Các nghiên cứu về công nghệ chống ăn mòn

CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CHỐNG ĂN MÒN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ GVHD : TS. HUỲNH QUYỀN HVTH : PHÙNG THỊ CẨM VÂN : HOÀNG MẠNH HÙNG HCM , 05/2011 NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 2  Ăn mòn kim loại là sự tự phá hủy kim loại do tác dụng hóa học và điện hóa giữa kim loại với môi trường bên ngoài.  Ăn mòn kim loại gây ra những thiệt hại vô cùng nghiêm trọng vì vậy nghiên cứu về ăn mòn và chống ăn mòn kim loại là công việc hết sức quan trọng trong tất cả các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau. 3 1. Tổng quan về ăn mòn  Vấn đề ăn mòn kim loại có liên quan đến hầu hết các ngành kinh tế (theo ước tính chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng thu nhập quốc dân đối với các nước công nghiệp phát triển)  Chi phí cho lĩnh vực ăn mòn có thể bao gồm:  Chi phí mất mát trực tiếp: tiền chi phí cho việc thay thế các vật liệu bị ăn mòn và những thiết bị xuống cấp do ăn mòn;  Chi phí mất mát gián tiếp: Chi phí sữa chữa số lượng sản phẩm giảm chất lượng trong quá trình sản xuất hoặc mất mát do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra.  Chi phí cho các biện pháp phòng ngừa, các biện pháp để bảo vệ chống hiện tượng ăn mòn kim loại.  Chi phí trực tiếp ít hơn rất nhiều so với chi phí gián tiếp 4 1. Tổng quan về ăn mòn  Theo cơ chế của quá trình ăn mòn:  Ăn mòn điện hóa  Ăn mòn hóa học  Theo điều kiện của quá trình ăn mòn:  Ăn mòn khí quyển  Ăn mòn trong chất điện ly  Ăn mòn trong đất;  Ăn mòn do dòng điện ngoài  Ăn mòn do ứng suất;  Ăn mòn do sinh vật 5 1. Tổng quan về ăn mòn  Xác định tốc độ ăn mòn theo thiệt hại về khối lượng: Q : Tốc độ ăn mòn, g/m2.giờ m : Thiệt hại khối lượng, g m1 : Khối lượng trước khi thí nghiệm, g m2 : Khối lượng sau khi thí nghiệm, g S : Diện tích bề mặt, m2 t : Thời gian thí nghiệm, giờ 6 1. Tổng quan về ăn mòn 1 2m -m ΔmQ= = S.t S.t  Xác định tốc độ ăn mòn theo chỉ số độ sâu ăn mòn P : Chỉ số độ sâu ăn mòn, mm/năm Q : Tốc độ ăn mòn, g/m2.giờ d : Khối lượng riêng của kim loại, g/m2 7 1. Tổng quan về ăn mòn QP=8,76 d  Xác định tốc độ ăn mòn theo chỉ số độ sâu ăn mòn 8 1. Tổng quan về ăn mòn Nhóm ổn định Chỉ số độ bền (P, mm/năm) Bậc Siêu bền 0,001 1 Độ bền cao 0,001-0,005 2 0,005-0,01 3 Độ bền trung bình 0,01-0,05 4 0,05-0,1 5 Độ bền thấp 0,1-0,5 6 0,5-1,0 7 Độ bền rất thấp 1,0-5,0 8 5,0-10,0 9 Hoàn toàn không bền > 10,0 10 NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 9 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 10 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Giảm hàm lượng chất khử phân cực (Ví dụ: Trung hòa H+ bằng vôi sống)  Khử oxy trong dung dịch nước:  Tăng nhiệt độ  Xử lý chân không;  Sử dụng các hóa chất khử oxy như Na2SO3, SO2, NaS2O4,…  Dùng chất làm chậm ăn mòn (Chất ức chế): là các chất khi cho lượng nhỏ chất làm chậm vào môi trường thì tốc độ ăn mòn điện hóa của kim loại và hợp kim giảm đi nhanh chóng. Cơ cấu tác dụng của CLC là ngăn cản quá trình anod và catod hay tạo màng. Dựa vào cơ cấu tác dụng phân loại thành CLC anod, CLC catod, CLC tạo màng, CLC hỗn hợp 11 2.1. Xử lý môi trường NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 12 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Đặc điểm cấu tạo của thiết bị ảnh hưởng lớn đến quá trình ăn mòn, cấu tạo thiết bị không hợp lý là nguyên nhân làm tăng tốc độ ăn mòn  Cấu tạo thiết bị hợp lý là một biện pháp bảo vệ kim loại.  