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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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 LOẠI

HÀ NỘI – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

NGUYỄN VĂN TÂN

NGHIÊN CỨU SỰ PHÁ HỎNG CỦA ỐNG DẪN HƠI TRONG
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI ANH HÒA

HÀ NỘI - 2018


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được hình
thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Bùi Anh Hịa và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc
rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hồn tồn chính xác và trung thực.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.

Tác giả luận văn

NGUYỄN VĂN TÂN

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

i


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Bùi Anh Hòa đã trực tiếp hướng dẫn tơi
thực hiện và hồn thành đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Kỹ
thuật gang thép và Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Ngoài ra, luận văn cịn nhận
được sự hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm Hiển vi điện tử và Vi phân tíchcho các phép đo
trên hệ SEM – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội, Trung tâm thử nghiệm

- kiểm định công nghiệp - Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - Vinacomin.
Tác giả luận văn

NGUYỄN VĂN TÂN

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

ii


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. vi
LỜI NĨI ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................................... 2
1.1 Tổng quan về thép chế tạo ống hơi.................................................................... 2
1.1.1 Thép hợp kim thấp...................................................................................... 2
1.1.2 Thép ferit-mactenxit ................................................................................... 3
1.1.3 Thép Austenit ............................................................................................. 4
1.2 Tổng quan về thép ASTM A335 P22 ................................................................. 5
1.2.1 Tính chất và ứng dụng................................................................................ 5
1.2.2 Tổ chức tế vi và xử lý nhiệt......................................................................... 6
1.3 Tình hình hoạt động của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam ........................ 16
1.3.1 Thép trong nhà máy nhiệt điện ................................................................. 16
1.3.2 Sai hỏng thường gặp của ống thép P22 trong nhà máy nhiệt điện ............ 18

1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu.................................................................... 19
1.4.1 Mục đích nghiên cứu ................................................................................ 19
1.4.2 Nội dung của nghiên cứu ......................................................................... 20
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .............. 21
2.1 Quy trình thí nghiệm ....................................................................................... 21
2.2 Phương pháp thí nghiệm.................................................................................. 22
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

iii


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
2.2.1 Mẫu thí nghiệm ........................................................................................ 22
2.2.2 Thiết bị thí nghiệm ................................................................................... 23
2.2.3 Quy trình nung mẫu ................................................................................. 24
2.2.4 Các phương pháp và thiết bị phân tích ..................................................... 25
2.2.4.1 Kiểm tra tổ chức tế vi ............................................................................ 25
2.2.4.2 Vi phân tích EDS................................................................................... 27
2.2.4.3 Xác định cơ tính .................................................................................... 28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................ 31
3.1 Tính chất của thép bền nhiệt ASTM A335-P22 ................................................ 31
3.1.1 Thành phần hoá học ..................................................................................... 31
3.1.2 Tổ chức tế vi của thép P22 ....................................................................... 31
3.1.3 Cơ tính thép P22 ...................................................................................... 33
3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tổ chức tế vi của thép P22..................... 33
3.3

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến thành phần hoá học của P22 ............... 47

3.4 Ảnh hưởng củathời gian nung đến cơ tính của thép P22 ............................ 54

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ........................................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 60

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

iv


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi ...................... 3
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một số mác thép ferit-mactenxit (ASTM)................ 4
Bảng 1.3. Thành phần hố học....................................................................................... 6
Bảng 1.4. Cơ tính .......................................................................................................... 6
Bảng 1.5. Ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến tổ chức tế vi và độ cứng. ..................... 7
Bảng 1.6. Mối quan hệ giữa điều kiện và kích thước hạt ............................................. 16
Bảng 1.7. Dự báo về công suất điện từ các nguồn khác nhau vào năm 2020 và năm
2030 ............................................................................................................................ 17
Bảng 2.1. Thành phần hóa học mẫu P22 ...................................................................... 22
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu ban đầu chưa sử dụng .................................... 31
Bảng 3.3. Kết quả kiểm tra độ bền. .............................................................................. 33
Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra độ bền của mẫu nung ở 500,600 và 700°C trong 24h. ....... 55
Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ bền của mẫu nung ở 500,600 và 700°C trong 48h. ....... 55
Bảng 3.6. Kết quả kiểm tra độ bền của mẫu nung ở 500,600 và 700°C trong 72h. ....... 56

