ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG DSP DS1104

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG DSP DS1104

Tạp chí Hóa học, T 41, số ĐB, Tr 6 - 12, 2003

Nghiên cứu độ bền ăn mòn của hợp kim bằng ph ơng

pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) Phần 2 - Nghiên cứu phổ tổng trở của hợp kim sắt- silic sử dụng làm anot cho ph ơng pháp bảo vệ bằng dòng điện ngoài

Đến Tòa soạn 6-11-2002

Ngô Quốc Quyền1, Nguyễn Thị Quỳnh Anh1, Trần Thị Hiền2,

Tr ơng Ngọc Liên2, La Văn Bình2, Lê Bá Thắng3

1 Viện Hóa học, Trung tâm KHTN&CNQG

2 Khoa Hóa học, Tr,ờng ĐHBK H Nội

3 Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Trung tâm KHTN&CNQG

Summary

Impressed current cathodic protection systems (ICCP) have been used successfully to stop

or to prevent rebar corrosion of structures contaminated by chloride (marine structures, bridges, buried pipelines, condenser tube systems of power industry ) A major advantage of ICCP method is that it can use anodes, which are virtually non-comsumable, among other high chrome silicon iron alloys

A new approach for studying the relationship between the chemical composition, the microstructures of alloys and the electrochemical behavior as anode materials in Cl - containing media are by EIS-measurements demonstrated

Results of the practical use of anode materials Fe0.5C5Cr14Si0.7Mn, taken from ICCP-service experience at a power station, are shown

I - Mở đầu Trong công nghệ bảo vệ bằng dòng điện

ngo i (Impressed Current Cathodic Protection -

ICCP) cho thép công trình nằm trong môi

tr$ờng xâm thực (n$ớc biển, n$ớc lợ, chôn ở

d$ới đất ) đòi hỏi sử dụng các anot trơ hoặc ít

tiêu hao với những yêu cầu chế tạo đặc biệt

Loại anot n y phải có tốc độ hao mòn nhỏ khi

phân cực (đối với anot trơ 10-6 kg/A.năm, còn

đối với anot ít tiêu hao < 0,1 kg/A.năm); có khả

năng l m việc với mật độ dòng bảo vệ lớn (từ

h ng trăm đến h ng ng n A/m2); có đặc tính cơ

lý tốt, độ dẫn cao Ngo i ra về mặt kinh tế phải

có giá th nh rẻ Hợp kim Fe-Si có các chỉ tiêu

gần đạt so với nhóm vật liệu anot tiêu hao ít

( 0,25 - 1,00 kg/A.năm), chịu đ$ợc dòng l m việc t$ơng đối cao (10 ữ 100 A/m2) Tuy tính năng còn thua kém xa hợp kim anot trơ quí hiếm đ$ợc chế tạo từ Ti, Nb, Ta phủ Pt, song giá th nh chế tạo chỉ xấp xỉ bằng 1% [1, 2] Yếu tố kinh tế đặc biệt quan trọng khi thiết

kế hệ thống bảo vệ cho công trình có kết cấu hình học phức tạp Đôi khi phải lựa chọn ph$ơng án sử dụng một số l$ợng lớn các anot

để cấp dòng bảo vệ trung bình thay vì sử dụng một số ít loại anot trơ quí hiếm để phát đ$ợc dòng lớn (chạy dòng thấp, tuy cần nhiều anot, song có $u điểm l phân bố điện thế trên to n công trình ổn định hơn, các lớp sơn phủ lâu bị phá hủy)

Anot hợp kim Fe-Si tuy đc đ$ợc sử dụng

nhiều [2, 6], song còn ít các công trình nghiên

cứu sâu mối quan hệ giữa th nh phần hóa học

chế tạo, tổ chức pha hợp kim hình th nh v các

định h$ớng tính chất điện hóa sử dụng cho

ph$ơng pháp ICCP

Trong b i báo n y, chúng tôi trình b y kết

quả nghiên cứu sử dụng ph$ơng pháp phổ tổng

trở điện hóa (EIS) kết hợp với những khảo sát tổ

chức tế vi bằng kính hiển vi kim t$ơng để

nghiên cứu ảnh h$ởng của biến tính vật liệu

trên cơ sở hợp kim Fe-Si cho mục tiêu sử dụng

l m anot ít tan l m việc trong các môi tr$ờng

xâm thực Cl-(n$ớc biển v n$ớc lợ)

