Nghiên cứu công nghệ chế tạo protector nền zn dùng để chống ăn mòn các kết cấu thép và công trình vùng biển

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- BÙI BÁ XUÂN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn DÙNG ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN CÁC KẾT CẤU THÉP VÀ CÔNG TRÌNH VÙNG BIỂN Chuyên ngành:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI BÁ XUÂN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn DÙNG ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN CÁC KẾT

CẤU THÉP VÀ CÔNG TRÌNH VÙNG BIỂN

Chuyên ngành: Công nghệ tạo hình vật liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và nội dung này chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đó

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012

Tác giả luận án

Bùi Bá Xuân

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự quan tâm, giúp

đỡ nhiệt tình của các thầy cô và đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy: PGS TS Đặng Vũ Ngoạn, TS Nguyễn

Hồng Dư, TS Lưu Phương Minh đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ hoàn thành cuốn

luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng, các thầy phản biện

đã dành thời gian đọc và đóng góp ý cho việc hoàn thiện luận án Cảm ơn các thầy,

cô trong Bộ môn Thiết Bị và Công nghệ Vật Liệu, Khoa Cơ khí, Khoa Công nghệ

Vật liệu đã giúp đỡ góp ý tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này Xin

chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga, Viện Kỹ

thuật nhiệt đới và Bảo vệ môi trường, Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam đã hợp tác, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc

Gia TP Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên đề

tài vẫn còn nhiều hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự thông cảm và góp ý của các

thầy, cô giáo cùng toàn thể các đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

NCS Bùi Bá Xuân

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN 6

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 6

1.4 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN 6

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 7

1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 8

1.7 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG PROTECTOR TRONG NƯỚC 9

1.8 CÁC LOẠI VẬT LIỆU PROTECTOR 9

1.8.1 Các loại vật liệu chế tạo protector 9

1.8.2 Thành phần và thông số điện hoá của một số loại protector 11

1.9 PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT PROTECTOR TRÊN TÀU THỦY 13

1.9.1 Tính toán và thiết kế hệ bảo vệ bằng protector 13

1.9.2 Sơ đồ và phương pháp lắp đặt hệ bảo vệ bằng protector 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 19

2.1 CƠ SỞ VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 19

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BẢO VỆ, CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI BẰNG PHÂN CỰC 20

2.2.1 Bảo vệ anot 21

2.2.2 Bảo vệ catot 21

2.2.3 Sự phân cực của kim loại trong nước 23

2.2.3.1 Nguyên lý bảo vệ catot 23

2.2.3.2 Phương pháp bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài 26

2.2.3.3 Phương pháp bảo vệ catot bằng protector 31

2.3 LÝ THUYẾT VỀ KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG 34

2.3.1 Trạng thái bán lỏng 34

2.3.2 Các công nghệ chế tạo kim loại bán lỏng 36

2.3.3 Các phương pháp tạo hình bán lỏng 36

2.3.3.1 Phương pháp rheocasting 37

2.3.3.2 Phương pháp thixoforming 37

2.3.3.3 Phương pháp thixomoulding 38

2.3.3.4 Phương pháp rheomoulding 38

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 41

3.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 41

3.1.1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu 41

3.1.2 Thiết bị nghiên cứu 41

3.2 PHƯƠNG PHÁP NẤU LUYỆN VÀ ĐÚC PROTECTOR 41

3.3 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG PROTECTOR TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 43

3.4 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG NGOÀI TỰ NHIÊN 44

3.4.1 Mẫu thép cacbon thử nghiệm tự nhiên 44

3.4.2 Môi trường thử nghiệm 46

3.4.3 Xác định tốc độ ăn mòn 49

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44

4.1 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA PROTECTOR NỀN Zn CÓ THẾ ĐIỆN CỰC ÂM NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 50

4.1.1 Thực nghiệm 50

4.1.2 Bài toán quy hoạch thực nghiệm 52

4.1.3 Kiểm định phương trình hồi quy 52

4.1.4 Tìm điểm tối ưu của phương trình hồi quy 54

4.2 CÁC PHẢN ỨNG HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐÚC BÁN LỎNG 54

4.2.1 Những tính chất của vật liệu bán lỏng 54

4.2.1.1 Hợp kim có khoảng đông đặc đủ rộng 54

4.2.1.2 Độ nhạy của thành phần rắn đối với nhiệt độ thấp 55

4.2.1.3 Khả năng hình thành một cấu trúc có hình thái hạt cầu kích thước nhỏ thấp mịn 55

4.2.1.4 Tính đúc dễ dàng 55

4.2.2 Quá trình hình thành vật liệu bán lỏng 56

4.2.3 Quá trình hòa tan hydro và oxy trong nấu luyện hợp kim Zn 57

4.2.3.1 Quá trình hòa tan hydro vào hợp kim Zn nóng chảy 57

4.2.3.2 Quá trình hòa tan oxy vào hợp kim Zn nóng chảy 58

4.2.4 Tác động của quá trình khuấy đảo cơ 58

4.2.5 Các phương pháp khuấy đảo cơ 60

4.2.5.1 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy 60

4.2.5.2 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít 61

4.2.5.3 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít và cánh khuấy 61

4.2.5.4 Quá trình khuấy đảo cơ sử dụng trục khuấy điều khiển nhiệt độ 62

4.3 CHẾ TẠO PROTECTOR Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HỢP KIM Zn 64 4.3.1 Tính toán các thông số của quá trình khuấy đảo cơ 64

4.3.1.1 Nhiệt độ khuấy của hợp kim bán lỏng 64

4.3.1.2 Tốc độ khuấy 66

43 1.3 Thời gian khuấy 67

4.3.1.4 Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy 68

4.3.2 Một số dạng protector thông dụng trên thế giới 69

4.3.3 Thiết kế protector nền Zn bán lỏng 70

4.3.4 Chế tạo mẫu phân tích tế vi 71

4.3.5 Chế tạo mẫu đo dung lượng điện hoá 72

4.3.6 Chế tạo mẫu protector nền Zn bán lỏng 72

4.4 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN HOÁ, TỔ CHỨC TẾ VI PROTECTOR NỀN Zn BÁN LỎNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 73

4.4.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học 73

4.4.2 Kết quả phân tích thế điện cực của các mẫu protector Zn kết tinh có điều

khiển 74

4.4.3 Kết quả đo dung lượng điện hoá và điện thế điện cực của protector nền Zn kết tinh có điều khiển 76

4.4.4 Kết quả phân tích cấu trúc tế vi protector nền Zn 76

4.4.4.1 Ảnh kim tương 76

4.4.4.2 Ảnh bề mặt SEM 77

4.5 ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM PROTECTOR NỀN Zn KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN TRONG THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN 78

4.5.1 Thử nghiệm thép CT51 trong môi trường nước biển 79

4.5.1.1 Tốc ăn mòn của thép CT51 không được bảo vệ trong nước biển 79

4.5.1.2 Tốc độ ăn mòn của thép CT51 được bảo vệ bằng protecctor Zn thông thường trong nước biển 81

4.5.1.3 Tốc độ ăn mòn của thép CT51 được bảo vệ bằng protector Zn chế tạo bằng phương pháp bán lỏng trong nước biển 82

4.5.1.4 So sánh tốc độ ăn mòn của thép CT51 ở 3 chế độ trong nước biển 83

4.5.2 Thử nghiệm thép CT51 trong môi trường đất ven biển Nha Trang 85

4.5.2.1 Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất ven biển 85

4.5.2.2 Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn thông thường 86 4.5.2.3 Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn bán lỏng 88

4.5.2.4 So sánh tốc độ ăn mòn của thép CT51 ở 3 chế độ trong môi trường đất ven biển 89 4.5.3 Sản phẩm ăn mòn của protector Zn bán lỏng trong các môi trường thử nghiệm tự nhiên 91

