học phần CH5307 ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN

3/25/2020 HỌC PHẦN CH5307 PGS TS Hồng Thị Bích Thủy Bộ mơn CN Điện hóa BVKL, Viện Kỹ thuật Hóa học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ĐT: 024-38680122, 0912573910 Email: thuy.hoangthibich1@hust.edu.vn DECP-HUST 1 ĂN MÒN ĐIỆN HĨA Khái niệm AMĐH q trình tự phá hủy kim loại (hợp kim) có kèm theo thay đổi tính chất hóa lý kim loại (hợp kim) kim loại (hợp kim) tác dụng với môi trường điện ly xung quanh • Ví dụ: gỉ vỏ tàu thủy, gỉ kim loại khí quyển,… • Ăn mịn điện hóa ln kèm theo xuất dịng điện không đồng điện phần bề mặt kim loại • Tốc độ ăn mịn điện hóa phụ thuộc điện điện cực DECP-HUST 2 3/25/2020 * Điện điện cực: • Nhúng kim loại vào dung dịch điện ly → Hình thành lớp điện tích kép, xuất bước nhảy điện bề mặt kim loại dung dịch • Nguyên nhân xuất bước nhảy điện thế: - Sự chuyển cấu tử tích điện từ kim loại vào dung dịch ngược lại - Sự hấp phụ có lựa chọn bề mặt kim loại (hấp phụ Cl-, H2O,…) • Giá trị điện điện cực tính so với điện cực so sánh chuẩn (NHE, SCE,…) DECP-HUST 3 Mơ hình lớp kép khơng có hấp phụ đặc biệt DECP-HUST 4 3/25/2020 Điện điện cực tiêu chuẩn DECP-HUST 5 Điều kiện nhiệt động để xảy ăn mịn điện hóa GT < Đối với phản ứng điện hóa: GT = -nFE = -nF(Ekcb – Eacb) Ekcb > Eacb Ăn mịn điện hóa xảy có chênh lệch điện vị trí bề mặt kim loại: - Anốt (-) - Catốt (+)  Pin Ăn mòn DECP-HUST 6 3/25/2020 Pin ăn mòn điện hóa: thành phần - Anốt - Catốt - Dung dịch điện ly - Nối điện anốt – catốt Phải có đủ thành phần để tạo thành pin ăn mịn Pin ăn mịn điện hóa DECP-HUST DECP-HUST 8 3/25/2020 - Phản ứng anốt: Fe  Fe2+ + 2eAl  Al3+ + 3eCu  Cu2+ + 2e- - Phản ứng catốt: Môi trường axit: 2H+ + 2e-  H2 Mơi trường trung tính, kiềm: O2 + 4e- + H2O  4OH- DECP-HUST 9 Các nguyên nhân tạo pin ăn mòn: - Chất điện ly có độ dẫn thấp Có tiếp xúc kim loại Có chênh lệch nồng độ xy Ảnh hưởng vi sinh vật Có chênh lệch nhiệt độ Có dịng điện rị Tác động dịng chảy Thành phần hợp kim bề mặt không đồng DECP-HUST 10 10 3/25/2020 Các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi AMĐH • Lựa chọn vật liệu bền ăn mịn • Thiết kế hợp lý • Thay đổi mơi trường • Sơn phủ • Bảo vệ điện hóa DECP-HUST 11 11 3.1 Lựa chọn vật liệu bền ăn mịn • u cầu vật liệu: • Tính chất (ăn mịn, học, vật lý, bề mặt) • Tính dễ chế tạo (tính dẻo, tính hàn…) • Tương thích với thiết bị (lỏng) có • Khả trì • Độ che phủ cần thiết • Độ sẵn có liệu cho thiết kế • Kinh nghiệm có với vật liệu tương tự DECP-HUST 12 12 3/25/2020 • Xem xét lựa chọn vật liệu: • Tuổi thọ thiết bị, kết cấu • Đánh giá tuổi thọ vật liệu • Độ tin cậy (tính an tồn, thiệt hại kinh tế xảy hư hỏng) • Tính sẵn có thời gian giao hàng • Các phép thử vật liệu cần thêm • Chi phí vật liệu • Chi phí sản xuất • Chi phí bảo trì, kiểm tra • Phân tích đầu tư, thời gian hoàn vốn DECP-HUST 13 13 Cơ chế ăn mịn Tính chất ăn mịn mơi trường vật liệu Kinh nghiệm thực tiễn DECP-HUST