CHƯƠNG 4- SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
4.2. Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt
Hình 4.2. Mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt Trong đó: rCu – Bán kính trầm tích đồng, h1– Phần kim loại bị hỏng khi hình thành vết rỗ (phần này được lấp đầy bởi oxit của thành phần thép), h2 – Phần hư hỏng được hình thành bởi cơ chế nứt do ăn mòn bởi Clo và oxy, 𝑇 = ℎ1+ ℎ2 là độ dày của thành ống trao đổi nhiệt.
Hình 4.3. Thành của ống trao đổi nhiệt T [5]
38
Để hình dung rõ hơn về vết nứt do trầm tích đồng ta có thể quan sát hình 4.4 và hình 4.5.
Hình 4.4. Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic [6]
Hình 4.5. Vết nứt trong thép không gỉ do trầm tích đồng [6]
Thể tích của oxit của các thành phần trong hợp kim luôn lớn hơn thể tích của kim loại mà từ đó oxit được hình thành. Điều này là nguyên nhân làm cho hợp kim phải chịu thêm một ứng suất cơ học cục bộ phụ. Thêm vào đó, ứng suất tổng cộng thúc đẩy các biến dạng vi mô, hay thúc đẩy sự hình thành và sự trượt của các biến vị. Tùy thuộc vào giá trị năng lượng của khuyết tật của hợp kim mà các biến vị hình thành:
• Hoặc các cụm phẳng (các dãy đồng diện) trong giới hạn của một hay một vài nút mạng của cấu trúc tinh thể. Sự hình thành này được gọi là cơ chế chuyển
39
tiếp biến dạng dẻo từ nút mạng này sang nút mạng kia (cơ chế này thường xảy ra đối với thép austenitic).
• Hoặc các cụm phẳng nằm gần nhau theo cả 2 phía của nút mạng (sự hình thành này thường xảy ra đối với thép cacbon).
Đối với việc hình thành trầm tích đồng, tồn tại 4 nhận định sau. Đầu tiên, hiệu điện thế của cặp “đồng / thép” lớn hơn nhiều so với hiệu điện thế trong các trường hợp hình thành vết rỗ khác và do đó các trường hợp này không được quan sát. Thứ hai, trong quá trình phát triển vết rỗ, mật độ dòng điện ở anod và catot là bằng nhau khi thời gian không đổi. Thứ ba, vận tốc chuyển đồng từ trạng thái dung dịch sang dạng trầm tích trên bề mặt của ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với nồng độ của hợp chất đồng chứa ammoniac trong nước của vòng thứ cấp. Thứ tư, hình dạng của đồng trong trầm tích được xem là không đổi (một cách tương đối).
Dòng điện của cặp “đồng / thép” phụ thuộc vào diện tích bề mặt của phần trầm tích đồng tích tụ cục bộ. Diện tích bề mặt ở đoạn catốt của phần này tỉ lệ với khối lượng của nó lũy thừa 2/3. Điều này có thể được giải thích một cách đơn giản như sau. Vì giả thiết rằng hình dạng trầm tích đồng là không đổi và có dạng như hình 1 nên kích thước của nó (bán kính của trầm tích đồng) tỉ lệ với căn bậc ba của khối lượng. Diện tích bề mặt của trầm tích đồng trên ống trao đổi nhiệt tỉ lệ với bình phương bán kính này. Cụ thể chính là phần diện tích bề mặt tham gia vào phản ứng khử cực hydro ở catốt và chính từ giá trị của phần diện tích này có thể tìm được dòng điện ở catốt. Từ đó, vận tốc tan ở anốt (vận tốc phát triển độ sâu của vết rỗ) tỉ lệ với khối lượng đồng có trong trầm tích theo lũy thừa 2/3.
Sự tăng khối lượng của phần đồng tích tụ cục bộ tỉ lệ với tốc độ chuyển đồng sang trạng thái trầm tích.
Có thể biến đổi hình 4.2 sang biểu đồ tính toán để dự báo thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt trong trường hợp có vết rỗ hình thành trên chúng theo các hình 4.6 và hình 4.7.
40
Hình 4.6. Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành
Trong đó: 𝜏1 – Thời gian hoạt động trước khi phát hiện đồng trong trầm tích, 𝜏𝐻 – Thời gian hoạt động đến ngày được dự báo, 𝜏𝑜𝑐𝑚 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống, МCu (𝜏1) – Khối lượng đồng trong trầm tích ở thời gian 𝜏1 (trầm tích ghi nhận lúc ban đầu của ống trao đổi nhiệt), МCu (𝜏𝐻) – Khối lượng đồng trong trầm tích ở thời gian 𝜏𝐻 (trầm tích ghi nhận đến ngày được dự báo), 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 – Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích.