4.5.3.1 Thành phần và hình thái học bề mặt của sản phẩm ăn mòn thử nghiệm trong môi trường đất 91

4.5.3.2 Thành phần và hình thái học bề mặt của sản phẩm ăn mòn thử nghiệm trong môi trường nước biển 93

4.6 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn KẾT

TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ HIỆU QỦA KINH TẾ

KỸ THUẬT 94

4.6.1 Quy trình công nghệ 94

4.6.2 Bước đầu đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật 96

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 97

5.1 NỘI DUNG KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 97

5.2 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 99

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 100

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 106

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 107

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn THÔNG THƯỜNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 109

PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn BÁN LỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 111

PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN 113

PHỤ LỤC 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn THÔNG THƯỜNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN 115

PHỤ LỤC 6: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn BÁN LỎNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN 117

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số vật liệu làm protector thông dụng 10

Bảng 1.2 Thành phần một số loại protector 11

Bảng 1.3 Đặc điểm của một số loại protector 12

Bảng 1.4 Những thông số điện hoá của protector 12

Bảng 1.5 Mật độ dòng điện bảo vệ của protector cho thép có sơn trong nước biển 15 Bảng 1.6 Kích thước chuẩn và đặc tính nhóm protector của Nga dùng để bảo vệ phần dưới nước của tàu thép 16

Bảng 2.1 Vật liệu anot được áp dòng điện cao 28

Bảng 2.2 Điện thế bảo vệ catot 28

Bảng 2.3 Mật độ dòng điện để bảo vệ thép 29

Bảng 2.4 Dãy Ganvanic của một số kim loại trong nước biển 31

Bảng 2.5 Tính chất các protector 33

Bảng 2.6 Giá trị trung bình của điện thế tĩnh của kim loại trong nước biển 33

Bảng 3.1 Điện trở suất của một số môi trường 46

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của nước biển 46

Bảng 3.3 Hàm lượng các ion đa lượng hòa tan trong nước biển 47

Bảng 3.4 Phân loại nước theo độ mặn 47

Bảng 3.5 Thông số môi truờng nước biển tại Vịnh Nha Trang 48

Bảng 4.1 Thành phần hóa học và điện thế điện cực hợp kim Zn 50

Bảng 4.2 Khả năng hoà tan H2 (cm3/100g) khi áp suất 105 Pa trong các kim loại 57

Bảng 4.3 Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp EDX) 73

Bảng 4.4 Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp quang phổ) 74

Bảng 4.5 Dung lượng và điện thế của protector Zn kết tinh có điều khiển 76

Bảng 4.6 Bảng tổng tốc độ ăn mòn trung bình CT51 sau 5 đợt thu mẫu 80

Bảng 4.7 Tổng hợp tốc độ ăn mòn trung bình CT51 bảo vệ bằng protector Zn thông thường 82

Bảng 4.8 Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 bảo vệ bằng protector Zn bán lỏng 83

Bảng 4.9 Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 thử nghiệm trong nước biển 84

Bảng 4.10 Bảng tổng hợp tốc độ ăn mòn trung bình thép CT51 không bảo vệ trong đất 86

Bảng 4.11 Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 bảo vệ protector Zn thông thường trong môi trường đất 87

Bảng 4.12 Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn đúc bán lỏng 89

Bảng 4.13 So sánh tốc độ ăn mòn CT51 trong môi trường đất 90

Bảng 4.14 Tốc độ ăn mòn thép CT51 (g/m2/ngày đêm) 90

Bảng 4.15 Mức độ bảo vệ thép CT51 của các loại protector Zn (%) 91

Bảng 4.15 Thành phần sản phẩm ăn mòn tạo thành trên bề mặt protector Zn sau 5 tháng thử nghiệm 91

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố prorector phần thân tàu dưới nước 16

Hình 1.2 Số lượng các protector ở một mạn tàu 17

Hình 1.3 Các cụm chi tiết chuẩn cho việc kẹp giữ các thiết bị bảo vệ 18

Hình 2.1 Giản đồ E-pH của Fe 20

Hình 2.2 Đường cong phân cực khi có bảo vệ catot 22

Hình 2.3 Hiệu ứng anot và catot hóa trên bề mặt kim loại 24

Hình 2.4 Động học phản ứng anot và catot 25

Hình 2.5 Kiểm soát quá trình khử oxy 26

Hình 2.6 Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dòng điện ngoài 27

Hình 2.7 Bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài đường ống chôn trong đất 30

Hình 2.8 Sơ đồ bảo vệ bằng protector trong nước 32

Hình 2.9 Sơ đồ bảo vệ bằng protector trong đất 32

Hình 2.10 Bảo vệ catot bằng protector cho đường ống 34

Hình 2.11 Minh họa về mặt nhiệt độ của trạng thái rắn lỏng và nửa rắn 35

Hình 2.12 Thành phần rắn lỏng trong kim loại ở trạng thái mushy/semisolid 35

Hình 2.13 Minh họa 2 phương thức Rheo và Thixo trong công nghệ xử lý bán lỏng 36

Hình 2.14 Minh họa các phương pháp của thixoforming 38

Hình 2.15 Phương pháp thixomoulding 39

Hình 2.16 Máy Rheomoulding trục vít kép (TSRM) 39

Hình 3.1 Thiết bị đúc protector Zn bán lỏng 43

Hình 4.1 Nguyên lý tạo hạt hình cầu khi khuấy vật liệu ở trạng thái bán lỏng 56

Hình 4.2 Mô tả nguyên lý khuấy đảo cơ 59

Hình 4.3 Cơ chế bẻ gãy cấu trúc nhánh cây để tạo ra cấu trúc tế vi dạng hạt 59

Hình 4.4 Mô tả quá trình khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy 60

Hình 4.5 Các dòng chảy tạo ra bởi các biên dạng cánh khác nhau 61

Hình 4.6 Mô tả quá trình khuấy đảo cơ sử dụng 3 trục vít 61

Hình 4.7 Khuấy đảo cơ sử dụng trục vít kết hợp cánh khuấy dạng mỏ neo 62

Hình 4.8 Thiết bị khuấy đảo cơ 63

Hình 4.9 Giản đồ trạng thái của hợp kim Zn-Al (ASM handbook, vol 3) 65

Hình 4.10 Kích thước nồi khuấy, cánh khuấy và bố trí cánh khuấy 68

Hình 4.11 Hình dạng một số loại protector thông dụng 70

Hình 4.12 Thiết kế protector Zn bán lỏng 70

Hình 4.13 Mẫu đúc hợp kim Zn soi kim tương 72

Hình 4.14 Mẫu đúc hợp kim Zn đo dung lượng điện hoá 72

Hình 4.15 Mẫu protector hợp kim Zn bán lỏng 73

Hình 4.16 Phân tích thành phần protector Zn bằng phương pháp EDX 74

Hình 4.17 Đồ thị EIS 75

Hình 4.18 Đồ thị Rp-Ec 75

Hình 4.19 Đồ thị Tafel 75

Hình 4.20 Cấu trúc tế vi mẫu protector Zn 76

Hình 4.21 Ảnh tế vi của mẫu protector Zn 77

Hình 4.22 Đặt mẫu thử nghiệm ăn mòn thép CT51 trong nước biển 79

Hình 4.23 Thu mẫu thử nghiệm ăn mòn thép CT51 trong nước biển 80

Hình 4.24 Bề mặt mẫu CT51 sau khi làm sạch mẫu 80

Hình 4.25 Thử nghiệm bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn trong nước biển 81

Hình 4.26 Thu mẫu bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn trong nước biển 81

Hình 4.27 Bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn bán lỏng trong nước biển 82

