NGHIÊN cứu và ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN gây RA hư HỎNG của ỐNG SINH hơi TRONG NHÀ máy NHIỆT điện

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY RA HƯ HỎNG CỦA
ỐNG SINH HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
INVESTIGATION AND ESTIMATION OF THE CAUSES OF FAILURE FOR BOILER
TUBES IN THERMAL POWER PLANTS
Lê Thị Giang
Khoa Cơ Khí, Đại học Thủy Lợi, Hà Nội, Việt Nam

TÓM TẮT
Ống sinh hơi làm từ thép cacbon SA 210 C được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện.
Môi trường làm việc thường xuyên có nhiệt độ cao cho nên ống bắt đầu hư hỏng sau thời
gian sử dụng 3 năm . Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng như sự suy thoái tổ chức tế vi,
ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay quá nhiệt. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về tổ
chức tế vi ở trạng thái ủvà trạng thái làm việc, khảo sát và đánh giá một số dạng hư hỏng bằng
cách sử dụng các thiết bị hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét kết hợp với phân tích phổ
EDS; và đồng thời xác định được chiều dày định mức cho phép nhằm dự đoán nguy cơ hư
hỏng xảy ra đối với ống sinh hơi.
Từ khóa: ống sinh hơi, tổ chức tế vi, ăn mòn, ăn mòn xói mòn, chiều dày định mức.
ABSTRACT
The boiler tubes that are made of carbon steel SA 210C, used in thermal power plants
and operated at high temperatures for long time. In this study, the failure of boiler tubes
appear after 3 years-service. There are many causes of failure such as microstructural
degradation, corrosion, erosion-corrosion, or overheating. This paper introduces some results
of research about the microstructure in annealing and in working status, investigation and
estimation some failures by using light optical microscopy (LOM), scanning electron
microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy analysis (EDS). Concurrently,
predicting the risk of failure for the boiler tubes which was carried out through determining
the minimum admissible thickness.
Keywords: boiler tube, microstructure, corrosion, erosion-corrosion, admissible thickness.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ống sinh hơi là một bộ phận cấu tạo nên lò hơi, nơi mà bên trong đó xảy ra quá trình
nước được hóa hơi. Hỗn hợp hơi và các hạt lỏng bị hơi cuốn theo sẽ theo ống sinh hơi đi lên
và tập trung vào bao hơi để hơi được tách tối đa ra khỏi các hạt lỏng này. Hơi bão hòa thu
được sẽ đi vào bộ quá nhiệt để chuyển đổi thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào
ống góp để sang tuabin bộ phận biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tuabin kéo máy
phát để sản xuất ra điện năng.
Thép SA 210 C dùng để làm ống sinh hơi với nhiệt độ hơi trong ống khoảng 300 –
400 C [1], nhiệt độ của ống kim loại khoảng 350oC [2]. Đối với nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả,
điều kiện làm việc với nhiệt độ bên ngoài ống (phía trong buồng đốt) 900oC, nhiệt độ hơi bên
trong ống 540oC. Như vậy, dưới điều kiện làm việc nhiệt độ cao sau một thời gian hiện tượng
hư hỏng của ống sinh hơi làm từ thép cacbon thấp thường xảy ra nhanh hơn so với thời gian
thiết kế. Đã có nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy ống sinh hơi hư hỏng sớm do một số
nguyên nhân như mỏi nhiệt, ăn mòn, ăn mòn xói mòn…[1-6].
o

561


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong bài báo nàytrình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về các dạng hư
hỏng thường xảy ra đối với ống sinh hơi và kết quả nghiên cứu về tổ chức tế vi của thép ở
trạng thái cân bằng và trạng thái sau 3 năm sử dụng và phân tích thành phần kết tủa xuất hiện
ở bề mặt bên trong ống để làm rõ hơn về các nguyên nhân gây ra hư hỏng sớm. Đồng thời, bài
báo đã sử dụng công thức xác định chiều dày định mức theo TCVN 7704: 2007 để tính toán
chiều dày tối thiểu cho phép áp dụng trong trường hợp cụ thể đối với nhà máy Nhiệt điện
Cẩm Phả, Quảng Ninh từ đó đề ra phương án khắc phục. Ngoài ra, các nhà máy Nhiệt điện
khác có thể sử dụng công thức trên để tính toán chiều dày tối thiểu cho phép đối với ống sinh
hơi khi biết được áp lực bên trong ống và đường kính ngoài của ống, từ đó có thể dự đoán
nguy cơ hư hỏng của ống xảy ra nếu chiều dày của ống lúc kiểm tra nhỏ hơn chiều dày định
mức cho phép.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Chuẩn bị mẫu
Thép dùng làm ống sinh hơi được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là thép SA 210 C
có thành phần hóa học theo khối lượng như trong bảng 1 và có tính chất cơ học như trong
bảng 2 [7]. Mẫu thép được sử dụng làm thí nghiệm thuộc phần phía dưới của đường ống sinh
hơi trong nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh.
Kích thước của đường ống sinh hơi: Ø63,5 x 8 (mm).
Bảng 1: Thành phần hóa học của thép SA 210 C
Thành phần hóa học (theo khối lượng, %)

