Bài giảng ăn mòn và bảo vệ KIM LOẠI TRONG CÔNG NGHIỆP dầu KHÍ

Bài giảng: ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI TRONG
CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ
(Corrsion and Protection of Metals in the Oil and Gas Industry)
Người trình bày:
Giáo sư – Tiến sĩ khoa học VŨ ĐÌNH HUY
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP HCM
Điện thoại: 0913784121
Email:
Phần A: KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ LÝ THUYẾT ĂN MÒN
KIM LOẠI
2
1.1 Khái niệm chung
Tình hình ăn mòn vật liệu
•
Vật liệu có thể được chia thành bốn nhóm chính: kim loại và hợp kim, gốm sứ, polyme và
composit.
•
Tất cả các loại vật liệu đều có thể bị ăn mòn và phá hủy.
•
Tuy nhiên quá trình ăn mòn kim loại và hợp kim đóng vai trò quan trọng trong thực tế sử dụng,
do loại vật liệu này được dùng nhiều nhất và kém ổn định nhất khi tiếp xúc với môi trường.
•
Ăn mòn là kết quả của sự tương tác hóa học hay vật lý giữa vật liệu và môi trường. Ví dụ: Sự
tạo gỉ trên thép, sự oxy hóa mối tiếp xúc điện bằng đồng, sự phá hủy PVC dưới tác động của tia
cực tím, sự ăn mòn gạch chịu lửa trong các lò nung
•

3
4
•
Ăn mòn kim loại gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân.

-
Theo báo cáo của Ủy ban ăn mòn và bảo vệ Anh thì thiệt hại do ăn mòn ở Anh chiếm 3,5 %
tổng sản lượng quốc dân.
-
Ở Mỹ thì chi phí này vào năm 1982 được đánh giá khoảng 126 tỷ đô la mỗi năm.
-
Việt nam có khí hậu nóng, ẩm và tỉ lệ sử dụng kim loại trong công nghiệp còn rất lớn cho nên
thiệt hại do ăn mòn còn có thể lớn hơn nữa.
5
-
Theo tính toán, ở Anh cứ 90 giây thì có 1 tấn thép bị biến hoàn toàn thành gỉ.
-
Ngoài việc lảng phí kim loại thì năng lượng tiêu tốn để sản xuất 1 tấn thép này từ quặng sắt đủ
cung cấp cho 1 gia đình trung bình trong 3 tháng.
•
Ăn mòn còn gây những bất lợi đáng kể cho con người và thậm chí còn ảnh hưởng đến tính
mạng.
-
Vào năm 1985 mái nhà của một hồ bơi ở Thụy sỉ đổ sụp làm chết 12 người và làm bị thương
nhiều người khác.
-
Nguyên nhân thảm họa này là do sự ăn mòn dưới ứng suất và dưới tác động của khí clo trong
không khí của các móc treo bằng thép không gỉ cho mái nhà bê tông.
•
Ăn mòn còn gây lảng phí về nguồn tài nguyên.
•
Ăn mòn đôi khi lại có lợi: phá hủy và loại trừ các chất thải trong tự nhiên, oxy hóa anôt nhôm,
đánh bóng hóa học, điện hóa, ăn mòn trục in, mạch in, khắc kim loại.
6
Chi phí để chống ăn mòn

•
Chi phí trực tiếp: thay thế thiết bị, chi tiết bị ăn mòn.
•
Chi phí gián tiếp: sửa chửa, thiệt hại do ngưng sản xuất.
•
Ví dụ: Chi phí để thay thế sửa chửa một thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy điện hạt nhân <<
mất mát do ngưng sản xuất. Chi phí để thay một ống nước nóng trong tường của một tòa nhà
>> chi phí của ống (giá ống)
•
Chi phí để bảo vệ: dùng vật liệu chịu ăn mòn thì đầu tư cao hơn, chi phí tạo các lớp phủ bảo
vệ, chi phí bảo vệ điện hóa.
•
Chi phí phòng ngừa: phải dùng vật liệu có kích thước lớn hơn, chi phí kiểm tra, bảo dưởng.
Chương I. MỞ ĐẦU
1.1Khái niệm về ăn mòn kim loại
*Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại bởi phản ứng hóa học
hoặc phản ứng điện hóa học của kim loại với môi trường.
•
Ăn mòn kim loại là phản ứng tự phát, không thuận nghịch xảy ra
trên bề mặt tiếp xúc pha giữa kim loại và môi trường.
1.2 Vai trò của nhiệt động học trong quá trình ăn mòn kim loại
•
Kim loại không bền nhiệt động học trong các điều kiện tương
tác với môi trường xung quanh.
•
Ăn mòn kim loại là quá trình giảm tự phát năng lượng tự do
(giảm thế đăng nhiệt – đẳng áp
8
Sự ăn mòn kim loại là do phản ứng oxy hóa khử không thuận nghịch giữa kim loại và một tác
nhân oxy hóa trong môi trường.

