khóa luận tốt nghiệp ảnh hưởng của môi trường làm việc đến tuổi thọ của thép pearlit 10гн2мфа trong nhà máy điện hạt nhân loại vver – 1000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN


BẾ VĂN TUẤN

ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN TUỔI THỌ CỦA
THÉP PEARLIT

10

2

ГН МФА TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
LOẠI VVER – 1000

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÂM ĐỒNG, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN


BẾ VĂN TUẤN – 1410722

ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN TUỔI THỌ CỦA
THÉP PEARLIT 10ГН2МФА TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
LOẠI VVER – 1000

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA 2014 – 2018


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Đà Lạt, ngày……tháng…. năm ……

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Đà Lạt, ngày……tháng…. năm ……


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và
Quý thầy cơ trường Đại học Đà Lạt đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức và tạo môi
trường học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà
Lạt cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin bày tỏ sự biết ơn đến Cô giáo hướng dẫn Nguyễn Thị Nguyệt Hà đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên và truyền đạt vốn kiến thức quý báu và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận.
Và cuối cùng, chân thành cám ơn các bạn trong lớp Kỹ Thuật Hạt Nhân K38
và gia đình đã ln sát cánh trong những năm học qua, dành sự tin tưởng, giúp đỡ
để có thể hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Lâm Đồng, tháng 11 năm 2018
BẾ VĂN TUẤN


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu
trong khóa luận này chưa được ai cơng bố dưới bất kì hình thức nào. Tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
Lâm Đồng, tháng 11 năm 2018
Sinh viên
BẾ VĂN TUẤN


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT
AGR
BWR
FBR
GCR
IAEA
KL
LPƯHN
LWGR
NMĐHN

PHWR
PWR
SCC
SG
VVER


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000. . .2
1.1. Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân..................................................................... 2
1.2. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000................................................................. 3
1.2.1. Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân VVER-1000........................................... 3
1.2.2. Bình sinh hơi............................................................................................. 4
1.2.3. Thép pearlit 10ГН2МФА trong bình sinh hơi........................................... 7
1.2.4. Mơi trường làm việc của bình sinh hơi..................................................... 7
TÓM TẮT CHƯƠNG 1.......................................................................................... 8
CHƯƠNG 2 - SỰ NỨT DO MƠI TRƯỜNG ĂN MỊN VÀ ỨNG SUẤT
TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN............................................................... 9
2.1. Tổng quan về nứt do mơi trường ăn mịn và ứng suất.....................................9
2.2. Khởi tạo SCC................................................................................................ 11
2.3. Lan truyền SCC............................................................................................ 13
2.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép pearlit.......................................................... 18
2.5. Phương pháp tính tốn sự tích tụ hydro........................................................ 20
2.6. Phương pháp tính tốn hệ số cường độ ứng suất........................................... 21
TÓM TẮT CHƯƠNG 2........................................................................................ 24
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ TÍNH TỐN SỰ TÍCH TỤ HYDRO, HỆ SỐ
CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA THÉP
PEARLIT 10ГН2МФА......................................................................................... 25
3.1. Kết quả tính tốn nồng độ hydro trong thép pearlit....................................... 25

3.2. Kết quả tính tốn hệ số cường độ ứng suất................................................... 28
3.3. Kết quả tính tốn mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit
10ГН2МФА......................................................................................................... 31
3.4. Kết quả tính tốn thời gian làm việc cịn lại đến khi hư hỏng.......................33
TĨM TẮT CHƯƠNG 3........................................................................................ 34
KẾT LUẬN............................................................................................................ 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 37


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình lị phản ứng hạt nhân WWER-1000............................................ 3
Hình 1.2. Bình sinh hơi............................................................................................. 5
Hình 2.1. a. Vết nứt SCC giữa các hạt; b. Vết nứt SCC bên trong các hạt................9
Hình 2.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt............................................. 11
Hình 2.3. Sơ đồ mơ tả ba giai đoạn q trình nứt SCC............................................ 13
Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn mơ hình hấp thụ............................................................. 16
Hình 2.5. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết............................................... 17
Hình 2.6. Phân tử nước và phân tử hydroni ............................................................ 19
Hình 2.7. Các q trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt ........................................... 19
Hình 2.8. Mơ tả trạng thái hydro trong thép pearlit ................................................ 19
Hình 2.9. Vùng đàn hồi trên vật liệu....................................................................... 22
Hình 3.1. Sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit theo thời gian......................27
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất trong thép pearlit..................31
theo thời gian........................................................................................................... 31
Hình 3.3. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian (chỉ
sự tích tụ hydro)...................................................................................................... 33