Vật liệu
SA 210 C

C

Mn

Si

P

S

≤ 0,35

0,29 ÷ 1,06

≥ 0,10

≤ 0,048

≤ 0,058

Bảng 2: Tính chất cơ học của thép SA 210 C ở nhiệt độ phòng
Vật liệu

Giới hạn bền
(MPa)

Giới hạn chảy
(MPa)

Độ dãn dài
(%)

SA 210 C

≥ 485

≥ 275

≥ 30

2.2. Thiết bị đo
Cấu trúc tế vi của mẫu thép được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học. Mục đích
dùng để quan sát được sự thay đổi của tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp và trạng thái làm
việc, đồng thời cho thấy hướng phát triển của vết nứt.
Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích phổ
(EDS) cho phân tích mẫu thép của ống sinh hơi đã bị hư hỏng để nghiên cứu:
- Tổ chức tế vi.

- Phân tích thành phần kết tủa xuất hiện ở bề mặt trong
Mẫu được mài bằng giấy ráp đến độ nhám 2000, sau đó được đánh bóng trong dung
dịch oxit crôm và sử dụng dung dịch tẩm thực cho thép SA 210 C theo tiêu chuẩn ASTM E
407 hỗn hợp (HNO 3 + C 2 H 5 OH) theo tỷ lệ 1:20.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Một số dạng hư hỏng của ống sinh hơi
Khảo sát tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh cho thấy một số dạng hư hỏng
thường xảy ra đối với ống sinh hơi (hình 1). Hình 1a, 1b là hình ảnh một phần ống được cắt ra
562


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
từ ống sinh hơi chưa sử dụng và sau 3 năm sử dụng, ta thấy đối với ống sinh hơi đã qua sử
dụng thì vật liệu của ống đã bị thoái hóa, xuất hiện gỉ màu nâu sẫm trên đường ống.
Hư hỏng ống sinh hơi dạng “miệng cá” xảy ra do thiếu nước bên trong đường ống.
Trong khi đó ở bên ngoài đường ống tiếp xúc với nhiệt độ của buồng đốt rất cao làm nhiệt độ
của ống kim loại sẽ tăng cao lên dễ dẫn đến hiện tượng hư hỏng do quá nhiệt (hình 1c).
Bên cạnh dạng hư hỏng trên thì hư hỏng dạng xói mòn cũng thường hay xảy ra, nguyên
nhân do chuyển động tương đối giữa dòng khí nóng bên trong buồng đốt với bề mặt vật liệu
của ống sinh hơi tăng lên làm tốc độ xói mòn cũng tăng lên dẫn đến quá trình phá hủy bề mặt
xảy ra (hình 1d). Đặc biệt, quá trình xói mòn càng mãnh liệt khi bột than cháy không hoàn
toàn trong buồng đốt của lò hơi, lúc đó các hạt bột than này sẽ va chạm cọ sát vào bề mặt ống
sinh hơi làm cho quá trình phá hủy bề mặt càng xảy ra nhanh hơn.
Hư hỏng dạng ăn mòn xói mòn xảy ra bên trong đường ống (hình 1e) do chất lượng
nước cấp vào lò hơi [8]. Dưới nhiệt độ và áp suất, các thành phần trong nước có thể hòa tan
chuyển thành chất rắn dạng hạt dưới dạng tinh thể hoặc dưới dạng vô định hình và khi vượt
quá ngưỡng hòa tan của các thành tố trong nước, cặn bám sẽ xuất hiện bên trong đường ống.
Ngoài ra, có thể do hơi nước bị nhiễm bẩn bởi bọt hình thành trên bề mặt khối nước và bị
phần hơi lôi cuốn theo. Những cặn bám này làm tăng nhiệt độ của ống sinh hơi dẫn tới sự quá
nhiệt của vật liệu làm giảm độ bền và hư hỏng đường ống [9].

