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

Nội dung text: Nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong môi trường nước mặn tại hiện trường - Nguyễn Đình Tân

1. NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN ĂN MÒN THÉP KẾT CẤU TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶN TẠI HIỆN TRƯỜNG TS. Nguyễn Đình Tân Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Cửa van thép trên công trình thuỷ lợi ven biển có tuổi thọ không cao. Nguyên nhân hư hỏng chủ yếu là do ăn mòn. Vật liệu kết cấu thép cửa van rất đa dạng như thép các bon, thép bền khí quyển, thép không rỉ Tuy nhiên đến nay vẫn còn rất thiếu các tài liệu về độ bền ăn mòn của thép kết cấu trong môi trờng nước mặn làm cơ sở cho việc lựa chon vật liệu thích hợp khi thiết kế chế tạo cửa van vùng triều. Báo cáo sau đây trình bày một số kết quả nghiên cứu độ bền ăn mòn của thép kết cấu tại hiện trường cống Trà Linh và Diêm Điền, Thái Thuỵ, Thái Bình. I. ĐẶT VẤN ĐỀ cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Trong pham vi Trong hơn 100 năm qua, hàng ngàn công bài bài báo này tác giả trình bày một số kết quả trình thủy lợi đẵ được xây dưng dọc theo hơn nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong 3000 km bờ biển nước ta với nhiệm vụ ngăn môi trường nước mặn tại hiện trường. mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ và đảm bảo giao thông thủy. Trong điều kiện làm việc vừa II. NHIỆM VỤ CỤ THỂ VÀ PHƯƠNG PHÁP chịu tải trọng làm việc nặng nề, vừa chịu tác THỰC NGHIỆM dung xâm thực trực tiếp của môi trường nước 1. Nhiệm vụ cụ thể mặn làm cho một số bộ phận kết cấu thép bị hư - Các kết quả nghiên cứu độ bền ăn mòn tại hỏng do ăn mòn. Tuổi thọ của hệ thống cửa van hiên trường là cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu vùng mặn thấp làm ảnh hưởng đến hiệu quả kết cấu thép trong thiết kế chế tạo cửa van. Do khai thác công trình [1,2]. Có nhiều yếu tố ảnh đó, tất cả các các mác thép kết cấu hiện đang có hưởng đến quá trình ăn mòn cửa van: ở Việt Nam và các mác thép đang được sử dụng + Kết cấu và cấu tạo kết cấu chưa hợp lý trong công trình đều được quan tâm như thép + Sử dụng vật liệu kết cấu thép chưa hợp lý các bon thường (CT3), thép hợp kim thấp + Hiệu quả các phương pháp chống ăn mòn 09Mn2Si, thép Pháp, thép vỏ tàu A32, thép kết cấu thép cửa van chưa cao không rỉ SUS304. Vật liệu thép chế tạo cửa van rất phong phú - Việc nghiên cứu được tiến hành trong môi và thay đổi qua từng thời kỳ. Các kết quả khảo trường nước mặn vùng ven biển phía Bắc. Để sát hiện trạng làm việc cửa van công trình Thủy đánh giá ảnh hưởng nồng độ môi trường của lợi cho thấy vật liệu thép kết cấu có ảnh hưởng vùng mặn việc thử nghiệm cần được tiến hành rất lớn dến tuổi thọ cửa van. Tuy nhiên, cho đến đồng thời ở hai vùng có nồng độ NaCl và độ nay vẫn chưa có nhiều tài liệu về độ bền ăn mòn dẫn điện khác nhau. của thép kết cấu cửa van trong môi trường nước - Thủy triều có ảnh hưởng lớn đối với quá trình lợ này làm cơ sở cho việc lưa chọn thép kết cấu ăn mòn kết cấu thép. Vì vậy, để có thể đánh giá chế tạo cửa van. định lượng ảnh hưởng của thủy triều, các nghiên Vì vậy viêc nghiên cứu độ bền ăn mòn của cứu độ bền ăn mòn được thực hiện đồng thời trong thép kết cấu trong môi trường nước lợ là hết sức vùng ngập nước và vùng thủy triều. 130
