Hiệu suất vệ catot bằng dòng ngoài cho công trình kim loại ngầm Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chí Linh *, Phạm Hồng Hạnh, Phạm Thy San, Ngô Thị Ánh Tuyết Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Ngày nhận bài 18/11/2019; ngày chuyển phản biện 22/11/2019; ngày nhận phản biện 25/12/2019; Ngày chấp nhận đăng 31/12/2019 Tóm tắt: hệ thống bồn chứa hệ thống ống dẫn đặt ngầm là cơ sở hạ tầng thiết yếu nền kinh tế. Dưới hưởng điều kiện như độ ẩm, ph, vấn đề ăn công trình kim loại ngầm gây hưởng rất lớn về kinh tế cũng như kỹ thuật. Bảo vệ catot bằng dòng ngoài (ICCP) là một hiệu quả nhất chống ăn cho công trình ngầm quan tâm cứu trên thế giới. cứu, vệ catot ICCP sử dụng anot trơ nền titan hỗn hợp ôxit kim loại (MMO) chống ăn cho kim loại cacbon đã triển khai. Ảnh hưởng đến tốc độ ăn ống cacbon cũng đã khảo sát. Cuối cùng, hiệu suất vệ catot tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V (Ag/AgCl) đã cứu đánh. Từ khóa: anot trơ hỗn hợp ôxit kim loại MMO, ăn, vệ catot, thế vệ,. Chỉ số phân loại: 2.5 Mở đầu hệ thống đường ống dẫn ngầm bể chứa là cơ sở hạ tầng thiết yếu ngành công nghiệp., công trình kim loại rất dễ ăn đây là một vấn đề nghiêm trọng cả về kỹ thuật cũng như kinh tế. Theo một số khảo sát, khoảng 70% ống kim loại đen hư hỏng do vấn đề ăn tại nước Canađa, Anh Úc [1]. Có yếu tố hưởng nghiêm trọng đến tốc độ ăn công trình kim loại, bao gồm ph, độ ẩm, độ dẫn, nhiệt độ, độ thấm... nguyên nhân cũng dẫn đến sự đa dạng loại hình ăn công trình kim loại như ăn đều, ăn lỗ, ăn khe ăn hốc [1, 2]. Chống ăn kim loại là yêu cầu bắt buộc theo tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế nước khi thi công xây dựng công trình ngầm. Có sử dụng chống ăn cho công trình kim loại như sử dụng sơn, chất ức chế đó, vệ catot bằng dòng ngoài ICCP là hiệu quả nhất, thời vệ lên tới 30 năm tùy theo mục đích sử dụng. Nguyên tắc vệ catot là ngăn cản sự hình thành vùng anot trên bề mặt kim loại bằng h cung cấp đủ tử đến vùng anot để cho quá trình ăn kim loại xảy ra. 1 là sơ đồ nguyên lý vệ catot bằng dòng ngoài ICCP. hệ thống ICCP, cực âm nguồn một chiều nối công trình cần vệ cực dương nối cực phụ (gang silic, graphit, hợp kim chì, Pt, hỗn hợp ôxit dẫn...) nhúng ly. Khi một dòng một chiều DC áp o từ một cực phụ qua ly đến bề mặt kim loại, dòng sẽ ưu tiên chạy đến vùng catot, do đó thế ở vùng sẽ chuyển về phía âm do phân cực catot đạt đến thế vùng anot. Khi catot phân cực đến thế bằng thế anot thì những pin ăn sẽ loại trừ. Thép cần vệ Nguồn Điên cực phụ (Anot)) Pt 1. Nguyên lý vệ catot bằng dòng ngoài. * Tác giả liên hệ: Email: linhdc@ims.vast.ac.vn 48
