BÀI TIỂU LUẬN giới thiệu một số phương pháp bảo vệ kim loại trong hẹ thống dẫn dầu và khí, lấy ví dụ cụ thể ở dung quất. và đưa ra các phương pháp bảo về hiệu quả, đề xuất thêm các phương pháp của nhóm.
Trang 1Mở đầu
Trong thời kỳ 1990-2006, Viện Dầu khí còn tiếp nhận được từ nguồn tài trợ của Cục Địa chất Đan Mạch (GEUS) 284.000 USD từ nguồn vốn của cơ quan hỗ trợ phát triển quốc tế Đan Mạch (DANIDA) Số tiền này được dùng mua thiết bị, phần mềm của Landmark và một
số trạm máy tính chuyên dụng (Workstation) trang bị cho Phòng Địa vật lý để phân tích tổng hợp các dữ liệu địa chất - địa vật lý dầu khí Việt Nam Đây là lần đầu tiên Viện Dầu khí có những thiết bị chuyên dụng ngang tầm thế giới để phục vụ cho các nghiên cứu thuộc lĩnh vực dầu khí thượng nguồn mà trongđó các trang thiết bị chủ yếu là kim loại vì vậy cần phải
có giải pháp chống ăn mòn để các trang thiết bị được sữ dụng lâu dài
Trang 2Chương I Ăn mòn trong công nghiệp dầu khí
1.1 Khái niệm ăn mòn
Định nghĩa:Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại do tương tác hoá học và điện hoá của chúng với môi trường xung quanh
- Ăn mòn hóa học: Ăn mòn kim loại xảy ra trong môi trường không có chất điện ly gọi là ăn mòn hoá học
- Ăn mòn điện hóa: Ăn mòn kim loại loại xảy ra trong môi trường chất điện ly,
trong đó kim loại bị ion hoá thành Men+gọi là ăn mòn điện hoá Quá trình ăn mòn điện hoá xẩy ra là Oxy hoá- Khử, để chuyển kim loại thành dạng ion hoặc muối khác trong môi
trường
1.2 Nguyên nhân ăn mòn kim loại.
- Do bản chất kim loại
- Do môi trường xung quanh thiết bị kim loại
- Do thiết kế công nghệ thiết bị máy móc
- Do chế độ công nghệ và các yếu tố khác…
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại.
- Ảnh hưởng của bản chất vật liệu chế tạo thiết bị công trình
- Ảnh hưởng của thiết kế công trình
- Ảnh hưởng của môi trường hoá chất đến sự phá huỷ vật liệu công trình kim loại
- Các yếu tố ảnh hưởng khác
1.4 Ăn mòn kim loại trong công nghiệp dầu khí
Những nơi thường bị ăn mòn nhiều nhất
- Các công trình cầu cảng, dàn khoan, thiết bị khoan, kho nổi, đường ống công nghệ, các thiết bị công nghệ khác bị ăn mòn rất mạnh do tiếp xúc với môi trường ăn mòn
- Nhà máy chế biến sản phẩm dầu, khí, lọc hóa dầu Đạm, điện
- Ăn mòn thiết bị công nghệ ở nhiệt độ cao
- các phương tiện vận chuyển, lưu trữ xăng dầu, bồn chứa xăng dầu và các thiết bị phụ trợ
- Ăn mòn công trình bê tông cốt thép
Trang 3Chương II Cơ chế ăn mòn 2.1 Ăn mòn hóa học
- Ăn mòn hoá học: ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn chỉ xảy ra trong môi trường không có chất điện ly (môi trường khí khô, xăng dầu, mỡ, không có chất điện ly)
- Xảy ra do tác dụng trực tiếp của các chất có trong môi trường với kim loại
Ví dụ: hầu hết các kim loại đều tác dụng với ôxy trong không khí để tạo oxit, các kim loại hoạt động có thể tác dụng với nước Đặc biệt là ngày nay, không khí bị ô nhiễm ở nhiều vùng chứa nhiều chất khác nhau như clo, huydrosunfua, lưu huỳnh ddiooxit, hydroclorua, axit nitric, là những tác nhân gây ăn mòn mạnh, ăn mòn hóa học xảy ra ở quy mô lớn, nghiêm trọng hơn
- Một đặc điểm của ăn mòn hóa học là các chất được hình thành trong phản ứng giữa kim
loại với các chất trong môi trường và bảo vệ cho kim loại khỏi bị ăn mòn tiếp
Ví dụ điển hình là nhôm, nhôm là kim loại rất hoạt động, dễ dàng tác dụng với oxi trong không khí tạo thành nhôm oxit Lớp nhôm oxit này rất mỏng nhưng vô cùng bền vững bao phủ khắp bề mặt nhôm, bảo vệ nó bởi tác nhân hóa học khác
