Tài liệu Nghiên cứu khả năng bọc composite cho các kết cấu thép cacbon làm việc trong môi trường biển

  • Số trang: 97 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 106 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những số liệu báo cáo trong đề tài là hoàn toàn thực tế của chính bản thân đã thực hiện được. Các số liệu trên chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí, công trình nghiên cứu nào trong và ngoài nước. Nha Trang, tháng 12 năm 2010. Học viên thực hiện Hồ Hữu Huy -1- MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ........................................................................................................ 1 DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... 4 LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 6 Chương 1: TỔNG QUAN..................................................................................................8 1.1 Tổng quan về kết cấu thép làm việc trong môi trường biển.........................................8 1.2 Tổng quan về ăn mòn kim loại trong môi trường biển...............................................13 1.2.1 Định nghĩa ăn mòn...............................................................................................13 1.2.2 Phân loại quá trình ăn mòn..................................................................................13 1.2.3 Đặc điểm ăn mòn kết cấu thép trong môi trường biển ......................................14 1.3 Tổng quan về bảo vệ ăn mòn kết cấu thép ..................................................................16 1.3.1 Các biện pháp bảo vệ ăn mòn kết cấu thép ........................................................16 1.3.2 Các biện pháp bảo vệ ăn mòn kết cấu thép làm việc trong môi trường biển thường dùng ................................................................................................. 20 1.4 Khả năng ứng dụng composite để bọc phủ kết cấu thép làm việc trong môi trường biển................................................................................................................. 21 1.4.1 Bản chất về cơ chế kết dính của polyme ............................................................21 1.4.2 Sơ lược về ứng dụng composite bọc kết cấu thép .............................................24 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................30 2.1 Yêu cầu kỹ thuật của lớp bọc phủ................................................................................30 2.1.1 Khả năng liên kết giữa lớp phủ composite và thép cacbon cần bảo vệ............30 2.1.2 Khả năng bảo vệ và giá thành của lớp phủ composite................................ 37 2.2 Phân tích lựa chọn vật liệu bọc phủ composite...........................................................41 Chương 3: TÍNH CHỌN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN VÀ THỰC NGHIỆM TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE .........................................................................................................43 3.1 Tính vật liệu thành phần ...............................................................................................43 3.1.1 Vật liệu gia cường................................................................................................43 3.1.2 Vật liệu nền ..........................................................................................................45 3.1.3 Chất đóng rắn .......................................................................................................45 -23.2 Thực nghiệm tạo vật liệu composite............................................................................46 3.2.1 Mục đích thực nghiệm tạo vật liệu composite ............................................ 46 3.2.2 Quy hoạch thực nghiệm lựa chọn kết cấu vật liệu và biện pháp công nghệ.............47 3.2.3 Tiến hành thực nghiệm ............................................................................... 50 3.2.4. Chế tạo mẫu thử ......................................................................................... 52 3.2.5 Phương pháp tính toán, đánh giá ................................................................ 