Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Đánh giá tuổi thọ của thép Austenit 08X18H10T trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000

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

NGUYỄN ĐĂNG THỨC - 1410718

ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA THÉP AUSTENIT 08X18H10T TRONG
BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI VVER – 1000

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA 2014 - 2018


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

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đà Lạt, ngày…...tháng…. năm ……

i


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đà Lạt, ngày…...tháng…. năm ……

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và
Quý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em đã từng học, đã nhiệt tình truyền dạy
kiến thức và tạo mơi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại
trường Đại học Đà Lạt.
Em xin cảm ơn gia đình và các bạn cùng lớp HNK38 đã hỗ trợ và đồng hành
cùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt.
Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn Thị
Nguyệt Hà, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hồn thành khóa luận này.
Lâm Đồng, tháng 12, năm 2018

NGUYỄN ĐĂNG THỨC

iii


DANH MỤC VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ads

adsorb

Hấp thụ

KL

Kim loại

NMĐHN

Nhà máy điện hạt nhân

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò phản ứng áp lực

SCC

Stress Corrosion Cracking

Nứt trong mơi trường ăn mịn và
có ứng suất áp vào

VVER

water-water power reactor

Lò phản ứng nước áp lực

iv


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 .... 2
1.1. Giới thiệu lò VVER-1000 .................................................................................2
1.2. Bình sinh hơi .....................................................................................................3
1.3. Kết luận chương 1 .............................................................................................5
CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ ......... 6
2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu ......................................................................6
2.1.1. Khuyết tật ...................................................................................................6
2.1.2. Khuếch tán ..................................................................................................7
2.1.3. Ứng suất .....................................................................................................8
2.1.4. Nứt ..............................................................................................................9
2.2. Thép không gỉ .................................................................................................10
2.3. Kết luận chương 2 ...........................................................................................13
CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP
AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ................... 14
3.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất ....................................14
3.2. Khởi tạo SCC ..................................................................................................16
3.3. Lan truyền SCC ..............................................................................................18
3.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép khơng gỉ .......................................................20
3.5. Phương pháp tính nồng độ hydro trong thép austenit dưới ảnh hưởng của
clorua .....................................................................................................................24
3.6. Hệ số cường độ ứng suất ................................................................................27
3.7. Kết luận chương 3 ...........................................................................................31

v

CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TỐN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT,
THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỘ MỞ VẾT NỨT
TRUNG BÌNH HẰNG NĂM CỦA THÉP 08X18H10T ...................................... 32
4.1. Kết quả tính tốn hệ số cường độ ứng suất KI ................................................33
4.2. Kết quả tính tốn thời gian làm việc còn lại của thép austenit 08X18H10T ..35
4.3. Kết quả tính tốn độ mở vết nứt trung bình hằng năm ...................................37
4.3. Kết luận chương 4 ...........................................................................................39
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 41

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 ................................... 2
Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi ..................................... 5
Bảng 2.1. Thành phần hóa học (%) khác ngồi sắt (Fe) của một số thép không gỉ.. 12
dùng trong NMĐHN . ............................................................................................... 12
Bảng 4.1. Các thơng số để tính nồng độ hydro có trong thép . ................................. 32
Bảng 4.2. Các thơng số để tính hệ số cường độ ứng suất . ....................................... 32
Bảng 4.3. Kết quả hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ
. .................................................................................................................................. 33
Bảng 4.4. Kết q tính tốn thời gian làm việc cịn lại của thép austenit 08X18H10T
................................................................................................................................... 35
Bảng 4.5. Độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép khơng gỉ. .......................... 37

vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 ............................................. 2
Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi ..................................................................... 4
Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky .......................... 7
Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ ................................ 8
Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 𝜹 ............... 9
Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản ................................................................................... 9
Hình 3.1. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt . ............. 14
Hình 3.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt . ............................................ 16
Hình 3.3. Sơ đồ mơ tả ba giai đoạn q trình nứt SCC ............................................ 18
Hình 3.4. Phân tử nước và phân tử hydroni . ............................................................ 21
Hình 3.5. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt . ........................................... 21
Hình 3.6. Mơ tả trạng thái hydro trong thép khơng gỉ . ............................................ 22
Hình 3.7. Quá trình hình thành các bước trượt tại các nút mạng tinh thể ................. 23
kim loại . .................................................................................................................... 23
Hình 3.8. Các dạng liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại ......................... 23
Hình 3.9. Mơ hình tách CrCl3 ra khỏi thép khơng gỉ ............................................... 26
Hình 3.10. Vùng đàn hồi trên vật liệu . ..................................................................... 28
Hình 4.1. Sự phụ thuộc giữa hệ số cường độ ứng suất theo nồng độ hydro. ............ 34
Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới thời gian dẫn đến hư hỏng................. 36
Hình 4.3. Sự phụ thuộc độ mở vết nứt trung bình hằng năm theo nồng độ clorua ... 38