II - Thực nghiệm

1 Chế tạo vật liệu anot hợp kim Fe-Si (thép

silic cao)

Th nh phần vật liệu nghiên cứu: h m l$ợng

Si đ$ợc thay đổi trong khoảng từ 6% đến 16%;

Mn: 0,3 - 0,7%; Cr: 0,5%; C: 0,5%, còn lại l

%Fe Các nguyên tố hợp kim hóa đ$ợc đ$a v o

ở dạng hợp kim trung gian nh$ ferosilic,

feromangan v thép CT3 Hợp kim đ$ợc nấu

chảy trong lò điện, lò cao tần ở nhiệt độ 1450oC

- 1500oC, rót v o khuôn tạo mẫu v sau đó đ$ợc

l m nguội để nhận đ$ợc mẫu vật liệu nghiên

cứu

Hợp kim sau khi chế tạo tiếp tục đ$ợc ủ

đồng đều hóa ở nhiệt độ 730oC trong 3 giờ, để

nguội tự nhiên Khái quát công nghệ chế tạo vật

liệu anot trơ thép hợp kim Si cao đ$ợc trình b y

trên hình 1

Mẫu chế tạo xong đ$ợc phân tích th nh

phần hóa học Th nh phần pha đ$ợc xác định

bằng phổ nhiễu xạ tia X (D-5000, Siemens) Tổ

chức tế vi của hợp kim đ$ợc xác định bằng kính

hiển vi kim t$ơng (Neophot 1)

2 Điều kiện thực nghiệm

Bề mặt điện cực trong phép đo tổng trở

đ$ợc gia công giống nh$ trong khảo sát kim

t$ơng Môi tr$ờng nghiên cứu l dung dịch

NaCl có nồng độ 3,5% (mô phỏng cho n$ớc

biển) v 1,2% (n$ớc lợ)

Phép đo tổng trở đ$ợc thực hiện trên thiết bị

Autolab&Frequency Response Analysis - FRA

(Viện Kỹ thuật nhiệt đới) Vùng tần số khảo sát

l 60 kHz ữ10 mHz Số liệu đ$ợc xử lý trên cơ

sở lý thuyết [5] v áp dụng phần mềm FRA 4.7 Trong một số thử nghiệm theo ph$ơng pháp ICCP trong phòng thí nghiệm, mẫu anot hợp kim Fe-Si đ$ợc gia công ở dạng hình trụ, bề mặt có độ bóng 3 Thép bảo vệ l CT3, CT45

đ$ợc gia công ở dạng ống bao anot Chế độ thử nghiệm l 0,015 A/cm2 Môi tr$ờng thử nghiệm

tự nhiên l n$ớc biển, n$ớc sông (sông Cầu),

đất ngập mặn (Quảng Ninh)

- Feromangan

- Ferosilic

Nấu chảy, biến tính

Rót v o khuôn

Thép silic cao

ủđồng đều

Phụ gia Thép

Hình 1: Công nghệ chế tạo vật liệu anot trơ thép

hợp kim Fe-Si III - Sơ đồ t ơng đ ơng điện hóa của anot trơ trong ph ơng pháp bảo vệ catot bằng dòng điện

ngo;i Trong ph$ơng pháp bảo vệ catot bằng dòng

điện ngo i [2, 4], ng$ời ta cho một dòng điện c$ỡng b$ớc đi qua mạch bảo vệ gồm anot trơ A

v đối t$ợng đ$ợc bảo vệ đóng vai trò catot C

Lý t$ởng có thể mô phỏng h nh vi điện hóa v sơ đồ t$ơng đ$ơng của anot trơ A nh$ một điện cực không phân cực (R 0), trong khi đối t$ợng đ$ợc bảo vệ l catot C lại có đặc tr$ng