Hình 4.7. Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian
Trong đó: h1 – Độ sâu của vết nứt, h1(𝜏1) – Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 𝜏1, h1(𝜏𝐻) – Độ sâu của vết nứt trong thời gian hoạt động 𝜏𝐻 (đến ngày được dự báo), ℎ1+ ℎ2 = T – Bề dày của thành ống trao đổi nhiệt, 𝜏𝑜𝑐𝑚 – Thời
41
gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống.
Tốc độ trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích có thể được tính toán bằng các dữ liệu phân tích thành phần hóa học của các mẫu trầm tích, được lấy từ bề mặt của các ống trao đổi nhiệt:
𝑍𝐶𝑢 =𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻)−𝑀𝐶𝑢(𝜏1)
𝜏𝐻−𝜏1 (4.1)
Trong đó: 𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻)và 𝑀𝐶𝑢(𝜏1) lần lượt là khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 𝜏𝐻 và 𝜏1 tương ứng trong khoảng thời gian vận hành 𝜏1÷ 𝜏𝐻, 𝜏𝐻 và 𝜏1 tương ứng là thời gian hoạt động theo ngày tính toán và thời gian hoạt động vào ngày đầu tiên ghi lại được sự có mặt của đồng trong trầm tích.
Sự thiếu hụt tương đối độ dày của thành ống trao đổi nhiệt tại ngày tính toán 𝜏𝐻 được tính như sau (hình 4.6): ℎ1(𝜏𝐻)/(ℎ1+ ℎ2), trong đó ℎ1(𝜏𝐻) là độ sâu của vết nứt trong thời gian 𝜏𝐻: được đo bằng điều khiển dòng xoáy, hoặc bằng các phương pháp khác, ℎ1+ ℎ2 là độ dày của thành ống trao đổi nhiệt.
Tồn tại một giá trị giới hạn của khối lượng trầm tích đồng 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 trên ống trao đổi nhiệt, mà khi đạt đến giá trị này thì sự hình thành vết nứt xuyên qua thành ống được hình thành chỉ do sự lan rộng của vết rỗ trong khoảng thời gian vận hành xác định (không có sự tham gia của các quá trình tạo vết nứt bởi clorua và oxy, cũng như không tính tới độ mỏi của thiết bị). Giá trị 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 chỉ có thể nhận được sau khi tiến hành đo đạc và xử lý số liệu thực nghiệm.
Độ sâu tương đối của vết rỗ trên thành ống trao đổi nhiệt được tính theo công thức 4.2:
ℎ1(𝜏𝐻)
ℎ1+ℎ2 = 𝐾𝐶𝑢(𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻) − 𝑍𝐶𝑢
𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚𝜏𝑜𝑐𝑚)
2
3 (4.2) Trong đó: ℎ1(𝜏𝐻) – Độ sâu vết rỗ vào ngày được dự báo (mm), 𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻) – Khối lượng đồng đo được trong mẫu trầm tích lấy từ ống trao đổi nhiệt trong thời gian hoạt động 𝜏𝐻 (g), 𝑍𝐶𝑢 – Tốc độ trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (g/giờ), 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 – Giá trị tới hạn của khối lượng đồng trong trầm tích (g), 𝜏𝑜𝑐𝑚 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống (giờ), 𝐾𝐶𝑢 – Hệ số chuyển đổi, được tính theo công thức 4.3:
42 𝐾𝐶𝑢 =ℎ1(𝜏𝐻)/(ℎ1+ℎ2)
(𝑀𝐶𝑢(𝜏1) 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 )
2 3
(4.3)
Sử dụng công thức 4.1 đến công thức 4.3 ta có thể suy ra công thức 4.4 với sai số của phép đo như sau:
1 − 𝛿𝐶𝑢 = (ℎ1(𝜏𝐻)
ℎ1+ℎ2) ( 𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚
𝑀𝐶𝑢(𝜏1))
2
3(𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻)−
𝑀𝐶𝑢(𝜏𝐻)−𝑀𝐶𝑢(𝜏1) 𝜏𝐻−𝜏1 𝜏𝑜𝑐𝑚
𝑀𝐶𝑢𝑙𝑖𝑚 )
2 3
(4.4)
Trong đó: 𝛿𝐶𝑢 – Sai số của phép đo, 𝜏𝑜𝑐𝑚 – Thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt đến khi vết rỗ phát triển xuyên qua thành ống (giờ).