Công nghệ bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài

1
MỞ ĐẦU

Tự động hoá các quá trình công nghệ ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tự
động hoá ngày càng phát triển không những về bề rộng mà còn cả về chiều sâu.
Những hiệu quả mà tự động hoá mang lại cho sự phát triển của kinh tế xã hội là
không thể phủ nhận được, đó là:
+ Năng suất thiết bị công nghệ tăng trên cơ sở duy trì các thông số tối ưu
của công nghệ.
+ Chất lượng sản phẩm ổn định.
+ Giảm tổn thất, chi phí nguyên, nhiên, vật liệu trong sản xuất.
+ Cho phép sử dụng công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao.
+ Năng suất lao động tăng.
+ Giảm kích thước nhà xưởng, tiết kiệm mặt bằng.
+ Cải thiện môi trường lao động, nhất là những công việc mang tính độc
hại, nặng nhọc.
Trong các phân xưởng, các nhà máy của ngành công nghệ hoá học, việc
điều khiển và tối ưu hoá quá trình công nghệ là hai nhiệm vụ mà người kỹ sư luôn
phải quan tâm, trăn trở. Hiện nay việc nắm bắt những công nghệ mới, đặc biệt là
phần tự động hoá còn gặp rất nhiều khó khăn.
Tiểu luận: “ Tự động hoá quá trình công nghệ bảo vệ catot bằng dòng
điện ngoài để chống ăn mòn cho công trình đường ống thép ngầm trong đất”
giúp chúng ta những nắm bắt về chuyên môn Ăn mòn và Bảo vệ kim loại.

2

PHẦN I
GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CATOT BẰNG
DÒNG ĐIỆN NGOÀI

Phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn bằng cách làm dịch chuyển điện
thế điện cực của kim loại cần bảo vệ về phía âm hơn được gọi là bảo vệ catot. Bảo
vệ catot bằng dòng điện ngoài: kim loại cần bảo vệ là một điện cực được nối với
một điện cực khác khó tan hơn (là điện cực phụ trong một hệ điện hoá). Sau đó
dùng dòng điện một chiều ở nguồn ngoài để phân cực catot kim loại cần bảo vệ.
Phương pháp này chỉ dùng để bảo vệ cho những phần kim loại tiếp xúc với môi
trường dẫn điện ion như trong đất hoặc trong nước…
Chỉ tiêu bảo vệ:
Điện thế điện cực: đối với điện cực thép thì điện thế bảo vệ tối thiểu là -850 mV và
tối đa là -1050 mV so với điện cực Cu/CuSO
4
bão hoà. Điện cực sunfat đồng bão
hoà là điện cực so sánh tốt và thuận tiện, nó thường được dùng để đo điện thế bảo
vệ của kim loại trong đất. Điện thế của điện cực so sánh này là + 318 mV so với
điện cực hyđro tiêu chuẩn.












3

1. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Hình 1 - Sơ đồ bảo vệ đường ống trong đất bằng phương pháp bảo vệ catot bằng dòng
điện ngoài
Trong đó: Chỉnh lưu cho dòng một chiều có điện thế được tính toán theo thiết kế.
Hệ thống dòng điện ngoài có thể được kiểm tra và nếu cần thiết thì có thể khống
chế dòng bảo vệ bằng ổn áp. Cực âm của nguồn một chiều nối với công trình cần
bảo vệ, còn cực dương nối với anot phụ.
Điện cực phụ anot trước kia thường dùng là sắt thép vụn phế thải, Grafit,
chì bị hoà tan anot trong quá trình bảo vệ. Ngày nay các loại anot tan chỉ được dùng
ở những nơi anot và thiết bị cần được bảo vệ chôn trong bùn và cát thềm lục địa, tại
đó khí thoát ra khó phân tán. Hiện nay, các anot thường dùng là thép, gang, hợp
kim chì, Ti, Ta, Nb mạ Pt, Gần đây người ta còn dùng anot Ti phủ hỗn hợp oxyt.




Chỉnh lưu dòng

một chiều
Cụm anot phụ
Đường ống dẫn
(-)
(+)
Đất
Dòng điện
V
Điện cực
Cu/CuSO
4

4

2. PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI
TƯỢNG TỰ ĐỘNG HOÁ:
+ Y: Là thông số đầu ra (Điện thế của công trình so với điện cực so sánh).
Điện thế tối thiểu là -850 mV và tối đa là -1050 mV so với điện cực đồng sunfat
bão hoà.