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

v

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Giản đồ làm nguội liên tục với thép P22[2] .................................................... 8
Hình 1.2. Giản đồ chuyển biến khi làm nguội liên tục với thép 0.1% Cacbon, 21/4Cr-1Mo (F = Ferit; B = Bainit; M = Mactenxit) [3]................................................... 9
Hình 1.3. Tổ chức tế vi điển hình chủ yếu là bainit khi làm nguội nhanh [3].................. 9
Hình 1.4. Tổ chức tế vi điển hình chủ yếu là ferit khi làm nguội chậm [3]. .................. 10
Hình 1.5. Tổ chức tế vi Ferit-Peclit của thép P22[4]. ................................................... 11
Hình 1.6. Tổ chức tế vi Ferit-Bainit của thép P22[5]................................................... 11
Hình 1.7. Phát triển tổ chức tế vi của (a) vật liệu ferit-peclit (b) vật liệu ferit-bainit
theo thời gian, nhiệt độ hóa già[5]. .............................................................................. 13
Hình 1.8. Ảnh hiển vi quang học của ống thép P22 sau thời gian dài làm việc( vị trí
đã xảy ra tiết pha thơ) [1]. ............................................................................................ 14
Hình 1.9. Sự phân bố điển hình của cacbit trong thép hợp kim thấp Cr-Mo sau thời
gian dài làm việc ở khoảng 550°C[1]. .......................................................................... 14
Hình 1.10. Sơ đồ của nhà máy nhiệt điện đốt than [12] ................................................ 17
Hình 1.11.Hìnhảnh một số hư hỏng củaống tại nhà máy nhiệtđiện Cẩm Phả................ 19
Hình 1.12. Ống bị hư hỏng do chiều dày bị giảm ......................................................... 19
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình thí nghiệm ........................................................................... 21
Hình 2.2. Thiết bị phân tích thành phần kim loại và hợp kim75/80J MVU................... 23
Hình 2.3. Các mẫu nghiên cứu ..................................................................................... 23
Hình 2.4. Lị nung có khí bảo vệ HTC 08/16 ............................................................... 24
Hình 2.5. Quy trình nung mẫu ..................................................................................... 25
Hình 2.6. Các mẫu kim tương ...................................................................................... 25
Hình 2.7.Kính hiển vi quang học Axioplan 2 ............................................................... 26
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

vi

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F................................................. 27
Hình 2.9. Máy thử kéo INSTRON 8801 ...................................................................... 29
Hình 2.10. Kích thước của mẫu thử kéo....................................................................... 29
Hình3.2.Ảnh SEM của thép P22 ban đầu. .................................................................... 33
Hình 3.3. Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 500˚C trong 24 giờ với độ phân
giải (a) X200 , (b) X500 và (c) chụp SEM . ................................................................. 35
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 . ................................................................. 36
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. ................................................................... 38
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. .................................................................... 39
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. ................................................................... 41
Hình 3.8. Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 600˚C trong 72 giờ với độ phân
giải (a) X200, (b) X500và (c) chụp SEM. .................................................................... 42
Hình 3.9. Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 700˚C trong 24 giờ với độ phân
giải (a) X200, (b) X500và (c) chụp SEM . ................................................................... 44
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. ............................................................... 45
Hình 3.11. Ảnh tổ chức tế vi của thép P22 nung ở 700˚C trong 72 giờ với độ phân
giải (a) X200, (b) X500và (c) chụp SEM. .................................................................... 47
Hình 3.12. Kết quả EDS của mẫu ban đầu ................................................................... 48
Hình 3.13. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 5000C trong 24h .................................... 48
Hình 3.14. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 5000C trong 48h .................................... 49
Hình 3.15. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 5000C trong 72h .................................... 49
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

