công nghệ hóa học ăn mòm điện hóa

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN II ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ CÔNG TRÌNH KIM LOẠI PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYÊT ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI CHƯƠNG KHÁI NIỆM ĂN MÒN KIM LOẠI * Khái niệm kim loại - Kim loại loại vật liệu có tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo độ chống mỏi cao Nhờ mà kim loại sử dụng rộng rãi xây dựng ngành kĩ thuật khác Ở dạng nguyên chất, cường độ độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng hạn chế Chúng sử dụng chủ yếu dạng hợp kim với kim loại kim khác, thí dụ cacbon Sắt hợp kim (thép gang) gọi kim loại đen; kim loại lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v ) hợp kim chúng gọi kim loại màu - Kim loại đen sử dụng xây dựng nhiều cả, giá kim loại đen thấp kim loại màu Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả chống ăn mòn, tính trang trí cao Do mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu xây dựng, phổ biến chi tiết kiến trúc kết cấu nhôm - Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen quặng sắt, mangan, crôm, mà khoáng đại diện cho chúng nhóm oxit: macnetit (Fe3O4 ), quặng sắt đỏ (Fe2O3), piroluzit (MnO2 ), crômit (FeCr2O4 ) - Để sản xuất kim loại màu người ta sử dụng boxit chứa hidroxit: (Al(OH) 3, (HalO2 ); loại quặng sunfua cacbonat đồng, niken, chì v.v với khoáng đại diện (CuFeS2 ), (ZnS), (PbCO3 ), ( MgCO3 ) - Vật liệu kim loại hình thái cấu trúc tinh thể qui luật xếp có trật tự tạo kiểu cấu trúc phổ biến lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt sáu phương xếp khít ô sở tổ chức cấu trúc mạng tinh thể * Tổ chức cấu trúc tinh thể vật liệu Các khái niệm cấu trúc tinh thể, Khái niệm mạng tinh thể Để xem xét qui luật xếp nguyên tử phân tử ion vật liệu hình thái cấu trúc tinh thể phải dùng khái niệm mạng cấu trúc tinh thể, đặc trưng cho xếp nguyên tử tinh thể có hình dạng kích thước xác định Vì mạng tinh thể xếp nguyên tử theo ba chiều không gian Mạng hình thành nhiều tế bào mạng ghép nối lại theo qui luật định, tế bào mạng ô sở mạng Các góc hợp vectơ theo đôi α, β, γ đặc trưng cho hình dạng tinh thể Cấu trúc dạng vật liệu kim loại Trong vật liệu kim loại thường có dạng cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt kiểu A1, lập phương tâm khối kiểu A2 phương xếp khít kiểu A3 Ngoài có vật liệu kim loại có cấu trúc vô định hình Cấu trúc kim loại có liên quan đến tính chất lý, hóa ảnh hưởng nhiều đến độ bền ăn mòn kim loại Các điện tử tự kim loại làm cho có nhiều tính chất tốt tính dẫn, bền học… làm cho kim loại dễ bị ăn mòn phá hủy cấu trúc môi trường xâm thực - Ăn mòn kim loại ? - Ăn mòn kim loại phá huỷ kim loại tương tác hoá học điện hoá chúng với môi trường xung quanh - Ăn mòn kim loại gây tổn thất lớn công nghiệp đời sống hàng ngày Chi phí cho mát khối lượng kim loại hàng năm lớn Ăn mòn công trình kim loại gây nhiều cố, tổn thất nặng nề có số ăn mòn sản xuất đình trệ, ô nhiễm môi trường Tổn thất người môi trường sinh thái ăn mòn - Ăn mòn kim loại xẩy ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa Tốc độ ăn mòn kim loại phụ thuộc vào cấu trúc, chất kim loại môi trường xung quanh Ví dụ: - Thép hợp kim thấp:Thép hợp kim thấp gồm sắt lượng nhỏ khoảng 2% nguyên tố hợp kim Cu, Ni, Cr, P tổ hợp chúng lại tạo vật liệu có độ bền chống ăn mòn cao môi trường ăn mòn khí Trên bề mặt thép hợp kim thấp tạo lớp oxit Fe3O4 có cấu trúc chặt sít ngăn cản tác động môi trường làm giảm trình gỉ hoá Lớp bảo vệ bền môi trường khí nông thôn khu công nghiệp thay đổi thời tiết nắng mưa Thép gọi “thép thời tiết” dùng rộng rãi công nghiệp xây dựng Khi có mặt ion Cl– vùng khí hậu biển ven biển nhúng vào nước, lớp oxit không bền vững Trong điều kiện khí hậu biển thường sử dụng thép hợp kim hoá có chứa nguyên tố Al, Cr Mo Thép hợp kim thấp nhạy cảm với tượng ăn mòn nứt tiếp xúc với môi trường chứa ion NO , OH− NH3 lỏng - Gang Hàm lượng cacbon gang lớn 2% Gang xám chứa ÷ 4% C ÷ 3% Si Độ bền chống ăn mòn nước cao thép mềm, thêm 3% Ni độ bền học tăng lên, độ bền chống ăn mòn cải thiện Trong gang trắng lượng cacbon tồn dạng Fe3C, cứng giòn, bị ăn mòn Fe3Crơi vào dung dịch để lại lỗ chứa graphit thường gọi ăn mòn graphit hóa Nếu hàm lượng Si gang lớn 14% loại có tên thương mại “Duriron” vật liệu có độ chống ăn mòn cao, thường dùng chế tạo thân bơm Gang Niben có thành phần Ni (14 ÷ 32%), Cr (1,75 ÷ 5,5%), Cu ( 12% dễ dàng bị thụ động dung dịch nước khử oxi Thép không gỉ thông dụng kí hiệu theo quy định kỹ thuật vật liệu - Thép không gỉ ferit Loại thép hàm lượng cacbon thấp, có 16 ÷ 30% Cr, có Mo nguyên tố khác Crom nguyên tố ổn định trạng thái ferit giữ cấu trúc mạng lập phương tâm Thép không gỉ ferit loại sắt từ Sự kết tủa cacbua crom làm giảm độ bền chống ăn mòn nhiệt độ cao, có khuynh hướng phát triển hạt gây khó khăn cho việc hàn Thép dùng công nghiệp hoá chất, thực phẩm công nghiệp ô tô Có nhiều loại thép có thành phần khác nhau, dùng theo yêu cầu kỹ thuật khác nhau; thép C thấp, thép hợp kim thấp có độ bền cao, thép hợp kim cao…… Theo nhiều nghiên cứu người ta phân chia dạng ăn mòn khác nhau, kim loại bị ăn mòn ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa Cả hai dạng phá hủy kim loại nhanh gây tổn thất lớn ngành công nghiệp Sau khảo sát hai dạng ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa Chương ĂN MÒN HÓA HỌC - Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hóa học gọi ăn mòn khô, phản ứng hóa học kim loại với môi trường xung quanh chứa chất xâm thực O2, S2, Cl2 Ví dụ kim loại nung nhiệt độ cao