Công nghệ điện hóa chống bám cặn và chống ăn mòn bằng cách sử dụng dòng điện áp đặt trên các cặp điện cực anode đồng và nhôm. Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, các ion đồng được giải phóng chậm với nồng độ rất nhỏ cho phép ức chế hiệu quả sự phát triển của các sinh vật biển, kiểm soát quá trình đóng cặn bên trong hệ thống đường ống, thiết bị. Bên cạnh đó, các ion nhôm giải phóng vào nước biển hình thành các hydroxide dưới dạng keo phủ lên bề mặt bên trong đường ống và thiết bị, làm giảm đóng cặn và ăn mòn kim loại. Các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy tương ứng với mật độ dòng điện 1,25mA/cm2 đối với điện cực anode đồng và 1,5mA/cm2 đối với điện cực anode nhôm, hệ thống làm mát bằng nước biển có thể được bảo vệ hiệu quả chống lại sự đóng cặn của các vi sinh vật biển và ăn mòn kim loại.
CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ NGHIÊN CŇU ïÁNH GIÁ HIũU QUă CƠNG NGHũ ïIũN HĨA NHŒM CHůNG BÁM CŕN VÀ CHůNG õN MÒN CHO Hũ THůNG LÀM MÁT BŒNG NóĽC BIŧN PGS TS Nguyễn Thị Lê Hiền, KS Lê Thị Hồng Giang ThS Nguyễn Xuân Trường, ThS Phan Cơng Thành Viện Dầu khí Việt Nam Email: hienntl@vpi.pvn.vn Tóm tắt Cơng nghệ điện hóa chống bám cặn chống ăn mòn cách sử dụng dòng điện áp đặt cặp điện cực anode đồng nhôm Dưới tác dụng dòng điện chiều, ion đồng giải phóng chậm với nồng độ nhỏ cho phép ức chế hiệu phát triển sinh vật biển, kiểm sốt q trình đóng cặn bên hệ thống đường ống, thiết bị Bên cạnh đó, ion nhơm giải phóng vào nước biển hình thành hydroxide dạng keo phủ lên bề mặt bên đường ống thiết bị, làm giảm đóng cặn ăn mòn kim loại Các kết nghiên cứu thu cho thấy tương ứng với mật độ dòng điện 1,25mA/cm2 điện cực anode đồng 1,5mA/cm2 điện cực anode nhôm, hệ thống làm mát nước biển bảo vệ hiệu chống lại đóng cặn vi sinh vật biển ăn mòn kim loại Từ khóa: Cơng nghệ điện hóa, chống bám cặn, chống ăn mòn Mở đầu Trong cơng trình dầu khí, hệ thống làm mát nước biển có nguy ăn mòn lớn chứa hàm lượng ion clorua cao, gây xâm thực mạnh Bên cạnh q trình ăn mòn, q trình đóng cặn vơ vi sinh vật biển đeo bám, phát triển dẫn đến nguy tắc nghẽn hệ thống dẫn, tăng tải trọng hệ thống bơm, gia tăng q trình ăn mòn phá hủy vật liệu, dẫn đến tăng chi phí vận hành bảo dưỡng, giảm tuổi thọ hệ thống Do đó, nước làm mát, nước cứu hỏa nhà máy, nước bơm ép giàn khai thác, nước ballast cần phải xử lý trước sử dụng Các hóa phẩm truyền thống chứa chlorine như: sodium hypochlorite (NaClO), nước chlorine, chlorine khí sử dụng rộng rãi cơng nghiệp nói chung ngành dầu khí nói riêng, giúp diệt khuẩn, ngăn chặn phát triển vi sinh vật nước biển, hạn chế trình đóng cặn bên đường ống, thiết bị [1] Tuy nhiên, hóa phẩm chủ yếu chất oxy hóa mạnh, độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe người môi trường sinh thái, gây ăn mòn đường ống thiết bị, đặc biệt sử dụng nồng độ cao Để khắc phục hạn chế sử dụng hóa phẩm chứa chlorine, cơng nghệ điện hóa nghiên cứu áp dụng, cho phép diệt vi khuẩn, chống bám cặn giảm thiểu ăn mòn bên đường ống thiết bị kim loại với hiệu cao Cơng nghệ có chi phí đầu tư thiết bị cao 74 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 so với phương pháp bơm hóa phẩm, vận hành đơn giản, giúp