•
Kim loại + tác nhân oxy hóa → kim loại bị oxy hóa + tác nhân oxy hóa bị khử.
Ví dụ: Fe (r) + 2HCl (dd) → FeCl2 (dd) + H2 (k)
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
H+: tác nhân oxy hóa
LIFE CYCLE OF A METALLIC ELEMENT
Chương 1. MỞ ĐẦU
1.3 Phân loại quá trình ăn mòn kim loại
1.3.1 Phân loại theo cơ chế ăn mòn: Ăn mòn hóa học và Ăn mòn
điện hóa học;
1.3.2 Phân loại theo điều kiện ăn mòn: - Ăn mòn kim loại trong khí
khô hoặc trong chất lỏng không điện ly;
- Ăn mòn kim loại trong chất lỏng điện ly (axit, bazơ, các dung dịch
muối);
-
Ăn mòn kim loại trong môi trường tự nhiên (khí quyển, nước và
đất);
-
Ăn mòn kim loại do vi sinh vật…
Chương I. MỞ ĐẦU
1.4 Phân loại ăn mòn theo đặc tính phá hủy bề mặt kim loại:
Ăn mòn toàn bộ, ăn mòn cục bộ ( ăn mòn galvanic,ăn mòn hang
hốc, ăn mòn điểm, ăn mòn khe,ăn mòn giữa các hạt, ăn mòn chọn
lọc,ăn mòn xuyên tinh thể); ăn mòn điện hóa học kim loại kết
hợp với ảnh hưởng của các yếu tố cơ học (ăn mòn rạn nứt, ăn
mòn xói mòn, ăn mòn mệt mỏi, ăn mòn khí xâm thực, ăn mòn
dưới ứng suất)
12
13
1.3.4.2 Phân loại theo môi trường ăn mòn

•
Ăn mòn trong khí quyển
•
Ăn mòn trong môi trường nước ngọt
•
Ăn mòn trong môi trường nước biển
•
Ăn mòn trong môi trường đất
•
Ăn mòn trong kim loại lỏng
1.3.4.3 Phân loại theo phạm vi ăn mòn
1.3.4.3.1 Ăn mòn đều và ăn mòn cục bộ
14
Ăn mòn đều
•
Xảy ra đồng nhất trên tất cả bề mặt của kim loại, ở mức độ vĩ mô, không phân biệt được khu
vực anôt, khu vực catôt.
•
Bề mặt của kim loại vừa là catôt vừa là anôt.
Ăn mòn cục bộ
•
Xảy ra tại một nơi trên bề mặt, ở đó chỉ có phản ứng anôt.
•
Có thể phân biệt rỏ ràng khu catốt, khu anôt.
•
Trong thực tế ăn mòn cục bộ là do tính dị thể của vật liệu hoặc của môi trường.
1.3.4.3.2 Nguồn gốc các dạng ăn mòn khác nhau
•
Tính chất ăn mòn của kim loại khi sử dụng phụ thuộc nhiều yếu tố:
+ Thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của kim loại.

+ Thành phần hóa học của môi trường.
+ Các thông số vật lý (nhiệt độ, đối lưu, bức xạ)
+ Các tác động cơ học (ứng suất, sốc, ma sát)
•
Có tám dạng ăn mòn cơ bản:
+ Ăn mòn đều: (uniform corrosion):
- Mất vật liệu ít nhiều xảy ra đều đặn trên toàn bề mặt,
- Thường gặp khi kim loại tiếp xúc với môi trường axit.
15
+ Ăn mòn xói mòn (erosion corrosion):
- Do tác động kết hợp giữa một phản ứng điện hóa và bào mòn cơ học.
- Dạng này thường xảy ra khi các kim loại đặt trong dòng chất lỏng chảy nhanh.
+ Ăn mòn dưới ứng suất (stress corrosion cracking):
- là sự kết hợp giữa một ứng suất cơ học và một phản ứng điện hóa tạo nên các vết
nứt trên kim loại
1.3.5 Điện thế bảo vệ
•
Theo phương trình Nernst, điện thế cân bằng của điện cực Cu tiếp xúc với dung dịch chứa
Cu2+ có hoạt độ 10-2 mol/l.
Cu2+ + 2e = Cu
V28,010lg
2
059,0
34,0E
2
rev
=+=
−
•
Trong trường hợp này, Cu chỉ bị tan khi thế điện cực lớn hơn 0,28 V

