Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY RA HƯ HỎNG CỦA ỐNG SINH HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN INVESTIGATION AND ESTIMATION OF THE CAUSES OF FAILURE FOR BOILER TUBES IN THERMAL POWER PLANTS Lê Thị Giang Khoa Cơ Khí, Đại học Thủy Lợi, Hà Nội, Việt Nam ltgiang@tlu.edu.vn TÓM TẮT Ống sinh làm từ thép cacbon SA 210 C sử dụng nhà máy nhiệt điện Môi trường làm việc thường xuyên có nhiệt độ cao ống bắt đầu hư hỏng sau thời gian sử dụng năm Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng suy thoái tổ chức tế vi, ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay nhiệt Bài báo trình bày số kết nghiên cứu tổ chức tế vi trạng thái ủvà trạng thái làm việc, khảo sát đánh giá số dạng hư hỏng cách sử dụng thiết bị hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét kết hợp với phân tích phổ EDS; đồng thời xác định chiều dày định mức cho phép nhằm dự đoán nguy hư hỏng xảy ống sinh Từ khóa: ống sinh hơi, tổ chức tế vi, ăn mòn, ăn mòn xói mòn, chiều dày định mức ABSTRACT The boiler tubes that are made of carbon steel SA 210C, used in thermal power plants and operated at high temperatures for long time In this study, the failure of boiler tubes appear after years-service There are many causes of failure such as microstructural degradation, corrosion, erosion-corrosion, or overheating This paper introduces some results of research about the microstructure in annealing and in working status, investigation and estimation some failures by using light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy analysis (EDS) Concurrently, predicting the risk of failure for the boiler tubes which was carried out through determining the minimum admissible thickness Keywords: boiler tube, microstructure, corrosion, erosion-corrosion, admissible thickness ĐẶT VẤN ĐỀ Ống sinh phận cấu tạo nên lò hơi, nơi mà bên xảy trình nước hóa Hỗn hợp hạt lỏng bị theo theo ống sinh lên tập trung vào bao để tách tối đa khỏi hạt lỏng Hơi bão hòa thu vào nhiệt để chuyển đổi thành nhiệt có nhiệt độ cao vào ống góp để sang tuabin phận biến đổi nhiệt thành làm quay tuabin kéo máy phát để sản xuất điện Thép SA 210 C dùng để làm ống sinh với nhiệt độ ống khoảng 300 – 400 C [1], nhiệt độ ống kim loại khoảng 350oC [2] Đối với nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, điều kiện làm việc với nhiệt độ bên ống (phía buồng đốt) 900oC, nhiệt độ bên ống 540oC Như vậy, điều kiện làm việc nhiệt độ cao sau thời gian tượng hư hỏng ống sinh làm từ thép cacbon thấp thường xảy nhanh so với thời gian thiết kế Đã có nhiều nghiên cứu gần cho thấy ống sinh hư hỏng sớm số nguyên nhân mỏi nhiệt, ăn mòn, ăn mòn xói mòn…[1-6] o 561 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong báo nàytrình bày số kết nghiên cứu thực nghiệm dạng hư hỏng thường xảy ống sinh kết nghiên cứu tổ chức tế vi thép trạng thái cân trạng thái sau năm sử dụng phân tích thành phần kết tủa xuất bề mặt bên ống để làm rõ nguyên nhân gây hư hỏng sớm Đồng thời, báo sử dụng công thức xác định chiều dày định mức theo TCVN 7704: 2007 để tính toán chiều dày tối thiểu cho phép áp dụng trường hợp cụ thể nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh từ đề phương án khắc phục Ngoài ra, nhà máy Nhiệt điện khác sử dụng công thức để tính toán chiều dày tối thiểu cho phép ống sinh biết áp lực bên ống đường kính ống, từ dự đoán nguy hư hỏng ống xảy chiều dày ống lúc kiểm tra nhỏ chiều dày định mức cho phép PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị mẫu Thép dùng làm ống sinh sử dụng trình nghiên cứu thép SA 210 C có thành phần hóa học theo khối lượng bảng có tính chất học bảng [7] Mẫu thép sử dụng làm thí nghiệm thuộc phần phía đường ống sinh nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh Kích thước đường ống sinh hơi: Ø63,5 x (mm) Bảng 1: Thành phần hóa học thép SA 210 C Thành phần hóa học (theo khối lượng, %) Vật liệu SA 210 C C Mn Si P S ≤ 0,35 0,29 ÷ 1,06 ≥ 0,10 ≤ 0,048 ≤ 0,058 Bảng 2: Tính chất học thép SA 210 C nhiệt độ phòng Vật liệu Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ dãn dài (%) SA 210 C ≥ 485 ≥ 275 ≥ 30 2.2 Thiết bị đo Cấu trúc tế vi mẫu thép nghiên cứu kính hiển vi quang học Mục đích dùng để quan sát thay đổi tổ chức tế vi trạng thái cung cấp trạng thái làm việc, đồng thời cho thấy hướng phát triển vết nứt Kết hợp phương pháp nghiên cứu hiển vi điện tử quét (SEM) phân tích phổ (EDS) cho phân tích mẫu thép ống sinh bị hư hỏng để nghiên cứu: - Tổ chức tế vi - Phân tích thành phần kết tủa xuất bề mặt Mẫu mài giấy ráp đến độ nhám 2000, sau đánh bóng dung dịch oxit crôm sử dụng dung dịch tẩm thực cho thép SA 210 C theo tiêu chuẩn ASTM E 407 hỗn hợp (HNO + C H OH) theo tỷ lệ 1:20 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Một số dạng hư hỏng ống sinh Khảo sát nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh cho thấy số dạng hư hỏng thường xảy ống sinh (hình 1) Hình 1a, 1b hình ảnh phần ống cắt 562 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV từ ống sinh chưa sử dụng sau năm sử dụng, ta thấy ống sinh qua sử dụng vật liệu ống bị thoái hóa, xuất gỉ màu nâu sẫm đường ống Hư hỏng ống sinh dạng “miệng cá” xảy thiếu nước bên đường ống Trong bên đường ống tiếp xúc với nhiệt độ buồng đốt cao làm nhiệt độ ống kim loại tăng cao lên dễ dẫn đến tượng hư hỏng nhiệt (hình 1c) Bên cạnh dạng hư hỏng hư hỏng dạng xói mòn thường hay xảy ra, nguyên nhân chuyển động tương đối dòng khí nóng bên buồng đốt với bề mặt vật liệu ống sinh tăng lên làm tốc độ xói mòn tăng lên dẫn đến trình phá hủy bề mặt xảy (hình 1d) Đặc biệt, trình xói mòn mãnh liệt bột than cháy không hoàn toàn buồng đốt lò hơi, lúc hạt bột than va chạm cọ sát vào bề mặt ống sinh làm cho trình phá hủy bề mặt xảy nhanh Hư hỏng dạng ăn mòn xói mòn xảy bên đường ống (hình 1e) chất lượng nước cấp vào lò [8] Dưới nhiệt độ áp suất, thành phần nước hòa tan chuyển thành chất rắn dạng hạt dạng tinh thể dạng vô định hình vượt ngưỡng hòa tan thành tố nước, cặn bám xuất bên đường ống Ngoài ra, nước bị nhiễm bẩn bọt hình thành bề mặt khối nước bị phần lôi theo Những cặn bám làm tăng nhiệt độ ống sinh dẫn tới nhiệt vật liệu làm giảm độ bền hư hỏng đường ống [9] a) Ống chưa sử dụng b) Ống sau năm sử dụng c)Hư hỏng dạng “miệng cá” d) Xói mòn bề mặt e) Ăn mòn xói mòn Hình 1: Hình ảnh ống sinh