Hình 4.28 Thu mẫu bảo vệ CT51 bằng protector Zn bán lỏng trong nước biển 83

Hình 4.29 Đồ thị so sánh tốc độ ăn mòn CT51 trong nước biển 84

Hình 4.30 Đặt mẫu thử nghiệm tốc độ ăn mòn của thép trong môi trường đất 85

Hình 4.31 Thu mẫu CT51 thử nghiệm tốc độ ăn mòn thép trong môi trường đất 85

Hình 4.32 Thử nghiệm ăn mòn thép bảo vệ protector thông thường trong đất 86

Hình 4.33 Thử nghiệm bảo vệ CT51 trong đất bằng protector Zn thông thường 87 Hình 4.34 Thử nghiệm bảo vệ thép CT51 trong đất bằng protector Zn bán lỏng 88 Hình 4.35 Bề mặt thép CT51 trong đất sau khi thử nghiệm protector bán lỏng 88

Hình 4.36 Đồ thị so sánh tốc độ ăn mòn thép CT51 trong môi trường đất 90 Hình 4.37 Giản đồ nhiễu xạ tia X sản phẩm ăn mòn protector Zn trong đất 92 Hình 4.38 Giản đồ nhiễu xạ tia X sản phẩm ăn mòn protector trong nước biển 93 Hình 4.39 Quy trình công nghệ chế tạo protector nền Zn đúc bán lỏng

có điều khiển kết tinh 95

MỞ ĐẦU

Bảo vệ chống ăn mòn kim loại là vấn đề rất quan trọng cần phải giải quyết trong thực tiễn, vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ bảo vệ vật liệu

có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn Đặc biệt nước ta có khí hậu nhiệt đới, gió mùa,

độ ẩm cao, có bờ biển dài, nhiều đảo, nên việc bảo vệ nâng cao độ bền, chống ăn mòn cho các công trình, thiết bị, máy móc có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Ngoài phương pháp sơn phủ, thụ động hóa và xử lý bề mặt [1] để chống ăn mòn cho các công trình thép trong đất, trong nước thì bảo vệ catot là phương pháp không thể thiếu được và rất có hiệu quả đối với các công trình như giàn khoan, tàu thủy, cầu cảng, các đường ống dẫn, đèn biển,…

Phương pháp bảo vệ catot bằng protector hiện được dùng rất rộng rãi để bảo

vệ các công trình thép trong môi trường đất, môi trường nước Ưu điểm chính của phương pháp này là không đòi hỏi phải có nguồn điện bên ngoài và không phải thường xuyên theo dõi như đối với phương pháp bảo vệ catot bằng dòng ngoài Hiện nay, hầu hết protector ở nước ta đều phải nhập ngoại, một vài cơ sở nghiên cứu có chế tạo thử protector từ các hợp kim theo phương pháp đúc thông thường Nhược điểm của phương pháp này là sự không đồng đều về tổ chức và thành phần hợp kim, hạt tinh thể hình nhánh cây thường thô, to, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng protector như dung lượng điện hóa, độ bền cơ học

Protector thường được chế tạo từ hợp kim nhôm, hợp kim kẽm hoặc hợp kim magie Trong đó, protector hợp kim nhôm có dung lượng lớn và có giá thành đối với 1Ah là rẻ nhất, nên thường được dùng để bảo vệ cho các công trình, nhất là đối với các công trình trong biển lâu năm như giàn khoan, đường ống dẫn, … Theo tác giả [2], protector hợp kim magie tuy có dung lượng thấp, giá thành cao nhưng lại có điện thế âm lớn nên thường được dùng để bảo vệ các công trình trong môi trường

có điện trở cao như trong nước ngọt, trong đất đồi núi Protector hợp kim Zn được dùng trong những môi trường điện ly mạnh và trung bình mà chúng có thể hòa tan

và hoạt động tốt trong nước biển và trong đất Trong nước biển với điện trở riêng khoảng 0,2  0,7 m thì chủ yếu dùng protector Zn, trong đất việc dùng protector

Zn là phổ biến Tuy nhiên nếu dùng protector Zn để bảo vệ trong nước ngọt ở nhiệt

độ lớn hơn 600 C thì hiệu quả bảo vệ sẽ thấp vì trên bề mặt kẽm hình thành lớp màng thụ động hóa [3]

Đề tài chọn nghiên cứu protector nền Zn bởi vì loại protector này chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều so với các loại protector khác Trong khi đó, phạm vi ứng dụng để bảo vệ bằng protector nền Zn lại tương đối rộng như trong đất, trong nước biển, nước ngọt và nước lợ Đối với nước ta, nơi có hơn 3260 km bờ biển, nhiều hải đảo, nhà giàn, lại có nhiều sông ngòi, nhất là đồng bằng sông Cửu long với hệ thống kênh ngòi chằng chịt và giao thông đường thủy rất phát triển, việc nghiên cứu loại protector nền Zn có thể làm việc trong các môi trường khác nhau để bảo vệ chống ăn mòn cho các công trình, kết cấu thép là rất quan trọng Protector nền Zn được ứng dụng bảo vệ các công trình bê tông cốt thép tiếp xúc với nước như cầu cảng, các công trình quân sự và dân sự ngoài biển đảo, bảo vệ vỏ tàu thủy, xà lan, các bồn chứa bằng thép và đường ống dẫn dầu, khí dưới nước hoặc vùng bùn lầy Đặc biệt người ta chỉ dùng protector Zn để bảo vệ cho các khoang chứa dầu của tàu biển vì vấn đề an toàn, do protector Zn không gây tia lửa điện trong quá trình bảo vệ

Trên thế giới cũng như trong nước hiện nay, phương pháp chế tạo protector nền Zn chủ yếu bằng phương pháp đúc nóng chảy thông thường theo [3] Trong thành phần hợp kim của protector Zn chế tạo bằng phương pháp đúc nóng chảy có một số thành phần kim loại có tác dụng chống sự thụ động hóa của protector, nhưng lại dễ tạo ra thiên tích khi đúc Kẽm có mạng tinh thể kiểu lục giác nên dòn và khó biến dạng, vì vậy sau khi đúc, không thể dùng biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt và đồng đều thành phần hợp kim Ngoài ra, do hình dạng và kết cấu của protector phức tạp nên cũng khó khăn cho quá trình gia công biến dạng Quá trình này chỉ có thể phải giải quyết ngay trong khi kết tinh Việc nghiên cứu công nghệ đúc tạo ra hạt nhỏ mịn và đồng đều có thể thực hiện được bằng việc kết tinh có điều khiển, chẳng hạn như công nghệ đúc kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng, một công nghệ mới được nghiên cứu gần đây [4]

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu công nghệ đúc kết tinh có điều khiển hợp kim kẽm, kết tinh có điều khiển để tạo ra tổ chức nhỏ mịn, ít thiên tích và tạo ra protector có hình dáng phức tạp cho trước Trên cơ sở đó, so sánh và thử nghiệm trong thực tế khả năng bảo vệ của các protector này với các protector tương tự đã biết tại vùng khí hậu nhiệt đới biển đặc trưng chung cho Việt Nam là Nha Trang Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp có hiệu quả cho sự nghiệp xây dựng và bảo vệ tổ quốc, phát huy tiềm năng kinh tế biển của Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Vấn đề chống ăn mòn cho các công trình, kết cấu thép, đặc biệt là đối với các công trình vùng biển đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm từ rất lâu Nhiều giải pháp kỹ thuật đã từng được đề xuất thử nghiệm và áp dụng, trong đó đáng chú ý là phương pháp bảo vệ catot Thời gian gần đây trong khi giải quyết vấn

đề chống ăn mòn công trình, kết cấu thép vùng biển, phương pháp bảo vệ catot càng được quan tâm như là một trong những giải pháp hữu hiệu và khả thi