- Để bảo vệ ăn mòn chống sự ăn mòn hóa học chỉ cần cách ly kim loại với môi trường Việc này có thể thực hiện bằng cách bôi trơn mỡ, sơn, tráng men, mạ bằng kim loại kém hoạt động vv
2.2 Ăn mòn điện hóa
- Ăn mòn điện hoá: ăn mòn điện hóa xảy ra trong môi trường có chứa chất điện ly, khi các kim loại trong cùng môi trường có điện thế khác nhau Dạng ăn mòn này gặp nhiều trong hầu hết các công trình thiết bị kim loại ở khai thác, vận chuyển và lưu trữ sản phẩm dầu khí
- Việc bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn khó khăn hơn vì sự ăn mòn có bản chất điện hóa
Đế thấy rõ bản chất của sự ăn mòn điện hóa chúng ta xét sắt và các hợp chất của sắt ăn mòn phổ biến và quan trọng nhất
- Trong một lớp không khí ẩm, trên bề mặt của các vật thể kim loại có một lớp nước mỏng, rất mỏng Lớp chất này hòa tan các chất có trong không khí như CO2 , SO2, HCl,v.v và trở thành dung dịch chất điện ly Mặt khác nếu bề mặt sắt không đồng nhất, chẳng hạn như chứa tinh thể các tạp chất là nguyên tố ít hoạt động hóa học như Cu, Sn, Graphit, thì giữa tinh thể tạp chất, khối sắt và dung dịch chất điện ly sẽ tạo thành các pin gavani mà hoạt động của chúng sẽ dẫn đến sự oxi hóa dần khối sắt Mỗi tinh thể hay tạp chất tạo thành vi pin ở những chỗ nối giữa kim loại, ở những chỗ nối giữa kim loại với kim loại với vật chất khác, nguy cơ giữa các vùng có cấu trúc khác nhau của một kim loại có thể hình thành những pin với cơ chế hoạt động tương tự
Trang 4- Để chống lại sự ăn mòn điện hóa người ta có thể sử dụng phương pháp cách ly, nhưng hiệu quả hơn cả là bảo vệ bằng điện hóa Phương pháp này gọi là bảo vệ bằng catot Nội dung của
nó là nối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn
- Điện hay kim loại hoạt động hơn Chẳng hạn để bảo vệ các tháp cầu, bồn chứa, ống dẫn dầu, ống dẫn khí, bằng thép, người ta nối chúng với các khối Zn, Mg, khi đó sẽ tạo ra pin gavani khổng lồ, trong đó kim loại được bảo vệ đóng vai trò catot còn các khối kim loại Zn, Mg, kia đóng vai trò anôt, chúng sẽ bị oxi hóa thay cho kim loại cần bảo vệ
Trang 5Chương III : Tìm Hiểu Về Thiết Bị Protector 3.1 Vật liệu nghiên cứu
Vật liệu protector: là hợp kim của Zn với Al và Sb
Nguyên liệu chế tạo protector: Zn tinh khiết (99,99 %) xuất xứ Hàn Quốc Al, Sb tinh khiết (99,99 %) xuất xứ Đài Loan
Mẫu thép nghiên cứu: Thép CT51 là thép dùng chế tạo vỏ tàu thông dụng (TCVN 1651-85) Thành phần: C:0,28-0,37; Mn: 0,50-0,80%; Si: 0,15-0,35%; P< 0,04%; S<0,05% (TCVN 1811:2009)
3.2 PHƯƠNG PHÁP NẤU LUYỆN VÀ ĐÚC PROTECTOR
- Lò nấu: Loại lò điện, công suất 12KW Có thiết bị kiểm soát nhiệt độ, đồng hồ hiển thị
- Khuấy cơ bằng thiết bị khuấy gắn moter giảm tốc, cánh khuấy dạng chân vịt trên 2 trục quay ngược chiều nhau
- Phương pháp đo nhiệt độ: dùng cảm biến nhiệt (can nhiệt) đo trực tiếp trong nồi nấu Điều chỉnh nhiệt độ bằng phương pháp đóng ngắt điện trở theo cảm biến nhiệt
- Nồi nấu: nồi graphit, thể tích mẻ nấu 7 dm3
- Nạp liệu: cân nguyên liệu bằng cân điện tử có độ chính xác 10-3g thứ tự nạp liệu: Zn, Al
và Sb
3.3 Thiết kế protector nền Zn bán lỏng
Căn cứ vào phạm vi ứng dụng của protector Zn và dạng tạo hình phổ biến của protector ứng dụng bảo vệ tàu biển, luận án xác định chế tạo protector nền Zn loại có cốt thép dạng lá với các lỗ lắp ráp ở 2 đầu thanh thép Protector có dạng hình thanh, thang trụ cân Hình dạng này thuận lợi cho việc tạo hình đúc bán lỏng, dễ điền đầy khuôn và lấy mẫu đúc ra khỏi khuôn dễ dàng Đồng thời việc lắp ráp trên thiết bị cần bảo vệ như thân tàu thủy, đường ống xăng dầu