điện hóa của một điện cực phân cực (R ) [3] (hình 2a v b) Nhờ vậy khi dòng điện c$ỡng bức chạy qua (mật độ dòng điện có thể tới h ng trăm A/m2), anot A có khả năng chịu đ$ợc dòng lớn, trong khi đó catot C đáp ứng chủ yếu bởi

R C C

(c)

Hình 2:

Điện cực không phân cực lý t$ởng (a); Điện cực phân cực lý t$ởng (b); Điện cực phân cực mức độ (c)

Trong thực tế, tùy thuộc v o bản chất của

vật liệu v công nghệ biến tính, có thể chế tạo

các điện cực “phân cực mức độ” m ta gọi l

anot ít tan, có R xác định theo yêu cầu (hình

2c) về cơ bản vẫn đảm bảo nguyên lý của

ph$ơng pháp ICCP

Hình 3 trình b y sơ đồ nguyên lý nối mạch

của hệ điện cực bảo vệ theo ph$ơng pháp ICCP

RS

RC

RA

CC

CA

E

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý của hệ bảo vệ ICCP

E l nguồn điện ngo i

R S l điện trở của môi tr$ờng

R A , C A l điện trở v điện dung của anot A

R C , C C l điện trở v điện dung của catot C

Theo nguyên lý n y thì A l điện cực có

tính chất không phân cực, ng$ợc lại catot C lại

phải dễ phân cực Với mật độ dòng c$ỡng b$ớc

i, thì:

Nh$ vậy, khi RA << RC v với môi tr$ờng

C C S A T

R R R R i

Độ chuyển dịch điện thế theo dòng điện xảy ra tại catot chỉ phụ thuộc v o RC (RC l tổng điện trở của công trình kim loại cần bảo vệ)

IV - Kết quả v; thảo luận

1 Phổ tổng trở EIS của hợp kim sắt-silic l,m việc trong các môi tr/ờng xâm thực Cl

-Hình 4 v 5 trình b y ảnh kim t$ơng đại diện của các mẫu hợp kim nghiên cứu v phổ EIS t$ơng ứng đo trong các môi tr$ờng NaCl 3,5% v 1,2%

Bảng 1 trình b y các kết quả xử lý phổ EIS theo phần mềm FRA4.7

Đầu tiên l mẫu thép cacbon Fe0,5C l m vật liệu đối chứng ch$a biến tính đồng thời cũng l điển hình cho thép công trình sẽ l đối t$ợng cần bảo vệ Nhìn chung, thép cacbon

183 k cm-2), có độ xốp cao ( 46,8)

Khi biến tính bằng Si với h m l$ợng tăng

cực thay đổi về h$ớng không phân cực, RPgiảm

150K 125K 100K 75K 50K 25K 0

(a)

Fe0,5C

3,5% NaCl

1,2 % NaCl

1K

1K

1K

0K

0

1,2% NaCl

3,5% NaCl

(b)

Fe0,5C5Cr6Si

(c)

4K 4K 3K 3K 2K 2K 1K 1K 0

0 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K

3,5% NaCl

1,2% NaCl

Fe0,5C5Cr16Si

3,5% NaCl

mạnh H m l$ợng Si tối $u 14%, giá trị RP

dao động xung quanh v i k cm-2 hoặc thấp

hơn Nhờ vậy, nếu sử dụng vật liệu Fe-Si l m

anot cho ph$ơng pháp ICCP thì có khả năng chịu đ$ợc dòng lớn, độ bền cơ lý đảm bảo (độ cứng HRC tăng 40 ữ65)

Z’/

Hình 4: ảnh kim t$ơng v phổ tổng trở của các mẫu hợp kim

0 0K 1K 1K 1K 1K 2K 2K 2K

(a)

Fe0,5C5Cr14Si0,3Mn

900

650

400

150

-100

3,5%NaCl

1,2%NaCl

0 0K 1K 1K 1K 1K 2K 2K 2K

(b)

600 500 400 300 200 100 0

Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn

1,2%NaCl 3,5%NaCl

1,2%NaCl

Fe0,5C5Cr10Si0,7Mn

5K 5K 4K 3K 2K 1K 0

0 3K 5K 8K 10K 13K 15K

3,5%NaCl

1,2%NaCl

(c)