không khí bị oxy hóa: Me + 1/2O2  MO; Me kim loại Ăn mòn đường ống dẫn khí khô- sản phẩm ăn mòn tạo bề mặt kim loại - Ăn mòn hóa học phản ứng kim loại khí bao quanh chúng- Phản ứng oxy hóa xảy bề mặt kim loại hình thành nên hợp chất bề mặt kim loại - Ăn mòn hóa học chủ yếu xảy nhiệt độ cao Loại ăn mòn nguy hiểm, phương pháp bảo vệ gặp khó khăn - Đa số trường hợp oxy khí tác dụng với kim loại tạo thành oxyt Vì phần ta xét oxy hóa kim loại; chế ăn mòn kim loại 9.1 Cơ chế ăn mòn khô Giống ăn mòn dung dịch, tạo thành oxyt xảy theo chế điện hóa Quá trình oxy hóa khí gồm hai giai đoạn sau: - bề mặt kim loại/oxyt có phản ứng: Me Men+ + ne - Ở bề mặt phân chia oxyt/O2 có phản ứng: 1/2O2  Ohp + 2e  O2- Phản ứng tổng thể là: Men+ + m.n/2 O2-  MemOm.n/2 Trong m, n số hóa trị kim loại O hp oxy bị hấp phụ bề mặt kim loại Trong trình ăn mòn khô, màng ( lớp) rắn sản phẩm tạo thành bề mặt kim loại Nghiên cứu thấy có ưu tiên khuyếch tán ion kim loại qua lớp oxyt so với khuyếch tán O2- ( S2-, Cl-) vào lớp oxyt Màng sản phẩm xốp không xốp tùy theo môi trường kim loại 9.2 Màng bảo vệ màng không bảo vệ Điều kiện để kim loại bị oxy hóa áp suất riêng phần oxy môi trường phải lớn áp suất phân hủy oxyt Ví dụ: Phản ứng 2Ag2O , Ag + O2 có áp suất phân hủy oxyt Ag2O 4000K 0,69 atmotphe, tức lớn áp suất riêng phần của oxy môi trường 0,21atmotphe, nên nhiệt độ bạc không bị oxy hóa, không ăn mòn Màng bảo vệ phải có tính chất sau: - Màng phải sít chặt phải bao phủ toàn bề mặt kim loại; - Bền với tác động môi trường; - Màng phải có bám dính tốt với bề mặt kim loại - Hệ số giãn nở dài màng oxýt phải gần với kim loại Khả bảo vệ màng oxyt phụ thuộc vảo tỷ số ε thể tích riêng oxyt kim loại ( tỷ số filling- Bedworth): ε= Voxyt VMe = Moxyt.JMe Moxyt A : = n.Joxyt A n.Joxit JMe Trong đó: Moxyt - phân tử lượng oxyt kim loại Joxyt, JMe - khối lượng riêng oxyt kim loại A- Nguyên tử lượng kim loại n – Chỉ số kim loại oxyt Khi ε >1 màng có tính bảo vệ Đó oxyt Cd, Al, Ti, Ni, Cu, Cr Si; Khi ε < 1, màng tính bảo vệ Đó màng kim loại kiềm kiềm thổ Tuy nhiên màng có ε >> bảo vệ ứng suất dư lớn, bị nứt vỡ Một vài ví dụ ứng dụng màng oxyt bảo vệ: - Dùng công nghệ anốt hóa để tạo màng Al2O3 sít chặt sản phẩm Al hợp kim Al - Thấm mạ Crôm hợp kim hóa thép lượng Crôm đủ lớn, màng Cr2O3 tự hình thành bề mặt, màng có khả bảo vệ cao - Sử dụng gang Silic cao Ferosilic, tạo màng oxyt SiO trơ nhiều môi trường, H2SO4 9.3 Động học tạo màng Oxyt - Khi lớp oxyt sit chặt bám tốt bề mặt kim loại tốc độ phát triển màng bị khống chế khuyếch tán ion Giữa tăng trọng lượng đơn vị diện tích W thời gian có quan hệ hàm Farabôn W2 = k1.t + k2 Trong k1, k2 số không phụ thuộc vào thời gian Các kim loại Cu, Fe, Co bị oxy hóa theo quy luật - Khi lớp oxyt xốp ε (lớn bé ) tăng trọng lượng màng đơn vị diện tích thời gian có quan hệ hàm tuyến tính: W = k 3.t; với k3 số Trong điều kiện , oxy liên tục thâm nhập vào để oxy hóa bề mặt kim loại, màng oxyt xốp, ngăn cản Các kim loại Na K Ta tuân theo quy luật - Với lớp oxyt mỏng ( khoảng 1.000A 0) tạo thành nhiệt độ tương đối thấp W thời gian có quan hệ logarit: W= k log(k5.t + k6) , k4, k5, k6 số Các kim loại Al, Fe, Cu nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường tuân theo quy luật Tùy theo chất kim loại môi trường xung quanh mà màng sản phẩm có tính chất bảo vệ hay không bảo vệ Chương 10 ĂN MÒN ĐIỆN HÓA 10.1 Cơ chế ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa kim loại xảy môi trường có chất điện ly - kim loại bị ion hoá chuyển sang dạng sản phẩm khác bề mặt kim loại dung dịch Quá trình ăn mòn điện hoá xẩy trình Oxy hoá- Khử để chuyển kim loại thành dạng Men+ môi trường chất điện ly Sự ion hóa kim loại không xẩy phản ứng trực tiếp Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào điện điện cực, môi trường chất điện ly Ăn mòn kim loại gồm trình bản: trình anôt, trình catốt, trình dẫn điện Quá trình anôt: trình oxy hóa điện hóa, kim loại chuyển vào dung dịch dạng ion giải phóng điện tử kim loại bị ăn mòn theo phản ứng: Me  Men+ + ne Quá trình catốt trình khử điện hóa, chất oxy hóa (Ox) nhận điện tử kim loại bị ăn mòn giải phóng ra: Ox + ne  Red; Red dạng chất khử (Ox, ne) Ox chất oxy hóa , thường H+ O2 Nếu Ox H+ trình catốt là: H+ + e  Hhp Hhp + Hhp H2 ; Hhp Hydro hấp phụ - Gọi ăn mòn với khử phân cực Hydro Nếu Ox O2 Với môi trường axit, trình catốt là: O2 + 4H+ + 4e  2H2O Với môi trường trung tính bazơ trình catốt là: O + 2H2O + 4e  4OH- Khi dung dịch có ion kim loại có điện dương kim loại bị ăn mòn trình catốt là: Men+ + ne  Me ; với n hóa trị nhiều bậc Hình Cơ chế ăn mòn thép Ví dụ nhúng Fe vào dung dich axit dung dịch muối xẩy tương: Fe - ne  Fen+ Sản phẩm ăn mòn phụ thuộc vào môi trường xung quanh 10.2 Ăn mòn điện hóa thực tế, yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn điện hóa Qúa trình ăn mòn điện hóa có xuất dòng điện nên ăn mòn nguy hiểm, thực tế kim loại bị ăn mòn trình điện hóa nhiều Có nơi tốc độ ăn mòn kim loại xẩy nhanh, khó kiểm soát Ăn mòn điện hóa dễ phát triển xẩy nhanh môi trường có chất điện ly ẩm ướt, ngưng đọng nước, thấm ướt chu kỳ Ví dụ: Các công trình kim loại ngầm đất, biển; Các thiết bị phản ứng, đường ống, bể chứa; hệ thống truyền tải điện, thông tin, linh kiện, vi mạch * Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa xẩy nhiều, hầu hết thiết bị công nghiệp bị ăn mòn điện hóa Ngay bề mặt kim loại bọc phủ cách ly xẩy ăn mòn điện hóa Khi bề mặt lớp sơn phủ không đồng đều, môi trường chất điện ly hình thành vùng anốt catốt, xuất dòng ăn mòn kim loại -Chênh lệch điện kim loại môi trường xẩy ăn mòn điện hóa - Do cấu trúc pha