+ X: với quá trình bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài thì dòng điện một

chiều từ nguồn một chiều áp vào công trình là tác động điều chỉnh.
+ Z: Là các tác động nhiễu đầu vào: đối với quá trình bảo vệ catot bằng
dòng ngoài thì nhiễu là hàm lượng oxy hoà tan, điện trở suất của đất, điện trở của
công trình,… Những yếu tố này tác động vào quá trình làm điện thế của công trình
thay đổi mà ta khó có thể kiểm soát được.
Hình 2: Sơ đồ đo điện thế giữa công trình và
điện cực so sánh

5
PHẦN II
THỰC TRẠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ BẢO VỆ CATOT BẰNG
DÒNG NGOÀI VÀ SỰ CẦN THIẾT PHẢI TỰ ĐỘNG HOÁ.
1. Hệ thống kiểm tra thủ công:
Hệ thống bảo vệ catot bằng dòng ngoài được sử dụng để bảo vệ cho các
công trình có diện tích rất lớn. Nhưng phương pháp này thường xảy ra nguy cơ
“quá bảo vệ” có nghĩa là điện thế điện cực cục bộ của công trình trở nên quá âm
đến nỗi tốc độ phản ứng sau trở nên đáng kể:
2H
2
O + 2e → H
2
+ 2OH
-
tức có hyđro sinh ra (quá trình catot chuyển sang giai đoạn khác), gây giòn hyđro
cho công trình cần bảo vệ. Nếu có sử dụng chất bọc cho anot thì hiện tượng này
gây hỏng chất bọc.
Thường việc đầu tư cho phương pháp này không nhiều song lại đòi hỏi
phải kiểm tra bảo quản chặt chẽ và thường xuyên để tránh nguy cơ “quá bảo vệ”
hay để cho hệ thống làm việc tốt.
Việc kiểm tra thường xuyên diễn ra khoảng 60 ngày/1lần với việc đo điện

thế của công trình, theo sơ đồ đo như hình 2. Công việc này đòi hỏi phải có công
nhân xuống trực tiếp công trình để thao tác. Kết quả đo điện thế phải nằm trong
khoảng từ -850 mV đến -1050 mV so với điện cực đồng sunfat. Nếu điện thế
dương hơn hoặc âm hơn giá trị trong khoảng này thì cần điều chỉnh dòng điện áp
vào công trình bằng cách vặn các nút điều chỉnh trên máy chỉnh lưu đến giá trị phù
hợp. Nếu dùng chỉnh lưu cho dòng điện ổn định thì cần sử dụng một biến trở để
điều chỉnh điện trở sao cho điện thế bảo vệ của công trình đạt giá trị trong khoảng
cho phép. Vì không thể đo điện thế tại các điểm trên công trình và khó có thể đo
liên tục được do vậy rất dễ xảy ra hiện tượng điện thế của công trình thay đổi ra
ngoài khoảng yêu cầu do sự thay đổi của các yếu tố môi trường (điện trở của đất,
sự khuếch tán oxy hoà tan, ) và sự thay đổi này cũng dẫn tới thay đổi điện trở của
công trình.

6
Ngoài ra, Do sự phân bố điện thế và dòng điện của công trình phụ thuộc
vào khoảng cách từ công trình tới điểm nối với anot nên điện thế tại mọi điểm trên
công trình có thể khác nhau.
Sự phân bố đó có thể được biểu diễn theo các phương trình sau:










H
ình 3 - Sự phân bố điện thế theo khoảng cách tới điểm nối với anot (O)

Điện thế của ống tại khoảng cách x tới đầu nối O với anot:
E
x
= E
0
. exp (-áx)
Dòng điện đi trong ống tại khoảng cách x tới đầu nối O với anot:
I
x
= I
0
. exp (-áx)
Trong đó: E
0
, I
0
- điện thế và dòng điện tại điểm nối với anot.
á là hệ số giảm thế và dòng.
sk
RR
α
=

ở đây: R
S
- điện trở của một đơn vị chiều dài ống
R
K
- điện trở đặc trưng:

(E
x
-E
o
) bao gồm điện thế rơi qua lớp phủ, bịt bọc và phân cực điện hoá tạo giao
diện (bề mặt phân chia) kim loại và lớp phủ. E
x
và I
x
sẽ bằng 0 tại x =∞.
1/2
(.)
()
()
k sl
xo
l
xo
R RR
EE
R
II
=
−
=
−
Chiều dài cần bảo vệ
O
-E, V Điện thế catot

Mức điện thế bảo vệ
Oxy hoá
Khoảng cách
∆
E
0
∆
E
X
Khoảng cách

7
Sự biến thiên điện thế giữa 2 điểm nối với anot cách nhau 2d như sau:
.cosh ( )
cosh
E dx
o
Ex
d
α
α
−
=


H
ình 4 - Sự phân bố dòng điện từ anot tới công trình
Vì sự phân bố phụ thuộc điện trở suất của đất, vị trí đặt anot dẫn tới điện
thế của các điểm ở các khoảng cách khác nhau so với anot là khác nhau, vì vậy mà
rất khó kiểm soát để đảm bảo điện thế bảo vệ của công trình. Sự phân bố này có thể