vii


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 3.16. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 6000C trong 24h .................................... 50
Hình 3.17. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 6000C trong 48h .................................... 51
Hình 3.18. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 6000C trong 72h .................................... 51
Hình 3.19. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 7000C trong 24h .................................... 52
Hình 3.20. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 7000C trong 48h .................................... 53
Hình 3.21. Kết quả EDS của mẫu khi nung ở 7000C trong 72h .................................... 53
Hình 3.22. Đường cong ứng suất-biến dạng của mẫu khi nung ở 500,600 và 700°C
trong 24h. .................................................................................................................... 54
Hình 3.23. Đường cong ứng suất-biến dạng của mẫu khi nung ở 500,600 và 700°C
trong 48h. .................................................................................................................... 55
Hình 3.24. Đường cong ứng suất-biến dạng của mẫu khi nung ở 500,600 và 700°C
trong 72h. .................................................................................................................... 56
Hình 3.25. Ảnh hưởng của thời gian đến độ bền của thép ở 500oC .............................. 57
Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời gian đến độ bền của thép ở 600oC .............................. 57
Hình 3.27. Ảnh hưởng của thời gian đến độ bền của thép ở 700oC .............................. 58

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

viii


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhà máy nhiệt điện đốt than là nguồn cung cấp năng lượng điện
lớn nhất trên thế giới, chiếm khoảng 40% tổng nguồn điện trên tồn thế giới. Và

Việt Nam cũng khơng nằm ngoài xu hướng của toàn cầu với lượng điện từ nhiệt
điện chiếm tỷ lệ lớn nhất và chúng được phân bố từ Bắc vào Nam. Ngày nay, nhiệt
điện chiếm 56% tổng lượng điện trong nước sản xuất. Trong tương lai, nhà máy
nhiệt điện đốt than vẫn sẽ là một nguồn năng lượng quan trọng để đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng trên tồn thế giới.
Lị hơi nhiệt điện bao gồm bộ phận nhiên liệu, lò hơi, ống quá nhiệt, đường dẫn
ống chính, ống dẫn nước…Các đường ống này được sản xuất từ các mác thép khác
nhau, chẳng hạn như thép cacbon, thép hợp kim thấp và ống thép không gỉ. Những ống
dẫn và ống được sản xuất cho phù hợp với điều kiện làm việc của thiết bị.
Các đường ống hơi nước trong nhà máy nhiệt điện thường xuyên phải làm
việc trong môi trường nhiệt độ khoảng trên 300ºC với áp suất hơi lên tới 20 MPa
làm cho tuổi thọ của ống giảm dần và có thế xuất hiện những hư hỏng như: nứt tế
vi, rò rỉ hơi nước, ăn mòn cục bộ, vỡ ống, biến dạng cơ học, phá hủy ống,...; và thời
gian làm việc càng kéo dài thì khả năng dẫn đến những sự cố càng cao, gây nên
những tổn thất nghiêm trọng khi phải dừng phát điện và làm giảm hiệu quả kinh tế
của các nhà máy nhiệt điện vì vậy cần phải lựa chọn các vật liệu có độ bền ăn mịn
cao .
Thép P22 là thép hợp kim thấp với hàm lượng Cr khoảng từ 1,9~2,6% được
dùng phổ biến trong chế tạo ống dẫn hơi trong các nhà máy nhiệt điện. Thép P22
được sử dụng trong lò hơi áp suất cao, lò sấy, lò nung trước khơng khí, lị đốt, thiết
bị trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt độ cao khác, bao gồm cả ống quá nhiệt và ống
hoàn nhiệt, ống sinh hơi... Kinh nghiệm cho thấy nhiệt độ làm việc ổn định của kim
loại là dưới 300ºC. Rõ ràng những thông tin cụ thể liên quan đến áp suất, nhiệt độ
và môi trường cần được xem xét trong việc lựa chọn vật liệu và thành phần hóa học.
Vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là xem xét sự thay đổi của tổ chức tế vi
và cơ tính của thép P22 sau thời gian và nhiệt độ nung nhất định.
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

