NGHIÊN CỨU, HOÀN THIỆN CƠNG NGHỆ VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO ANODE HY SINH HỢP KIM KẼM ĐẠT TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG QUỐC TẾ

CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2019, trang 58 - 65 ISSN-0866-854X NGHIÊN CỨU, HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO ANODE HY SINH HỢP KIM KẼM ĐẠT TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG QUỐC TẾ Nguyễn Thị Lê Hiền, Phan Trọng Hiếu, Phạm Vũ Dũng, Ngô Ngọc Thương, Phạm Thị Hường Viện Dầu khí Việt Nam Email: hienntl@vpi.pvn.vn Tóm tắt Với nhiệt độ đúc 450oC, sử dụng lò cảm ứng trung tần làm nguội tự nhiên, anode hy sinh sở hợp kim kẽm tạo phương pháp đúc có chất lượng tốt, độ đồng cao chất lượng ổn định Dung lượng điện hóa anode 780Ah/kg điện âm -1,0V so với điện cực Ag/AgCl Các đặc tính điện hóa (điện thế, dung lượng), thành phần hợp kim, thỏa mãn yêu cầu khắt khe sản phẩm anode hy sinh hợp kim kẽm nhận chứng nhận quan kiểm định quốc tế DNV-GL cho dung lượng điện hóa sản phẩm chứng nhận đạt tiêu chuẩn ISO 9001-2015 Trung tâm Chứng nhận phù hợp Quacert cấp cho quy trình sản xuất sản phẩm anode hy sinh Viện Dầu khí Việt Nam Từ khóa: Anode hy sinh hợp kim kẽm, dung lượng điện hóa, chống ăn mịn, VPI Mở đầu Anode hy sinh sử dụng rộng rãi hiệu nhằm bảo vệ chống ăn mòn cho cơng trình biển, chân đế giàn khoan, tàu thuyền, đường ống thu gom, vận chuyển dầu khí biển Do chế tự hòa tan để bảo vệ cho cơng trình biển nên khối lượng anode hy sinh sử dụng thường lớn Ngoài lượng anode lắp đặt cho cơng trình mới, cịn lượng anode khơng nhỏ dùng để bổ sung thay cho anode hy sinh bị hòa tan mát trình sử dụng Anode hy sinh thường chế tạo từ hợp kim nhôm, kẽm magie Trong đó, anode hy sinh hợp kim nhơm có dung lượng lớn có giá thành thấp (quy đổi đơn vị Ah) nên thường sử dụng để bảo vệ cho kết cấu cơng trình kim loại có quy mơ lớn, đặc biệt cơng trình ngầm biển u cầu tuổi thọ dài như: giàn khoan, đường ống dẫn… Anode hy sinh hợp kim magie có dung lượng thấp, giá thành cao lại có điện âm nên thường dùng để bảo vệ cơng trình mơi trường có điện trở cao nước ngọt, đất đồi núi Anode hy sinh hợp kim kẽm dùng mơi trường điện ly mạnh trung bình hoạt động tốt nước đất Ngày nhận bài: 25/9/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 2/10 - 6/11/2018 Ngày báo duyệt đăng: 24/12/2018 58 DẦU KHÍ - SỐ 1/2019 [1] Anode hy sinh hợp kim kẽm ứng dụng bảo vệ công trình bê tơng cốt thép tiếp xúc với nước như: cầu cảng, cơng trình qn dân biển đảo, bảo vệ vỏ tàu thủy, xà lan, bồn chứa thép đường ống dẫn dầu, khí nước vùng bùn lầy Đặc biệt có anode hy sinh hợp kim kẽm sử dụng để bảo vệ cho khoang chứa dầu tàu biển khơng gây tia lửa điện Xác định nhu cầu sản phẩm anode hy sinh hợp kim kẽm lớn, bên cạnh sản phẩm anode hy sinh hợp kim nhôm đạt tiêu chuẩn chất lượng quốc tế thương mại hóa, Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) tập trung nghiên cứu chế tạo, hồn thiện cơng nghệ quy trình chế tạo anode hy sinh hợp kim kẽm với quy mô công nghiệp đáp ứng quy trình kiểm sốt chất lượng theo ISO 9001 [2] Sản phẩm anode hy sinh hợp kim kẽm sản xuất có khả bảo vệ chống ăn mịn hiệu quả, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế chất lượng yêu cầu khắt khe cơng trình dầu khí, sản phẩm thị trường