a) Ống chưa sử
dụng

b) Ống sau 3 năm
sử dụng

c)Hư hỏng dạng
“miệng cá”

d) Xói mòn
bề mặt ngoài

e) Ăn mòn xói mòn
Hình 1: Hình ảnh ống sinh hơi chưa sử dụng, sau khi sử dụng
và một số dạng hỏng thường xảy ra
3.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi
Tổ chức tế vi của thép SA 210 C ở trạng thái cân bằng bao gồm ferit có màu sáng và
peclit có màu tối (hình 2) [10]. Từ ảnh tổ chức tế vi chụp bởi kính hiển vi điện tử quét (hình
4), ta thấy tổ chức của peclit có dạng tấm được phân bố đan xen với tổ chức ferit.
563


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Quan sát tổ chức tế vi bề mặt ngoài và bề mặt trong (hình 3a, c), ta thấy bề mặt trong và
bề mặt ngoài đều có sự xuất hiện vết nứt.

Hình 2: Tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (x500)

b) Vị trí giữa của ống

a) Bề mặt bên ngoài của ống

c) Bề mặt bên trong của ống
Hình 3: Ảnh hiển vi quang học của tổ chức tế vi thép
sau 3 năm sử dụng (x500)
Phương pháp hiển vi điện tử quét và phân tích phổ EDS cho thấy rằng xuất hiện lớp kết
tủa ở bề mặt bên trong của đường ống với thành phần cấu tạo lớp kết tủa được tìm thấy gồm
Fe, O, Mn, Si (hình 5). Các hợp chất của Fe và Mn đã tạo lớp kết tủa có màu vàng nhạt, sau
khi tiếp xúc với oxy nó sẽ tạo lớp kết tủa màu nâu (hình 1). Mặt khác, ở nhiệt độ cao (400 –
600oC) xảy ra phản ứng giữa Si với O 2 tạo ra oxit SiO 2 không tan trong nước tạo kết tủa, các
564


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
kết tủa này gây ra tắc nghẽn đường ống, tạo thành lớp cách nhiệt và cản trở sự trao đổi nhiệt
gây nên tình trạng nồi hơi quá nhiệt làm nứt đường ống kim loại. Hình 3b cho thấy tổ chức tế
vi phía bề ngoài đường ống bị suy thoái do quá nhiệt. Đồng thời, ống sinh hơi làm việc trong
môi trường nhiệt độ cao (bên ngoài nhiệt độ buồng đốt 900oC, bên trong nhiệt độ hơi 540oC),
phản ứng oxy hóa giữa Fe và H 2 O xảy ra mãnh liệt có thể gây ra hư hỏng do hydro theo phản
ứng sau (hình 3c):
3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4[H];

Si + O 2 → SiO 2

Như vậy, để khắc phục các nguyên nhân hư hỏng do ăn mòn hóa học và nhiệt độ thì ống
sinh hơi có thể được làm bằng vật liệu thép không gỉ SUS 304L hoặc 306L. Đây là loại thép
có hàm lượng cacbon thấp làm giảm nguy cơ mẫn cảm và cải thiện khả năng chống ăn mòn
của mối hàn, đồng thời trong thành phần thép không gỉ này có hàm lượng molipden cao sẽ
làm tăng tính chống ăn mòn hóa học và crôm có trong thép tạo lớp mỏng ôxit Cr 2 O 3 rất vững

chắc bao phủ trên bề mặt thép cũng làm tăng khả năng chống ăn mòn và độ bền ở nhiệt độ
cao. Ngoài thép không gỉ có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc trên còn có một số loại thép
hợp kim như T11 (1% Cr), T22 (2,25% Cr – 1% Mo).