Efficiency of impressed current cathodic protection for underground metallic structures Ngoc Phong Nguyen, Chi Linh Do *, Hong Hanh Pham, Thy San Pham, Thi Anh Tuyet Ngo Abstract: Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology Received 18 November; accepted 31 December 2019 All over the world, gas, water and oil pipelines, storage tanks and many other structures buried in the soil have been played an impotant role in the economy. Under the soil environmental factors such as moisture, ph, etc the corrosion of metallic structures buried in soil or in contact with soil has caused the serious engineering and economic problems. Impressed current cathodic protection ICCP has been the most effective method for corrosion prevention of the underground metallic tructures. In this paper, an ICCP system using titanium anode coated with mixed metallic oxides MMO for corrosion prevention of ferrous pipelines was investigated. The influence of various soil environment on corrosion rate of ferrous pipelines was also evaluated. Finally, the efficiency of ICCP system at protection potentials of -0.85 V, -0.95 V, and -1.05 V (Ag/AgCl) in the various soil environments was studied. Keywords: corrosion, impressed current cathodic protection ICCP, mixed metallic oxides MMO, protection potentials, soil. Classification number: 2.5 Hiện nay, công nghệ ICCP đã áp dụng phổ biến chống ăn cho công trình ngầm. Tiêu chuẩn phổ biến áp dụng là thế vệ công trình cần đạt tối thiểu -850 mv (Ag/AgCl) [1, 3]. Tuy nhiên,, sự đồng đều vật chất là rất khó xảy ra nên hiệu suất chống ăn khi áp dụng ICCP là rất. Do đó, cứu về hưởng thông số, thông số vệ hệ thống ICCP mô phỏng cứu đánh hiệu suất hệ thống vệ ICCP vẫn đang rất quan tâm cứu trên thế giới [4-6]. Tại Việt Nam, việc chống ăn cho công trình ngầm cũng đã quan tâm cứu bởi đại học viện cứu chuyên ngành. Phương ICCP cũng đã cứu ứng dụng cho vệ một số công trình ngầm. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cứu vệ tuyến đường ống dẫn xăng dầu Xí nghiệp xăng dầu B12 Quảng Ninh bằng hệ anot gang silic. tuyến ống dẫn ngầm tại Nhà máy đạm Phú Mỹ, đạm Cà Mau, Nhà máy lọc dầu Bình Sơn (Dung Quất) cũng đã lắp đặt hệ thống ICCP. Tuy nhiên, việc chế tạo lắp đặt hệ thống vệ tại nhà máy đều do công ty nước ngoài thực hiện. Từ năm 2006 Viện Khoa học Vật liệu đã cứu chế tạo cực anot trơ trên cơ sở titan hỗn hợp ôxit kim loại (MMO) để ứng dụng một số lĩnh vực, đó lĩnh vực vệ catot chống ăn. Hệ anot trơ hỗn hợp ôxit kim loại quý hiếm mặc dù thành đầu tư cao nhưng hiện tính năng vượt trội, nên ngày nay áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Năm 2010 Viện Khoa học Vật liệu đã thiết kế chế tạo hệ thống vệ catot cho Xí nghiệp xăng dầu Vũng Tàu để vệ tuyến đường ống dẫn xăng dầu chạy dưới biển từ cảng xuất nhập o liền. Như vậy, việc cứu thiết kế chế tạo hệ thống ICCP chống ăn cho công trình ngầm là rất cần thiết nhằm chủ công nghệ cung cấp thiết thay thế thiết