CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. DAT VAN DE Vấn dé chống ăn mòn cho các công trình, kết cấu thép, đặc biệt là đối với các công trình vùng biển đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm từ rất lâu. Nhiều giải pháp kỹ thuật đã từng được dé xuất thử nghiệm và áp dung, trong đó đáng chú ý là phương pháp bảo vệ catot. Thời gian gan đây trong khi giải quyết van đề chống ăn mòn công trình, kết cấu thép vùng biến, phương pháp bảo vệ catot cảng được quan tâm như là một trong những giải pháp hữu hiệu và khả thị.
Hệ thống bao vệ catot là hệ thống thiết bị, vật tư được lắp đặt và sử dụng cho từng kết câu và môi trường cụ thé với chức năng tạo nên sự phân cực catot cho công trình, kết cầu thép ở mức độ phù hợp với nhiệm vụ chống ăn mòn, tăng tudi thọ của kết cầu công trình. Bảo vệ catot được sử dụng rộng rãi dé chống ăn mòn đường Ống, bồn bể ngầm, các kết cầu thép ở biển, cầu cảng, cốt thép bê tông, tau thủy, hệ thông cáp ngầm, vv. Đối với các kết cấu bê tông cốt thép ngầm ở môi trường có độ xâm thực cao, đã bị ăn mòn, xuất hiện nhiều vết nứt hoặc các lớp sơn phủ không còn tác dụng thì bảo vệ catot là giải pháp kỹ thuật khả thi và thích hop để duy trì va tăng tuổi thọ của công trình. Hiệu quả của bảo vệ catot thé hiện ở chỗ: trong các điều kiện tự nhiên nó làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại nhiều lần.
Mức độ bảo vệ thực tế đạt 70-90%. Dự trữ tudi tho của công trình vi thế cũng được tăng lên tương ứng (3-5 lần). Bảo vệ catot mang tính chọn lọc: dòng bảo vệ tác động tập trung nhất tại những khu vực mà nguy cơ phá hủy cục bộ là lớn nhất (khu vực suy yếu, nứt, rỗ hoặc nơi môi trường xâm thực mạnh, độ dẫn điện cao,. Bảo vệ catot tác động liên tục và có tính lâu dài.
Khi triển khai bảo vệ catot người ta không can phải xử lý toàn bộ bé mặt của kết cấu, vì vậy không làm ảnh hưởng tới các hoạt động công nghệ của công trình hiện hữu. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp này đã được kiểm nghiệm bởi thực tế nhiều năm sử dụng các hệ thống bảo vệ catot cho hàng loạt công trình: tàu biển, đường ống dan dau, khí, cầu, cầu Cảng, VV. Ở nhiều khu vực khác nhau trên thế giới. Hệ thống bảo vệ catot có thé được sử dụng một cách độc lập hoặc kết hợp với việc bảo vệ bằng sơn phủ, ức chế ăn mòn hay các loại vật liệu bảo vệ khác.
Chống ăn mòn băng phân cực catot về nguyên tac có thé thực hiện theo hai cách: bảo vệ băng dòng điện ngoài (dong điện cưỡng bức) [5] và bảo vệ băng anot hy sinh (còn gọi là bảo vệ bang protector) [6]. Khi lựa chon, thiét ké va trién khai hé thống bảo vệ catot người ta xuất phat từ những đặc điểm cu thé của kết câu cần bảo vệ và môi trường ăn mòn cũng như các điều kiện kinh tế — kỹ thuật khác. Thông thường, phương pháp bảo vệ bằng protector được sử dụng cho những kết câu thép ở môi trường ăn mòn trung tinh, có độ dẫn điện cao và ít thay đổi, ở những nơi không có điện hoặc việc cung cấp điện năng rat tốn kém. Hiệu quả và khả năng ứng dụng của bảo vệ catot bang protector là rat lớn.
Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu dé nâng cao hiệu qua bảo vệ của protector mới chỉ tập trung vào nghiên cứu thành phan va va vat liéu ché tao protector. Hiện có rat it công trình nghiên cứu về công nghệ chế tao protector dé nâng cao hiệu quả bảo vệ của nó trong ứng dụng thực tế. Phương pháp chế tạo protector truyền thống, là phương pháp đúc nóng chảy hoàn toàn. Chưa có công trình nghiên cứu nao áp dụng biện pháp công nghệ kết tinh có điều khiến trong quá trình chế tạo protector.
Với hiệu ứng tạo ra sản phẩm hợp kim có tổ chức hạt nhỏ, mịn, đồng đều, phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh là giải pháp công nghệ phù hợp để cải thiện đặc tính điện hóa của protector. Vì vậy, dé tài đã chọn van dé nghiên cứu công nghệ chế tạo protector bang phương pháp kết tinh có điều khiển, đúc ở trạng thái bán lỏng đối với một đối tượng cụ thể là protector Zn, từ đó tiễn hành phân tích, kiểm tra trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm tự nhiên dé đánh giá chất lượng của sản phẩm protector Zn chế tạo bang công nghệ mới. Xét từ góc độ kỹ thuật, một phương pháp công nghệ trước khi áp dụng phải được nghiên cứu tổng thể các yếu tố kỹ thuật đảm bảo và qua thử nghiệm thực tế. Vi vậy, việc nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm protector nên Zn băng công nghệ đúc bán lỏng có điều khiến kết tinh là một nội dung mới, can nghiên cứu, thử nghiệm để hoàn thiện công nghệ và nâng cao hiệu quả bảo vệ cua protector.
TINH CAP THIẾT CUA LUẬN AN Hiện nay việc ứng dung protector dé chống ăn mòn rất phố biến, hang năm tiêu tốn một lượng kim loại màu rất lớn. Vì vậy, yêu câu đặt ra là phải nghiên cứu để nâng cao chất lượng của protector, nhằm bảo vệ có hiệu quả và liên tục, tiết kiệm vật liệu protector. Việc nghiên cứu công nghệ kết tinh có điều khiển để chế tạo protector Zn nói riêng và protector nói chung nhằm nâng cao dung lượng, chống thụ động hóa và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector là rất cần thiết. MỤC TIỂU CUA LUẬN AN Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo protector nền Zn băng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiến kết tinh nhằm nâng cao các tính chất điện hóa can thiết, nâng cao hiệu quả bảo vệ va đảm bảo tính liên tục, ôn định trong suốt quá trình làm việc của protector nền Zn.
NỘI DUNG CUA LUẬN ÁN - _ Nghiên cứu phương pháp, công nghệ chế tao mới, đó là công nghệ đúc ban lỏng có điều khiển kết tính. - _ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các điều kiện của công nghệ đúc bán lỏng. - _ Nghiên cứu xác định hợp kim nén kẽm Zn-Al-Sb dé chế tao protector có giá trị điện thế điện cực âm nhất băng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. - _ Nghiên cứu phân tích các phản ứng hóa lý của quá trình kết tinh trong điều kiện đúc ban lỏng có điều khiến.
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo protector nền Zn băng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển quá trình kết tinh và ảnh hưởng của các thông số chính đến chất lượng vật đúc. - Khao sát, phân tích các chỉ tiêu điện hóa, tổ chức tế vi của protector nền Zn trong phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm protector nền Zn chế tạo theo phương pháp mới và xác định hiệu quả bảo vệ, các tính chất điện hóa của chúng trong môi trường nước bién và dat ven biển. - Để ra quy trình công nghệ chế tao protector nền Zn và bước dau xác định hiệu quả kinh tế kỹ thuật của sản phẩm.
TINH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Trên thế giới, các nghiên cứu về protector Zn chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần hợp kim và hình dạng, kích thước của protector, nhăm cải thiện đặc tính điện hóa và các tính chất sử dụng khác của chúng. Trong đó, việc đáp ứng yêu cầu khat khe về bảo vệ môi trường ngày càng được quan tâm. Nhiều thành phan hợp kim đã được dé xuất dé thay thế việc sử dụng phụ gia Cd độc hại (Cd đưa vào hợp km dé hạn chế thụ động hóa protector Zn), dé hạn chế tác động xâu đến môi trường trong quá trình sử dung protector. Ứng dụng thực tiễn về bảo vệ catot được Humphrey Davy báo cáo lần dau tiên vào năm 1824.
Trong quá trình kiểm tra sự ăn mòn của bản Cu được sử dụng cho lớp sơn phủ thân tàu hải quân, Davy nhận thây rằng có thể bảo quản đồng trong nước biển băng cách cho thêm vào một lượng nhỏ Fe, Zn va Sn. Sự phát triển nhanh chóng của phương pháp bảo vệ catot được hình thành ở Mỹ vào 1945, phương pháp này được ứng dụng để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dâu hỏa và khí đốt tự nhiên. Nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng hệ thống đường ống thép mỏng chôn đưới lòng dat. Đầu những năm 1950, ở Anh, nơi có các hệ thông đường ống bằng gang dày với áp suất thấp được sử dụng rộng rãi, bảo vệ catot ở qui mô nhỏ đã được áp dụng dé chéng an mon cho hệ thống đường ống gang.
Trong chiến tranh thé giới lần thứ 2, bao vệ catot đã được ứng dụng rất thành công dé bảo vệ cho khoảng 1000 dặm hệ thống đường Ống nhiên liệu [8]. Thời gian gần đây việc áp dụng phương pháp bảo vệ catot đã tăng lên đáng kể do những hiệu qua mà nó mang lại. Hiện nay phương pháp bảo vệ catot được sử dụng rộng rãi với các trạng thái khác nhau như nhúng trong nước hoặc chôn trong đât và bảo vệ cơ sở hạ tâng như câu trúc bê tông đê kiêm soát ăn mòn. Công ty Cathodic Protection của Anh có lịch sử nghiên cứu và sản suất protector từ gần 50 năm nay đã có nhiều nghiên cứu vẻ thành phan hợp kim, chế độ công nghệ của protector.
Đã ứng dụng các dạng đúc áp lực, đặc biệt đã chế tạo các protector dang kim loại bột. Công ty Cathodic Protection Technology của Singapo và công ty Southern Cathodic Protection cua Mỹ chuyên nghiên cứu protector chống ăn mòn cho tau biển, có nhiều sản phẩm, trong đó nồi bật là protector chế tao bằng công nghệ đúc khuôn cát làm nguội nhanh [8]. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ở các nước nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ, cải thiện chỉ tiêu điện hóa của protector. Tuy nhiên, tât cả các nghiên cứu đó đều tập trung vao giải quyết bài toán về thành phan hợp kim của các loại protector hoặc công nghệ đúc kết hợp làm nguội nhanh, hiện chưa thấy nghiên cứu nào dé cập đến phương pháp đúc bán lỏng.
TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Trong nước, công nghệ bảo vệ catot cho các kết câu thép được sử dụng chưa lâu. Những nghiên cứu về bảo vệ catot cho kết cau thép được tiến hành tại Đại học bách khoa Hà Nội, Dai học Bách khoa TP. Hỗ Chi Minh, Liên doanh Dau khí Việt Xô, Viện KHCN Giao thông vận tải, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Khoa hoc và Công nghệ Quân sự, Trung tâm nhiệt đới Việt Nga, vv.
