ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG DSP DS1104

6
Tạp chí Hóa học, T. 41, số ĐB, Tr. 6 - 12, 2003
Nghiên cứu độ bền ăn mòn của hợp kim bằng phơng
pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS)
Phần 2 - Nghiên cứu phổ tổng trở của hợp kim sắt- silic sử dụng
làm anot cho phơng pháp bảo vệ bằng dòng điện ngoài
Đến Tòa soạn 6-11-2002
Ngô Quốc Quyền
1
, Nguyễn Thị Quỳnh Anh
1
, Trần Thị Hiền
2
,
Trơng Ngọc Liên
2
, La Văn Bình
2
, Lê Bá Thắng
3
1
Viện Hóa học, Trung tâm KHTN&CNQG
2
Khoa Hóa học, Tr,ờng ĐHBK H. Nội
3
Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Trung tâm KHTN&CNQG

Summary
Impressed current cathodic protection systems (ICCP) have been used successfully to stop
or to prevent rebar corrosion of structures contaminated by chloride (marine structures,
bridges, buried pipelines, condenser tube systems of power industry...). A major advantage of

ICCP method is that it can use anodes, which are virtually non-comsumable, among other high
chrome silicon iron alloys.
A new approach for studying the relationship between the chemical composition, the
microstructures of alloys and the electrochemical behavior as anode materials in Cl
-
containing
media are by EIS-measurements demonstrated.
Results of the practical use of anode materials Fe0.5C5Cr14Si0.7Mn, taken from ICCP-
service experience at a power station, are shown.

I - Mở đầu
Trong công nghệ bảo vệ bằng dòng điện
ngoi (Impressed Current Cathodic Protection -
ICCP) cho thép công trình nằm trong môi
tr$ờng xâm thực (n$ớc biển, n$ớc lợ, chôn ở
d$ới đất...) đòi hỏi sử dụng các anot trơ hoặc ít
tiêu hao với những yêu cầu chế tạo đặc biệt.
Loại anot ny phải có tốc độ hao mòn nhỏ khi
phân cực (đối với anot trơ 10
-6
kg/A.năm, còn
đối với anot ít tiêu hao < 0,1 kg/A.năm); có khả
năng lm việc với mật độ dòng bảo vệ lớn (từ
hng trăm đến hng ngn A/m
2
); có đặc tính cơ
lý tốt, độ dẫn cao. Ngoi ra về mặt kinh tế phải
có giá thnh rẻ. Hợp kim Fe-Si có các chỉ tiêu
gần đạt so với nhóm vật liệu anot tiêu hao ít
( 0,25 - 1,00 kg/A.năm), chịu đ$ợc dòng lm

việc t$ơng đối cao (10 ữ 100 A/m
2
). Tuy tính
năng còn thua kém xa hợp kim anot trơ quí
hiếm đ$ợc chế tạo từ Ti, Nb, Ta phủ Pt, song
giá thnh chế tạo chỉ xấp xỉ bằng 1% [1, 2].
Yếu tố kinh tế đặc biệt quan trọng khi thiết
kế hệ thống bảo vệ cho công trình có kết cấu
hình học phức tạp. Đôi khi phải lựa chọn
ph$ơng án sử dụng một số l$ợng lớn các anot
để cấp dòng bảo vệ trung bình thay vì sử dụng
một số ít loại anot trơ quí hiếm để phát đ$ợc
dòng lớn (chạy dòng thấp, tuy cần nhiều anot,
song có $u điểm l phân bố điện thế trên ton
công trình ổn định hơn, các lớp sơn phủ lâu bị
phá hủy).
7
Anot hợp kim Fe-Si tuy đc đ$ợc sử dụng
nhiều [2, 6], song còn ít các công trình nghiên
cứu sâu mối quan hệ giữa thnh phần hóa học
chế tạo, tổ chức pha hợp kim hình thnh v các
định h$ớng tính chất điện hóa sử dụng cho
ph$ơng pháp ICCP.
Trong bi báo ny, chúng tôi trình by kết
quả nghiên cứu sử dụng ph$ơng pháp phổ tổng
trở điện hóa (EIS) kết hợp với những khảo sát tổ
chức tế vi bằng kính hiển vi kim t$ơng để
nghiên cứu ảnh h$ởng của biến tính vật liệu
trên cơ sở hợp kim Fe-Si cho mục tiêu sử dụng
lm anot ít tan lm việc trong các môi tr$ờng

