Giáo trình Nghiên cứu tính chất điện hóa của thép kết cấu trong môi trường nước mặn - Nguyễn Đình Tân

Nội dung text: Giáo trình Nghiên cứu tính chất điện hóa của thép kết cấu trong môi trường nước mặn - Nguyễn Đình Tân

1. nghiªn cøu tÝnh chÊt ®iÖn ho¸ cña thÐp kÕt cÊu trong m«i tr­êng n­íc mÆn TS. Nguyễn Đình Tân Trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội Tóm tắt: Qúa trình ăn mòn thép kết cấu trong môi trường nước là ăn mòn điện hoá. Vì vậy các tính chất điện hoá là cơ sở quan trọng cho việc lựa chọn vật liệu thích hợp chế tạo cửa van thép trên công trình thuỷ lợi và kết cấu thép vùng ven biển. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu tính chất điện hoá trong môi trường nước có nồng độ muối khác nhau. I. ĐẶT VẤN ĐỀ phòng thí nghiệm với nước biển nhân tạo Trong hơn 100 năm qua, nhiều loại thép kết với các nồng độ muối 3,2%; 1,6%; 0,8%; cấu khác nhau đã được sử dụng để chế tạo kết 0,1%., thì việc nghiên cứu với nước mặn tự cấu thép trên các công trình ven biển như: nhiên cũng rất cần thiết (cống Diêm Điền; Thép hàm lượng các bon siêu thấp (Pháp; cống Trà Linh) 1905-1945); thép các bon thường CT3 2. Phương pháp thực nghiệm (GOST,1960-1975); thép CCT38 (TCVN); a. Chuẩn bị mẫu: thép hợp kim thấp độ bền cao 09Mn2, Các mẫu thép kết cấu chế tạo cửa van 09Mn2Si; thép không rỉ 08Cr18Ni10Ti, đươc lấy tại công trình thủy lợi hoặc cơ sở 30Cr13. Trong thời gian gần đây, ngành công sản xuất: Mẫu thép của Pháp lấy tại cửa số 1 nghiệp đóng tàu có sử dụng một số một loại công trình Đập Đáy được xây dựng từ năm thép kết cấu các bon và hợp kim thấp như 1936; mẫu thép CT3 lấy tại cửa số 4 công A,B,A32,A36 trình Đập Đáy được được sửa chữa năm Quá trình ăn mòn của thép kết cấu trong 1972; Mẫu thép 09Mn2Si, SUS304 được lấy môi trường nước là quá trình ăn mòn điện hoá. tại khe van và cửa van nhà máy Thủy điện Vì vây, các tính chất điện hoá của thép kết cấu Sơn La; mẫu thép vỏ tàu lấy tại Tổng công ty là cơ sở quan trọng trong việc đánh giá và lựa Tàu thuỷ Nam Triệu. chọn vật liệu thích hợp chế tạo cửa van và kết b. Thiết bị đo cấu thép trên công trình thuỷ lợi vùng ven Tính chất điện hóa của các loại thép được biển. Trong bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu bằng các phép đo điện hóa với nghiên cứu tính điện hoá của các mác thép bình đo gồm 3 điện cực. Sơ đồ mạch đo điện nói trên trong môi trường nước có độ mặn hóa được trình bày trong hình 1. khác nhau. Các phép đo điện hóa sử dụng trong nghiên II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM cứu bao gồm: phương pháp thế động để đo 1. Nhiệm vụ cụ thể đường cong phân cực, phương pháp phân cực Đặc điểm cơ bản của môi trường nước tuyến tính để xác định tốc độ ăn mòn kim loại. vùng ven biển là nồng độ NaCl thay đổi trong Điện cực nghiên cứu được chuẩn bị từ các phạm vi rộng. Vì vậy, chúng ta cần tiến hành loại thép kết cấu lấy từ hiện trường, cắt theo nghiên cứu tính chất điện hoá của các loại kích thước yêu cầu. Bề mặt điện cực được mài thép kết cấu ở các môi trường có nồng độ nhẵn, tẩy dầu mỡ, rửa sạch, tráng nước cất và NaCl khác nhau. Bên cạnh việc nghiên cứu ở lau khô bằng cồn trước khi thí nghiệm. Phần 39
2. bề mặt không làm việc của điện cực được bôi clorua bạc trong KCl bão hoà. Điện thế của keo epoxy. Điện cực phụ được sử dụng là điện điện cực này là 0,195V so với điện cực hydro cực platin. Điện cực so sánh là điện cực chuẩn tiêu chuẩn ở 25oC. Máy tính Máy in Potentiostat, Galvanostat RE WE CE 3 1 - Điện cực nghiên cứu (mẫu) 1 2 - Điện cực phụ 4 3 - Điện cực so sánh 2 4 - Bình đo Hình1. Sơ đồ mạch đo điện hoá Trong nghiên cứu đã sử dụng dung dịch mS/cm, tương ứng với độ mặn nằm trong nước biển nhân tạo (NBNT) và nước mặn tự khoảng 0,8 đến 3,2%. nhiên. Dung dịch NBNT được pha từ các 2. Ảnh hưởng của độ mặn đến tính chất muối tinh khiết (NaCl, CaCl2, KCl, NaHCO3, điện hoá của các loại thép MgSO4.7H2O) và nước cất với tổng nồng độ Trên các hình 2 đến hình 4 trình bày đồ thị muối là 3,2%; 1,6%; 0,8%; 0,1%. Nước mặn đường cong phân cực, điện trở phân cực và tự nhiên được lấy từ cửa cống Diêm Điền, tốc độ ăn mòn của các loại thép CT38, thép Trà Linh ở phía biển. các bon siêu thấp (Pháp), thép vỏ tàu, thép III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN không gỉ và thép hợp kim thấp trong dung 1. Ảnh hưởng của độ mặn đến điện trở dịch NBNT có tổng độ mặn là 0,1%, 0,8%, suất của môi trường nước 1,6% và 3,2%. Kết quả đo độ dẫn và điện trở suất của các Từ các đồ thị ta đều thấy các đường cong dung dịch được thể hiện trên bảng IV.1. Ta phân cực của các loại thép kết cấu trong môi thấy độ dẫn và điện trở suất phụ thuộc vào độ trường nước lợ đến nước mặn có dạng hoạt mặn của dung dịch. Cùng với việc tăng độ động. Độ dốc nhánh anốt (nhánh phân cực về mặn của dung dịch NBNT từ 0,1% lên 3,2% phía dương hơn so với điện thế ăn mòn) gần thì độ dẫn của các dung dịch cũng tăng tương như không thay đổi theo độ mặn của môi ứng từ 2,5 lên 50,6 mS/cm. Nói cách khác, trường nước. Khi độ mặn tăng từ 0,1% lên điện trở suất của dung dịch giảm dần khi 3,2% thì điện thế ăn mòn của các loại thép nồng độ muối trong dung dịch tăng dần lên. đều dịch chuyển dần phía âm hơn. Độ dịch Độ dẫn của nước biển các cửa cống Diêm chuyển điện thế ăn mòn nằm trong khoảng từ Điền và Trà Linh có giá trị là 29,2 và 22,8 100 đến 250mV phụ thuộc vào từng loại thép. 40
3. Bảng 1: Độ dẫn và điện trở suất của các dung dịch nghiên cứu Độ dẫn Điện trở suất STT Dung dịch Ghi chú (mS/cm) (cm) 1 NBNT 0,1% 2,5 403,2 2 NBNT 0,8% 13,4 74,4 3 NBNT 1,6% 25,6 39,1 4 NBNT 3,2% 50,6 19,8 5 Nước cửa cống Diêm Điền 29,2 34,2 lấy ở phía biển 6 Nước cửa cống Trà Linh 22,8 43,8 lấy ở phía biển Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu Thép không gỉ Thép hợp kim thấp Tốc độ ăn mòn tức thời của thép kết cấu 1000 trong các dung dịch đã được xác định thông qua ) 800 m ă n / việc đo điện trở phân cực bằng phương pháp t e m o r 600 c i phân cực tuyến tính. Trên hình 4 và 5 đưa ra đồ m ( n ò m 400 thị sự phụ thuộc điện trở phân cực và tốc độ ăn n ă ộ đ c ố mòn của các loại thép vào độ mặn của dung T 200 dịch nước biển nhân tạo. 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Độ mặn (%) 1 Dung dịch NBNT 0,1% (1) 3 Dung dịch NBNT 0,8% (2) 2 Dung dịch NBNT 1,6% (3) Dung dịch NBNT 3,2% (4) 0.000 4 Hình 4. Tốc độ ăn mòn của các loại thép trong dung dịch NBNT có độ mặn khác nhau -0.200 f e r E 1 2 s -0.400 v Ta thấy nhìn chung khi độ mặn của môi ) V ( 3 l a 4 i t trường tăng lên thì điện trở phân cực của các n -0.600 e t o P loại thép giảm dần, tương ứng với sự tăng dần -0.800 của tốc độ ăn mòn. Nghĩa là trong cùng điều -1.000 kiện thí nghiệm với hóa chất tinh khiết thì độ -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 mặn là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến tốc độ ăn Log Current Density (A/cm2) Hình 2. Ảnh hưởng của độ mặn NBNT đến mòn thép trong môi trường nước. Tuy nhiên, độ đường cong phân cực thép vỏ tàu giảm điện trở phân cực và độ tăng tốc độ ăn mòn nhiều hay ít là do loại thép quyết định. Từ Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu Thép không gỉ Thép hợp kim thấp hình 6 và 7 ta thấy trong các loại thép nghiên 25000 cứu thì thép CT38 có tốc độ ăn mòn tăng lớn 20000 ) 2 m c . nhất khi tăng độ mặn, thép không gỉ có sự thay m h o ( 15000 c ự c đổi tốc độ ăn mòn ít nhất. n â h p 10000 ở r 4. Ảnh hưởng của thời gian làm việc đến t n ệ i Đ 5000 quá trình ăn mòn các loại thép kết cấu trong 0 nước mặn tự nhiên 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Độ mặn (%) Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian làm việc đến quá trình ăn mòn các loại thép kết cấu Hình 3. Điện trở phân cực của các loại thép trong nước mặn tự nhiên ở cống Diêm Điền và trong dung dịch NBNT có độ mặn khác nhau Trà Linh, chúng tôi đã sử dụng phép đo phân 41
4. cực tuyến tính với các loại thép sau thời gian 80 70 ngâm mẫu khác nhau. Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu 60 Thép không gỉ Thép hợp kim thấp ) m ă n 50 / l Tốc độ ăn mòn và điện thế ăn mòn của các i m ( n ò 40 m loại thép trong nước mặn tự nhiên sau thời gian n ă ộ đ 30 c ố ngâm mẫu khác nhau được trình bày trên các T 20 hình 5, 6, 7 và 8. 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -800 Thời gian (ngày) Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu -700 Thép không gỉ Thép hợp kim thấp ) l -600 C g A / g A Hình 8. Sự biến thiên tốc độ ăn mòn của các . -500 s v V m ( -400 n ò loại thép kết cấu trong nước mặn cống Trà Linh m n ă -300 ế h t n theo thời gian (1mil/năm = 25,4μm/năm) ệ i Đ -200 -100 0 Đặc điểm chung của các loại thép các bon 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thời gian (ngày) thấp là điện thế ăn mòn và tốc độ ăn mòn ban đầu lớn và không ổn định, nhưng sau khi ngâm Hình 5. Sự biến thiên điện thế ăn mòn của các trong nước biển tự nhiên 2-3 tuần đều có xu loại thép kết cấu trong nước mặn cống Diêm hướng giảm mạnh và tiến tới giá trị ổn định hơn. Điền theo thời gian Điện thế ăn mòn của các loại thép có giá trị dao động từ -350mV đến -600mV. Tốc độ ăn mòn 80 70 tức thời thì thép vỏ tàu dường như có giá trị nhỏ Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu 60 Thép không gỉ Thép hợp kim thấp ) hơn so với thép CT38, thép Pháp và thép hợp m ă n / 50 l i m ( n ò kim thấp.Thép không gỉ có điện thế dương nhất, 40 m n ă ộ đ 30 c ố đạt giá trị khoảng -100mV đến -200mV; đồng T 20 thời có tốc độ ăn mòn nhỏ nhất trong các loại 10 thép, nhỏ hơn 20m/năm. 