Nghiên cứu độ bền ăn mòn của thép kết cấu chế tạo cửa van trong công trình thuỷ lợi vùng ven biển

3 Với mong muốn đáp ứng một phần vào việc nâng cao tuổi thọ của các công trình thuỷ lợi vùng ven biển, bản luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu độ bền ăn mòn của thép kết cấu chế tạo cửa va

môc lôc

Trang Trang 1

Lêi cam ®oan

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn

mòn kim loại

11

1.6 Hiện trạng ăn mòn của kết cấu thép trên

công trình thuỷ lợi vùng ven biển

18

Chương 2 - Mục tiêu của đề tài và phương pháp

thực nghiệm

27

2.3 phương pháp thực nghiệm và thiết bị nghiên

3.3.1 Nghiên cứu độ bền ăn mòn bằng phương pháp gia tốc

3.4.1 Nghiên cứu độ bền ăn mòn tiếp xúc bằng phương pháp

Chương 4 - áp dụng tính toán Kết cấu cho cửa

van diêm điền

81

4.2 lựa chọn vật liệu chế tạo cửa van 84 4.3 tính toán kết cấu cửa van tự động cống

diêm điền

85

0B

Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

1 C¸c ch÷ viÕt t¾t

ThÐp Ph¸p ThÐp lÊy tõ c«ng tr×nh thuû lîi thêi Ph¸p

2 C¸c ký hiÖu

Danh mục các bảng

thử nghiệm ăn mòn của thép kết cấu bằng phương pháp gia tốc mù muối

55

thử nghiệm ăn mòn của thép kết cấu tại hiện trường

63

nghiệm ăn mòn tiếp xúc bằng phương pháp gia tốc mù muối

70

trường có NaCl

14

Hình 1.15 Vùng không ngập nước đã xuất hiện rỉ dưới lớp sơn,

Hình 1.16 Bánh xe công tác han rỉ và mòn vẹt, x10 lần (Thép

Hình 2.14 Máy phân tích thành phần lớp rỉ bằng nhiễu xạ tia

cấu trong nước lợ Trà Linh theo thời gian

50

trong nước lợ Trà Linh theo thời gian

50

Hình 3.12 Các mẫu thép sau 9 tháng thử nghiệm (Vùng ngập

Hình 3.19 ảnh hưởng của tốc độ ăn mòn theo thời gian khi

nghiên cứu tại cống Trà Linh

Hình 3.25 Mẫu ăn mòn tiếp xúc sau 40 giờ thử nghiệm 69 Hình 3.26 ảnh hưởng của tỷ lệ kết cấu đến tốc độ ăn mòn khi

nghiên cứu bằng phương pháp gia tốc

70

Hình 3.29 Mẫu sau 6 tháng thử nghiệm tại vùng ngập nước Trà

Hình 3.33 ảnh hưởng của tỷ lệ kết cấu đến tốc độ ăn mòn khi

nghiên cứu tại hiện trường cống Trà Linh

75

Hình 3.34 ảnh hưởng của vùng ngập nước và thuỷ triều đến tốc

độ ăn mòn tiếp xúc tại cống Trà Linh

76

Hình 3.35 ảnh hưởng của môi trường thử nghiệm đến tốc độ ăn

mòn tiếp xúc (Vùng ngập nước)

76

1

Lời nói đầu

Cửa van vùng ven biển là công trình ngăn mặn giữ ngọt Những nước có

bờ biển, công trình ngăn mặn được nghiên cứu rất kỹ, kỹ thuật xây dựng đã

đạt tới đỉnh cao Một số nước công trình ngăn mặn rất phát triển đó là Hà Lan, Nhật Bản và Đức… Nổi tiếng của Hà Lan là công trình Barie Maeslandt trên cửa sông Nieuwe Waterweg chắn dòng sông rộng 360m với vốn đầu tư 350 triệu USD ở Nhật người ta xây dựng cửa van kiểu mũ lưỡi trai (Visor gate) chắn dòng sông rộng 63m Công trình Eider-Barrage xây dựng 1967-1973 với

5 cửa mỗi cửa rộng 40m cao 14,7m

ở Việt Nam, dọc theo 3600km bờ biển với hàng trăm con sông lớn nhỏ

đổ ra biển, có rất nhiều các công trình thuỷ lợi đã và đang được xây dựng với những nhiệm vụ rất quan trọng là: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ và kết hợp giao thông thuỷ Việc khai thác có hiệu quả hệ thống công trình thuỷ lợi này đã có đóng góp to lớn trong việc nâng cao đời sống kinh tế, xã hội cho người dân và củng cố an ninh quốc phòng

Hệ thống cửa van là hạng mục rất quan trọng trong công trình thủy lợi, vừa làm việc trong điều kiện chịu tải trọng nặng nề, vừa phải chịu tác dụng xâm thực mạnh của môi trường nước, đặc biệt là nước lợ Trong điều kiện làm việc khắc nghiệt, các kết cấu thép của cửa van bị ăn mòn nghiêm trọng và hệ thống cửa van bị xuống cấp nhanh chóng, làm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khai thác của công trình

Nâng cao độ bền ăn mòn cửa van là một trong những vấn đề lớn mà hiện nay các quốc gia có công trình thủy lợi vùng ven biển rất đang quan tâm

Đã có nhiều hội nghị của nhiều nước đã đề cập đến vấn đề này Hàng năm hội nghị thế giới về ăn mòn kết cấu thép vùng biển (Accelerated Low Water Corrosion – ALWC) được tổ chức luân phiên ở các quốc gia khác nhau Tại

đây, các nhà tư vấn, các trường đại học, các phòng thí nghiệm, các nhà sản xuất, các nhà cung cấp thép trên thế giới tham dự để trao đổi thông tin, thảo

luận, đưa ra ý tưởng về kết cấu, vật liệu thép, phun phủ chống ăn mòn, giải pháp sửa chữa cũng như biện pháp quản lý