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các loại lò đang được sử dụng.................................................................. 2

Bảng 1.2. Các thơng số bình sinh hơi........................................................................ 5
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của thép 10ГН2МФА, tỉ lệ %................................... 7
Bảng 3.1. Các thơng số để tính nồng độ H2 trong thép pearlit................................. 25
Bảng 3.2. Kết quả tính tốn sự tích tụ nồng độ hydro trong thép pearlit.................25
theo thời gian........................................................................................................... 25
Bảng 3.3. Các thơng số dùng để tính sự ảnh hưởng hydro tới hệ số cường độ ứng
suất của thép pearlit................................................................................................. 28
Bảng 3.4. Kết quả tính tốn ảnh hưởng của hệ số cường độ ứng suất trong thép
pearlit theo thời gian............................................................................................... 28
Bảng 3.5. Kết quả ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn................................... 31
ở một số giá trị độ pH.............................................................................................. 31
Bảng 3.6. Mức độ hư hỏng do sự tích tụ hydro trong thép pearlit theo thời gian....31
Bảng 3.7. Thời gian làm việc còn lại đến hư hỏng.................................................. 33


MỞ ĐẦU
Bình sinh hơi (Stream Generators) là một trong những thành phần quan trọng
của nhà máy điện hạt nhân. Chức năng của bình sinh hơi là lấy nhiệt từ vịng sơ cấp
để đun nước ở vòng thứ cấp tạo hơi với áp suất cao làm quay tua bin phát điện. Các
ống trao đổi nhiệt (tubes) của bình sinh hơi phải làm việc trong môi trường khắc
nghiệt và chịu ảnh hưởng của các tác nhân như: chênh lệch nhiệt độ, áp suất, các
tương tác hóa học và phóng xạ cao… Các tác nhân này ảnh hưởng mạnh đến các
thành phần cuả NMĐHN nói chung và các ống trong bình sinh hơi nói riêng, từ đó
có khuynh hướng phát triển những khuyết tật và các vết nứt trên chúng, làm giảm
tuổi thọ của chúng. Vấn đề đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của các thiết bị trong
NMĐHN là vấn đề được chú ý của ngành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, sự hiểu biết về
sự hình thành và phát triển của vết nứt là kiến thức thiết yếu để đảm bảo tính tồn
vẹn về cấu trúc của thành phần và thiết bị trong NMĐHN. Nhiều nghiên cứu đã đề
cập đến tác động của các môi trường làm việc trong nhà máy tới các thiết bị. Mục
đích của khóa luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến thép pearlit

10ГН2МФА (10GN2MFA) trong bình sinh hơi thơng qua việc tính tốn hệ số
cường độ ứng suất, mức độ hư hỏng và đánh giá thời gian đến khi hư hỏng trên ống
trao đổi nhiệt.
Bài khóa luận này được chia làm 3 chương:
Chương 1 - Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000.
Chương 2 - Sự nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất xảy ra trong nhà máy
điện hạt nhân.
Chương 3 - Kết quả tính tốn sự tích tụ hydro, hệ số cường độ ứng suất và
thời gian làm việc còn lại của thép Pearlit 10ГН2МФА.
Kết luận
Tài liệu tham khảo

1


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000
1.1. Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân
Nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) là một hệ thống thiết bị điều khiển và
kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sinh năng lượng
dưới dạng nhiệt, sau đó năng lượng nhiệt này được chuyển hóa thành cơ năng quay
tua bin thông qua các thiết bị của nhà máy.
Lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) hoạt động dựa trên phản ứng phân hạch. Khi
một nơtron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân này bị vỡ thành hai hạt nhân con nhẹ
hơn, kèm theo việc phát ra bức xạ khác và phát ra các nơtron tự do. Các nơtron tự do
này lại tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền.