hình thành nên vùng điện không đều, xẩy ăn mòn vi pin - pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ khuấy trộn, màng sản phẩm bề mặt ảnh hưởng đến ăn mòn điện hóa - Yếu tố vi sinh vật, dòng điện rò tạo điều kiện cho ăn mòn điện hóa phát triển Chương 11 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG ĂN MÒN 11.1 Các dạng ăn mòn Có nhiều dạng ăn mòn khác Người ta phân chia theo số cách khác Sau số dạng ăn mòn - Ăn mòn đều: ăn mòn xẩy đồng bề mặt kim loại - Ăn mòn Ganvanic: Do chênh lệch điện xác vùng nhỏ bề mặt kim loại tạo nên vùng có điện âm vùng có điện dương, hình thành pin ăn mòn ( ăn mòn vi pin) - Ăn mòn không đều: Vật liệu không phân cực nồng độ- nồng độ dung dịch không thông khí không Ví dụ ăn mòn vỏ pin Mangan-kẽm, ắc quy, thiết bị truyền nhiệt + Ăn mòn khe (khe nứt): Do cấu trúc kim loại bị biến dạng, tạo khe nứt, làm cho tổ chức có độ bền khác tạo ăn mòn + Ăn mòn lắng đọng, ăn mòn nhiều pha ( ăn mòn đường mớn nước) + Ăn mòn tinh giới: Ăn mòn ranh giới pha vật liệu + Ăn mòn lựa chọn: ăn mòn nguyên tố hợp kim + Ăn mòn mài mòn – ma sát: phá huỷ mài mòn kim loại chuyển động tương đối kim loại với môi trường xung quanh Khi tốc độ chuyển động lớn lực ma sát sản phẩm ăn mòn ( mài mòn) bị quét khỏi bề mặt kim loại dạng khác nhau, dạng ion, hợp chất hoá học bột kim loại Ví dụ ăn mòn xi lanh, pit tông động Ăn mòn đầu mũi khoan, ống thiết bị truyền nhiệt, đường ống dẫn nước, ống dẫn dầu, dẫn khí đồng hành + Ăn mòn ứng lực ( ăn mòn mỏi: tác dụng tải trọng lâu dài kim loại bị ăn mòn) Thường hay xẩy với kết cấu kim loại chịu tải trọng thời gian lâu dài Ví dụ vỏ máy bay, trục truyền động ôtô + Ăn mòn điểm ( ăn mòn piting): ăn mòn lỗ cấu tạo vật liệu môi trường xâm thực mạnh vào cấu trúc vật liêu Ví dụ ăn mòn điểm thép không rỉ môi trường axit, muối NaCl + Ăn mòn vi sinh: Do yếm khí, vi sinh vật phát triển, tạo ăn mòn - Ý nghĩa thực tế ăn mòn: + tổn thất kim loại khoảng 5% GDP, ngành dầu khí mát khoảng 12% lượng kim loại sử dụng + Trong công nghiệp ăn mòn điện hoá ăn mòn hoá học xẩy nhiều nơi, làm cho sản xuất đình trệ, làm đỏ dàn khoan, cầu cảng, làm rò rỉ đường ống, bể chứa, kho tàng sản phẩm , gây nên an toàn vận hành ô nhiễm môi trường + Giảm hiệu suất thiết bị làm giảm chất lượng sản phẩm + Tiêu hao vô hình hệ số sử dụng thiết bị + Tổn thất lớn đến người môi sinh 11.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại 11.2.1 Ảnh hưởng chất vật liệu thiết bị công trình: - Độ bền vững nhiệt động kim loại phụ thuộc vào điện E Ví dụ môi trường trung tính pH = khử oxy phản ứng catốt là: 2H+ + 2e  H2 Điện cân phản ứng khử hydrro tính theo công thức: Ecb = - 0,059 pH = - 0,059.7 = -0,413V Vì kim loại có điện âm -0,413 V bị ăn mòn Iam > - Ảnh hưởng tổ chức cấu trúc pha vật liệu kim loại đến độ bền ăn mòn Mỗi kim loại , hợp kim có chế độ công nghệ chế tạo khác nhau, có cấu trúc khác nhau, độ bền ăn mòn khác - Thép bon dễ bị ăn mòn thép hợp kim cao, gang trắng, gang cầu, Ferosilic Thép bị ăn mòn axit Sunfuric thép Ferosilic bền axit sunfuric Đồng nguyên chất có độ bền ăn mòn khác đồng hợp kim nhôm nguyên chất bền nhôm hợp kim có độ bền cao - Các nguyên tố hợp kim hóa công nghệ chế tạo vật liệu kim loại làm thay đổi chất vật liệu, thay đổi cấu trúc, tính chất vật liệu, tạo cho vật liệu có độ bền ăn mòn cao - Các trình đúc luyện, nhiệt luyện, thủy luyện, ủ, ram, thấm, tôi…làm cho kim loại thay đổi độ bền ăn mòn Như thành phần, chất chế độ công nghệ tạo thành vật liệu có độ bền ăn mòn môi trường khác Dựa vào điều nhà kỹ thuật lựa chọn vật liệu thích hợp để chế tạo công trình Trong thực tế thiết kế dự án công trình phải tuân thủ theo tiêu chuẩn sở thiết kế độ bền ăn mòn vật liệu kim loại 11.2.2 Ảnh hưởng lựa chọn, thiết kế, thi công công trình - Thiết kế hình dạng, kết cấu kim loại ảnh hưởng đến độ bền ăn mòn công trình kim loại Độ co thắt, độ mở, góc uốn lượn, độ phằng… công trình ảnh hưởng đến ăn mòn công trình - Thiết kế lựa chọn gép nối loại vật liệu công trình ảnh hưởng đến ăn mòn công trình kim loại - Thi công xây lắp chế tạo thiết bị công trình ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại Ví dụ: trình xây lắp, thi công để lại khuyết tật làm ảnh hưởng đến ăn mòn thiết bị truyền nhiệt, đường ống, bồn bể chứa sản phẩm xăng dầu, hóa chất, cầu cảng … 11.2.3 Ảnh hưởng môi trường, hoá chất đến ăn mòn kim loại - Môi trường xung quanh vật thể kim loại gây ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa công trình kim loại - Môi trường nhiệt độ, áp suất cao, tốc độ dòng chảy thay đổi bất thường ảnh hưởng đên ăn mòn kim loại - Ảnh hưởng độ pH, có chứa ion xâm thực, vi sinh vật đến ăn mòn công trình kim loại - Dòng điện rò, môi trường chứa chất có khả kích thích ăn mòn phá hủy kim loại nhanh Ví dụ: Vùng lưới điện cao thế, trạm biến áp, bơm…Môi trường chứa hợp chất S H2S, HS- công nghiệp khai thác chế biến dầu khí Trong môi trường sản xuất phân Đạm urê, amoniac chi tiết thiết bị đồng bị ăn mòn nhiều vật liệu thép Trong môi trường có chứa hợp chất S gây ăn mòn thép nhanh 11.2.4 Ảnh hưởng yếu tố khác: Ngoài yếu tố ảnh hưởng có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng không nhỏ đến tốc độ ăn mòn kim loại Ví dụ ảnh hưởng công trình thiết bị lân cận, ảnh hưởng tải trọng, vùng miền khí hậu, thời tiết Các màng phủ hình thành bề mặt kim loại trình làm việc công trình, màng hoạt động, màng thụ động…Các yếu tố gây dạng ăn mòn khác 11.3 ĂN MÒN KIM LOẠI TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU 11.3.1 Ăn mòn kim loại môi trường nước trung tính Ăn mòn phụ thuộc vào thành phần chất hoà tan SO 4- Cl-, O2 , khí , pH môi trường