Hình thức cửa van rất phong phú, từ những cửa van truyền thống như cửa van phẳng, cửa van cung đến những cửa van đặc biệt như cửa van tự động một chiều hoặc hai chiều, cửa van hình quạt, với các hình thức vận hành rất

đa dạng như tự động, bán tự động, điều khiển bằng cơ khí, thủ công, thủy lực Việc sử dụng vật liệu chế tạo cửa van ở các vùng miền trong cả nước cũng rất khác nhau: thép thanh, thép có cường độ cao, thép hợp kim, compozit, bê tông cốt thép, xi măng lưới thép Biện pháp bảo vệ nhằm nâng cao độ bền ăn mòn cũng rất đa dạng như: sơn, mạ kẽm, bọc compozit, gắn anốt hy sinh Nhưng chúng chưa thực sự phát huy hết hiệu quả Việc nghiên cứu nâng cao tuổi thọ cửa van đang là vấn đề cấp bách Trong những năm qua, nhiều đề tài nghiên cứu theo hướng này đã được tiến hành Song các vấn đề

đặt ra vẫn chưa được giải quyết một cách đồng bộ

Trong thời gian gần đây, công tác điều tra khảo sát về sự ăn mòn thép cửa van đã được tiến hành ở cả ba miền, giúp cho chúng ta có những đánh giá

đầy đủ hơn về hiện trạng ăn mòn của hệ thống cửa van trên công trình thuỷ lợi

Mặt khác, trước tình hình biển đổi khí hậu phức tạp như hiện nay, ngày 9/10/2009, Thủ tướng Chính phủ đã ra quyết định số 1590/QĐ-TTg về việc

“Phê duyệt định hướng chiến lược phát triển thuỷ lợi Việt nam” để phát triển thuỷ lợi đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội, môi trường, làm cơ sở để phát triển nông nghiệp bền vững theo hướng hiện đại hoá, cải thiện đời sống nhân dân, đảm bảo an ninh lương thực, xuất khẩu, lợi ích Quốc gia và hài hoà lợi ích giữa các vùng, các ngành Chủ động khai thác và sử dụng nguồn nước, công trình thuỷ lợi hợp lý để phòng chống thiên tai: bão, lũ lụt, ngập úng, xâm nhập mặn, khai thác phải đi đôi với bảo vệ, chống suy thoái công trình và nguồn nước

3

Với mong muốn đáp ứng một phần vào việc nâng cao tuổi thọ của các công trình thuỷ lợi vùng ven biển, bản luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu độ bền ăn mòn của thép kết cấu chế tạo cửa van trong công trình thuỷ lợi vùng ven biển Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn và

sử dụng vật liệu thép chế tạo cửa van

Chương 1 tổng quan

ăn mòn kim loại và hiện trạng ăn mòn thép

trên công trình thuỷ lợi

1.1 Bản chất của quá trình ăn mòn

Trong quá trình sử dụng, cấu trúc và tính chất của vật liệu có thể bị biến

đổi theo thời gian dẫn đến thoái hoá vật liệu Đối với vật liệu kim loại, nguyên nhân thoái hoá chủ yếu là do quá trình ăn mòn Do vai trò quan trọng của vật liệu kim loại trong phát triển kinh tế, vấn đề ăn mòn và bảo vệ chúng luôn luôn được đặc biệt quan tâm

ăn mòn kim loại là hiện tượng tự phá huỷ của vật liệu kim loại do tác dụng hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trường bên ngoài

ăn mòn kim loại xảy ra do 2 nguyên nhân chính: ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá

a ăn mòn hoá học là sự phá huỷ kim loại do tác dụng đơn thuần của

phản ứng hoá học giữa kim loại với môi trường Loại ăn mòn này chủ yếu là

do sự ôxy hoá kim loại ở nhiệt độ cao Sản phẩm do ăn mòn có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ăn mòn hoá học:

- Sản phẩm do ăn mòn là các chất hút nước mạnh sẽ dẫn đến việc chuyển ăn mòn hoá học sang ăn mòn điện hoá

- Sản phẩm do ăn mòn là lớp xốp sẽ không có khả năng ngăn cản lại quá trình ăn mòn

- Sản phẩm do ăn mòn là lớp xít chặt trên bề mặt kim loại bị ăn mòn thì

có tác dụng bảo vệ, ngăn cản lại quá trình ăn mòn

b ăn mòn điện hoá xuất hiện trong môi trường nước, trong đất và

trong không khí ẩm ăn mòn điện hoá là sự ăn mòn trong dung dịch điện ly và các phản ứng điện hoá xảy ra ở hai vùng khác nhau trên bề mặt kim loại Quá

5

trình ăn mòn kết cấu thép, cửa van trên công trình thuỷ lợi chủ yếu là ăn mòn

điện hoá

c Cơ chế ăn mòn điện hoá:

Khi nhúng một thanh kim loại không đồng nhất vào dung dịch điện ly

và xem xét hiện tượng xảy ra ở hai vùng không đồng nhất bất kỳ nằm kề nhau,

ta thấy có 3 quá trình cơ bản sau đây xảy ra:

• Quá trình anốt: là quá trình kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng

ion và giải phóng điện tử, kim loại bị ăn mòn theo phản ứng:

• Quá trình catốt: là quá trình các chất ôxy hoá nhận điện tử do kim

+ Với môi trường axit:

+ Với môi trường trung tính hay bazơ (hình 1.1):

-Hình 1.1 Cơ chế ăn mòn điện hoá

• Quá trình dẫn điện: Các điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng

chuyển từ anôt đến catôt và các ion di chuyển trong dung dịch

Tuy nhiên, trong thực tế thường có các dạng ăn mòn điện hoá sau:

+ Dạng ăn mòn loại 1: Dạng ăn mòn được tạo nên giữa hai vùng kim

loại có tính chất khác nhau nằm trong một dung dịch điện ly Các cửa van thường được làm từ các kim loại khác nhau như thép thường, thép không gỉ, hợp kim đồng và thường xảy ra ăn mòn loại này