Cấu trúc cơ bản của LPƯHN bao gồm: nhiên liệu phân hạch, chất làm chậm,
chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò, tường bảo vệ và các vật liệu
cấu trúc khác.
Hiện nay, cơng nghệ lị phát triển rất phong phú và đa dạng. Rất khó có thể

đánh giá ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác. Việc mỗi quốc gia sử
dụng và phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là mục đích sử
dụng của mỗi quốc gia, trình độ khoa học - cơng nghệ và khả năng tham gia của các
ngành công nghiệp nội địa. Hiện nay, được phát triển nhiều nhất, đó là PWR
(Pressurired Water Reactor), BWR (Boiling Water Reactor) và PHWR (Pressurired
Heavy Water Reactor). Tỷ phần số lượng lị của các loại cơng nghệ như sau: Lò
phản ứng nước áp lực: 60% (PWR+WWER), kế theo đó là lị phản ứng nước sơi:
21% BWR, và cuối cùng là lò nước nặng kiểu CANDU: 7% PHWR, phần còn lại là
các loại lò khác [1].
Bảng 1.1. Các loại lò đang được sử dụng [1]
STT

1

2

3

4



5

6

7

8

1.2. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000
1.2.1. Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân VVER-1000
Lò phản ứng WWER được thiết kế bởi Liên bang Xô Viết với công suất nằm
trong khoảng 70-1200 MWe và thiết kế lên tới 1700 MWe đang trong giai đoạn nghiên
cứu. Lò phản ứng WWER-1000 được phát triển sau 1975 và là hệ thống gồm

4 bình sinh hơi trong tòa nhà lò phản ứng. Thiết kế lò phản ứng WWER-1000 bao
gồm hệ điều khiển tự động, hệ thống an toàn thụ động và hệ thống che chắn cùng
với một số thiết kế lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ 3 theo tiêu chuẩn của IAEA [1].

Hình 1.1. Mơ hình lị phản ứng hạt nhân WWER-1000 [3]
1.
2.

Lò hạt nhân
Hệ thống làm mát bị động


3


3.
4.
5.

Bù trừ áp suất
Bình sinh hơi
Máy bơm tuần hồn chính

Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 là lò áp suất nên lị sẽ có hai

vịng làm mát tách biệt nhau, điều này giảm thiểu khả năng rị rỉ phóng xạ ra mơi
trường bên ngồi. Cụ thể sẽ được trình bày ở phần dưới đây [4]:
Nhiệt được tạo ra trong lõi lò phản ứng từ các phản ứng phân hạch nhiên
liệu hạt nhân, sau đó nhiệt này được loại bỏ khỏi lõi lò bằng chất làm mát (nước).
Chất làm mát được vận chuyển tới bình sinh hơi thơng qua ống dẫn gọi là “hot leg”.
-

Bình sinh hơi là một bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt từ vòng sơ cấp truyền qua

vòng thứ cấp bằng cách đun nước vòng thứ cấp tạo thành hơi nước quay tua bin.

Sau khi trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi, chất làm mát lại được đưa trở
ngược lại lị phản ứng thơng qua đường ống gọi là “cold leg”.
Có bốn chu trình nhỏ trong vịng sơ cấp. Ở mỗi chu trình, chất làm mát
được bơm bởi bơm áp lực cao (được đặt ở mỗi góc) tới bình sinh hơi.
Trong vịng sơ cấp, hơi nước được hình thành trong bình sinh hơi và
được
đưa tới hệ thống cân bằng (balance of plat systems). Phần lớn hơi nước sinh ra trong
bình sinh hơi được đưa tới tua bin để làm quay tua bin phát điện.
Sau khi làm quay tua bin, hơi nước được bơm tới hệ thống ngưng tụ và
được ngưng tụ. Từ hệ thống ngưng tụ nước được chuyển tới hệ thống hạ áp và nhiệt
rồi qua hệ thống khử để loại bỏ những khí khơng ngưng tụ được. Từ hệ thống khử,
nước được đưa qua hệ thống tăng áp và nhiệt rồi tới bình sinh hơi.
1.2.2. Bình sinh hơi
Bình sinh hơi trong thiết kế VVER-1000 có ký hiệu PGV-1000 gồm các
thành phần: bộ sinh hơi, vòi phun hơi, khung đỡ, bộ hấp thụ, các bộ phận phụ trợ
cho khung đỡ.
Bình sinh hơi PGV-1000 được thiết kế là một thùng hình trụ nằm ngang, có
chiều dài 13820 mm với đường kính trong là 4200 mm. Hai đầu có hình elip được hàn
kín. Thùng của bình sinh hơi chứa các bộ gom nước vòng sơ cấp, bề mặt trao đổi nhiệt