giảm thiểu chi phí mua, vận chuyển lưu giữ hóa phẩm, khơng gây nhiễm mơi trường đảm bảo an tồn cho người vận hành Cơng nghệ điện hóa sử dụng dòng điện áp đặt với điện cực anode đồng nhơm Dưới tác dụng dòng điện chiều, ion đồng giải phóng từ từ với nồng độ nhỏ cho phép ức chế hiệu phát triển sinh vật biển, kiểm sốt q trình đóng cặn bên hệ thống đường ống, thiết bị Các ion nhơm giải phóng vào nước biển hình thành hydroxide có tính kiềm, đóng vai trò chất trung hòa, kết hợp với ion H+ có mơi trường, ức chế q trình ăn mòn Hydroxide hình thành dạng keo tự nhiên phủ lên bề mặt bên đường ống thiết bị, làm giảm xu hướng đóng cặn Bài báo giới thiệu kết khảo sát đặc tính điện cực đồng, nhơm, qua đánh giá hiệu cơng nghệ điện hóa sử dụng để chống bám cặn hạn chế ăn mòn kim loại nước biển Thực nghiệm 2.1 Chuẩn bị nghiên cứu - Mẫu anode: Nhóm tác giả chọn đồng nhơm có độ tinh khiết khác làm vật liệu anode nghiên cứu (Bảng 1) Các mẫu anode sử dụng nghiên cứu phòng thí nghiệm chế tạo dạng hình trụ, xung PETROVIETNAM quanh đổ epoxy cho diện tích làm việc khơng đổi 2,46cm2 - Hệ điện hóa: Các phép đo điện hóa nghiên cứu đặc tính điện cực (đồng, nhôm) tiến hành thiết bị điện hóa Parstat 2273 (Mỹ) bình điện hóa hệ điện cực chứa dung dịch nghiên cứu: + Điện cực làm việc: Là mẫu đồng nhơm có độ tinh khiết khác nhau; + Điện cực so sánh: Điện cực calomel bão hòa KCl (Hg/Hg2Cl2/KClbh); + Điện cực đối: Điện cực lưới platin (Pt) có kích thước x (cm); + Dung dịch nghiên cứu: Nước biển nhân tạo, chuẩn bị theo tiêu chuẩn ASTM D 1141 [2] Ngoài nghiên cứu đặc tính điện cực so sánh với kết thu nước biển làm mát Nhà máy Lọc dầu Dung Quất cho phép khẳng định khả ứng dụng thực tế cơng nghệ điện hóa cho môi trường nước biển khác Các thử nghiệm khảo sát đặc tính chống bám cặn chống ăn mòn cơng nghệ điện hóa tiến hành bình điện hóa hệ cực với điện cực anode đồng nhôm, điện cực cathode thép, sử dụng phương pháp dòng áp đặt nước biển nhân tạo Các kết thử nghiệm so sánh với kết thử nghiệm nước biển nhân tạo xử lý hóa phẩm truyền thống hypochlorite với nồng độ 2,6ppm, tương đương với hàm lượng bơm hóa phẩm thực tế Nhà máy Lọc dầu Dung Quất Bảng Thành phần vật liệu điện cực Đồng Cu-01 Cu > 99% Nhôm Cu-02 Cu > 98% Al-01 Al > 99,8% Al-02 Al > 98% 2.2 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp điện hóa đo điện mạch hở theo thời gian (OCP), đo đường cong phân cực để nghiên cứu đặc tính anode lựa chọn Các tín hiệu thu được lưu giữ máy tính xử lý phần mềm chuyên dụng Để đánh giá hiệu chống đóng cặn chống ăn mòn, phương pháp khối lượng mẫu coupon thép áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM D4778 [3] ASTM G1 [4] Nồng độ ion kim loại (Cu2+, Al3+) trình thử nghiệm phân tích chuẩn độ quang học thiết bị UV-vis (tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Ứng dụng Chuyển giao Cơng nghệ - Viện Dầu khí Việt Nam) Bề mặt mẫu coupon thép trước sau thử nghiệm quan sát trực quan, quan sát kính hiển vi kim tương phân tích hình thái học bề mặt kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phân tích thành phần phổ tán xạ lượng tia X (EDS) Kết thảo luận 3.1 Nghiên cứu đặc tính vật liệu điện cực đồng nhôm Điện mạch hở (OCP) kim loại nghiên