1

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về thép chế tạo ống hơi
Tùy thuộc vào mức độ tiên tiến và yêu cầu của vị trí làm việc sẽ lựa chọn loại
thép để chế tạo ống dẫn hơi cho phù hợp. Các loại thép sử dụng cho lĩnh vực này
cần có cơ tính ổn định và chịu được ăn mòn của hơi nước ở nhiệt độ cao. Các loại
thép hóa bền bằng dung dịch rắn có độ chịu nhiệt trong phạm vi khoảng
500750oC. Để đạt được cơ tính mong muốn, tất cả các loại thép chịu nhiệt được
hợp kim hóa thêm một số nguyên tố như: Cr để tăng tính chống ơxy hóa và Ni để
đạt giá trị tối ưu giữa độ bền và độ dẻo, các nguyên tố khác (Mo, W, Co,…) được
sử dụng nhằm mục đích tăng cơ tính ở nhiệt độ cao. Các nguyên tố hợp kim vi
lượng như Ti, Nb, B,… cũng được cho vào trong thép để tăng cơ tính của các loại
thép chịu nhiệt sử dụng trong nhà máy điện. Dựa trên thành phần hóa học và tổ
chức tế vi, có các loại thép sau đây.
1.1.1 Thép hợp kim thấp
Do có cơ tính phù hợp và chịu được ăn mịn ở nhiệt độ cao, thép hợp kim thấp
được sử dụng nhiều nhất trong chế tạo đường ống dẫn hơi của nhà máy nhiệt điện,
đặc biệt là các đường ống dày. Phổ biến nhất là 2 mác thép có ký hiệu là P11
(1CrMoV) và P22 (2Cr1Mo). Khi nhiệt độ và áp suất hơi tăng lên, các đường ống
làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn nên cần phải có các mác thép khác; ví dụ
như P24 (7CrMoVTiB10-10). Để tăng tuổi thọ làm việc của các đường ống, các
công ty sản xuất đã phải nghiên cứu và phát triển rất nhiều mác thép mới bằng cách
sử dụng các nguyên tố hợp kim như V, W, Nb, Ti,… nhằm mục đích tăng độ bền và
giữ sự ổn định của ống ở nhiệt độ cao (xem bảng 1.1).
Do thành phần hóa học và tổ chức tế vi của mác P23 và P24 tương đối giống
với P22 nên khơng có sự khác biệt về cơ lý tính của chúng (bao gồm cả tính chống
ơxy hóa). Tuy nhiên, khác biệt lớn nhất giữa chúng là cơ tính ở nhiệt độ cao do sự
có mặt của một số nguyên tố hợp kim. Thông thường, thép chịu nhiệt hợp kim thấp

có tính dẻo ở nhiệt độ thấp và giữ được độ bền ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nếu giữ ở
nhiệt độ cao trong một thời gian dài thì loại thép này trở nên giòn và dễ bị phá hủy.

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

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số mác thép chế tạo ống dẫn hơi
Thành phần (%)

Mác thép
P22

P23

P24

C

0,050,15

0,040,10

0,050,10

Mn

0,300,60

0,100,60

0,300,70

Si

< 0,50

< 0,50

0,150,45

Cr

1,902,60

1,902,60

2,202,60

Mo

0,871,13

0,050,30

0,701,10

1,451,75

-

W

-

Nb

-

0,020,09

-

V

-

0,200,30

0,200,30

B

-

0,00050,0060

0,00150,0070

S

< 0,025

< 0,010

< 0,010

P

< 0,025

< 0,030

< 0,020

N < 0,030

N < 0,012; Ti = 0,060,10

Khác

-

1.1.2 Thép ferit-mactenxit
Trong nhà máy nhiệt điện, sử dụng 2 loại thép có Cr trung bình (từ 59%) và
Cr cao (khoảng 12%). Loại thép có chứa 912% Cr thường sử dụng để chế tạo các
ống dẫn hơi có nhiệt độ làm việc cao hơn 620oC. Việc sử dụng loại thép này không
những đạt được hiệu quả cao mà còn giảm phát thải khí CO2 và các loại khí độc

khác (khoảng 20%) nhờ tăng được thông số hơi nước từ 180 bar/530540oC lên 300
bar/600oC. Trên cơ sở mác thép 12CrMoV, các nhà sản xuất đã phát triển thành mác
9Cr (hay P91) và sau đó hợp kim hóa thêm W thành mác P92 bắt đầu áp dụng từ
năm 2001. Nhiều nghiên cứu cải thiện độ bền dão của thép 912% Cr đã được thực
hiện. Từ bảng 1.2, có thể thấy rằng loại thép này có chứa hàm lượng C thấp hơn
(0,1% max) và có chứa thêm một số nguyên tố khác như Mo, W, V, Nb, N,… để
tăng độ bền dão và tăng khả năng chống lại ơxy hóa hoặc ăn mịn ở nhiệt độ cao.
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Một số nhà sản xuất đã cho thêm 0,04% B vào thép để tăng độ bền dão của thép ở
650oC trong 130000 giờ, cao hơn dự kiến là 650oC 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)
Mác thép
Thành phần (%)

