gian nung từ 24 lên 72 làm Rp giảm từ 233 xuống 200 MPa Điều cho thấy xu hướng tăng thời gian chịu tải trọng nhiệt độ cao làm cho thép ống P22 bị phá hủy sớm 4) Tổ chức tế vi thép P22 gồm có peclit phân bố ferit Khi nhiệt độ thay đổi từ 500 đến 700 oC khoảng thời gian từ 24 đến 72 khơng có tải trọng, tổ chức tế vi thép khơng có thay đổi rõ rệt Tuy nhiên, quan sát thấy phân bố lại hạt cacbit thép P22 sau thời gian đồng thời chịu tải trọng nhiệt độ cao Sự thay đổi cacbit có ảnh hưởng rõ 23 rệt đến tính thép Tăng nhiệt độ thời gian, số lượng cacbit có xu hướng tăng lên phân bố tập trung biên giới hạt ngã ba biên giới hạt Kết độ bền thép giảm xuống 5) Đã quan sát thấy hình thành phát triển lỗ rỗng mẫu thép P22 nung nhiệt độ 700 oC 72 tác động tải trọng 125 N Lỗ rỗng hình thành nhiều vị trí hạt biên giới hạt Lỗ rỗng xuất vị trí hạt cacbit tạo tập trung ứng suất đây, gây nứt dẫn đến phá hủy thép sau thời gian làm việc 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1) Thu Hien Nguyen, Van Hoa Nghiem, Cao Son Nguyen, Thi To Hang Phung, Anh Hoa Bui: Influence of working condition on properties of superheater steel pipe (ASTM grade P11); The 1st International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (ISBN 978-604-950502-7), pp 70-76 (May 2018) 2) Nguyen Thu Hien, Bui Anh Thanh, Nguyen Van Tan, Phung Thi To Hang, Bui Anh Hoa: Effect of temperature on microstructure and mechanical properties of superheater steel pipe in thermal power plant; Journal of Science and Technology (Technical universities), No 127B, pp 67-71 (5/2018) 3) Anh-Hoa Bui, Thu-Hien Nguyen, Van-Hung Kieu, XuanHiep Dinh, Cao-Son Nguyen, Thi-To-Hang Phung: Change in the strength of steel grade 11 loaded at room temperature; Materials Science Forum Vol 985: Physical Properties and Application of Advanced Materials (SCOPUS), pp.185-192 (4/2020) 4) Nguyễn Thu Hiền, Nguyễn Cao Sơn, Phùng Thị Tố Hằng, Bùi Anh Hòa: Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính thép P22 chịu ứng suất kéo khơng đổi; Tạp chí Khoa học - Công nghệ Kim loại, số 93, trang 2-6 (12/2020) ... dẫn đến suy giảm tính thép 15 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến tính tổ chức tế vi thép P22 khơng chịu tải trọng 3.3.1 Cơ tính thép P22 không chịu tải trọng Ảnh hưởng thời gian đến tính thép. .. luận án nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng thông số nhiệt độ, tải trọng thời gian đến tổ chức tế vi tính thép ống chịu nhiệt hợp kim thấp (mác P11 P22) sử dụng nhà máy nhiệt điện Vi? ??t Nam Mục tiêu cụ thể... kết hợp vi phân tích thành phần phổ nguyên tố (EDS) 11 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng thời gian tải trọng đến tính tổ chức tế vi thép P11 nhiệt độ phịng 3.1.1 Cơ tính thép P11 chịu tải