54 Chương 4: KẾT QUẢ, THẢO LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT................................................59 4.1 Kết quả thực nghiệm.....................................................................................................59 4.1.1 Kết quả thử nghiệm cơ tính......................................................................... 59 4.1.2 Kết quả thử nghiệm bám dính ................................................................... 60 4.1.3 Kết quả thử nghiệm hấp thụ nước............................................................... 61 4.1.4 Kết quả thử nghiệm ăn mòn trong môi trường biển ................................... 64 4.2 Kết luận..........................................................................................................................71 4.3 Đề xuất...........................................................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 75 PHỤ LỤC -3- DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Môđun Young của một số vật liệu ............................................................. 34 Bảng 2.2 Đặc trưng cơ học vật liệu của một số loại composite thông dụng ............. 35 Bảng 2.3 Tính chất và giá thành của các loại nhựa ................................................... 40 Bảng 2.4 Giá trị thử nghiệm cơ tính vật liệu glass/vinyleste .................................... 42 Bảng 3.1 Đặc tính cơ lý của sợi được lựa chọn......................................................... 44 Bảng 3.2 Đặc tính cơ lý của nền được lựa chọn........................................................ 45 Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật của TETA ...................................................................... 45 Bảng 3.4 Hệ số gia cường hữu ích ............................................................................ 49 Bảng 3.5 Đặc tính vật liệu composite theo tính toán lý thuyết ................................. 50 Bảng 4.1 Kết quả tổng hợp thử nghiệm kéo.............................................................. 59 Bảng 4.2 Kết quả tổng hợp thử nghiệm uốn ............................................................. 59 Bảng 4.3 Kết quả tổng hợp thử nghiệm bám dính composite không có lớp lót........ 60 Bảng 4.4 Kết quả tổng hợp thử nghiệm bám dính composite có lớp lót .................. 60 Bảng 4.5 Tổng hợp kết quả kiểm tra độ hấp thụ nước của vật liệu composite ......... 61 Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả đo điện hóa.................................................................... 64 -4DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Giàn khoan bán chìm.................................................................................... 8 Hình 1.2 Giàn khoan tự nâng ...................................................................................... 9 Hình 1.3 Cần cẩu nổi ................................................................................................ 10 Hình 1.4 Kết cấu dàn đáy ......................................................................................... 10 Hình 1.5 Kết cấu dàn mạn ........................................................................................ 11 Hình 1.6 Kết cấu dàn mạn và dàn vách .................................................................... 11 Hình 1.7 Kết cấu dàn boong ..................................................................................... 12 Hình 1.8 Ảnh hưởng của độ sâu nước biển đến ăn mòn ........................................... 15 Hình 1.9 Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài ........................................................... 18 Hình 1.10 Các dạng phá hoại của hệ thống nhiều pha ............................................. 22 Hình 1.11 Bảo quản một số vị trí ăn mòn của ống dẫn bằng vật liệu composite thủy tinh/epoxy ....................................................................................... 28 Hình 2.1 Môđun kéo riêng của một một số vật liệu sợi ........................................... 38 Hình 2.2 Độ bền kéo riêng của một một số vật liệu sợi ............................................ 38 Hình 2.3 Giá thành các loại vật liệu gia cường composite........................................ 