Thực trạng ăn mòn cửa van thép công trình thủy lợi

Cửa van thép ở công trình thủy lợi làm việc trong điều kiện vừa chịu tải trọng phức tạp lại vừa chịu tác động của môi trường nước đặc biệt là môi trường nước mặn nên bị ăn mòn rất mạnh. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài viết Thực trạng ăn mòn cửa van thép công trình thủy lợi dưới đây. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Thực trạng Ăn mòn cửa van thép công trình thuỷ lợi

PGS.TS Đỗ văn Hứa PGS.TS Vũ thành Hải

TS Nguyễn đình Tân

Trường Đại học Thuỷ lợi

Tóm tắt: Cửa van thép ở công trình thuỷ lợi làm việc trong điều kiện vừa chịu tải

trọng phức tạp lại vừa chịu tác động của môi trường nước, đặc biệt là môi trường nước mặn nên bị ăn mòn rất mạnh Bằng phương pháp khảo sát tại hiện trường, đo đạc độ sâu

ăn mòn, các tính cơ học của sơn, phân tích cấu trúc và tính chất cơ học của các loại thép chế tạo cửa van, kết hợp với phân tích môi trường nước, thành phần của lớp rỉ bằng nhiễu xạ tia Rơn ghen, đã xác định những nguyên nhân gây ra ăn mòn cửa van thép và đưa ra

định hướng cho các giải pháp bảo vệ thép trong môi trường nước

1 Đặt vấn đề

Đối với vật liệu kim loại, nguyên nhân thoái hoá chủ yếu là do ăn mòn ở các nước công nghiệp phát triển, thiệt hại hàng năm do ăn mòn chiếm từ 4- 5% tổng thu nhập kinh

tế quốc dân Thiệt hại cho chi phí gián tiếp như sửa chữa, do phải ngừng sản xuất… làm tổn thất tăng 2- 2,5 lần.Việt nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới và có trên 3200km bờ biển Hệ thống công trình thuỷ lợi vừa làm việc trong điều kiện tải trọng nặng lại vừa chịu tác động của môi trường nước, đặc biệt là trong môi trường nước lợ, nước biển nên cửa van và kết cấu thép của công trình bị phá hoại do ăn mòn rất nhanh Các công trình thuỷ lợi ở nước ta được xây dựng và khai thác đã nhiều năm Hơn 75 hệ thống thuỷ nông lớn và vừa, 700 hồ chứa với hàng nghìn cửa van vận hành đang thực hiện nhiệm vụ đa dạng của công trình thuỷ lợi Dọc theo bờ biển có rất nhiều công trình thuỷ lợi đã và đang xây dựng với những nhiệm vụ hết sức quan trọng, đó là: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ góp phần phát triển kinh tế vùng ven biển

Có thể nói rằng trong suốt quá trình dài chúng ta chỉ tập trung khai thác sử dụng các công trình thuỷ lợi, việc khảo sát đánh giá mức độ ăn mòn của cửa van ảnh hưởng đến

an toàn công trình cũng như xác định nguyên nhân gây ra ăn mòn cửa van do tác động của môi trường khác nhau chưa được nghiên cứu sâu để có biện pháp bảo vệ thích hợp phục vụ cho công tác tư vấn, chế tạo, quản lý, vận hành cửa van

Việc đánh giá hiện trạng ăn mòn cửa van đã được tiến hành ở hai cụm công trình tiêu biểu là cụm công trình đầu mối hệ thống thuỷ nông Bắc Hưng Hải ( Xuân quan, Báo

đáp ) và cụm công trình ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng sông Lân, Thái bình (Lân II, Hoàng môn) Đồng thời với việc quan sát, chụp ảnh và xác định chiều sâu ăn mòn tại hiện trường, chúng tôi đã tiến hành các thí nhiệm xác định thành phần nước, thành phần vật

liệu thép, các chỉ tiêu điện hoá của thép, thành phần sản phẩm ăn mòn, các chỉ tiêu và cấu trúc lớp sơn phủ Trên cơ sở việc phân tích các kết quả này chúng ta có thể thấy được hiện trạng, bản chất của quá trình ăn mòn cửa van, các nhân tố ảnh hưởng chính đến quá trình