và các bộ phận bên trong. Thùng được chế tạo từ thép 10ГН2МФА. Bộ ống góp chất
làm mát vịng sơ cấp là một ống hình trụ đứng có thành dày với đường kính và bề dày
khơng đồng nhất. Chiều cao tổng cộng của ống là 5100 mm, đường kính cực đại là
1176 mm và bề dày 171 mm. Bộ ống góp được chế tạo bằng thép 10ГН2МФА. Bề mặt
bên trong được tráng lớp vật liệu bảo vệ chống ăn mịn. Bộ ống góp có 10978 lỗ với
đường kính 16.25 mm bên trong phần hình trụ trung tâm để lắp
4


ráp với các ống trao đổi nhiệt. Bộ trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống có kích thước
16x1.5 mm, được chế tạo từ thép 08KH18N10T. Các ống trao đổi nhiệt được uốn
cong thành hình chữ U và lắp ráp thành bó ống. Các ống trong bó được đặt kiểu
hành lang với khoảng cách theo phương thẳng đứng là 22 mm và khoảng cách theo
phương ngang là 24 mm. Các ống được xếp nghiêng so với các bộ góp (20 mm theo
chiều dài) giúp có thể xả nước dễ dàng ra khỏi ống. Các ống được cố định với bộ
góp bằng cách hàn thành ống với bề mặt trong của bộ góp với độ sâu của mối hàn
khơng nhỏ hơn 1.4 mm.

Hình 1.2. Bình sinh hơi [3]
Khi bình sinh hơi hoạt động thì các thơng số được miêu tả như bảng 1.2 [2]:
Bảng 1.2. Các thơng số bình sinh hơi
Thơng số
Áp suất tại lối ra SG, MPa
0

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG, C
0

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG, C
0

Nhiệt độ nước cấp, C
0

Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, C
Độ ẩm hơi tại lối ra SG, %
Bình sinh hơi có phương ngang được sử dụng trong nhà máy VVER, có một
số ưu thế so với các bình sinh hơi loại khác. Thiết kế này chú trọng đến việc đảm
bảo an toàn cho nhà máy, với các đặc điểm như sau [3]:

5


Tốc độ bay hơi trên trên bề mặt thấp (0.2 – 0.3 m/s) cho phép sử dựng một
mơ hình tách hơi đơn giản nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu độ ẩm của hơi.
Giảm tốc độ trung bình của vịng thứ cấp (0.5 m/s), làm giảm sự dung động
của các ống trao đổi nhiệt.
Tỷ lệ giữa độ dày thành ống và đường kính của ống trao đổi nhiệt cao hơn
so với các thiết kế trước, tránh được khả năng vỡ ống trao đổi nhiệt trong suốt q
trình vận hành.
Các bộ góp hình trụ thẳng đứng của vịng sơ cấp cho phép tránh được sự ứ
đọng nước trong bộ góp, giảm sự hư hại tại những chỗ uốn khúc.
Bình sinh hơi nằm ngang làm tăng khơng gian tích trữ nước trong vịng thứ
cấp so với kiểu bình sinh hơi thẳng đứng. Điều này làm tăng khả năng làm mát khi
xảy ra sự cố kèm theo sự mất khả năng cung cấp nước của đường nước cấp khẩn
cấp tới bình sinh hơi.
Ưu điểm quan trọng của bình sinh hơi nằm ngang là có thể ứng dụng một
mơ hình sấy hơi kiểu bậc thang, điều đó cho phép duy trì nồng độ các tạp chất
khơng thể hịa tan thấp hơn nồng độ cân bằng trong nước xả.
Bình sinh hơi cung cấp khả năng tuần hồn tự nhiên trong vịng sơ cấp