41 Hình 3.1 Kích thước mẫu thử cơ tính composite theo tiêu chuẩn ISO ..................... 53 Hình 3.2 Kích thước mẫu thử bám dính theo tiêu chuẩn ASTM .............................. 54 Hình 3.3 Biểu diễn hình học của tổng trở Z ............................................................. 56 Hình 3.4 Phổ tổng trở lớp phủ tốt ............................................................................. 57 Hình 3.5 Sơ đồ điện hóa tương đương của lớp phủ composite tốt ........................... 57 Hình 3.6 Phổ tổng trở lớp phủ bị khuyết tật .............................................................. 57 Hình 3.7 Sơ đồ điện hóa tương đương của lớp phủ bị khuyết tật.............................. 58 Hình 4.1 Đồ thị so sánh ứng suất tách lớp của composite có lớp lót “dán” và không có lớp lót ................................................................................................... 61 Hình 4.2 Đồ thị so sánh độ hấp thụ nước trung bình các loại mẫu sau 7 ngày ngâm ........................................................................................................ 62 Hình 4.3 Đồ thị so sánh độ hấp thụ nước trung bình các loại mẫu sau 14 ngày ngâm ...................................................................................................... 63 Hình 4.4 Đồ thị so sánh độ hấp thụ nước trung bình các loại mẫu sau 30 ngày ngâm ..................................................................................................... 63 -5Hình 4.5 Đồ thị so sánh độ hấp thụ nước trung bình các loại mẫu sau 14 ngày và 30 ngày ngâm ................................................................................... 64 Hình 4.6 Sự thay đổi điện trở lớp phủ của loại mẫu CT3-X1 sau ngâm 9 tháng ..... 65 Hình 4.7 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-X1 lúc chưa ngâm nước biển............. 65 Hình 4.8 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-X1 sau 9 tháng ngâm nước biển ........ 66 Hình 4.9 Sự thay đổi điện trở lớp phủ của mẫu CT3-X2 sau ngâm 9 tháng ............ 66 Hình 4.10 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-X2 lúc chưa ngâm nước biển........... 66 Hình 4.11 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-X2 sau 9 tháng ngâm nước biển ...... 67 Hình 4.12 Sự thay đổi điện trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh1 sau ngâm 9 tháng....... 67 Hình 4.13 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh1 lúc chưa ngâm nước biển ...... 67 Hình 4.14 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh1 sau 9 tháng ngâm nước biển.. 68 Hình 4.15 Sự thay đổi điện trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh2 sau ngâm 9 tháng....... 68 Hình 4.16 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh2 lúc chưa ngâm nước biển ...... 68 Hình 4.17 Phổ tổng trở lớp phủ của mẫu CT3-XPh2 sau 9 tháng ngâm nước biển.. 69 Hình 4.18 Điện trở lớp phủ của các loại mẫu đo ban đầu chưa ngâm nước biển ..... 69 Hình 4.19 Điện trở lớp phủ của các loại mẫu lúc ngâm 9 tháng .............................. 69 Hình 4.20 Mẫu thử nghiệm ăn mòn trước và sau khi ngâm ..................................... 70 Hình 4.21 Mẫu đo điện hóa chu kỳ 9 tháng .............................................................. 70 -6- LỜI MỞ ĐẦU Kim loại và kết cấu bằng kim loại đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Các máy móc, thiết bị kỹ thuật hầu hết được chế tạo từ kim loại (cơ bản là thép cacbon). Khi các thiết bị này làm việc trong môi trường biển thường bị ăn mòn với tốc độ cao nên đã làm giảm khả năng làm việc và tuổi thọ sử dụng. Cho đến nay, thực tế sử dụng các kết cấu thép, các trang thiết bị máy móc thường được bảo vệ bằng sơn phủ. Mặc dù được đầu tư nghiên cứu khá lớn nhưng các loại sơn phủ chỉ có tác dụng bảo vệ với mức độ khá hạn chế các bề mặt không làm việc, với tuổi thọ khá ngắn khi làm việc trong môi trường biển. Trên các bề mặt của các kết cấu thép như: cặp ma sát, mặt sàn công tác của thiết bị... các loại sơn phủ thông thường không đảm bảo được độ bền cần thiết (đặc biệt là độ bền mòn) đã gây ra sự hao phí lớn về vật chất, chi phí lao động và gây ô nhiễm môi trường. Bọc bảo vệ bề mặt kim loại bằng nhựa (polyme) là giải pháp được nhiều cơ sở kỹ thuật sử dụng. Tuy nhiên, công nghệ này mới chỉ được