nhập ngoại. cứu, công nghệ vệ catot ICCP sử dụng anot trơ nền titan hỗn hợp ôxit kim loại MMO chống ăn cho kim loại cacbon đã triển khai. Ảnh hưởng đến ăn kim loai cacbon cũng đã khảo sát. Cuối cùng, hiệu suất vệ catot tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V (Ag/AgCl) đã cứu đánh. Thực Chế tạo cực anot trơ MMO Anot trơ nền ti tan hỗn hợp ôxit kim loại MMO chế tạo bằng phân hủy nhiệt. Dung lên bề mặt titan để tạo lớp ôxit chuẩn từ muối kim loại: rutheni RuCl 3.xH 2 O, iridi 49
Thí vệ catot Chín ống (ký hiệu tương ứng O1, O2, O3, O4, O5, O6, O7, O8 O chôn M1, M2 M3. Mỗi đ chôn ba cùng cực anot MMO áp đi thế vệ tương ứng là -0,85 V, -0,95 V -1,05 V đo theo cực so sá Ag/AgCl. thế đo chỉnh hàng ngày sử dụng một Thực IrCl4.xH2O titan TiCl3. Ngoài ra còn dùng một cứu đánh điều bằng thống biến trở. dòng đi qua mỗi đo bằng ampe kế ghi chụp tổn hoácực chất Chế tạosố anot trơ MMOquá trình chế tạo anot như butanol, theo thời. Thời thử thực hiện 100 ngày. Ngoài tổn, xác định HCl... dungôxit quy trìnhchế tạotạo lớpbằng Anot trơ nền tithành tan hỗn hợp kim loại MMO vệ catot cũng chôn cùng điều kiện để đ chứng. sau khi thử vệ catot. Khối phân hủy nhiệt. [7, ôxit theodung tài liệu 8].lên bề mặt titan để tạo lớp ôxit chuẩn Thựckim đo bằng cân bằng độ chính xác tớichụp phươ từ muối loại: rutheni RuCl3.xH2O, iridi IrCl4.xH2O cứu đánh Chế cựcmột anot trơhoá MMO titan TiCl3. Ngoài ra tạo còn dùng số chất thí quá trình chế tạo anot như 0,01 g. Từ kết quả tính tổn tổntổn, x ThựcThành Anot trơ nền tidung tan hỗn hợp ôxit kimtrình loại MMO tạo theo bằng butanol, HCl... quy tạo đến lớp chếôxit tài liệu định thử catot.thêm Khối th khi sau khi vệ vệ catot. Để khảo sátcực hưởng hiệu phân nhiệt. Dung lên bề mặttrở titan để tạo lớp suất ôxit chuẩn đo bằng cân độ chính xác tới 0,01 g. Từ kết quả tính t Chế hủy tạo anot trơ MMO [7, 8]. nữa, cũng từ tổn xác vệ từ muối kim loại: rutheni RuCl iridi IrCl.xH catot, loại hỗn thành đã chuẩn 3.xH 2O,MMO 2O Anot trơba nền ti tan hợp ôxit kim loại chế 4tạo bằng hiệu vệ catot khi kiện vệ catot. Thêm nữa, cũng từ c thí định suất tại điều titan TiCl. Ngoài ra còn dùng một số hoá chất quá trình chế tạo anot như 3 hủy nhiệt. Dung lên bề mặt titan để tạo lớp ôxit chuẩn tổn xác định hiệu suất vệ catot tại đi phân cứu, bao gồm: butanol, HCl... Thành dung quy trình tạo lớp ôxit theo tài liệu Để khảo rutheni trở đến3.xh hiệu catot, loại theo công thức: từ sát muốihưởng kim loại: RuCl iridivệircl O 2O, suất 4.xH2ba [7, 8].TiCl. Ngoài ra còn dùng một số hoá chất quá trình chế tạo anot như kiện theo công thức: titan 3 thành đã 1 chuẩn cứu,tỷbao (M1): lệ gồm: 1: 1 về Hiệu suất vệ vệ == suất butanol, HCl...Thành dung thí quy trình tạo lớp ôxit theo tài liệu Hiệu 1 (M1): tỷ lệ 1: 1 về [7, 8]. Để khảo sát hưởng trở đến hiệu