Chương 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu thép cacbon Theo dữ liệu từ tập đoàn thép thế giới (WSA - World steel association), sản lượng thép toàn cầu tăng 4,9% đạt 1,804 tỷ tấn trong năm 2018 và tăng 3,8% trong hai tháng đầu năm 2019 [1]. Ngoài ra, báo cáo nghiên cứu thị trường (market reasearch report), quy mô thị trường thép carbon toàn cầu được định giá là 887,7 tỷ USD vào năm 2019 và dự kiến sẽ đạt tốc độ tăng trưởng hằng năm (CAGR - compounded annual growth rate) là 3,4% từ năm 2020 đến năm 2027. Việc tăng cường tập trung phát triển cơ sở hạ tầng, đặc biệt là các nước Châu á Thái bình dương dự kiến sẽ thúc đẩy tiêu thụ các sản phẩm thép hơn nữa, đặc biệt là thép cacbon.
Thép cacbon thành phần chủ yếu là sắt và cacbon với một lượng nhỏ mangan và các thành phần (nguyên tố) phụ khác [2]. Trong quá trình sản xuất, tùy theo phương pháp xử lý nhiệt và sự thay đổi nhỏ trong thành phần sẽ tạo ra được nhiều loại thép có các tính chất và ứng dụng khác nhau. Đối với loại thép này, cacbon là nguyên tố làm tăng độ cứng, giảm khả năng hàn và hạn chế về độ dẻo. Với hàm lượng (theo khối lượng) cacbon có thể lên tới 2,1% có trong thép sẽ quyết định đến phương pháp gia công, tính chất và ứng dụng nào là tối ưu.
Nếu trên hoặc dưới mức này thì khả năng gia công thường khó khăn hơn. Dựa vào hàm lượng cacbon có trong thép, thép cacbon được phân thành 4 loại [2]: Thép cacbon thấp (low - carbon steel) hay còn gọi là thép nhẹ, nó chứa chưa tới 0,3% khối lượng cacbon. Loại này được đặc trưng bởi độ bền kéo thấp và độ dẻo cao. Khi sản xuất nó không được làm cứng bởi quá trình xử lý nhiệt mà chỉ là các quá trình làm cứng thông qua bề mặt ngoài; Thép cacbon trung (medium - carbon steel) có hàm lượng là 0,3 - 0,6% khối lượng cacbon.
Đặc điểm nổi bật của loại này là sự cân bằng tốt giữa tính gia cường và độ dẻo. Nó được làm cứng bằng quá trình xử lý nhiệt, nhưng độ cứng bị giới hạn ở những vị trí có độ dày nhỏ; Thép cacbon cao (high - carbon steel) có từ 0,6 đến 1,0% khối lượng cacbon. Nên nó cứng và được lựa chọn cho các bộ phận chịu mài mòn hoặc chịu được ứng suất cao; Thép cacbon siêu cao (ultra - high - carbon steel) có từ 1,25 đến 2,00% khối lượng cacbon. Thép này được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu về độ dẻo nhưng vẫn đảm bảo độ bền và độ cứng cao so với thép cacbon cao.
3 do an Hình 1. Hình ảnh mô tả ứng dụng của thép cacbon trong: (a) đường ống, (b) xây dựng và (c) các vật dụng gia đình. Như đã nói, thép cacbon được ứng dụng rất nhiều trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng. Thêm vào đó, các vật dụng trong cuộc sống hàng ngày cũng được làm khá nhiều bằng thép cacbon.
Đặc biệt, nó còn được ứng dụng trong các nhà máy điện, ngành công nghiệp dầu khí như đường ống và bể chứa,. Mặt khác, thép cacbon là vật liệu có giá thành thấp và tính cơ học cao nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực [3]. Bên cạnh đó, thép cacbon cũng dễ bị ăn mòn bởi các tác động của môi trường. Đây là một vấn đề lớn mà các nhà khoa học đã và đang tìm những giải pháp thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể nhằm phát triển hơn nữa ngành công nghiệp sản xuất thép cùng với việc giảm thiểu ăn mòn.
Ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa (ăn mòn trong dung dịch điện ly) là một vấn đề lớn trong bất kỳ lĩnh vực nào sử dụng kim loại hoặc hợp kim. Điển hình là ăn mòn điện hóa trong công nghiệp dầu khí, đặc biệt là hiện tượng ăn mòn bên trong đường ống và bể chứa. Một trong những lý do chính của ăn mòn là sự phân ly của các ion gây ăn mòn có trong dầu. Thêm vào đó, nguyên nhân của quá trình ăn mòn bên trong còn do việc sử dụng axít để tẩy rửa, làm sạch các ôxit kim loại (gỉ sét) bị ăn mòn bám trên bề mặt thép [4-6].
Chính trong quá trình rửa các đường ống dẫn, bể chứa, thép cũng sẽ bị tấn 4 do an công bởi lượng axít đó. Chính vì vậy, ăn mòn thép trở thành một vấn đề không thể tránh khỏi trong quá trình xử lý axít. Định nghĩa ăn mòn điện hóa Theo hệ thống thử nghiệm và ăn mòn vật liệu của Mỹ (American Society for Testing and Materials’ corrosion), ăn mòn là phản ứng hóa học hoặc điện hóa giữa vật liệu, thường là kim loại với môi trường, tạo ra hư hỏng vật liệu và thay đổi tính chất của vật liệu. Các định nghĩa khác bao gồm mô tả của Fontana rằng, ăn mòn là luyện kim khai thác ngược, điều này được mong đợi vì các kim loại có nhiệt động học không ổn định ở dạng nguyên tố của chúng so với dạng hợp chất như quặng [7].
Còn theo Denny A Jones, thì ăn mòn là hệ quả của sự phá hủy bởi các phản ứng hóa học giữa kim loại (hợp kim) với môi trường ăn mòn [8]. Như vậy, có rất nhiều định nghĩa về ăn mòn, nhưng có thể hiểu rằng: khi có ăn mòn trong dung dịch điện ly bằng các tương tác điện hóa học xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của vật liệu và môi trường sẽ dẫn đến vật liệu bị phá hủy. Cụ thể, ăn mòn điện hóa là quá trình ôxy hóa, các chất khử và chất ôxy hóa trao đổi điện tử với nhau, chuyển hóa vật liệu từ trạng thái tự nhiên thành trạng thái nhiệt động ổn định nhất. Nếu bị ăn mòn, đầu tiên bề mặt vật liệu sẽ bị tấn công và phá hủy, nên làm thay đổi thành phần cũng như tính chất của vật liệu.
Điều này không chỉ gây ảnh hưởng trực tiếp đến vật liệu mà còn ảnh hưởng đến môi trường chứa vật liệu, cụ thể là gây ra ô nhiễm môi trường. Hơn thế nữa, nó còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng bởi sự rò rỉ những chất độc hại ra môi trường, gây ra những căn bệnh thông qua đường uống và đường tiếp xúc. Để quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra được thì phải đáp ứng đầy đủ 4 yếu tố sau: Anốt; Catốt; Dung dịch điện ly; Dây dẫn nối anốt và catốt. Khi 4 yếu tố này cùng xuất hiện một lúc thì quá trình ăn mòn diễn ra.
Trong số các yếu tố này, anốt xảy ra sự hòa tan kim loại, tạo ra các ion kim loại và electron. Các electron này được tạo ra ở anốt và di chuyển đến catốt và các ion kim loại sẽ tồn tại trong dung dịch điện ly. Quá trình này hình thành mạch điện như Hình 1. Phản ứng tại anốt và catốt xảy ra đồng thời và cùng tốc độ để mạch điện này hoạt động.
Bên cạnh đó, ngoài 4 yếu tố để ăn mòn xảy ra, còn có các yếu tố phụ ảnh hưởng đến kết quả của phản ứng ăn mòn. Trong số đó, có nhiệt độ, pH của dung dịch, động lực học của chất lỏng chứa vật liệu kim loại, nồng độ ôxy hòa tan và muối hòa tan. 5 do an Hình 1. Sơ đồ pin trong quá trình ăn mòn điện hóa.