2. 2. Phương pháp thực nghiệm khe van và cửa van nhà máy Thủy điện Sơn La a.Chuẩn bị mẫu: do Công ty Cơ Điện Thủy lợi chế tạo. Các mẫu thép kết cấu chế tạo cửa van đươc - Mẫu thép vỏ tàu lấy tại công ty Tổng công lấy tại công trình Thủy lợi hoặc cơ sở sản xuất: ty Công nghiệp Tàu thuỷ Nam Triệu. - Mẫu thép của Pháp lấy tại cửa số 1 công Thành phần hoá học của thép được trình bày trình Đập Đáy được xây dựng từ năm 1936. trong bảng 1. Các mẫu thép được gia công theo - Mẫu thép CT3 lấy tại cửa số 4 công trình kích thước 100x150x5mm sau đó được gắn lên Đập Đáy được được sửa chữa năm 1972. tấm Composit. Các tấm Composit này sau đó - Mẫu thép 09Mn2Si, SUS304 được lấy tai được gắn lên bản mặt cửa van ở hiện trường. Bảng 1. Thành phần hóa học của thép kết cấu thép kết cấu chế tạo cửa van Thép A32 Thép Pháp Thép Thép không rỉ Nguyên tố Thép CT3 (Công ty Cửa Cửa Nhâm 09Mn2Si SUS 304 % (Đập Đáy) Nam Đập Đáy Lang (Cửa xả Sơn La) (Cửa xả Sơn La) Triệu) 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 và thời gian thử nghiêm: biển 2 km có độ mặn cao hơn với độ dẫn điện Qua khảo sát hiện trường ở các tỉnh ven biển là χ = 29,2 mS/cm. Các mẫu thép được gắn lên phía Bắc chúng tôi chọn cống Trà Linh, Thái bản mặt ở vùng ngập nước và vùng thủy triều. Thụy, Thái Bình có cửa van cung khẩu độ lớn Thời gian thử nghiêm là 6,12, 18 tháng. Hình 1 cách biển 7 km làm địa điểm treo mẫu nghiên trình bày các mẫu thép kết cấu sau khi gia công cứu chính , môi trường nước có độ dẫn điên χ = được gắn lên tấm composit và sau đó gắn lên 22,8 mS/cm và cống Diêm Điền, Thái Thụy, giá mẫu hàn sẵn trên bản mặt cửa van. Thái Bình có cửa van phẳng khẩu độ nhỏ cách 131
3. (1)ThÐp CT3 (2)ThÐp A32 (3)ThÐp 09Mn2Si (4)ThÐp Ph¸p (5)ThÐp SUS 304 Hình 1. Các mẫu thép sau khi gia công được gắn lên tấm composit và treo tại hiện trường c. Thiết bị đo và thí nghiệm: hàm lương Ni, Cr rất cao (bảng 1). Về tổ chức tế + Thành phần hóa học thép kết cấu được xác vi thì thép Pháp có tổ chức chủ yếu 1 pha Ferit, định trên máy quang phổ phát xạ Metal-Lab 75- thép CT3, 09Mn2Si. A32 có tổ chức 2 pha Ferit 80J (ITALY), phòng thí nghiệm Vật liệu Viện và Xementit, thép không rỉ có tổ chức 1 pha CKNL và Mỏ. Austenit. Thép A32 có tổ chức hạt nhỏ mịn hơn + Cơ tính của thép thép kết cấu được xác hẳn thép CT3 và 09Mn2Si. Xét về mặt tổ chức định trên Fast Track 8801(ANH), phòng thí tế vi thì thép có tổ chức 1 pha bền ăn mòn hơn nghiệm Vật liệu Viện CKNL và Mỏ. thép tổ chức 2 pha. Thép có tổ chức hạt nhỏ mịn + Hình thức ăn mòn được quan sát và chụp thì ăn mòn đều hơn thép có tổ chức hạt thô to. Các ảnh kỹ thuật số và phân tích trên máy tính với mác thép đều có tính hàn tốt do hàm lượng các độ phóng đại 3-10 lần. bon < 0,2% [4]. + Độ bền ăn mòn được xác định bằng 2. Tính chất cơ học thép kết cấu phương pháp tổn thất khối lượng. Thép sau thời Tính chất cơ học thép kết cấu được trình bày gian thử nghiệm hiện trường được làm sạch bùn trong bảng 2. Các kết quả cho thấy thép hợp đất và ngâm trong dung dịch EDTA để hòa tan kim thấp có độ bền cao hơn nhóm thép các bon lớp han rỉ, sấy khô và xác định khối lượng trên và thép Pháp. Thép vỏ tàu không chỉ có độ bền cân phân tích TE 214S (USA). cao mà độ dẻo rất tốt. Các mác thép nói trên 2 Pkl = (m1-m2)/S.t [ g/m .năm] và Ptn = Pkl /ρ nhìn chung là có khả năng thay thế nhau. Song hết [μm/năm] sức lưu ý là độ bền và độ dẻo khác nhau khá lớn. Trong đó Pkl tốc độ ăn mòn khối