viii


MỞ ĐẦU
Bình sinh hơi là một trong những bộ phận 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. Việc các ống trao đổi

nhiệt, cũng như lớp vỏ bên trong bình sinh hơi phải làm việc trong những môi
trường rất khắc nghiệt như: mơi trường có tính oxy hóa cao, sự chênh lệch nhiệt độ,
áp suất; có hoạt độ phóng xạ lớn,… Có tác động rất lớn đến khẳng năng làm việc
lâu dài của chúng. Các tác nhân này có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cấu thành chúng,
gây ra các hiện tượng như gãy nứt, ăn mòn, làm giảm tuổi thọ của vật liệu. Vậy nên,
việc đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy cho các thiết bị NMĐHN là cần quan trọng
và cần chú ý trong nghành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, tìm hiểu và nghiên cứu về sự
hình thành và phát triển vết nứt, cũng như tính tốn được thời gian làm việc của vật
liệu (đến khi hư hỏng) là những kiến thức cần thiết chúng ta cần có, nhằm nâng cao
độ an tồn cho các thiết bị NMĐHN.
Mục đích chính của khóa luận này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của clorua
đến nồng độ hydro trong thép austenit 08X18H10T. Từ đó, có thể tính tốn được
tuổi thọ làm việc, hệ số cường độ ứng suất và độ mở vết nứt trung bình hằng năm
của nó bằng các cơng thức bán thực nghiệm.
Khóa luận được trình bày thành 4 chương như sau:
Chương 1- Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000
Chương 2- Các khái niệm về cơ học vật liệu và thép không gỉ
Chương 3- Sự lan truyền SCC trong vật liệu và phương pháp tính hệ số
cường độ ứng suất, tuổi thọ của thép austenit 08X18H10T trong nhà máy điện hạt
nhân
Chương 4- Kết quả tính tốn hệ số cường độ ứng suất, thời gian làm việc
còn lại của vật liệu và độ mở vết nứt trung bình hằng năm của thép 08X18H10T

1


CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000
1.1. Giới thiệu lò VVER-1000
Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị
điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản

sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các
chất tải nhiệt trong lị (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng...) truyền tới thiết bị sinh
điện năng như turbin để sản xuất điện năng [1].

Hình 1.1. Mơ hình nhà máy điện hạt nhân VVER1000 [2]
Bảng 1.1. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 [2]
Tên nhà máy điện hạt nhân

VVER-1000

Loại lò phản ứng

Lò nước áp lực (PWR)

Chất làm mát

Nước nhẹ

Chất làm chậm

Nước nhẹ

Phổ neutron

Neutron nhiệt

Công suất nhiệt

3000.00 MWth

Công suất điện

1060.00 MWe

Hiệu suất nhà máy điện

33.7%

Tuổi thọ trung bình

60 năm

2


1.2. Bình sinh hơi
Bình sinh hơi là bộ phận trao đổi nhiệt được sử dụng để biến đổi nước thành
hơi nước từ nhiệt sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân. Chúng được sử dụng trong các lò
phản ứng nước áp lực (PWR) giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp. Trong các
nhà máy điện thương mại, có hai đến bốn bình sinh hơi cho mỗi lị phản ứng; mỗi
bình sinh hơi có thể có chiều cao lên tới 70 feet (21 m) và nặng tới 800 tấn. Mỗi
bình sinh hơi có thể chứa từ 3000 đến 16000 ống trao đổi nhiệt, mỗi ống có đường
kính khoảng 0.75 inch (19 mm). Chất làm mát (nước) được duy trì ở áp suất cao để
ngăn chặn sự sôi. Truyền nhiệt diễn ra giữa lõi lò phản ứng và nước tuần hồn và
chất làm mát sau đó được bơm qua phía ống chính của máy tạo hơi nước bằng máy
bơm làm mát trước khi quay trở lại lõi lò phản ứng. Qúa trình này được gọi là vịng
sơ cấp. Sau đó nước sẽ được “đun” sơi ở bên trong bình sinh hơi để tạo ra hơi nước,
goi là vòng thứ cấp (nước sẽ được giữ ở áp suất thấp hơn so với vòng sơ cấp). Hơi
nước từ vòng thứ cấp được chuyển đến các tuabin để sản xuất điện. Hơi nước sau
đó được làm lạnh qua nước làm mát và trở về máy phát hơi nước để được đun nóng

