Thép bền nhiệt cho tổ hợp năng lượng siêu tới hạn

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
34 Số 52 - Tháng 9/2017
THÉP BỀN NHIỆT CHO TỔ HỢP
NĂNG LƯỢNG SIÊU TỚI HẠN
 Các loại thép lò hơi và đường ống của các 
nhà máy điện tại Liên xô/ LB Nga có tuổi thọ 40 
năm, đã được chế tạo vào những năm 1950 - 1960 
bao gồm:
• Thép carbon và hợp kim thấp kí hiệu 10, 
20, 15ГС, nhiệt độ làm việc đến 500 °С;
• Thép pearlite chromium-molybdenum 
và chromium-molybdenum-vanadium kí hiệu 
15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 
25Х1М1Ф, có nhiệt độ làm việc đến 585 °С (khi 
nhiệt độ cơ bản không quá 540 - 565 °С);
• Thép không gỉ austenite kí hiệu 
12Х18Н12Т và 08Х16Н9М2 khi nhiệt độ đến 
640 °С (đối với các phần nhiệt độ cao của lò hơi 
quá nhiệt).
Trong những năm 1980, để chế tạo các 
kết cấu lò hơi quá nhiệt và đường ống dẫn hơi, tổ 
hợp ЦНИИТМАШ đã nghiên cứu chế tạo thép 
Hướng phát triển hứa hẹn của năng lượng hạt nhân, đóng góp vào “Chiến lược năng lượng 
Nga đến năm 2030”, là chế tạo ra lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới với thông số hơi siêu tới hạn 
(ВВЭР-СКД), mà tính năng nổi trội của nó là hiệu suất cao (lên đến 45%) và tập trung sử dụng vào 
chu trình nhiên liệu khép kín. Một trong những thách thức chính trong việc phát triển ВВЭР-СКД là 
chế tạo thép kết cấu ứng dụng trong đường ống và thiết bị trao đổi nhiệt, hoạt động ở thông số hơi 
siêu tới hạn: nhiệt độ làm việc của nước làm mát tại đầu ra của lò phản ứng tới 600 °C và áp suất 
lên đến 30 MPa. Trong trường hợp này, các yêu cầu chính về vật liệu kết cấu, hoạt động ở thông số 
hơi siêu tới hạn là khả năng chịu nhiệt, độ dai phá hủy cao, chống ăn mòn tốt và tính công nghệ cao.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
35Số 52 - Tháng 9/2017
10Х9МФБ có khả năng nâng cao độ bền nhiệt, 
tính công nghệ trong luyện kim, bằng cách giảm 
hàm lượng Cr xuống dưới 10%, cân bằng các 
thành phần hợp kim, đảm bảo tạo thành cấu trúc 
chứa delta ferrite và tạo nên chuỗi carbide M23C6 
của phase bền phân tán ổn định nhiệt V(CN).
So sánh các đặc điểm của thép 10Х9МФБ 
với thép pearlite truyền thống 12Х1МФ và 
15X1M1Ф cho thấy nó làm tăng hiệu quả và 
giảm đáng kể (25 - 30%) khối lượng kim loại, 
làm việc ở nhiệt độ 540 °C - 575 °C nhờ giảm 
chiều dày các phần tử thành ống. 
Cùng trong thời gian này ở các nước khác 
(Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc ), loại thép 
X10CrMoVNb 9-1 (9Cr-1Mo và V+Nb+N, kí 
hiệu T/P 91) tương tự với thép 10Х9МФБ được 
sử dụng rộng rãi để chế tạo đường ống dẫn hơi, 
bộ gom, bộ hơi quá nhiệt có nhiệt độ làm việc đến 
605 oC. Ngoài ra thép X10CrWMoVNb 9-2 (T/P 
92) tương đương với 10Х9В2МФБР cũng được 
sử dụng. Thời gian phục vụ của hệ thống đường 
ống làm từ loại thép này lên đến 100.000 h. 
 Hình 1 cho thấy sự thay đổi thông số hơi 
của các thiết bị nhiệt theo sự phát triển của thép 
kết cấu. Khi nghiên cứu tạo thử nghiệm vật liệu 
mới, cần giải quyết nhiệm vụ:
• Đảm bảo mức độ cần thiết về các tính 
chất phục vụ và công nghệ sản xuất
• Phát triển chu kỳ sản xuất đầy đủ chế tạo 
các thành phần thiết bị điện trong điều kiện các 
nhà máy cơ khí luyện kim.
Các loại thép 12Х11В2МФ và 10Х9МФБ 
được dùng làm cơ sở để nghiên cứu thép tại Nga. 