lượng; m1 Giới hạn chảy của thép A32 lớn hơn thép CT3 gẩn khối lượng mẫu thép trước khi thử nghiệm; m2 1,6 lần. Vì vậy, việc áp dung thép A32 thay thế khối lượng mẫu thép sau khi thử nghiệm; S bề CT3 không chỉ làm tăng khả năng chịu lực mà còn mặt mẫu; ρ khối lượng riêng, t thời gian [3,4]. giảm khối lượng kết cấu thép. Cho nên khi thay thế + Thành phần pha của lớp han rỉ được xác định cần có sự tính toán rất cụ thể. Thép 09Mn2Si có độ trên máy nhiễu xạ Rơnghen D8 Advance (BRD), bền tốt, song độ dẻo kém hơn. phòng thí nghiệm Vật liệu Viện CKNL và Mỏ Bảng 2: Tính chất cơ học thép kết cấu ch b   III. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Thép kết cấu 1.Thành phần hóa học (Mpa) (Mpa) ( %) (%) Thép kết cấu chế tạo cửa van chủ yếu gồm Thép Pháp 315 461 32 60,6 các nhóm thép các bon thường (CT3), thép hợp Thép CT3 299 453 29,6 60,5 kim thấp (9Mn2Si, thép Pháp) và thép không rỉ Thép A32 475 569 27 61 (SUS304). Thép Pháp có hàm lượng C siêu thấp Thép 09Mn2Si 421 532 25 48 (0,04%C) hàm lượng P hoặc Cu khá cao, tương Thép SUS 304 394 633 59 62 tự nhóm thép bền khí quyển. Thép không rỉ có 132
4. 3. Hình thức và độ bền ăn mòn thép kết cấu đó chúng ta thấy, tốc độ ăn mòn thép giảm dần a. Hình thức ăn mòn: theo thời gian thử nghiệm do sản phẩm ăn mòn Hình trình bày bề mặt mẫu sau 18 tháng treo có ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn. Thép không rỉ tại hiện trường trước và sau khi làm sạch. Quan có độ bền ăn mòn hơn hẳn nhóm thép các bon. sát sự thay đổi bề mặt mẫu tại hiện trường, Trong nhóm thép các bon thì thép vỏ tàu A32 và chúng ta thấy có sự khác biệt rõ rệt giữa nhóm thép Pháp có độ bền ăn mòn tốt hơn thép CT3 thép không rỉ và thép các bon. Trong nhóm thép và thép 09Mn2Si. Hình 4 trình bày kết quả các bon thì sau 1 tháng treo mẫu cũng có thể nghiên cứu ảnh hưởng của độ mặn và thủy triều quan sát rõ là các trung tâm ăn mòn của thép đến tốc độ ăn mòn của thép A32. Thống nhất CT3 nhiều hơn các mác thép khác. Sau 18 tháng với các kết quả đã được công bố, trong môi chúng ta thấy các mẫu đều bị han rỉ mạnh, hàu trường có nồng độ NaCl cao hơn và độ đẫn điện hà bám vào bề mặt mẫu. sau khi làm sạch thấy cao hơn thì tốc độ ăn mòn sẽ tăng, nguyên nhân các mẫu đều bị ăn mòn không đều làm cho bề chủ yếu là do tác động trực tiếp của Cl- và khả mặt bị lồi lõm. Các mẫu thép A32 ăn mòn đều năng dịch chuyển của Ion trong môi trường hơn thép CT3, thép Pháp. Bề mặt thép SUS304 nước mặn. Cơ chế ảnh hưởng của thủy triều đến hầu như không có gì thay đổi. tốc độ ăn mòn tương đối phức tạp. Do tác động của hiện tượng khô ướt theo chu kỳ làm vùng này có mật độ Oxy cao hơn và mật độ NaCl cũng cao hơn, nên tốc độ ăn mòn của vùng này gấp 2 lần vùng ngập nước. ThÐp CT3 ThÐp A32 ThÐp Ph¸p ThÐp 09Mn2Si ThÐp SUS 304 300 m ¨ n / m 200 , n ß m n ¨ 100 é ® (1) (2) (3) (4) c è T 0 Hình 2. Bề mặt mẫu thép tại hiên trường và 0 3 6 9 12 15 18 21 sau khi làm sạch (18 tháng) Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng b. Tốc độ ăn mòn Tốc độ ăn mòn thép sau thời gian thử nghiêm Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian đến tốc độ ăn 6,12, 18 tháng được trình bày trong hình 3. Qua mòn thép kết cấu tại hiện trường 500 Trµ Linh 500 NgËp n­íc Diªm §iÒn Thuû triÒu m 400 m 400 3 9 8 . 2 0 ¨ ¨ n n / / m m   , 300 , 300 n n 269.44 ß ß 2 4 3 . 6 1 m m 2 2 6 . 5 2 n n 200 200 200.29 196.58 ¨ ¨ 178.83 17 8 . 8 3 é é ® ® 127.57 c 12 7 . 5 7 c è 10 7 . 5 7 è 100 107.57 100 T T 0 0 6 12 18 6 12 18 a. Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng b. Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng Hình 4. Ảnh hưởng nồng độ môi trường (a) và thủy triều đến tốc độ ăn mòn (b) thép A32 133