Loại tải trọng Thông tin cần thiết để đánh giá khả ăn mòn vật liệu Chức vật liệu 14 14 3/25/2020 3.2 Thiết kế hợp lý Tránh đọng ẩm Dễ thay phận có tốc độ ăn mòn cao DECP-HUST 15 15 Kết cấu sơn Phải xử lý bề mặt góc cạnh trước phủ Kết cấu mạ DECP-HUST 16 16 3/25/2020 3.3 Phương pháp thay đổi mơi trường • Ngun tắc: làm giảm hoạt tính ăn mịn mơi trường cách làm giảm tác nhân gây ăn mòn cho thêm chất ức chế vào mơi trường • Phạm vi ứng dụng: dùng môi trường hữu hạn * Đối với mơi trường khí • Giảm độ ẩm • Dùng ức chế pha (Dicyclohexylamin nitrit, cyclohexylamin cacbonat) * Đối với mơi trường nước • Giảm độ dẫn • Loại bỏ cấu tử gây ăn mịn: Đuổi ơxy (gia nhiệt, hút chân khơng, sục khí trơ, dùng hóa chất); Giảm H+ (trung hòa CaO, NaOH) DECP-HUST 17 17 • Thêm chất ức chế: Ức chế catốt; Ức chế anốt; Kết hợp ức chế catốt ức chế anốt (ức chế catốt an toàn ức chế anốt) Chất hoạt động bề mặt Chất ức chế anốt (O2, NO2-, CrO42-,…) DECP-HUST Chất bảo vệ k/loại (chất ức chế) Chất kích thích ăn mịn Chất ức chế catốt (Na2SO3, Ca(HCO3)2, As3+,…) Chất bảo vệ hỗn hợp (R-X) 18 18 3/25/2020 3.4 Phương pháp sơn phủ • Nguyên tắc: ngăn cách kim loại với mơi trường ăn mịn cách phủ lên bề mặt kim loại • Chất lượng lớp phủ hiệu bảo vệ phụ thuộc nhiều vào trình xử lý bề mặt kim loại trước phủ DECP-HUST 19 19 * Lớp phủ kim loại • Lớp phủ catốt Cu, Ni, Cr, Pb, Sn, Ag Lớp phủ phải kín, khơng có khuyết tật • Lớp phủ anốt Zn, Al, Cd Tuổi thọ bảo vệ phụ thuộc vào chiều dày lớp phủ DECP-HUST 20 20 10 3/25/2020 * Lớp phủ phi kim loại vơ cơ: • Tráng men • Conversion coating: • Lớp phủ ơxyt • Lớp phủ phốt phát • Lớp phủ crơmat DECP-HUST 21 21 Tạo lớp ôxyt nhôm DECP-HUST 22 22 11 3/25/2020 DECP-HUST 23 DECP-HUST 24 23 24 12 3/25/2020 Hình ảnh cơng đoạn anốt hóa nhơm DECP-HUST 25 DECP-HUST 26 25 26 13 3/25/2020 Lớp phủ ôxyt (titan, nhôm) Lớp phủ phốt phát DECP-HUST 27 27 Lớp phủ cromát DECP-HUST 28 28 14 3/25/2020 * Lớp phủ hữu • Sơn Sơn (chống gỉ) – Sơn lót – Sơn phủ ngồi (chống vi sinh) • Bọc chất dẻo, nhựa đường DECP-HUST 29 29 Hệ lớp sơn chống ăn mòn Top Coat: Trang trí, chịu tia UV, chống bám bẩn VSV Mid Coat: Tăng chiều dày sơn, bám dính Primer: Chống ăn mịn, bám dính tốt ~ 400 µm Epoxy, PU, Alkyd, Acrylate Topcoat: 150 µm Epoxy Mid coat: 150 µm Epoxy Primer: 70 µm Metal Substrate DECP-HUST 30 30 15 3/25/2020 Ví dụ hệ lớp sơn thương mại Epoxy zinc primer Epoxy primer Epoxy tie coat Epoxy top coat or weatherable PUR 30 µ 50 µ 100 µ 50 µ } Epoxy zinc primer 30 µ Epoxy aluminium primer 300µ Epoxy top coat 300 µ } Bảo vệ thép Siêu bảo vệ thép, ví dụ để bảo vệ cơng trình ngồi khơi DECP-HUST 31 31 Tuổi thọ số loại lớp phủ bền ăn mòn (năm) Coating System Water-Based Acrylic Primer/Topcoat Epoxy Primer/High-Build Epoxy Topcoat High-Build Epoxy Primer/High-Build Epoxy Topcoat Epoxy Waterborne High-Build Epoxy Primer/Acrylic Urethane Topcoat Inorganic Zinc/Epoxy Mastic/Polyester Urethane Topcoat Inorganic