một lần nữa. Nước làm mát có thể được tái tuần hồn đến các tháp làm mát, nơi nó
tỏa nhiệt trước khi trở lại để ngưng tụ hơi nước nhiều hơn [1]. Thường thì nước
được dùng cho quá trình làm mát của các NMĐHN có thể được cung cấp bởi một
con sơng, hồ, hoặc đại dương.
Các vịng lặp này cũng có vai trị an tồn quan trọng vì chúng tạo thành một
trong những rào cản chính giữa các mặt phóng xạ và khơng phóng xạ của nhà máy
bởi vì chất làm mát sẽ bị “nhiễm” phóng xạ khi tiếp xúc với lõi trong q trình làm
mát lị phản ứng [1]. Vì vậy, tính an tồn của các ống làm mát và thành bình sinh
hơi cần được ưu tiên lên hàng đầu. Cần tiến hành quan sát và kiểm tra thường xuyên
để phát hiện có sự hư hỏng vật liệu hay khơng, tránh lan truyền chất phóng xạ ra
mơi trường.
Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tơi luyện, đáy đúc hình elip và các vịi
được hàn vào. Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên trong
từ vòng sơ cấp. Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5
cm mỗi ống được bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 1.2. Các bó ống
được kết nối với bộ thu vịng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quang
điện argon trên bề bên trong của bộ thu. Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ
austenitic.

3


Các bộ thu vòng sơ cấp được thế kế để chất làm mát phân phối nhiệt cho ống
trao đổi nhiệt. Bề mặt trong của bộ thu được phủ hai lớp chống ăn mòn. Tấm phân
phối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi.
Tấm có lỗ được bố trí dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc
cân bằng lượng hơi. Bên trong bình sinh hơi, gần đáy thùng, do sự sắp xếp thích
hợp của bộ nước cấp và bộ thổi của bình sinh hơi nên tạo ra các điều kiện cho sự
tích tụ nước với muối và các tạp chất khác.
Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động

năng tốt cho tồn bộ nhà lị trong các trường hợp mất nước cấp [2].

Hình 1.2. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi
1. Thùng bình

8. Bộ phận cấp nước trong trường hợp

2. Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm

khẩn cấp
9. Vòi phun hơi nước

3. Vòi phun xuống

10. Ống phun hơi nước

4. Ống trao đổi nhiệt

11. Vòi phun nước cấp trong trường

5. Bộ phận phân tách

hợp khẩn cấp

6. Máy bơm nước cấp chính

12. Lối vào bình sinh hơi.

7. Vịi phun tách khí

4


Bảng 1.2 Cho biết một số thông số kỹ thuật chính của bình sinh hơi trong nhà
máy điện hạt nhân VVER-1000 (cập nhất lần gần nhất 2010)
Bảng 1.2. Một số thơng số kỹ thuật chính của bình sinh hơi [2]
Thơng số

Giá trị

Công suất hơi (t/h)

1470

Áp suất tại lối ra SG (MPa)

6.27

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

321

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

291

Nhiệt độ nước cấp (0C)

220

Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt (0C)

164

Độ ẩm hơi tại lối ra SG (0C)

0.2

1.3. Kết luận chương 1
Trong chương 1 chúng ta tìm hiểu một số vấn đề như sau:
- Khái niệm về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 và một số thông số cơ bản.
- Giới thiệu tổng quan về bình sinh hơi: cấu tạo, môi trường làm việc, nguyên
lý hoạt động và một số thơng số kỹ thuật chính.