nước Phần lớn ăn mòn kim loại thép môi trường trung tính khử phân cực oxy, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào ion chất điện ly, nhiệt độ, pH, vi sinh vật, tốc độ khuấy trộn Bình thường ăn mòn thép môi trường trung tính xẩy khử phân cực Oxy; có mặt chất hoạt động, xâm thực tốc độ ăn mòn tăng lên nhiều 11.3.2 Ăn mòn kim loại số môi trường hoá chất - Đa số kim loại, thép môi trường axit bị phá huỷ mạnh Tuy nhiên có số kim loại bị thu động số axit môi trường định Ví dụ thép bị thụ động axit photphoric, Sunfuric đặc; nồng độ loãng thép bị ăn mòn mạnh Nhôm không bị ăn mòn HNO đậm đặc Đồng hợp kim đồng ăn mòn amoniac Vì cần phải biết lựa chọn vật liệu bền môi trường thich hợp - Trong môi trường hóa chất dầu khí, thép thường bị ăn mòn mạnh Sản phẩm ăn mòn thép chủ yếu hợp chất sắt Dạng hợp chất sắt phụ thuộc vào môi trường bao xung quanh Ví dụ ăn mòn thép đường ống dẫn khí đồng hành ngầm đất biển: + Bề mặt bên ống hỗn hợp khí đồng hành, sản phẩm ăn mòn vảy gỉ dạng oxit sắt Nếu có lượng ẩm nước biển sản phẩm ăn mòn có chứa muối, đặc biệt Cl- khí đòng hành có chứa hợp chất lưu huỳnh S có ăn mòn H2S, dạng ăn mòn nguy hiểm Hình … Sản phẩm ăn mòn bề mặt bên đường ống nhà máy condensate + Bề mặt bên đường ống bị ăn mòn môi trường đất, hóa chất, nước biển xung quanh bên đường ống 11.3.3 Ăn mòn kim loại môi trường nước biển Nước biển có tính xâm thực mạnh; độ xâm thực nước biển phụ thuộc vào độ mặn, phụ thuộc vào vùng địa lý khác Độ mặn cao tác động ăn mòn kim loại lớn Các ion Cl- SO4 môi trường làm tăng tốc độ ăn mòn thép số kim loại Ion Cl- có bán kính ion nhỏ nên dê dàng xâm thực vào bề mặt kim loại, gây ăn mòn mạnh Phần lớn công trình biển kết cấu thép nên bị ăn mòn nhanh; gây khó khăn cho ngành công nghiệp thăm dò khai thác, vận tải biển Đối với công trình thấm ướt chu kỳ tốc độ ăn mòn lớn Trong môi trường nước ẩm ướt có ăn mòn dòng điện rò Đây dạng ăn mòn nguy hiểm, công trình bị ăn mòn nhanh Ăn mòn kim loại môi trường biển ăn mòn điện hóa Nó xẩy mạnh việc chống ăn mòn phức tạp Ví dụ: Dàn khoan, đường ống công nghệ, tổng hợp khơi bị ăn mòn phần ngập biển ( nước biển, bùn biển), phần bề mặt biển ( nước biển, khí biển), ăn mòn kim loại phần đường mớn nước 11.3.4 Ăn mòn kim loại môi trường đất, ăn mòn vi sinh Môi trường đất chứa nhiều tạp chất khác phụ thuôc vào vị trí địa lý Tuỳ theo vùng mà mức độ gây ăn mòn đất khác Tính ăn mòn đất phụ thuộc vào hàm lượng muối, độ ẩm, độ xốp, tính đồng độ dẫn điện đất Ăn mòn đất thường hay xẩy không đồng đều, vùng điểm khác Đối với công trình ngầm đất, nước ăn mòn dòng điện rò xẩy mạnh, gây nguy hiểm cho công trình Ăn mòn đất thường xẩy với khử phân cực oxy Yếu tố gây ăn mòn vi sinh môi trường đất góp phần làm ảnh hưởng không nhỏ đến tốc độ phá hủy công trình Trong môi trường đất nồng độ oxi thấp ăn mòn thép gây hoạt động vi khuẩn khử ion sulfat để tạo H2S xảy phản ứng: 10 Ví dụ 2: Mạ đồng Mạ đồng dạng sunfat với thành phần sau: CuSO4.5H2O : 200 ÷ 300 g/l H2SO4 : 50 ÷ 70 g/l, nhiệt độ 20 ÷ 30 0C DC = ÷ A/dm2, anot – Cu kim loai Quá trình mạ đồng lên sắt xảy phản ứng: Cu2+ + 2e → Cu Đồng bám sắt dạng xốp, lớp mạ không bám dính Có thể mạ đồng lên sắt trực tiếp cách cho thêm chất hoạt động bề mặt Ưu điểm dung dịch không độc, không gây ô nhiễm môi trường Để tăng độ bám dính người ta mạ lên sắt lớp lót đồng từ dung dịch xianua với thành phần (g/l) sau: Tỉ lệ CuCN/NaCN = 1/2 ứng với phức Na 2[Cu(CN)2], CuCN 20 ÷ 30, NaCN tự ÷ 10, NaOH ÷ 10, DC = 0,2 ÷ A/dm2 , to = 15 ÷ 550C, anot-Cu kim loại Ví dụ 3: Mạ niken Niken có điện dương so với sắt, lớp mạ niken sắt đóng vai trò catot xảy tượng ăn mòn sắt anot Vì vậy, để bảo vệ sắt không bị ăn mòn (phụ tùng xe đạp, ô tô, cấu kiện khác…) lớp mạ niken phải phủ sắt kín, chặt sít, có độ bám dính cao, lớp mạ dày lớp mạ gồm nhiều lớp chồng lên Có hai loại mạ niken: Mạ Ni bóng mạ Ni mờ + Mạ niken mờ với thành phần (g/l) sau: NiSO4.7H2O - 230 ÷ 300 H3BO3 - 35 NaCl - 15 ÷ 40; pH = ÷ DC = 0,8 ÷ 2,5A/dm2 T0 = 25 ÷ 300C ; Anot - Ni Có thể mạ tạo lớp niken có chiều dày 15 ÷ 25μm + Mạ niken bóng trực tiếp với thành phần g/l sau: NiSO 4.7H2O - 260 ÷ 300 H H3BO3 - 30 ÷ 35 ; NiCl2 6H2O - 40 ÷ 60 với chất làm bóng san 1,4-butylđiol 0,12 ÷ 0,16 g/l, saccarin 0,7 ÷ 1,3 g/l, ftalimid 0,08 ÷ 0,1g/l, DC = ÷ A/dm2, to = 45 ÷ 500C, anot - Ni, khuấy liên tục, thường xuyên phải làm dung dịch Ta mạ niken phương pháp hoá học theo phản ứng sau: NiCl2 + 2NaH2PO2 + 2H2O → Ni + 2NaH2PO3 + 2HCl + H2 Bề mặt vật mạ cần phải hoạt hoá trước mạ, lớp mạ có độ cứng cao lớp niken có lẫn phôtpho (3 ÷ 15%) Mạ niken hoá học mạ lên sắt chất dẻo, thuỷ tinh Ví dụ 4: Mạ crôm Dung dịch mạ crom có thành phần sau: CrO3 - 250 g/l ; H2SO4 - 2,5 g/l DC = 30 ÷ 80 A/dm2; t0 = 40 ÷ 700 C ; Anot - Pb Điều chỉnh mật độ dòng thu lớp mạ có tính chất học khác Để bảo đảm lớp mạ kín sắt, có khả chống ăn mòn cao trang trí đẹp, với màu trắng ánh xanh người ta thường mạ nhiều lớp Ví dụ mạ sắt lớp theo thứ tự sau: Fe, Cu, Ni, Cr Fe, Ni (mờ), Ni (bóng), Cr (bóng) với chiều dày 25 lớp mạ Cr 0,5 μm Lớp mạ crom có hiệu suất thấp có khí độc bay lên, cần phải có thiết bị an toàn lao động Các lớp phủ kim loại kim loại lớp phủ vừa trang trí, vừa bảo vệ Với kỹ thuật phát triển nên chất lượng tính các lớp phủ ngày tăng cao hơn, sử dụng rộng rãi để chống ăn mòn kim loại 13.2.2 Tạo màng thụ động bề mặt kim loại: Có thể tạo màng thụ động bề mặt kim loại để bảo vệ công trình màng oxyt, màng phot phát… Màng oxyt gồm nhiều dạng khác từ kim loại kim, Nó tạo nhiều phương pháp khác * Phương pháp oxyhóa pha khí: - Ví dụ tạo lớp phủ nhôm: 4Al + 3O = 3Al2O3 ; màng Al2O3 