thậm trí cả trong trường hợp mức nước tụt thấp hơn mức đặt các hàng ống phía trên.
Thiết kế nằm ngang cung cấp một lối vào thuận tiện trong tiếp cận tới hệ
thống ống để thanh tra, kiểm tra, bảo trì, bão dưỡng.
Việc bố trí các bó ống trao đổi nhiệt có dạng hành lang bao quanh cho phép:
Tăng tốc độ tuần hoàn trong các bó ống, giúp giảm thiểu tốc độ phát triển
của các lắng cặn trong ống trao đổi nhiệt và giảm nồng độ các chất ăn mòn trong hệ
thống, điều này giúp giảm thiểu xác suất sai hỏng do ăn mòn trong các ống trao đổi
nhiệt.
Dễ dàng ra vào không gian chứa các ống trao đổi nhiệt để kiểm tra và làm
sạch khi cần thiết.
Tăng khơng gian bên trong bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất lắng đọng.
Việc sử dụng bình sinh hơi nằm ngang cịn giúp giảm thiểu chiều cao nhà lị, do đó
cải tiến khả năng chống chịu địa chấn của hệ thống.
PGV-1000 thiết kế dựa trên ngun tắc thiết kế bình sinh hơi của lị VVER440 với một số thay đổi. Đặc biệt là vật liệu của ống dẫn đã được thay đổi, thép không
gỉ austenit 08CHL8N10T được thay thế bằng thép hợp kim thấp 10ГН2МФА với tính
chất cơ học (độ bền kéo) cao hơn. Trái ngược với tiền nhiệm của nó, bình sinh

6


hơi PGV-1000 bị một số vấn đề, đặc biệt là nứt trong “cold leg”. Trong giai đoạn
1986-1991, một số bình sinh hơi đã được thay thế do các vấn đề về nứt. Người ta đã
thực hiện các nghiên cứu để xác định nguyên nhân của sự xuống cấp và kết quả cho
thấy rằng sự kết hợp của các yếu tố như tải trọng thiết kế và vận hành cùng với ảnh
hưởng hóa học của nước chính là ngun nhân gây ra thiệt hại đó. Từ đó, một số biện

pháp khắc phục đã được đề ra và thực hiện tại các nhà máy cũng như thiết kế các
bình sinh hơi cho các nhà máy đang được xây dựng [5].
1.2.3. Thép pearlit 10ГН2МФА trong bình sinh hơi
Thép 10ГН2МФА (10GN2MFA) được sản xuất bởi công ty

Vitkovice 1 và đã được sử dụng làm vật liệu kết cấu cho thiết bị NMĐHN
của Liên Xô cũ từ năm 1974 [5]. Thép 10ГН2МФА là một loại thép hợp kim
thấp (có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%), được sử dụng
chế tạo thùng bình sinh hơi, bộ ống góp… . Do những ưu điểm về độ bền, độ
cứng, độ dẻo, độ dai va đập cao, tính chịu nhiệt và chịu ăn mịn tốt do vậy
thép pearlit được ứng dụng trong NMĐHN. Thành phần hóa học của thép
pearlit 10ГН2МФА theo tỉ lệ % như trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của thép 10ГН2МФА, tỉ lệ % [6]
C
Min

0.08

Max

0.12

1.2.4. Môi trường làm việc của bình sinh hơi
Mơi trường nhiệt độ cao, áp suất cao: Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ
rất cao. Trong vịng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng (inlet) là 593.15±3.50 K,
áp suất khoảng 15.7±0.3 MPa nên nước ở thể lỏng. Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng
hơi là 552 K tại áp suất 6.28±0.20 MPa nước tồn tại ở dạng hơi. Nước ở vòng thứ
cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt thì xảy ra sự sơi của nước [2].
Mơi trường phóng xạ lớn: Neutron, các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân
ở trạng thái kích thích được sản sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo
ra môi trường trong lị có hoạt độ phóng xạ rất cao (các tia phóng xạ là n, α, β, γ).
Các tia phóng xạ có tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến
đổi cấu trúc trong vật liệu.
H2, O2⁻, H.

