Ống thép chịu nhiệt có dễ bị oxy hóa, dão, nứt ở nhiệt độ cao không?

Bản chất của thép chịu nhiệt

Thép chịu nhiệt là một loại hợp kim được thiết kế đặc biệt để duy trì độ bền cơ học và tính toàn vẹn cấu trúc khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Không giống như thép carbon tiêu chuẩn, bắt đầu mất sức mạnh và trải qua những thay đổi cấu trúc vi mô ở nhiệt độ tương đối thấp, các hợp kim này chứa các nguyên tố cụ thể giúp nâng cao hiệu suất ở nhiệt độ cao. Việc xây dựng một ống thép chịu nhiệt là sự cân bằng có chủ ý giữa hóa học và cấu trúc, được thiết kế để chống lại tác động suy thoái của nhiệt. Các nguyên tố hợp kim phổ biến bao gồm crom, chất cơ bản cho khả năng chống oxy hóa và molypden, góp phần tạo nên độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão. Niken thường được thêm vào để ổn định cấu trúc vi mô của thép và cải thiện độ dẻo dai của nó. Những yếu tố này không làm cho thép không bị phân hủy ở nhiệt độ cao mà thay vào đó quản lý và làm chậm các quá trình có thể dẫn đến hư hỏng. Vật liệu thu được có khả năng hoạt động trong các môi trường như nồi hơi phát điện, nhà máy xử lý hóa chất và nhà máy lọc dầu, nơi các vật liệu thông thường sẽ nhanh chóng bị hỏng.

Cơ chế oxy hóa ở nhiệt độ cao

Quá trình oxy hóa là một phản ứng hóa học giữa thép và môi trường xung quanh, điển hình là oxy trong không khí, được tăng tốc bởi nhiệt độ cao. Đối với một ống thép chịu nhiệt , đây là một thách thức thường xuyên và không thể tránh khỏi. Khi thép được nung nóng, các nguyên tử sắt trên bề mặt của nó dễ dàng phản ứng với oxy để tạo thành các oxit sắt, thường được gọi là rỉ sét. Trong thép cacbon đơn giản, lớp oxit này xốp và không kết dính, bong ra để lộ kim loại mới bên dưới, dẫn đến mất vật liệu liên tục. Thép chịu nhiệt khắc phục điều này bằng cách bổ sung đủ lượng crom. Khi đun nóng, crom phản ứng tốt nhất với oxy để tạo thành một lớp oxit crom (Cr2O3) mỏng, đậm đặc và ổn định trên bề mặt. Lớp này hoạt động như một hàng rào bảo vệ, ngăn cách kim loại bên dưới khỏi môi trường ăn mòn. Nó làm chậm tốc độ oxy hóa hơn nữa đến mức có thể quản lý được. Tuy nhiên, sự bảo vệ này không phải là tuyệt đối. Nếu môi trường chứa các tác nhân mạnh như hơi nước hoặc hợp chất lưu huỳnh, lớp oxit bảo vệ có thể bị tổn hại hoặc bị phá vỡ. Hơn nữa, chu trình nhiệt, trong đó đường ống nóng lên và nguội đi liên tục, có thể khiến lớp oxit bị nứt và vỡ, làm lộ ra kim loại và đẩy nhanh quá trình oxy hóa. Do đó, mặc dù các loại thép này được chế tạo để chống lại quá trình oxy hóa nhưng chúng không hoàn toàn miễn dịch và tuổi thọ của chúng phụ thuộc vào độ ổn định của màng oxit bảo vệ này.

