Bài báo này sẽ tổng hợp và phân tích các mô hình xác định ăn mòn trên kết cấu tàu và công trình biển di động để làm căn cứ cho các nghiên cứu và bài toán kể trên.
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH ĂN MỊN TRÊN KẾT CẤU TÀU VÀ CƠNG TRÌNH BIỂN DI ĐỘNG OVERVIEW OF CORROSION MODEL TO DETERMINE GENERAL CORROSION OF SHIP AND OFFSHORE STRUCTURES VŨ VĂN TUYỂN*, ĐỖ QUANG QUẬN Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: tuyenvv.dt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong khuyết tật kết cấu tàu cơng trình biển di động biến dạng ban đầu, ứng suất dư, ăn mòn, vết nứt, vết lồi lõm,… ăn mịn dạng khuyết tật phổ biến Ăn mòn đa dạng ăn mòn điểm, ăn mòn đều, ăn mòn tạo rãnh, ăn mịn tạo khe hở, ăn mịn điện hố, ăn mòn mài mòn, ăn mòn xâm thực, ăn mòn ứng suất, ăn mòn mỏi vị trí xuất tập trung vào vùng định tuỳ thuộc theo chủng loại tàu Ảnh hưởng ăn mòn tới kết cấu, tới độ bền cục kết cấu, độ bền mỏi hay độ bền tới hạn thân tàu khía cạnh khác đề cập nhiều công bố khoa học nhiều nhóm tác giả nhà nghiên cứu Vấn đề xác định loại, mức độ, phạm vi độ lớn ăn mịn có ý nghĩa lớn việc đánh giá ảnh hưởng đến kết cấu thân tàu toán kiểm tra bền kết cấu, kiểm tra bền thân tàu, toán đánh giá độ tin cậy kết cấu, toán đánh giá rủi ro tàu Bài báo tổng hợp phân tích mơ hình xác định ăn mịn kết cấu tàu cơng trình biển di động để làm cho nghiên cứu toán kể Từ khóa: Khuyết tật kết cấu, ăn mịn, mơ hình ăn mịn, kết cấu tàu, cơng trình biển di động Abstract Among imperfections of ship structures and mobile offshore structures such as initial imperfections, residual stresses, corrosion, cracks, and dents, etc… corrosion is the most popular one The corrosion is multiform, including pitting corrosion, general corrosion, grooving corrosion, crevice corrosion, galvanic corrosion, erosion-corrosion, cavitation, stress corrosion, and fatigue corrosion, and corrosion appearance is mostly in several locations inside of the ship hull which is depended on ship types The influences of corrosion on the structures, on the local strength, the fatigue strength, hull girder SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) strength, and other aspects have been mentioned in the publications of the variety of groups of authors and groups of researchers The corrosion determination of type, rate, location, and magnitude has great meaning in the influence assessment of the corrosion on the ship structures and problems such as structure strength, hull girder strength, structure reliability, and risk assessment of ship This article will summarize and analyze all of the corrosion models to determine the corrosion in ship structures and mobile offshore structures as the basis for the above-mentioned studies and problems Keywords: Imperfection structures, corrosion, corrosion model, ship structure, mobile offshore unit Tổng quan ăn mòn kết cấu tàu cơng trình biển Theo Tiêu chuẩn nhà nước, TCVN 2223-77, Ăn mòn kim loại - Thuật ngữ định nghĩa, ăn mòn kim loại phá huỷ kim loại tác dụng hoá học hay điện hoá học (danh từ kim loại bao gồm kim loại hợp kim) [1] Trong lĩnh vực đóng tàu cơng trình biển di động, thân vỏ thường đóng từ vật liệu thép hợp kim (nhôm, đồng,…) Môi trường làm việc tàu thuỷ cơng trình biển di động (bao gồm dạng cơng trình biển loại di động, có hình dạng giống tàu giàn khoan bán chìm, kho chứa dầu FSO FPSO) bề mặt nước (biển, sông, hồ) với nhiều yếu tố tác động từ môi trường xung quanh hàng hố, nước mặn, nước có chứa chất ơxy hố, sóng, gió, dịng chảy, ẩm Điều kiện làm việc kết cấu, máy móc, thiết