Các chất hóa học: Do trong lị có hoạt độ phóng xạ cao, khi nước bị chiếu xạ sẽ bị phân hủy thành ion và chất oxy hóa nguy hiểm như •OH, H 2O2, O2,

7


Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với mơi trường xung quanh
theo các phương trình sau:
O2
H2O2 + 2H⁺ + 2e⁻

+ 2H⁺ + 2e⁻





H2O2

2H2O

H2
H2⁺





H2⁺ + e⁻

2H+ +e⁻

H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra mơi trường oxy hóa dẫn đến sự
ăn mịn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ [2].
TĨM TẮT CHƯƠNG 1
Trong chương 1 ta đã tìm hiểu được các vấn đề như sau:
Tổng quan về LPƯHN và các loại LPƯHN phổ biến.
Tìm hiểu về LPƯHN VVER-1000.
Cấu trúc và các thơng số cơ bản của bình sinh hơi trong NMĐHN loại lị
VVER-1000.
Giới thiệu về thép pearlit 10ГН2МФА.
Phân tích và tìm hiểu về mơi trường làm việc trong bình sinh hơi.

8


CHƯƠNG 2 - SỰ NỨT DO MƠI TRƯỜNG ĂN MỊN VÀ ỨNG SUẤT
TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
2.1. Tổng quan về nứt do mơi trường ăn mịn và ứng suất
“Nứt do mơi trường ăn mịn và ứng suất (SCC)” là thuật ngữ để diễn tả sự
hỏng hóc xảy ra chậm trong quá trình làm việc của vật liệu kỹ thuật, gây ra sự lan
truyền vết nứt. Sự lan truyền vết nứt là kết quả của sự kết hợp giữa tương tác ứng
suất và các phản ứng ăn mịn hóa học. Các ứng suất kéo của SCC có thể là các ứng
suất dư trong quá trình chế tạo hoặc ứng suất được hình thành trong quá trình làm
việc của thiết bị. Trong một số hợp kim hoặc môi trường, SCC xảy ra tại ứng suất
dưới điểm giới hạn của vật liệu. SCC là hình thức ăn mịn bên trong và tạo ra sự
giảm độ bền mà không gây ra mất mát kim loại lớn. Nó gây ra sự hỏng hóc và giịn
nhanh chóng của thép mà khơng có dấu hiệu báo trước vì thế nó được coi là cực kỳ
nguy hiểm. Một số thảm họa lớn xảy ra với nguyên nhân là do SCC của thiết bị thép
bao gồm: vỡ các đường ống truyền khí áp cao, các vụ nổ lị hơi gây thiệt hại nghiêm
trọng trong các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu. Vết nứt SCC có thể là nứt do gãy

liên kết giữa các hạt (intergranular) hoặc xuất phát từ bên trong các hạt
(transgranular) [7].

Hình 2.1. a. Vết nứt SCC giữa các hạt; b. Vết nứt SCC bên trong các hạt [8]
Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [8]:
Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1.

9


Lan truyền vết nứt giai đoạn 2 hoặc sự lan truyền vết nứt ở trạng thái
ổn định.

-

Lan truyền vết nứt giai đoạn 3 hoặc sự gãy cuối cùng.

