Tìm hiểu Ăn mòn ứng suất (Stress Corrosion) từ nguyên nhân sự cố hư hỏng tuabin ở nhà máy điện.

Qua tìm kiếm trên mạng, tôi có đọc được Một bài báo mạng của tờ Startribune của Mỹ, đăng vào tháng 4 năm 2013 thông tin về sự cố thảm khốc năm 2011 tại nhà máy điện Sherco của công ty Xcel Energy, nguyên nhân là do ăn mòn ứng suất (Stress Corrosion).

Vài nét Công ty Xcel Energy:

Theo Wikipedia: Xcel Energy, là một công ty của Mỹ có trụ sở tại Minneapolis, Minnesota, phục vụ hơn 3,7 triệu khách hàng sử dụng điện và 2,1 triệu khách hàng sử dụng khí đốt tự nhiên. Nó bao gồm bốn công ty con hoạt động: Northern States Power-Minnesota, Northern States Power-Wisconsin, Public Service Company of Colorado, và Southwestern Public Service Co.

Vào tháng 12 năm 2018, Xcel Energy thông báo họ sẽ cung cấp 100% điện sạch, không có carbon vào năm 2050, với mức giảm 80% carbon vào năm 2035 (so với mức năm 2005). Điều này làm cho Xcel trở thành Cty tiện ích lớn đầu tiên của Hoa Kỳ đặt mục tiêu như vậy.

Sau đây là nội dung bài báo:

Xcel Energy đã chi 146 triệu đô la để sửa chữa sau sự cố tuabin vào tháng 11 năm 2011 tại nhà máy ở Becker, thuộc Xcel Energy.

Một báo cáo cho biết, vụ sự cố làm phá hỏng máy phát điện lớn nhất của Xcel Energy vào tháng 11/ 2011, được bắt nguồn từ các vết nứt trên cánh tuabin, bị đứt rời khỏi rô to quay và gây ra thiệt hại nghiêm trọng và hiện tại (4/2013) vẫn đang được sửa chữa, một báo cáo mới cho biết.

Công ty Xcel Energy có trụ sở tại Minneapolis, trong một bản cập nhật được gửi cho các cơ quan quản lý nhà nước, cũng cho biết, họ hy vọng tổ máy Sherco 3 đốt than ở nhà máy điện Becker, Minn., Sẽ hoạt động trở lại vào ngày 30 tháng 9 năm 2013, bảy tuần trước lễ kỷ niệm hai năm của sự cố Ngày 19 tháng 11 năm 2011.

Xcel Energy cho biết, một cuộc điều tra đã phát hiện thấy "vết nứt trên diện rộng" ở một hàng cánh tuabin, tại các điểm gắn của chúng. Báo cáo của công ty cho rằng, các vết nứt là do "ăn mòn do ứng suất" (stress corrosion), và cho biết vấn đề đến từ "một chức năng của thiết kế ban đầu," chứ không phải từ cách thức vận hành của nhà máy. Các cánh tuabin đã được thay thế vào năm 1999, tức là sau 12 năm nhà máy đi vào hoạt động.

Giám đốc nhà máy, Ron Brevig, cho biết "không có cách nào để biết" có bao nhiêu cánh (Blade) đã gây ra thảm họa này, nhưng có lẽ chỉ có một. Kết quả là sự mất cân bằng động rất lớn trên rô to, làm văng các bộ phận kim loại ra khỏi máy tuabin, báo cáo đã cho biết. Không có ai bị thương, có ngọn lửa bùng lên và nhanh chóng được dập tắt, nhưng máy phát điện đã bị hỏng và ngừng kể từ đó.

Ông cho biết khoảng 150 công nhân đang sửa chữa máy phát điện 900 megawatt, do Cơ quan Điện lực Thành phố Nam Minnesota (SMMPA) đồng sở hữu. Hai máy phát điện liền kề thuộc sở hữu của Xcel Energy không bị hư hỏng.

