NGHIÊN cứu CHẾ tạo điện cực MANHÊTIT sử DỤNG làm ANỐT TRONG hệ THỐNG bảo vệ điện hóa CHỐNG ăn mòn các kết cấu THÉP TRONG môi TRƯỜNG nước BIỂN (2)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRỌNG HIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC MANHÊTIT SỬ DỤNG LÀM ANỐT TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN HĨA CHỐNG ĂN MỊN CÁC KẾT CẤU THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh-2015 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Lưu Phương Minh TS Nguyễn Hồng Dư tận tình hướng dẫn em thực cơng trình nghiên cứu này! Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Bộ môn Thiết bị Cơng nghệ vật liệu khí, Khoa Cơ khí; Khoa Cơng nghệ vật liệu; Khoa Kỹ thuật Hóa học Phịng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu trường! Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô, đồng nghiệp công tác Viện nghiên cứu Trường giúp đỡ em trình thực luận án! Xin chân thành cảm ơn Thầy Hội đồng, Thầy phản biện đọc đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thiện luận án này! Xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng đồng nghiệp công tác Trung tâm Nhiệt đới Việt-Nga quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ q trình cơng tác, học tập thực luận án! Xin cảm ơn Gia đình, người thân bạn bè giúp đỡ, động viên khuyến khích tơi q trình cơng tác học tập! Mặc dù có nhiều cố gắng, luận án khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót, mong góp ý Thầy Cô đồng nghiệp! Xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Trọng Hiệp LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Lưu Phương Minh, TS Nguyễn Hồng Dư tham gia học viên cao học sinh viên Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Các kết quả, số liệu luận án trung thực, xác chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu trước TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Trọng Hiệp TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án gồm chương với nội dung sau: Chương phần tổng quan phương pháp bảo vệ catốt chống ăn mịn kim loại mơi trường biển; Các loại anốt sử dụng hệ thống bảo vệ catốt dịng điện ngồi; Hệ vật liệu phương pháp chế tạo anốt manhêtit; Cơ sở lý thuyết tạo hình cơng nghệ vật liệu bột Chương trình bày phương pháp nghiên cứu, nguyên vật liệu, trang thiết bị nghiên cứu xác lập bước nghiên cứu Chương phần thực nghiệm bàn luận: Trên sở phân tích lý thuyết cơng nghệ vật liệu bột, kết hợp với thực thí nghiệm thăm dị, từ xác định thành phần, miền khảo sát cho thơng số cơng nghệ tạo hình anốt manhêtit; Phân tích yếu tố ảnh hưởng, xác lập môi trường chế độ nhiệt phù hợp cho q trình thiêu kết; Xây dựng tốn quy hoạch thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng tối ưu 03 thơng số cơng nghệ hàm lượng chì, áp lực ép nhiệt độ thiêu kết tới hàm mục tiêu độ bền anốt đạt cao Kiểm tra đánh giá kết Chương trình bày kết trình thử nghiệm chế tạo anốt manhêtit, bao gồm nội dung: Xác lập thông số công nghệ chế tạo; Tính tốn thiết kế chế tạo khn ép; Chế tạo sản phẩm anốt manhêtit; Đánh giá chất lượng anốt phịng thí nghiệm thử nghiệm anốt hệ thống bảo vệ catốt dịng điện ngồi cho vỏ tàu thép hoạt động môi trường biển thực tế Phần kết luận trình bày tóm tắt kết đạt được, đóng góp khoa học thực tiễn luận án Kiến nghị hướng nghiên cứu i MỤC LỤC MỞ ĐẦU Đặt vấn đề .3 Mục tiêu luận án Nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp bảo vệ catốt chống ăn mòn kim loại môi trường biển .5 1.1.1 Bảo vệ anốt 1.1.2 Bảo vệ catốt .6 1.1.3 Sự phân cực kim loại nước 1.1.4 Tiêu chuẩn bảo vệ catốt .17 1.2 Anốt sử dụng hệ thống ICCP .18 1.3 Hệ vật liệu chế tạo anốt manhêtit sử dụng hệ thống ICCP 23 1.4 Phương pháp chế tạo anốt manhêtit sử dụng hệ thống ICCP 29 1.5 Công nghệ vật liệu bột 31 1.5.1 Giới thiệu công nghệ vật liệu bột 31 1.5.2 Đặc điểm công nghệ vật liệu bột 31 1.5.3 Khả công nghệ 32 1.5.4 Ứng dụng công nghệ vật liệu bột 32 1.5.5 Thông số kỹ thuật vật liệu bột 32 1.5.6 Vật liệu bột nghiên cứu 35 1.6 Kết luận chương 40 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 2.1 Phương pháp nghiên cứu 42 2.2 Phương pháp phân tích đánh giá 42 2.2.1 Phương pháp xác định thành phần .42 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc 42 2.2.3 Phương pháp nghiên cứu điện hóa 42 2.2.4 Phương pháp đo điện trở .44 2.2.5 Phương pháp đo giới hạn bền nén 44 2.2.6 Phương pháp thử nghiệm thực tế 44 ii 2.3 Nguyên vật liệu thiết bị chế tạo mẫu 45 2.3.1 Nguyên vật liệu .45 2.3.2 Thiết bị chế tạo mẫu 46 2.4 Xác lập bước nghiên cứu 48 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN .49 3.1 Phân tích, xác định miền khảo sát cho trình nghiên cứu 49 3.1.1 Hàm lượng chì anốt .49 3.1.2 Trộn bột 50 3.1.3 Ép tạo hình 51 3.1.4 Quá trình thiêu kết 56 3.2 Xác lập mơi trường chu trình nhiệt cho trình thiêu kết .62 3.2.1 Cơ sở hóa lý q trình thiêu kết 62 3.2.2 Chuyển biến thành phần môi trường thiêu kết 63 3.2.2.1 Chuyển biến manhêtit 63 3.2.2.2 Chuyển biến chì 68 3.2.2.3 Chuyển biến chất kết dính 70 3.2.2.4 Chuyển biến bột phủ 71 3.2.2.5 Ảnh hưởng khí bảo vệ 72 3.2.3 Xác định chu trình nhiệt 73 3.2.4 Bàn luận .77 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến giới hạn bền nén anốt manhêtit 77 3.3.1 Nghiên cứu thơng số cơng nghệ ảnh hưởng đến giới hạn bền nén 77 3.3.1.1 Phương pháp thực nghiệm .78 3.3.1.2 Thông số công nghệ 78 3.3.1.3 Quy trình thực nghiệm cơng nghệ chế tạo anốt .79 3.3.1.4 Kết thực nghiệm xử lý số liệu .81 3.3.2 Thực nghiệm xác lập ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến giới hạn bền nén .85 3.3.2.1 Phương pháp thực nghiệm .85 3.3.2.2 Thông số công nghệ 86 3.3.2.3 Kết thực nghiệm xử lý số liệu .86 iii 3.3.2.4 Xây dựng mối quan hệ nhân tố với độ bền anốt 88 3.3.2.5 Tối ưu hóa thơng số công nghệ 89 3.3.2.6 Thực nghiệm kiểm tra đánh giá kết 90 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng nguyên tố chì đến độ bền nén anốt manhêtit 92 3.3.4 Bàn luận .93 CHƯƠNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM ANỐT MANHÊTIT 95 4.1 Xác lập thông số công nghệ 95 4.2 Tính tốn thiết kế chế tạo khn ép 96 4.3 Chế tạo sản phẩm anốt manhêtit 98 4.4 Đánh giá kết 99 4.4.1 Đánh giá phịng thí nghiệm 99 4.4.1.1 Xác định tỷ trọng, tỷ lệ lỗ xốp 99 4.4.1.2 Đo diện tích bề mặt riêng thể tích lỗ xốp 100 4.4.1.3 Khảo sát quan hệ mật độ - điện trở suất anốt manhêtit 101 4.4.1.4 Kết chụp ảnh SEM phân tích phổ EDS .102 4.4.1.5 Phân tích phổ XRD 103 4.4.1.6 Thí nghiệm phân cực đánh giá tính chất điện hóa 103 4.4.1.7 Xác định tốc độ tiêu hao vật liệu anốt 106 4.4.1.8 Kết xác định giới hạn bền nén anốt manhêtit 107 4.4.2 Thử nghiệm điều kiện thực tế 107 4.4.2.1 Thiết kế hệ thống 108 4.4.2.2 Kết thử nghiệm 109 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN 113 Nội dung khoa học thực tiễn luận án 113 Những điểm luận án 115 Hướng phát triển luận án .116 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu AD B Dkhuôn DH d E H ICCP I i Kp m0 m1 P P PO2 PD RE S SCE Se SMA Ttk Tnc t U E δh φh  γ γbot γph G hphôi htk ∆lphôi ∆ltk Tên gọi Dung sai đường kính định mức ngồi phơi ép Đường chéo tiết diện ngang mẫu hình trụ trịn Đường kính lịng khn Đường kính định mức ngồi phơi sau thiêu kết Tỷ trọng Điện Chiều cao Impressed Current Cathodic Protection - Bảo vệ catốt dòng điện ngồi Cường độ dịng điện Mật độ dịng điện anốt Hằng số cân phản ứng Khối lượng mẫu trước thí nghiệm Khối lượng mẫu sau thí nghiệm Áp lực ép Tốc độ ăn mịn tính theo tổn thất chiều sâu Áp suất riêng phần ôxi Lượng dư gia công Điện cực so sánh, điện cực chuẩn Diện tích bề mặt làm việc anốt Saturated Calomel Electrode - Điện cực calomel bão hịa Diện tích bề mặt riêng Sintered Magnetite Anode - Anốt manhêtít thiêu kết Nhiệt độ thiêu kết Nhiệt độ nóng chảy Thời gian thí nghiệm Hiệu điện Độ dịch chuyển điện Lượng giãn rộng trung bình theo chiều cao phơi Độ giãn nở nhiệt thiêu kết theo chiều cao phơi Tốc độ ăn mịn tính theo tổn thất khối lượng Tỷ lệ lỗ xốp Mật độ vật liệu bột trước ép Mật độ phôi vật liệu bột sau ép Biến thiên lượng tự Gibbs Lượng giãn nở đàn hồi theo chiều cao phôi Lượng giãn nở nhiệt theo chiều cao phôi thiêu kết Lượng giãn rộng tính theo đường kính ngồi phơi ép Lượng giãn nở nhiệt thiêu kết tính theo đường kính định mức ngồi phơi ép Đơn vị mm mm mm mm g/cm3 mV mm Ampe Ampe/m2 g g kG/mm2 mm/năm atm mm cm2 m2/g C C giờ, ngày đêm mV mV % % g/cm2.ngày đêm % g/cm3 g/cm3 cal mm mm mm mm v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Dãy Galvanic số kim loại nước biển 11 Bảng 1.2 Tính chất số loại protector 12 Bảng 1.3 Giá trị trung bình điện tĩnh kim loại nước biển 12 Bảng 1.4 Vật liệu anốt cho bảo vệ catốt dịng ngồi 14 Bảng 1.5 Điện bảo vệ catốt 15 Bảng 1.6 Mật độ dòng điện để bảo vệ thép môi trường khác 15 Bảng 1.7 So sánh số chủng loại anốt .23 Bảng 1.8 So sánh số phương pháp chế tạo anốt manhêtit 30 Bảng 1.9 Đặc điểm công nghệ vật liệu bột 301 Bảng 3.1 Kết tính tốn PO phản ứng Fe - O theo nhiệt độ 65 Bảng 3.2 Kết tính tốn PO phản ứng Pb - PbO theo nhiệt độ 69 Bảng 3.3 Tính chất PVA 70 Bảng 3.4 Thành phần khí tạp chất khí argon 5.5 72 Bảng 3.5 Khoảng giá trị mã hóa nhân tố thực nghiệm 78 Bảng 3.6 Bảng quy hoạch thực nghiệm chọn lọc 78 Bảng 3.7 Kết rây phân cấp độ hạt .80 Bảng 3.8 Kết thí nghiệm phân cực khảo sát điện anốt 82 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm phân cực khảo sát điện catốt .83 Bảng 3.10 Kết thực nghiệm theo nhân tố mã hóa 84 Bảng 3.11 Các thông số chế tạo thử nghiệm anốt manhêtit .86 Bảng 3.12 Khoảng giá trị mã hóa nhân tố thực nghiệm .86 Bảng 3.13 Kết thực nghiệm với nhân tố mã hóa 87 ... sử dụng chất ức chế ăn mòn, bảo vệ điện hóa, … Trong bảo vệ catốt phương pháp hiệu chống ăn mòn kết cấu thép cơng trình vùng biển [8,11] Hệ thống bảo vệ catốt gồm thiết bị, vật tư lắp đặt sử dụng. .. .17 1.2 Anốt sử dụng hệ thống ICCP .18 1.3 Hệ vật liệu chế tạo anốt manhêtit sử dụng hệ thống ICCP 23 1.4 Phương pháp chế tạo anốt manhêtit sử dụng hệ thống ICCP 29 1.5 Công nghệ vật... ngừa dạng ăn mịn điện hóa Trong hệ thống bảo vệ catốt dịng điện ngồi anốt có vai trị cực dương hệ điện hóa, nối với cực dương nguồn điện chiều, kết cấu cần bảo vệ nối với cực âm Khi hệ thống hoạt