Zinc/Epoxy Mastic/Acrylic Urethane Topcoat Inorganic Zinc Primer/Waterborne Acrylic Topcoat DECP-HUST Salt Water Immersion Mildly Corrosive Environment 16.5 18 Moderately Corrosive Environment 12 12 Severely Corrosive Environment 9 na 7.5 19.5 13.5 10.5 na 18 12 na 16.5 10.5 7.5 na 31.5 22.5 16.5 na 30 21 15 na 24 16.5 12 32 32 16 3/25/2020 3.5 Phương pháp bảo vệ điện hóa • Cơ sở lý thuyết: giản đồ E-pH • Phạm vi ứng dụng: dùng môi trường điện ly liên tục môi trường nước, môi trường đất,… 33 DECP-HUST 33 Cơ sở lý thuyết bảo vệ điện hóa DECP-HUST 34 34 17 3/25/2020 * Phương pháp bảo vệ catốt • Nguyên tắc: dịch chuyển điện kim loại phía âm (tăng phân cực catốt cho kim loại) phản ứng anốt hòa tan kim loại trở nên khơng đáng kể • Phạm vi ứng dụng: bảo vệ kết cấu môi trường trung tính, mơi trường kiềm – q trình ăn mịn xảy với khử phân cực ơxy • Thường dùng để bảo vệ kết cấu thép nước biển, nước sông, đất, cốt thép bê tông DECP-HUST 35 35 Sơ đồ bảo vệ catốt anốt hy sinh (SACP) DECP-HUST 36 36 18 3/25/2020 Vật liệu anốt hy sinh: - Hợp kim nhôm - Hợp kim kẽm - Hợp kim magiê DECP-HUST 37 37 Anốt hy sinh kẽm bảo vệ cho tàu thủy, cửa đập thủy lợi, phao đèn biển … DECP-HUST 38 38 19 3/25/2020 Anốt hy sinh nhơm bảo vệ cho cơng trình ngồi khơi DECP-HUST 39 39 Hệ bảo vệ catốt anốt hy sinh cho chân đế giàn khoan (535m) Viosca Knoll (southeast of New Orleans) DECP-HUST 40 40 20 3/25/2020 Anốt hy sinh bảo vệ cho máy đun nước nóng DECP-HUST Anốt hy sinh bảo vệ cho cơng trình ngầm đất 41 41 Anốt hy sinh bảo vệ cho cốt thép bê tông DECP-HUST 42 42 21 3/25/2020 Sơ đồ bảo vệ catốt dịng điện ngồi (ICCP) DECP-HUST 43 43 Vật liệu anốt phụ: - Thép phế liệu - Gang silic - Graphit - Titan phủ hỗn hợp ôxit DECP-HUST 44 44 22 3/25/2020 Anốt graphit Anốt gang silic DECP-HUST 45 45 Anốt titan phủ hỗn hợp ôxit kim loại (MMO) MMO Coating DECP-HUST 46 46 23 3/25/2020 Anốt ICCP bảo vệ cho cơng trình ngầm đất DECP-HUST 47 47 * Phương pháp bảo vệ anốt • Nguyên tắc: dịch chuyển điện kim loại phía dương (tăng phân cực anốt cho kim loại) điện kim loại rơi vào vùng thụ động • Phạm vi ứng dụng: dùng để bảo vệ kim loại thụ động mơi trường ơxy hóa • Thường dùng mơi trường ăn mịn mạnh tank chứa, đường ống dẫn axit mạnh (axit sunphuric, photphoric, nitric) DECP-HUST 48 48 24 ... liệu: • Tuổi th? ?? thiết b? ??, kết cấu • Đánh giá tuổi th? ?? vật liệu • Độ tin cậy (tính an tồn, thiệt hại kinh tế xảy hư hỏng) • Tính sẵn có th? ??i gian giao hàng • Các phép th? ?? vật liệu cần th? ?m • Chi... Epoxy top coat 300 µ } B? ??o vệ th? ?p Siêu b? ??o vệ th? ?p, ví dụ để b? ??o vệ cơng trình ngồi khơi DECP-HUST 31 31 Tuổi th? ?? số loại lớp phủ b? ??n ăn mòn (năm) Coating System Water-Based Acrylic Primer/Topcoat... Primer/High-Build Epoxy Topcoat High-Build Epoxy Primer/High-Build Epoxy Topcoat Epoxy Waterborne High-Build Epoxy Primer/Acrylic Urethane Topcoat Inorganic Zinc/Epoxy Mastic/Polyester Urethane Topcoat