cứu theo thời gian so với điện cực so sánh calomel thể Hình Các phản ứng hòa tan kim loại nước biển xảy theo chế ăn mòn điện hóa mơ tả sau: - Phản ứng anode: Đối với nhôm: Al - 3e- ĺ Al3+ Eo = -1,66V (1) Đối với đồng: Cu - 2e- ĺ Cu2+ Eo = +0,34V (2) 0,0 Cu 01 -0,2 Cu 02 E (V/SCE) -0,4 -0,6 -0,8 Al 01 -1,0 Al 02 -1,2 -1,4 2000 4000 6000 8000 10000 Thời gian (giây) 12000 Hình Điện mạch hở đồng nhôm theo thời gian nước biển nhân tạo Phản ứng cathode: O2 + H2O + 4e- ĺ 4OH- Eo = +0,40V (3) Phản ứng hòa tan kim loại phụ thuộc vào chất tự nhiên kim loại Khi kim loại tinh khiết, điều kiện tiêu chuẩn (25oC, hoạt độ ion kim loại môi trường điện ly 1M), phản ứng ăn mòn xảy với nhôm đồng Tuy nhiên, chênh lệch điện tiêu chuẩn phản ứng oxy hóa đồng phản ứng khử oxy hòa tan gần (phản ứng (2) (3)), nên tùy thuộc vào q trình kim loại, có nhiều trường hợp phản ứng ăn mòn đồng khơng xảy mơi trường nước biển DpU KHÍ - SӔ 1/2016 75 CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ 10 0,1 Al 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 Đặc tính điện hóa kim loại đồng nhôm nước biển nhân tạo nghiên cứu đường cong phân cực khoảng điện quét từ -1,5V/SCE đến +1,5V/SCE, tương ứng với điện dịch chuyển từ vùng cathode sang vùng anode kim loại Tốc độ ăn mòn xác định sở đường cong phân cực dạng Tafel (Hình 2) 1E-8 -1,5 76 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 -0,5 0,0 E (V/SCE) 0,5 1,0 1,5 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0,0345 0,0559 0,1162 0,0962 Hình Đường cong phân cực dạng Tafel mẫu nhôm, đồng (các nét liền ( _): mẫu 01; nét đứt (_ _ _ _): mẫu 02) E (V vs SCE) 0,0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7 -0,8 -0,9 -1,0 -1,1 -1,2 -1,3 10mA/cm 1,5mA/cm2 0,2mA/cm2 10mA/cm 1,5mA/cm2 0,2mA/cm2 500 1000 1500 2000 2500 Thời gian (giây) 3000 3500 4000 E (V vs SCE) Trong dung dịch nước biển nhân tạo 0,0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7 -0,8 -0,9 -1,0 -1,1 -1,2 -1,3 10mA/cm 1,5mA/cm2 0,2mA/cm2 10mA/cm 1,5mA/cm2 0,2mA/cm2 Điện phản hồi theo thời gian dòng áp đặt thu điện cực nhôm đồng phù hợp với kết khảo sát đường cong phân cực, cho phép khẳng định độ tin cậy kết khảo sát Tại dòng điện áp -1,0 Điện cực Al - 01 Al - 02 Cu - 01 Cu - 02 3.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phóng điện điện cực Tốc độ phóng điện anode (q trình hòa tan kim loại) điện cực phụ thuộc vào cường độ dòng điện áp đặt diện tích điện cực Hình thể biến thiên điện theo thời gian điện cực đồng nhơm Kết thu cho thấy dòng điện áp đặt khoảng 0,2 - 10mA/cm2, điện cực nhanh chóng đạt giá trị điện ổn định nằm khoảng điện phóng điện kim loại Điện phản hồi thu trường hợp thấp nhiều so với điện phóng điện nước, cho phép dự đốn hiệu phóng điện điện cực kim loại tương đối cao Điện điện cực nhơm ngun chất có khác biệt tương đối lớn so với điện điện cực hợp kim nhơm Nhơm ngun chất có điện phản hồi cao so với hợp kim nhôm điện áp đặt, chứng tỏ trở kháng cao Dưới tác động dòng anode, bề mặt nhơm ngun chất có khả hình thành màng thụ động, anode hóa ngăn cản q trình hòa tan kim loại nên điện phản hồi thu cao Khi theo dõi điện theo thời gian mật độ dòng điện 10mA/cm2, điện có xu hướng tăng dần theo thời