Sau khi nghiên cứu các lô thép hợp kim với Cr, 
Mo, V, Nb, cùng các nguyên tố vi lượng như 
nitrogen, boron và cerium, hạn chế tạp chất có hại 
như Al, Sn, Pb, As trong phòng thí nghiệm bằng 
công nghệ nấu chảy tiên tiến, người ta đã sản xuất 
các lớp thép chromium mới là 10Х9В2МФБР và 
12Х10М1В1ФБР chịu nhiệt độ đến 600 °C - 620 
°С, (Hình 2).
Hình 1. Thay đổi thông số hơi của các 
thiết bị nhiệt do phát triển vật liệu mới.
Hình 2. Nhiệt độ thực tế cao nhất của 
thép bền nhiệt theo tiêu chí độ bền lâu 100 MPa 
sau 100000 h; (*) - giới hạn sử dụng đối với bộ 
quá nhiệt; (**) - ống dẫn và bộ gom.
Đặc điểm bền nhiệt cao của thép lớp 
martensite hàm lượng 9% Cr được đảm bảo bằng 
cách hợp kim hóa, thay đổi tổ chức qua nhiệt 
luyện. Do chuyển biến martensite trong thép 
khi làm nguội nhanh ngoài không khí từ 1030 
°C - 1070 °C tạo thành cấu trúc xô lệch. Sự ổn 
định trong quá trình biến đổi (bò) được đảm bảo 
bằng giảm tốc độ khuếch tán trong dung dịch đặc 
và bằng tiết phase khi ram từ 730 °C ÷ 780 °C 
của phase thứ cấp phân tán (carbide M23C6 và 
carbonitrides của vanadium và niobium), cản trở 
sự phát triển của hạt đa cạnh động ở nhiệt độ làm 
việc. Hình 3 cho thấy sơ đồ tổ chức thép bền nhiệt 
chromium.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
36 Số 52 - Tháng 9/2017
Hình 3. Sơ đồ tổ chức (cấu trúc) của thép 
bền nhiệt chromium 
Để tiến hành tính toán thiết kế đường 
ống dẫn bằng thép10Х9МФБ, cần xác định các 
đặc điểm về tính chất cơ - lý và các đặc tính tiêu 
chuẩn: giới hạn bền lâu, ứng suất cho phép, cơ 
tính khi thay đổi nhiệt độ tức thời, hệ số độ bền 
liên kết hàn
Cho đến nay đã nghiên cứu các phôi ống 
đúc, cán, rèn của hơn 30 lô thép 10Х9МФБ, 
sản xuất trong các nhà máy khác nhau. Các thử 
nghiệm về độ bền lâu được tiến hành trực tiếp 
trên cơ sở 3×104 h với tổng thời gian thử lên đến 
106 h. Ngân hàng dữ liệu độ bền lâu bao gồm các 
thông số về phôi ống cán, rèn, các mối hàn cùng 
loại (10Х9МФБ +10Х9МФБ), mối hàn khác loại 
(10Х9МФБ+15Х1М1Ф, 10Х9МФБ+12Х1МФ) 
ở các nhà máy khác nhau. 
Tuy nhiên, dù có độ bền nhiệt cao và tính 
công nghệ tốt, nhưng các cơ sở chế tạo máy năng 
lượng LB Nga vẫn không có nhu cầu về thép 
10Х9МФБ. Từ năm 2001 đến 2006 chỉ có hai 
đơn hàng cung cấp cho nhà máy nhiệt điện Uông 
Bí và một nhà máy của Ấn Độ. Điều này có thể 
giải thích là tuy có hàm lượng nguyên tố chính 
giống nhau nhưng thép bền nhiệt hệ phương Tây 
P/T 91 có thêm các nguyên tố vi lượng gồm V 
(0,18-0,25%), Nb (0,06-0,10%), N (0,03-0,07%) 
cùng công nghệ luyện kim tiên tiến đã cho những 
sản phẩm tuyệt vời. Bằng chứng nữa là các nhà 
máy nhiệt điện của Nga như Черепетская ГРЭС, 
Южноуральская ГРЭС-2, Нижневартовская 
ГРЭС đã đi vào vận hành từ năm 2013-2014 
vẫn phải sử dụng thép P/T 91 bên cạnh thép Nga 
10Х9МФБ.
 Theo quan niệm của РАО «ЕЭС России», 
tái trang bị, mở rộng và xây dựng mới các nhà 
máy nhiệt điện chạy than ở Nga phải được thực 
hiện bằng cách sử dụng tổ hợp thông số hơi siêu 
tới hạn đáp ứng được yêu cầu về hiệu quả, tính 
linh hoạt, tài nguyên, và các thông số môi trường.
Trong những năm 2005-2006, tổ hợp 
НПО ЦНИИТМАШ đã nghiên cứu và sản xuất 
thép hợp kim chromium - molybdenum có tính 
bền nhiệt cao đến 620 °С để chế tạo lò hơi, ống 
dẫn hơi và thiết bị turbine có các thông số hơi trên 
- siêu tới hạn, đó là thép 10Х9В2МФБР. Khác 
với thép 10Х9МФБ, thép 10Х9В2МФБР được 
hợp kim hóa bổ sung bằng wolfram và boron, nên 
có độ bền nhiệt cao hơn.
