Hư hỏng đường ống và bình áp lực liên quan đến ứng suất phụ (secondary stress)

Thanh Sơn biên dịch từ Tạp chí Inspectioneering Journal
Tác giả: Ana Benz, Kỹ sư trưởng (Chief Engineer) tại IRISNDT, và Glenn Roemer, Kỹ sư vật liệu cao cấp (Senior Materials Engineer) tại Apave Canada.

Trong công tác quản lý tính toàn vẹn của thiết bị áp lực (Asset Integrity Management), chúng ta thường tập trung vào các thông số dễ định lượng như áp suất vận hành hay trọng lượng thiết bị - những yếu tố tạo ra ứng suất chính/sơ cấp (primary stress). Tuy nhiên, thực tế vận hành luôn tồn tại một nghịch lý: rất nhiều hệ thống đường ống và bình áp lực dù được thiết kế "đúng chuẩn" theo ASME để vận hành 20 năm, lại hư hỏng chỉ sau chưa đầy 5 năm.

Nguyên nhân gốc rễ thường ẩn mình dưới dạng ứng suất phụ/thứ cấp (secondary stress). Đây là loại ứng suất phát sinh do sự cưỡng bức của các bộ phận tiếp giáp hoặc tự cưỡng bức trong cấu trúc, thường liên quan đến quá trình hàn, sự giãn nở nhiệt không đồng nhất hoặc biến dạng cơ học. Khác với ứng suất sơ cấp vốn cân bằng với tải trọng ngoại lực, ứng suất phụ là loại ứng suất tự giới hạn nhưng cực kỳ khó nhận diện bằng mắt thường. Bài viết này sẽ phân tích các bài học đắt giá từ thực tế để thay đổi tư duy của đội ngũ kỹ thuật về "kẻ giết người thầm lặng" này.

1. Sự thật bất ngờ về Thử nghiệm Thủy tĩnh (Hydrotest)

Một ví dụ điển hình minh chứng cho bản chất của ứng suất phụ là hiện tượng xảy ra trong thử nghiệm thủy tĩnh đối với các mối hàn không qua xử lý nhiệt (non-PWHT). Khi áp suất thử được đẩy lên cao nhằm đánh giá giới hạn bền của phụ kiện, các vùng mối hàn non-PWHT này sẽ bị kéo giãn đến mức chảy dẻo (yield).

Tuy nhiên, điều thú vị xảy ra khi xả tải áp suất: các phần kim loại đã bị kéo giãn dẻo này sẽ bị cấu trúc tổng thể xung quanh kìm kẹp và nén lại, tạo ra một trường ứng suất nén dư (compressive residual stress). Trong ngành dầu khí và đường ống, đây là một dạng ứng suất phụ có lợi.

"Các thử nghiệm thủy tĩnh đã được báo cáo là giúp giảm tốc độ lan truyền vết nứt do ăn mòn ứng suất (SCC). Sự sụt giảm tốc độ này liên quan đến các ứng suất nén dư được hình thành trực tiếp tại các đỉnh vết nứt (crack tips)."

Hiểu được cơ chế này giúp chúng ta nhận ra rằng hydrotest không chỉ là bước kiểm tra rò rỉ, mà còn là một quá trình "tái cấu trúc" ứng suất nội tại, giúp trì hoãn các cơ chế phá hủy do ăn mòn.

Hình 1: Ống mẫu (spool) được kiểm tra trong quá trình thử nghiệm thủy tĩnh

2. Đường ống nhỏ và rủi ro SCC trong môi trường kiềm

Nhiều kỹ sư vận hành thường tin rằng chỉ cần tuân thủ biểu đồ NACE (NACE Caustic Soda Service Chart) về nhiệt độ và nồng độ xút là thiết bị sẽ an toàn. Tuy nhiên, trường hợp hư hỏng của ống thép carbon 1inch tại một nhà máy đã chứng minh sự chủ quan này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Dù đường ống đã được xử lý nhiệt (PWHT) theo đúng tiêu chuẩn, các mối hàn socket từ mặt bích đến bộ giảm (flange-to-reducer) vẫn bị rò rỉ sau chưa đầy 5 năm vận hành ở 93°C và áp suất 42 psi.