gian áp đặt dòng Hiện tượng màng anode hóa nhơm hình thành bị phá hủy mơi trường nước muối nhân tạo nguyên nhân điện phản hồi khơng ổn định (Hình 3) Cu 0,01 I (A/cm 2) Kết theo dõi điện mạch hở mẫu kim loại theo thời gian ngâm mẫu nước biển nhân tạo cho thấy, điện mạch hở kim loại dần đạt đến trạng thái ổn định Điện nhôm âm (-) so với điện đồng Các giá trị điện mạch hở thu phù hợp với điện tiêu chuẩn nhôm đồng, cho thấy điều kiện nhiệt độ thường, nhơm có khả ăn mòn (tự hòa tan) mơi trường nước biển nhân tạo kim loại đồng có điện dương hơn, bền ăn mòn 500 1000 1500 2000 2500 Thời gian (giây) 3000 3500 4000 Trong nước biển làm mát Nhà máy Lọc dầu Dung Quất Hình Quan hệ điện - thời gian mật độ dòng điện khác mẫu nhôm Al-01 ( _), Al-02 (_ _ _ _) PETROVIETNAM đặt, nhơm có điện âm (-) hơn, tương ứng với trở kháng hòa tan kim loại thấp đồng So với nước biển nhân tạo, đường cong điện dòng điện áp đặt theo thời gian nước biển làm 0,3 3.3 Đánh giá hiệu chống bám cặn chống ăn mòn phòng thí nghiệm cơng nghệ điện hóa 0,2 3.3.1 Xác định hiệu chống bám cặn có mặt ion đồng nhơm 10mA/cm 0,1 E (V vs SCE) mát Nhà máy Lọc dầu Dung Quất khơng có khác biệt lớn Điều cho phép khẳng định kết nghiên cứu khảo sát nước biển nhân tạo áp dụng nước biển làm mát Nhà máy Lọc dầu Dung Quất nước biển vùng khác 0,0 Hiệu chống bám cặn có mặt ion đồng nhôm nồng độ khác thử nghiệm phương pháp khối lượng nước biển nhiệt độ 40oC sau tuần thử nghiệm Khối lượng cặn kết tủa bề mặt mẫu thử nghiệm thể Hình 1,5mA/cm2 -0,1 0,2mA/cm2 -0,2 -0,3 500 1000 1500 2000 2500 3000 Thời gian (giây) 3500 4000 Trong dung dịch nước biển nhân tạo 0,3 Để so sánh với phương pháp bơm hóa phẩm truyền thống, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm tương tự điều kiện nước biển bổ sung hypochlorite 2,6ppm thay ion đồng nhôm, khối lượng cặn bám bề mặt thu 52,03mg 0,2 E (V vs SCE) Theo Hình 5, với nồng độ đồng ≥ 12,5μg/l nồng độ nhôm ≥ 4μg/l nước biển cho phép giảm thiểu tối đa lượng cặn bám bề mặt mẫu thử nghiệm khối lượng cặn bám bề mặt nhỏ so với phương pháp bơm hóa phẩm hypochlorite truyền thống 10mA/cm 0,1 0,0 1,5mA/cm2 -0,1 0,2mA/cm2 -0,2 3.3.2 Đánh giá hiệu chống bám cặn công nghệ điện hóa -0,3 500 1000 1500 2000 2500 Thời gian (giây) 3000 3500 4000 Trong nước biển làm mát Nhà máy Lọc dầu Dung Quất Hình Quan hệ điện - thời gian mật độ dòng điện khác mẫu đồng Cu-01 ( _), Cu-02 (_ _ _ _) Nhóm tác giả xác định hiệu chống bám cặn công nghệ điện hóa phòng thí nghiệm cách theo dõi hàm lượng ion đồng nhơm hình thành dung dịch thử nghiệm q trình áp đặt dòng điện Để chống bám cặn hiệu quả, khơng gây lãng phí kim loại nhiễm mơi trường lượng ion kim loại tồn dư, cần phải khống chế nồng độ ion đồng mức 12,5μg/l ion nhôm 4μg/l Do đó, việc khảo sát dòng điện chiều (DC) áp đặt, phân tích khối lượng anode hòa tan nồng độ ion kim loại dung dịch nghiên cứu cho phép đánh giá hiệu chống bám cặn phương pháp điện hóa Kết phân tích thành phần đồng, nhơm nước biển mật độ dòng điện khác theo điện tích qua điện cực thể Hình Hình Khối lượng cặn bám mẫu thử nghiệm nước biển nhiệt độ 40oC với có mặt ion đồng nhơm nồng độ khác Trong khoảng dòng điện áp đặt từ 0,2 - 10mA/cm2, q trình hòa tan anode kim