T/P9

T/P91

T/P92

C

0,12

0,10

0,07

Mn

0,45

0,45

0,45

Si

0,60

0,40

0,06

Cr

9,0

9,0

9,0

Mo

1,0

1,0

0,50

W

-

-

1,8

V

-

0,20

0,20

B

-

-

0,004

Khác

-

N = 0,049; Ni = 0,8

-

1.1.3 Thép Austenit
Loại thép này được phát triển dựa trên hệ 18% Cr – 8% Ni (tương đương mác
AISI 302). Để đạt được cơ tính yêu cầu, người ta hợp kim hóa thêm một số nguyên
tố khác như Mn, Mo, W, Cu, Al, Ti, Nb, V,… Các nguyên tố này có thể chia thành
nhóm ổn định ferit hoặc ổn định austenit, mức độ ảnh hưởng của từng nguyên tố
được cho trong công thức sau :
Nieq = 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 nên các mác thép austenit đã dần
được thay thế bằng các loại thép ferit độ bền cao. Tuy nhiên, những bộ phận yêu
cầu cao về khả năng chống ơxy hóa và độ bền dão thì vẫn sử dụng loại thép
austenit. Để các nhà máy nhiệt điện hoạt động hiệu quả thì nhiệt độ của hơi nước
quá nhiệt phải đạt 650700oC, vì vậy thép austenit sẽ là vật liệu chiếm ưu thế trong
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
chế tạo các bộ phận. Trong một số trường hợp đặc biệt, còn sử dụng hợp kim Ni
mặc dù giá thành của loại vật liệu này rất đắt. Ngược lại, khi nhiệt độ hơi nước thấp
hơn (khoảng 550600oC) thì loại thép ferit-mactenxit sẽ là chủ yếu. Nếu nhiệt độ

hơi nước thấp hơn nữa thì có thể sử dụng các ống dẫn hơi chế tạo từ thép hợp kim
thấp, nhưng tuổi thọ ngắn của đường ống là vấn đề cần khắc phục.
1.2 Tổng quan về thép ASTM A335 P22
1.2.1 Tính chất và ứng dụng
Thép P22 hoặc thép 2.25Cr-1Mo dựa trên cơ sở crôm và molypden được sử
dụng rộng rãi trong các lò hơi và đường ống. 2-1/4Cr-1Mo thép hợp kim thấp đã
được chuẩn hóa ở các nước trên thế giới trong hơn 50 năm. Ví dụ đặc điểm kỹ
thuật từ Hoa Kỳ, Anh Quốc, Đức và Nhật Bản. Các hợp kim nay được biết đến
rộng rãi như là thép P22dựa trên tiêu chuẩn ASTM, đã được sử dụng thành cơng
trong các nhà máy nhiệt điện địi hỏi độ bền nhiệt cao (có nguồn gốc chủ yếu từ sự
phân tán của cacbit molypden) và khả năng chống oxi hóa (có nguồn gốc từ hàm
lượng Cr). Ứng dụng phổ biến nhất của mác thép này là được sử dụng làm đường
ống dẫn hơi, ống quá nhiệt và ống hoàn nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao lên đến
khoảng 600ºC[1]. Thực tế sản xuất cho thấy trong quá trình làm việc chất lượng
ống được đảm bảo nhất là khi hoạt động ở nhiệt độ dưới 600ºC. Tuy nhiên, rõ ràng
những thông tin cụ thể liên quan đến áp suất, nhiệt độ và môi trường cần được
xem xét để từ đó lựa chọn vật liệu và thành phần hóa học phù hợp với điều kiện
làm việc. Hướng dẫn chung về cách thức biến dạng và nứt gãy khác nhau với ứng
suất và nhiệt độ có thể thu được bằng cách kiểm tra các giản đồ cơ chế phù hợp.
Những giản đồ này thường được sử dụng với thử kéo và dão với nhiệt độ (T) các
điểm nóng chảy tuyệt đối (Tm) và với ứng suất (σ) biểu diễn như là một phần nhỏ
của nhiệt độ điều chỉnh mô đun đàn hồi (E). Đối với các kim loại hoặc hợp kim
được lựa chọn, các điều kiện cụ thể về phá hủy và gãy sẽ được cung cấp. Trong
trường hợp của thép hợp kim thấp, giản đồ gãy cung cấp thông tin về gãy do uốn,
gãy tách giòn, độ dão. Mặc dù các giản đồ này cung cấp hướng liên quan đến hành
vi, ứng dụng cho các dự đoán của các hợp kim thương mại thường được giới hạn
bởi một giản đồ duy nhất đại diện cho một điều kiện luyện kim. Để có được một
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL

5

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
sự đánh giá đúng đắn về hành vi gãy đòi hỏi một sự hiểu biết cụ thể về các yếu tố
thành phần và tổ chức tế vi với điều kiện hoạt động cụ thể.
Bảng 1.3. Thành phần hố học
Ngun tố

ASTM A335- P22

C

Si

Mn

(max)

0,05-

0,30-

0,5

0,15

0,60

P

S

Cr

(max)

(max)

(max)

0,025

0,025

1,9-2,6

Mo

0,87-1,13

Thành phần hóa học của thép P22 được nêu trong bảng 1.3, theo tiêu chuẩn
ASTM A-335 P22 có mức quy định cho các nguyên tố vi lượng như phốt pho và
lưu huỳnh tương đối thấp, dẫn đến cải thiện độ dẻo dai và làm giảm tính giịn của
thép.
Bảng 1.4. Cơ tính
Cơ tính
ASTM A335- P22

Giới hạn kéo

Giới hạn chảy

Độ giãn dài (%)

(MPa)

(MPa)

(nhỏ nhất)

415

205

30

1.2.2 Tổ chức tế vi và xử lý nhiệt
Nhiệt độ chuyển đổi là nhiệt độ mà tại đó xảy ra sự chuyển biến pha. Thuật
ngữ này đôi khi được dùng để biểu thị nhiệt độ giới hạn của một loạt biến đổi. Sau
đây đã được xác định từ các nghiên cứu về hành vi của thép P22:
• 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.
• AR1 Nhiệt độ mà tại đó sự chuyển biến từ austenit sang ferit hoặc ferit cộng
xementit được hình thành trong quá trình trong thời gian làm nguội, thông thường ở
khoảng 721°C.

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

6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
• AR3 là nhiệt độ mà tại đó bắt đầu xảy ra chiển biến ferit trong khi làm
nguội, ở khoảng 821°C.
• AR4 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.
• M(f) là nhiệt độ mà tại đó được tạo thành khi làm nguội kết thúc, ở khoảng 204°C.
Cần nhấn mạnh rằng những chuyển biến pha phụ thuộc vào thời gian xảy ra
ở nhiệt độ thấp khi làm nguội hơn là khi nung nóng và phụ thuộc vào tốc độ thay
đổi của nhiệt độ. Bảng 1.5 mô tả sự ảnh hưởng 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

Tốc độ làm nguội

Độcứng Vickers

(˚C/giờ)

Bainit(%)

Ferit(%)

(HV)

8871

99

1

305

816

55

45

215

71

30

70

160

66

20

80

150

Tổ chức tế vi phụ thuộc vào thành phần và xử lý nhiệt; thường tốc độ làm
nguội chậm hơn gần trạng thái cân bằng, kết quả là hình thành pha ferit, với bainit
hoặc mactenxit hình thành dưới điều kiện làm nguội nhanh hơn. Đặc biệt, tổ chức tế
vi được hình thành có thể được xác định nhờ sử dụng giản đồ thời gian, nhiệt độ và
chuyển biến pha.

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

7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.1. Giản đồ làm nguội liên tục với thép P22[2]
Tương tự như vậy, đường cong chuyển biến làm nguội liên tục (CCT) có thể
được sử dụng để phát triển các tổ chức tế vi cần thiết thơng qua việc kiểm sốt các
chu kỳ nhiệt áp dụng cho một số quy trình sản xuất khác nhau. Tuy nhiên, điều
quan trọng là các chu kỳ nhiệt được sử dụng để tạo các đường cong CCT là có liên
quan đến q trình cụ thể. Một yếu tố quan trọng cần được xem xét là kích thước
hạt pha austenite, đó là, kích thước hạt tại thời điểm chuyển biến đầu tiên từ
austenit. Kích thước hạt austenit cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển biến
hoặc AR3 cho q 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.
Làm nguội rất nhanh sẽ tạo ra các cấu trúc chủ yếu là Mactenxit, nhưng đối
với tốc độ làm nguội thông thường được kết hợp với các thành phần lị hơi, chủ yếu
bainit được hình thành với tốc độ tương đối nhanh với phần lớn ferit được hình
thành khi làm nguội chậm. Ví dụ điển hình được đưa ra trong hình 1.2.