Hệ thống bảo vệ catot là hệ thống thiết bị, vật tư được lắp đặt và sử dụng cho từng kết cấu và môi trường cụ thể với chức năng tạo nên sự phân cực catot cho công trình, kết cấu thép ở mức độ phù hợp với nhiệm vụ chống ăn mòn, tăng tuổi thọ của kết cấu công trình Bảo vệ catot được sử dụng rộng rãi để chống ăn mòn đường ống, bồn bể ngầm, các kết cấu thép ở biển, cầu cảng, cốt thép bê tông, tầu thủy, hệ thống cáp ngầm, vv Đối với các kết cấu bê tông cốt thép ngầm ở môi trường có độ xâm thực cao, đã bị ăn mòn, xuất hiện nhiều vết nứt hoặc các lớp sơn phủ không còn tác dụng thì bảo vệ catot là giải pháp kỹ thuật khả thi và thích hợp để duy trì và tăng tuổi thọ của công trình

Hiệu quả của bảo vệ catot thể hiện ở chỗ: trong các điều kiện tự nhiên nó làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại nhiều lần Mức độ bảo vệ thực tế đạt 70-90% Dự trữ tuổi thọ của công trình vì thế cũng được tăng lên tương ứng (3-5 lần) Bảo vệ catot mang tính chọn lọc: dòng bảo vệ tác động tập trung nhất tại những khu vực mà nguy cơ phá hủy cục bộ là lớn nhất (khu vực suy yếu, nứt, rỗ hoặc nơi môi trường xâm thực mạnh, độ dẫn điện cao,…) Bảo vệ catot tác động liên tục và có tính lâu dài Khi triển khai bảo vệ catot người ta không cần phải xử lý toàn bộ bề mặt của kết cấu, vì vậy không làm ảnh hưởng tới các hoạt động công nghệ của công trình hiện hữu Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp này đã được kiểm nghiệm bởi thực tế nhiều năm sử dụng các hệ thống bảo vệ catot cho hàng loạt công trình: tàu

biển, đường ống dẫn dầu, khí, cầu, cầu cảng, vv ở nhiều khu vực khác nhau trên thế giới

Hệ thống bảo vệ catot có thể được sử dụng một cách độc lập hoặc kết hợp với việc bảo vệ bằng sơn phủ, ức chế ăn mòn hay các loại vật liệu bảo vệ khác Chống ăn mòn bằng phân cực catot về nguyên tắc có thể thực hiện theo hai cách: bảo vệ bằng dòng điện ngoài (dòng điện cưỡng bức) [5] và bảo vệ bằng anot

hy sinh (còn gọi là bảo vệ bằng protector) [6] Khi lựa chọn, thiết kế và triển khai hệ thống bảo vệ catot người ta xuất phát từ những đặc điểm cụ thể của kết cấu cần bảo

vệ và môi trường ăn mòn cũng như các điều kiện kinh tế – kỹ thuật khác Thông thường, phương pháp bảo vệ bằng protector được sử dụng cho những kết cấu thép ở môi trường ăn mòn trung tính, có độ dẫn điện cao và ít thay đổi, ở những nơi không

có điện hoặc việc cung cấp điện năng rất tốn kém

Hiệu quả và khả năng ứng dụng của bảo vệ catot bằng protector là rất lớn Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector mới chỉ tập trung vào nghiên cứu thành phần và và vật liệu chế tạo protector Hiện có rất

ít công trình nghiên cứu về công nghệ chế tạo protector để nâng cao hiệu quả bảo vệ của nó trong ứng dụng thực tế

Phương pháp chế tạo protector truyền thống, là phương pháp đúc nóng chảy hoàn toàn Chưa có công trình nghiên cứu nào áp dụng biện pháp công nghệ kết tinh

có điều khiển trong quá trình chế tạo protector Với hiệu ứng tạo ra sản phẩm hợp kim có tổ chức hạt nhỏ, mịn, đồng đều, phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh là giải pháp công nghệ phù hợp để cải thiện đặc tính điện hóa của protector Vì vậy, đề tài đã chọn vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo protector bằng phương pháp kết tinh có điều khiển, đúc ở trạng thái bán lỏng đối với một đối tượng cụ thể

là protector Zn, từ đó tiến hành phân tích, kiểm tra trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm tự nhiên để đánh giá chất lượng của sản phẩm protector Zn chế tạo bằng công nghệ mới

Xét từ góc độ kỹ thuật, một phương pháp công nghệ trước khi áp dụng phải được nghiên cứu tổng thể các yếu tố kỹ thuật đảm bảo và qua thử nghiệm thực tế

Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm protector nền Zn bằng công nghệ đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh là một nội dung mới, cần nghiên cứu, thử nghiệm để hoàn thiện công nghệ và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector

Hiện nay việc ứng dụng protector để chống ăn mòn rất phổ biến, hàng năm tiêu tốn một lượng kim loại màu rất lớn Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu

để nâng cao chất lượng của protector, nhằm bảo vệ có hiệu quả và liên tục, tiết kiệm vật liệu protector Việc nghiên cứu công nghệ kết tinh có điều khiển để chế tạo protector Zn nói riêng và protector nói chung nhằm nâng cao dung lượng, chống thụ động hóa và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector là rất cần thiết

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo protector nền Zn bằng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh nhằm nâng cao các tính chất điện hóa cần thiết, nâng cao hiệu quả bảo vệ và đảm bảo tính liên tục, ổn định trong suốt quá trình làm việc của protector nền Zn

- Nghiên cứu phương pháp, công nghệ chế tạo mới, đó là công nghệ đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các điều kiện của công nghệ đúc bán lỏng

- Nghiên cứu xác định hợp kim nền kẽm Zn-Al-Sb để chế tạo protector có giá trị điện thế điện cực âm nhất bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

- Nghiên cứu phân tích các phản ứng hóa lý của quá trình kết tinh trong điều kiện đúc bán lỏng có điều khiển

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo protector nền Zn bằng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển quá trình kết tinh và ảnh hưởng của các thông số chính đến chất lượng vật đúc

- Khảo sát, phân tích các chỉ tiêu điện hóa, tổ chức tế vi của protector nền Zn trong phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm protector nền Zn chế tạo theo phương pháp mới và xác định hiệu quả bảo vệ, các tính chất điện hóa của chúng trong môi trường nước biển và đất ven biển

- Đề ra quy trình công nghệ chế tạo protector nền Zn và bước đầu xác định hiệu quả kinh tế kỹ thuật của sản phẩm

Trên thế giới, các nghiên cứu về protector Zn chủ yếu tập trung vào việc tối

ưu hóa thành phần hợp kim và hình dạng, kích thước của protector, nhằm cải thiện đặc tính điện hóa và các tính chất sử dụng khác của chúng Trong đó, việc đáp ứng yêu cầu khắt khe về bảo vệ môi trường ngày càng được quan tâm Nhiều thành phần hợp kim đã được đề xuất để thay thế việc sử dụng phụ gia Cd độc hại (Cd đưa vào hợp kim để hạn chế thụ động hóa protector Zn), để hạn chế tác động xấu đến môi trường trong quá trình sử dụng protector

Ứng dụng thực tiễn về bảo vệ catot được Humphrey Davy báo cáo lần đầu tiên vào năm 1824 Trong quá trình kiểm tra sự ăn mòn của bản Cu được sử dụng cho lớp sơn phủ thân tàu hải quân, Davy nhận thấy rằng có thể bảo quản đồng trong nước biển bằng cách cho thêm vào một lượng nhỏ Fe, Zn và Sn

Sự phát triển nhanh chóng của phương pháp bảo vệ catot được hình thành ở

Mỹ vào 1945, phương pháp này được ứng dụng để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh

mẽ của ngành công nghiệp dầu hỏa và khí đốt tự nhiên Nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng hệ thống đường ống thép mỏng chôn dưới lòng đất Đầu những năm 1950, ở Anh, nơi có các hệ thống đường ống bằng gang dày với áp suất thấp được sử dụng rộng rãi, bảo vệ catot ở qui mô nhỏ đã được áp dụng để chống ăn mòn cho hệ thống đường ống gang Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2, bảo vệ catot đã được ứng dụng rất thành công để bảo vệ cho khoảng 1000 dặm hệ thống đường ống nhiên liệu [8] Thời gian gần đây việc áp dụng phương pháp bảo vệ catot đã tăng lên đáng kể do những hiệu quả mà nó mang lại Hiện nay phương pháp bảo vệ catot được sử dụng rộng rãi với các trạng thái khác nhau như nhúng trong nước hoặc chôn trong đất và bảo vệ cơ sở hạ tầng như cấu trúc bê tông để kiểm soát ăn mòn

