Ống hợp kim nào chịu được nhiệt độ cao trong ngành điện?

Tại Sao Ống Hợp Kim Nhiệt Độ Cao Lại Quan Trọng Trong Sản Xuất Điện Hiện Đại

Thách Thức Do Tăng Thông Số Hơi Nước và Suy Giảm Vật Liệu

Các cơ sở phát điện hiện nay tăng cường hiệu suất bằng cách vận hành các nồi hơi hơi nước ở nhiệt độ từ 600 đến 650 độ C với mức áp suất trên 30 megapascal. Những điều kiện khắc nghiệt này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ thống ống dẫn thép carbon thông thường vì chúng bắt đầu bị phá hủy nhanh chóng do cả tác động oxy hóa lẫn thay đổi cấu trúc bên trong. Đó là lúc các hợp kim crôm molypden phát huy tác dụng. Những vật liệu đặc biệt này tạo thành các lớp oxit bảo vệ chủ yếu từ crôm trioxit, có khả năng tự phục hồi theo thời gian. Lấy thép P91 làm ví dụ, loại thép này chứa khoảng 8 đến 9,5 phần trăm crôm và có thể chịu được hoạt động liên tục ở nhiệt độ 600 độ C — điều mà thép carbon thông thường hoàn toàn không thể thực hiện được nếu không bị suy giảm nhanh chóng và mất đi các tính chất độ bền. Dữ liệu ngành cho thấy khi các nhà máy không sử dụng những hợp kim chuyên dụng này, thường có khoảng 30 phần trăm sự cố bảo trì bất ngờ nhiều hơn đối với tuabin, điều tất nhiên làm ảnh hưởng đáng kể đến chi phí vận hành và thời gian ngừng hoạt động.

Các chế độ hỏng hóc chính: Biến dạng dão, Oxy hóa và Mỏi nhiệt

Các ống hợp kim chịu nhiệt cao làm giảm ba cơ chế hỏng hóc liên quan đến nhau đe dọa tính sẵn có và an toàn của nhà máy:

• Biến dạng chảy dão : Dưới tác động của ứng suất và nhiệt độ không đổi, thành ống dần mỏng đi theo thời gian. Các mác vật liệu được tăng cường vanadi và nitơ như P92 giảm tốc độ dão dài hạn tới 60% so với các vật liệu cũ, theo dữ liệu ASME B31.1-2023.
• Oxy hóa : Hơi nước phản ứng với bề mặt ống tạo thành lớp vảy giòn, bong tróc làm tăng tốc độ mài mòn thành ống. Các hợp kim giàu crôm tạo thành lớp chắn CrO bám dính tốt, giảm tổn thất vật liệu lên đến 80%.
• Mệt mỏi nhiệt : Quá trình gia nhiệt và làm nguội theo chu kỳ gây ra các vết nứt vi mô tại các mối hàn và chỗ uốn cong. Các hợp kim nền niken—bao gồm Inconel 625—đã chứng minh độ bền vững chắc trong hơn 10.000 chu kỳ nhiệt trong các ứng dụng điện mặt trời tập trung (CSP).

Tổng thể, các sự cố không được khắc phục từ những chế độ này góp phần gây ra các lần ngừng hoạt động bất ngờ, khiến các nhà máy điện thiệt hại lên tới 740.000 đô la Mỹ mỗi ngày, theo Viện Ponemon.

Ống hợp kim Chromoly (P11–P92): Cân bằng độ bền, chi phí và độ tin cậy

Sự phát triển từ P22 đến P91/P92: Tăng cường độ bền chống trượt ở nhiệt độ 600–650°C

Khi nhiệt độ hơi tăng lên nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt động lực học, thép P22 truyền thống (có chứa 2,25% crôm và 1% molypden) sẽ đạt giới hạn vào khoảng 565 độ Celsius. Tại thời điểm này, khả năng chịu ứng suất của nó giảm mạnh, sụt khoảng 40% so với các hợp kim mới hơn như P91 và P92. Bước đột phá thực sự đến từ kỹ thuật hợp kim vi lượng. Lấy ví dụ P91, cấu trúc martensite tôi hóa của nó được gia cố thêm độ bền nhờ các hạt cacbonitrit MX siêu nhỏ tạo thành từ vanađi và niobi. Điều này giúp nó xử lý ứng suất tốt hơn khoảng 35% ở 600°C so với P22 cũ. Tiếp theo là P92, tiến xa hơn bằng cách thay một phần molypden bằng vonfram (khoảng 1,8% vonfram kết hợp với 0,5% molypden). Thay đổi này cho phép nó hoạt động đáng tin cậy lên đến 650°C đồng thời có khả năng chống trượt cao hơn P91 khoảng 20%.