Z’/

Hình 5: ảnh kim t$ơng v phổ tổng trở của các mẫu hợp kim

Phân tích kỹ số liệu phổ tổng trở cho thấy, vai trò biến tính một l$ợng nhỏ Mn (0,3% ữ 0,7%) cùng với Si có ảnh h$ởng nhạy cảm với đại l$ợng CPE v góc nén , một đại l$ợng bề mặt

có mối quan hệ với hình thái kim t$ơng của hợp kim

Bảng 1: Dữ liệu phổ EIS của các hợp kim Fe-Si khác nhau trong môi tr$ờng Cl 1,2% v 3,5%

STT Hợp kim NaCl, % Điện thế

E0, mV

R,

k cm2

CPE,

àFcm-2 n

Góc nén ,

độ

3,5 450 183,5 0,27.10-5 0,48 46,8 1,2 288 3,60 0,02.10-5 0,50 45,0

2 Fe0,5C5Cr6Si

3 Fe0,5C5Cr16Si

4 Fe0,5C5Cr14Si0,3Mn

5 Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn

6 Fe0,5C5Cr10Si0,7Mn

Thật vậy, khi biến tính vật liệu Fe-Si với

một h m l$ợng nhỏ Mn, giá trị CPE tăng đáng

kể ( 105 lần) so với hợp kim Fe-Si thấp v

không chứa Mn Giá trị CPE c ng lớn thì góc

nén c ng nhỏ CPE lớn (ở điều kiện hệ số n

0,5 ữ0,7) có nghĩa l điện dung lớn mắc song

song với Rpnhỏ, có tác dụng góp phần tăng tính

không phân cực v không gây hiệu ứng quá thế

nh$ đồ thị hình 2a Mặt khác, với giá trị góc

nén nhỏ sẽ đặc tr$ng cho một trạng thái bề

mặt thuần pha hơn Khi quan sát hình ảnh vi

cấu trúc của hợp kim Fe-Si không chứa Mn

(hình 4) cho thấy, chủ yếu dạng phân bố hạt

nhỏ hay còn gọi l tổ chức cùng tích của pha 1

v 2 nằm xen kẽ Với bề mặt nhiều pha nh$

vậy vật liệu sẽ kém bền ăn mòn ở loại hợp kim

n y, có giá trị CPE khá nhỏ (dao động xung

quanh giá trị điện dung lớp kép 10-5àFcm2) v

góc lớn (> 46) Ng$ợc lại, ở hợp kim Fe-Si có

biến tính Mn v ở th nh phần tối $u

Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn, nhận đ$ợc một vi cấu

trúc (hình 5b) gồm các hạt to ferit với bề mặt

tinh thể lớn (m u sáng) l m th nh pha nền

chiếm $u thế, còn các pha thứ hai (nh$ Fe2Si,

Fe5Si3, ) ở dạng hạt nhỏ phân tán ở biên hạt

Dữ kiện phổ tổng trở của loại hợp kim n y có

giá trị Rpkhá nhỏ (0,4 ữ2,9 k cm2) nh$ng giá trị CPE rất lớn ( 7ữ20,5 àFcm-2) v giá trị l nhỏ nhất ( 19 ữ 26) Vì vậy hợp kim Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn l vật liệu anot thích hợp nhất trong số các mẫu hợp kim Fe-Si đc nghiên cứu

Điều khá lý thú l từ phép đo phổ tổng trở cho thấy, có thể dự đoán đ$ợc độ hoạt động

điện hóa trong h nh vi thụ động/hoạt động t$ơng đối của hợp kim biến tính l m việc trong môi tr$ờng Cl-1,2% v 3,5% đôi khi đảo nhau (hình 4 v 5)

2 Một v,i kết quả thử nghiệm thực tế [6, 7]

Hợp kim Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn đ$ợc chế tạo th nh các anot để lắp cho các trạm bảo vệ catot chạy bằng dòng điện ngo i, áp dụng cho các hệ thống l m mát tuốc bin của Nh máy Nhiệt điện thuộc Công ty Phân đạm hóa chất