chưa sử dụng, sau sử dụng số dạng hỏng thường xảy 3.2 Nghiên cứu tổ chức tế vi Tổ chức tế vi thép SA 210 C trạng thái cân bao gồm ferit có màu sáng peclit có màu tối (hình 2) [10] Từ ảnh tổ chức tế vi chụp kính hiển vi điện tử quét (hình 4), ta thấy tổ chức peclit có dạng phân bố đan xen với tổ chức ferit 563 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Quan sát tổ chức tế vi bề mặt bề mặt (hình 3a, c), ta thấy bề mặt bề mặt có xuất vết nứt Hình 2: Tổ chức tế vi trạng thái cân (x500) b) Vị trí ống a) Bề mặt bên ống c) Bề mặt bên ống Hình 3: Ảnh hiển vi quang học tổ chức tế vi thép sau năm sử dụng (x500) Phương pháp hiển vi điện tử quét phân tích phổ EDS cho thấy xuất lớp kết tủa bề mặt bên đường ống với thành phần cấu tạo lớp kết tủa tìm thấy gồm Fe, O, Mn, Si (hình 5) Các hợp chất Fe Mn tạo lớp kết tủa có màu vàng nhạt, sau tiếp xúc với oxy tạo lớp kết tủa màu nâu (hình 1) Mặt khác, nhiệt độ cao (400 – 600oC) xảy phản ứng Si với O tạo oxit SiO không tan nước tạo kết tủa, 564 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV kết tủa gây tắc nghẽn đường ống, tạo thành lớp cách nhiệt cản trở trao đổi nhiệt gây nên tình trạng nồi nhiệt làm nứt đường ống kim loại Hình 3b cho thấy tổ chức tế vi phía bề đường ống bị suy thoái nhiệt Đồng thời, ống sinh làm việc môi trường nhiệt độ cao (bên nhiệt độ buồng đốt 900oC, bên nhiệt độ 540oC), phản ứng oxy hóa Fe H O xảy mãnh liệt gây hư hỏng hydro theo phản ứng sau (hình 3c): 3Fe + 4H O → Fe O + 4[H]; Si + O → SiO Như vậy, để khắc phục nguyên nhân hư hỏng ăn mòn hóa học nhiệt độ ống sinh làm vật liệu thép không gỉ SUS 304L 306L Đây loại thép có hàm lượng cacbon thấp làm giảm nguy mẫn cảm cải thiện khả chống ăn mòn mối hàn, đồng thời thành phần thép không gỉ có hàm lượng molipden cao làm tăng tính chống ăn mòn hóa học crôm có thép tạo lớp mỏng ôxit Cr O vững bao phủ bề mặt thép làm tăng khả chống ăn mòn độ bền nhiệt độ cao Ngoài thép không gỉ đáp ứng yêu cầu làm việc có số loại thép hợp kim T11 (1% Cr), T22 (2,25% Cr – 1% Mo) a) x1000 b) x2000 Hình 4: Ảnh hiển vi điện tử quét tổ chức tế vi thép sau năm sử dụng Hình 5: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phân tích phổ (EDS) phần bị kết tủa bề mặt bên đường ống 3.3 Xác định chiều dày định mức cho phép Theo TCVN 7704: 2007, nồi cần phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật thiết kế, kết cấu chế tạo, lắp đặt, sử dụng sửa chữa Ta có chiều dày định mức cho phép ống sinh hơi, chịu áp lực bên xác định công thức sau: S= P.Dn 2.φ.σcp +P + C(mm) (*) 565 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó: S: Chiều dày tối thiểu cho phép (mm) P: Áp lực bên đường ống(P = 1,8 kg/mm2) D n : Đường kính ống (D = 63,5 mm) φ: Hệ số bền mối hàn học thân (ống thép đúc nên φ =1) σ cp : Ứng suất cho phép SA 210 C(σ cp = 33,2 kg/mm2), tra bảng [11] C: Trị số bù chiều dày (C = mm) Thay thông số vào công thức (*), ta được: S = 2,68 mm Như vậy, để điều kiện bền đảm bảo chiều dày tối thiểu đường ống sinh 2,68 mm Để dự đoán trước nguy xảy hư hỏng đường ống sinh sử dụng máy siêu âm đo chiều dày đường ống thời điểm khảo sát so sánh với chiều dày định mức tối thiểu Khi chiều dày