a) x1000

b) x2000

Hình 4: Ảnh hiển vi điện tử quét của tổ chức tế vi thép sau 3 năm sử dụng

Hình 5: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phân tích phổ (EDS) phần bị kết tủa
ở bề mặt bên trong của đường ống
3.3. Xác định chiều dày định mức cho phép
Theo TCVN 7704: 2007, nồi hơi cần phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, kết
cấu chế tạo, lắp đặt, sử dụng và sửa chữa. Ta có chiều dày định mức cho phép của ống sinh
hơi, chịu áp lực bên trong được xác định bởi công thức sau:

S=

P.Dn

2.φ.σcp +P

+ C(mm) (*)

565


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong đó:

S: Chiều dày tối thiểu cho phép (mm)
P: Áp lực bên trong đường ống(P = 1,8 kg/mm2)
D n : Đường kính ngoài của ống (D = 63,5 mm)
φ: Hệ số bền do mối hàn học thân (ống thép đúc nên φ =1)
σ cp : Ứng suất cho phép của SA 210 C(σ cp = 33,2 kg/mm2), tra bảng [11].
C: Trị số bù chiều dày (C = 1 mm)
Thay các thông số vào công thức (*), ta được: S = 2,68 mm
Như vậy, để điều kiện bền được đảm bảo thì chiều dày tối thiểu của đường ống sinh hơi
là 2,68 mm. Để dự đoán trước nguy cơ xảy ra hư hỏng của đường ống sinh hơi sử dụng máy
siêu âm đo chiều dày của các đường ống tại thời điểm khảo sát và so sánh với chiều dày định
mức tối thiểu. Khi chiều dày đường ống S < 2,68 mm thì có thể xảy ra hư hỏng, điều này
được khắc phục thực tế bằng cách hàn các đoạn ống mới thay thế cho các đoạn ống với chiều
dày nhỏ hơn giá trị S.
4. KẾT LUẬN
Qua các kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra một số các kết luận sau:
- Tổ chức tế vi của thép SA 210 C ở trạng thái cân bằng gồm ferit (vùng sáng) và peclit
(vùng tối).
- Sau 3 năm sử dụng, xuất hiện các vết nứt tế vi ở bề mặt bên trong và bề mặt bên ngoài
của đường ống, nguyên nhân do quá trình ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay quá nhiệt.
- Thành phần kết tủa ở bề mặt trong đường ống được tìm thấy gồm Fe, O, Mn, Si. Trong
điều kiện làm việc nhiệt độ cao, hợp chất của các nguyên tố này tạo thành kết tủa gây cản trở
quá trình trao đổi nhiệt làm nồi hơi quá nhiệt dẫn đến hiện tượng nứt trong ống sinh hơi
- Kết quả tính toán chỉ ra rằng, với chiều dày định mức cho phép S ≥ 2,68 mm, thì điều
kiện bền được đảm bảo cho ống sinh hơi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Prabu, S. Senthur, et al. "Investigation on the Mechanical Properties of SA 210C Tubular
Joints." Procedia Engineering 75 (2014): 103-107.
[2]. Chaudhuri, Satyabrata. "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic
principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99.
[3]. Smith, B. J., and A. R. Marder. "A metallurgical mechanism for corrosion-fatigue

(circumferential) crack initiation and propagation in Cr-Mo boiler tube steels." Materials
characterization 33.1 (1994): 45-50.
[4]. Abou-elazm, A. Saad, et al. "Failure investigation of secondary super-heater tubes in a
power boiler." Engineering Failure Analysis 16.1 (2009): 433-448.
[5]. Chaudhuri, Satyabrata. "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic
principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99.
[6]. Sami Ibrahim Jafar. “Failure Characteristics Of Boiler Pipes In Al-Emsaeb Electric
Power Plants”. Journal of Babylon University/Engineering Sciences. No.(1). Vol.(20):
201.
[7]. ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA
19428-2959, United States.
566


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[8]. A.Galerie, Nguyễn Văn Tư, “Ăn mòn và bảo vệ vật liệu”, NXB KHKT, số 486-6918/7/2002, 9-2002, tái bản có bổ sung 3-2008
[9]. Các vấn đề thường gặp trong lò hơi: />[10]. Lê Công Dưỡng, “Vật liệu học”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997.
[11]. The American Society of Mechanical Engineers, “2010 ASME Boiler and Pressure
Vessel Code, Part D – Properties”, Three Park Avenue, New York, NY, 10016 USA.
THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ
ThS. Lê Thị Giang
Bộ môn Công Nghệ Cơ Khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi
Email:
Tel: 0917.075.016.

567