Phân tích luyện kim cho thấy các vết nứt tại ranh giới hạt (intergranular cracks) xuất hiện dày đặc trong kim loại mối hàn (deposited weld metal - DWM). Các yếu tố gây ra hư hỏng bao gồm:

• Tải trọng uốn cơ học (mechanical bending): Các ống nhánh đường kính nhỏ thường phải chịu tải trọng uốn rất lớn từ sự rung động hoặc giãn nở của hệ thống chính.
• Ứng suất tại chân mối hàn: Các mối nối nhánh nhỏ là nơi tập trung ứng suất cực cao, biến chúng thành "miếng mồi ngon" cho hiện tượng ăn mòn ứng suất (SCC) ngay cả khi đã thực hiện PWHT.

Bài học: Đừng bao giờ chỉ nhìn vào biểu đồ NACE. Đối với các ống nhánh cỡ nhỏ, ứng suất phụ từ tải trọng uốn cơ học có thể vô hiệu hóa mọi nỗ lực xử lý nhiệt trước đó.

Hình 2: Bên trái là mối hàn socket weld của đường ống từ mặt bích đến bộ giảm reducer bị rò; bên phải minh họa vết nứt mối hàn socket lan ra từ chân mối hàn (weld root).

Hình 3: Vết nứt liên hạt (intergranular crack) trong kim loại mối hàn.

3. Bẫy nhiệt độ: Khi thiết kế lý thuyết đối đầu thực tế vận hành

Sự cố tại cụm ống bức xạ Austenitic (radiant tube) vận hành ở 704°C là một ví dụ điển hình về sai lầm trong việc dự phòng không gian cho ứng suất phụ. Cụm thiết bị gồm nipple bằng thép 316L, olet bằng 304H và ống bức xạ bằng 25Cr-35Ni. Chỉ sau 3 năm, hệ thống đã rò rỉ nghiêm trọng.

Phân tích so sánh giữa thiết kế và thực tế:

• Lý thuyết (ASME B31.3): Yêu cầu một khe hở giãn nở nhiệt (thermal expansion gap) cho mối hàn socket là khoảng 1,5 mm.
• Thực tế vận hành: Ở nhiệt độ  704°C, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các vật liệu khác nhau tạo ra lực đẩy cơ học khổng lồ. Khoảng hở 1,5mm là hoàn toàn không đủ, dẫn đến việc olet bị "đẩy" lún vào trong ống chính, gây biến dạng uốn cong toàn bộ cụm nipple.

Hệ quả là các vết nứt mỏi nhiệt (thermal fatigue) hình thành từ bề mặt bên trong (ID) tại các hốc hình học (geometric notch) và lan dần ra bề mặt ngoài (OD). Vì vết nứt bắt nguồn từ ID, các phương pháp kiểm tra bề mặt bên ngoài như thẩm thấu (PT) hoàn toàn bất lực trong giai đoạn đầu.

Giải pháp kỹ thuật: Chủ đầu tư sau đó đã phải thay thế toàn bộ mối hàn socket bằng mối hàn đối đầu (butt weld) và thay sockolet bằng đầu ra đúc sẵn (extruded outlet) để triệt tiêu các điểm tập trung ứng suất phụ.

Hình 4: Đoạn ống bức xạ bị rò; hình bên phải chỉ ra các vết nứt được xác định bằng phương pháp kiểm tra thẩm thấu (PT).

Hình 5: Đoạn ống nipple bị cong.

Hình 6: Mối hàn kết nối giữa ống nipple và olet bị nứt.

Hình 7: Bề mặt bên trong (ID) bị cacbon hóa (carburized) nặng.

Hình 8: Các vết nứt tại mối nối giữa olet và ống bức xạ.

Hình 9: Các ứng suất gây ra vết nứt cho ống bức xạ; olet bị đẩy vào trong ống bức xạ.

Hình 10: Các ứng suất gây ra vết nứt cho ống bức xạ; olet bị đẩy vào trong ống bức xạ.