đường ống S < 2,68 mm xảy hư hỏng, điều khắc phục thực tế cách hàn đoạn ống thay cho đoạn ống với chiều dày nhỏ giá trị S KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu trên, rút số kết luận sau: - Tổ chức tế vi thép SA 210 C trạng thái cân gồm ferit (vùng sáng) peclit (vùng tối) - Sau năm sử dụng, xuất vết nứt tế vi bề mặt bên bề mặt bên đường ống, nguyên nhân trình ăn mòn, ăn mòn xói mòn hay nhiệt - Thành phần kết tủa bề mặt đường ống tìm thấy gồm Fe, O, Mn, Si Trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao, hợp chất nguyên tố tạo thành kết tủa gây cản trở trình trao đổi nhiệt làm nồi nhiệt dẫn đến tượng nứt ống sinh - Kết tính toán rằng, với chiều dày định mức cho phép S ≥ 2,68 mm, điều kiện bền đảm bảo cho ống sinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prabu, S Senthur, et al "Investigation on the Mechanical Properties of SA 210C Tubular Joints." Procedia Engineering 75 (2014): 103-107 [2] Chaudhuri, Satyabrata "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99 [3] Smith, B J., and A R Marder "A metallurgical mechanism for corrosion-fatigue (circumferential) crack initiation and propagation in Cr-Mo boiler tube steels." Materials characterization 33.1 (1994): 45-50 [4] Abou-elazm, A Saad, et al "Failure investigation of secondary super-heater tubes in a power boiler." Engineering Failure Analysis 16.1 (2009): 433-448 [5] Chaudhuri, Satyabrata "Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes—Basic principles and case studies." Materials Science and Engineering: A 432.1 (2006): 90-99 [6] Sami Ibrahim Jafar “Failure Characteristics Of Boiler Pipes In Al-Emsaeb Electric Power Plants” Journal of Babylon University/Engineering Sciences No.(1) Vol.(20): 201 [7] ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States 566 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [8] A.Galerie, Nguyễn Văn Tư, “Ăn mòn bảo vệ vật liệu”, NXB KHKT, số 486-6918/7/2002, 9-2002, tái có bổ sung 3-2008 [9] Các vấn đề thường gặp lò hơi: http://longtruongvu.vn/cac-van-de-thuong-gaptrong-lo-hoi/ [10] Lê Công Dưỡng, “Vật liệu học”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 [11] The American Society of Mechanical Engineers, “2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Part D – Properties”, Three Park Avenue, New York, NY, 10016 USA THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ ThS Lê Thị Giang Bộ môn Công Nghệ Cơ Khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi Email: ltgiang@tlu.edu.vn Tel: 0917.075.016 567 ... đường ống tiếp xúc với nhiệt độ buồng đốt cao làm nhiệt độ ống kim loại tăng cao lên dễ dẫn đến tượng hư hỏng nhiệt (hình 1c) Bên cạnh dạng hư hỏng hư hỏng dạng xói mòn thường hay xảy ra, nguyên nhân. .. kính ống, từ dự đoán nguy hư hỏng ống xảy chiều dày ống lúc kiểm tra nhỏ chiều dày định mức cho phép PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị mẫu Thép dùng làm ống sinh sử dụng trình nghiên cứu thép... từ ống sinh chưa sử dụng sau năm sử dụng, ta thấy ống sinh qua sử dụng vật liệu ống bị thoái hóa, xuất gỉ màu nâu sẫm đường ống Hư hỏng ống sinh dạng “miệng cá” xảy thiếu nước bên đường ống Trong