H Bắc hoặc bảo vệ cho hệ thống đ$ờng ống dẫn dầu của Petrolimex Môi tr$ờng xâm thực

l n$ớc sông l m mát ( = 6 m) hoặc đất biển

có đ$ờng ống đi qua ( = 25 m)

Khi phân cực bằng dòng điện ngo i với i =

20 Acm-2, thì điện thế ăn mòn ban đầu l -0,5

V (SCE) chuyển dịch về phía âm v ổn định ở -0,8 V (SCE) Hệ thống đc l m việc liên tục

trong thời gian từ năm 1993 đến năm 1995, đạt

hiệu quả bảo vệ cao 85%ữ90% (tr$ớc kia khi

ch$a có trạm bảo vệ catot thì hệ thống ống l m

mát phải thay thế trung bình 1000 ống/năm Khi đc lắp đặt hệ thống bảo vệ ăn mòn, thì việc thay thế chỉ còn 100 đến 150 ống/năm

Bảng 2: Độ hòa tan của hợp kim anot

Độ hòa tan, kg/A.năm Hợp kim anot

Đất biển ( = 25 m) N$ớc sông ( = 6 m)

Theo dõi độ hòa tan của hợp kim anot

(bảng 2) so với đối chứng (Fe0,5C v

Fe0,5-C5Cr6Si) cho thấy độ tiêu hao của vật liệu nằm

trong giới hạn cho phép 0,35 ữ 0,42

kg/A.năm

V - Kết luận

1 Trên cơ sở công nghệ chế tạo hợp kim

Fe-Si cao, đc áp dụng kỹ thuật phổ tổng trở để

khảo sát mối quan hệ giữa th nh phần nguyên

tố hợp kim đến tổ chức pha v bản chất phân

cực khi sử dụng l m anot cấp dòng cho ph$ơng

pháp bảo vệ catot bằng dòng điện ngo i

Theo dữ liệu phổ EIS thì h nh vi không

phân cực của vật liệu anot phụ thuộc v o giá trị

Rpnhỏ (để tải dòng cực đại), CPE lớn (không

gây hiệu ứng quá thế) v góc nén nhỏ (tổ

chức thuần pha cao) Trong số các hợp kim

Fe-Si thì th nh phần Fe0,5C5Cr14Fe-Si0,7Mn l tối

$u

2 Đc sử dụng anot hợp kim

Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn trong công nghệ bảo vệ

bằng dòng điện ngo i tại Nh máy Nhiệt điện

v bảo vệ đ$ờng ống dẫn dầu, chứng tỏ vật liệu

anot đáp ứng đ$ợc các yêu cầu thực tế, đạt hiệu

quả chống ăn mòn cao v có ý nghĩa kinh tế

Trong các nghiên cứu sử dụng kỹ thuật phổ

EIS, các tác giả của Viện Hóa học tham gia

công trình chân th.nh cảm ơn sự hỗ trợ kinh

phí của Ch,ơng trình nghiên cứu cơ bản, m[ số NCCB 5.31.301) v kinh phí nghiên cứu chọn lọc năm 2002 của Viện Hóa học

T;i liệu tham khảo

1 Ngô Quốc Quyền Vấn đề ăn mòn của kết cấu công trình ven biển v công nghệ chống ăn mòn Trung tâm KHTN&CNQG, Trung tâm Thông tin t$ liệu xuất bản, H Nội (1994)

2 K R Trethewey, J Chamberlain Corrosion of Sci and Engin Longman Publ., Singapore (1995)

3 E Gileadi Interfacial Electrochemistry Addison-Wesley, Publising House Inc (1975)

4 R L Benedic Anode Resitance Funda-mentals and Application Classic papers and reviews, NACE Intern Houston TX

5 Ngô Quốc Quyền Phổ tổng trở v ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu B i giảng SĐH do Viện Hóa học xuất bản, H Nội (1994)

6 Trần Thị Hiền, La Văn Bình, Lê Đức Tri Tạp chí Công nghiệp nặng, số 1, Tr 11 -12 (1994)

7 Trần Thị Hiền, Tr$ơng Ngọc Liên, La Văn Bình Tạp chí Hóa học v ứng dụng, số 8,

Tr 9 - 23 (2002)