dẫn tới việc, có những điểm trên công trình được bảo vệ tốt song có những điểm lại
chưa đạt điện thế tối thiểu hoặc quá bảo vệ. Do vậy cần đặt các trạm kiểm tra ở vị
trí gần anot nhất và xa anot nhất để theo dõi. Nếu điện thế tại hai vị trí này đảm bảo
theo yêu cầu thì công trình được bảo vệ tốt.
2. Hệ thống kiểm tra tự động điều chỉnh:
Khi hệ thống bảo vệ catot được thiết kế và lắp đặt hoàn thiện, các thông số
công nghệ sẽ được đặt ở chế độ làm việc xác định. Ở đây giá trị đặt là điện thế -850
mV và -1050 mV so với điện cực đồng sunfat bão hoà. Khi một thông số thay đổi
(điện trở suất của đất, điện trở của công trình…), thì điện thế giữa công trình và
điện cực so sánh thay đổi. Bộ cảm biến xác định giá trị điện thế đó và tín hiệu được
Công trình
Chỉnh lưu
Tầng điện trở từ trùng bình tới thấp
Sự phân bố dòng từ chỗ chôn anot nông

Vùng điện trở cao
Vùng điện trở thấp

8
gửi về máy tính trong phòng điều khiển, so sánh với tín hiệu chuẩn (ứng với giá trị
đặt). Nếu tín hiệu thu được cho điện thế dương hơn -850 mV và âm hơn -1050 mV
thì máy tính lập tức ra các lệnh điều khiển đối với các cơ cấu chấp hành như bộ
chỉnh lưu nguồn một chiều hoặc biến trở, … để điều chỉnh các thông số công nghệ
về tín hiệu chuẩn và đồng thời thông báo tình hình cho người theo dõi.
Thông qua hệ thống điều khiển này, việc thay đổi các chế độ vận hành
được thực hiện một cách hoàn toàn tự động với phần mềm điều khiển được lập
trình thích ứng với các công nghệ khác nhau.


9

PHẦN III
TỰ ĐỘNG HOÁ HỆ THỐNG BẢO VỆ CATOT BẰNG DÒNG ĐIỆN NGOÀI
ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG ĐIỆN THẾ BẢO VỆ CÔNG TRÌNH
Tự động hoá quá trình bảo vệ catot có thể tuân theo sơ đồ cấu trúc của hệ
điều chỉnh tự động như sau:





Hình 5 - Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tự động
ĐT- Đối tượng tự động hoá; CB - Cảm biến; BĐK - Bộ điều khiển;
N - Nguồn; CCCH - Cơ cấu chấp hành; BĐ - Bộ đặt; SS - So sánh
Qua sự phân tích hệ thống hoạt động như phần II, hệ thống tự động hoá quá
trình bảo vệ catot bằng dòng ngoài được mô phỏng như sau:













Hình 6 - Sơ đồ hệ điều chỉnh tự động điện thế

ĐT
BĐK
CCCH
CB
BĐ
SS
N
EIT
1-2
CÔNG TRÌNH CẦN
BẢO VỆ

+
NGUỒN
MỘT CHIỀU
Cụm
anot
EIT
1-1
CPU

Đất
Không
khí

10
EIT: đo, chỉ thị điện thế và truyền xa tín hiệu;
CPU: máy tính trung tâm; H: cơ cấu chấp hành.
Thiết bị đo, chỉ thị và truyền xa tín hiệu điện thế của công trình được sử dụng là khí

cụ đo nhiều điểm. Vị trí 1 là đo, chỉ thị và truyền xa điện thế tại điểm trên công
trình gần với điểm nối với anot nhất. Vị trí 2 tương tự là điểm xa điểm nối với anot
nhất.
Việc điều khiển điện thế của công trình này có thể được tự động hoá khá dễ dàng
theo sơ đồ hình 6.

11

KẾT LUẬN
Việc ứng dụng tự động hoá vào công nghệ bảo vệ catot, cụ thể ở đây là
bảo vệ catot cho đường ống ngầm trong đất đã làm giảm số lao động, cải thiện điều
kiện lao động và nâng cao chất lượng bảo vệ của hệ thống nhờ việc kiểm tra và
điều chỉnh tự động cho giá trị điện thế bảo vệ phù hợp với công trình.
Thông qua quá trình học tập và làm tiểu luận môn học Tự động hoá các
quá trình công nghệ hoá học, em đã có thêm nhiều hiểu biết về tự động hóa cũng
như tầm quan trọng của việc ứng dụng nó trong công nghệ hoá học nói riêng và nền
công nghiệp nói chung.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên tiểu luận của em không tránh
khỏi còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy giáo.


12

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Minh Hệ. Bài giảng Tự động hoá các quá trình công nghệ, 2004.
2. W. A. Schultze, Phan Lương Cầm. Ăn mòn và bảo vệ kim loại, 1985.
3. Trương Ngọc Liên. Ăn mòn và bảo vệ kim loại, 2004.