Có nhiều cơ chế khác nhau được đề xuất để giải thích tương tác giữa ứng
suất và ăn mòn xảy ra ở đầu vết nứt và có nhiều hơn một q trình gây ra SCC. Cơ
chế được đề suất được chia thành hai loại cơ bản là: cơ chế anot và cơ chế catot.
Tức là trong q trình ăn mịn, hai phản ứng tại anot và catot buộc phải xảy ra, và
hiện tượng này dẫn đến kết quả sự lan truyền vết nứt có thể kết hợp với một trong
hai loại. Cơ chế thể hiện anot rõ ràng nhất là sự hòa tan hoặc loại bỏ vật liệu từ đầu
vết nứt. Cơ chế catot thể hiện rõ ràng nhất là sự khuếch tán, hấp thụ, đánh giá hydro
và tính giịn. Tuy nhiên, một cơ chế cụ thể phải có khả năng giải thích được tốc độ
lan truyền thật sự của vết nứt, hoặc giải thích về hình ảnh của vết nứt. Một số cơ chế
nổi bật được đề cập chi tiết hơn trong phần “cơ chế lan truyền vết nứt” ở chương 2
này. Bằng cách hịa tan, làm tan hóa học hoặc gãy cơ học (ductile or brittle) là
nguyên nhân gây ra sự phá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử ở đầu vết nứt. Cơ
học gãy bao gồm những quá trình phá hủy cơ học bình thường được kích thích hoặc

được gây ra bởi một trong những phản ứng sau đây giữa vật liệu và môi trường [7].
Sự hấp thụ của các loại môi trường
Các phản ứng bề mặt
Phản ứng đầu kim loại của đầu vết nứt
Lớp màng bề mặt (surface films).
Tất cả các cơ chế gãy cơ học được đề xuất chứa một hoặc nhiều phản ứng
trên và đây cũng là một bước cần thiết trong việc xác định quá trình SCC.
Các cơ chế được đề suất cho SCC yêu cầu những quá trình cụ thể hoặc sự
kiện cụ thể xảy ra theo trình tự để sự lan truyền vết nứt là có thể. Các u cầu này
giải thích vùng ổn định (the plateau region) mà ở đó tốc độ lan truyền vết nứt là độc
lập với các ứng suất cơ học được áp vào. Hình 2.2 minh họa đầu vết nứt trong đó sự
lan truyền vết nứt là kết quả từ của phản ứng hóa học với đầu kim loại của vết nứt
đang lan truyền. Ví dụ này được chọn vì nó tối đa hóa các bước có thể xảy ra. Kiểm
tra hình 2.2 cho thấy “các bước xác định tốc độ” có thể bao gồm:
-

H2 chuyển dọc theo vết nứt hoặc ra xa đầu vết nứt
Các phản ứng trong dung dịch gần vết nứt
Sự hấp phụ bề mặt ở hoặc gần đầu vết nứt
Khuếch tán bề mặt
Các phản ứng bề mặt
Hấp thụ vào số lượng lớn

10


-

Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ở đầu vết nứt thêm
Các phản ứng hóa học với số lượng lớn

Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử

Hình 2.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt [7]
Một số thông số môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt trong
môi trường lỏng, bao gồm những thông số sau [7]:
Nhiệt độ
Áp suất
Loại chất tan
Nồng độ hoặc hoạt độ chất tan
pH
Thế năng điện hóa
Độ nhớt dung dịch
Khuấy hoặc trộn
Sự thay đổi bất kỳ tham số nào trên đây đều có thể ảnh hưởng đến “các bước
kiểm soát tốc độ”, hoặc là tăng lên hoặc là giảm đi tốc độ lan truyền vết nứt.
2.2. Khởi tạo SCC
Khởi tạo SCC là khoảng thời gian cần thiết để đạt được điều kiện môi trường
cục bộ ở các khuyết tật. Những khuyết tật này có thể từ các q trình gia công, trầy

11


xước, rỗ hoặc các vết rạn ăn mòn do phá vỡ liên kết. Trước khi bắt đầu quá trình
khởi tạo, các chất hóa học mơi trường cục bộ phải phù hợp cho việc khởi tạo vết nứt
được thiết lập. Giai đoạn này rất quan trọng đối với các vật liệu thụ động hay chủ
động vì mơi trường ở đầu vết nứt khác với môi trường tổng thể và môi trường ở đầu
vết nứt là rất quan trọng cho việc khởi tạo và lan truyền vết nứt. Thời gian này còn
được gọi là “ thời gian cảm ứng (induction)” hoặc là “thời gian ủ bệnh (incubation)”
chiếm phần lớn thời gian trước khi diễn ra sự gãy. Do đó, khởi tạo SCC có thể được
3ơ tả qua hai thơng số [8].