+ Dạng ăn mòn loại 2: Dạng ăn mòn được tạo nên khi kim loại đồng

nhất nằm trong hai dung dịch điện ly khác nhau

+ Dạng ăn mòn loại 3: Dạng ăn mòn được tạo nên khi kim loại không

đồng nhất nằm trong môi trường không đồng nhất, đây là dạng phổ biến nhất

Ăn mòn điện hoá có thể xẩy ra trong môi trường khác nhau: ăn mòn

điện hoá trong nước ngọt, ăn mòn điện hoá trong nước lợ, ăn mòn điện hoá trong nước biển, ăn mòn điện hoá trong màng ẩm, mòn điện hoá trong đất

1.2 các dạng ăn mòn

ăn mòn rất đa dạng, nó ảnh hưởng rất quan trọng đến tuổi thọ công trình và là cơ sở cho việc lựa chọn các giải pháp phù hợp trong việc bảo vệ kim loại, có các dạng ăn mòn sau:

1.2.1 ăn mòn đều

Là dạng ăn mòn phổ biến, có tốc độ ăn mòn như nhau trên toàn bộ bề mặt kim loại, kim loại sẽ bị mỏng đi sau quá trình ăn mòn Mặc dù lượng kim loại bị ăn mòn rất lớn nhưng loại ăn mòn này ít nguy hiểm vì chúng ta có thể

dự báo được khi thiết kế kết cấu công trình

1.2.2 ăn mòn lỗ

Dạng ăn mòn này thường xảy ra đối với các kim loại và hợp kim có tính

-(halogen) bị ăn mòn cục bộ dẫn đến tạo ra các lỗ

Nguyên nhân quá trình ăn mòn lỗ chủ yếu do sự chênh lệch nồng độ

7

mất khả năng tái thụ động, do đó ăn mòn tăng lên

1.2.3 ăn mòn khe

Khe hở giữa các mặt bích, các gioăng, đệm, các mối ghép bằng đinh tán (hình 1.2), trong quá trình làm việc do chênh lệch nồng độ ôxy, ở nơi nằm sâu trong khe hẹp ôxy không khuếch tán tới được nên bị ăn mòn

Hình 1.2 Ăn mòn khe và sơ đồ ăn mòn khe

1.2.4 ăn mòn ở đường mím nước

Lớp nước trên bề mặt giàu ôxy, lớp nước sát phía dưới nghèo ôxy, do đó vật liệu bị ăn mòn tại vùng nghèo ôxy theo cơ chế chênh lệch ôxy như mô tả trên hình 1.3

Hình 1.3 Một dạng ăn mòn vùng mím nước

Vùng ăn mòn

Lớp gỉ sắt Vùng ăn mòn

1.2.5 ăn mòn chân chim dưới lớp sơn

Sự hình thành dạng ăn mòn này được mô tả trên hình 1.4 Tuy ăn mòn ít gây tai hại, song lâu ngày có thể phát triển dẫn đến phá huỷ từng mảng sơn và

là khởi đầu cho các dạng ăn mòn nguy hiểm khác ăn mòn dưới lớp sơn, thường khởi đầu ở các phần lõm trên bề mặt không được tẩy sạch trước khi sơn, do đó còn đọng lại một lớp gỉ xốp hấp phụ các tạp chất, các muối hoạt tính còn đọng lại từ dung dịch làm sạch Kim loại dưới lớp sơn bị ôxy hoá tạo thành ôxit trương phồng lên làm nứt màng sơn phía trên Nước và ôxy chui qua vùng sơn bị phá huỷ nứt nẻ tạo nên cơ chế ăn mòn do chênh lệch nồng độ

ôxy: Vùng tâm lớp gỉ nghèo ôxy hơn ngoài biên nên bị ăn mòn

Hình 1.4 Ăn mòn chân chim dưới lớp sơn

1.2.6 ăn mòn ở vùng lắng đọng

Lớp cát bùn, tạp chất lắng đọng

trên bề mặt cản trở ôxy khuếch tán tới

tạo lớp thụ động bề mặt gây nên ăn mòn

Lắng đọng

Giàu ôxy Giàu ôxy

Vùng nghèo ôxy

Hình 1.5 Ăn mòn ở vùng

lắng đọng

9

1.2.7 ăn mòn mài mòn

ăn mòn mài mòn là một dạng phá huỷ màng thụ động do sự chà sát giữa hai bề mặt rắn làm tăng tốc độ ăn mòn Khi tốc độ tạo lớp thụ động lớn hơn hoặc bằng tốc độ mài mòn thì vật liệu không nhạy cảm với ăn mòn mài mòn

1.2.8 ăn mòn tinh giới

ăn mòn tinh giới là dạng ăn mòn xảy ra ở tinh giới hoặc lân cận tinh giới hạt tinh thể Thông thường khi một kim loại bị ăn mòn đều, biên giới hạt (do tập trung nhiều tạp chất hơn, nhiều sai lệch mạng hơn) có hoạt tính cao hơn so với nền, do đó bị ăn mòn nhanh hơn, nhưng sự ăn mòn này rất nhỏ có thể bỏ qua Trong một số trường hợp, do những nguyên nhân khác nhau làm cho biên giới hạt có hoạt tính rất cao, ăn mòn ở biên giới hạt trở nên rất quan trọng có thể gây nên phá huỷ nhanh chóng vật liệu Dạng ăn mòn này rất nguy hiểm, đặc biệt đối với một số loại thép không gỉ Ngoài ra, một số vật liệu kim loại khác như các hợp kim nhôm độ bền cao, một số hợp kim đồng, do hiện tượng tiết pha hoá bền ở biên giới hạt, cũng nhạy cảm với ăn mòn tinh giới

ăn mòn vi sinh có tính mùa rõ rệt, mạnh nhất trong mùa xuân ấm áp và

ẩm ướt thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn

Các vi khuẩn hiếu khí, cần ôxy để hoạt động cũng như các vi khuẩn kỵ khí, không cần ôxy đều làm tăng ăn mòn

- Vi khuẩn hiếu khí: vi khuẩn hiếu khí tiêu thụ ôxy, gây ăn mòn do:

Tạo thành bùn loãng là các polime do vi khuẩn tiết ra để cải thiện môi trường sinh sản Bùn loãng bám trên bề mặt kim loại Các vi khuẩn tạo thành bùn loãng gồm có nấm sợi, tảo, nguyên bào, tảo cát và vi khuẩn Những vi khuẩn ôxy hoá sắt hay sunfua cũng tạo ra bùn loãng Bùn loãng che phủ ở bề mặt kim loại, tạo nên pin thông khí không đều, đồng thời tạo nên môi trường

ẩn nấp của vi khuẩn kỵ khí

ăn mòn mạnh Tuy nhiên khi có mặt ion sunfat, thì vai trò quan trọng của vi khuẩn ôxy hoá sunfua là tạo ra bùn loãng làm môi trường kỵ khí cục bộ nuôi dưỡng vi khuẩn khử sunfat Hoạt động của hai loại vi khuẩn này tạo ra vùng giàu ôxy và nghèo ôxy và tạo nên pin ăn mòn do chênh lệch nồng độ ôxy

Vi khuẩn ôxy hóa sunfua hoạt động tốt trong môi trường axit (pH = 0 ữ

cho phản ứng anôt xảy ra dễ dàng:

11

Các nguyên tử H sơ sinh sẽ tác dụng với ôxy sinh ra trong quá trình khử sunfat và phản ứng catôt sẽ được tăng cường dẫn đến tăng ăn mòn

khiến cho sự khử ôxy hoà tan trở nên dễ dàng ăn mòn sẽ là dạng ăn mòn

điểm Sản phẩm ăn mòn có mầu đen Tuy nhiên cũng có một số công trình

điện cực càng âm thì kim loại đó sẽ càng kém ổn định

Các vật liệu sử dụng trong công trình thuỷ lợi rất đa dạng như: thép cacbon thấp, thép CT3, thép HSLA, thép không gỉ… do đó, đặc điểm của chúng có ảnh hưởng lớn tới quá trình ăn mòn

Các thép hợp kim nhiều pha nói chung kém bền ăn mòn vì các pha thường có điện thế điện cực khác nhau, do đó sẽ hình thành các pin ăn mòn galvanic Trong khi đó các thép một pha thường bền ăn mòn hơn

Khi trong thép có chứa các nguyên tố có thế điện cực cao sẽ làm cho

điện thế của thép dịch chuyển về phía dương hơn và do đó làm cho thép có tính bền ăn mòn hơn Ngoài ra, nếu trong thép có thêm các nguyên tố có khả năng tạo màng thụ động trên bề mặt thì cũng sẽ làm tăng tính chống ăn mòn cho thép

1.3.2 ảnh hưởng của môi trường

Các kết quả khảo sát cho thấy nồng độ NaCl và độ dẫn điện của môi trường thay đổi theo vùng và theo mùa Mùa khô nồng độ muối tăng và độ pH giảm, mùa mưa có xu hướng ngược lại Trong môi trường có nồng độ NaCl càng cao thì tốc độ ăn mòn của thép trong môi trường nước lợ càng tăng, trong

đó ion Clo đóng vai trò quyết định

Hình 1.6 ảnh hưởng của ion Cl - đến quá trình ăn mòn

ảnh hưởng của ion Clo đến tốc độ ăn mòn, có thể qua nhiều phương thức khác nhau như:

- Các ion Clo có khả năng đi xuyên qua lớp ôxit trên bề mặt thép và thúc đẩy quá trình hoà tan Fe (hình 1.6)

- Ion Clo có khả năng ức chế việc tạo thành màng thụ động trên bề mặt kim loại

- Các ion Clo được hấp phụ vào bề mặt kim loại và tạo ra điện trường mạnh đủ khả năng tách các ion khác khỏi kim loại

- Ion Clo là chất xúc tác cho các phản ứng và tham gia trực tiếp vào các cấu trúc cầu nối trung gian

- Các ion Clo có khả năng kết hợp với Fe tạo ra các phức bề mặt và quyết định động học phản ứng ăn mòn

13

b ảnh hưởng của ôxy:

Ôxy là chất ôxy hoá quan trọng nhất có ảnh hưởng nhiều tới tốc độ ăn mòn vật liệu trong môi trường nước Hơn nữa ôxy còn làm tăng hoạt tính của

do đó tỷ lệ với nồng độ ôxy hoà tan cho tới nồng độ khoảng 25 đến 35 ppm ở các nồng độ ôxy cao hơn, hiện tượng thụ động đối với một số kim loại sẽ làm

(hình 1.7)

Hình 1.7 Lượng O 2 hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ

Tuy nhiên, khi có sự xuất hiện của ôxy trong môi trường, trên bề mặt thép sẽ hình thành một lớp ôxit, lớp ôxit nếu đủ dày thì sẽ làm giảm đến mức

ổn định tốc độ ăn mòn của thép Mặc dù vậy, sự có mặt của lớp vảy ôxit cũng gây nên những điểm bất lợi như: tại nơi nghèo ôxy bên dưới lớp ôxit sẽ xảy ra

ăn mòn lỗ, đây là dạng ăn mòn rất nguy hiểm bởi kết cấu sẽ nhanh chóng bị

đánh thủng

c ảnh hưởng của pH:

Qua khảo sát thành phần và tính chất của môi trường, thấy rằng, ở nước

ta hầu hết các vùng nước lợ đều có môi trường là trung tính (pH = 6,5 ữ 7.7),

25 50 75 T, °C

9

6

3

duy chỉ có ở 2 tỉnh Long An, Kiên Giang là có môi trường đặc trưng cho đồng bằng sông Cửu Long, môi trường ở đây là chua mặn Độ pH của mùa mưa (pH

15

Trong môi trường nước chứa NaCl, do ảnh hưởng của ion Clo làm dịch

sẽ sớm hơn (hình 1.8)