Công ty Cathodic Protection của Anh có lịch sử nghiên cứu và sản suất protector từ gần 50 năm nay đã có nhiều nghiên cứu về thành phần hợp kim, chế độ công nghệ của protector Đã ứng dụng các dạng đúc áp lực, đặc biệt đã chế tạo các protector dạng kim loại bột Công ty Cathodic Protection Technology của Singapo

và công ty Southern Cathodic Protection của Mỹ chuyên nghiên cứu protector chống ăn mòn cho tàu biển, có nhiều sản phẩm, trong đó nổi bật là protector chế tạo bằng công nghệ đúc khuôn cát làm nguội nhanh [8]

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ở các nước nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ, cải thiện chỉ tiêu điện hóa của protector Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu đó đều tập trung vào giải quyết bài toán về thành phần hợp kim của các loại protector hoặc công nghệ đúc kết hợp làm nguội nhanh, hiện chưa thấy nghiên cứu nào đề cập đến phương pháp đúc bán lỏng

Trong nước, công nghệ bảo vệ catot cho các kết cấu thép được sử dụng chưa lâu Những nghiên cứu về bảo vệ catot cho kết cấu thép được tiến hành tại Đại học bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Liên doanh Dầu khí Việt

Xô, Viện KHCN Giao thông vận tải, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Khoa học

và Công nghệ Quân sự, Trung tâm nhiệt đới Việt Nga, vv Một số kết cấu thép của các công trình dầu khí, cầu cảng, đường ống, bồn bể, đã được áp dụng công nghệ bảo vệ catot và cho những kết quả tốt Các nghiên cứu về protector chỉ được thực hiện đối với các sản phẩm chế tạo theo phương pháp đúc truyền thống

Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga đã triển khai nghiên cứu và ứng dụng bảo vệ catot trong nhiều năm Những kết quả chính của Trung tâm trong lĩnh vực này là: chế tạo và sử dụng anot bán trơ trong môi trường nước nhiễm mặn, đã thiết kế, triển khai lắp đặt, vận hành và bảo trì nhiều hệ thống bảo vệ catot cho các kết cấu thép tại các tỉnh phía nam

Ở Việt Nam trước đây phần lớn protector phải nhập ngoại Đề tài cấp Nhà nước KC-05-12 thuộc Chương trình “Vật liệu mới” do GS.TS Phan Lương Cầm, Trung tâm Nghiên cứu Ăn mòn và Bảo vệ kim loại, trường Đại học Bách khoa Hà

Nội chủ trì đã nghiên cứu thành công vật liệu protector nhôm có chất lượng cao [3] Sản phẩm protector nhôm và protector kẽm này đã được chế tạo và thử nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5742-1993 và TCVN 6024-1995 [7] Kết quả thử nghiệm đánh giá ở Phòng Ăn mòn - Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro cho thấy 2 loại vật liệu protector nhôm và kẽm đều có tính chất điện hóa tốt [9]

Những nghiên cứu của Việt Nam cũng như trên thế giới chưa đề cập đến phương pháp chế tạo protector Zn bằng công nghệ kết tinh có điều khiển Vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp, công nghệ mới, như công nghệ kết tinh có điều khiển trong chế tạo protector là hướng đi mới và phù hợp để ngày càng hoàn thiện và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector

Do những lợi ích kinh tế mà protector mang lại, việc sử dụng protector trong việc bảo vệ chống ăn mòn các máy móc, thiết bị và kết cấu thép trong nước ta hiện rất phổ biến Các loại tàu thuyền, xà lan, tàu hải quân… có vỏ bằng thép hiện đều sử dụng protector Các giàn khoan, đường ống dẫn dầu khí trên biển, trong lòng đất cũng đều được thiết kế sử dụng protector để chống ăn mòn Lượng protector Zn, Al,

Mg sử dụng tại Việt Nam hàng năm lên tới hàng trăm tấn

1.8.1 Các loại vật liệu chế tạo protector

Vật liệu protector điển hình dùng để bảo vệ các công trình bằng thép là magie (Mg), kẽm (Zn), nhôm (Al) và các hợp kim của chúng

Kẽm: Các hợp kim kẽm được sử dụng rộng rãi làm thiết bị bảo vệ trong điều

kiện biển Do cường độ ăn mòn kẽm trong nước biển thấp, hiệu quả anot cao của những hợp kim này được duy trì trong toàn bộ phạm vi mật độ dòng điện Sắt, tạp chất có hại nhất trong protector không được vượt quá 0,0014-0,005% tùy theo thành phần hợp kim Để trung hòa ảnh hưởng tác động của sắt người ta cho vào hợp kim

một ít nhôm và silic

Nhôm: Nhôm nguyên chất luôn có một lớp ôxit bền vững trên bề mặt Màng

oxit này sẽ ngăn cản quá trình phân cực, hòa tan của nhôm, vì vậy người ta cho

thêm vào inđi hoặc thủy ngân Để giảm điện thế người ta cho thêm kẽm và thiếc vào hợp kim

Magie: Trong số các vật liệu protector thì magie có điện thế âm hơn cả, vì

vậy tốt nhất là sử dụng nó trong các môi trường có điện trở riêng cao như trong đất, trong đất nó có khả năng cung cấp cường độ dòng điện lớn khi khối lượng không lớn Trong môi trường đất, nước ngọt magie thường được sử dụng nhiều hơn

Bảng 1.1 nêu các đặc trưng điện hoá và lĩnh vực ứng dụng của một số vật liệu phổ biến dùng làm protector [2]

Bảng 1.1 Một số vật liệu làm protector thông dụng Hợp kim

protector

E (V) (Ag/AgCl)

Q (A.h/kg)

Hiệu suất (%)

Đối tượng bảo vệ của protector

Mg và hợp

kim Mg

-1,4 đến –1,6

1100

1230

50 Dùng ở môi trường đất, nước ngọt và

nước lợ có điện trở riêng nhỏ hơn 10.000 .cm, thời gian bảo vệ khoảng 2 năm

–1,055

780

815

95 Bảo vệ vỏ tàu biển, xà lan bằng thép

trong môi trường có điện trở riêng đến 500 .cm

Hợp kim

Al-Zn-Sn

-1 đến –1,050

925

2500

85 Bảo vệ cầu cảng ven biển, môi

trường có điện trở riêng < 500 .cm, thời gian bảo vệ khoảng 5 -10 năm Hợp kim

Al-Zn-In

-1,05 đến –1,1

2290 2600 90 Dàn khoan, bể xăng, trong đất, trong

nước có điện trở riêng < 150 .cm, thời gian bảo vệ khoảng 10 - 20 năm Hợp kim

Al-Zn-Hg

-1 đến –1,05

2750

2840

95 Dàn khoan, bể xăng, trong đất, trong

nước có điện trở riêng < 150 .cm, thời gian bảo vệ khoảng 10 - 20 năm

1.8.2 Thành phần và thông số điện hoá của một số loại protector

Ngoài một số protector ở dạng nguyên chất, còn lại phần lớn protector được chế tạo dưới dạng hợp kim trên nền kim loại cơ sở, thành phần các loại nguyên tố kim loại đưa vào được tính toán chính xác nhằm tăng cường hiệu quả bảo vệ đồng thời kéo dài tuổi thọ, hiệu suất sử dụng của protector Thành phần protector và công nghệ chế tạo, nhiệt luyện có ảnh hưởng rất lớn đến protector Trên thế giới hiện nay

có một số loại protector thông dụng với những thành phần cơ bản như bảng 1.2 Mật độ dòng bảo vệ phụ thuộc vào sự chênh lệch điện thế giữa protector và kim loại cần bảo vệ, cũng như phụ thuộc vào điện trở riêng của môi trường Ngoài ra số lượng và hình dáng của protector cũng rất quan trọng Đối với các loại đất có điện trở riêng khoảng 10-250 m thì thường dùng protector Mg