Trang 6thuận lợi, dễ dàng bằng cả phương pháp gắn bằng bulong hoặc hàn và giảm lực cản của tàu thủy khi di chuyển trong nước Kích thước chính của protector như sau:
Chiều dài tổng thể cả cốt thép L= 510mm
Chiều dài phần protector mặt đáy l1 = 310 mm
Chiều dài phần protector mặt trên l2 = 290 mm
Chiều rộng protector mặt đáy d1 = 70 mm
Chiều rộng protector mặt trên d2 = 50 mm
Chiều cao H= 50 mm
Khối lượng của protector Zn chế tạo: m = 6,3 - 6,5kg
Trang 73.4 Kết quả phân tích thành phần hóa học Protector
Tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp EDX và quang phổ đã xác định được thành phần của protector nền Zn kết tinh có điều khiển
Thành phần của protector nền Zn kết tinh có điều khiển chế tạo nằm trong khoảng hợp lý về thành phần, tương tự các protector nền Zn chế tạo bằng phương pháp đúc nóng chảy hoàn toàn đã được sử dụng
3.5
Một số hình ảnh vi cấu trúc của Protector nền Zn
Trang 8a Mẫu protector nền Zn đúc thông thường từ trạng thái lỏng hoàn toàn;
b Mẫu protector nền Zn đúc kết tinh có điều khiển
3.6 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn
Trang 10Chương IV: Bảo vệ điện hóa công trình kim loại trong công nghiệp dầu khí
Trong môi trường nước biển và trong đất ngập mặn ven biển quá trình ăn mòn kim loại diễn
ra rất mãnh liệt Bản chất của quá trình này là ăn mòn điện hóa trong môi trường điện ly là dung dịch muối Biện pháp chống ăn mòn cho kim loại trong môi trường nước biển và đất ven biển hiệu quả nhất là bảo vệ catot bằng protector
Phương pháp bảo vệ, chống ăn mòn bằng phương pháp phân cực chỉ dùng để bảo vệ những phần kim loại tiếp xúc với môi trường dẫn điện ion như trong đất Điện thế điện cực kim loại
có thể thay đổi được nếu kim loại cần bảo vệ đó là một phần của hệ điện hóa Nếu điện thế điện cực được chuyển về phía dương hơn so với điện thế ăn mòn cho đến khi kim loại rơi vào vùng thụ động gọi là kim loại được bảo vệ anot Nếu điện thế điện cực được dịch chuyển về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn thì phản ứng anot hòa tan kim loại giảm đi hoặc hoàn toàn ngừng hẳn gọi là kim loại được bảo vệ catot Bảo vệ catot là phương pháp phân cực catot công trình cần bảo vệ để dịch chuyển điện thế tự nhiên của công trình về phía âm hơn dẫn đến làm giảm hoặc ngừng hẳn quá trình ăn mòn kim loại nhờ phân cực catot kim loại bằng dòng điện ngoài hoặc nối chúng với một anot hy sinh (thường là Zn, Mg hoặc Al)
4 1 bảo vệ anot
Phương pháp bảo vệ anốt được dùng để bảo vệ cho các thiết bị trong sản xuất hoá chất, phân
bón có diện tích không lớn.Chỉ dùng để bảo vệ vật liệu kim loại có khả năng thụ động trong môi trường chất điện ly.Nguồn cung cấp phân cực anốt phải ổn định liên tục, phải có hệ thống điều khiển tự động để kiểm soát quá trình bảo vệ
Nguyên lý bảo vệ anốt: Phân cực công trình kim loại về điện thế dương ở vào vùng thụ động,
khi đó tốc độ ăn mòn nhỏ nhất Bảo vệ anốt có thể thực hiện bằng 2 cách: Nối thiết bị với vật liệu kim loại có điện thế dương hơn điện thế của thiết bị; hoặc là nối thiết bị cần bảo vệ với cực dương của nguồn điện một chiều bên ngoài
Ứng dụng bảo vệ anốt trong các trường hợp: Bảo vệ anốt được đưa ra để bảo vệ cho gang,
thép, thép không rỉ trong một số môi trường sau: Thiết bị truyền nhiệt thép không rỉ xử lý cô đặc axit H2SO4 Bảo vệ thiết bị bằng gang, thép hợp kim gia nhiệt axit H2SO4 Thép không gỉ