Từ đó chúng ta có thể nhận thấy ảnh hưởng của độ chua đến quá trình

ăn mòn ở đồng bằng sông Cửu long chủ yếu xuất hiện vào giai đoạn đầu mùa mưa

ảnh hưởng quan trọng nhất của các muối hoà tan trong nước là làm giảm độ hoà tan của ôxy và hydroxit sắt trong nước Hơn nữa người ta còn thấy rằng, tốc độ ăn mòn thép trong dung dịch muối giảm khi nồng độ muối tăng Một số loại muối hoà tan làm giảm độ pH của nước do đó làm tăng tốc

độ ăn mòn đều Một số loại muối dễ phân ly, khi hoà tan trong nước làm tăng

độ dẫn điện của nước, do đó thúc đẩy các dạng ăn mòn galvanic và ăn mòn lỗ Kết quả thực nghiệm cho thấy các ion kim loại khi hoà tan trong nước sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn theo trình tự sau:

mạnh tốc độ ăn mòn, bởi vì khi bị thuỷ phân chúng tạo ra môi trường axit

1.3.3 ảnh hưởng của kết cấu công trình

Nước lợ cũng là môi trường dẫn điện khá tốt nên ăn mòn tiếp xúc (ăn mòn galvanic) trong nước lợ rất quan trọng và có ý nghĩa lớn trong quá trình phá huỷ kết cấu Các cặp pin ăn mòn sẽ được hình thành khi ta sử dụng các kim loại có điện thế điện cực khác nhau hay các kim loại đa pha Sự chênh lệch điện thế giữa các cặp pin ăn mòn càng lớn thì tốc độ ăn mòn càng tăng, khi đó các kim loại có điện thế điện cực nhỏ hơn sẽ bị ăn mòn

Các kết cấu cửa van thường rất phức tạp và được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như dầm chính, dầm phụ, bản mặt, gối xoay, gối đỡ nên

sự xuất hiện của ăn mòn tiếp xúc là không thể tránh khỏi Do vậy, để hạn chế quá trình ăn mòn tiếp xúc đòi hỏi phải tính toán tỷ lệ sử dụng của các loại vật liệu và từ đó thiết kế công trình sao cho tốc độ ăn mòn tiếp xúc là nhỏ nhất

1.4 Ăn mòn điện hoá trong môi trường nước nước lợ

Nước lợ là nước vùng cửa sông đổ ra biển có chứa hàm lượng muối NaCl thấp hơn nước biển nhưng cao hơn so với nước ngọt Tuỳ đặc điểm từng nơi, nước lợ sẽ có độ mặn khác nhau thường từ 8.000 đến 24.000 ppm nhưng lại có thể chứa các muối sunfat, photphat, nitrat và nhiều tạp chất như đất phù

xa, gỗ, que

Tốc độ ăn mòn trong nước lợ phụ thuộc nhiều vào độ mặn Bên cạnh đó, quá trình ăn mòn còn phụ thuộc vào các yếu ảnh hưởng khác như: nhiệt độ, nồng độ ôxy hoà tan, các sinh vật, thành phần môi trường …

Trong vùng nước lợ thì tốc độ dòng nước thường lớn hơn trong nước biển (trừ vùng hải lưu) do vậy cũng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn

Trong tất cả các đặc điểm trên thì đặc điểm làm sói mòn lớp thụ động trên bề mặt do tạp chất phi kim như: đất, cát, phù xa là quan trọng nhất

ăn mòn trong môi trường nước lợ chủ yếu xảy ra dưới dạng ăn mòn

điện hoá Cơ chế của quá trình này cũng tuân theo như cơ chế ăn mòn trong môi trường nước nói chung như đã được trình bày trong mục 1.1

1.5 ăn mòn tiếp xúc (ăn mòn galvanic)

ăn mòn tiếp xúc là dạng ăn mòn xảy ra khi có sự chênh lệch điện thế tạo nên một pin ăn mòn

ăn mòn tiếp xúc xuất hiện khi có hai hoặc nhiều kim loại có điện thế

điện cực khác nhau được lắp ghép trên cùng một kết cấu, do đó chúng có thể tiếp xúc dẫn điện lẫn nhau và cùng nằm trong môi trường ăn mòn vì thế tạo nên một pin ăn mòn

17

ăn mòn tiếp xúc còn xuất hiện trong các hợp kim nhiều pha Các pha trong hợp kim này có điện thế điện cực khác nhau, sự chênh lệch điện thế điện cực cũng gây nên ăn mòn galvanic giống như khi lắp ghép các vật liệu khác nhau trên cùng một kết cấu

Giữa các vùng trong hợp kim, sự chênh lệch nồng độ do thiên tích dẫn dến thành phần giữa các vùng khác nhau cũng có thể là nguyên nhân tạo nên

ăn mòn galvanic

Cơ chế ăn mòn tiếp xúc giữa các kim loại:

Sơ đồ một pin ăn mòn với điện cực bằng Fe và Ni, có cùng hình dạng và

tả như hình sau:

Để khảo sát quá trình ăn mòn, trước hết phải xây dựng đường cong phân cực của các kim loại Fe và Ni trong môi trường ăn mòn Giả thiết rằng tốc độ phản ứng khử phân cực hyđrô ở cả hai điện cực là như nhau (hình 1.10)

Do điện thế điện cực của Fe nhỏ hơn Ni, nếu để hai kim loại độc lập nhau thì

điện cực Fe bị ăn mòn với tốc độ lớn hơn so với điện cực Ni Khi điện cực Fe

E

m / a C

E m / a Fe E cb Ni

E

cb Fe

E

Hình 1.10 Đường cong phân cực

của Fe và Ni

và Ni được nối với nhau bằng một dây dẫn điện, giả thiết rằng dung dịch có

điện trở đủ nhỏ để cả hai điện cực Fe và Ni có chung một điện thế ăn mòn m

/ a C m / a

lý vì Ni có điện thế điện cực dương hơn có thể tham gia một phần vào phản ứng catốt, do vậy tốc độ ăn mòn giảm; còn với Fe thì tốc độ ăn mòn tăng