màng phủ tự nhiên - Với hợp chất kim: cần nhiệt độ cao Oxy không khí: Si(C2H5)4 O 2, − > SiO2 + (C2H5)2O nhietdo - Mỗi vật liệu cần có nhiệt độ oxyhoá, thời gian oxyhóa định * Oxyhóa kim loại đen ( thép) phương pháp hoá học: Màng phủ đặc sít để bảo vệ gang, thép - Tạo màng dung dịch: • Màng sản phẩm đen mờ: dung dịch NaNO2 : 200-300g/l nhiệt độ 1421460C , để ổn định thời gian 40 -120 phút • Màng sản phẩm đen bóng: Dung dịch NaOH 800-800g/l; nhiệt độ 140 -145 C; thời gian ổn định 20-120 phút • Oxi hóa hóa học thép: Thành phần dung dịch (g/l): NaOH - 600 ÷ 700, NaNO2 - 200 ÷ 250, NaNO3 - 50 ÷ 100, thời gian 30 ÷ 90 phút to = 135 ÷ 1450C Lớp oxit có thành phần chủ yếu: Fe3O4 độ dày 0,6 ÷ μm Sau oxi hóa nhúng nước xà phòng ÷ 3% ÷ phút, nhúng dầu biến ÷ 10 phút 105 ÷ 1200 C • Oxi hoá điện hoá thép Chế độ làm việc: dung dịch NaOH 40%, to = 80 ÷ 1200C, Da = ÷ 10 A/dm2 Nhuộm mầu oxi hóa đen chủ yếu để trang trí tạo mầu đen cho dụng cụ xác * Oxy hoá nhuộm màu nhôm: - Dung dịch tạo màng: Na2CO3 50 g/l ; NaOH: 2-3,5g/l; Axit oxalic 15 g/l ; nhiệt độ 85-1000C; thời gian 5-30 phút - Màng thu có lỗ xốp; chất màu hữu chất màu vô hấp thụ vào lỗ xốp tạo thành màu 26 - Dung dịch tạo màu: màu vàng da cam: K2Cr2O7 5-10g/l; thời gian 30 phút; sau nhúng vào dung dịch AgNO3 50-100g/l * Màng phot phát hoá: Tạo bề mặt kim loại màng phôt phát bám bề mặt Màng bảo vệ để sơn lót, bảo vệ môi trường không khí khô + Đặc điểm: Màng phôt phát bám chắc; chịu nhiệt độ cao 400-500 C; màng không tan xốp nên tính bảo vệ kém, dùng không khí nước Có nhiều loại dung dịch phot phát hoá Sau số ví dụ: + Dung dịch phôt phat hoá nóng: Majef Me(H2PO4)2 : 30g/l NaNO3 : 4-6 g/l H3PO4 tự 0,1 -1,0 g/l nhiệt độ 92-960C phút + Dung dịch phôt phat hoá lạnh: ( thường làm để sơn phủ) Majef: Me(H2PO4)2 : 35 -45 g/l Zn(NO3)2 : 70-90 g/l ; NaF: 4-6g/l H3PO4 : 14-16g/l ; thời gian; 20-30 phút; nhiệt độ thường 13.3 Màng phủ cách ly bảo vệ kim loại 13.3.1 Lớp sơn phủ cách ly bảo vệ kim loại Tuỳ theo chất tạo màng tính kỹ thuật mà có loại màng sơn khác Thường có loại sơn bảo vệ; sơn chịu axit; chịu kiềm, sơn trang trí bảo vệ, sơn chịu nhiệt, sơn chống hà - Yêu cầu màng sơn phủ bảo vệ: • Có khả tạo màng tốt, đặc sít, đồng • Bám dính tốt, bị thay đổi theo thời gian • Không gây ảnh hưởng đến trình sử dụng • Có khả che chắn cách ly tốt với môi trường xâm thực • Có độ bền học, bền hoá học, chịu nhiệt độ giới hạn định Thường có loại màng phủ hữu cơ, màng vô màng phủ compozit Thành phần màng sơn hữu gồm: - Chất tạo màng: số dầu thực vật chứa axit béo no không no, có nối đôi Các chất Polyme PE, PS, Polyclovinyl - Dung môi hoà tan chất tạo màng: Gồm chất hữu axeton, silen, BenZen, Toluen hợp chất thơm mạch vòng - Chất tạo màu ( Bột màu) Bột màu thường hợp chất vô cơ; hữu mang màu như: PbO 2, Cromat, ZnO, C; Al2O3 ; Fe2O3 Bột màu: • Là chất rắn có độ hạt nhỏ • Là thành phần quan trọng tạo màu cho vật liệu khác màng sơn 27 • Không hoà tan dầu dung môi, có tỷ trọng nhẹ, bột màu sơn có màng mỏng Bột màu mài nghiền với chất làm dẻo để trộn sử dụng • Che phủ bề mặt, chống xuyên thấu tia tử ngoại làm cho màng sơn có màu theo yêu cầu • Chịu nước, chịu mài mòn để tăng độ bền cho sơn • Tăng cao độ cứng, kéo dài tuổi thọ cho màng sơn Bột màu dùng sơn thường chất vô không tan nước; bao gồm số kim loại, phi kim loại, chất oxyhóa, hợp chất lưu huỳnh muối Có chất hữu không tan nước, chất nhuộm hữu hoà tan nước rượu + Tính chất bột màu: - Năng lực thể màu:Để có màu chất màu phải thể màu theo yêu cầu Người ta phối màu sở màu ( tham khảo bảng phối màu) Ví dụ: Đen + Trắng => màu tro Vật liệu phối màu bản: Màu trắng: TiO2 ; ZnS + BaSO4 , ZnO Màu vàng: PbCrO4 , CdS, Fe2O3 Màu đỏ: HgS; CdS ; CdSe Màu xanh: KFe[Fe(CN)6] ; (Al2Na2SiOCr)Na2SO4 Màu đen: muội axetylen, than C Khi cần màu khác phối màu nhờ - Độ che phủ: Độ che phủ bột màu làm cho lớp không bị lộ qua màng sơn - Tính chống rỉ: bột nhôm, bột kẽm, bột oxit sắt, ZnCrO chất thụ động hoá kim loại - Bột hoá: số chất màu đặc biệt màu trắng sơn, sau thời gian tạo thành bột để lại vết bề mặt vật sơn - Độ phân tán cao, dễ tan, chịu nhiệt, chịu mốc, bền ăn mòn + Chất phụ gia: Chất làm khô, chất tạo bóng; tăng cường lực, chịu nhiệt, chống gỉ, chống hà Tuỳ theo loại sơn mà chọn chất tạo màng dung môi tương thích 13.3.2 Lớp bọc phủ tăng cường vật liệu compozite Màng bọc phủ cách ly Composite sử dụng nhiều công nghiệp hóa chất, dầu khí Nó màng phủ thiếu công trình ngầm có yêu cầu tuổi thọ lâu dài - Màng bọc Compozite vật liệu kết hợp nguyên vật liệu riêng rẽ để tạo màng bọc vật liệu mới, có tính tốt mà vật liệu riêng rẽ - Kết hợp vật liệu có tính trội riêng rẽ để tạo màng bọc có tính trội cao 28 - Nhờ có tính trội cao mà phạm vi ứng dụng vật liệu compozite rộng rãi, đặc biệt cho công trình ngầm - Vật liệu màng Compozite tồn thành phần cấu trúc khác nên phân thành pha pha cốt Pha nền: pha chủ yếu, kết hợp pha lại, pha liên tục vật liệu màng Pha cốt: pha lại gọi chung pha cốt; pha cốt không liên tục, bị pha bao bọc để tạo thành khối màng bền vững ( ví dụ: bê tông, bọc atphan, bọc Epoxy ) Có thể tạo lớp bọc phủ vật liệu vo Silicat có độ bền ăn mòn cao để chống ăn mòn kim loại Bọc phủ phải tuân theo tài liệu dẫn quy chuẩn bọc phủ công trình thép cho môi trường 13.3.3 Lớp tráng men Tráng men phương pháp dùng từ lâu Khi kim loại phủ lên lớp men lỗ xốp, nước khí không thấm qua Khi bề mặt kim loại cách ly hoàn toàn với môi trường Đặc điểm lớp tráng men: • Lớp men có độ bền cao số môi trường hoá chất nước • Giữ vẻ đẹp thời gian dài • Công nghệ tráng men đơn giản, nguyên liệu có sẵn • Lớp men giòn, khó bóc khỏi bề