5


CHƯƠNG 2- CÁC KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ THÉP KHÔNG GỈ
2.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu
Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật
liệu rắn chịu lực. Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liên
quan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do mơi
trường ăn mịn và ứng suất (SCC), cũng như một số khái niệm cơ bản về vật liệu để
giúp ta dễ hình dung hơn về quá trình nứt gãy, hay ăn mịn do tác động từ mơi trường
đến vật liệu. Đối tượng nghiên cứu chính là thép khơng gỉ.
2.1.1. Khuyết tật
Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể kiểu khuyết tật
Frenkel. Khuyết tật Frenkel là một kiểu khuyết tật biến thể được thêm vào, được biết
đến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen kẽ
trong mạng tinh thể (xem hình 2.1a). Kiểu khuyết tật Frenkel tuân theo các định luật

nhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết tật kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ số
Boltzmann. Một kiểu khuyết tật cũng phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật
Schottky. Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới
tinh thể ra ngồi và xuất hiện một lỗ trong hình 2.1b. Để quá trình xảy ra cần phải
cấp năng lượng Es cho nguyên tử bức ra. Theo các tính chất nhiệt động lực học thì
ln có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạng
lưới tinh thể có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Nó phụ thuộc vào năng lượng
cần thiết để tạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằng
nhiệt [3].
Phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh
thể lý tưởng được cho như sau:
𝑛
𝑁−𝑛

−𝐸𝑠

= 𝑒 𝑘𝐵 𝑇

(2.1)

Trong đó:
kB là hằng số Boltzmann,
n là số lỗ trống trong mạng tinh thể,
Es là năng lượng để bức một nguyên tử ra khỏi liên kết,
T là nhiệt độ tuyệt đối,
N là tổng số nguyên tử có trong mạng tinh thể.
6


Hình 2.1. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [3]

Từ phương trình (2.1) có thể nhận ra rằng, một tinh thể được hình thành ở
nhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng các lỗ trống cao hơn. Nếu tinh thể được làm nguội
một cách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các
vị trí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu. Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinh
thể lớn hơn mức bình thường sẽ bị tiêu hủy bằng tính chất khuếch tán theo thời gian.
Một tinh thể thường có lẫn tạp chất. Các tạp chất là các nguyên tử khác hoàn
toàn và hiện diện trong tinh thể chính hoặc một nguyên tử xếp nhầm vào tinh thể
chính làm phá vỡ tính tuần hồn cục bộ. Các tạp chất chiếm những vị trí mạng bên
trong tinh thể. Những tính chất quan trọng của tạp chất trong tinh thể là tăng cường
độ cứng của vật liệu, ví dụ các nguyên tử carbon được thêm vào như một nguyên tố
hợp kim, nguyên tử carbon sẽ cản trở chuyển động sự rối loạn của các nguyên tử tinh
thể làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim. Các tạp chất cũng có khả năng
khuếch tán bên trong vật liệu [4].
2.1.2. Khuếch tán
Lý thuyết khuếch tán dựa trên định luật Fick, ban đầu định luật này được sử
dụng trong khuếch tán hóa học. Nếu nồng độ của một chất tan trong một vùng của
dung dịch lớn hơn một vùng khác, thì chất tan khuếch tán từ vùng có nồng độ cao
hơn sang vùng có nồng độ thấp hơn. Hơn nữa, tốc độ của dòng chất tan tỷ lệ với
gradient của nồng độ chất tan. Đây là phát biểu gốc của định luật Fick [3].
Với nồng độ gradient của khuyết tật hiện diện bên trong vật liệu, những điểm
khuyết tật này bắt đầu khuyết tán là kết quả của định luật 2 nhiệt động lực học dưới
sự ràng buộc của kiểu khuếch tán cần có đủ năng lượng để vượt quá rào cản thế năng
phát sinh từ môi trường xung quanh. Do vậy, sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ
vật liệu và năng lượng cần thiết (gọi là năng lượng kích hoạt để tạo ra một sự chuyển

7


đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác). Dịng hạt 𝐽𝑁𝑑 của hạt
được cho bởi định luật Fick [3]:

𝐽𝑁𝑑 = −𝐷∇𝑁𝑑

(2.2)

Trong đó:
D là hệ số khuếch tán,
∇ là hướng khuếch tán,
Nd là nồng độ hạt.
Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau:
−𝐸𝑑

D=𝐷𝑜 𝑒 𝑘𝐵 𝑇

(2.3)

Trong đó:
Ed là năng lượng kích hoạt,
T là nhiệt độ khuếch tán,
Do là một hằng số.
2.1.3. Ứng suất
Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ đang chịu tải với
cường độ lực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 2.2). Trong
thanh sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn
trục. Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để
mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm. Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết
diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thể được mơ tả bằng ứng suất trung bình đối
với tiết diện này [5]. Vì vậy:
=±

𝑃

(2.4)

𝐴′

Theo quy ước dấu “-” thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh.