áp dụng cho kết cấu kim loại dân dụng làm việc trong môi trường không khí bình thường (bọc giỏ và đèo hàng xe máy...). Công nghệ này khi áp dụng cho kết cấu thép làm việc trong môi trường biển thường bị rỉ và bong tróc rất nhanh, thậm chí một số hỗn hợp nhựa còn gây ăn mòn kim loại khá mạnh. Ngoài ra, việc bọc nhựa thông thường không tạo được độ bền bề mặt đủ lớn cho các bề mặt thiết bị kỹ thuật, kết cấu thép. Điều này chỉ có thể khắc phục nếu phủ lên các bề mặt làm việc kết cấu thép bằng vật liệu composite. Theo thông tin trên mạng, hãng Castolin Eutectic - một hãng sản xuất và cung cấp công nghệ polyme phủ bề mặt hàng đầu thế giới với trên 100 năm hoạt động tại Mỹ - đã giới thiệu dung dịch nguội Mecatec có tác dụng phủ bảo vệ các bề mặt của chi tiết máy làm việc trong môi trường biển, hóa chất và nhiệt độ cao đến 2400C [29], Các Mecatec, theo giới thiệu của Castolin Eutectic là các polyme tổng hợp ứng dụng cho bảo vệ bề mặt hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Mặc dù có tính phủ bảo vệ bề mặt kim loại tốt nhưng giá thành quá cao (dùng Mecatec 102P giá 160 USD/dm2 bề mặt phủ). Với khả năng bảo vệ và chống ăn mòn cao, Mecatec phù hợp với công nghệ bọc phủ bảo vệ và phục hồi các chi tiết máy đặc chủng như cánh bơm hóa chất... Theo công nghệ này, nếu nghiên cứu sử dụng các composite bọc bảo vệ bề mặt chi tiết máy hay các kết cấu thép thông dụng để bảo vệ bề mặt sẽ có giá thành -7thấp hơn và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật thông thường của các kết cấu thép làm việc trong môi trường biển. Với yêu cầu cấp thiết có cơ sở khoa học và thực tiễn, xin đề xuất nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năng bọc composite cho các kết cấu thép cacbon làm việc trong môi trường biển”. Hy vọng kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện công nghệ bảo vệ bề mặt các thiết bị kỹ thuật, kết cấu thép làm việc trong môi trường biển, góp phần hữu ích vào công việc chống ăn mòn đang cấp thiết hiện nay. Đề tài hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS Phạm Hùng Thắng, PSG. TS Quách Đình Liên, TS Phạm Trung Sản, Ths. Phan Quang Nhữ và nhiều bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn, các thầy cô khoa Kỹ thuật tàu thủy và khoa Cơ khí cùng toàn thể những người đã cùng tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Nha Trang, tháng 12 năm 2010. Học viên Hồ Hữu Huy -8- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về kết cấu thép làm việc trong môi trường biển Kết cấu thép làm việc trong môi trường biển thường gặp đó là: hệ thống cốt thép trong bê tông cốt thép ở các cầu cảng, các công trình đê điều, tàu thủy, hệ thống giàn khoan dầu khí, đường ống dẫn dầu, bồn bể chứa dầu trên biển. Trong nông, ngư nghiệp, đó là các hệ thống lồng thép, bơm, đường ống dẫn nước phục vụ nuôi trồng thủy sản… Một vài ví dụ về kết cấu thép làm việc trong môi trường biển như sau: - Giàn khoan bán chìm (semi submersible): được chế tạo nhằm phục vụ việc thăm dò và khoan khai thác dầu khí, có thể làm việc tại những vùng biển có chiều sâu mặt nước lên đến 1.000 m. Kết cấu đặc trưng của các công trình nổi dạng này là một hệ kết cấu thép gồm hai ponton nằm chìm trong nước đỡ toàn bộ hệ thống giàn khoan nằm phía trên bằng các cột chống đặt lên trên hai ponton này. Phần nổi trên mặt nước của giàn khoan được bố trí như một tàu công trình hiện đại, cỡ lớn với phòng sinh hoạt, thiết bị khai thác, xử lý, thiết bị nâng hạ, sân bay lên thẳng v..v… Hình 1.1 Giàn khoan bán chìm -9- Giàn khoan tự nâng (Jack up Self hoặc Elevating Platform): kết cấu thép với 3, 4 chân có thể trượt trong các lỗ xuyên qua thân giàn, còn thân giàn được bố trí nằm phía trên các chân đế. Khi làm việc, giàn tựa lên các chân, còn các chân giàn lại được tựa trên nền đáy biển nâng thân giàn cao dần lên, tách khỏi mặt nước và sau đó đưa thân giàn lên hẳn phía trên mặt nước. Khi không làm việc, các chân giàn được rút lên trên cao và giàn nổi như một tàu thông thường thượng tầng chứa thiết bị, máy móc, phòng sinh hoạt, phân xưởng sản xuất, sàn hạ máy bay … Hình 1.2 là hình ảnh bố trí của một giàn khoan tự nâng đang hoạt động tại vùng biển Việt Nam. Hình 1.2 Giàn khoan tự nâng - Cần cẩu nổi (crane barge): Các cần cẩu nổi