Hình 11: Vết nứt tại góc tiếp xúc (contact corner) giữa olet và ống nipple.

4. Cơn ác mộng 131 ngày và sức mạnh của ứng suất dư do hàn

Một sự cố chấn động đã xảy ra tại bộ trao đổi nhiệt tube & shell cỡ lớn sử dụng thép hợp kim cường độ cao SA 543 Type B (HY80). Sau khi vận hành trong môi trường nước cấp lò hơi (BFW) ở 240°C, thiết bị xuất hiện các vết nứt xuyên thấu tại hầu hết các mối hàn phía vỏ (shell-side). Toàn bộ nhà máy đã phải dừng hoạt động trong 131 ngày để sửa chữa tạm thời trước khi thay mới hoàn toàn.

Sai lầm nằm ở việc không thực hiện PWHT vì trong ASME, đây là điều khoản "tùy chọn" (Optional) cho vật liệu này. Tuy nhiên, với kim loại điền đầy mối hàn (filler metal) có giới hạn độ bền kéo lên tới 110 ksi, hệ quả là cực kỳ thảm khốc:

• Điểm khởi phát: Các vết nứt bắt đầu từ các vết ăn mòn rỗ (pitting) trên bề mặt tiếp xúc với nước BFW, sau đó lan truyền liên kết giữa các hạt dọc theo biên giới hạt austenite cũ trong vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
• Cường độ ứng suất: Các phép đo trực tiếp cho thấy ứng suất dư do hàn lớn bằng đúng giới hạn bền chảy (yield strength) của vật liệu.

"Ứng suất dư do hàn có thể cao bằng chính giới hạn bền chảy của vật liệu. Những ứng suất phụ này khi kết hợp với ứng suất vận hành từ áp suất lưu chất sẽ tạo ra các mối hàn cực kỳ nhạy cảm với hiện tượng ăn mòn ứng suất (SCC)."

Lời cảnh báo của chuyên gia: Trong các môi trường nhạy cảm như BFW hay SCC, chữ "Optional" trong tiêu chuẩn không có nghĩa là "Không cần thiết". Việc bỏ qua PWHT để tiết kiệm chi phí ban đầu có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế không thể đo đếm được khi nhà máy phải ngừng hoạt động hàng trăm ngày.

Hình 12: Các dấu hiệu vết nứt trong mối hàn.

Hình 13: Nhiều vết nứt liên hạt phân nhánh trong các mối hàn.

Hình 14: Biểu đồ cho thấy mối liên hệ giữa ứng suất và sự khởi phát nứt vỡ do ăn mòn ứng suất (SCC) trong các môi trường khác nhau.

Kết luận: Thay đổi tư duy quản lý thiết bị

Những bài học từ thực tế cho thấy một điểm chung: các vết nứt do ứng suất phụ thường bắt nguồn từ bề mặt bên trong thiết bị (ID), nơi chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường và rất khó phát hiện bằng các phương pháp NDT thông thường từ bên ngoài.

Để bảo vệ tài sản và duy trì tính toàn vẹn của hệ thống, các kỹ sư cần lưu ý:

1. Thiết kế cho thực tế: Đừng chỉ tính toán cho áp suất; hãy tính toán cho cả sự giãn nở nhiệt, tải trọng uốn và ứng suất dư.
2. Ưu tiên giải pháp triệt để: Thay đổi kiểu mối nối (từ socket sang butt weld) hoặc thực hiện PWHT ngay cả khi không bắt buộc nếu môi trường vận hành có nguy cơ SCC cao.
3. Tư duy phòng ngừa: Chi phí cho một quy trình xử lý nhiệt chuẩn chỉnh luôn rẻ hơn hàng nghìn lần so với chi phí dừng máy khẩn cấp.

Quy trình kiểm tra hiện tại của đơn vị bạn đã thực sự tính đến các loại ứng suất phụ "vô hình" này chưa, hay bạn đang chờ đợi cho đến khi một vết nứt xuyên thấu xuất hiện?

------

Xin chào bạn! 

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. 

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi. 

Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories