Nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong môi trường nước mặn tại hiện trường - TS. Nguyễn Đình Tân

Thành phần hóa học thép, tính chất cơ học thép kết cấu, hình thức và độ bền ăn mòn thép kết cấu, sản phẩm ăn mòn là những nội dung chính trong bài viết Nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong môi trường nước mặn tại hiện trường. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN ĂN MÒN THÉP KẾT CẤU TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC MẶN TẠI HIỆN TRƯỜNG TS Nguyễn Đình Tân Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Cửa van thép cơng trình thuỷ lợi ven biển có tuổi thọ không cao Nguyên nhân hư hỏng chủ yếu ăn mòn Vật liệu kết cấu thép cửa van đa dạng thép bon, thép bền khí quyển, thép khơng rỉ… Tuy nhiên đến thiếu tài liệu độ bền ăn mòn thép kết cấu môi trờng nước mặn làm sở cho việc lựa chon vật liệu thích hợp thiết kế chế tạo cửa van vùng triều Báo cáo sau trình bày số kết nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trường cống Trà Linh Diêm Điền, Thái Thuỵ, Thái Bình I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong 100 năm qua, hàng ngàn cơng trình thủy lợi đẵ xây dưng dọc theo 3000 km bờ biển nước ta với nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ đảm bảo giao thông thủy Trong điều kiện làm việc vừa chịu tải trọng làm việc nặng nề, vừa chịu tác dung xâm thực trực tiếp môi trường nước mặn làm cho số phận kết cấu thép bị hư hỏng ăn mòn Tuổi thọ hệ thống cửa van vùng mặn thấp làm ảnh hưởng đến hiệu khai thác cơng trình [1,2] Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình ăn mòn cửa van: + Kết cấu cấu tạo kết cấu chưa hợp lý + Sử dụng vật liệu kết cấu thép chưa hợp lý + Hiệu phương pháp chống ăn mòn kết cấu thép cửa van chưa cao Vật liệu thép chế tạo cửa van phong phú thay đổi qua thời kỳ Các kết khảo sát trạng làm việc cửa van cơng trình Thủy lợi cho thấy vật liệu thép kết cấu có ảnh hưởng lớn dến tuổi thọ cửa van Tuy nhiên, chưa có nhiều tài liệu độ bền ăn mòn thép kết cấu cửa van môi trường nước lợ làm sở cho việc lưa chọn thép kết cấu chế tạo cửa van Vì viêc nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu môi trường nước lợ 130 cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Trong pham vi bài báo tác giả trình bày số kết nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu mơi trường nước mặn trường II NHIỆM VỤ CỤ THỂ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Nhiệm vụ cụ thể - Các kết nghiên cứu độ bền ăn mòn hiên trường sở cho việc lựa chọn vật liệu kết cấu thép thiết kế chế tạo cửa van Do đó, tất các mác thép kết cấu có Việt Nam mác thép sử dụng cơng trình quan tâm thép bon thường (CT3), thép hợp kim thấp 09Mn2Si, thép Pháp, thép vỏ tàu A32, thép không rỉ SUS304 - Việc nghiên cứu tiến hành mơi trường nước mặn vùng ven biển phía Bắc Để đánh giá ảnh hưởng nồng độ môi trường vùng mặn việc thử nghiệm cần tiến hành đồng thời hai vùng có nồng độ NaCl độ dẫn điện khác - Thủy triều có ảnh hưởng lớn q trình ăn mòn kết cấu thép Vì vậy, để đánh giá định lượng ảnh hưởng thủy triều, nghiên cứu độ bền ăn mòn thực đồng thời vùng ngập nước vùng thủy triều 2 Phương pháp thực nghiệm a.Chuẩn bị mẫu: Các mẫu thép kết cấu chế tạo cửa van đươc lấy cơng trình Thủy lợi sở sản xuất: - Mẫu thép Pháp lấy cửa số cơng trình Đập Đáy xây dựng từ năm 1936 - Mẫu thép CT3 lấy cửa số cơng trình Đập Đáy được sửa chữa năm 1972 - Mẫu thép 09Mn2Si, SUS304 lấy tai khe van cửa van nhà máy Thủy điện Sơn La Công ty Cơ Điện Thủy lợi chế tạo - Mẫu thép vỏ tàu lấy công ty Tổng công ty Cơng nghiệp Tàu thuỷ Nam Triệu Thành phần hố học thép trình bày bảng Các mẫu thép gia cơng theo kích thước 100x150x5mm sau gắn lên Composit Các Composit sau gắn lên mặt cửa van trường Bảng Thành phần hóa học thép kết cấu thép kết cấu chế tạo cửa van Nguyên tố % Thép A32 Thép CT3 (Công ty (Đập Đáy) Nam Triệu) Thép Pháp Cửa Đập Đáy Cửa Nhâm Lang Thép Thép không rỉ 09Mn2Si SUS 304 (Cửa xả Sơn La) (Cửa xả Sơn La) C 0.1530 0.1023 0.0391 0.0416 0.1031 0.0377 Si 0.1414 0.6491 0.0004 0.0005 0.5114 0.3582 Mn 0.6191 1.8356 0.7166 0.4638 1.4050 1.5597 P 0.0114 0.0125 0.1033 0.1207 0.0156 0.0229 S 0.0060 0.0033 0.0188 0.0609 0.0165 0.0053 Cr 0.0314 0.0196 0.0115 0.0010 0.0381 19.3180 Ni 0.0290 0.0128 0.0782 0.0184 0.0408 8.3276 Mo 0.0003 0.0010 0.0037 0.0049 0.0163 0.1007 Cu 0.0463 0.0242 0.0396 0.1477 0.0175 0.0301 Ti 0.0022 0.0028 0.0024 0.0022 0.0133 0.0037 Fe 98.8813 97.1502 98.9258 99.0480 97.7400 70.0008 b Địa điểm thời gian thử nghiêm: Qua khảo sát trường tỉnh ven biển phía Bắc chúng tơi chọn cống Trà Linh, Thái Thụy, Thái Bình có cửa van cung độ lớn cách biển km làm địa điểm treo mẫu nghiên cứu , mơi trường nước có độ dẫn điên χ = 22,8 mS/cm cống Diêm Điền, Thái Thụy, Thái Bình có cửa van phẳng độ nhỏ cách biển km có độ mặn cao với độ dẫn điện χ = 29,2 mS/cm Các mẫu thép gắn lên mặt vùng ngập nước vùng thủy triều Thời gian thử nghiêm 6,12, 18 tháng Hình trình bày mẫu thép kết cấu sau gia công gắn lên composit sau gắn lên giá mẫu hàn sẵn mặt cửa van 131 (1)ThÐp CT3 (2)ThÐp A32 (3)ThÐp 09Mn2Si (4)ThÐp Ph¸p (5)ThÐp SUS 304 Hình Các mẫu thép sau gia công gắn lên composit treo trường c Thiết bị đo thí nghiệm: hàm lương Ni, Cr cao (bảng 1) Về tổ chức tế + Thành phần hóa học thép kết cấu xác vi thép Pháp có tổ chức chủ yếu pha Ferit, định máy quang phổ phát xạ Metal-Lab 75- thép CT3, 09Mn2Si A32 có tổ chức pha Ferit 80J (ITALY), phòng thí nghiệm Vật liệu Viện Xementit, thép khơng rỉ có tổ chức pha CKNL Mỏ Austenit Thép A32 có tổ chức hạt nhỏ mịn + Cơ tính thép thép kết cấu xác hẳn thép CT3 09Mn2Si Xét mặt tổ chức định Fast Track 8801(ANH), phòng thí tế vi thép có tổ chức pha bền ăn mòn nghiệm Vật liệu Viện CKNL Mỏ thép tổ chức pha Thép có tổ chức hạt nhỏ mịn + Hình thức ăn mòn quan sát chụp ăn mòn thép có tổ chức hạt thô to Các ảnh kỹ thuật số phân tích máy tính với mác thép có tính hàn tốt hàm lượng độ phóng đại 3-10 lần bon < 0,2% [4] + Độ bền ăn mòn xác định Tính chất học thép kết cấu phương pháp tổn thất khối lượng Thép sau thời Tính chất học thép kết cấu trình bày gian thử nghiệm trường làm bùn bảng Các kết cho thấy thép hợp đất ngâm dung dịch EDTA để hòa tan kim thấp có độ bền cao nhóm thép bon lớp han rỉ, sấy khô xác định khối lượng thép Pháp Thép vỏ tàu khơng có độ bền cân phân tích TE 214S (USA) cao mà độ dẻo tốt Các mác thép nói Pkl = (m1-m2)/S.t [ g/m2.năm] Ptn = Pkl /ρ nhìn chung có khả thay Song hết [μm/năm] sức lưu ý độ bền độ dẻo khác lớn Trong Pkl tốc độ ăn mòn khối lượng; m1 Giới hạn chảy thép A32 lớn thép CT3 gẩn khối lượng mẫu thép trước thử nghiệm; m2 1,6 lần Vì vậy, việc áp dung thép A32 thay khối lượng mẫu thép sau thử nghiệm; S bề CT3 không làm tăng khả chịu lực mà mặt mẫu; ρ khối lượng riêng, t thời gian [3,4] giảm khối lượng kết cấu thép Cho nên thay + Thành phần pha lớp han rỉ xác định cần có tính tốn cụ thể Thép 09Mn2Si có độ máy nhiễu xạ Rơnghen D8 Advance (BRD), bền tốt, song độ dẻo phòng thí nghiệm Vật liệu Viện CKNL Mỏ Bảng 2: Tính chất học thép kết cấu III KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 1.Thành phần hóa học Thép kết cấu chế tạo cửa van chủ yếu gồm nhóm thép bon thường (CT3), thép hợp kim thấp (9Mn2Si, thép Pháp) thép khơng rỉ (SUS304) Thép Pháp có hàm lượng C siêu thấp (0,04%C) hàm lượng P Cu cao, tương tự nhóm thép bền khí Thép khơng rỉ có 132 Thép kết cấu Thép Pháp Thép CT3 Thép A32 Thép 09Mn2Si Thép SUS 304 ch b (Mpa) (Mpa) 315 461 299 453 475 569 421 532 394 633  ( %) 32 29,6 27 25 59  (%) 60,6 60,5 61 48 62 thấy, tốc độ ăn mòn thép giảm dần theo thời gian thử nghiệm sản phẩm ăn mòn có ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn Thép khơng rỉ có độ bền ăn mòn hẳn nhóm thép bon Trong nhóm thép bon thép vỏ tàu A32 thép Pháp có độ bền ăn mòn tốt thép CT3 thép 09Mn2Si Hình trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng độ mặn thủy triều đến tốc độ ăn mòn thép A32 Thống với kết công bố, môi trường có nồng độ NaCl cao độ đẫn điện cao tốc độ ăn mòn tăng, nguyên nhân chủ yếu tác động trực tiếp Cl- khả dịch chuyển Ion môi trường nước mặn Cơ chế ảnh hưởng thủy triều đến tốc độ ăn mòn tương đối phức tạp Do tác động tượng khô ướt theo chu kỳ làm vùng có mật độ Oxy cao mật độ NaCl cao hơn, nên tốc độ ăn mòn vùng gấp lần vùng ngập nước (1) (2) (3) (4) Hình Bề mặt mẫu thép hiên trường sau làm (18 tháng) b Tốc độ ăn mòn Tốc độ ăn mòn thép sau thời gian thử nghiêm 6,12, 18 tháng trỡnh by hỡnh Qua Tốc độ ăn mòn, m/năm Hỡnh thc v bn n mũn thộp kết cấu a Hình thức ăn mòn: Hình trình bày bề mặt mẫu sau 18 tháng treo trường trước sau làm Quan sát thay đổi bề mặt mẫu trường, thấy có khác biệt rõ rệt nhóm thép khơng rỉ thép bon Trong nhóm thép bon sau tháng treo mẫu quan sát rõ trung tâm ăn mòn thép CT3 nhiều mác thép khác Sau 18 tháng thấy mẫu bị han rỉ mạnh, hàu hà bám vào bề mặt mẫu sau làm thấy mẫu bị ăn mòn khơng làm cho bề mặt bị lồi lõm Các mẫu thép A32 ăn mòn thép CT3, thép Pháp Bề mặt thép SUS304 khơng có thay đổi 300 100 269 44 200 200 29 196 58 178 83 127 57 100 107 57 500 18 21 NgËp n­íc Thủ triỊu 400 398 20 300 243 61 226 52 200 17 12 100 10 0 a 15 Hình Ảnh hưởng thời gian đến tốc độ ăn mòn thép kt cu ti hin trng Tốc độ ăn mòn, m/năm Tốc độ ăn mòn, m/năm 300 12 Thời gian thử nghiệm, tháng Diêm Điền 400 Thép A32 Thép 09Mn2Si 200 Trà Linh 500 Thép CT3 Thép Pháp Thép SUS 304 12 18 Thêi gian thư nghiƯm, th¸ng b 12 18 Thêi gian thư nghiƯm, th¸ng Hình Ảnh hưởng nồng độ môi trường (a) thủy triều đến tốc độ ăn mòn (b) thép A32 133 Bảng 3: Thành phần pha sản phẩm ăn mòn thép kết cấu thử nghiệm trường Hằng số mạng Hàm lượng Mác Pha tinh thể Kiểu mạng (A) (%) CT3 Maghemite–C, syn–Fe2O3 Magnetite-Fe3O4 Goethite, alpha–Fe2O3.H2O A32 Thép Pháp Maghemite–C, syn–Fe2O3 Magnetite- Fe3O4 Goethite– Fe2O3.H2O.xH2O Maghemite–C, syn–Fe2O3 Magnetite, Fe3O4 Goethite, syn–FeO(OH) Maghemite–C, syn–Fe2O3 09Mn2Si Magnetite–Fe3O4 Goethite– Fe2O3.H2O.xH2O Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 49,76 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38730 a=4.59600 b=9.95700 c=3.02100 15,53 Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 45,79 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38470 22,59 - - 24,60 Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 46,75 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 a=4.61580 b=9.95450 c=3.02330 20,85 Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 48,55 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 18,77 - - 25,66 Trực thoi đơn giản Trực thoi đơn giản Sản phẩm ăn mòn Kết phân tích thành phần pha sản phẩm ăn mòn trình bày bảng cho cho thấy, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thành phần pha lớp han rỉ Hàm lượng pha có mức độ xít chặt cao có khả ngăn cản thâm nhập Oxy tốt có tác dụng chống ăn mòn tốt Pha MagnetiteFe3 O4 có mạng lập phương tâm mặt có mật độ nguyên tử cao nên có tác dung bảo vệ tốt Thành phần pha lớp han rỉ thép A32 có hàm lượng pha Magnetite-Fe3 O4 (22,59%) cao mác thép khác 134 30,69 30,38 IV KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trường, đưa số kết luận sau: - Do ảnh hưởng lớp han rỉ , nên thời gian thử nghiêm trường tăng, tốc độ ăn mòn thép kết cấu giảm Độ mặn mơi trường tăng tốc độ ăn mòn cấu thép kết cấu tăng Tốc độ ăn mòn vùng triều lớn gấp lần vùng ngập nước - Trong nhóm thép bon thép hợp kim thấp, thép vỏ tàu A32 có độ bền ăn mòn ăn đảm bảo, tính tốt sử dung chế tao cửa van thép vùng mặn - Thép khơng rỉ có độ bền ăn mòn cao hẳn thép bon môi trường nước mặn, song giá thành cao - Viêc sử dụng đồng thời thép không rỉ thép kết cấu bon dẫn đến làm tăng ảnh hưởng ăn mòn tiếp xúc, việc tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn tiếp xúc cần thiết [6] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Báo cáo kết điều tra khảo sát: Sự ăn mòn kim loại cửa van hệ thống cơng trình Thủy lợi năm 2003-2005 [2] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Thực trạng ăn mòn cửa van thép cơng trình Thủy lợi; Tạp chí KHKT Thủy lợi Môi trường; Số 2.09-2003 nước mặn Tuyển tập báo cáo khoa học, Trường Đại học Thủy lợi, 11-2009 [3] W.A Schultze, Phan Lương Cầm: Ăn mòn bảo vệ kim loại [4] Trương Ngọc Liên: Ăn mòn bảo vệ kim loại NXB KHKT 2004 [5] Nguyễn Đình Tân: Vật liệu thép kết cấu cơng trình Thủy lợi Việt Nam Tuyển tập báo cáo khoa học, Trường Đại học Thủy lợi, 11-2009 [6] Nguyễn Đình Tân: Nghiên cứu tính chất điện hóa thép kết cấu môi trường Summary: Research on the corrosion resistance of structural steels in salt water The life of steel gates on waterworks in coastal area is not long Damage is cause mainly by corrosion Structural materials of steel gates is as carbon steel, atmosphere steel, stainless steel But information on durability of steel corrosion in salt water is so far still lacking for the selection of materials suitable for design und manufacturing of steel getes The present report introduces some research results on the corrosion resistance of structural steel on waterworks Tra Linh and Diem Dien, Thai Thuy, Thai Binh province 135 ... nghiêm trường tăng, tốc độ ăn mòn thép kết cấu giảm Độ mặn mơi trường tăng tốc độ ăn mòn cấu thép kết cấu tăng Tốc độ ăn mòn vùng triều lớn gấp lần vùng ngập nước - Trong nhóm thép bon thép hợp... Pháp có độ bền ăn mòn tốt thép CT3 thép 09Mn2Si Hình trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng độ mặn thủy triều đến tốc độ ăn mòn thép A32 Thống với kết cơng bố, mơi trường có nồng độ NaCl cao độ đẫn... tốc độ ăn mòn thép giảm dần theo thời gian thử nghiệm sản phẩm ăn mòn có ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn Thép khơng rỉ có độ bền ăn mòn hẳn nhóm thép bon Trong nhóm thép bon thép vỏ tàu A32 thép