mặt • Lớp men không bền học, dễ vỡ, dễ bị phá huỷ môi trường kiềm • Khó thực tráng men chi tiết có hình dạng phức tạp Quy trình tráng men: • Xử lý bề mặt kim loại trước tráng men phương pháp học, hoá học Cát thạch anh nguyên liệu để sản xuất men Ngoài có chất phụ gia Al2O3; Na2O; PbO; K2O • Khi tráng men thường tráng lớp: lớp men lót lớp men Lớp men nhằm tạo lớp bám chắc, tiếp đến lớp bảo vệ trang trí • Chất lượng lớp men phụ thuộc vào thành phần phối liệu, chế độ nhiệt chế độ công nghệ khác Ngoài lớp phủ tráng men có lớp phủ bọc Silicat ( màng phủ nhiệt chất vô cơ) – dang trán phủ men; composite vô ( phủ bê tông) 13.4 Bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn cách thay đổi môi trường- chất ức chế ăn mòn kim loại Có thể bảo vệ kim loại cách đuổi tách tác nhân gây ăn mòn khỏi môi trường phương pháp vật lý phương pháp hoá học khuấy trộn, xử lý nhiệt, bổ sung chất phụ gia * Phương pháp hóa học 29 Các phản ứng khử loại oxi: O2 + 2Na2SO3 → 2Na2SO4 Phản ứng xảy chậm, tăng tốc độ xúc tác CO2+ (10–3 ppm) Nếu dư sulfit gây ăn mòn hoặc: N2H4 + O2 → 2H2O + N2 Ở nhiệt độ cao hiđrazin bị phân huỷ: 3N2H4 → N2 + 4NH3 Sự có mặt NH3 gây ăn mòn chi tiết đồng hợp kim Mặt khác dùng hợp chất amin R–NH2 để loại trừ ion H+ : R–NH2 + HOH → RNH3 + + OH– OH– + H+→ HOH Khử khí CO2 chống lại giảm pH môi trường * Các phương pháp vật lí – Đun nóng dung dịch để đuổi oxi – Xử lí chân không để làm giảm nồng độ oxi Chất ức chế ăn mòn: Chất ức chế ăn mòn chất cho vào môi trường lượng nhỏ tốc độ ăn mòn giảm nhiều lần đình hoàn toàn trình ăn mòn Trong công nghiệp dầu khí người ta sử dụng nhiều loại chất ức chế bảo vệ thiết bị đường ống bể chứa, đặc biệt đường ống dẫn khí, ống dẫn nước Có nhiều loại chất ức chế ăn mòn kim loại Tuỳ theo điều kiện mà người ta sử dụng loại chất ức chế với nồng độ thích hợp Trong công nghiệp dầu khí chất ức chế ứng dụng nhiều đưa lại hiệu cao Khi sử dụng chất ức chế cần phải lưu ý điều kiện sau: - Chất ức chế không gây độc hại cho người ô nhiễm môi trường; - Giá thành thấp, dễ sử dụng Phân loại chất ức chế: Có thể phân chia số loại chất ức chế: * Chất ức chế ăn mòn môi trường nước trung tính * Chất ức chế ăn mòn môi trường axit * Chất ức chế ăn mòn môi trường dầu mỡ * Chất ức chế môi trường khí Dựa vào thành phần chia thành hai loại sau phân loại chất ức chế hữu cơ, chất ức chế vô cơ, hợp chất chứa N, S, P, Theo số tác giả chia chất làm chậm thành loại sau: Dựa vào tính chất sử dụng chia làm hai loại: Chất làm chậm dung dịch; Chất làm chậm bay Dựa vào tính chất môi trường: Chất làm chậm axit; Chất làm chậm kiềm; Chất làm chậm môi trường trung tính 30 Đối với môi trường trung tính, dùng chất ức chế như: Benzoat natri, nitrit natri, Nitrat natri, photphat, Trong môi trường axit dùng số hợp chất sunfua, cacbonyl , thioure, urotropin, Nitrozamin… Để đánh gía chất làm chậm thường người ta dựa vào hai tính chất sau: Hệ số tác dụng bảo vệ: Z= K0 K1 K0 tóc độ ăn mòn kim loại dung dịch chưa có chất làm chậm g/m2.h K1 tốc độ ăn mòn kim loại có chất làm chậm g/m2.h Hiệu bảo vệ: Ký hiệu η K0 η= K Như Z lớn tốt Một số chất làm chậm ăn mòn môi trường: * Chất làm chậm anốt Trong chất làm chậm anốt trước tiên phải nói đến chât oxi hoá Những chất ngăn cản trình anốt Cơ cấu tác dụng thụ động hoá bề mặt anốt giảm trình anốt Những chất làm chậm thường dùng là: NO3-, NO-2, MnO4, CrO4-2 v.v Những chất có khả ôxy hoá tạo thành màng thụ động anốt theo thuyết màng hay hấp thụ Ví dụ: Cơ chế tác dụng Crômát hấp thụ sắt tạo thành hợp chất bề mặt theo cấu trúc: O O O Cr O O O Cr O Nền Fe O Cr O O Fe O O Fe Tạo thành hợp chất bề mặt sắt * Chất làm chậm catốt Chất làm chậm catốt giảm tốc độ ăn mòn giảm hiệu ứng trình catốt hay giảm bề mặt catốt Chất làm chậm catốt chất hấp phụ oxi, giảm tốc độ ăn mòn với khử phân cực oxi 31 Ví dụ: Na2SO3+ +1/2 O2 = Na2SO4 - Để khử phân cực oxi nước cho vào nồi hơi, thường người ta dùng Hyđrazin: NH2-NH2 +O2 = H2O + N2 - Chất làm chậm tạo màng catốt làm giảm bề mặt catốt Ca(HCO3)2 + OH- = CaCO3 + HCO3- + H2O ZnSO4 + 2OH- = Zn(OH)2 + SO4-2 - Làm tăng trình catốt Cation số kim loại As+ , Bi+3 môi trường axit, chúng phóng điện catốt tạo thành As Bi Quá hyđrô kim loại nầy cao hyđrô thép Chất làm chậm catốt không nguy hiểm không tăng tốc độ ăn mòn nồng độ không đủ dầy bề mặt dung dịch Chất làm chậm anốt thường có hiệu chất làm chậm catốt Nhưng nồng độ không thích hợp làm tăng tốc độ ăn mòn * Chất làm chậm hữu cơ: Người ta tìm hàng ngàn ( khoảng 3000) chất làm chậm; đa số chất làm chậm hữu Cơ cấu tác dụng phức tạp, người ta tập trung nghiên cứu giải thích chế tác dụng nói chung nhiều vấn đề chưa giải thích đầy đủ Đi sâu nghiên cứu hấp phụ giải thích số chế, nhiều tác giả cho rằng: Tác dụng số chât hữu hấp thụ bề mặt kim loại giảm tốc độ ăn mòn Có nhiều ý kiến cho chất hữu hấp phụ bề mặt kim loại chủ yếu hấp phụ vật lý lực tĩnh điện lực Vandevan Có tác giả cho hấp thụ vật lý sau hấp thụ hoá học Song có tác giả lại cho hai trình tiến hành song song; hấp thụ hoá học xảy vùng hoạt động, vùng khác xảy hấp phụ vật lý Như vấn đề chất làm chậm hữu có liên quan mật thiết đến vấn đề hấp phụ * Chất làm chậm hòa tan dầu mỡ: Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn khí người ta thường nhúng chi tiết dầu mỡ Để tăng hiệu bảo vệ chi tiết dầu mỡ người ta thêm chất làm chậm vào; chất làm chậm thường là: Sunfonat dầu mỡ, mỡ nitrro hóa, oxyt pêtrlatum, muối axít béo v.v Chất làm chậm hoà tan dầu mỡ hợp chất hữu mà phân tử cấu tạo từ hai phần: - Gốc hyđrô cácbua có phân tử cao (mạch thẳng hay mạch nhánh) để đảm bảo hoà tan tất phân tử vào dầu mỡ - Nhóm hoạt động