Tìm hiểu hiện tượng leo

Creep là một biến dạng phụ thuộc vào thời gian xảy ra trong vật liệu dưới tác dụng cơ học không đổi khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Đối với một ống thép chịu nhiệt , hoạt động dưới áp suất bên trong và trọng lượng của chính nó, độ rão là yếu tố thiết kế quan trọng cần cân nhắc. Ở nhiệt độ thường trên 40% điểm nóng chảy của vật liệu (tính bằng Kelvin), thép bắt đầu biểu hiện biến dạng dẻo ngay cả ở mức ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy thông thường ở nhiệt độ phòng. Các nguyên tử trong mạng tinh thể của thép có thể khuếch tán và trượt qua nhau theo thời gian, dẫn đến sự gia tăng dần dần và lâu dài kích thước của ống, chẳng hạn như tăng đường kính của nó. Biến dạng này có thể dẫn đến giảm độ dày của tường và cuối cùng dẫn đến vỡ. Khả năng chống rão là chức năng chính của thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của thép. Các nguyên tố như molypden, vonfram và vanadi tạo thành cacbua và nitrit ổn định trong ma trận thép. Những hạt mịn này hoạt động như những chướng ngại vật, ghim chặt các ranh giới hạt và chuyển động lệch vị trí, là con đường chính dẫn đến biến dạng rão. Do đó, thiết kế các bộ phận để sử dụng ở nhiệt độ cao phải tính đến tốc độ từ biến dự kiến ​​trong suốt thời gian sử dụng dự kiến, đảm bảo rằng biến dạng tích lũy không vượt quá giới hạn an toàn trước khi thay thế hoặc kiểm tra theo lịch trình.

Nguy cơ nứt ở nhiệt độ cao

Vết nứt trong một ống thép chịu nhiệt ở nhiệt độ cao có thể biểu hiện dưới nhiều dạng, thường liên quan đến độ ổn định cấu trúc vi mô của vật liệu và ứng suất vận hành mà nó phải chịu. Một loại phổ biến là nứt do mỏi nhiệt, là kết quả của các chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại. Các bộ phận khác nhau của đường ống, chẳng hạn như phần có thành dày so với mặt bích có thành mỏng, giãn nở và co lại ở các tốc độ khác nhau. Chuyển động vi sai này tạo ra ứng suất nhiệt theo chu kỳ có thể bắt đầu và lan truyền các vết nứt theo thời gian. Một dạng khác là đứt gãy từ biến, đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình từ biến khi vật liệu bị biến dạng đến mức không thể chịu được tải trọng tác dụng và bị nứt. Một dạng nứt nguy hiểm hơn có liên quan đến việc tiếp xúc lâu dài với các phạm vi nhiệt độ nhất định. Ví dụ, một số loại thép chịu nhiệt có thể trở nên giòn theo thời gian nếu được giữ trong một khoảng nhiệt độ cụ thể, dẫn đến mất độ dẻo và khả năng bị nứt cao hơn khi chịu ứng suất. Hiện tượng này có thể trở nên trầm trọng hơn do sự xuất hiện của ứng suất dư do hàn hoặc tạo hình. Việc bổ sung các nguyên tố như niken giúp duy trì cấu trúc vi mô dẻo, ổn định, chẳng hạn như austenite, có khả năng chống lại loại ôm ấp này tốt hơn. Xử lý nhiệt thích hợp sau khi chế tạo cũng là một bước quan trọng để giảm bớt các ứng suất dư này và tăng cường khả năng chống nứt của vật liệu trong quá trình sử dụng.

Sự tương tác giữa nhiệt độ, căng thẳng và môi trường

Tính nhạy cảm của một ống thép chịu nhiệt quá trình oxy hóa, từ biến và nứt không được xác định bởi bất kỳ yếu tố đơn lẻ nào mà bởi sự tương tác phức tạp của nhiệt độ, ứng suất và môi trường vận hành. Tốc độ của cả ba cơ chế phân hủy đều tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ. Một đường ống hoạt động ở 600°C sẽ xuống cấp nhanh hơn nhiều so với một đường ống giống hệt hoạt động ở 500°C. Mức ứng suất, cho dù do áp suất bên trong, tải trọng bên ngoài hoặc độ dốc nhiệt, đều là động lực chính gây ra nứt từ biến và nứt mỏi. Môi trường quyết định mức độ nghiêm trọng của quá trình oxy hóa. Bầu không khí khô ráo, sạch sẽ ít hung hãn hơn nhiều so với bầu không khí chứa hơi nước, oxit lưu huỳnh hoặc clorua. Ví dụ, hơi nước có thể đẩy nhanh quá trình oxy hóa crom, tạo thành crom hydroxit dễ bay hơi và làm suy giảm lớp oxit bảo vệ. Clorua có thể xuyên qua màng oxit và gây ra vết nứt do ăn mòn ứng suất. Do đó, việc lựa chọn đúng loại thép chịu nhiệt là một quá trình kết hợp thành phần hợp kim cụ thể của nó với sự kết hợp dự kiến ​​của ba yếu tố này. Thép được thiết kế cho môi trường oxy hóa khô có thể không phù hợp cho ứng dụng có hàm lượng lưu huỳnh cao, điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ các điều kiện sử dụng.