suất vệ catot, ba loại đó:đó: ΔmΔm là tổn 2 (M2): chuẩn thí tỷ lệ 1: 3 về thành đã 2 1 1 là tổn vệ catot, (M2): cứu, tỷ lệbao1:gồm: 3 về Δm là tổn là vệ catot, g. 2 vệ catot, g; Δm tổn 1 (M1): tỷ lệ 1: 1 về khảo sát hưởng trởtỷ lệđến vệ catot, loạithêm Để 3 (M3): 1: hiệu 3 vềsuất ba pha 2 Kết quả thảo luận thành đã chuẩn cứu, bao gồm: 2 (M2): tỷ lệ 1: 3 về vệ catot, g. Cl độ 500 ppm. 13 (M1): tỷtỷlệ lệ 1: 1: 1 về - (M3): 3tỷ về pha thêm Nghiên cứu ăn. 3pha (M3): lệ 1: 3 về Cl sau khi đổ o hộp gỗ kích thước 300x80x80 độ 500 Kết quả thảo luận ppm. 2 (M2): tỷ lệ 1: 3 về cm chia ba khoang. Cl độ hệ thống vệ catotkích hiện trên 500 ppm. pha thêm sau khi đổ o thước300x80x80 3 (M3): pha tỷ lệhộp 1: 3gỗvề pha thêm hình 2. cm độ chia ba khoang. hệ thống vệ catot hiện trên Nghiên cứu ăn Cl 500 ppm. sau khi pha đổ o hộp gỗ kích hình 2. sau khi pha đổ o hộp gỗ kích thước 300x80x80 300x80x80 cm chia ba khoang. cmthước chia ba khoang. hệ thống vệ catot hiện trên hình 2. hệ thống vệ catot hiện trên hình 2. (A) (A) (B)(B) (C) (C) (D) (D) 2. chuẩn thí vệ catot cho 3. Bề mặt sau thử ăn 3. Bề Bề mặtmặt sau thử ăn sau thử ăn. 2. chuẩn thí vệ catot cho thời 3. 100 ngày: (A) thử, (B) thử thời 100 ngày: (A) thử, (B) thử M1, (C) thửthời (A) M2, (D) thử thử, 100 ngày: chuẩn 2.. thí vệ catot cho M1, (C) thử M2, (D) thử M3. M1, (C) thử (B) thử M3.. chuẩn thí vệ catot cho 2.. Thí vệ catot Chín ống (ký hiệu tương ứng O1, O2, O3, O4, O5, O6, O7, O8 O9) chôn M1, M2 M3. Mỗi chôn ba cùng cực anot MMO áp thế vệ tương ứng là -0,85 V, -0,95 V -1,05 V đo theo cực so sánh Ag/AgCl. thế đo điều chỉnh hàng ngày sử dụng một hệ thống biến trở. dòng đi qua mỗi đo bằng ampe kế ghi lại theo thời. Thời thử thực hiện 100 ngày. Ngoài ra, vệ catot cũng chôn cùng điều kiện để đối chứng. 3 là hình bề mặt sau khi thử. 3 bềm2, là hình mặt(d) thử sau khi thử. thử bề mặt sạch bóng. Sau thử nghiêm ăn thời thử sát bề bề mặtmặt sạch bóng. Sau thử nghiêm ăn cục bộ thời M3. 100 ngày, quan thấy rõ đã ăn 100 ngày, quan thấy đã trưng ăn bộ xuất hiện rất sátlỗbề mặt hốc ăn. Điều rõ do đặc cục xuất rất lỗđều hốcbề. Điều do độ đặc trưng 3 làđồng hình mặt chất sau thử hiện sự rất nên dễăntạo ra sự biệtvề gâykhi ăn sự bộ rất bề đềumặt nên dễ tạo ra sự biệt về độ chấtm3 gâydường ăn trên toàn mặt đồng. Bề. thửthửthử bề mặt sạch M3 bóng. trên toàn bộ bề mặt.bề dường như ăn hơn sựmặt xuất hiện mật độ hốc ăn hơn. Nguyên như ăn hơndoăn hiện mật độ- hốc ăn hơn.đã Nguyên Sau thử thời ngày, nhân lý giải sựsự xuất mặt thêm ion Cl độ 500100 ppm nhân lý giải do tăng sự tốcmặt thêm ion Cl. độ 500 ppm đã giảm trở ăn thấy quan sát bề mặt độ rõ đã ăn giảm trở tăng tốc độ ăn. 1 là thế ăn cục bộ xuất hiện rất lỗ hốc ăn. Điều 1 là khi thế ăn áp dòng vệ. Nhìn chung, thế khi áp dòng vệ. Nhìn chung, thế do đặc trưng sự rất đồng đều khá âm, chứng tỏ sẽ ăn đều khá âm, chứng tỏ sẽ ăn đều nên dễ tạo thử. ra sự biệt về độ chất gây ăn ănthử. 1. Điện thế. trên1. toàn bộănbề mặt. Bề mặt thử Điện thế. ăn M3hơn sự xuất Môi M3 M1 dường như M2 Môi M3 nhân hiện mậtm1 độ hốc ăn M2 hơn. Nguyên lý giải do sự mặt thêm ion Cl- độ 500 ppm đã giảm trở tăng tốc độ ăn. 50