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thời gian (ngày) Có thể thấy rằng, tốc độ ăn mòn của các thép trong nước mặn tự nhiên lớn hơn so với trong Hình 6. Sự biến thiên tốc độ ăn mòn của các dung dịch NBNT có điện trở suất tương đương loại thép kết cấu trong nước mặn cống Diêm (~1,6%). Như vậy ngoài yếu tố độ mặn thì các Điền theo thời gian(1mil/năm = 25,4μm/năm) yếu tố khác của môi trường nước cũng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn của thép. -800 Thép CT38 Thép Pháp Thép vỏ tàu V. KẾT LUẬN -700 Thép không gỉ Thép hợp kim thấp ) l -600 C Qua các kết quả nghiên cứu nói trên, chúng g A / g A . -500 s v V ta có thể rút ra một số kết luận sau: m ( -400 n ò m n ă Độ dẫn và điện trở suất của môi trường nước ế -300 h t n ệ i Đ -200 phụ thuộc vào độ mặn. Khi tăng độ mặn của -100 dung dịch NBNT từ 0,1% lên 3,2% thì độ dẫn 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 tăng tương ứng từ 2,5 lên 50,6 mS/cm, điện trở Thời gian (ngày) suất giảm từ 403,2 xuống còn 19,8cm Hình 7. Sự biến thiên điện thế ăn mòn của các Độ mặn của dung dịch tăng làm cho điện thế loại thép kết cấu trong nước mặn cống Trà Linh ăn mòn của các loại thép kết cấu dịch chuyển theo thời gian dần phía âm hơn và làm tăng tốc độ ăn mòn của 42
5. thép.Trong các môi trường nước mặn thì thép nhiên. Tốc độ ăn mòn của thép trong nước biển không gỉ có điện thế ăn mòn dương nhất và tốc tự nhiên lớn hơn so với trong dung dịch NBNT độ ăn mòn nhỏ nhất; Thép CT38 có tính chất có điện trở suất tương đương. điện hoá kém ổn đinh nhất và tốc độ ăn mòn tức Các kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở cho thời lớn nhất, thép vỏ tàu có điện thế ăn mòn và viêc lựa chọn thép kết cấu thích hợp chế tạo cửa tốc độ ăn mòn khá ổn định. Điện thế ăn mòn và van và kết cấu thép trên công trình thuỷ lợi vùng tốc độ ăn mòn của các loại thép đi vào ổn định ven biển. sau khi ngâm mẫu 2-3 tuần trong nước biển tự Tµi liÖu tham kh¶o 1. W. A. Schultze, Phan Lương Cầm. Ăn mòn và Bảo vệ Kim loại. Trường Đại học Bách khoa Hà nội và Trường Đại học Kỹ thuật Delft (Hà lan). 1985. 2. R. Baboian. Electrochemical Techniques for Corrosion. NACE. 1978. 3. Trương Ngọc Liên. Ăn mòn và Bảo vệ Kim loại. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2004. Abstract ELECTRICAL-CHEMICAL PROERTIES OF THE STRUCTURAL STEELS IN SALT WATER ENVIRONMENT The corrosion of the steel structure in the water environment is the electrical-chemical corrosion. Therefore, the electrical-chemical characters of structural steels is an important basis for selecting suitable material for manufacturing of steel gates and steel structure of waterworks on the coastal areas. The present report introduces some results of research the electrical-chemical properties of the structural steels in the water environment with the different salt concentrations. 43