5. Bảng 3: Thành phần pha sản phẩm ăn mòn thép kết cấu thử nghiệm tại hiện trường Hằng số mạng Hàm lượng Mác Pha tinh thể Kiểu mạng (A) (%) Maghemite–C, Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 49,76 syn–Fe2O3 CT3 Magnetite-Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38730 15,53 a=4.59600 Goethite, Trực thoi đơn giản b=9.95700 30,69 alpha–Fe2O3.H2O c=3.02100 Maghemite–C, Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 45,79 syn–Fe2O3 A32 Magnetite- Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38470 22,59 Goethite– - - 24,60 Fe2O3.H2O.xH2O Maghemite–C, Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 46,75 syn–Fe2O3 Thép Magnetite, Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 20,85 Pháp a=4.61580 Goethite, syn–FeO(OH) Trực thoi đơn giản b=9.95450 30,38 c=3.02330 Maghemite–C, Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 48,55 syn–Fe2O3 09Mn2Si Magnetite–Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 18,77 Goethite– - - 25,66 Fe2O3.H2O.xH2O 4. Sản phẩm ăn mòn IV. KẾT LUẬN Kết quả phân tích thành phần pha sản Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu độ bền ăn phẩm ăn mòn trình bày trong bảng 3 cho cho mòn của thép kết cấu tại hiện trường, chúng ta thấy, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thành có thể đưa ra một số kết luận sau: phần các pha trong lớp han rỉ. Hàm lượng các - Do ảnh hưởng của lớp han rỉ , nên thời gian pha có mức độ xít chặt cao có khả năng ngăn thử nghiêm tại hiện trường tăng, tốc độ ăn mòn cản sự thâm nhập của Oxy tốt hơn sẽ có tác thép kết cấu giảm. Độ mặn của môi trường tăng thì dụng chống ăn mòn tốt hơn. Pha Magnetite- tốc độ ăn mòn cấu thép kết cấu tăng. Tốc độ ăn Fe3O4 có mạng lập phương tâm mặt có mật mòn vùng triều lớn gấp 2 lần vùng ngập nước. độ nguyên tử cao nên có tác dung bảo vệ tốt. - Trong nhóm thép các bon và thép hợp kim Thành phần pha lớp han rỉ của thép A32 có thấp, thép vỏ tàu A32 có độ bền ăn mòn ăn đảm hàm lượng pha Magnetite-Fe3O4 (22,59%) bảo, cơ tính tốt có thể sử dung chế tao cửa van cao hơn các mác thép khác. thép vùng mặn. 134
6. - Thép không rỉ có độ bền ăn mòn cao hơn thép kết cấu các bon có thể dẫn đến làm tăng hẳn thép các bon trong môi trường nước mặn, ảnh hưởng của ăn mòn tiếp xúc, vì vậy việc tiếp song giá thành cao. tục nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn tiếp xúc là rất - Viêc sử dụng đồng thời thép không rỉ và cần thiết [6]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Báo cáo kết quả điều tra khảo sát: Sự ăn mòn kim loại cửa van trong hệ thống công trình Thủy lợi năm 2003-2005. [2] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Thực trạng ăn mòn cửa van thép trong công trình Thủy lợi; Tạp chí KHKT Thủy lợi và 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 và bảo vệ kim loại. [4] Trương Ngọc Liên: Ăn mòn và bảo vệ kim loại. NXB KHKT. 2004 [5] Nguyễn Đình Tân: Vật liệu thép kết cấu trên các công 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 của thép kết cấu trong 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