dùng trong công nghiệp khai thác dầu khí, xếp dỡ hàng hóa trên môi trường sông nước, biển có kích thước và sức nâng rất lớn, từ vài trăm đến hàng ngàn tấn. Hình 1.3 là cần cẩu mang tên YẾT KIÊU P3 của công ty trục vớt cứu hộ - Cục Hàng hải Việt Nam có trang bị hai cẩu với sức nâng 350T, tầm với tối đa là 16m và chiều cao nâng cao là 31m. - 10 - Hình 1.3 Cần cẩu nổi Tàu thủy được xem như một đại công trình kết cấu thép làm việc trên biển, bao gồm kết cấu thân tàu và các trang thiết bị. Kết cấu thân tàu có dạng vỏ mỏng gồm phần tôn bao bên ngoài và phần gia cường bên trong, tạo thành khung xương đảm bảo độ bền, giữ tàu nổi và hoạt động trên nước. Một số kết cấu cấu thành thân tàu như sau: - Kết cấu dàn đáy: Hình 1.4 Kết cấu dàn đáy 1. Sống phụ, 2. Sống chính, 3. Đà ngang đáy đặc 4. Tôn đáy, 5. Tấm lát sàn, 6. Tấm lát sàn bằng gỗ 7. Nẹp gia cường, 8. Đà ngang đáy hở - 11 - Kết cấu dàn mạn: Hình 1.5 Kết cấu dàn mạn 1. Tôn mạn, 2. Sườn mạn, 3. Xà dọc mạn 4. Sườn khỏe, 5. Nẹp dọc, 6. Tôn boong - Kết cấu dàn mạn và dàn vách: Hình 1.6 Kết cấu dàn mạn và dàn vách 1. Dàn mạn, 2. Vách ngang, 3. Vách dọc 4. Đà ngang đáy, 5. Nẹp vách - 12 - Kết cấu dàn boong: Hình 1.7 Kết cấu dàn boong Ngoài kết cấu vỏ tàu, tàu thủy còn trang bị rất nhiều hệ thống phục vụ khác, có thể liệt kê một số hệ thống cơ bản như: - Hệ thống động lực: gồm có máy chính, hệ trục chân vịt, các hệ thống đường ống vận chuyển nhiên liệu, làm mát phục vụ cho máy chính… - Hệ thống điện và trang thiết bị hàng hải: bao gồm các trang thiết bị thông tin liên lạc, cứu sinh sử dụng sóng vô tuyến, hệ thống điện phục vụ… - Hệ thống thiết bị boong và thiết bị xếp dỡ: gồm các máy xếp dỡ, các loại cẩu hàng, tời lái, tời mũi, tời neo… - Các hệ thống phục vụ sinh hoạt cho thuyền viên: hệ thống cung cấp nước, điều hòa, sưởi… Các thiết bị, máy móc hoặc tàu thủy làm việc trong môi trường biển như phân tích ở trên đều là một hệ các kết cấu thép được chế tạo, lắp đặt lại với nhau nhằm phục vụ cho mục đích công việc cụ thể. Các phần tử cơ bản cấu tạo nên hệ thống kết cấu thép nêu trên là từ các phần tử thanh, tấm hoặc ống và đều được chế tạo từ thép cacbon hoặc hợp kim của chúng. Đối với hệ kết cấu thép lớn như tàu thủy, giàn khoan dầu khí… người ta thường chế tạo từ thép cacbon thấp. Trong sử dụng, khai thác thì dùng các biện pháp bảo vệ ăn mòn. Như thế mới đáp ứng được các yếu tố kinh tế. Việc bảo vệ chống ăn mòn các kết cấu trên thường được sử dụng phương pháp phủ bề mặt bằng các hệ sơn kết hợp với bảo vệ anôt hy sinh. Chỉ một số các chi tiết máy nhỏ, riêng lẻ thì được bảo vệ bằng lớp phủ hợp kim cứng nhờ quá trình mạ hoặc nhiệt khuếch tán. - 13 1.2 Tổng quan về ăn mòn kim loại trong môi trường biển 1.2.1 Định nghĩa ăn mòn Lịch sử phát triển của xã hội gắn liền với việc sản xuất và sử dụng các loại vật liệu mà quan trọng nhất là kim loại và hợp kim của chúng. Dưới tác dụng của các yếu tố môi trường, đặc biệt là môi trường xâm thực - nước biển chẳng hạn, đại đa số các kim loại không bền nhiệt động đều bị ăn mòn. Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tương tác hóa học hoặc điện hóa của kim loại với môi trường xung quanh. Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do hậu quả của sự phản ứng của kim loại với môi trường xung quanh. Những biến đổi không có sự tham gia của các pha ngoài không được gọi là ăn mòn. Ăn mòn sắt và hợp kim của nó tạo thành rỉ do sự hình thành các oxyt sắt hidrat hóa trong các sản phẩm ăn mòn nên sắt và hợp kim của sắt thường bị gỉ. 1.2.2 Phân loại các quá trình ăn mòn Có nhiều cách phân loại ăn mòn khác nhau. Về cơ bản có thể phân loại thành 2 loại ăn mòn chính sau: 1.2.2.1 Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hóa học còn được gọi là ăn mòn khô gây ra bởi phản ứng hóa học dị thể giữa bề mặt kim loại với môi trường xung quanh, nghĩa là phản ứng biến đổi kim loại thành ion. Tương tác giữa kim loại với môi trường lỏng không dẫn điện hay với không khí khô là điển hình của dạng ăn mòn hóa học. Sự oxy hóa kim loại bởi oxy hay tương tác giữa kim loại với các khí khác (SO2, H2S, các halogen, CO2…) ở nhiệt độ cao là các dạng ăn mòn hóa học rất nguy hiểm. 1.2.2.2 Ăn mòn điện hóa: Đây là dạng ăn mòn phổ biến nhất, là tương tác điện hóa giữa bề mặt