loại xảy Tại điện lượng đơn vị thể tích, với mật độ dòng DpU KHÍ - SӔ 1/2016 77 CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ Mẫu Cu-01 Mẫu Cu-02 Hình Nồng độ đồng nước biển nhân tạo theo điện lượng chạy qua anode đồng mật độ dòng điện khác Mẫu Al-01 Mẫu Al-02 Hình Nồng độ nhôm nước biển nhân tạo theo điện lượng chạy qua anode nhơm mật độ dòng điện khác điện áp đặt nhỏ, q trình hòa tan điện hóa kim loại xảy chậm, hiệu suất chưa cao Khi tăng mật độ dòng điện, q trình hòa tan kim loại tăng, nồng độ ion kim loại dung dịch tăng lên Khi mật độ dòng lớn, phần điện tích cung cấp cho phản ứng oxy hóa nước xảy nên hiệu suất dòng điện giảm, nồng độ ion kim loại dung dịch lại thấp so với mật độ dòng điện nhỏ Các điện cực đồng nhơm có độ tinh khiết khác khơng có khác biệt lớn hiệu suất hòa tan nồng độ ion kim loại dung dịch Tuy nhiên kim loại có tạp chất, lượng tạp chất hòa tan ảnh hưởng khơng tốt tới hệ thống Các điện cực đồng có độ tinh khiết cao khuyến cáo sử dụng Sự hình thành màng anode hóa điện cực nhơm dẫn đến thụ động bề mặt kim loại Do đó, nhóm tác giả lựa chọn hợp kim nhơm kẽm cho phép cải thiện đặc tính điện hóa điện cực tăng hiệu suất dòng điện hòa tan Hình cho thấy khoảng mật độ dòng điện cho hiệu suất cao sau: 78 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 - Đối với đồng: 1,2mA/cm2 < Mật độ dòng điện < 5mA/cm2 - Đối với nhơm: 1,5mA/cm2 < Mật độ dòng điện < 2mA/cm2 Tùy thuộc vào lưu lượng dòng chảy, tính tốn thiết kế số lượng, khối lượng anode cường độ dòng điện tương ứng đáp ứng yêu cầu nồng độ ion dung dịch theo phương trình (4): M = (Q x C x tlife x T/1.000) x n Trong đó: M: Khối lượng điện cực (kg); Q: Lưu lượng dòng chảy (m3/giờ); C: Nồng độ ion kim loại (mg/l); tlife: Tuổi thọ (năm); T: Số hoạt động năm (giờ/năm); n: Hệ số dự phòng (4) PETROVIETNAM Anode đồng Cu-01 Anode đồng Cu-02 Anode nhơm Al-01 Anode nhơm Al-02 Hình Hình thái học bề mặt điện cực sau thử nghiệm áp đặt dòng anode Bảng Kết thử nghiệm ăn mòn thép carbon thấp phương pháp khối lượng sau tháng ngâm mẫu TT Tốc độ ăn mòn (mm/năm) 0,327 0,451 0,308 Điều kiện thử nghiệm Dung dịch thử nghiệm: Nước biển Dung dịch thử nghiệm: Nước biển xử lý hypochlorite nồng độ 2,6ppm Dung dịch thử nghiệm: Nước biển chứa ion đồng nồng độ 12,5μg/l ion nhôm nồng độ 4μg/l Dung dịch thử nghiệm: Nước biển xử lý cơng nghệ điện hóa Anode: Đồng nhôm Cathode: Mẫu thép thử nghiệm Các kết nghiên cứu kiểm chứng khẳng định kết thử nghiệm hệ thống pilot nghiên cứu Hiệu chống bám cặn kết tủa hợp chất vô bề mặt kim loại quan sát nghiên cứu hình thái học bề mặt phân tích thành phần mẫu thép ngâm thử nghiệm nước biển chứa ion đồng nồng độ 12μg/l nhơm nồng độ 4μg/l Hình thái học bề mặt mẫu điện cực sau thử nghiệm thể Hình Quan sát bề mặt mẫu đồng nhơm sau thử nghiệm cho thấy mẫu hòa tan áp đặt điện anode mức độ hòa tan tăng dần theo thời gian Đối với điện cực đồng không quan sát khác biệt rõ rệt mẫu kim loại có độ tinh khiết khác nhau, mẫu hòa tan đồng bề mặt kim loại Đối với điện cực nhôm, mẫu điện cực Al-02 hòa tan tương đối đồng tồn diện tích bề mặt, điện cực Al-01 lại xảy q trình hòa tan cục bộ, tạo điểm ăn mòn tròn phân bố rải rác bề mặt điện cực +/-0,001 3.3.3 Đánh