độ bền cao trong môi trường axit acetic Thép các bon cho các thiết bị sản xuất phân bón có chứa phôtphát Thép bền cao, thép không gỉ các thiết bị xưởng sản xuất H3PO4 và các bể chứa Hệ thống bảo vệ anốt gồm: Điện cực catốt: Thép không rỉ , thép Ferosilic, Pb, molipden 99%… Điện cực so sánh: để xác định điện thế bảo vệ của hệ thống Nguồn điện một chiều: là thiết bị chuyên dụng có yêu cầu kỹ thuật riêng cho bảo vệ catốt,thiết bị đo lường, điều khiển thông số bảo vệ hệ thống dây dẫn tiếp điện Bộ phận phụ kiện khác: Bích cách điện, vòng đệm…
4.2 Bảo vệ catốt công trình ngầm
Nguyên tắc bảo vệ catốt là phân cực công trình kim loại cần bảo vệ đến một giá trị điện thế âm- tại đó công trình kim loại không bị ăn mòn Nó có thể thực hiện bằng cách nối công trình
Trang 11kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn điện một chiều ( trạm ca tốt-dòng điện cưỡng bức) hoặc là nối công trình kim loại cần bảo vệ với một kim loại có điện thế âm hơn điện thế của công trình (protector).
Gồm 2 phương pháp:
a Phương pháp bảo vệ catốt bằng thiết bị protectơ (Sacrificial anode)
Phương pháp bảo vệ bằng Protectơ là nối công trình cần bảo vệ với một kim loại có điện thế
âm hơn điện thế công trình, kim loại đó gọi là Protectơ- anôt hy sinh.Trong qúa trình làm việc thì protectơ bị ăn mòn và công trình kim loại được bảo vệ, phương pháp bảo vệ catốt bằng thiết bị protectơ (Sacrificial anode).Trong qúa trình làm việc thì protectơ bị ăn mòn và công trình kim loại được bảo vệ
Cơ chế : Protectơ bị ăn mòn hoà tan thành dạng ion theo phản ứng tổng quát
ăn mòn thép
b Phương pháp bảo vệ bằng trạm catốt (Impressed Current Systems)
Phương pháp bảo vệ bằng trạm catôt là nối công trình cần bảo vệ với cực âm (-) của máy catốt Điện cực anốt nối với cực dương (+) của máy catốt.Khi máy catốt phân cực công trình đến một giá trị điện thế nhất định thì công trình kim loại được bảo vệ.Điện thế bảo vệ công trình thép trong đất, nước biển là âm 0,85 V ( Cu/ CuSO4) Điện thế bảo vệ công trình phụ thuôc vào vật liệu, môi trường bảo vệ Bảo vệ ca tốt bằng dòng điện ngoài: Khi bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài thì trên bề mặt công trình thép ( cực âm -) xảy ra phản ứng: 2H+ + 2e > H2 (1) hoặc là Men+ + ne > Me kết tủa sản phẩm catốt (2) Trên điện cực anốt ( cực dương +) xẩy ra phản ứng : Me – ne -> Men+ -> Tạo thành sản phẩm anôt (3) hoặc là : 4OH- 4e -> O2 + 2H2O (4) Phản ứng trên các điện cực chỉ xẩy ra ở một điện thế thích hợp: Nếu điện cực anốt trơ thì phản ứng (3) không xẩy ra mà chỉ có phản ứng trao đổi điện tử (phản ứng 4) trên điện cực Hệ thống trạm catốt bao gồm: - Trạm catôt - Hệ thống cáp dẫn -
Hệ thống điện cực anôt - Chất bọc điện cực anôt - Điện cực so sánh - Các phụ kiện cho điện cực anôt - Hộp kiểm tra, hộp nối - Tiếp địa, bích cách điện, các phụ kiện khác … - Trạm catôt ( Rectifier)
Trang 124.3 sữ dụng công nghệ mạ nhúng nóng bảo vệ bề mặt kim loại:
4.3.1 khái niệm mạ nhúng nóng:
• Mạ nhúng nóng là một trong những công nghệ bề mặt bằng phương pháp phủ lên bề mặt kim loại một lớp kẽm mỏng bằng cách nhúng kim loại bảo vệ đã qua xử lý bề mặt vào một bể chứa kẽm nóng chảy Mạ nhúng nóng còn được gọi là mạ kẽm
• Trong tất cả các kỹ thuật tạo bề mặt phổ biến cho thép thì mạ kẽm là phương pháp tạo bề mặt chống gỉ tốt nhất Trong quá trình mạ kẽm kim loại được nấu thành hợp kim với chất nền Vì thế lớp kẽm mạ sẽ không bị tróc ra như khi dùng sơn tạo ra lớp bảo vệ vĩnh cửu cho chất nền