Sự khác nhau lớn về điện thế giữa protector và kim loại cần bảo vệ sẽ có khả năng đạt được đến điện thế bảo vệ mong muốn Trong nước ngọt với điện trở riêng 10-30 m thì Mg và Zn có thể dùng làm protector Protector Mg không thể dùng để bảo vệ những nơi có khí dễ cháy, ví dụ như các thùng vận chuyển xăng dầu, vì Mg

có thể tóe lửa khi va vào thép Dùng protector Zn để bảo vệ trong nước ngọt ở nhiệt

độ lớn hơn 600C thì sẽ có vấn đề là trên bề mặt kẽm tạo nên lớp thụ động Trong nước biển với điện trở riêng 0,2  0,7 m thì chủ yếu dùng protector Zn và Al [2]

Bảng 1.2 Thành phần một số loại protector Loại

1-3 0,1-4

<0,03 2,5-3,5

còn lại còn lại

-

- Protector

0,23

-

C 0,01

Bảng 1.3 Đặc điểm của một số loại protector

Điện thế hở mạch, V (Ag/AgCl) -1,6 -1,1 -1,2 -0,7

Bảng 1.4 Những thông số điện hoá của protector

A.h/kg

Tiêu hao

g /(A.h )

Hiệu điện thế anot-chất điện phân , V Trong nước biển

Hợp kim nhôm - kẽm - thủy ngân 2830 0,353 0,30

Magie von cao 1230-1500 0,733 0,90

+ Ở nhiệt độ 600 C 1250 0,800 0,25

1.9.1 Tính toán và thiết kế hệ bảo vệ bằng protector

Trong ngành đóng tàu protector được áp dụng để: chống ăn mòn chung cho phần dưới nước bằng thép của vỏ tàu; chống ăn mòn tiếp xúc phần đuôi nở ở vùng đặt chân vịt; chống ăn mòn tiếp xúc vỏ tàu hợp kim nhôm của cánh quạt dưới nước

ở vùng đặt cánh quạt; chống ăn mòn chung và ăn mòn tiếp xúc bề mặt bên trong các khoang và xitec dằn tàu; chống ăn mòn và phá hủy ăn mòn cơ học trục chân vịt và cánh quạt

Tùy theo công dụng và phương pháp lắp mà áp dụng các hệ thống protector: ngắn mạch, không đóng mạch có điện trở ổn định, đóng mạch thường xuyên, protector treo

Hệ thống ngắn mạch protector gồm những protector đơn lẻ hoặc nhóm protector không có dây ở vỏ tàu và được gắn vào phần dưới nước của vỏ hoặc được hàn nối ống dẫn thép hoặc được đặt trên những chốt chẻ đã được hàn vào vỏ tàu

Hệ thống không đóng mạch gồm những protector đơn lẻ hoặc nhóm protector không có dây trên vỏ tàu và được gắn vào phần dưới nước của vỏ (đã cách

ly với vỏ tàu) nhờ liên kết ren bảo đảm tiếp xúc điện với vỏ qua điện trở ổn định thường xuyên

Hệ thống đóng mạch thường xuyên gồm những protector đơn lẻ có dây nối vào vỏ tàu bảo đảm khả năng cắt mạch protector, hoặc có điện trở ổn định hay thay đổi giữa vỏ tàu và protector

Hệ thống protector treo gồm những protector đơn lẻ treo trên hông tàu bằng dây cáp thép hoặc capron và có tiếp xúc điện với vỏ tàu qua dây dẫn

Tùy theo kích thước tàu mà việc bảo vệ bằng protector được thực hiện bởi những protector đơn lẻ hoặc nhóm protector độ dài 5,5 m [10] Trên các tàu nhỏ có lượng giãn nước dưới 600 tấn thông thường đặt protector đơn giản với những protector đơn lẻ Trên các tàu có lượng giãn nước từ 600 đến 5000 tấn lắp đặt protector đơn lẻ và nhóm protector ngắn mạch Trên các tàu có lượng giãn nước trên 5000 tấn thì bảo vệ bằng nhóm protector

Số lượng protector hoặc nhóm protector dùng để bảo vệ phần dưới nước của

vỏ tàu, được xác định từ điều kiện bảo đảm sự dịch chuyển tối thiểu điện thế ∆φ min = 100 mV ở những vùng bề mặt dưới nước cách xa các protector nhất, ở đáy tàu, nơi mặt phẳng xuyên tâm và trên đường mớn nước ở giữa khoảng cách các nhóm protector lân cận Theo tác giả [10] ta sẽ tính được sự phân bố điện thế phần dưới nước của vỏ tàu Đại lượng điện trở riêng của lớp sơn phủ bề mặt phần dưới nước của vỏ tàu được coi là giá trị trung bình trong thời gian hoạt động giữa các kỳ lên đà, đối với cơ cấu sơn dùng trong ngành đóng tàu trong nước là 5 Ω.m2 khi thời gian giữa các kỳ lên đà 2-3 năm Căn cứ vào kích thước vỏ tàu, khoảng cách cho phép tối đa giữa các nhóm protector lân cận theo chiều dài tàu được xác định bằng tính toán

Dòng bảo vệ được xác định theo công thức sau:

N – Số lượng protector, cái

S - Diện tích bề mặt thân tàu bị thấm ướt, m2

i - Mật độ dòng bảo vệ, А/m2

Q - Dung lượng điện hóa của protector, Аh/kg

 - Hệ số sử dụng hữu ích

t - Tuổi thọ phục vụ của protector, năm (protector Zn tuổi thọ 4 năm)

m - Khối lượng protector thành phần

Căn cứ vào độ nhám của vỏ tàu và lớp sơn bảo vệ mà ta lựa chọn mật độ dòng điện bảo vệ của protector phù hợp Theo tác giả [10] ta có thể chọn dòng điện bảo vệ theo bảng 1.5

Bảng 1.5 Mật độ dòng điện bảo vệ của protector cho thép có sơn trong nước biển

1.9.2 Sơ đồ và phương pháp lắp đặt hệ bảo vệ bằng protector

Để đảm bảo cho sự phân bố đồng đều 75% dòng điện trên toàn bộ thân tàu, protector cần phải bố trí đồng đều theo bề mặt dưới nước của tàu Sơ đồ bố trí protector cho phần thân tàu dưới nước được trình bày ở hình 1.1 Các protector này

được bố trí ở phần đai lườn tàu sao chúng phải được bảo vệ tách biệt khỏi sự va chạm khi tàu cập bến Tại những đai lườn tàu protector phải được phân bố lần lượt trên và dưới chúng Nếu đai lườn tàu quá lớn, protector có thể được cố định tại bề mặt trên và dưới Đối với tàu hoạt động trên nhiều vùng nước khác nhau, khoảng cách giữa các protector trên lườn tàu và giữa thân tàu không được quá 6-8m để đảm bảo hiệu quả bảo vệ Đối với các loại tàu hoạt động trên vùng biển có độ mặn thấp hơn 15 0/00 thì độ dài vùng bảo vệ giảm đi, vì vậy khoảng cách giữa các protector không quá 5m và nên sử dụng protector độc lập (đơn nhất)

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố protector phần thân tàu dưới nước