giá hiệu chống ăn mòn Các mẫu thép thử nghiệm ăn mòn theo phương pháp khối lượng dung dịch nước biển xử lý chống bám cặn cơng nghệ điện hóa chứa ion đồng nồng độ 12,5μg/l ion nhôm nồng độ 4μg/l Các kết tốc độ ăn mòn thu được so sánh với kết tốc độ ăn mòn thử nghiệm nước biển sử dụng hóa phẩm chống bám cặn hypochlorite Bảng Kết thử nghiệm ăn mòn cho thấy khơng có dòng điện, có mặt ion đồng nhôm nước biển không làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại mà có xu hướng làm giảm tốc độ ăn mòn so với mẫu thử nghiệm môi trường nước biển Hiện tượng có mặt ion đồng dung dịch nước muối thử nghiệm tạo lớp mạ đồng hóa học bề mặt thép ngăn cản nhiều trình ăn mòn xảy Trong đó, mẫu thép thử nghiệm nước biển bổ sung hypochlorite nồng độ 2,6ppm có tốc độ ăn mòn tăng đáng kể so với trường hợp mẫu thép thử nghiệm mơi trường nước biển Ngun nhân DpU KHÍ - SӔ 1/2016 79 CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ Hình Phân tích SEM EDS bề mặt mẫu thép thử nghiệm nước biển Hình 10 Phân tích SEM EDS bề mặt mẫu thép thử nghiệm nước biển bổ sung hypochlorite 2,6ppm Hình 11 Phân tích SEM EDS bề mặt mẫu thép thử nghiệm nước biển chứa ion đồng nồng độ 12,5μg/l ion nhơm nồng độ 4μg/l hypochlorite chất oxy hóa mạnh làm gia tăng cathode nên kim loại không bị ăn mòn, tổn hao khối lượng chlorine dung dịch, dẫn đến trình ăn lượng trường hợp khơng đáng kể, chênh mòn cục xảy mạnh Trong trường hợp nước lệch khối lượng trước sau thử nghiệm nằm biển xử lý cơng nghệ điện hóa, tác dụng sai số phép cân, khẳng định mẫu thử dòng điện, mẫu thép thử nghiệm đóng vai trò nghiệm chưa bị ăn mòn 80 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 PETROVIETNAM Hình 12 Phân tích SEM EDS bề mặt mẫu thép thử nghiệm nước biển xử lý cơng nghệ điện hóa với điện cực anode đồng nhôm Trong nước biển Trong nước biển bổ sung hypochlorite nồng độ 2,6ppm Trong nước biển chứa ion đồng nồng độ 12,5μg/l ion nhôm nồng độ 4μg/l Trong nước biển xử lý cơng nghệ điện hóa, điện cực anode đồng nhơm Hình 13 Hình thái học bề mặt mẫu thép sau tháng thử nghiệm ăn mòn điều kiện khác Hình - 12 kết phân tích hình thái học bề mặt phân tích thành phần sản phẩm ăn mòn thép tạo thành nước biển không chứa chứa tác nhân chống bám cặn, kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phổ tán xạ lượng tia X (EDS) Các mẫu sau thử nghiệm loại bỏ hết sản phẩm ăn mòn bề mặt quan sát hình thái học bề mặt thép trần sau tháng thử nghiệm kính hiển vi điện tử qt (SEM) (Hình 13) Khi chưa có dòng điện chạy qua, mẫu thép thử nghiệm có tượng ăn mòn DpU KHÍ - SӔ 1/2016 81 CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ kim loại theo chế ăn mòn cục bộ, song mức độ khơng giống Các mẫu thép thử nghiệm nước biển bổ sung hypochlorite nồng độ 2,6ppm có ăn mòn cục rõ nhất, lỗ ăn mòn bề mặt sâu rộng so với mẫu thử nghiệm môi trường nước biển nước biển chứa ion đồng nhôm Trong trường hợp thử nghiệm nước biển xử lý cơng nghệ điện hóa, mẫu thép thử nghiệm đóng vai trò làm cathode nên bề mặt đồng nhất, chưa thấy xuất hiện tượng ăn mòn 3.4 Thử nghiệm pilot đánh giá hiệu chống ăn mòn chống bám cặn Hệ thống thử nghiệm pilot chống đóng cặn chống ăn mòn thiết kế theo sơ đồ Hình 14, gồm bể chứa (khơng thể hình), chứa nguồn nước biển bơm tuần hoàn vào bể xử lý (1) (sea chest) thông qua bơm (7) Bể xử lý lắp đặt hệ thống điện cực đồng - nhôm nối với cực dương (+) nguồn điện chiều Hình 14 Sơ đồ hệ thiết bị mơ chống đóng cặn chống ăn mòn Hình 15 Nồng độ ion đồng nhơm theo thời gian mật độ dòng điện khác q trình thử nghiệm chống đóng cặn cơng nghệ điện hóa 82 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 PETROVIETNAM (4) Dưới tác dụng dòng điện anode, ion đồng nhơm hòa tan cung cấp ion đồng ion nhôm cho nước biển cho phép diệt khuẩn, chống bám cặn chống ăn mòn cho đường ống học bề mặt trước sau thời gian thử nghiệm Ngoài ra, mẫu nước biển nhân tạo lấy phân tích hàm lượng đồng nhôm theo thời gian cho phép đánh giá hiệu chống đóng cặn Sử dụng mẫu coupon để đánh giá khả chống ăn mòn chống đóng cặn vô hệ thống Mẫu thép coupon nối với cực âm biến áp chỉnh lưu theo dõi tốc độ ăn mòn khả chống bám cặn nước biển nhiệt độ 40oC lưu lượng dòng chảy 30l/ phút phương pháp khối lượng quan sát hình thái Để so sánh khả chống bám cặn chống ăn mòn cơng nghệ điện hóa với cơng nghệ truyền thống, thử nghiệm tương tự điều kiện tiến hành hệ thiết bị pilot khơng có dòng điện chạy qua nước biển nhân tạo bơm hóa phẩm hypochlorite với nồng độ chlorine 2,6ppm Kết phân tích nồng độ ion kim loại nước biển q trình thử nghiệm cơng nghệ điện hóa chống bám cặn hệ thiết bị pilot theo thời gian cho kết Hình 15 Kết thử nghiệm hệ thống pilot cho thấy với mật độ dòng điện qua điện cực đồng iCu ≥ 1,2mA/cm2 mật độ dòng điện qua điện cực nhơm iAl ≥ 1,5mA/cm2 cho nồng độ ion đồng ổn định giá trị ≥ 12,5μg/l nồng độ ion nhôm ổn định giá trị ≥ 4μg/l sau khoảng 25 phút thử nghiệm Hình 16 Tốc độ ăn mòn trung bình mẫu coupon sau 15 ngày thử nghiệm Tốc độ ăn mòn trung bình mẫu coupon sau Trước thử nghiệm Sau thử nghiệm Sau tẩy sản phẩm ăn mòn Quan sát kính hiển vi kim tương (độ phóng đại 100 lần) Nước biển Nước biển + 2,6ppm Cl2 Hình 17 Bề mặt mẫu thử nghiệm ăn mòn hệ thống pilot Nước biển + cơng nghệ điện hóa DpU KHÍ - SӔ 1/2016 83 CƠNG NGHũ - CƠNG TRÌNH DŜU KHÍ Hình 18 Ảnh SEM EDS bề mặt mẫu thử nghiệm nước biển Hình 19 Ảnh SEM EDS bề mặt mẫu thử nghiệm nước biển bổ sung hypochlorite nồng độ 2,6ppm Hình 20 Ảnh SEM EDS bề mặt mẫu thử nghiệm nước biển xử lý cơng nghệ điện hóa 15 ngày thử nghiệm nước biển, nước biển bổ sung Hình thái học bề mặt mẫu coupon trước hóa phẩm hypochlorite nồng độ 2,6ppm nước biển sau thử nghiệm ăn mòn (Hình 17) Các mẫu xử lý phương pháp điện hóa thể ngâm nước biển nước biển bổ sung Hình 16 hypochlorite nồng độ 2,6ppm bị ăn mòn bề mặt, lớp sản phẩm ăn mòn có màu đỏ nâu; ảnh kính hiển Các kết thử nghiệm ăn mòn hệ thống pilot vi kim tương với độ phóng đại 100 lần cho phép quan cho phép khẳng định sử dụng cơng nghệ điện hóa hạn sát rõ lỗ ăn mòn xuất khắp bề mặt Các chế đáng kể q trình ăn mòn kim loại mẫu coupon thử nghiệm trình xử lý cặn 84 DpU KHÍ - SӔ 1/2016 PETROVIETNAM phương pháp điện hóa có bề mặt đồng nhất, chưa xuất hiện tượng ăn mòn Quan sát hình thái học bề mặt kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phân tích thành phần phổ tán xạ lượng tia X (EDS) bề mặt mẫu coupon sau thử nghiệm (Hình 18 - 20) khẳng định khả