ăn mòn và hiệu quả bảo vệ của lớp phủ

2 Kết quả và đánh giá:

Các kết quả quan sát tại hiện trường và phân tích các ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao cho thấy, cống Xuân quan cũ sau 40 năm sử dụng bị hư hỏng nặng do ăn mòn Các bộ phận dầm biên và bánh xe bị ăn mòn nặng không còn khả năng làm việc , bản mặt

bị ăn mòn tạo thành các lỗ và rãnh rất khó làm sạch Cống Xuân quan mới, thay năm

1999, có kết cấu giống cống cũ Được sơn bảo vệ ba lớp ở một số bộ phận gần bulông, thanh nẹp có hiện tượng phồng rộp, độ dính bám kém Bản mặt, dầm chính, dầm phụ chưa

có hiện tượng bị ăn mòn Cống Báo đáp nằm cách cống Xuân quan 3km về phía thượng

lưu và cách hệ thống nước thải công nghiệp của thị trấn Gia Lâm 100m về phía hạ lưu Cửa van cống Báo đáp cũ sau17 năm vận hành toàn bộ cửa van cũ bị hư hỏng rất nặng do

ăn mòn Dầm chính, dầm phụ, bản mặt đều bị ăn mòn mạnh, bị rỗ sâu Các dầm biên,

dầm đáy bị thoái hoá mạnh hơn, đặc biệt vị trí gần cao su chặn nước Cửa van cống Báo

đáp mới, thay năm 2000, có kết cấu giống cửa van cũ Sơn bảo vệ gồm 2 lớp, chưa có hiện trạng thoái hoá rạn nứt, có khả năng bảo vệ tốt

Cống Lân II và cống Hoàng Môn làm việc trong môi trường nước lợ Cống Lân II

được đưa vào khai thác năm 1996, gồm 4 cửa van hình cung, mặt cong quay ra phía biển Phần bản mặt không thường xuyên ngập trong nước biển, lớp phun kẽm còn có độ dính bám tốt, nhiều chỗ bản mặt bị han rỉ nhưng không nặng lắm, hà bám không nhiều, bóc lớp hà trên bản mặt của van thấy lớp phun kẽm không còn, bề mặt cửa van đã bị ăn mòn Càng xuống sâu hà bám càng dày đặc Hiện tượng ăn mòn không đều, lồi lõm, nhiều chỗ

bị ăn mòn sâu Cống Hoàng Môn có cửa van phẳng hệ dầm được thay mới năm 1999,

cách cống Lân II vào khoảng 800m Sau 3 năm đưa vào sử dụng, các cửa van đã bị ăn mòn nặng, bề mặt lồi lõm rất khó làm sạch rỉ khi bảo dưỡng định kỳ Nhiều chỗ trên bản mặt đã bị thủng Các dầm biên bị ăn mòn mạnh làm mất khả năng chịu lực

Quá trình ăn mòn phụ thuộc vào kết cấu công trình, các dầm biên và dầm đáy thường bị ăn mòn mạnh hơn (ăn mòn khe và ăn mòn ứng suất) Chế độ triều, sinh vật biển bám trên cửa van đã làm tăng tốc độ ăn mòn Sự ăn mòn không đều đã làm cho một số bộ phận sớm bị hư hỏng và hệ thống cửa van bị xuống cấp nhanh chóng

Kết quả xác định chiều sâu ăn mòn của các cấu kiện cửa van tại hiện trường (Bảng I) đã giúp cho chúng ta thấy rõ hơn về hiện trạng ăn mòn cửa van Chiều dày thực tế của bản mặt và các dầm được xác định bằng thiết bị đo chiều dày thép Panametrics Model 25 sau khi đã hiệu chỉnh bằng mẫu thép chuẩn có chiều dày 15mm và có hàm lượng các bon thấp tương ứng với vật liệu thép cửa van Cửa van được nâng lên và đánh dấu các vị trị cần

đo Xi,Yj theo hệ toạ độ OXY nằm trong mặt phẳng thẳng đứng phía thượng lưu, có gốc

toạ độ nằm ở góc trái đáy cửa van, trục X có chiều dương hướng từ trái sang phải, trục Y

có chiều dương hướng từ dưới lên Vị trí đo được làm sạch hàu hà và tẩy lớp rỉ hoặc lớp sơn phủ bằng giấy nhám mịn 500 Chiều dày thực tế ij là giá trị trung bình của ba lần đo tại điểm Xi,Yj Chiều sâu ăn mòn được xác định:  ij = bđij ; trong đó bđ là chiều dày ban đầu của đầm và bản mặt

Bảng I: Kết quả đo chiều sâu bị ăn mòn cửa van cống Xuân Quan cũ

Tên công

trình

Các bộ phận chính của cửa van

Toạ độ (m) ij

( mm )

Toạ độ (m)  ij 

(mm)

Toạ độ (m)  ij 

( mm )

Xuân

Quan

(1959)

1 0,7 0,8 0,10 7 0,8 0,4 2,54 13 0,05 0,8 4,12

2 0,7 1,6 0,09 8 1,8 0,4 2,57 14 0,05 1,6 2,80

3 1,5 2,5 0,14 9 0,8 2,0 0,49 15 0,05 2,5 3,97

4 1,5 3,4 0,05 10 1,8 2,0 0,47 13* 0,05 0,8 4,20

5 2,2 3,4 0,04 11 0,8 4,0 0,47 14* 0,05 1,6 3,00

6 2,8 3,4 0,08 12 1,8 4,0 0,48

Chú thích: -  ij (mm) là chiều sâu bị ăn mòn tại điểm Xi Yj .