kim loại với môi trường xung quanh. Khác với phản ứng oxy hóa - khử đồng thể xảy ra ở dung dịch, ăn mòn điện hóa là phản ứng oxy hóa - khử xảy ra làm nhiều giai đoạn ở nhiều nơi khác nhau trên bề mặt kim loại. Do sự tồn tại của các ion trong dung dịch và electron tự do trên kim loại, sự ăn mòn điện hóa xảy ra ở 2 quá trình sau: - Quá trình anôt là nơi biến đổi trực tiếp kim loại thành ion hidrat hóa trong dung dịch: Me + xH2O → Me(H2O)n+ x+ ne - 14 - Quá trình catôt làm cho các electron dư của quá trình anôt bị đồng hóa do một vài chất nhận electron, gọi là các chất khử phân cực. Rõ ràng, với cơ chế ăn mòn nêu trên thì rỉ của vỏ tàu, các thiết bị trên tàu làm việc trong môi trường biển... là những ví dụ điển hình của ăn mòn điện hóa. Cần phải lưu ý rằng, việc nghiên cứu cơ chế ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học đôi khi không phân biệt ranh giới rõ nét. Trong nhiều trường hợp, sự biến đổi chậm từ cơ chế hóa học sang cơ chế điện hóa có thể xảy ra và ngược lại, sự ăn mòn trong các dung dịch điện ly có thể xảy ra theo cơ chế điện hóa lẫn hóa học. 1.2.3 Đặc điểm ăn mòn kết cấu thép trong môi trường biển 1.2.3.1 Tính chất ăn mòn của thép cacbon: Sắt ít bền với ăn mòn vì các nguyên nhân sau: - Điện thế điện cực tiêu chuẩn của sắt (-0,44V) âm hơn so với điện cực tiêu chuẩn của Oxy (1,23V) và Hydro (0.00V) nên không bền về phương diện nhiệt động. - Quá thế của Hydro ηFe trên Fe thấp nên trong môi trường axit Fe bị ăn mòn H2 khá nhanh. Thép cacbon là hợp kim của sắt có từ 0,05 đến 0,1% C. Thép cacbon thường rẻ, độ bền và độ cứng của nó có thể thay đổi trong phạm vi rộng tùy theo hàm lượng cacbon và phương pháp xử lý nhiệt. Cũng giống như sắt, thép cacbon có độ bền ăn mòn thấp và thường phải có các lớp phủ bảo vệ. 1.2.3.2 Tính xâm thực của nước biển: Các công trình kết cấu thép làm việc trong môi trường biển như: công trình dầu khí, tàu biển, kết cấu thép phục vụ nuôi trồng thủy sản… đều bị nước biển ăn mòn. Nước biển chứa từ 3 – 3,5% muối hòa tan. Thành phần của nước biển như: độ PH, độ muối NaCl toàn phần, độ dẫn điện, độ hòa tan oxy trong nước phụ thuộc vào vị trí địa lý của vùng biển. Chính các thành phần của nước biển mà chủ yếu là độ PH, độ hòa tan oxy trong nước quyết định tính chất ăn mòn của nước biển. 1.2.3.3 Đặc điểm ăn mòn trong nước biển: Đây là dạng ăn mòn kim loại trong môi trường chứa oxy. Ở nhiệt độ bình thường, trong hơi nước bão hòa không khí, tốc độ ăn mòn khơi mào của sắt có thể đạt giá trị khoảng 100mg/dm2.ngày. Sau vài ngày tốc độ này giảm dần đến khi một màng oxyt sắt hình thành và màng này hoạt động như một hàng rào ngăn cản sự khuếch tán của oxy. Khi vắng mặt oxy hòa tan, có thể bỏ qua tốc độ ăn mòn ở nhiệt độ thường vì - 15 quá nhỏ. Tốc độ ăn mòn của thép tỉ lệ với nồng độ oxy. Do độ hòa tan oxy trong chất điện phân nhỏ (khoảng 2,5.10-4 mol/l) nên tốc độ ăn mòn của kết cấu thép phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của oxy xảy ra ở catôt. Nếu không có quá trình di chuyển oxy đến catôt đặc biệt như khuấy dung dịch chẳng hạn thì quá trình ăn mòn của thép trong nước biến xảy ra như sau: - Ăn mòn trong nước biển bị kìm hãm chủ yếu bởi quá trình catôt. Ion Cl- ngăn cản sự tạo thành màng thụ động trên bề mặt kim loại. Nước biển dẫn điện tốt nên không có sự khống chế điện trở. - Nước biển chứa nhiều hàm lượng Ca+, Mg+ nên sẽ hình thành các màng oxyt CaCO3, Mg(OH)2 để bảo vệ theo phản ứng: Ca2+ + HCO3- + OH- = H2O + CaCO3 Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2 - Ảnh hưởng của nồng độ oxy đến tốc độ ăn mòn kết cấu thép cacbon theo thực nghiệm đối với các vùng thủy triều khác nhau là khác nhau. Ở những vùng thủy triều thay đổi lớn, dòng thủy triều thay đổi gây nên bắn tóe oxy hòa tan, dễ tiếp cận với kim loại nên tốc độ ăn mòn lớn nhất. Ngược lại ở những vùng thủy triều ổn định hoặc dưới lớp bùn, vì oxy khó thâm nhập nên tốc độ ăn mòn là nhỏ nhất. Vùng 1 Vùng 2 Thủy triều cao Vùng 3 Thủy triều thấp Vùng 4 Mức bùn Vùng 5 Chiều sâu ăn mòn Pt.n Hình 1.8 Ảnh hưởng của độ sâu nước biển đến ăn mòn Vùng 1: ăn mòn khí quyển; Vùng 2: vùng bắn tóe trên mức thủy triều cao Vùng 3: vùng thủy triều; Vùng 4: ngập nước thường xuyên; Vùng 5: chôn trong đất - 16 Do những tính ưu việt vốn