John Loubier, phó chủ tịch của TurbinePros, một công ty chuyên sửa chữa tuabin, có trụ sở tại Rogers, một trong những nhà thầu địa phương giúp lắp ráp lại cỗ máy cho biết: “Nó rất lớn”. "Tôi không nghĩ có ai mong đợi phạm vi và thời gian của gói thầu này. Đó là một sự cố thảm khốc. Không có khuôn mẫu nào cho nó."

Ông cho biết TurbinePros, được thành lập vào năm 2009, hiện có từ 50 đến 75 công nhân trong đang làm việc tại công trường sửa chữa này.

Vào tháng 3, Xcel Energy cho biết họ đã chi 146 triệu đô la cho việc sửa chữa, phần lớn trong số đó sẽ được bảo hiểm chi trả. Xcel Energy và SMMPA đã mua điện từ lưới điện trong suốt quá trình sửa chữa này.

Hết trích dẫn bài báo.

Như vậy, nguyên nhân sự cố thảm khốc này là do một cánh (blade) của tuabin hơi bị nứt, do ăn mòn ứng suất. Hôm nay bảo dưỡng cơ khí sẽ cùng các bạn đi tìm hiểu nứt do ăn mòn ứng suất là gì?

Ăn mòn ứng suất là gì?

Ăn mòn ứng suất đề cập đến sự xuống cấp của vật liệu do tác động kết hợp của ứng suất cơ học và môi trường ăn mòn. Hiện tượng này có thể xảy ra trong kim loại, composit, polyme và gốm sứ. Ứng suất cơ học có thể ở dạng căng, nén hoặc uốn và môi trường ăn mòn có thể là chất lỏng hoặc khí phản ứng với vật liệu.

Ăn mòn ứng suất là một loại ăn mòn được tăng tốc bởi ứng suất cơ học. Khi một vật liệu chịu ứng suất, cấu trúc nguyên tử của nó có thể trở nên nhạy cảm hơn với các phản ứng hóa học với môi trường. Điều này có thể dẫn đến nứt, gãy, rỗ hoặc các dạng hư hỏng khác có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của vật liệu.

Ăn mòn ứng suất là một mối quan tâm trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô và dầu khí. Điều quan trọng là phải xác định và giảm thiểu ăn mòn ứng suất để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của vật liệu và kết cấu. Các kỹ thuật như lựa chọn vật liệu, tối ưu hóa thiết kế và ngăn ngừa ăn mòn có thể được sử dụng để giảm thiểu nguy cơ ăn mòn ứng suất.

Thuật ngữ kỹ thuật được sử dụng:

- Ăn mòn: quá trình vật liệu bị phá hủy dần do phản ứng hóa học với môi trường

- Ứng suất cơ học: lực tác dụng lên vật liệu làm cho vật liệu bị biến dạng hoặc thay đổi hình dạng

- Ứng suất dư: ứng suất còn lại trong vật liệu sau khi sản xuất hoặc gia công

- Polyme: vật liệu được tạo thành từ các đơn vị lặp lại (monome) liên kết với nhau theo cấu trúc dạng chuỗi

- Gốm sứ: vật liệu phi kim loại thường cứng và giòn

- Vật liệu tổng hợp: vật liệu được tạo thành từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra một vật liệu mới có tính chất độc đáo.

Nứt do ăn mòn ứng suất hay ăn mòn ứng lực (SCC, Stress Corrosion Cracking)

Ăn mòn ứng suất là dạng ăn mòn rất phổ biến trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt đối với các vật liệu có độ bền cao như thép không gỉ, các siêu hợp kim có khả năng thụ động cao. Dạng ăn mòn này rất nguy hiểm, nó xảy ra âm ỉ bên trong và làm giảm đáng kể độ bền cơ học của vật liệu, mặc dù lượng kim loại tổn hao rất ít.

Vết nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) đề cập đến một loại vết nứt xảy ra trong vật liệu, điển hình là kim loại, do tác động kết hợp của ứng suất và ăn mòn. Ứng suất có thể được gây ra bởi ngoại lực hoặc ứng suất bên trong chính vật liệu, trong khi ăn mòn là sự xuống cấp dần dần của vật liệu do phản ứng hóa học với môi trường của nó.