Cơ chế của ăn mòn điện hóa trong dung dịch điện ly: Quá trình anốt: Vùng anốt xảy ra quá trình ôxy hóa nghĩa là kim loại bị hòa tan: M - ne- → Mn+ (1-1) Những ion kim loại sinh ra trên bề mặt điện cực chuyển vào dung dịch và đồng thời có những electron dư trên kim loại. Quá trình catốt: Các electron dư trên vùng anốt di chuyển đến vùng catốt trên bề mặt kim loại và tại đó xảy ra các phản ứng kèm theo: Nếu môi trường có ion H+ thì xảy ra phản ứng giải phóng hyđrô: 2H+ + 2e- → H2 (1-2) Nếu trong môi trường ăn mòn có mặt ion H+ và ôxy thì xảy ra phản ứng: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (trong môi trường axít) (1-3) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (trong môi trường trung tính và kiềm) (1-4) Sau khi quá trình ăn mòn diễn ra, sẽ hình thành các hyđrôxit được lắng đọng trên bề mặt kim loại, làm giảm nồng độ ôxy khuếch tán vào kim loại do lớp hyđrôxit. Vì tốc độ hòa tan kim loại bằng tốc độ khử ôxy, nên khi nguồn ôxy cung cấp vào sâu trong kim loại bị giảm sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn. Đối với một số trường hợp, sản phẩm ăn mòn tạo thành một màng ôxit dày đặc và có bề mặt liên quan chặt chẽ đến cấu trúc tinh thể của kim loại, lớp màng này sẽ ngăn sự di chuyển của các ion kim loại từ mặt phân cách kim loại - ôxit đến mặt phân cách ôxit - chất lỏng, dẫn đến phản 6 do an ứng ăn mòn này được gọi là phản ứng ăn mòn của kim loại thụ động.
Quá trình ăn mòn diễn ra phức tạp với nhiều dạng ăn mòn, ở mỗi kim loại hay hợp kim được sử dụng trong một môi trường nhất định sẽ có dạng ăn mòn khác nhau. Các dạng ăn mòn a) Ăn mòn đồng đều (uniform corrosion) Hình 1. Ăn mòn đồng đều của van cổng được sử dụng trong đường ống chuyển hóa chất [9]. Ăn mòn đồng đều là ăn mòn xảy ra trên toàn bộ diện tích bề mặt của vật liệu mà tại tất cả các điểm trên bề mặt đều có tốc độ ăn mòn như nhau.
Để có ăn mòn đồng đều, thì môi trường ăn mòn phải có khả năng tác dụng với tất cả các phần của bề mặt kim loại và kim loại phải đồng nhất về mặt luyện kim và thành phần. Ăn mòn trong khí quyển là ví dụ phổ biến của ăn mòn đồng đều. Ăn mòn đồng đều tác động gây ảnh hưởng lên tất cả các kim loại, hợp kim, dù là hợp kim khó ăn mòn như thép không gỉ. Ăn mòn đồng đều gây ra hư hại lớn về khối lượng kim loại mất đi, nhưng loại ăn mòn này lại ít nguy hiểm.
Bởi vì ăn mòn đồng đều dễ phát hiện bằng mắt thường, hơn thế nữa, chúng ta cũng dễ dự đoán được có ăn mòn đồng đều hay không.3 cho thấy ảnh hưởng do ăn mòn đồng đều của van cổng được sử dụng cho đường ống chuyển hóa chất. Dạng ăn mòn này được coi là nguy hiểm hơn so với ăn mòn đồng đều vì khó phát hiện và dự đoán, cũng như khó bảo trì. Hơn thế nữa, khi ăn mòn lỗ nhiều trên bề mặt kim loại sẽ gây ra sự tổn thất kim loại lớn dẫn đến sự ảnh hưởng của toàn bộ hệ thống.