•
Trong thực tế, kim loại sử dụng ít khi tiếp xúc với dung dịch chứa ion kim loại đó nên → 0
và Erev → -∞.
16
•
Tuy nhiên khi kim loại vừa bị ăn mòn, nồng độ ion kim loại ở bề mặt lập tức khác
0 và Erev đạt đến một giá trị xác định.
•
Điện thế cân bằng càng cao khi nồng độ ion ở bề mặt càng lớn.
•
Nồng độ này càng lớn khi tốc độ truyền ion vào trong dung dịch càng lớn.
+ Tốc độ ăn mòn vcor ( mol/m2s) tỉ lệ với nồng độ Mn+ ở bề mặt: CS
+ vcor = kL CS
+ kL: hệ số truyền khối sẽ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán và đối lưu.
+ Trong các dung dịch nước, kL = 10-4 – 10-5 m / s
17
L
cor
rev
k
v
log
2
059,0
34,0E
+=
Đối với Cu, kL = 10-4 m/s.
Nếu vcor = 10-7 mol/m2s → tốc độ ăn mòn rất thấp ≈ 22 µm Cu /năm.
Do đó Erev = 0,163 V và CS = 10-6 mol/l
•

Tổng quát, tốc độ ăn mòn cực đại sẽ không quá 20 µ m/năm nếu nồng độ ion trong dung
dịch ≤ 10-6 mol/l.
•
Tốc độ ăn mòn nhỏ như vậy thường không đáng kể. Khi đó điện thế cân bằng được gọi là
điện thế bảo vệ
6o
bv
10ln
nF
RT
EE
−
+=
•
Nếu thế điện cực ≤ Ebv → tốc độ ăn mòn sẽ xem như không đáng kể.
•
So sánh Ebv với thế điện cực tiêu chuẩn Eo
1ln
nF
RT
EE
oo
+=
Do đó Ebv < Eo
1.5 Phân loại kim loại và hợp kim: Kim loại
được sử dụng với ý nghĩa duy nhất là nguyên tố
kim loại tương đối tinh khiết (như nhôm 99,9%);
•
Hợp kim là hỗn hợp của một số nguyên tố
kim loại và có thể có mặt cả nguyên tố phi kim

loại.
Chương I. MỞ ĐẦU
Các hệ hợp kim chủ yếu: Sắt, Niken, Đồng,Nhôm, Titan.
*Các hợp kim trên cơ sở sắt gồm: Thép carbon (Fe, C, Mn); Thép hợp
kim thấp ( Cr ≤ 12%); Thép không gỉ (Cr> 12%); Gang (3%C và
1,5% Si).
* Thép carbon là hỗn hợp của nguyện tố sắt và carbon:
Fe + C Fe3C (Iron carbide).
Có 3 loại thép carbon:
Thép carbon thấp: ≤ 0,25% C;
Thép carbon trung bình: Từ 0,25 đến 0,55% C
Thép carbon cao: > 0,55% C.
Chương I. MỞ ĐẦU
* Thép không gỉ là các thép có hàm lượng Crôm cao hơn 12%.
Độ bền ăn mòn của thép không gỉ sẽ tăng theo hàm lượng Cr. Thép
không gỉ được chia thành 6 họ:
Martensit (12-18% Cr);
Ferritit có 17% Cr (AISI 430);
Austenit có 18% Cr và 8-10% Ni (AISI 304);
Austenit có 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo (AISI 316);
Super-Ferritit (26-29% Cr),Super-Austenit (20% Cr);
Duplex hoặc Austeno-Ferritit (22-26% Cr)
Chương 1. MỞ ĐẦU
Các hệ hợp kim chủ yếu: Sắt, Niken, Đồng,Nhôm, Titan.
a)Các hợp kim trên cơ sở sắt gồm: Thép carbon (Fe, C, Mn);
Thép hợp kim thấp ( Cr ≤ 12%); Thép không gỉ (Cr> 12%); Gang
(3%C và 1,5% Si).
Các thép không gỉ: Martensit (12-18% Cr); Ferritit có 17% Cr
(AISI 430); Austenit có 18% Cr và 8-10% Ni (AISI 304);
Austenit có 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo (AISI 316);

Super-Ferritit(26-29% Cr),Super-Austenit (20% Cr);
Duplex hoặc Austeno-Ferritit (22-26% Cr).
Chương I. MỞ ĐẦU
* Martensit (C cao, 12-18% Cr) : Có từ tính, khó hàn;
•
Ferritit (C thấp): Có từ tính; bền ăn mòn;
•
Austenit (C thấp, không có từ tính, rất bền ăn mòn, dễ hàn);
•
Duplex (18-30% Cr, 3-7% Ni,1-3% Mo):Có từ tính, dễ hàn, độ
bền cao, đặc biệt bền với sự nứt ăn mòn ứng lực bởi ion clo
(Cl-).
*Các hợp kim trên cơ sở Ni, Cu, Al, Ti (Titan): Giữ được các
tính chất chính của kim loại gốc và có tính chất cơ, lý tốt hơn kim
loại gốc.