chấp nhận nhằm thay sản phẩm nhập ngoại Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu, khảo sát nhằm hồn thiện quy trình chế tạo anode hy sinh hợp kim kẽm để đáp ứng tiêu chuẩn ISO 9001, đảm bảo đặc tính điện hóa độ đồng anode hy sinh kết kiểm định chất lượng quốc tế theo tiêu chuẩn DNVRP-B401 [3] DNV-GL Singapore thử nghiệm PETROVIETNAM Điều kiện chế tạo anode hy sinh hợp kim kẽm khuôn đúc anode dạng rùa dạng thẳng với khối lượng tương ứng 12kg, 25kg 50kg 2.1 Chuẩn bị đúc Khuôn anode chế tạo thép carbon gang đúc (Hình 2), làm nóng trước đúc 2.1.1 Nguyên vật liệu Anode kẽm tập trung nghiên cứu sở kim loại kẽm bổ sung thêm lượng nhỏ nhơm cadmium (Cd) nhằm nâng cao đặc tính điện hóa kẽm nguyên chất Các nguyên liệu sử dụng chính: 2.1.3 Lõi anode Anode hy sinh bắt vít hàn trực tiếp vào cơng trình thơng qua lõi thép anode (steel insert) Vật liệu sử dụng chế tạo lõi anode hy sinh thép hàn được, yêu cầu có giá trị carbon tương đương CE ≤ 0,45 - Kẽm công nghiệp 99,9%, xuất xứ Hàn Quốc, dạng thỏi 20kg Giá trị carbon tương đương thép xác định theo cơng thức sau: - Nhôm công nghiệp 99,84%, xuất xứ Australia, dạng thỏi 27kg CE = C + - Cadmium 99,99%, xuất xứ Trung Quốc, dạng bột mịn + + + + + 15 (1) Tùy thuộc thiết kế anode mà lõi thép có hình dáng kích thước khác Để tăng độ bám dính giảm điện trở tiếp xúc lõi vật liệu anode hợp kim kẽm, lõi thép cần xử lý làm bề mặt đến độ nhám SA 2,5 theo tiêu chuẩn ISO 8501 [4] nhúng kẽm nóng theo tiêu chuẩn ISO 1461 [5] trước đúc Đối với lõi có kích thước khơng q lớn, phương pháp nhúng kẽm nóng ưu tiên sử dụng 2.1.2 Khn đúc Tùy thuộc vào hình dạng tuổi thọ cơng trình cần bảo vệ, anode hy sinh thiết kế với hình dạng kích thước khác Trên sở u cầu hình dạng kích thước anode, khuôn đúc thiết kế chế tạo Hình minh họa thiết kế hình dạng loại Khuôn đúc (a) Khuôn đúc (b) Khuôn đúc (c) Hình Bản vẽ minh họa thiết kế khn đúc anode kẽm; a Anode rùa loại khối lượng 12kg; b Anode rùa loại khối lượng 25kg; c Anode thẳng loại khối lượng 50kg DẦU KHÍ - SỐ 1/2019 59 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ Lõi thép cần làm nóng, cố định xác chắn vào khn trước đúc 2.2 Q trình đúc sản phẩm anode hy sinh hợp kim kẽm Các nguyên liệu sử dụng Zn, Al, Cd phụ gia với tỷ lệ thích hợp [6], đun nóng chảy hồn tồn lị nung trung tần nhiệt độ 450oC Tùy thuộc vào hình dáng kích thước anode lựa chọn chế độ đúc hở đúc kín - Đúc hở: Thường lựa chọn anode có kích thước lớn có độ co ngót lớn, đúc hở cho phép dễ dàng bù ngót đảm bảo chất lượng bề mặt anode; - Đúc kín: Phương pháp lựa chọn anode có kích thước nhỏ, cho phép tạo bề mặt phẳng đồng Trong khuôn khổ báo, anode hy sinh hợp kim kẽm đúc kín anode dạng rùa có kích thước 12kg 25kg; đúc hở anode thẳng có khối lượng 50kg Sau nóng chảy hồn tồn, hợp kim rót vào khn làm nguội tự nhiên khơng khí nhằm đảm bảo hình dáng ổn định cấu trúc tinh thể vật liệu anode Đối với anode kích thước lớn (>100kg), làm mát nước tuần hồn sử dụng cho phép tăng tốc độ làm nguội anode kéo dài tuổi thọ cho khuôn Với mẻ đúc, mẫu vật liệu anode hy sinh rót vào khn nhỏ, cho phép lấy mẫu hình trụ với đường kính 2cm, chiều dài 20cm Hình Các mẫu đánh số lưu giữ để sử dụng cho nghiên cứu đánh giá chất lượng anode 2.3 Phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng anode hy sinh 2.3.1 Chuẩn bị mẫu thử nghiệm Hình Khn đúc anode Các mẫu thử nghiệm điện hóa đánh giá thành phần gia cơng từ mẫu nhỏ hình trụ đảm bảo kích thước theo u cầu tiêu chuẩn DNV-RP-401 [4] thiết bị Hình 2.3.2 Phương pháp điện hóa Hình Bộ khuôn đúc mẫu thử nghiệm Điện dung lượng điện hóa vật liệu anode kẽm tiến hành đánh giá Phịng thí nghiệm Trung tâm Ứng dụng Chuyển giao Công nghệ (CTAT) thuộc Viện Dầu khí Việt Nam (VPI), theo tiêu chuẩn DNV-RP-B401 [3] Hình Mơ tả q trình gia cơng mẫu thử nghiệm 60 DẦU KHÍ - SỐ 1/2019 PETROVIETNAM Điện đóng mạch anode hy sinh hợp kim kẽm xác định cách đo hiệu điện mẫu anode hy sinh điện cực so sánh clorua bạc (Ag/AgCl) dung dịch nước biển nhân tạo sử dụng vơn kế có độ xác cao trường hợp anode nối tiếp xúc với kim loại cần bảo vệ (trực tiếp hay gián tiếp) Tương quan khối lượng vật liệu anode hòa tan lượng điện sản (Ah) đo culong kế, tính dung lượng với đơn vị Ah/kg theo công thức (2) Q = 26,8 × 1000 × (∆M/a) × (V/∆m) (2) Trong đó: Q: Dung lượng thực tế mẫu (Ah/kg); ∆M: Sự tăng khối lượng điện cực đồng culong kế; a: Nguyên tử lượng đồng; V: Đương lượng hóa học đồng; ∆m: Tổn hao khối lượng toàn anode kẽm Để đảm bảo độ tin cậy phép đánh giá chất lượng điện hóa anode hy sinh hợp kim kẽm theo tiêu chuẩn DNV-RP-B401, mẫu anode lấy ngẫu nhiên gửi yêu cầu kiểm chứng DNV-GL Singapore 2.3.3 Phân tích thành phần Thành phần vật liệu anode hy sinh hợp kim kẽm kiểm tra phương pháp phổ phát xạ theo tiêu chuẩn ASTM E1277 [6] trước rót vật liệu vào khn đầu cuối mẻ đúc Các kết thu được kiểm chứng Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (Quatest 1) 2.3.4 Các phương pháp khác kiểm tra chất lượng anode hy sinh hợp kim kẽm Chất lượng bề mặt anode hy sinh hợp kim kẽm kiểm tra phương pháp trực quan; kích thước anode xác định thước dây; khối lượng anode kiểm tra cân có độ xác cao; tiếp xúc điện lõi vật liệu anode xác định cách đo điện trở tiếp xúc kiểm tra chất lượng bên anode phương pháp phá hủy (cắt mẫu) Các phương pháp kiểm tra yêu cầu chất lượng anode phải đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế [3] Kết thảo luận 3.1 Chế tạo anode hy sinh hợp kim kẽm Anode hy sinh hợp kim kẽm chế tạo Hình Anode hy sinh hợp kim kẽm sau đúc Bảng Thành phần mẫu vật liệu anode hy sinh hợp kim kẽm trước rót vào khn TT Tên tiêu Nhôm (Al) Cadmium (Cd) Sắt (Fe) Đồng (Cu) Chì (Pb) Tổng kim loại khác Kẽm (Zn) Thành phần hóa học mẫu vật liệu anode hy sinh hợp kim kẽm (%) Theo MIL-A-18001K [7] VPI - Zn 01 VPI - Zn 02 VPI - Zn 03 0,3575 0,3073 0,3250 0,10 - 0,5 0,0636 0,0371 0,0521 0,025 - 0,07 0,0008 0,0018 0,0011 0,005 max 0,0048 0,0034 0,0029 0,005 max 0,0004 0,0006 0,0003 0,006 max 0,0302 0,0915 0,0643 0,10 max 99,5427 99,5583 99,5543 Còn lại > 99,414 DẦU KHÍ - SỐ 1/2019 61 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ phương pháp đúc nhiệt độ 450oC sau đúc có dạng Hình 3.2 Kiểm tra, đánh giá chất lượng anode hy sinh hợp kim kẽm sau đúc 3.2.1 Phân tích thành phần Kết phân tích thành phần mẫu anode hy sinh hợp kim kẽm mẻ chế tạo thể Bảng Các kết phân tích thành phần anode hy sinh hợp kim kẽm cho thấy nhìn chung thành phần vật liệu anode tương đối đồng nhất, hàm lượng Al dao động khoảng 0,1 - 0,5%, Cd dao động khoảng 0,025 - 0,07% hàm lượng tạp chất không mong muốn Fe, Cu