Hình 2.2. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [6]

8


Hình 2.3. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài 𝜹 [6]
Thứ nguyên của ứng suất là lực/(chiều dài)2, đơn vị thường dùng N/m2 (Pa –
Pascal), MN/m2 (MPa – Mega Pascal).
Ứng suất gây ra sự biến dạng của vật liệu. Khi áp dụng lực (và đó cũng là ứng
suất) dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo (nén) dài ra (co lại) như hình 2.3.. Độ
biến dạng 𝜀 được cho bởi:
𝜀=

𝛿

(2.5)

𝐿𝑜

Trong đó:
δ là chiều dài biến dạng,
L0 là chiều dài ban đầu của thanh.
2.1.4. Nứt

Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại
lực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của
các hạt (transgranular). Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãy
intergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [5].
Có ba dạng nứt cơ bản được mơ tả trong hình 2.4.

Hình 2.4. Các dạng nứt cơ bản [4]

9


Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy.
Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu
có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giịn.
Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các
vết rỗ tồn tại từ trước. Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặt
của các vết rỗ là khơng thể tránh được trong q trình xử lý và chế tạo vật liệu.
Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xác
định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu. Dạng nứt gãy tách (hình 2.4a) là dạng
thường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất của
dạng nứt gãy tách.
Hệ số cường độ ứng suất là hàm của tải (loading), kích thước vết nứt và cấu
trúc hình học của vết nứt. Hệ số này được thể hiện ở công thức (2.6):
𝐾 = 𝜎√𝜋𝑎𝛽

(2.6)

Trong đó:
K: độ bền gãy nứt (MPa√𝑚),
𝜎: là ứng suất vật liệu (MPa)

a: độ dài vết vết nứt (m),
𝛽: hằng số phụ thuộc vào vật liêu.
2.2. Thép không gỉ
Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi
(võ bình, ống trao đổi nhiệt…) là thép khơng gỉ. Đặc tính của thép này là khơng
những có crơm cao (>16 - 18%) mà còn chứa niken cao (≥ 6 - 8%) là nguyên tố mở
rộng đủ để thép có tổ chức austenite, vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo
vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động, lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành
chủ yếu bởi kim loại crơm. Nó cịn có tên gọi là thép họ 18 - 8 (> 18%Cr, > 8%Ni)
được sử dụng nhiều nhất và chiếm tỷ lệ áp đảo trong thép khơng gỉ (ở Mỹ là 70%) là
do có các tính chất chống ăn mịn, cơng nghệ và cơ tính tốt.
Về tính chống ăn mịn, ngồi HNO3 nó có thể chịu được H2SO4 (với mọi nồng
độ và ở nhiệt độ thường), HCl (lỗng và ở nhiệt độ thường) [7].
Mơi trường làm việc của thép trong bình sinh hơi rất khắc nghiệt, chịu nhiều
tác động như:
10


- Mơi trường nhiệt độ cao, áp suất cao:
Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu
vào chân nóng (inlet) là 563.15 ± 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 536 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 mơi 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 [4].
- Q trình ion hóa

Do trong lị phản ứng 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-, H2O2, Cl-, H+, H-. Các ion
và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các
phương trình sau:
O2 + 4e + 2H2O → 4OH-

(2.7)

2H2O → O2 + 4H+ +4e

(2.8)

O2 + 4e + 2H2O → 4OH-

(2.9)

O2 + 2H+ +2e- → H2O2

(2.10)

2Cl- → Cl2 + 2e-

(2.11)

H2O2,, Cl- là những chất oxy hóa mạnh, có khả năng ăn mịn vật liệu mạnh, vì
vậy việc kiểm sốt hàm lượng các ion như H-, Cl- là rất quan trọng trong việc chống
ăn mịn vật liệu bên trong bình sinh hơi.
Để nâng cao tính chống ăn mịn phải làm cho thép có tổ chức một pha austenit
đồng nhất, khơng cho phép có cacbit crơm. Tiến hành austenit hóa bằng cách nung
đến nhiệt độ cao (1050 – 1100oC) để cacbit hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm

nguội nhanh để cố định tổ chức này. Thao tác này trong thực tế vẫn quen gọi là tơi vì
về hình thức cơng việc nó giống hệt tôi thông thường, song cần chú ý là nó khơng tạo
ra mactenxit cứng như khi thực hiện với thép kết cấu, dụng cụ, mà cố định tổ chức
một pha austenit đồng nhất nên có tính chống ăn mịn tốt nhất [7].