Vùng mũi tàu do bị va chạm mạnh bởi dòng chảy của nước sẽ tạo nên các điểm hư hỏng, dễ bị ăn mòn, vì vậy protector không chỉ được lắp đặt ở vùng gò mà

còn nên lắp đặt thêm ở vùng gần đai lườn tàu Trong trường hợp này cần chú ý các

thiệt hại gây ra vì xích neo của tàu Gần 25% toàn khối lượng protecrot được sử dụng để bảo vệ mạn lái

Ta có thể tham khảo kích thước và phân bố protector của Nga theo bảng 1.6

Bảng 1.6 Kích thước chuẩn và đặc tính nhóm protector của Nga

dùng để bảo vệ phần dưới nước của tàu thép

Thành phần nhóm protector protector thẳng protector vòng

4

4

Dưới 100 100-1000 1000-3000 3000-30000 30000-50000 М-I

4

Dưới 100 1000-3000 3000-20000 20000-30000 Trên 30000 Trên hình 1.2 là đồ thị nêu lên sự phụ thuộc của số lượng các protector bảo

vệ trên một mạn tàu vào lượng giãn nước của chúng

Hình 1.2 Số lượng các protector ở một mạn tàu

Như vậy việc tính toán các hệ thống bảo vệ điện hóa được tiến hành ở trường hợp độ mớn nước vỏ tàu cao nhất tương ứng với lượng giãn nước đầy đủ của tàu Việc kẹp giữ các thiết bị bảo vệ vào lớp bọc ngoài vỏ tàu được thực hiện bằng cách hàn hoặc bắt chốt chẻ Các cụm chi tiết chuẩn cho việc kẹp giữ các protector với các kiểu khác nhau được nêu ở hình 1.3

Trước khi lắp đặt, bề mặt không làm việc của các protector được bọc hai lớp eboxy Các protector với những điện trở ổn định và các protector loại đóng mạch được đặt cách ly với vỏ tàu trên lớp đệm bằng cao su bền với xăng dầu Để cách ly các chốt chẻ tiếp xúc người ta sử dụng những ống bọc bằng capron Khi lắp đặt

n

người ta sử dụng chỉ những chốt chẻ kẹp giữ và chốt chẻ tiếp xúc kẽm, vòng đệm, gai ốc và vòng đệm để giữ những protector loại treo

Hình 1.3 Các cụm chi tiết chuẩn cho việc kẹp giữ protector:

a Loại ngắn mạch; b Loại không đóng mạch với điện trở ổn định; c Loại

đóng mạch; d Loại treo

1- Protector; 2- Lớp phủ eboxy; 3- Vỏ tàu; 4- Đệm cao su; 5- Ống bọc cách ly; 6- Ống điện trở ổn định; 7- Vòng đệm; 8- Gai ốc; 9- Chất bít kín; 10- Nút gỗ; 11- Mũ chụp cách ly; 12- Mỡ dùng trong nước biển; 13- Nắp mũ bảo vệ; 14- Mũ chụp bảo vệ; 15- Cáp; 16- Vòng chắn dầu; 17- Dây chão

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Trong môi trường nước biển và trong đất ngập mặn ven biển quá trình ăn mòn kim loại diễn ra rất mãnh liệt Bản chất của quá trình này là ăn mòn điện hóa trong môi trường điện ly là dung dịch muối Biện pháp chống ăn mòn cho kim loại trong môi trường nước biển và đất ven biển hiệu quả nhất là bảo vệ catot bằng protector

Hiện nay các loại protector do nước ngoài và Việt nam sản xuất, thành phần hợp kim đều tương tự như nhau Tuy nhiên, công nghệ và trình độ chế tạo rất khác nhau Các nước với trình độ công nghệ tiên tiến, quá trình nấu hợp kim rất ít bị hòa tan khí và lẫn tạp chất, đúc tạo hình thì nhận được sản phẩm có cấu trúc tinh thể nhỏ

và độ xít chặt cao nên chất lượng rất tốt Đối với nước ta, do công nghệ còn hạn chế, nên phương pháp đúc nóng chảy truyền thống làm sản phẩm protector có cấu trúc tinh thể không đồng đều, sản phẩm thường chứa tạp chất, rỗ khí

Quá trình hòa tan protector sẽ tạo ra dòng điện để bảo vệ cho thép chống ăn mòn Nếu hòa tan hoàn toàn thì hiệu suất điện hóa cao Nếu protector có cấu trúc hạt lớn, quá trình hòa tan sẽ tập trung ở biên giới hạt và làm hạt tách rời ra hoặc tạo thành các cặp pin điện hóa, tự ăn mòn lẫn nhau, hiệu suất điện hóa sẽ thấp

Vì vậy vấn đề đặt ra là phải khắc phục được những nhược điểm đó trong quá trình chế tạo protector Để đạt được điều đó, chỉ có thể ứng dụng các phương pháp làm nhỏ hạt trong quá trình kết tinh của sản phẩm, đó là phương pháp đúc bán lỏng

có điều khiển kết tinh

Công nghệ kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng là một công nghệ mới được áp dụng trên thế giới trong thời gian gần đây Tại diễn đàn đầu tiên về kim loại bán lỏng, Flemings [11] đã nêu lên các đặc tính của xử lý bán lỏng và tiềm năng ứng dụng của từng đặc tính Đúc kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng

có những ưu điểm sau:

- Đúc bán lỏng áp lực tạo nên một cấu trúc tế vi có tính đồng nhất cao trong toàn bộ protector Cấu trúc hình cầu thay thế cấu trúc hình nhánh cây Vì vậy sẽ hạn chế việc hình thành các cặp pin ăn mòn trong protector Nâng cao tuổi thọ và ổn định điện thế điện cực của protector

- Khuyết tật vật đúc giảm: đúc ở trạng thái bán lỏng giúp loại bỏ nhiều

khuyết tật vốn tồn tại ở đúc truyền thống chẳng hạn mức độ xốp tế vi và rỗ co giảm đáng kể Dòng chảy tầng và mặt thoáng ổn định giúp điền khuôn êm hơn dòng chảy lỏng hoàn toàn, do đó ngăn chặn không cho khí lọt vào Sự tồn tại của pha rắn và nhiệt độ thấp làm giảm co ngót cho chi tiết

Như vậy có thể nói việc nghiên cứu áp dụng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh là một biện pháp công nghệ rất có hiệu quả trong việc đảm bảo các tính chất điện hóa, nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector

Vùng thụ động

Fe2++3H 2 O Fe(OH) 3 +3H++e

Vùng an toàn

hoặc trong nước, hình 2.1

Điện thế điện cực kim loại có thể thay đổi được nếu kim loại cần bảo vệ đó

là một phần của hệ điện hóa Nếu điện thế điện cực được chuyển về phía dương hơn

so với điện thế ăn mòn cho đến khi kim loại rơi vào vùng thụ động - người ta gọi là kim loại được bảo vệ anot Nếu điện thế điện cực được dịch chuyển về phía âm hơn

so với điện thế ăn mòn thì phản ứng anot hòa tan kim loại giảm đi hoặc hoàn toàn ngừng hẳn gọi là kim loại được bảo vệ catot [12]

Phương pháp bảo vệ anot được dùng để bảo vệ các bể chứa lớn bằng thép chống ăn mòn của axit Song phương pháp này cần kiểm tra chính xác để tránh sự hoạt hóa Trong trường hợp dung dịch có chứa ion Cl- cần phải dùng ổn áp để khống chế điện thế điện cực ở vùng thụ động nhưng phải dưới điện thế ăn mòn lỗ Bảo vệ anot đòi hỏi phải có nguồn điện, phải bảo quản không bị hỏng, bị mất trong quá trình làm việc Tốt nhất chỉ nên sử dụng trong các môi trường ăn mòn mạnh (thường gặp trong công nghiệp hoá học) và chỉ áp dụng được đối với các kim loại có thụ động trong quá trình ăn mòn Vì không gây ô nhiễm môi trường, bảo vệ anot sẽ rất hiệu quả nếu tận dụng được các nguồn năng lượng tự nhiên như thuỷ

triều, sức gió

2.2.2 Bảo vệ catot

Bảo vệ catot là phương pháp phân cực catot công trình cần bảo vệ để dịch chuyển điện thế tự nhiên của công trình về phía âm hơn dẫn đến làm giảm hoặc ngừng hẳn quá trình ăn mòn kim loại nhờ phân cực catot kim loại bằng dòng điện ngoài hoặc nối chúng với một anot hy sinh (thường là Zn, Mg hoặc Al), hình 2.2

