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

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 - 2 - 3.2 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 - 4 - DANH 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 - 5 - Hình 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 240 0 C [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/dm 2 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 - 7 - thấp 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. [...]... tính năng b o v c a l p b c ph L p b c - 27 ph này có kh năng kháng axit, ki m t t nên phù h p b c các k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n b B c ph k t c u thép làm vi c trong môi trư ng xâm th c: Trong môi trư ng ch t i n phân như nư c bi n, trong lòng t, ngư i ta thư ng dùng l p ph b ng ch t d o ho c các l p ph composite Sau ây là m t s trư ng h p ã s d ng composite các môi trư ng làm vi... l n Các ch t c ch dùng b o v kim lo i ch ng ăn mòn khí quy n, trong môi trư ng axit, trong nư c bi n, trong các môi trưòng oxy hóa, trong d u m So sánh v i các phương pháp b o v khác, vi c áp d ng các ch t c ch có nhi u ưu i m: không xây d ng l i sơ k thu t s n xu t, cho phép s d ng các kim lo i r ti n thay th cho các kim lo i c bi t, hoàn thi n các i u ki n v sinh công nghi p, nâng cao tính năng. .. c s d ng 1.4 Kh năng ng d ng composite c l p b c k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n nghiên c u kh năng ng d ng composite b c ph k t c u thép, i u quan tâm trư c tiên ó là s liên k t gi a v t li u composite v i thép Sau ó m i ti n hành nghiên c u thành ph n c u t o h p lý c a v t li u composte Do v y, chúng ta c n tìm hi u b n ch t k t dính c a các h p ch t cao phân t trong composite mà ch... p nên trong môi trư ng axit Fe b ăn mòn H2 khá nhanh Thép cacbon là h p kim c a s t có t 0,05 b n và c ng c a nó có th thay n 0,1% C Thép cacbon thư ng r , i trong ph m vi r ng tùy theo hàm lư ng cacbon và phương pháp x lý nhi t Cũng gi ng như s t, thép cacbon có b n ăn mòn th p và thư ng ph i có các l p ph b o v 1.2.3.2 Tính xâm th c c a nư c bi n: Các công trình k t c u thép làm vi c trong môi trư... b o v các kim lo i và h p kim b th ng trong các môi trư ng xâm th c nh phân c c anôt b ng ngu n i n 1 chi u, làm cho kim lo i chuy n vào tr ng thái th ng b n B o v anôt thư ng dùng b o v cho các lo i thép - 19 không r dùng trong các két ch a, các thùng ch a axit sunfuric và bazơ M c ích là ch ng ăn mòn r và ăn mòn r n n t 1.3.1.4 B o v b ng cách ngăn ng a v i môi trư ng xâm th c a B o v b ng các l... Tóm l i, hi n có 4 bi n pháp b o v ăn mòn k t c u thép cacbon, c bi t là k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n Các phương pháp ó là: - B o v kim lo i b ng cách bi n - B o v kim lo i b ng thay i th i môi trư ng ăn mòn i n c c – phương pháp i n hóa - B o v an t - B o v b ng cách ngăn ng a v i môi trư ng xâm th c i v i k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n, bi n pháp b o v ăn mòn thư ng ư c... nâng cao tính năng b o v c a l p b c ph composite - 30 - CHƯƠNG 2: CƠ S LÝ THUY T 2.1 Yêu c u k thu t c a l p b c ph Rõ ràng, theo n i dung nghiên c u, c n ph i xác nh ư c r ng composite có kh năng b c ph b o v các k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n hay không, k t c u thép làm vi c trong môi trư ng tĩnh hay dư i tác t i tr ng là bao nhiêu? ng c a t i tr ng, giá tr c a gi i quy t các n i dung... dính ng d ng composite b c các k t thép i cương v composite nh nghĩa v v t li u composite: V t li u composite là v t li u ư c ch t o t ng h p t hai hay nhi u v t li u khác nhau nh m m c ích t o ra m t v t li u m i có tính năng ưu vi t hơn h n v t li u ban u V t li u composite ư c c u t o t các thành ph n c t nh m có ư c các c tính cơ h c c n thi t và v t li u n n m b o cho composite m b o cho các thành... có th cromat hóa ho c ph t phát hóa b m t c a thép trư c khi sơn ph - 20 1.3.2 Các bi n pháp b o v ăn mòn k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n thư ng dùng V n b o v ch ng ăn mòn mà c bi t là ch ng ăn mòn các k t c u thép làm vi c trong môi trư ng bi n ang ư c các nhà khoa h c trong nư c và th gi i h t s c quan tâm Trên th c t ã và ang s d ng m t trong nh ng phương pháp b o v ch ng ăn mòn nêu... cung c p nư c, i u hòa, sư i… Các thi t b , máy móc ho c tàu th y làm vi c trong môi trư ng bi n như phân tích trên u là m t h các k t c u thép ư c ch t o, l p t l i v i nhau nh m ph c v cho m c ích công vi c c th Các ph n t cơ b n c u t o nên h th ng k t c u thép nêu trên là t các ph n t thanh, t m ho c ng và c a chúng u ư c ch t o t thép cacbon ho c h p kim i v i h k t c u thép l n như tàu th y, giàn . 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. 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. 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