bị, hệ thống tàu đa dạng chịu lực va đập, lực có tính chu kỳ, tải trọng thân thiết bị, hàng hố, cọ sát, ăn mịn, xâm thực,… Ngồi ra, yếu tố xuất phát từ thiết kế kết cấu khả công nghệ thi công lắp ráp, hàn đấu lắp hình thành thân tàu cơng trình biền di động có tác động đến điều kiện làm việc kết cấu, máy móc, thiết bị lắp đặt Tất yếu tố kể (bao 45 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Các dạng ăn mòn kim loại (TCVN 2223-77) TT Tên tiếng Anh TT Tên tiếng Việt Ăn mịn khí Tên tiếng Việt Gas phase corrosion 16 Ăn mịn khơng Onequal corrosion Ăn mịn, khí Atmosphere corrosion 17 Ăn mịn cục Local corrosion Ăn mịn nhúng hồn tồn Deep corrosion 18 Ăn mòn ngầm Subsurface corrosion Ăn mòn theo đường ngấn Waterline corrosion 19 Ăn mòn dạng sợi Thread like corrosion Ăn mòn nhúng gián đoạn Periodic inmersion 20 Ăn mòn điểm Poin corrosion Ăn mòn đất Underground corrosion 21 Ăn mòn đốm Patchy corrosion Ăn mòn dòng điện rò Stray current corrosion 22 Ăn mòn lỗ Honeycomb corrosion Ăn mòn vi sinh Bacterial corrosion 23 Ăn mòn cấu trúc Structural corrosion Ăn mịn dịng điện ngồi External current corrosion 24 Ăn mòn chọn lựa Selective corrosion 10 Ăn mòn tiếp xúc Corrosion contact 25 Sự graphit hóa gang Graphilic of castiron 11 Ăn mòn khe Crevice corrosion 26 Sự loại kẽm Dezincification 12 Ăn mòn ma sát Erosion corrosion 27 Ăn mòn tinh giới Intercystalline corrosion 13 Ăn mòn fretting Fretting corrosion 28 Ăn mòn ứng suất Stress corrosion 14 Ăn mịn tồn bề mặt Continious corrosion 29 Ăn mịn nứt Fracture corrosion 15 Ăn mòn Equal corrosion 30 Độ mỏi ăn mịn Corrosion fatigue gồm: Mơi trường làm việc, điều kiện làm việc, thiết kế kết cấu, khả cơng nghệ) ngun nhân dẫn đến ăn mịn mài mòn chi tiết kim loại kết cấu thân tàu cơng trình biển di động Phân loại ăn mòn kim loại quy định rõ TCVN 2223-77 Theo đó, ăn mịn kim loại gồm: ăn mịn hố học ăn mịn điện hố Trong đó, dạng ăn mịn liệt kê Bảng [1] Trên kết cấu tàu thuỷ cơng trình biển di động, tùy theo mơi trường làm việc cụ thể vùng, dạng ăn mòn xuất khác ăn mòn đều, ăn mòn điểm, ăn mòn rãnh, ăn mòn khe, ăn mịn điện hóa, ăn mịn ma sát, ăn mịn xâm thực, ăn mòn ứng suất ăn mòn mỏi,… Hình minh hoạ số dạng ăn mịn phổ biến kết cấu tàu thuỷ [2] Ăn mòn xuất tất vùng kết cấu thân tàu Khảo sát thực tế cho thấy, ăn mòn xuất vùng hầm hàng nhiều nặng vùng khác tàu Tại đây, ăn mịn xuất nhiều tơn mạn, tơn mép mạn, cấu mạn, tôn boong cấu boong, tơn két hơng két đỉnh mạn [3] Ăn mịn xuất kết cấu tàu nhiều yếu tố kể đến hệ thống bảo vệ chống ăn mịn, loại hàng hóa chun chở, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH thành phần hóa học,… [4] Một ăn mòn xuất bề mặt kết cấu tôn vỏ tàu, chúng gây nhiều tác động xấu làm giảm tính mỹ quan tàu, làm hư hại lớp sơn bảo vệ chống ăn mịn bề mặt tơn cấu từ khiến bề mặt dễ bị hư hại yếu tố xâm nhập từ môi trường bên ngồi Ở khía cạnh khác, 46 Tên tiếng Anh việc xuất ăn mòn bề mặt kim loại làm thay đổi thông số kết cấu giảm chiều dày tôn cấu, giảm trọng lượng kết cấu lượng kết cấu bị mịn, bề mặt kim loại có vết nứt, vết xẻ rãnh, vết lõm Các yếu tố làm giảm độ bền, độ tin cậy kết cấu nguyên nhân hư hỏng khác kết cấu thân tàu Các ăn mòn xuất nhiều vị trí với dạng, mức độ khác làm thay đổi kế hoạch bảo quản bảo dưỡng tàu Ăn mòn Ăn mòn điểm Ăn mòn khe Ăn mòn điện hóa Ăn mịn ma sát Ăn mịn xâm thực Ăn mịn ứng suất Ăn mịn mỏi Hình Các dạng ăn mòn phổ biến kết cấu tàu cơng trình biển di động Do đó, vấn đề xác định chuẩn xác hình dạng, giá trị, mức độ ăn mịn kết cấu tàu cơng trình SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 