Hình 2.2 Đường cong phân cực khi có bảo vệ catot

Kết cấu kim loại chỉ có thể bị ăn mòn điện hoá khi chúng nằm trong môi trường điện ly Khi đó, bề mặt kết cấu kim loại được chia thành hai vùng: vùng catot, vùng không xảy ra ăn mòn và vùng anot, vùng bị ăn mòn Theo thời gian, các vùng catot, anot có thể luân chuyển trên toàn bộ bề mặt kết cấu gọi là ăn mòn đều Khi chúng xảy ra ở một vùng nhất định gọi là ăn mòn cục bộ [14]

Tại nơi xảy ra ăn mòn (anot), dòng điện đi từ kim loại vào môi trường, ở nơi không xảy ra ăn mòn (catot), dòng điện đi từ môi trường vào kim loại Để phân cực catot kim loại người ta phải lắp thêm một anot ngoài nằm trong môi trường ăn mòn

E(v)

cb MT

E

m a KL

E /

cb KL

E

∆V

a m a

, /

lg ia m

m a

Khi toàn bộ kết cấu kim loại được phân cực catot, dòng điện sẽ được tập trung đi vào toàn bộ bề mặt, do đó kim loại sẽ không bị ăn mòn

Trên hình 2.2 trình bày đường cong phân cực khi có bảo vệ catot Nhờ được phân cực catot, điện thế của kim loại giảm từ Ea/mKL xuống E1, mật độ dòng ăn mòn cũng giảm từ ia/m xuống i’a/m Nếu điện thế của kim loại nhỏ hơn EcbKL thì kim loại không còn bị ăn mòn (ia/m = 0) Thực tế hiện tượng ăn mòn không mất đi mà chỉ được chuyển từ kết cấu kim loại cần bảo vệ sang vật liệu làm anot Theo kinh nghiệm, các công trình thép ngầm được bảo vệ hoàn toàn khi hạ điện thế xuống thấp hơn điện thế ăn mòn một lượng V, gọi là độ dịch chuyển điện thế về phía

2.2.3 Sự phân cực của kim loại trong nước

2.2.3.1 Nguyên lý bảo vệ catot

Sự ăn mòn trong dung dịch xảy ra bởi quá trình điện hóa, trong đó phản ứng điện hóa anot và catot phải xảy ra đồng thời Kim loại không bị tích điện do quá trình ăn mòn vì tốc độ của phản ứng catot và anot là cân bằng nhau Hình 2.3 Phản ứng anot bao gồm oxi hóa kim loại tạo thành ion Ví dụ đối với Fe:

Fe  Fe2+ + 2e (1) Quá trình catot gồm sự khử và nhiều phản ứng có thể xảy ra Trong dung dịch axit xảy ra phản ứng:

Trong dung dịch kiềm, quá trình khử nước xảy ra thu được hydro và alkali

2H2O + 2e  H2 + 2OH- (3) Tuy nhiên, nếu nước có oxy thì xảy ra phản ứng:

O2 + 2H2O + 4e  4OH- (4)

Hình 2.3 Hiệu ứng anot và catot hóa trên bề mặt kim loại

1-Phân cực ăn mòn kim loại 2-Bảo vệ bằng protector 3-Bảo vệ nguồn điện ngoài

e O H

O H

ne Me

2

2 2

2 1

2 2

1 2

-Các nguyên lý này được giải thích rõ ràng hơn bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn điện thế của kim loại, tốc độ phản ứng catot và anot biểu thị qua mật độ dòng [15]

Đồ thị động học phản ứng catot và anot được minh họa ở hình 2.4

Hình 2.4 Động học phản ứng anot và catot

Dòng ăn mòn Icorr, và điện thế ăn mòn Ecorr tại điểm giao nhau của đường cong anot và catot, nghĩa là tại đó tốc độ phản ứng anot và catot là cân bằng nhau Nếu electron được bổ sung vào trong kim loại để làm nó tích điện âm hơn, thì sự hòa tan anot của Fe giảm đến một tốc độ không đáng kể là E1, trong khi tốc độ của dòng catot tăng lên I1 Vì thế dòng I1 phải được cung cấp từ một nguồn ngoài để duy trì điện thế tại E1, tại đó tốc độ hòa tan của Fe là thấp Nếu điện thế giảm xuống đến E2, dòng điện được cung cấp từ nguồn ngoài sẽ tăng lên I2 Tuy nhiên, sự bảo vệ thêm nữa là không cần thiết, dòng điện lớn hơn được cung cấp từ nguồn ngoài là lãng phí Lúc đó kim loại được gọi là bảo vệ không hợp lý Trong dung dịch trung tính có không khí hoặc dung dịch kiềm, quá trình ăn mòn catot thường là sự giảm của oxy Sự ảnh hưởng tốc độ dòng lên các thông số bảo vệ catot được minh họa trong đồ thị hình 2.5

Hình 2.5 Kiểm soát quá trình khử oxy

Động học của quá trình catot được kiểm soát bởi tốc độ oxy có thể khuếch tán đến bề mặt của kim loại, tốc độ này thấp hơn tốc độ tiêu thụ của oxy bởi phản ứng catot Vì thế, tốc độ của phản ứng này không tăng lên khi điện thế của kim loại trở nên âm hơn nhưng vẫn duy trì ổn định nếu không tốc độ cung cấp oxy đến bề mặt của kim loại sẽ bị tăng lên [15]

Dòng I1 ban đầu được yêu cầu để duy trì điện thế bảo vệ của kim loại tại E1 Tuy nhiên, nếu tốc độ dòng tăng đến giới hạn do sự giảm oxy được tăng lên (đường đứt đoạn) và dòng điện cần thiết để duy trì bảo vệ kim loại tại điện thế bảo vệ được tăng lên một khoảng là I Cường độ dòng điện để duy trì điện thế bảo vệ sẽ thay đổi theo điều kiện môi trường và đối tượng bảo vệ Vì vậy, mật độ dòng catot không phải là một yếu tố để đánh giá một kết cấu được bảo vệ tốt hay không Điện thế bảo

vệ phù hợp khi quá trình ăn mòn bị ngăn chặn

2.2.3.2 Phương pháp bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài

Phản ứng catot

Kim loại cần bảo vệ là một điện cực và được nối với một điện cực khác khó tan hơn là điện cực phụ trong một hệ điện hóa Sau đó dùng dòng điện một chiều ở nguồn ngoài để phân cực catot kim loại cần bảo vệ Sơ đồ nguyên lý, hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dòng điện ngoài

Khi nối kim loại cần bảo vệ với catot của nguồn điện để hạ điện thế của kim loại xuống dưới điện thế cân bằng của quá trình oxy hoá kim loại thì tốc độ ăn mòn

ia/m=0, kim loại được bảo vệ hoàn toàn Điện thế và dòng điện sử dụng để bảo vệ hoàn toàn kết cấu được gọi là điện thế và dòng điện bảo vệ (EBV, ibv)

Để phân cực catot kim loại, người ta phải lắp thêm một anot ngoài nằm trong môi trường ăn mòn Các vật liệu dưới đây thường được sử dụng làm anot: Mg, các vật liệu cacbon (graphit), Fe có hàm lượng Si cao (14-18%), Pb/PbO, hợp kim chì, các vật liệu platin [10] Platin có điện trở cao để chống ăn mòn, sẽ là vật liệu anot lý tưởng nhưng giá thành rất cao