Thời gian ủ bệnh trước khi hình thành vết nứt tinc.
Ngưỡng tới hạn cơ học, được thể hiện dưới dạng ứng suất ngưỡng a 0 (đối
với các bề mặt nhẵn), hoặc là hệ số cường độ ứng suất tới hạn K ISCC (có sự hiện diện
của các vết nứt tồn tại trước đó).
a = 1 Kth 0 F

(2.1)

0

Trong đó:
ΔKth là ngưỡng mỏi do ăn mòn; F là một hằng số; Δσ0 là độ lệch ứng suất bề
mặt
t =
int

Trong đó KISCC là ngưỡng hệ số cường độ ứng suất ăn mòn để cho vết nứt
phát triển đối với đồng thâu trong dung dịch anoniac; σ là ứng suất được áp vào;
σ0 là ứng suất cần thiết để đóng vết nứt; B là hằng số; -V m là thế năng điện
hóa học của mẫu.
Mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng vết nứt và thời gian tại những gian đoạn
khác nhau của sự lan tuyền vết nứt được thể hiện ở hình 2.3. Thời gian ủ bệnh phụ
thuộc vào sự kết hợp giữa vật liệu và môi trường. Đối với mỗi loại kết hợp giữa vật
liệu và môi trường ở trạng thái ổn định thì có thời gian ủ bệnh cụ thể nhưng nếu
trạng thái ổn định này bị phá vỡ bởi một lý do nào đó thì thời gian ủ bệnh có thể
thay đổi. Nghiên cứu trước đây về SCC của thép đã chỉ ra rằng có một giai đoạn ủ
bệnh dài trước khi vết nứt được khởi tạo [9].
Một khi vết nứt được khởi tạo trước thời gian ủ bệnh nó sẽ lan truyền dưới sự
kết hợp giữa mơi trường ăn mịn và ứng suất kéo. Có một số cơ chế lan truyền vết
nứt được mô tả ở phần tiếp theo.

12


Các vết nứt có thể khởi tạo tại các vết trầy xước, các rãnh hoặc các vết lõm
trên bề mặt kim loại với một cường độ ứng suất cao hoặc tại các hóc ăn mịn mà lớp
màn bảo vệ thụ động bị phá hủy. Sự vỡ cục bộ của lớp màng thụ động ở bền mặt
kim loại có thể diễn ra do sự biến dạng dẻo. Ăn mịn điện hóa trong một mơi trường
cụ thể cũng có thể gây ra sự khởi tạo SCC (một điện cực sẽ bị hòa tan, điện cực còn
lại sẽ kết tủa) dẫn đến sự tập trung của ứng suất tại đầu vết nứt bị hòa tan. Các bước
trượt xảy ra ở bề mặt cũng có ảnh hưởng đến sự khởi tạo vết nứt SCC khi lớp màng
thụ động bị hỏng và hình thành các anot cục bộ ở một bên dẫn đến các vết nứt xuất
phát từ các hạt.
2.3. Lan truyền SCC
Một khi quá trình khởi tạo đã diễn ra, sự lan truyền SCC sẽ diễn ra dưới tác
động của môi trường, ứng suất kéo và cấu trúc vi mơ. Hình học vết nứt được duy trì
sao cho đầu vết nứt hoạt động bình thường trong khi tường vết nứt có lớp mạng thụ
động. Tốc độ các bước kiểm soát phổ biến trong cơ chế lan truyền vết nứt là tốc độ
vận chuyển khối lượng trong vùng nứt, tốc độ các phản ứng oxy hóa khử ở đầu biến
dạng vết nứt và ứng xử khơng đàn hồi của vật liệu.

Hình 2.3. Sơ đồ mơ tả ba giai đoạn q trình nứt SCC [9]
•
-

Phản ứng bề mặt tại đầu vết nứt
Các phản ứng anot: oxy hóa, hịa tan, hình thành màng muối.
Các phản ứng catot: khử nước tạo hydro nguyên tử

Hấp thụ: hấp thụ hydro được tạo ra trong các phản ứng catot, hấp thụ các

ion có chứa clo, lưu huỳnh hoặc các chất khác.
13