Lựa chọn vật liệu và cân nhắc thiết kế

Với những rủi ro cố hữu của sự suy thoái ở nhiệt độ cao, việc lựa chọn ống thép chịu nhiệt là một quyết định kỹ thuật quan trọng. Quá trình này bắt đầu bằng việc phân tích chi tiết các điều kiện vận hành, bao gồm nhiệt độ tối đa và tối thiểu, áp suất bên trong, tải trọng cơ học bên ngoài và thành phần hóa học của chất lỏng xử lý và không khí xung quanh. Dựa trên phân tích này, một loại thép thích hợp được chọn. Ví dụ, thép crom-molypden hợp kim thấp hơn như P11 hoặc P22 có thể được chọn cho nhiệt độ vừa phải, trong khi thép không gỉ austenit hợp kim cao hơn như TP304H hoặc TP316H sẽ cần thiết cho các điều kiện khắc nghiệt hơn liên quan đến nhiệt độ cao hơn và môi trường ăn mòn hơn. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất, chẳng hạn như trong các nhà máy điện siêu tới hạn, có thể cần phải có hợp kim gốc niken tiên tiến. Bản thân thiết kế của hệ thống đường ống cũng đã tích hợp các yếu tố an toàn về độ rão. Các kỹ sư sử dụng dữ liệu từ các thử nghiệm đứt gãy do rão dài hạn để tính toán độ dày thành ống yêu cầu tối thiểu nhằm đảm bảo nó không đạt đến giới hạn đứt gãy do rão trong vòng đời thiết kế của nó. Triết lý thiết kế này thừa nhận rằng sự xuống cấp sẽ xảy ra nhưng nhằm mục đích quản lý nó trong giới hạn an toàn.

Chiến lược kiểm tra và bảo trì

Ngay cả với việc lựa chọn vật liệu phù hợp nhất và thiết kế thận trọng, hoạt động lâu dài của một ống thép chịu nhiệt đòi hỏi phải có chiến lược kiểm tra và bảo trì chủ động. Các phương pháp thử nghiệm không phá hủy (NDT) rất cần thiết để theo dõi tình trạng của hệ thống đường ống. Kiểm tra siêu âm (UT) có thể được sử dụng để đo độ dày thành ống, phát hiện bất kỳ tổn thất vật liệu nào do quá trình oxy hóa hoặc xói mòn. Kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ có thể xác định hư hỏng từ biến bên trong hoặc giai đoạn đầu của vết nứt. Các kỹ thuật kiểm tra bề mặt, chẳng hạn như kiểm tra chất thẩm thấu thuốc nhuộm hoặc kiểm tra hạt từ tính, được sử dụng để tìm các vết nứt bề mặt có thể bắt đầu do mỏi nhiệt. Đối với độ rão ở nhiệt độ cao, có thể lắp đặt máy đo biến dạng để đo trực tiếp độ biến dạng của đường ống theo thời gian. Dữ liệu thu thập được từ các cuộc kiểm tra này cho phép người vận hành nhà máy theo dõi sự xuống cấp của đường ống và lập kế hoạch sửa chữa hoặc thay thế trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng. Các hoạt động bảo trì có thể bao gồm làm sạch để loại bỏ cặn ăn mòn, thay thế các bộ phận bị hư hỏng hoặc thực hiện xử lý nhiệt để giảm bớt căng thẳng. Việc quản lý vòng đời liên tục này là một phần quan trọng để đảm bảo rằng đường ống tiếp tục đáp ứng các yêu cầu an toàn trong suốt thời gian sử dụng của nó.