1.6 Hiện trạng ăn mòn của kết cấu thép trên công trình thuỷ lợi vùng ven biển

Vật liệu kết cấu thép chế tạo cửa van khá đa dạng và thay đổi theo từng thời kỳ, trước năm 1945 hầu hết các cửa van được chế tạo từ thép có hàm lượng cacbon rất thấp (0,02ữ0,04%C), hàm lượng phốt pho khá cao (khoảng 0,1%), đặc biệt một số thép còn có thêm đồng với hàm lượng cỡ 0,2% Một số công trình được xây dựng trong thời kỳ này như: Tràn sông Thương (1906), Cống Nhâm lang (1936), Đập Đáy (1936), Trà Linh I (1936),… Hầu hết tài liệu của các công trình được xây dựng trong thời kỳ này hoặc đã bị đã thất lạc hoặc đã bị hư hỏng nên không thể tra cứu chính xác tên gọi của nhóm thép thời kỳ này được Tuy nhiên, qua các kết quả điều tra khảo sát [3], [4], [5] đã cho thấy nhóm thép này có thành phần hoá học tương đương các mác thép bền

ăn mòn khí quyển [7] Vì vậy, để đơn giản trong luận văn này chúng tôi tạm gọi nhóm thép này là “thép Pháp”

Giai đoạn từ 1945 đến 1975 chủ yếu dùng thép CT3 của Nga Một số công trình được xây dựng trong thời kỳ này điển hình như: Cống Diêm Điền (1960), Cống Tân Bồi (1962), Cống Cấm Sơn (1968) Thành phần hoá học của thép CT3 sử dụng trong giai đoạn này khác so với thành phần trong thép

Gò Công (1999), Cống Sáu Quế II (1994), thuỷ điện Sơn La,… Nhóm thép này

có nhiều tính năng nổi trội như cơ tính cao, đặc biệt thép không gỉ SUS 304 có khả năng chịu ăn mòn tốt

Qua khảo sát ăn mòn cửa van thép trên công trình thuỷ lợi đã cho thấy

hệ thống cửa van thép trên công trình thuỷ lợi phải làm việc trong điều kiện vừa chịu tải nặng và vừa chịu tác dụng xâm thực mạnh của môi trường nước,

đặc biệt ở vùng ven biển, bị ăn mòn nghiêm trọng Các cửa van nhanh chóng xuống cấp ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ và hiệu quả khai thác công trình

Các hình thức ăn mòn cửa van chịu ảnh hưởng trực tiếp của việc phân

bố các vùng catôt, anôt và mật độ dòng ăn mòn Các yếu tố này lại phụ thuộc vào vật liệu thép, kết cấu công trình và thành phần của môi trường Do vậy, các hình thức ăn mòn kết cấu thép là rất đa dạng và cần được nghiên cứu để từ

đó giúp chúng ta đề ra các giải pháp bảo vệ cần thiết Dưới đây là một số dạng

ăn mòn thường gặp trong công trình thuỷ lợi vùng ven biển ở Việt Nam

Ăn mòn lỗ: Là dạng ăn mòn thép thường gặp trên các công trình vùng

nước mặn và nước lợ Hư hỏng do ăn mòn lỗ thường xẩy ra trên bản mặt cửa van (hình 1.11) Đây là dạng ăn mòn cục bộ tạo thành các lỗ, các lỗ phát triển nhanh từ bề mặt vào sâu bên trong theo hướng gần như vuông góc với bề mặt

Quá trình ăn mòn lỗ hình thành không những chỉ do quá trình cung cấp

ôxy không đồng đều, các khuyết tật sẵn có của vật liệu thép, các hư hỏng của lớp phủ bảo vệ, mà còn chịu ảnh hưởng rất lớn của ion âm trong dung dịch

sắt lớn hơn so với các phân tử nước phân cực.Trong ăn mòn lỗ, quá trình anốt hoà tan kim loại xảy ra ở vùng đáy lỗ, quá trình catốt nằm trên bề mặt

Ăn mòn lỗ khó phát hiện bởi lượng kim loại mất đi không nhiều nhưng rất nguy hiểm vì làm giảm đáng kể độ bền của kết cấu

Hình 1.11 Bề mặt cửa van bị đánh thủng do ăn mòn lỗ, x10 lần

(Thép Pháp, Cống An Thổ - Hải Dương)

Ăn mòn khe: Trong các kết cấu công trình thường tạo nên các khe hẹp,

tại đó ôxy không khuyếch tán tới được (có nồng độ thấp) dẫn đến chênh lệch nồng độ, kim loại bị ăn mòn Ví dụ: khe hở giữa các mặt bích, các gioăng,

đệm, mối ghép đinh tán, bu lông…

Mặt khác, do đặc điểm kết cấu của các cửa van tự động trục đứng, khung cửa thường phải nằm trong khe van Khe van thường là nơi bám đọng bùn đất, rêu, rác Lượng ôxy hoà tan trong nước vùng trong khe van thường ít hơn so với vùng bản mặt, hay nói cách khác, là quá trình ôxy đến nhận điện tử

ở vùng bản mặt dễ dàng hơn và quá trình catôt của phản ứng ăn mòn chủ yếu xảy ra ở đây, trong lúc đó thì phần khung cửa nằm trong khe van xẩy ra quá trình anốt, tại đây kim loại bị hoà tan tạo ra ăn mòn khe Môi trường nước của cửa van luôn chịu ảnh hưởng của thuỷ triều, nước ở vùng dầm đáy thường có nồng độ NaCl cao hơn, nồng độ ôxy thấp hơn so với vùng trên nên quá trình

ăn mòn ở vùng này xẩy ra mạnh hơn

21

Các kết quả đo chiều sâu ăn mòn ở các cửa van phẳng đã cho thấy các dầm biên và dầm đáy có chiều sâu ăn mòn lớn hơn vùng bản mặt, điều này

được minh hoạ như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Vị trí và kết quả đo chiều sâu bị ăn mòn trung bình của các

bộ phận cửa van

Cửa van tại

địa điểm

Chiều sâu ăn mòn trung bình ∆δ, mm

Hình 1.12 Các dầm bị ăn mòn nặng, rỉ tạo thành lớp dày, x10 lần

(Thép Pháp, Cống C3 - Hải Phòng)