có của kim loại như: độ bền cơ học, bền nhiệt, tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao... nên kim loại đã xâm nhập hầu hết vào các ngành công nghiệp, trong đó có những công trình làm việc trong môi trường biển. Những công trình thép cacbon làm việc trong môi trường biển thường bị ăn mòn rất lớn. Ăn mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân. Theo báo cáo của Ủy ban ăn mòn và bảo vệ Anh thì thiệt hại do ăn mòn ở Anh chiếm 3,5 % tổng sản lượng quốc dân. Ở Mỹ thì chi phí này vào năm 1982 được đánh giá khoảng 126 tỷ đô la mỗi năm [6]. Việt Nam có khí hậu nóng, ẩm và tỉ lệ sử dụng kim loại trong công nghiệp còn rất lớn cho nên thiệt hại do ăn mòn còn có thể cao hơn nữa. Ước tính chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 3.5% - 4% tổng thu nhập quốc dân đối với những nước có nền công nghiệp phát triển [6], [11]. Chi phí bao gồm chi phí trực tiếp và gián tiếp. Thông thường chi phí gián tiếp (chi phí thay thế, sửa chữa, chi phí cho các biện pháp ngăn ngừa, bảo vệ chống ăn mòn) lớn hơn rất nhiều so với chi phí trực tiếp. Theo một nghiên cứu thống kê của các nhà nghiên cứu ăn mòn trên thế giới [10], [12] vào những năm 1990 thì lượng kim loại bị mất đi trực tiếp do ăn mòn chiếm khoảng 10% tổng sản lượng kim loại được sản xuất hàng năm (trong đó ăn mòn khí quyển chiếm khoảng 80%); còn thiệt hại gián tiếp như giảm độ bền thiết bị máy móc, giảm chất lượng công trình do gỉ thường gấp 1,5 đến 2 lần lượng thiệt hại trực tiếp trên. Đối với các nước có công nghiệp phát triển, các nước có công nghiệp dầu khí hay khí hậu biển nhiệt đới thì tổng thiệt hại do ăn mòn gây ra chiếm tới 4-5% thu nhập kinh tế quốc dân vào những năm 1990 nhưng đến năm 2000 tỷ lệ này còn 2-3% nhờ áp dụng một số biện pháp hữu hiệu trong công tác chống ăn mòn. Ngoài ý nghĩa về mặt kinh tế như kéo dài tuổi thọ, độ bền các công trình; bảo vệ chống ăn mòn còn có ý nghĩa quan trọng trong vấn đề chống ô nhiễm môi trường và an toàn lao động. Vì vậy, việc nghiên cứu bảo dưỡng và bảo vệ chống ăn mòn, kéo dài thời gian sử dụng các kết cấu làm việc trong môi trường biển biển... thường xuyên là một vấn đề rất có ý nghĩa về mặt khoa học kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế. 1.3 Tổng quan về bảo vệ ăn mòn kết cấu thép 1.3.1 Các biện pháp bảo vệ ăn mòn kết cấu thép 1.3.1.1 Bảo vệ kim loại bằng cách biến đổi môi trường a. Loại trừ cấu tử ăn mòn - Oxy: - 17 Phần lớn các kết cấu thép có độ bền ăn mòn cao trong môi trường trung tính và không có mặt oxy. Tuy nhiên trong thực tế luôn tồn tạo oxy trong môi trường. Độ hòa tan của oxy trong môi trường nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất riêng phần của oxy và nồng độ muối trong dung dịch. Thực tế người ta thường sử dụng các phản ứng hóa học để loại oxy ra khỏi môi trường như sau: - O2 + 2Na2SO3 = 2Na2SO4, ở nhiệt độ thường tốc độ của phản ứng trên chậm nên ta có thể dùng chất xúc tác để tăng tốc độ (ví dụ thêm 0,001 ppm ion CO2+). - N2H4 + O2 = 2H2O + N2, ở nhiệt độc cao N2H4 sẽ phân hủy thành: 3N2H4 (hydrazin) = N2 + 4NH3 Sử dụng hydrazin loại trừ được nguy cơ tạo thành muối, tuy nhiên N2H4 và NH3 gây ăn mòn đồng và hợp kim của nó. Thừa sunfit cũng gây ăn mòn thép. b. Bảo vệ kết cấu thép bằng chất ức chế ăn mòn: Chất ức chế ăn mòn là những chất mà ta thêm vào môi trường một lượng rất nhỏ nhưng kìm hãm đáng kể tốc độ ăn mòn. Việc sử dụng chất ức chế là một trong các phương pháp phổ biến có hiệu quả chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Chất ức chế là chất làm giảm ăn mòn ngay cả khi nồng độ rất yếu (10-3 - 10-6 mol/l), làm giảm sự hao tổn kim loại hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lần. Các chất ức chế dùng để bảo vệ kim loại chống ăn mòn khí quyển, trong môi trường axit, trong nước biển, trong các môi trưòng oxy hóa, trong dầu mỡ. So sánh với các phương pháp bảo vệ khác, việc áp dụng các chất ức chế có nhiều ưu điểm: không xây dựng lại sơ đồ kỹ thuật sản xuất, cho phép sử dụng các kim loại rẻ tiền thay thế cho các kim loại đặc biệt, hoàn thiện các điều kiện vệ sinh công nghiệp, nâng cao tính năng bảo vệ của các lớp mạ, sơn hay polyme…, đảm bảo các tính chất cơ học của kim loại. Các chất ức chế được chia thành 2 loại chính: ức chế catôt và ức chế anôt. Chất ức chế anôt kìm hãm tốc độ hòa tan kim loại do hình thành các màng bảo vệ trên các vùng anôt của bề mặt bị ăn mòn do chuyển kim loại vào vùng thụ động bền. Các màng thụ động hình thành từ các phốt phát, silicat, benzoat. Chất ức chế catôt làm giảm tốc độ ăn mòn do làm tăng quá thế của quá trình giải phóng hidro, hình thành các màng hấp phụ, các màng này tách kim loại ra khỏi môi trường ăn mòn. - 18 1.3.1.2 Bảo vệ kim loại bằng thay đổi thế điện cực – phương pháp điện hóa a. Bảo vệ catôt bằng dòng ngoài: Đây là một trong các phương pháp quan trọng để bảo vệ kết cấu thép chống ăn mòn. Nhờ dòng điện 1 chiều của dòng điện ngoài, người ta có thể giảm thế điện cực của kim loại trong vùng không bị ăn mòn. Trong quá trình bảo vệ catôt, cực âm của nguồn điện nối với chi tiết bảo vệ catôt và điện cực sắt. Việc bảo catôt chủ yếu áp dụng cho Fe, Cu, Pb, Al trong trường hợp các kim loại này ngâm trong nước hay trong môi trường ẩm. 4 1 3 Zn → Zn2+ + 2e 2 Hình 1.9 Bảo vệ catôt bằng dòng điện ngoài 1. Thiết bị cần bảo vệ, 2. Chất độn dẫn điện 3. Điện cực phụ Zn (Anôt), 4. Dụng cụ kiểm tra, nguồn 1 chiều b. Bảo vệ catôt bằng anôt hy sinh: Để giảm thế điện cực đến thế bảo vệ (bằng kim loại không bị ăn mòn hay thụ động hoàn toàn) ta có thể cho kết cấu thép cacbon tiếp xúc với kim loại ăn mòn ở thế thấp hơn của kết cấu thép và tác dụng như anôt bị hy sinh. Để bảo vệ anôt bị hy sinh, người ta dùng Zn, Mg, hợp kim Al-Zn. Phương pháp này được gọi là phương pháp bảo vệ bằng protectơ catôt. Bảo vệ bằng anôt hy sinh có giá trị khai thác cao hơn phương pháp dùng dòng điện ngoài. Vật liệu dùng làm anôt hy sinh thường dùng Mg, Al và hợp kim magie. Thông thường hay dùng Zn để làm anôt hy sinh vì giá thành thấp hơn nhiều so với Mg. 2.1.1.3 Bảo vệ Anôt Phương pháp này dùng để bảo vệ các kim loại và hợp kim bị thụ động trong các môi trường xâm thực nhờ phân cực anôt bằng nguồn điện 1 chiều, làm cho kim loại chuyển vào trạng thái thụ động bền. Bảo vệ anôt thường dùng bảo vệ cho các loại thép - 19 không rỉ dùng trong các két chứa, các thùng chứa axit sunfuric và bazơ. Mục đích là chống ăn mòn rỗ và ăn mòn rạn nứt. 1.3.1.4 Bảo vệ bằng cách ngăn ngừa với môi trường xâm thực a. Bảo vệ bằng các lớp che phủ kim loại: Việc bảo vệ bằng các lớp che phủ là một trong những phương pháp phổ biến nhất, nhằm mục đích cô lập kết cấu thép với môi trường xâm thực. Lớp che phủ này phải dày và bám dính với kết cấu thép, không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn ít hơn kim loại của kết cấu thép. Tùy theo các tính chất bảo vệ khác nhau mà lớp phủ bằng kim loại có được bằng cách mạ điện, nhiệt khuếch tán… - Phương pháp mạ điện: bao gồm các loại như mạ: crôm, kẽm, đồng, niken… Các lớp mạ này nhận được bằng kết tủa điện phân kim loại từ dung dịch các muối tương ứng nêu trên. Kim loại mạ là catôt và anôt là bản kim loại kết tủa. Lớp mạ điện được áp dụng chủ yếu để bảo vệ sắt và kết cấu thép cacbon hoạt động trong môi trường khí quyển. Trong môi trường có tính xâm thực cao như nước biển, các lớp mạ kim loại, đặc biệt là mạ kẽm không bền. - Phương pháp nhiệt khuếch tán cũng nhằm mục đích tạo ra các lớp kim loại phủ bề mặt có độ bền nhiệt động cao hơn kim loại của kết cấu thép cacbon. Phương pháp này cần phải có nguồn nhiệt nung nóng chảy các kim loại cần phủ, sau đó nhờ dòng oxy áp suất cao phun phủ lên bề mặt kim loại cần bảo vệ. Dòng kim loại sẽ khuếch tán vào kim loại nền và hình thành lớp kim loại bảo vệ trên bề mặt. Tương tự như phương pháp mạ, lớp phủ trong trường hợp này cũng kém bền khi hoạt động trong môi trường xâm thực (đặc biệt là lớp phủ Zn). Hơn nữa, lớp phủ bằng kim loại chỉ thích hợp bảo vệ ăn mòn cho các chi tiết máy nhỏ, lẻ, cần độ chính xác cao. b. Bảo vệ bằng các lớp phủ phi kim: Các lớp che phủ phi kim loại gồm các lớp che phủ vô cơ và hữu cơ. Các lớp che phủ hữu cơ là các màng polyme. Các lớp phủ vô cơ chính là các màng oxit và màng phốt phát hóa. Người ta cũng có thể kết hợp 2 lớp phủ lại với nhau để tạo thành lớp phủ có tính chất bảo vệ ăn mòn tốt hơn. Lúc đó lớp phủ vô cơ được xem như là lớp phủ lót cho lớp phủ hữu cơ. Ví dụ như người ta có thể cromat hóa hoặc phốt phát hóa bề mặt của thép trước khi sơn phủ.
- Xem thêm -