biển di động có ý nghĩa lớn Nó giúp cho nhà nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng ăn mòn ăn mòn kết hợp với yếu tố bất định khác đến độ bền cục bộ, độ bền tới hạn cấu thân tàu, độ bền mỏi, độ tin cậy kết cấu toán đánh giá rủi ro kết cấu tàu cơng trình biển di động Khi biết thơng số ăn mịn, nhà khai thác quản lý tàu có để lập điều chỉnh kế hoạch sửa chữa, bảo dưỡng tàu cho phù hợp với thực tế Các vấn đề vừa đề cập giúp cho tàu đảm bảo độ bền, độ tin cậy khai thác, giúp bảo vệ an tồn cho người hàng hố chun chở, giảm tổn thất người, hàng hoá tài sản cho chủ tàu Với vai trò ý nghĩa vấn đề xác định thơng số ăn mịn kể trên, nhóm nghiên cứu đo đạc, thống kê liệu, từ phân tích đề xuất nhiều mơ hình xác định ăn mịn áp dụng cho nhóm tàu khác nhau, đặc biệt tàu thương mại phổ biến tàu hàng tàu dầu Bài báo tổng hợp đưa so sánh mơ hình xác định ăn mịn Các mơ hình xác định ăn mịn Giải thích ký hiệu: d(t), d w, tr, wi - Chiều dày lớp ăn mòn, (mm); t, ny - Tuổi tàu, (năm); C1 - Hệ số mô tả xu hướng phát triển ăn mòn; C2 - Hệ số tốc độ ăn mòn hàng năm; T0, Ti - Thời gian lớp sơn bảo vệ hiệu lực, (năm); Tt - Thời gian từ lúc lớp sơn bảo vệ hết hiệu lực đến lúc bắt đầu ăn mòn, (năm); h - Hệ số tỷ lệ mơ hình ăn mịn; Tst - Thời điểm mà ăn mòn điểm xuất hiện, (năm); TL - Thời điểm bảo dưỡng, sửa chữa kết cấu, (năm); rs - Tỷ lệ ăn mịn trung bình hàng năm, mm/năm; b - Hệ số hình dáng mơ hình ăn mịn; d∞ Chiều dày lớn ăn mòn, (mm); tc1, tc2 - Lượng ăn mòn bổ sung phía cấu (giá trị đại lượng quy định rõ quy định IACS); treserve - Lượng chiều dày dự trữ, treserve = 0,5mm 2.2 Lượng ăn mòn bổ sung quy định IACS Theo quy định tổ chức phân cấp tàu quốc tế (IACS) [5], lượng ăn mòn bổ sung phải quy định rõ cho vùng kết cấu không gian két dằn, két gom nước đáy tàu, két chứa, hầm xích neo, khoang chứa hàng, khơng gian hở tàu, két nhiên liệu, két nước khơng gian khơ nhóm tàu chở dầu, tàu hàng rời nhóm tàu cịn lại Chiều dày ăn mịn bổ sung xác định sau (áp dụng cho thép Các bon): Tổng chiều dày ăn mòn bổ sung, tc, mm, cho hai phía cấu xác định sau: tc = Roundup0,5(tc1 + tc2) + treserve (1) - Đối với cấu nằm toàn khoang biết, tổng chiều dày ăn mòn bổ sung, tc, xác định sau: tc = Roundup0,5(2tc1) + treserve (2) - Đối với hợp kim nhôm thép độ bền cao, lượng mòn gỉ bổ sung lấy Giá trị lượng ăn mòn bổ sung cho tàu chở hàng rời tàu chở dầu minh hoạ Hình [5] Hình Lượng ăn mịn bổ sung tàu chở hàng rời 2.1 Mơ hình xác định ăn mịn nhóm nhà nghiên cứu đề xuất Thơng tin mơ hình xác định ăn mịn tác giả nhóm tác giả đề xuất thể Bảng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Lượng ăn mòn bổ sung tàu chở dầu 47 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Theo Hìn TT Bảng Các mơ hình xác định ăn mịn Mơ hình ăn mịn Năm Cơng thức tính chiều dày lớp ăn mịn cơng bố Mơ hình ăn mịn tuyến tính (linear model): Southwell [6] 1979 Ohyagi [7] 1987 Violet [8] 1994 ( ) = 0,076 + 0,038 (3) Mơ hình ăn mịn song tuyến (bilinear model): ( )= 0,09 , 0,076 + 0,038 , < < 1,46 1,46 < < 16 = 0,34 = 0,03925 0,005 , + 5,1948, − 0,8506 Mơ hình ăn mòn phi tuyến (nonlinear model): Melchers [9] 1994 Melchers [10] Guedes Soares [11] 1995 , 0≤ 0,09 0,076 + 0,038 , = 0,084 , , , Melchers [12] 0≤ 0,170 , = 0,152 + 0,0186 , −0,364 + 0,083 , 48 Paik [3] 1998 Sun Bai [13] 2001 10 Paik [14] 2002 11 Qin [15] 2002 12 Melchers [16] 2003 13 Garbatov [17] 2007 14 Paik [18] 2012 (6) (7) (8) = (10) = 0,1207 , ( )= ( − ) ( )= [ −( − = ( )= ( − − ) 1− ( )= − − (11) (12) (13) )+ ] 0, − 0,145( − ), ( ) = 0,25 , − 0,125, ( ) + 0,076( − ( )= (9) 0≤