tác dụng bảo vệ kim loại Những chất có gốc chung CnH2n+1A A nhóm có cực -OH , -COOH , -COOMe ,-SO , -SO3Me , -O2, -NH2 32 Sự khác có tính chất nguyên tắc giũa chất làm chậm hoà tan nước dầu mỡ cấu tác dụng tính chất đặc trưng bảo vệ Chất làm chậm hoà tan dầu mỡ không phân ly nước, bảo vệ kim loại đen kim loại màu chất làm chậm hoà tan nước có nồng độ xác định tác dụng bảo vệ, có nồng độ cao hay thấp không tác dụng bảo vệ mà gây ăn mòn mạnh Ngược lại chất làm chậm hoa tan dầu mỡ thêm lượng nhỏ tốc độ ăn mòn giảm tăng tác dụng bảo vệ kim loại với tăng hàm lượng chất làm chậm đạt điểm cực đại ứng với thành phần Cơ cấu tác dụng chất làm chậm có nhiều vấn đề phải bàn thêm Về cấu tác tác dụng chất làm chậm hoà tan dầu mỡ thực chất có hai quan điểm sau: Thêm chất làm chậm ăn mòn dầu mỡ ngăn cản khuyếch tán nước khí ăn mòn qua màng dầu mỡ không thực phản ứng điện hoá điện cực - Nhiều nhà nghiên cứu xác định thêm chất làm chậm vào độ thấm nước thấm khí giảm đến hàng trăm lần Nhiều nhà nghiên cứu cấu tạo lớp mỡ có chất làm chậm ăn mòn kính hiển vi điện tử xác định rằng: Lớp mỡ có chất làm chậm có đặc trưng hạt nhỏ, có cấu trúc cao, khoảng tự hạt chồng chất nên ngăn cản không cho tác nhân ăn mòn qua - Nhiều tác giả khác cho thêm chất ức chế vào làm chậm hoà tan dầu mỡ tạo nên bề mặt màng hấp phụ làm cho nước không qua Sự hấp phụ chất làm chậm đồng thời anốt catốt Sự hấp phụ hấp phụ vật lý mà hấp phụ hoá học bền vững nước dùng loại dầu mỡ sau: - Nitrô hoá mỡ khoáng nghĩa gắn gốc hoạt động –NO vào mỡ pha vào mỡ gốc với tỷ lệ định Nhiều nước sử dụng sản phẩm thải nhà máy giấy, nhà máy sản xuất amin Trong sản phẩm thải nói chung có gốc hoạt động Người ta thường dùng hỗn hợp số mỡ có nhiều nhóm hoạt động hiệu cao Hỗn hợp có chứa nhóm –SO3, -NO2, -NH2 có hiệu cao so với đơn chất * Chất làm chậm bay hơi: Chất làm chậm bay có đặc điểm tác dụng bảo vệ kim loại môi trường thể khí thể chúng gọi chất làm chậm bay Chất làm chậm bay chất có áp suất bão hoà cao, nhanh chóng chiếm đầy thể tích không gian kín, sau hấp thụ bề mặt kim loại bảo vệ kim loại thời gian dài Những đặc trưng quan trọng chất làm chậm bay hơi: Chất có áp suất bão hoà cao nhiệt độ 20-250C Có tác dụng bảo vệ kim loại làm việc không gian kín 33 Cơ cấu chất làm chậm bay nhiều vấn đề chưa giải thích đầy đủ Theo ý kiến tác giả nguyên nhân sau: Chất làm chậm bay tác dụng với chất ăn mòn, chất chất khử phân cực hay chất dễ hoà tan nước; nhằm muốn để tăng độ dẫn điện Mặt khác chất làm chậm bay làm giảm độ ẩm môi trường làm Chất làm chậm bay có khả hấp phụ hoá học bề mặt kim loại, tạo thành màng thụ động ngăn cản trình anốt Tuy nhiên vấn đề hấp thụ chất làm chậm bay lên bề mặt chất rắn nhiều vấn đề chưa thật sáng tỏ - Việc sử dụng chất bay cách : Cho chất làm chậm bay không gian kín phòng hay hòm kín để bảo vệ kim loại chứa Hoặc quét chất làm chậm bay giấy bao gói Các chất làm chậm bay thường dùng như: Chất làm chậm bay phốt phát vô Loại chất thường dùng để bảo vệ thép, gang, crôm, niken, thiếc Những chất phối liệu thành dạng bột cho vào bao bì có chứa chi tiết kim loại - Chất làm chậm bay Urôtrôpin Gồm : Một phần trọng lượng Urôtrôpin phần trọng lượng Nitrit Hỗn hợp cho vào bao bì để bảo vệ kim loại quét lên giấy bao gói Chất làm châm bay dùng nhiều quốc phòng, kho lưu trữ quân khí, kho kim khí , hóa chất dầu khí * Một số chất ức chế cho môi trường nước trung tính, lò hơi, tháp giải nhiệt - Amino trimethylene phosphonic acid , dùng chống cáu cặn, gỉ cho việc xử lý tháp giải nhiệt lò - BTA: 1,2,3 Benzotriazole - Chống ăn mòn bề mặt kim loại - HEDP – Hydroxyethylidene – 1,1-Diphospphonic acid Kiểm soát rỉ- chống ăn mòn tháp giải nhiệt lò - Carboxylate/sulfonate/nonioni-c funtional terpolymer ;Ức chế ăn mòn, phân tán chất cáu cặn lò tháp giải nhiệt - Polyacrylic acid; Kiểm soát ăn mòn chống cáu cặn hệ thống lò hơi, tháp giải nhiệt hệ thống nước công nghiệp - Nitrite、Chống cáu cặn, ăn mòn hệ thống kín tháp giải nhiệt - Ức chế môi trường nước trung tính: Natri molipdat Natrisilicat, Polyphotphat Natri, Benzoat natri ( Tham khảo Inhibitors … ) 13.5 Chống ăn mòn công trình kim loại cách thay đổi điện điện cực (Bảo vệ điện hoá) 34 13.5.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp bảo vệ điện hoá công trình kim loại Bảo vệ điện hoá phương pháp thay đổi điện điện cực công trình kim loại đến gía trị điện mà kim loại không bị ăn mòn - Bảo vệ điện hoá sử dụng phổ biến để bảo vệ kim loại khỏi phá huỷ môi trường xâm thực, cho phép bảo vệ kim loại hoàn toàn không bị ăn mòn, đặc biệt bảo vệ điện hoá công trình ngầm, công trình dầu khí Phương pháp điện hoá bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn dùng để bảo vệ phần kết cấu kim loại tiếp xúc với môi trường chất điện ly Người ta phân chia phương pháp bảo vệ điện hoá làm hai loại phương pháp bảo vệ anốt phương pháp bảo vệ catốt 13.5.2 Phương pháp bảo vệ anốt Phương pháp bảo vệ anốt dựa nguyên tắc phân cực anốt cho kim loại cần bảo vệ dòng điện kim loại có điện dương điện kim loại Điện điện cực chuyển phía dương so với điện ăn mòn kim loại rơi vào vùng thụ động, kim loại không bị ăn mòn gọi phương pháp bảo vệ anôt Phương pháp này, dùng kim loại có khả thụ động Có thể bảo vệ anốt cách nối công trình cần bảo vệ với cực dương nguồn điện chiều với kim loại có điện dương Nguyên tắc bảo vệ Anôt sau: Hình …… Đường cong phân cực anốt thép axit ( Vùng thụ động có dòng ăn mòn nhỏ ) Hình IV.1 hình IV * Ví dụ hệ thống bảo vệ anốt thiết bị làm lạnh axit: - Kim loại cần bảo vệ (Anôt): bề mặt bên thiết bị thép 316, phần ngập axit Anốt nối với cực dương nguồn điện chiều 35 - Điện cực