Khi thiết kế cần lưu ý:  Tránh tiếp xúc trực tiếp giữa các kim loại cùng nằm trong môi trường điện ly;  Loại bỏ ứng suất;  Cấu tạo ống thoát không đọng môi trường ăn mòn;  Tránh ăn mòn cục bộ do chất lỏng chảy dọc thành thiết bị;  Giảm các khe hẹp trong các mối nối các chi tiết nằm trong dung dịch chất điện ly;  Tránh các góc chết gây nên tính không đồng nhất chất điện ly. 13 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 14 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Trạng thái thụ động của kim loại hay hợp kim là trạng thái mà trên bề mặt của nó hình thành một lớp màng mỏng có tính chất bảo vệ kim loại/hợp kim trong dung dịch ăn mòn. Fe + 2H2O  Fe(OH)2 + 2H+ + 2e  Bề dày của lớp màng thụ động có thể từ vài Ao đến vài trăm Ao được hình thành do quá trình oxy hóa.  Khi kim loại ở trạng thái thụ động thì điện thế điện cực của nó chuyển về phía dương hơn (phân cực anod lớn) và điện trở ăn mòn lớn, nên tốc độ ăn mòn giảm nhanh. 15 2.3. Thụ động hóa kim loại  Hiện tượng thụ động do Lomonoxov tìm ra năm 1938 và sau đó được Faraday phát triển thêm vào năm 1840 khi ông nghiên cứu sự ăn mòn Fe trong dung dịch HNO3.  Có 2 cách để chuyển kim loại vào trạng thái thụ động:  Phân cực anod (Bảo vệ anod bằng dòng ngoài)  Nhúng vào dung dịch điện ly có chứa cấu tử thích hợp 16 2.3. Thụ động hóa kim loại PHÂN CỰC ANOD Fe bị phân cực anod trong dung dịch 0,5M H2SO4, bắt đầu phân cực từ điện thế ăn mòn Ecorr 17 2.3. Thụ động hóa kim loại PHÂN CỰC ANOD  Phương pháp: Nối kim loại cần bảo vệ với cực dương của nguồn một chiều hoặc nối kim loại cần bảo vệ với kim loại có điện thế điện cực dương hơn.  Phương pháp bảo vệ anod chủ yếu dùng để nâng cao độ bền của thép cacbon, thép không gỉ, hay titan trong một số môi trường như xút đặc, H2SO4 nồng độ cao.  Điều kiện tiến hành bảo vệ anod:  Kim loại có khả năng thụ động khi phân cực anod;  Dòng điện bé khi duy trì trạng thái thụ động để đảm bảo độ bền ăn mòn cao. Lúc đầu cần có mật độ dòng lớn để vượt qua dòng giới hạn đến vùng thụ động của kim loại;  Đảm bảo duy trì dòng điện thường xuyên khi bảo vệ anod;  Vùng điện thế hiệu quả lớn. 18 2.3. Thụ động hóa kim loại PHÂN CỰC ANOD  Khó khăn  Bảo vệ anod không thực hiện được ở phần kim loại không tiếp xúc với dung dịch;  Dòng điện ban đầu cho sự thụ động anod lớn nên cần phải có dụng cụ khống chế điện thế và duy trì dòng điện;  Rất khó khăn cho các đường ống dẫn dài; 19 2.3. Thụ động hóa kim loại NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 20 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Nguyên tắc: Bảo vệ điện hóa là dịch chuyển điện thế điện cực về phía âm hơn hoặc về phía dương hơn nằm trong miền thế loại trừ ăn mòn.  Dựa vào nguyên tắc có 2 phương pháp bảo vệ điện hóa:  Bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài  Bảo vệ catod bằng anod hi sinh (Protector)  Bảo vệ anod bằng dòng điện ngoài (Thụ động hóa) 21 2.4. Bảo vệ điện hóa  Bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài  Kim loại cần được bảo vệ, các đường ống dẫn nhiên liệu dưới đất, vỏ tàu biển, được nối với cực âm của nguồn điện một chiều, còn cực dương của nguồn điện nối với một anod bằng vật liệu ít tan. 22 2.4. Bảo vệ điện hóa  Bảo vệ catod bằng anod hi sinh  Kim loại cần được bảo vệ phải có giá trị điện thế dương hơn vật liệu làm anod hi sinh. Anod hi sinh bị hòa tan để bảo vệ kim loại.  Công trình được bảo vệ thường là thép. Ví dụ như vỏ tàu biển, các giàn khoan khai thác dầu khí ngoài biết. Vật liệu anod hi sinh thường là kim loại nhôm, kẽm, magie, hoặc hợp kim của chúng. 