hạn chế ăn mòn chống đóng cặn cơng nghệ điện hóa Các mẫu coupon thử nghiệm nước biển nước biển bổ sung hypochlorite nồng độ 2,6ppm có lớp sản phẩm ăn mòn dày xốp bề mặt mẫu Ngoài nguyên tố Fe kim loại nền, thành phần sản phẩm ăn mòn chứa nguyên tố Mg, Ca chứng tỏ nguy đóng cặn vơ bề mặt kim loại Ngược lại, mẫu coupon thử nghiệm q trình xử lý cơng nghệ điện hóa khơng xuất sản phẩm ăn mòn, thành phần bề mặt Fe chứng tỏ kim loại chưa bị ăn mòn, chưa thấy tượng đóng cặn bề mặt mẫu Kết luận Cơng nghệ điện hóa sử dụng điện cực anode đồng nhơm với mật độ dòng điện áp 1,2mA/cm2 đồng 1,5mA/cm2 nhôm cho phép chống bám cặn chống ăn mòn bên đường ống dẫn nước biển hiệu Ưu điểm phương pháp tạo ion đồng nhôm hoạt hóa nước biển trường với hệ thống trang thiết bị điện hóa gọn nhẹ, chi phí vận hành thấp, khơng gây nhiễm mơi trường không ảnh hưởng đến công nghệ nhà máy, thay cho phương pháp bơm hóa phẩm truyền thống Tài liệu tham khảo E.Nebot, J.F.Casanueva, T.Casanueva, M.M.Fernández-Bastón, D.Sales In situ experimental study for the optimization of chlorine dosage in seawater cooling systems Applied Thermal Engineering 2006; 26(16): p 1893 - 1900 ASTM International Standard practice for the preparation of substitute ocean water ASTM D1141-98 2013 ASTM International Standard test method for determination of corrosion and fouling tendency of cooling water under heat transfer conditions ASTM D4778-10 2010 ASTM International Standard practice for preparing, cleaning, and evaluating corrosion test specimens ASTM G1-03 2011 Electrochemical technology against fouling and corrosion for seawater cooling system Nguyen Thi Le Hien, Le Thi Hong Giang Nguyen Xuan Truong, Phan Cong Thanh Vietnam Petroleum Institute Email: hienntl@vpi.pvn.vn Summary Electrochemical technology against fouling and corrosion uses an impressed current on copper and aluminum anode pairs Under the effect of direct current, the copper ions are released slowly with a very small concentration, which can effectively prevent the growth of marine organisms and control the fouling process inside the pipeline and device systems Besides, the aluminum ions are released into sea water to form hydroxide, which creates floc and will cover the internal surfaces of pipes to suppress settling and corrosion The obtained study results show that with a current density of 1.25mA/cm2 for copper anode and 1.5mA/cm2 for aluminum anode, the seawater cooling system can be effectively protected against bio-fouling and corrosion Key words: Electrochemical technology, anti-fouling, anti-corrosion DpU KHÍ - SӔ 1/2016 85 ... cơng nghệ điện hóa cho mơi trường nước biển khác Các thử nghiệm khảo sát đặc tính chống bám cặn chống ăn mòn cơng nghệ điện hóa tiến hành bình điện hóa hệ cực với điện cực anode đồng nhôm, điện. .. đường cong điện dòng điện áp đặt theo thời gian nước biển làm 0,3 3.3 Đánh giá hiệu chống bám cặn chống ăn mòn phòng thí nghiệm cơng nghệ điện hóa 0,2 3.3.1 Xác định hiệu chống bám cặn có mặt... mặt điện cực +/-0,001 3.3.3 Đánh giá hiệu chống ăn mòn Các mẫu thép thử nghiệm ăn mòn theo phương pháp khối lượng dung dịch nước biển xử lý chống bám cặn công nghệ điện hóa chứa ion đồng nồng độ