Có thể khắc phục sự ăn mòn bằng cách chú ý khi thiết kế, hạn chế tạo nên các khe hẹp, dễ làm sạch, tránh tù đọng, thay thế các mối ghép bulông,

đinh tán bằng mối ghép hàn (nếu cho phép)

Ăn mòn ở đường mím nước: Đây là dạng ăn mòn thường xảy ra do đặc

điểm của vùng mím nước có sự chênh lệch nồng độ ôxy, đối với các cửa van

do lớp nước trên bề mặt giàu ôxy, lớp nước sát phía dưới nghèo ôxy, vì vậy vật liệu bị ăn mòn mạnh tại vùng nghèo ôxy (hình 1.13)

Hình 1.13 Bản mặt bị han rỉ tại vùng mím nước, x10 lần

(Thép CT3, Cống Lân I – Thái Bình)

ăn mòn ở vùng lắng đọng: Qua khảo sát ta thấy, tại các vùng bị bùn, tạp

chất lắng đọng trên bề mặt sẽ gây ăn mòn mạnh do cản trở ôxy khuếch tán tới tạo lớp thụ động bề mặt

ăn mòn chân chim dưới lớp sơn: Khảo sát một số công trình như cống

Đôi Ma ở Long An, cống Trà Linh II, cống Diêm Điền ở Thái Bình… ta thấy các cửa van thường được bảo vệ bằng một lớp sơn chống gỉ màu nâu đỏ ở phần không ngập nước lớp phủ này đã bị bong tróc nhiều, đã xuất hiện rỉ dưới lớp sơn (hình 1.15) Đặc biệt, ở vùng thuỷ triều và vùng ngập nước mức độ hư hỏng của lớp sơn phủ tăng lên

Hình 1.15 Vùng không ngập nước đã xuất hiện rỉ dưới lớp sơn, x10 lần

(Thép CT3, Cống Đôi Ma - Long An)

Ăn mòn-mài mòn: Đối với các cửa van tự động trục đứng, hình thức ăn

mòn-mài mòn có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ cửa van Các ốp trục đứng luôn

ma sát với cao su chắn nước, lớp sơn nhanh chóng bị hư hỏng và bề mặt thép

bị ăn mòn-mài mòn Cối quay dưới của trục đứng, các bánh xe công tác phải làm việc trong điều kiện vừa chịu tải nặng vừa chịu ăn mòn-mài mòn (hình 1.16)

Hình 1.16 Bánh xe công tác han rỉ và mòn vẹt, 10 lần (Thép 09Mn2Si, Cống Bara Bến Thuỷ - Nghệ An)

Ăn mòn vi sinh: Đây là dạng ăn mòn thường xảy ra khi có tác dụng của

vi sinh vật như hầu, hà… và sản phẩm hoạt động của nó Sự ăn mòn vi sinh chủ yếu gây ra do vi sinh vật sống trong đất, bể chứa nước, nước ngầm

ăn mòn vi sinh có tính mùa rõ rệt, mạnh nhất trong mùa xuân ấm áp và

ẩm ướt thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn

Qua khảo sát một số cửa van ta thấy, tại những nơi có sự xuất hiện của

vi sinh vật thì đều làm tăng ăn mòn Điển hình là các cống Trà Linh II, cống Họng, cống Nghi Quang… Càng xuống phía dầm đáy thì lớp hà bám vào càng dày và sự ăn mòn xảy ra càng mạnh (hình 1.17)

25

Hình 1.17 Các cửa van bị hà bám dày đặc ở bản mặt, x10 lần

Ăn mòn tiếp xúc (ăn mòn galvanic): Cửa van được chế tạo từ nhiều vật

liệu khác nhau: Bản mặt, dầm dùng thép CT38; Trục, bánh xe, bu lông bằng thép 45; Thép khe van, nẹp cao su, bu lông thường bằng thép không rỉ Các vật liệu này có điện thế rất khác nhau trong môi trường nước lợ, do đó khi liên kết với nhau sẽ xảy ra quá trình ăn mòn tiếp xúc, trong đó các vật liệu có điện thế thấp hơn sẽ bị ăn mòn Các kết quả khảo sát cũng cho thấy phần khung dầm nằm trong khe van thường sớm bị ăn mòn

Hình 1.18 Ăn mòn tiếp xúc giữa bản mặt và dầm, x10 lần

(Thép Pháp, Cống Trúc Kinh - Quảng Trị)

Quá trình ăn mòn tiếp xúc sẽ tăng lên khi độ chênh lệch của thế điện cực của các vật liệu kết cấu tăng lên, tỷ lệ diện tích bề mặt giữa 2 kết cấu có

điện thế khác nhau tăng lên, khi nhiệt độ và cường độ xâm thực của môi trường tăng lên

Việc nghiên về độ bền ăn mòn trong môi trường nước biển đã được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới Mỗi nước trên thế giới đều có điều kiện

tự nhiên khác nhau nên các kết quả nghiên cứu về ăn mòn cũng khá khác nhau Tuy nhiên, chúng ta rất hiếm thấy các công trình nghiên cứu về độ bền

ăn mòn trong môi trường nước lợ được công bố trên thế giới Đa số các bài báo về lĩnh vực này thường mang tính chất giới thiệu và thường được đăng trên các ấn phẩm khoa học chuyên ngành Chưa có công trình nghiên cứu hay tài liệu khoa học kỹ thuật nào liên quan đến lĩnh vực này được công bố hay xuất bản rộng rãi