catốt: làm vật liệu đặc biệt dùng cho bảo vệ anốt Điện cực catốt nối với cực âm nguồn điện chiều - Điện cực so sánh: thiết bị điện hoá để đo điện công trình cần bảo vệ điều khiển hệ thống bảo vệ - Trạm Anốt: Là thiết bị chuyên dụng cấp nguồn điện chiều cho hệ thống bảo vệ Nguồn điện xoay chiều cấp vào 220 V , nguồn điện chiều 0,5- 10V, 0,550 A - Hệ thống điều khiển, cáp dẫn, phụ kiện - Hệ thống điều khiển: Thu nhận xử lý tín hiệu, điều khiển thông số kỹ thuật hệ thống trạm bảo vệ anốt - Hệ thống cáp dẫn: Cáp để nối mạch điều khiển hệ thống bảo vệ anốt hoạt động: • Cáp anốt, • cáp catốt, • cáp điều khiển, • cáp nguồn xoay chiều, tiếp đất - Các phụ kiện khác Hệ thống trạm anốt hoạt động ổn định theo yêu cầu phải đảm bảo điều kiện thông số kỹ thuật bảo vệ anốt • Diện tích bề mặt thiết bị thép 316 bảo vệ anốt( bể, thùng, máng, ống • Điện cực catốt: để phân cực anốt công trình; số lượng anốt phụ thuộc vào độ lớn, dạng hình học công trình • Điện cực so sánh Điện cực so sánh có nhiệm vụ đo giá trị điện kim loại cần bảo vệ H 2SO4 cung cấp tín hiệu, điều khiển tự động thông số kỹ thuật hệ thống • Môi trường axit ngập chìm thiết bị Môi trường axit có nồng độ 93-98% nhiệt độ khoảng 450C , 700C ; 1200C tuỳ theo nhiệt độ vào, thiết bị làm lạnh Ngoài nồng độ nhiệt độ việc ngập chìm axit phải đảm bảo • Hệ thống điều khiển: Với tín hiệu đưa đến từ điện cực so sánh, trạm anốt hệ thống điều khiển xử lý nhằm giữ cho trạm anốt phân cực công trình thép 316 vào vùng thụ động Tại vùng dòng ăn mòn thép nhỏ • Trạm Anốt: Trạm Anốt cung cấp nguồn điện chiều để phân cực anốt công trình cần bảo vệ Giá trị điện phân cực nằm vùng mà bề mặt thép trạng thái thụ động với khoảng an toàn Vượt khoảng điện thụ động thép không bảo vệ, mà ngược lại làm tăng độ hoà tan thép Tất thiết bị trạm bảo vệ anốt có liên quan mật thiết với Các thông số kỹ thuật bảo vệ anốt tính toán thiết kế; thay đổi nhỏ hệ thống trạm anốt kéo theo thay đổi khác 36 Phương pháp có yêu cầu kỹ thuật cao, có sơ suất nhỏ, thiếu chuẩn xác công trình bị phá huỷ nhanh gấp nhiều lần, phương pháp hạn chế dùng công nghiệp Tuy nhiên sản xuất hóa chất phân bón phương pháp khác đạt yêu cầu nên cần phải dùng chủ yếu Yêu cầu kỹ thuật điện cực catốt dùng bảo vệ Anốt - Độ bền hóa, bền cao, cấu trúc đồng - Dẫn điện tốt - Tản nhiệt tốt - Ổn định, không thụ động, có khả hạn chế phản ứng phụ xẩy trình làm việc - Không gây độc hại cho môi sinh trình sử dụng - Giá thành thấp 13.5.3 Phương pháp bảo vệ catốt Bảo vệ catốt phương pháp phân cực công trình kim loại đến điện định, điện công trình bảo vệ Khi điện điện cực kim loại chuyển phía âm so với điện ăn mòn hoà tan kim loại hoàn toàn ngừng hẳn, kim loại không bị ăn mòn Phương pháp tiến hành cách sử dụng kim loại có điện âm điện công trình ( anôt hy sinh – protectơ ) sử dụng nguồn điện (bảo vệ trạm catốt) Phần lớn công trình thiết bị công nghiệp làm vật liệu thép, để bảo vệ catốt thép điện bảo vệ tối thiểu công trình phải đạt âm 0,85V so với điện cực Cu/CuSO4, tuỳ thuộc vào môi trường mà điện bảo vệ dịch chuyển phía đủ âm để có hiệu cao Nếu điện thể bảo vệ chưa đạt đủ âm bảo vệ không hoàn toàn, điện âm tốn lượng, hiệu kinh tế không cao Vi cần phải tính toán phân bố để có hiệu chống ăn mòn cao Bảo vệ catốt phương pháp dễ dàng thực hiện, không gây nguy hiểm cho công trình phương pháp nhà kỹ thuật quan tâm sử dụng từ lâu rộng rãi ngành công nghiệp, đặc biệt công nghiệp dầu khí 13.5.3.1 Phương pháp bảo vệ Trạm catôt: Phương pháp dựa sở dùng dòng điện nguồn chiều bên để phân cực catốt cho công trình kim loại cần bảo vệ - thực cách nối cực âm nguồn điện chiều với kim loại cần bảo vệ cực dương với điện cực anốt phụ Khi kim loại cần bảo vệ không bị ăn mòn thời gian bảo vệ Điện cực anốt thường dùng vật liệu kim loại bền ăn mòn Đối với công trình ngầm bắt buộc phải bảo vệ phương pháp điện hoá, phương pháp thiếu việc bảo vệ công trình ngầm công nghiệp 37 Sơ đồ nguyên tắc bảo vệ dòng điện hình 13.2 Hình Bảo vệ công trình trạm catốt 13.5.3.2 Phương pháp bảo vệ thiết bị protectơ (anốt hy sinh) Cơ sở hóa lý: Phương pháp thực cách nối kim loại cần bảo vệ với kim loại khác có điện âm Kim loại có điện âm gọi anôt hy sinh Protectơ Vật liệu làm protectơ thường hợp kim Nhôm, Kẽm, Magiê Khi lắp đặt vào công trình, nhờ có chênh lệch điện protectơ kim loại cần bảo vệ mà tạo thành cặp pin, anốt hy sinh bị hoà tan, công trình kim loại bảo vệ Sơ đồ nguyên lý bảo vệ thiết bị kim loại protectơ theo hình 38 Hình… Sơ đồ nguyên lý bảo vệ thiết bị protectơ Đường cong phân cực bảo vệ kim loại protector hình Vật liệu anôt Protector cần có độ bền hóa nhỏ, không thụ động, cấu trúc pha đồng nhỏ mịn Giữa pha chênh lệch điện để giảm tự hòa tan vật liệu anôt Yêu cầu đặc biệt vật liệu làm điện cực anôt hòa tan phải có điện đủ âm, có khả sinh dòng điện ổn định nối vào hệ thống bảo vệ Vì chế tạo vật liệu kim loại làm điện cực hoà tan phải quan tâm đến thành phần nguyên tố tạo hợp kim cấu trúc chúng Muốn phải chọn nguyên tố làm vật liệu tạo hợp kim với nguyên tố khác để có điện đủ âm Vật liệu làm điện cực nối ghép vào hệ thống bảo vệ bị tan sinh dòng điện chiều môi trường chất điện ly để bảo vệ công trình khỏi bị phá huỷ Vì có tên gọi vật liệu anôt hy sinh 13.5.3.2 Vật liệu điện cực anốt hy sinh- Protector Các loại vật liệu anốt hy sinh cần đáp ứng yêu cầu sau đây: - Có điện đủ âm ổn định suốt trình làm việc - Có khả sinh dòng điện đủ lớn ổn định - Ít bị phân cực không thụ động, hòa tan sau thời gian làm việc - Dung lượng hiệu suất sản dòng lớn - Không gây phản ứng phụ độc hại, nguy hiểm cho môi sinh Giá thành rẻ công nghệ chế tạo đơn giản 39