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

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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].
• Tốc độ làm nguội nhanh thường xảy ra trong quá trình hàn, khi đó kim loại
mối hàn và vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thường sẽ hình thành tổ chức tế vi
bainit như trên 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

9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.4. Tổ chức tế vi điển hình chủ yếu là ferit khi làm nguội chậm [3].
Thép Cr-Mo được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến chống
dão, đặc biệt trong ngành hóa dầu và năng lượng, trong các bình áp lực, đường ống,
nồi hơi và các bộ phận kết cấu.
Loại thép này là những vật liệu có khả năng chống ăn mịn và dão tốt, ngồi
việc có độ dẻo dai cao và khả năng hàn tốt, với chi phí tối ưu. Đồng thời, có sự giãn

nở nhiệt thấp và tính dẫn nhiệt cao. Những yếu tố này cùng nhau khiến cho chúng
trở thành những vật liệu phù hợp để hoạt động 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 viđã hỗ
trợ việc phân tích sai hỏng và ước tính tuổi thọ cịn lại của các thành phần hoạt động
ở nhiệt độ cao và áp suất. Mặc dù ước tính về tuổi thọ cịn lại của các thành phần và
vẫn đang hoạt động trong các nhà máy nhiệt điện và các q trình cơng nghiệp nói
chung đã thu hút nhiều sự chú ý nhưng công nghệ đánh giá về chi phí và hiệu quả
chưa được phát triển.
Thép P22 có thể hình thành hai loại tổ chức tế vi: Ferit-bainit hoặc feritpeclit. Tổ chức tế vi của thép Ferit-bainit ổn định hơn Ferit-peclit trong suốt q
trình hóa già, mặc dù nó đã được quan sát thấy sự suy thối của bainit. Nó đã được
tìm thấy hai tổ chức tế vi khi phá hỏng, làm cho nó khơng thể xác định, trừ khi có
kiến thức về các pha trong vật liệu mới.
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL
10


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Tổ chức tế vi của vật liệu trong điều kiện tương tự được hiển thị trong hình
1.5. Theo quan sát, tổ chức của vật liệu bao gồm ferit và peclit.

Hình 1.5. Tổ chức tế vi Ferit-Peclit của thép P22[4].
Hình 1.6 cho thấy tổ chức tế vi của thép bainiti-ferit khơng hóa già. Có thể quan sát
thấy sự có tồn tại của ferit và bainit trong tổ chức tế vi của thép.

Hình 1.6. Tổ chức tế vi Ferit-Bainit của thép P22[5].
Sự phát triển tổ chức tế vi của thép P22, quan sát dưới kính hiển vi quang học,
cho thấy rõ ferit-peclit, với sự phát triển của xementit hình cầu đã phân huỷ hồn
tồn và tăng lượng kết tinh lại ở các đường biên hạt.

Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL
11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Mặt khác, thép có các thành phần hóa học tương tự nhau nhưng tổ chức gồm
ferit và bainit cho thấy đã khơng có dấu hiệu thoái bền khi tiếp xúc với nhiệt độ cao
trong thời gian dài khi quan sát dưới kính hiển vi quang học.
Hình 1.7a và 1.7b cho thấy sự phát triển tổ chức tế vi của thép ferit-peclit và
tổ chức tế vi ferit-bainiti theo thời gian và nhiệt độ hóa già. Thơng qua phân tích của
hai hình dưới đây, có thể thấy rằng peclit của thép khá giống với bainit.