ở trong nước, nhiều kết quả nghiên cứu về độ bền ăn mòn trong môi trường nước biển và nước ngọt cũng đã được công bố Tuy nhiên, chúng ta chưa có công trình nào nghiên cứu về độ bền ăn mòn trong môi trường nước lợ vùng ven biển Được biết ở Việt Nam hiện mới chỉ có một số công trình nghiên cứu khảo sát hiện trạng về ăn mòn trên một số công trình thuỷ lợi vùng nước lợ Các công trình này chủ yếu mới chỉ dừng lại ở việc điều tra khảo sát

sự ăn mòn và phá huỷ của các loại vật liệu trong các kết cấu công trình thuỷ lợi mà chưa có bất kỳ một số liệu nghiên cứu cụ thể nào để đánh giá độ bền ăn mòn của chúng

27

Chương 2

Mục tiêu của đề tài và phương pháp thực nghiệm

2.1 mục tiêu của đề tài

Hệ thống cửa van thép trong công trình thuỷ lợi vùng ven biển phải làm

việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt, vừa chịu tải trọng làm việc nặng, vừa chịu xâm thực mạnh của môi trường nước mặn làm cho kết cấu thép bị ăn mòn nghiêm trọng Do đó, các cửa van thép bị xuống cấp nhanh chóng, ảnh hướng rất lớn đến tuổi thọ và hiệu quả khai thác của công trình Bản chất của quá trình ăn mòn cửa van là ăn mòn điện hoá do sự không đồng nhất về vật liệu trong môi trường xâm thực Bên cạnh đó, cửa van còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của quá trình ăn mòn vi sinh

Trong hơn 100 năm qua, hệ thống cửa van thép trên công trình thuỷ lợi ven biển được chế tạo từ nhiều loại thép kết cấu khác nhau Các kết quả khảo sát thực tế cho thấy tuổi thọ cửa van không chỉ phụ thuộc vào các phương pháp bảo vệ sơn phủ mà còn phụ thuộc rất lớn vào độ bền ăn mòn của vật liệu chế tạo kết cấu thép Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng chịu ăn mòn của thép kết cấu trong môi trường nước biển và nước ngọt, trong khi đó, độ bền ăn mòn của thép kết cấu trong môi trường nước lợ vùng ven biển nói chung và vùng ven biển Việt Nam, thì còn chưa được nghiên cứu đầy đủ

Trong thời gian gần đây, người ta đã sử dụng thép không rỉ để thay thế một số bộ phận kết cấu của cửa van ảnh hưởng của ăn mòn tiếp xúc giữa thép kết cấu và thép không rỉ có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của kết cấu thép Cho

đến nay, ở nước ta vẫn chưa có các nghiên cứu về ăn mòn tiếp xúc trong môi trường nước nước lợ vùng ven biển

Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng chịu ăn mòn của các loại thép kết cấu khác nhau và ăn mòn tiếp xúc giữa thép kết cấu và thép không rỉ trong môi

trường nước lợ vùng ven biển là rất cần thiết, từ đó làm cơ sở để lựa chọn và sử dụng vật liệu hợp lý cho việc thiết kế kết cấu và chế tạo cửa van trong công trình thuỷ lợi vùng ven biển nhằm nâng cao tuổi thọ công trình

2.2 nhiệm vụ của đề tài

Để thực hiện tốt các mục tiêu của đề tài đã đề ra, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đề ra như sau:

• Nghiên cứu thành phần hoá học, tổ chức tế vi và cơ tính của thép kết cấu sử dụng làm bản mặt, dầm, khung, khe… trong cửa van công trình thuỷ lợi vùng ven biển

• Nghiên cứu tính chất điện hoá của thép kết cấu trong môi trường nước lợ

• Nghiên cứu độ bền ăn mòn và độ bền ăn mòn tiếp xúc của thép kết cấu bằng phương pháp gia tốc mù muối

• Nghiên cứu thử nghiệm độ bền ăn mòn và độ bền ăn mòn tiếp xúc tại hiện trường

Từ đó có các kết luận về độ bền ăn mòn của thép kết cấu và lựa chọn

được tỷ lệ kết cấu hợp lý áp dụng vào chế tạo cửa van cho công trình thuỷ lợi vùng ven biển nhằm nâng cao tuổi thọ của công trình

2.3 phương pháp thực nghiệm và thiết bị nghiên cứu

2.3.1 Mẫu thép nghiên cứu

Quá trình thực nghiệm được tiến hành kết hợp trong phòng thí nghiệm

và tại hiện trường trên cơ sở kết hợp tốt phương pháp đánh giá định tính và

định lượng

Các mẫu thép kết cấu nghiên cứu gồm: thép Pháp (thép kết cấu chế tạo cửa van từ thời Pháp thuộc), thép CT3, thép 09Mn2Si, thép SUS 304 được lấy trực tiếp từ cửa van trên công trình thuỷ lợi

29

+ Thép Pháp lấy tại cửa van xả cát tràn sông Thương v… cống Nhâm Lang – Thái Bình

+ Thép 09Mn2Si, SUS 304 lấy tại cửa van và khe van công trình thuỷ

điện Sơn la (Nhà máy Cơ khí Thuỷ lợi)

+ Thép CT3 lấy tại cửa van cống Diêm Điền – Thái Bình

+ Thép đóng tàu A32 lấy tại Nhà máy Đóng tàu Nam triệu – Hải phòng

Các mẫu nghiên cứu tại hiện trường được gia công theo kích thước khoảng 150x100x5 mm Các mẫu nghiên cứu tại phòng thí nghiệm có kích thước 50x50x3 mm (nhỏ hơn một chút so với khi thử nghiệm tại hiện trường)

Quá trình nghiên cứu tiếp xúc được tiến hành giữa cặp vật liệu SUS 304

và CT3 Các mẫu nghiên cứu ăn mòn tiếp xúc được chế tạo theo các tỉ lệ diện tích SUS 304/CT3 khác nhau là: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16

2.3.2 Phương pháp xác định thành phần hoá học, tổ chức tế vi và cơ tính của thép kết cấu

2.3.2.1 Phương pháp phân tích thành phần hoá học

Việc xác định thành phần

hoá học của thép được tiến hành

trên máy quang phổ phát xạ

Metal – Lab 75-80J của hãng

GNR Italy tại Phòng Thí nghiệm

Vật liệu Tính năng Kỹ thuật cao