- Gốc toạ độ OXY đặt tại góc trái dưới đáy van ở phía thượng lưu

Từ các kết quả quan sát và các kết quả xác định chiều sâu ăn mòn cho thấy cửa van bị ăn mòn không đều Chiều sâu ăn mòn của dầm biên, dầm đáy và chân vùng triều thường lơn hơn so với các vùng khác Vùng có hà bám thường bị ăn mòn rất mạnh và làm cho bề mặt bản mặt bị lõm sâu

Kết quả đo các chỉ tiêu chất lượng nước, xác định bằng các thiết bị IH 8304, CO150,

IH 9143 và máy quang phổ hấp phụ DR2000 và PALINTEST 7000, được ghi trong bảng

II Độ đẫn điện của vùng nước lợ lơn hơn hẳn vùng nước ngọt Cống Lân II và cống Hoàng môn nằm trong môi trường có tác dụng xâm thực mạnh Hạ lưu cống Báo đáp do

ảnh hưởng của môi trường ô nhiễm độ nên dẫn điện lơn hơn so với thượng lưu Xuân quan Các môi trường có độ dẫn điện lớn hơn thì tốc độ ăn mòn sẽ lơn hơn, do mật độ dòng anốt hoà tan kim loại tăng

Việc đánh giá ảnh hưởng của vật liệu chế tạo cửa van có thể dựa vào kết quả phân tích thành phần hoá học trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL-3460 và kết quả xác

định các tính chất điện hoá trên thiết bị AUTOLAB với phần mềm GPES tự động (bảng III) Các mẫu thép cán Việt nam CT38 ( Báo đáp ) và thép cán nhập CT3 của Nga ( Xuân

quan) và mẫu nước đều lấy tại hiên trường Kết qủa cho thấy rõ ràng là tốc độ ăn mòncủa thép ở thượng hạ lưu cửa van vùng biển có sự khác nhau rõ rệt hơn hẳn ở vùng nước ngọt Thép cán CT3 của Nga có độ bền ăn mòn khá hơn so với thép cán CT38 Việt nam, song cả 2 loại thép trên đều thuộc nhóm thép đảm bảo độ bền ăn mòn trong môi trường làm việc

Bảng II Kết quả đo các chỉ tiêu chất lượng nước

T

T Chỉ tiêu Đơn

vị

Xuân Quan Báo Đáp Hoàng Môn Lân II

Thg

lưu

Hạ

lưu

Thg

lưu

Hạ

lưu

Biển Đồng Biển Đồng

2 pH - 7,72 7,68 7,61 6,91 7,81 7,78 7,77 7,42

3 Độ dẫn S/cm 147,8 154,8 198,9 276 9930 5190  

4 Độ mặn S o /oo 0,1 0,1 0,1 0,1 5,5 2,8 4,6 0,3

Cl- mg/l 18,5 20,7 18,2 22,7 3120 1340 2420 140

NO3- mg/l 0,24 0,36 0,23 0,44 0.11 0,15 0.32 0.35

BảngIII: Các chỉ tiêu ăn mòn điện hoá của thép CT3 Nga và CT38 Việt nam:

S

T

T

Thông số

điện hoá

Cống Lân II CT38

Hoàng môn

CT38

Báo đáp

Thượng lưu Xuân quan

(A/cm 2 ) 5,134.10

-8 1,167.10 -8 2,450.10 -8 1,565.10 -8 6,070.10 -9 5,410.10 -9 4,766.10 -9

2,365.10 10

2 P tn

(mm/năm) 2,526.10 -4 1,364.10 -4 4,713.10 -4 3,657.10 -4 1,419.10 -4 1,264.10 -4 1,114.10 -4 5,526.10 -5

Khi so sánh kết quả đo ở bảng I và bảng III, chúng ta thấy chiều sâu ăn mòn đo đạc tại hiện trường lớn so với kết quả đo trong phòng thí nghiệm nhiều lần Nguyên nhân chủ yếu là do sự tác động thời của nhiều nhân tố cơ, lý, hoá, vi sinh, kết cấu và điều kiện làm việc

Việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của sản phẩm ăn mòn chúng ta có thể dựa vào các kết quả phân tích thành phần lớp rỉ bằng nhiễu xạ tia Rơngen Ví dụ phân tích lớp rỉ ở cửa van công Lân II cho kết quả sau:

 - FeO(OH): 48 50%;  - FeO(OH): 8 10%; - FeO(OH): 28 30% ; Fe2O3 <10%; Fe3O4 < 3

Các pha chủ yếu của thành phần lớp rỉ có độ xít chặt không cao, khả năng ức chế quá trình ăn mòn thép kém

Quá trình ăn mòn cửa van thép phụ thuộc rất lớn vào hiệu quả của các phương pháp bảo vệ Có nhiều phương pháp bảo vệ như sơn phủ, bảo vệ catốt, phun kẽm, bọc composit hoặc kết hợp các phương pháp trên đã được áp dụng Song thực tế, hầu hết các cửa van thuỷ lợi vẫn được chống ăn mòn bằng lớp sơn bảo vệ Việc xác định các chỉ tiêu của màng sơn như độ bóng, độ dính bám, độ dày và phân tích cấu trúc màng sơn bằng phổ hồng ngoại gíup chúng ta có thể đánh giá hiệu quả của phương pháp bảo vệ này

a/ b/

Hình 1: Phổ hồng ngoại : a/ sơn Epoxy cửa van Xuân quan b/ sơn Alkyd cửa van Hoàng môn

Kết quả phân tích cấu trúc màng sơn bằng phổ hồng ngoại (hình 1) cho thấy cống Xuân quan được bảo vệ rất hợp lý bởi 3 lớp sơn: lớp lót epôxy chống rỉ (hình 1a), lớp giữa epôxy màu ghi, lớp phủ mặt bitum Ngược lại cống Hoàng môn nằm trong vùng nước lợ chụi tác dụng xâm thực mạnh lại được bảo vệ bằng bằng 2 lớp sơn alkyd (hình 1b) là loại sơn có khả năng chụi nước rất kém Vì vậy nên chỉ mới sau 3 năm đưa vào sử dụng cửa van dã bị hư hỏng nặng

3 Kết luận

- Ăn mòn cửa van là quá trình ăn mòn điện hoá của vật liệu không đồng nhất trong môi trường không đồng nhất Quá trình ăn mòn này còn chịu tác động trực tiếp của sinh vật bám trên bề mặt cửa van

- Hình thức ăn mòn cửa van rất đa dạng Ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn khe, ăn mòn ứng suất, ăn mòn mài mòn và tác động của môi trường theo chu kỳ thuỷ triều, đóng mở cửa van đã đẫn đến sự ăn mòn không đều, làm một số kết cấu sớm bị hư hỏng và hệ thống cửa van nhanh chóng xuống cấp

- Các phương pháp bảo vệ có ảnh hưởng rất quyết định đến tuổi thọ cửa van Việc chống ăn mòn cửa van cần được giải quyết một cách đồng bộ từ việc tăng cường công tác quản lý, sử dụng vật liệu thích hợp, hợp lý hoá kết cấu và đồng thời kết hợp các phương pháp bảo vệ có hiệu quả

- Để có những đánh giá đầy đủ hơn về hiện trạng ăn mòn cửa van và hiệu quả các phương pháp bảo vệ, công việc khảo sát hiện trạng cần được tiếp tục mở rộng cho các tỉnh vùng ven biển miền Bắc, miền Trung và đồng bằng sông Cửu long

Tài liệu tham khảo

[1] Lê Công Dưỡng: Vật liệu học ; NXB Khoa học và kỹ thuật Hà nội, 1997 [2] Helmut Kaesche: Die Korrosion der Metalle; Springer-Verlag Berlin, 1990 [3] W Baeckmann: Handbuch des kathodischen Korrosionsschutz; VCH-Verlag

Weinheim, BRD, 1989

[4] Josef Ruf: Organische Metallschutz; Vincentz Verlag, Hanover, BRD, 1993

[5] Klaus Moerber: Praktischer Korrosionsschutz; Springer-Verlag Berlin, 1985

Summary

The steel gate in hydraulic structures sustains under both the complex of loading

on structures and the impact of water environment, especially in salt water, that cause the steel corroding became faster Site investigation, measurement depth of corroding, knowing mechanism property of the paint, analyzing the structure and mechanism characteristic of steel that made the gate, to combine with the analyzing of water environment, the component of the rust under the X-rays have been came to conclusion for the cause of corroding and to orient the solutions to protect the steel gate in water environment