Thép 10Х9В2МФБР chiếm vị trí chủ đạo 
trong sản xuất luyện kim và chế tạo máy, dưới 
dạng tấm, ống không hàn Dựa trên kết quả qua 
kiểm định tại các cơ sở nghiên cứu chế tạo hàng 
đầu, thép 10Х9В2МФБР đã được cấp chứng chỉ 
sử dụng ТУ 14-136-349-2008 và ТУ 14-3Р-55-
2001.
Thép bền nhiệt chromium 10Х9В2МФБР 
có độ bền nhiệt đến 650 °С và nó được khuyến 
cáo làm phôi để chế tạo đường ống hơi cho nhà 
máy nhiệt điện chạy than với thông số hơi trên - 
siêu tới hạn công suất 660 MW.
Trước kia ở Việt Nam trong nhà máy nhiệt 
điện như Phả Lại 1 được Liên xô giúp đỡ xây 
dựng, người ta sử dụng chủ yếu là thép 12Х1МФ. 
Từ những năm 1990 đã bắt đầu sử dụng các loại 
thép của phương Tây cho các nhà máy nhiệt điện 
mà phổ biến là thép P/T 22 (2,25Cr-1Mo). Gần 
đây để tăng hiệu suất sử dụng người ta đã xây 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
37Số 52 - Tháng 9/2017
dựng những nhà máy dùng hơi ở trạng thái cận 
tới hạn (T= 540 oC; p=16,8 MPa) như Nhiệt điện 
Vũng Áng 1 và Nhiệt điện Thái Bình... Việc sử 
dụng thép T91/ P91 thay cho P/T 22 khi xây dựng 
nhà máy điện làm giảm khối lượng, tăng hiệu quả 
kinh tế (Hình 4).
Hình 4. Hiệu quả sử dụng thép P/F 91 so 
với P/F 22: Áp suất 28 MPa; Nhiệt độ 550 oC
Ví dụ, các chỉ số kinh tế về ứng dụng 
thép P91 cho hệ thống đường dẫn ống hơi, thay 
cho thép P22 khi xây dựng tổ máy 2×800 MW 
(thông số hơi 550 °C/28,5 MPa, hâm nóng 583 
°C/6,7 MPa). Mỗi tổ máy tiết kiệm được 173 tấn 
thép, đó mà chưa tính đến chi phí kim loại làm hệ 
thống đỡ - treo cũng như giảm chi phí hàn do ống 
thành mỏng.
Để tiếp tục nâng cao hiệu suất sử dụng 
nhiên liệu than trong các nhà máy nhiệt điện Việt 
Nam, các thông số hơi cần đạt đến trạng thái siêu 
tới hạn (T=620 oC; p=30 MPa) như nhà máy Nhiệt 
điện Sông Hậu 1, Vĩnh Tân 4, Long Phú 1, vì vậy 
thép cho các phần tử nhiệt đang sử dụng là P/T 
91 hoặc P/T 92. Tuy ban đầu đề xuất thép P/T 92 
tốt hơn, nhưng sau khi so sánh, người ta đã quyết 
định sử dụng P/T 91 vẫn đảm bảo điều kiện làm 
việc. Riêng nhiệt điện Long Phú 1 do áp dụng 
công nghệ Nga, sử dụng loại thép 10Х9МФБ 
tương đương P/T 91 thỏa mãn điều kiện ASME 
Section II.
Trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, 
hiệu suất càng tăng, phát thải CO
2
 càng ít khi 
nhiệt độ hơi càng cao. So sánh một nhà máy nhiệt 
điện hiện đại làm việc ở trạng thái trên - siêu tới 
hạn (A-USC), nhiệt độ 700 oC - 730 oC với nhà 
máy làm việc ở trạng thái siêu tới hạn, nhiệt độ 
600 oC - 630 oC có cùng công suất, thấy rằng nhà 
máy A-USC tiêu thụ lượng than giảm đi 11% và 
thải ra lượng CO
2
 ít hơn 11%. 
Trong 10 năm qua đã có tiến bộ đáng kể 
trong việc phát triển hợp kim mới dùng cho các 
phần tử nhiệt của nhà máy trên - siêu tới hạn tiên 
tiến (+700 oC, p= 34 - 36 MPa). Các chương trình 
phát triển vật liệu lò hơi để giải quyết nhu cầu 
và đánh giá theo code thiết kế đã được tiến hành 
ở châu Âu (Thermie AD700) và Hoa Kỳ (U.S. 