1 là thế ăn khi áp dòng vệ. Nhìn chung, thế đều khá âm, chứng tỏ sẽ ăn thử. 1. Điện thế ăn. Môi M1 M2 M3 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 Điện thế ăn (mv; Ag/AgCl) -324-365 -381-462 -372-392 -543-551 -461 2 trình bày kết quả đo tổn đã thử 100 ngày. chôn M3 tổn lớn nhất (lên tới 9,48 g), khi tương ứng M1 M2 chỉ là 3,30 6,08 g. Điều nghĩa tốc độ ăn M3 là cao nhất. 2. Tổn vệ sau 100 ngày thử. Môi M1 Môi M1 M2 M3 Tổn (g) 3,30 6,08 9,48 Nghiên cứu hưởng trươ ng đến hiệu suất vệ catot Sau khi đấu vận hành hệ thống vệ catot, dòng đi qua mỗi sẽ đo theo thời thử. 4 biểu diễn đồ thị thay đổi dòng vệ theo thời thử tại thế vệ hệ thống ICCP. Nhìn chung, thời thử ban đầu, dòng vệ cần rất cao. Điều giải thích do khi bắt đầu, cần năng đủ lớn để chuyển trạng thái bề mặt sang một cân bằng mới. phản ứng hóa xảy ra trên bề mặt giúp chuyển cân bằng quá trình ăn kim loại theo hướng giảm tốc độ hòa tan sắt [1, 3, 5]. Sau một thời thử, dòng vệ giảm xuống dần ổn định. Lúc, bề mặt đã đạt cân bằng hiệu quả quá trình vệ catot đã trở nên rất đáng kể. Và từ thời điểm, chỉ cần một dòng lớn cũng đã đủ để duy trì cho thế bề mặt đủ cho yêu cầu vệ. Trên đồ thị, sự ổn định dòng vệ catot cho đã đảm suốt 100 ngày thử. Điều cũng chứng tỏ, cực anot trơ MMO chế tạo sử dụng thử đã tính chất rất tốt, vận hành hiệu quả đã đảm duy trì quá trình cung cấp dòng cho cả hệ thống vệ catot suốt thời thử. Môi M2 Môi M3 4. Đồ thị thay đổi dòng áp thế vệ M1, M2 M3 thời thử 100 ngày. Sau 100 ngày thử vệ catot, ống lấy ra khỏi tiến hành đo đạc, đánh hiệu suất vệ catot. 5 là hình bề mặt ống vệ catot tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V M1, M2 M3. So đối chứng vệ, bề mặt ống vẫn giữ sự nhẵn mịn xuất hiện rất ít lỗ hốc ăn. Điều đã xác nhận hiệu quả chống ăn vệ catot. Với 51
thử nghiêm M3, tại thế vệ thấp, bề mặt vẫn xuất hiện hốc ăn. Hiện tượng chỉ chấm dứt hoàn toàn khi sử dụng áp vệ -1,05 V. Điều đó do M3 trở thấp sự mặt thêm ion Cl - đã tăng tốc độ ăn nên điều kiện vệ catot cũng cần áp dụng tiêu chuẩn cao hơn. 3. Kết quả đo tổn ống vệ catot tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V M1, M2 M3. Môi Điện thế vệ (V; Ag/AgCl) -0,85 V -0,95 V -1,05 V M1 0,75 g 0,64 g 0,59 g M2 0,47 g 0,27 g 0,19 g (A) (C) (B) (D) M3 2,03 g 1,50 g 0,23 g Bằng h so sánh tương đối tổn khi vệ catot, hiệu suất vệ catot cho đã tính toán rút ra. 6 là đồ thị biểu diễn hiệu suất vệ catot cho tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V