11


Bảng 2.1. Thành phần hóa học (%) khác ngồi sắt (Fe) của một số thép không gỉ
dùng trong NMĐHN [7].
Loại thép

C

Cr

Ni

Mn

Khác

12X18H9

0.12

17.0 – 19,.0

8.0 – 10.0

2,.0

08X18H10

0.08

17.0 – 19.0

09.0 – 11.0

1.0 – 2.0

08X18H10T

0.08

17.0 – 19,.0

8.0 – 11.0

2.0

Ti5.C+0.8

12X18H9T

0.12

17.0 – 19.0

8.0 – 11.0

2.0

Ti5.C+0.8

Các biện pháp giúp giảm q q trình ăn mịn thép khơng gỉ giữa các mối
hàn:
- Giảm lượng cacbon xuống dưới 0,08% (08X18H10, 08X18H10), nếu giảm
xuống 0.03-0.04% thì càng tốt, tuy nhiên rất khó để làm được điều này vì chi phí tốn
kém
- Hợp kim hóa thêm bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như titan (Ti), niobi
(Nb), tantan (Ta) với lượng vừa đủ để liên kết hết cacbon của thép thành cacbit tương
ứng, do đó khơng thể hình thành cacbit crơm khi nung nóng. Ví dụ: lượng titan đưa
vào ít nhất phải gấp 5 lần lượng cacbon (C) thực tế có trong thép và nhiều nhất cũng
khơng q 0,80% [7].
Ngồi ra để cải thiện tính ăn mịn vật liệu do ion Cl- bên trong bình sinh hơi,
người ta có thể thêm nguyên tố Molynden (Mo) vào trong quá trình luyện thép [7].
Tuy nhiên, để có thể dùng được số lượng lớn, đảm bảo tính chống ăn mịn vật liệu tốt
ở mơi trường có hoạt độ phóng xạ khơng q cao, thì việc sử dụng thép 08X18H10
vẫn là sự lựa chọn có tính khả thi nhất. Trong khóa luận này, sẽ tập trung chủ yếu về
loại thép không gỉ 08X18H10 này.

12


2.3. Kết luận chương 2
Trong chương 2 đã tìm hiểu các vấn đề như sau:
- Khái niệm cơ bản về thép không gỉ và phân loại từng loại.
- Môi trường làm việc của thép khơng gỉ 08Х18Н10Т bên trong bình sinh

hơi.
- Cách tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu (về mặt thành phần hóa
học).
- Cung cấp một số khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu, giúp dễ hiểu hơn
trong việc tìm hiểu SCC và cách tính toán hệ số cường độ ứng suất.

13


CHƯƠNG 3- SỰ LAN TRUYỀN SCC TRONG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP TÍNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT, TUỔI THỌ CỦA THÉP
AUSTENIT 08X18H10T TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
3.1. 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 lò 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). Hình 3.1 cho thấy SCC giữa các hạt và trong các hạt. Cơ chế SCC có
thể khác nhau đối với các kết hợp hợp kim / mơi trường khác nhau [8].

Hình 3.1. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [9].

Quá trình SCC thường được chia thành ba giai đoạn [9]:
- Khởi tạo và lan truyền vết nứt giai đoạn 1.
- 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.
14


Có nhiều cơ chế khác nhau được đề xuất để giải thích tương tác giữa ứng suất
và ăn mịn xảy ra ở đầu vết nứt và có nhiều hơn một quá 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 II 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 [8].
- 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 3.2 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 3.2 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
- Khuếch tán một lượng lớn tới vùng dẻo ở đầu vết nứt thêm
- Các phản ứng hóa học với số lượng lớn

15


- Tốc độ phân rã liên kết nguyên tử

Hình 3.2. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt [4].
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:
- 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 sốt tốc độ”, hoặc là tăng lên hoặc là giảm đi tốc độ lan truyền vết nứt.
3.2. 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 cơng, trầy
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

16