(a)

Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL
12


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

(b)
Hình 1.7. Phát triển tổ chức tế vi của (a) vật liệu ferit-peclit (b) vật liệu ferit-bainit
theo thời gian, nhiệt độ hóa già[5].
Thép P22 được hóa bền bằng việc tiết pha trong tổ chức tế vi. Các loại tiết
pha được hình thành phụ thuộc vào thành phần của thép và nhiệt độ trong quá trình
chế tạo, cũng như thời gian và nhiệt độ tiếp xúc khi làm việc[1,6-11]. Thật vậy, mặc
dù các tiết pha mong muốn trong thép chủ yếu là cacbit, nhưng nitrit và cacbonitrit
cũng hiện diện trong nhiều mác thép hiện đại, các loại cacbit khác nhau sẽ có mặt
tùy thuộc vào các điều kiện làm việc. Quá trình tiết pha sẽ là:
M C ➔M C + M C➔M C + M C + M C ➔M C + M C + M C +

M C [1,10]
Ngoài những thay đổi trong loại cacbit, điều kiện làm việc lâu dài ở nhiệt độ
cao sẽ phát triển cacbit mong muốn, thể hiện trong hình 1.8. Sự phát triển này sẽ
được thúc đẩy bằng việc giảm năng lượng bề mặt, nó xảy ra khi một số lượng lớn
các pha nhỏ được thay thế bởi một số lượng nhỏ hơn của pha lớn[1].
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL
13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.8. Ảnh hiển vi quang học của ống thép P22 sau thời gian dài làm việc( vị trí
đã xảy ra tiết pha thơ) [1].
Những thay đổi này sẽ xảy ra bằng cách khuếch tán, vì khuếch tán dọc theo
biên giới hạt sẽ có xu hướng nhanh hơn khuếch tán qua các hạt, sẽ có xu hướng tăng
khi hóa già với các tiết pha thơ được hình thành ở biên giới hạt.

Hình 1.9. Sự phân bố điển hình của cacbit trong thép hợp kim thấp Cr-Mo sau thời
gian dài làm việc ở khoảng 550°C[1].
Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy sự phân bố tiết pha trong
thép hợp kim thấp 2.25Cr-1Mo sau thời gian dài làm việc ở khoảng 550°C được
trình bày trong hình 1.9. Ảnh hiển vi này cho thấy tiết pha thơ có mặt ở biên giới, và
Nguyễn Văn Tân- KH-KT Vật liệu Kim loại -15BVLKL
14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
sự phát triển của những pha nặng đã dẫn đến sự hòa tan các pha lân cận. Như vậy,
vùng tiết pha tự do được phát triển, sự phân bố kích thước pha là khơng đồng đều.
Bởi vì sự hóa bền của các hợp kim chủ yếu có chức năng cản trở lệch, vị trí diễn ra

sự phát triển làm giảm độ bền.
Sự thay đổi tổ chức tế vi bị ảnh hưởng bởi thành phần và nhiệt độ. Tuy nhiên,
vì q trình cơ bản kiểm sốt sự phát triển của tổ chức tế vi có liên quan đến nhiệt
động lực học, mấu chốt của quá trình này bị chi phối bởi sự khuếch tán. Phương trình
tổng quát có liên quan với hệ số khuếch tán (D) và nhiệt độ (T) là như sau:
D = hằng số •
Trong đó Q là năng lượng hoạt hóa của quá trình (J. mol ), R là hằng số khí
lí tưởng (8.31J. mol . K ), T là nhiệt độ (°K). Q trình được kiểm sốt bởi sự
khuếch tán sẽ diễn ra nhanh hơn khi nhiệt độ tăng.
= Constant •
Lấy logarit 2 vế và biến đổi ta được:
T (log t + C) =

.

Do đó, Q / 2,3R tương đương với một tham số Holloman-Jaffe cho sự thay
đổi độ cứng; tương tự với thông số (P) độ dão do Larson-Miller sử dụng chịu ảnh
hưởng bởi thời gian và nhiệt độ. Những thông số này được sử dụng rộng rãi để được
mô tả theo thời gian và nhiệt độ liên quan đến tính chất cụ thể hoặc thay đổi các
thuộc tính liên kết. Cụ thể, sự thay đổi về độ cứng Vickers của mẫu được giám sát
trong phịng thí nghiệm bằng việc kiểm soát thời gian xử lý nhiệt. Các kết quả thu
được được mô tả trong bảng của mối quan hệ giữa điều kiện ban đầu với cấu trúc /
kích thước hạt được phát triển như bảng 1.6.

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