23 2.4. Bảo vệ điện hóa  Bảo vệ catod bằng anod hi sinh(tt) Yêu cầu:  Giữa vật bảo vệ và anod hy sinh có hiệu điện thế đủ lớn, nghĩa là anod hy sinh phải có điện thế âm hơn điện thế của thiết bị cần bảo vệ;  Vật liệu anod có điện thế làm việc ít thay đổi;  Vật liệu anod phải ổn định, không bị thụ động trong môi trường làm việc, ăn mòn đều, hiệu suất cao. 24 2.4. Bảo vệ điện hóa NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 25 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Lớp phủ bảo vệ là một trong các phương pháp phổ biến nhất hiện nay để chống ăn mòn kim loại.  Có 3 loại lớp phủ bảo vệ  Lớp phủ kim loại  Lớp phủ phi kim loại  Lớp phủ hợp chất hóa học 26 2.3. Lớp phủ bảo vệ LỚP PHỦ KIM LOẠI  Lớp phủ anod: Điện thế kim loại phủ âm hơn kim loại chính, do đó kim loại phủ đóng vai trò anod của pin ăn mòn. VD: Phủ Zn, Sn, Cd,… lên trên nền sắt, thép  Lớp phủ catod: Điện thế kim loại phủ dương hơn kim loại chính, do đó kim loại phủ đóng vai trò catod và kim loại chính đóng vai trò anod. Do đó, muốn bảo vệ kim loại chính thì lớp phủ phải đảm bảo các yêu cầu sau:  Bền trong môi trường ăn mòn;  Sít chặc, không có lỗ xốp, không có vết nứt;  Bám chặt vào kim loại chính Ví dụ: Phủ Cu, Cr, Ni lên nền sắt, thép 27 2.3. Lớp phủ bảo vệ LỚP PHỦ KIM LOẠI (tt)  Phương pháp phủ điện: Bản chất của phương pháp này là kết tủa điệnhóa từ các kim loại khác 28 2.3. Lớp phủ bảo vệ LỚP PHỦ KIM LOẠI (tt)  Phương pháp phủ nhiệt: Bản chất của phương pháp này là nhúng kim loại cần bảo vệ vào kim loại khác ở dạng nóng chảy và kim loại nóng chảy bám vào bề mặt kim loại cần bảo vệ. Ưu điểm: đơn giản, năng suất cao Nhược điểm:  Chiều dày lớp phủ không ổn định, phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nhúng;  Tiêu hao kim loại khá lớn (làm việc ở nhiệt độ cao nên kim loại dễ bị oxy hóa);  Lớp phủ không đều, không bằng phẳng;  Không thể thực hiện được các chi tiết phức tạp (lỗ,khe) 29 2.3. Lớp phủ bảo vệ LỚP PHỦ PHI KIM LOẠI (SƠN VÀ TRÁNG MEN)  TRÁNG MEN: Lớp men bám chắc vào kim loại, hoàn toàn không có lỗ xốp. Nước và không khí không thể thấm qua. Thường dùng để bao phủ các thiết bị phản ứng có vỏ bọc gia nhiệt, tháp hấp thụ, ống trao đổi nhiệt,… Ưu điểm:  Lớp men tương đối bền với môi trường xâm thực như khí quyển, dung dịch muối trung tính, nước,…  Giữ vẻ đẹp và ổn định trong thời gian dài;  Công nghệ tráng men đơn giản, nguyên liệu dễ tìm Nhược điểm:  Không thể bóc lớp phủ ra được;  Lớp men dễ vỡ do tác dụng cơ học  Không thực hiện cho các chi tiết phức tạp;  Trong môi trường kiềm mạnh hoặc HF, lớp men bị phá hủy 30 2.3. Lớp phủ bảo vệ LỚP PHỦ PHI KIM LOẠI (SƠN VÀ TRÁNG MEN) (tt)  SƠN: Sơn là loại chất lỏng được cấu tạo từ chất tạo màng và một số chất hòa tan trong dung môi dễ bay hơi. Vai trò của lớp sơn  Chống gỉ  Trang trí  Cách điện, chịu nhiệt, chịu hà, chịu axit, chịu kiềm, xăng dầu Yêu cầu của màng sơn:  Bám chắc vào kim loại nền  Ổn định hóa học  Không thấm nước, thấm khí, không bị nước phân hủy  Chậm lão hóa 31 2.3. Lớp phủ bảo vệ NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN2 32 2.1. Xử lý môi trường 2.2. Bảo vệ bằng cấu tạo thiết bị hợp lý 2.3. Thụ động hóa kim loại 2.4. Bảo vệ điện hóa 2.5. Lớp phủ bảo vệ 2.6. Phương pháp kết hợp  Trong thực tế, người ta thường dùng tổ hợp các phương pháp bảo vệ sao cho hợp lý và kinh tế nhất.  Thường để bảo vệ kết cấu kim loại trong nước biển, người ta thường kết hợp giữa phương pháp sơn phủ và bảo vệ bằng protecto hoặc bảo vệ bằng dòng điện ngoài,… 33 2.5. Phương pháp kết hợp 35 2.5. Phương pháp kết hợp