DOE/OCDO). Chương trình METI Cool Earth 
ở Nhật Bản bắt đầu vào năm 2008. Nghiên cứu 
phòng thí nghiệm, thí điểm pilot và thử nghiệm 
hiện trường các phần tử lò hơi đã được thực hiện 
trên vật liệu khác nhau. Trong số những vật liệu 
được thử nghiệm, người ta đã sử dụng hai loại 
hợp kim chính, đó là Haynes 282 và Inconel 
740H. Khác với những loại thép bền nhiệt trên, 
vật liệu sử dụng trong nhà máy nhiệt điện tiên 
tiến ở trạng thái trên - siêu tới hạn là hợp kim 
nền nickel. Hãng Babcock & Wilcox Power 
Generation Group, Inc. đang chế tạo các tổ hợp 
năng lượng A-USC với sự hợp tác của hãng chế 
tạo turbine Toshiba Corporation. Những nhà máy 
này đã được xây dựng tại Hoa kỳ, Ấn Độ, Thái 
Lan... Tương lai sẽ xây dựng ở Việt nam.
Kết luận
1. Kinh nghiệm vận hành các tổ máy 
nhiệt điện với thông số siêu tới hạn trên thế giới 
đã có những tiến bộ đáng kể: thép bền nhiệt lớp 
martensite chứa 9% Cr được sử dụng làm bộ trao 
đổi nhiệt và đường ống làm việc đến nhiệt độ 620 
°С, áp suất đến 30,0 МPа. Kinh nghiệm sử dụng 
những thép kể trên cho thấy triển vọng sáng sủa 
trong việc chế tạo các thành phần của thiết bị trao 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
38 Số 52 - Tháng 9/2017
đổi nhiệt và đường ống hơi của РУ ВВЭР-СКД.
2. Để sử dụng được trong nhà máy nhiệt 
điện và điện hạt nhân, tổ hợp «ЦНИИТМАШ» 
đã nghiên cứu chế tạo và làm chủ được công nghệ 
sản xuất thép bền nhiệt thế hệ mới: 
- Thép 10Х9МФБ được sử dụng trong 
các thành phần thiết bị dẫn hơi với nhiệt độ làm 
việc 600 °С và thiết bị lò hơi nhiệt độ 620 °С.
- Thép 10Х9В2МФБР trong thiết bị ống 
dẫn hơi có nhiệt độ làm việc đến 620 °С.
3. Có đủ cơ sở tiêu chuẩn và thử nghiệm 
rộng rãi để tiến hành tính toán độ bền và các đại 
lượng, bao gồm độ bền lâu giới hạn, ứng suất cho 
phép, tính chất cơ học chuyển tiếp khi thay đổi từ 
nhiệt độ phòng đến nhiệt độ cao, hệ số bền của 
các mối hàn sau 2×105 h đối với thép10Х9МФБ 
và 105 h đối với 10Х9В2МФБР.
4. Nhiệt độ và áp suất làm việc trong các 
nhà máy điện hạt nhân đều thấp hơn trong nhà 
máy nhiệt điện. Các tính chất cơ học và hóa học 
của thép bền nhiệt có thể được sử dụng chung. 
Tuy nhiên những hành vi trong môi trường bức 
xạ của thép bền nhiệt chromium - molybdenum 
cùng các nguyên tố vi lượng cần có những nghiên 
cứu và thử nghiệm thêm.
5. Trong những năm tới các loại hợp kim 
nền nickel sẽ được sử dụng rộng rãi để làm các 
phần tử chịu nhiệt độ và áp suất trong các nhà 
máy A-USC, nhằm đáp ứng được hiệu suất, tính 
linh hoạt, tiết kiệm tài nguyên, giảm phát thải 
CO
2
. 
Giải thích kí hiệu tiếng Nga thành phần 
thép:
Х - chromium; Н - nickel; М - 
molybdenum; Г - manganese; Ф - vanadium; Б - 
niobium; Т - titanium; В - wolfram; Р - nitrogen.
Nguyễn Đức Thắng
Trung tâm Đánh giá không phá hủy
______________________
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Дуб А.В., Скоробогатых В.Н., Щенкова 
И.А., Козлов П.А. Современные жаропрочные 
стали для энергоблоков СКД, Gidropress_2013.
[2] В.Н. Скоробогатых, И.А. Щенкова. 
Разработка и освоение материалов для 
тепловых блоков на суперсверхкритические 
параметры, Gidropress_2013.
[3] AWS WELDING HANDBOOK. 
Materials and Applications, Part 1, Ninth Ed. 
Volume 4, 2011. 
[4] P.S. Weitzel, PE et al. Babcock & Wilcox 
Power Generation Group, Inc., N. Okita et 
al. Toshiba Corporation. Advanced Ultra-
Supercritical Power Plant (700 to 760 oC) Design 
for Indian Coal. October 3-5, 2012, Bangkok, 
Thailand.