Tuân thủ ASTM A335 và Các xét đến thiết kế ASME B31.1 cho Hệ thống ống hợp kim

Việc lựa chọn vật liệu cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp nghiêm ngặt. Lấy ví dụ tiêu chuẩn ASTM A335, tiêu chuẩn này quy định thành phần cấu tạo của ống hợp kim ferit liền mạch, cách xử lý nhiệt và các tính chất cơ học của chúng. Các thông số kỹ thuật này khá chi tiết. Đối với thép P91, hàm lượng crôm phải nằm trong khoảng từ 8,0 đến 9,5 phần trăm, trong khi molypden dao động từ 0,85 đến 1,05 phần trăm. Khi thiết kế các hệ thống này, kỹ sư tuân theo hướng dẫn ASME B31.1, quy định các giới hạn ứng suất dựa trên các yếu tố nhiệt độ. Ở khoảng 600 độ C, thép P91 có thể chịu được ứng suất cao hơn khoảng 2,3 lần so với thép cacbon thông thường. Một yếu tố khác mà người thiết kế cần cân nhắc là chromoly giãn nở ít hơn khi bị đốt nóng. Mức độ giãn nở thấp hơn khoảng 15 phần trăm so với thép cacbon ở nhiệt độ cao giúp giảm tải trọng lên các giá đỡ và làm giảm thiểu các vấn đề tại các điểm neo ống và các chỗ uốn cong. Mỗi hệ thống hoàn chỉnh đều được kiểm tra áp lực thủy tĩnh theo yêu cầu của ASME Section I. Các bài kiểm tra này áp dụng áp lực bằng 1,5 lần áp lực hoạt động bình thường để đảm bảo mọi thứ vận hành ổn định trong điều kiện thực tế.

Ống Hợp Kim Dựa Trên Niken Cho Môi Trường Nặng: Inconel, Incoloy và Hastelloy

Chống Lại Sự Sunphua Hóa Và Ăn Mòn Muối Nóng Chảy Trong Các Nhà Máy Đốt Rác Phát Điện Và Nhà Máy Năng Lượng Mặt Trời Tập Trung

Các hợp kim thông thường không thể đáp ứng được trong các nhà máy đốt rác phát điện và các trạm năng lượng mặt trời tập trung (CSP), nơi chúng phải đối mặt với sự tấn công hóa học khắc nghiệt. Khí thải chứa lưu huỳnh gây ra vấn đề sunphua hóa nhanh chóng, và những muối nitrat nóng chảy ở nhiệt độ trên 600 độ C thực sự ăn mòn vật liệu, dẫn đến hiện tượng ăn mòn và giòn hóa. Đó là lý do vì sao các kỹ sư chuyển sang các lựa chọn dựa trên niken như Inconel, Incoloy và Hastelloy. Những hợp kim này chứa hơn 60% niken, giúp duy trì cấu trúc kim loại ổn định ngay cả khi nhiệt độ cao. Chúng cũng bổ sung thêm crom để chống lại oxy hóa và sunphua hóa, cùng với molypden để tăng cường bảo vệ khỏi các vết ăn mòn lỗ do clorua và sunfat gây ra trong môi trường khắc nghiệt.

Hastelloy C-276, ví dụ, giảm tốc độ sunfua hóa tới 90% so với thép không gỉ thông thường trong các ống quá nhiệt lò đốt. Trong các nhà máy CSP, Inconel 625 duy trì độ bền kéo trên 500 MPa sau 10.000 giờ trong muối nitrat nóng chảy—cho phép vận hành liên tục và an toàn nơi mà thép carbon hoặc thép chromoly cần được thay thế mỗi 12–18 tháng.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều gì làm cho ống hợp kim chịu nhiệt độ cao trở nên thiết yếu trong sản xuất điện hiện đại?
Ống hợp kim chịu nhiệt độ cao rất quan trọng vì chúng chịu được nhiệt độ và áp suất hơi nước cực cao trong quá trình phát điện, giúp giảm bảo trì bất ngờ và thời gian ngừng hoạt động.

2. Hợp kim crôm molypden bảo vệ khỏi sự oxy hóa như thế nào?
Hợp kim crôm molypden tạo thành lớp oxit tự phục hồi chủ yếu gồm crôm trioxit, giúp giảm sự oxy hóa và kéo dài tuổi thọ ống.

3. Những dạng hư hỏng chính nào được giải quyết bởi ống hợp kim chịu nhiệt độ cao?
Chúng giải quyết biến dạng trượt, hư hỏng do oxi hóa và mỏi nhiệt, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho nhà máy.

4. Vì sao thép P91 được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao?
Thép P91 được ưa chuộng do có hàm lượng crôm cao, mang lại khả năng quản lý ứng suất tốt hơn và chống chịu biến dạng trượt ở nhiệt độ cao.