Khi ứng suất và ăn mòn tác động cùng nhau, chúng có thể gây ra các vết nứt hình thành trong vật liệu. Những vết nứt này có thể khó phát hiện và có thể dẫn đến hỏng vật liệu nghiêm trọng nếu không được xử lý.

SCC rất khó phát hiện sớm trong thời gian “ủ bệnh”, vết nứt tiếp tục phát triển trong khi các thiết bị đang làm việc và là nguyên nhân của quá trình gẫy cơ học rất nhanh, bất thình lình gây sập gẫy công trình, dẫn đến sự cố hư hỏng thảm khốc.

SCC là sự gẫy do sự tác động kết hợp của ứng suất kéo và môi trường ăn mòn lên vật liệu nhạy với SCC, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao.

SCC có thời gian “ủ bệnh” vài giờ đến vài tuần, dẫn đến sự giòn đột ngột. Đáng chú ý là vết nứt lan truyền rất nhanh.

Hầu hết các chi tiết thiết bị công nghiệp đều phải chịu ứng suất kéo - do chịu tác động của tải trọng trực tiếp trong quá trình làm việc, hoặc là các dạng ứng suất dư. Các quá trình gia công nguội, hàn, xử lý nhiệt, gia công cơ khí, mài v.v... đều để lại ứng suất dư. Vì vậy, SCC rất dễ có điều kiện để xảy ra khi có cặp kim loại/môi trường nhạy với SCC.

Ảnh Tai nạn nổ nồi hơi do SCC trong môi trường kiềm

Điều kiện xảy ra SCC:

Ăn mòn ứng lực chỉ xảy ra khi tồn tại đồng thời 3 yếu tố dưới đây:

- Kim loại nhạy SCC.

- Môi trường có thể gây SCC đối với kim loại đó.

- Ứng suất kéo đủ lớn (ứng suất dư do quá trình chế tạo, gia công nguội, hàn, mài..., hoặc chịu tải trong khi vận hành).

Chú ý: Nếu chỉ tồn tại một trong hai yếu tố trên thì SCC không xảy ra.

Vết nứt hình nhánh cây

Nhận biết SCC:

·       Quan sát bằng mắt thường ta thấy vết nứt SCC có hình nhánh cây, do sự lan truyền vết nứt theo biên hạt hoặc xuyên hạt tùy thuộc vào các điều kiện xảy ra SCC.

·       Quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (chi tiết đã bị gẫy) thấy mặt gẫy dòn, lộ rõ các hạt bị tách khỏi biên hạt, hoặc bị nứt xuyên qua thân hạt. Đồng thời bằng phân tích phổ tán sắc năng lượng EDX có thể phát hiện được tác nhân gây ăn mòn là nguyên tố nào (ví dụ ion Cl- đối với thép không gỉ).

·       Có thể kiểm tra bằng phương pháp thẩm thấu màu đối với các bề mặt có thể tiếp cận được. Đối với những vị trí không tiếp cận được, có thể sử dụng đến các kỹ thuật NDT, ví dụ kiểm tra siêu âm.

Quá trình ăn mòn ứng lực SCC

·       SCC bắt đầu từ những lỗ ăn mòn rất nhỏ trên bề mặt (ăn mòn lỗ), ở những khuyết tật trên lớp màng ôxit bảo vệ hoặc từ trong các khe hẹp (do ăn mòn khe).

·       Trong điều kiện môi trường rất khắc nghiệt, SCC thường bắt đầu từ đáy các lỗ ăn mòn (pitting) còn trong điều kiện ôn hòa hơn, SCC bắt đầu từ vị trí ăn mòn khe.

Các giai đoạn xảy ra SCC:

I. vết nứt xuất hiện và lan truyền => II. vết nứt phát triển với tốc độ ổn định => III. Kết thúc lan truyền vết nứt và gẫy chi tiết.

Các trường hợp điển hình của SCC

Thép không gỉ austenit (Cr-Ni), không chứa Mo trong môi trường CI-, Br-, I-, pH thấp, > 50°C. SCC xảy ra ngay cả khi chi tiết chịu ứng suất kéo thấp.

Thép không gỉ austenit hoặc ferit trong môi trường NaOH > 4-70% ở nhiệt độ cao.

Thép carbon trong môi trường NaOH > 4 - 70% (giòn kiềm) ở ứng suất kéo cao (gần giới hạn chảy) và nhiệt độ cao.

Thép cabon trong dung dịch chứa nitrat hàm lượng cao với pH ở vùng axit.

Đồng thau trong hơi ammoniac hoặc dung dịch chứa ion amôni, SCC xảy ra ngay khi chỉ có vết ion amôni.

Từ sự cố gãy cánh tua bin hơi ở trên, bảo dưỡng cơ khí đưa ra nhận định sau:

Có một số yếu tố có thể góp phần gây ra SCC trong cánh quạt tuabin hơi bao gồm:

Chất lượng nước và hơi nước: Chất lượng nước kém hoặc hơi nước nhiễm bẩn có thể dẫn đến ăn mòn và các dạng hư hỏng khác.

Điều kiện vận hành: Nhiệt độ cao, áp suất, và ứng suất cơ học, đều có thể góp phần gây ăn mòn, và các hình thức xuống cấp khác.

Thiết kế và vật liệu: Thiết kế của tua bin, và vật liệu được sử dụng trong cấu trúc của nó cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng bị ăn mòn, và các dạng hư hỏng khác.

Môi trường ăn mòn của tuabin hơi đề cập đến các điều kiện có thể gây ăn mòn và các dạng hư hỏng khác cho các bộ phận của tuabin. Trong tuabin hơi, môi trường ăn mòn chính là hơi nước ở nhiệt độ cao, áp suất cao.

Nhiệt độ và áp suất cao của hơi nước có thể gây ra quá trình oxy hóa và các dạng phản ứng hóa học khác trong các thành phần kim loại của tuabin, dẫn đến ăn mòn và các dạng hư hỏng khác. Ngoài ra, sự có mặt của các tạp chất trong hơi nước, chẳng hạn như oxy hòa tan, hoặc ion Clorua, có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn và các dạng suy thoái khác.

Cơ chế hình thành vết nứt SCC trong cánh quạt tua bin hơi bao gồm 3 giai đoạn:

Gia đoạn 1: Bước đầu tiên trong SCC là bắt đầu một vết nứt nhỏ trên bề mặt của cánh tua bin. Điều này có thể xảy ra do sự hiện diện của một khiếm khuyết hoặc lỗ hổng nhỏ trong vật liệu, hoặc do tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Giai đoạn 2, Lan truyền: Một khi vết nứt đã bắt đầu, nó có thể lan rộng hơn nữa vào trong vật liệu dưới ảnh hưởng của ứng suất kéo. Sự hiện diện của môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình này bằng cách làm suy yếu vật liệu và giảm khả năng chống nứt.

Giai đoạn 3, Phá hủy: Nếu vết nứt tiếp tục phát triển, cuối cùng nó có thể đạt đến kích thước tới hạn tại thời điểm đó cánh tuabin sẽ đứt gãy. Điều này có thể dẫn đến hư hỏng đáng kể cho tuabin và có khả năng gây rủi ro về an toàn cho nhân viên.

Để tránh hư hỏng do môi trường ăn mòn trong tuabin hơi, điều quan trọng là phải sử dụng các vật liệu chất lượng cao có khả năng chống ăn mòn và các hình thức xuống cấp khác, duy trì các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng nước và hơi nước, đồng thời giám sát chặt chẽ các điều kiện vận hành để đảm bảo rằng chúng vẫn hoạt động bình thường. trong giới hạn an toàn.

Xem thêm:

Tiêu chuẩn TCVN 8286-1:2009 Hướng dẫn về thử ăn mòn ứng suất của kim loại và hợp kim

Tải tại đây:

https://drive.google.com/file/d/1ttcu_BZ-87OChrjULeqSSrBbpFHD0-tP/view?usp=sharing

Related Posts by Categories