M1, M2 M3. hiệu suất vệ đều tăng khi tăng thế vệ. Với M3, hiệu suất vệ chỉ đạt khoảng 39% khi áp thế vệ -0,85 V. Tại thế -1,05 V, hiệu suất vệ catot đạt rất cao, lên tới 98% cả ba loại. (E) (F) (G) (H) (I) 5. bề mặt ống vệ catot tại thế vệ : (A) Điện thế vệ -0,85 V M1; (B) Điện thế vệ -0,95 V M1; (C) Điện thế vệ -1,05 V M1; (D) Điện thế vệ -0,85 V M2; (E) Điện thế vệ -0,95 V M2; (F) Điện thế vệ -1,05 V M2; (G) Điện thế vệ -0,85 V M3; (H) Điện thế vệ -0,95 V M3; (I) Điện thế vệ -1,05 V M3. sau thử đánh tổn bằng cân sau khi thử. 3 hiện kết quả tổn trọng vệ catot tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V M1, M2 M3. Khi vệ catot, tốc độ ăn giảm xuống rất. Tại thế vệ -1,05 V, tổn trọng rất nhỏ, nghĩa là hầu như đã ăn. 6. Đồ thị hiệu suất vệ catot cho tại thế vệ -0,85 V, -0,95 V -1,05 V M1, M2 M3. Kết luận 1) Môi hưởng đến tốc độ ăn. điều kiện thử 100 ngày, ăn cục bộ sự xuất hiện rất lỗ hốc ăn. chôn M3 ăn nhất, tổn lớn nhất lên tới 9,8 g. 2) Hiệu suất chống ăn hệ thống vệ catot ICCP ba loại đã cứu đánh. Với áp vệ -1,05 V (Ag/AgCl), hiệu suất vệ cao nhất cho chôn hệ thống vệ catot ICCP lên tới 98%, nghĩa là hầu như ăn. 52
LỜI CẢM ƠN Bài báo hoàn thành sự hỗ trợ kinh phí đề tài NCVCC 04.07/19-19. tác giả xin trân trọng cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L. Lazzari, P. Pedeferri (2006), Cathodic protection, 1 st edision. [2] A.E. Romer, G.E. Bell (2001), Causes of external corrosion on buried water mains, Pipeline Division Specialty Conference. [3] TCVN 6051:1995, Hệ vệ catot - Yêu cầu thiết kế, lắp đặt kiểm tra. [4] Muhammad Wasim, Shahrukh Shoaib, N.M. Mubarak, Inamuddin, Abdullah M. Asiri (2018), Factors influencing corrosion of metal pipes in soils, Environmental Chemistry Letters, 16, pp.879-961. [5] Roman Kodym, Dalimil Snita, Vlastimil Fíla, Karel Bouzek, Milan Kouril (2017), Investigation of processes occurring at cathodically protectedunderground installations: Mathematical modeling of reaction transport processes in soil, Corrosion Science, 120, pp.28-41. [6] Mingjie Dai, Jing Liu, Feng Huang, Yaohua Zhang, Y. Frank Cheng (2018), Effect of cathodic protection potential fluctuations on pitting corrosion of X100 pipeline steel in acidic soil environment, Corrosion Science, 143, pp.428-437. [7] Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chí Linh, Phạm Hồng Hạnh, Phạm Quang Ngân, Phạm Xuân Ngọc (2019), Nghiên cứu phát triển hệ thống vệ catot bằng dòng ngoài chống ăn vỏ tàu biển, Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam series B, 61(3), tr.53-57. [8] Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chí Linh, Phạm Hồng Hạnh, Phạm Xuân Ngọc (2017), Nghiên cứu cực anot trơ hỗn hợp oxit kim loại cho vệ catot chống ăn vỏ tàu biển, Tạp chí Hóa học, 55, tr.388-391. 53