3.3.2 Giá trị của Mạ nhóng núng:
Dùng lớp phủ bảo vệ (hay gọi là bảo vệ rào chắn) để cách ly bề mặt kim loại tiếp xúc với chất điện dung trong môi trường ngoài là phương pháp cổ xưa nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc bảo vệ chống ăn mòn Hai thuộc tích quan trọng nhất của lớp bảo vệ rào chắn
là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp phủ Sơn là một ví dụ điển hình về lớp bảo vệ rào chắn Bảo vệ cathode là một phương pháp quan trọng để tránh ăn mòn, bản chất của bảo vệ cathode là làm thay đổi phần tử của mạch ăn mòn, tạo nền một phần tử của mạch ăn mòn mới và đảm bảo rằng kim
loại nền trở thành phần tử cathode của mạch này Mạ nhúng kẽm nóng là phương pháp đồng thời cung cấp được hai phương pháp bảo vệ chống ăn mòn đó là bảo vệ rào chắn và bảo vệ cathode
Từ lâu, Kẽm đã được sử dụng để tạo lớp bảo vệ do tính chất của kim loại này (tốc độ ăn mòn của Zn từ 40-50g/m2/năm so với 400-500g/m2/năm của thép, với lại Zn mang địên thế + sovới Fe trong quá trình ăn mòn điện hoá…), về nguyên tắc dù được tạo bằng phương pháp nào: Mạ điện phân, mạ nhúng nóng, mạ phun thì yếu tố quyết định đến tuổi thọ lớp Zn bảo vệ
Trang 13là độ dày lớp Zn được phủ.
Với những đặc tính ưu việt về lớp phủ bề mặt bảo vệ, Mạ nhúng nóng đang cho thấy những giá trị hữu dụng Công nghệ nhúng kẽm nóng chảy đảm chất lượng kết cấu các công trình thép xây dựng trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước
Tạo lớp bảo vệ các kết cấu kim loại trong các môi trường không khí, biển, khí công nghiệp…Lớp phủ kẽm sau khi khô có hai chức năng bảo vệ:
Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) với lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại sơn truyền thống;
Chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động (active protection) tức chức năng chống ăn mòn catốt (Cathodic protection), chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng (hot-dip galvanizing)
Phục hồi các chi tiết bị mài mòn: làm mới bề mặt sản phẩm khi bị tác động của các yếu tố môi trường
Tạo lớp bền chống mài mòn trên các chi tiết mới
Tạo lớp trang trí trên lớp nhựa, gỗ…
Phổ biến nhất vẫn là tạo lớp kẽm, nhôm chống ăn mòn trong các điều kiện khác nhau
4.4 Một số loại vật liệu, thiết bị dùng trong kỹ thuật bảo vệ điện hoá công trình dầu khí
Vật liệu chế tạo Protectơ :
Thành phần: các yêu cầu kĩ thuật:
Nền Mg, các nguyên tố hợp kim hoá: Al,
- Có điện thế đủ âm và ổn định trong suốt quá trình làm việc
- Có khả năng sinh ra dòng điện đủ lớn và ổn định
- Ít bị phân cực và không thụ động, hòa tan đều sau thời gian làm việc
- Dung lượng và hiệu suất sản dòng lớn
- Không gây phản ứng phụ độc hại, nguy hiểm cho môi sinh
- Giá thành rẻ và sử dụng đơn giản
- Các kim loại và hợp kim có điện thế âm hơn kim loại cần bảo vệ trong cùng môi trường đều có khả năng làm vật liệu protectơ Tùy theo vật liệu công trình cần bảo vệ mà có thể lựa chọn được các loại protectơ thích hợp
4.4.1 Protectơ Mg:
Thành phần: Nền Mg, các nguyên tố hợp kim hoá: Al, Zn, Mn, …Điện thế khoảng âm 1450 đến âm 1600mV,dung lượng khoảng 1350 – 1400 ah/kg, hiệu suất dòng khoảng 45-50%; vật liệu này được nghiên cứu sử dụng làm protectơ từ rất lâu Tỷ trọng khoảng 2,1g/cm3, Nó có một số tính chất đặc biệt tốt mà ở các vật liệu khác không có được: Dòng điện lớn, không thụ