xâm thực Cl
-
(n$ớc biển v n$ớc lợ).
II - Thực nghiệm
1. Chế tạo vật liệu anot hợp kim Fe-Si (thép
silic cao)
Thnh phần vật liệu nghiên cứu: hm l$ợng
Si đ$ợc thay đổi trong khoảng từ 6% đến 16%;
Mn: 0,3 - 0,7%; Cr: 0,5%; C: 0,5%, còn lại l
%Fe. Các nguyên tố hợp kim hóa đ$ợc đ$a vo
ở dạng hợp kim trung gian nh$ ferosilic,
feromangan v thép CT
3
. Hợp kim đ$ợc nấu
chảy trong lò điện, lò cao tần ở nhiệt độ 1450
o
C
- 1500
o
C, rót vo khuôn tạo mẫu v sau đó đ$ợc
lm nguội để nhận đ$ợc mẫu vật liệu nghiên
cứu.
Hợp kim sau khi chế tạo tiếp tục đ$ợc ủ
đồng đều hóa ở nhiệt độ 730
o
C trong 3 giờ, để
nguội tự nhiên. Khái quát công nghệ chế tạo vật
liệu anot trơ thép hợp kim Si cao đ$ợc trình by
trên hình 1.
Mẫu chế tạo xong đ$ợc phân tích thnh

phần hóa học. Thnh phần pha đ$ợc xác định
bằng phổ nhiễu xạ tia X (D-5000, Siemens). Tổ
chức tế vi của hợp kim đ$ợc xác định bằng kính
hiển vi kim t$ơng (Neophot 1).
2. Điều kiện thực nghiệm
Bề mặt điện cực trong phép đo tổng trở
đ$ợc gia công giống nh$ trong khảo sát kim
t$ơng. Môi tr$ờng nghiên cứu l dung dịch
NaCl có nồng độ 3,5% (mô phỏng cho n$ớc
biển) v 1,2% (n$ớc lợ).
Phép đo tổng trở đ$ợc thực hiện trên thiết bị
Autolab&Frequency Response Analysis - FRA
(Viện Kỹ thuật nhiệt đới). Vùng tần số khảo sát
l 60 kHz ữ 10 mHz. Số liệu đ$ợc xử lý trên cơ
sở lý thuyết [5] v áp dụng phần mềm FRA 4.7.
Trong một số thử nghiệm theo ph$ơng pháp
ICCP trong phòng thí nghiệm, mẫu anot hợp
kim Fe-Si đ$ợc gia công ở dạng hình trụ, bề
mặt có độ bóng 3. Thép bảo vệ l CT
3
, CT
45

đ$ợc gia công ở dạng ống bao anot. Chế độ thử
nghiệm l 0,015 A/cm
2
. Môi tr$ờng thử nghiệm
tự nhiên l n$ớc biển, n$ớc sông (sông Cầu),
đất ngập mặn (Quảng Ninh).

- Feromangan
- Ferosilic
Nấu chảy, biến tính
Rót vo khuôn
Thép silic cao
ủ đồng đều
Phụ gia
Thép
Hình 1: Công nghệ chế tạo vật liệu anot trơ thép
hợp kim Fe-Si
III - Sơ đồ tơng đơng điện hóa
của anot trơ trong phơng pháp
bảo vệ catot bằng dòng điện
ngo;i
Trong ph$ơng pháp bảo vệ catot bằng dòng
điện ngoi [2, 4], ng$ời ta cho một dòng điện
c$ỡng b$ớc đi qua mạch bảo vệ gồm anot trơ A
v đối t$ợng đ$ợc bảo vệ đóng vai trò catot C.
Lý t$ởng có thể mô phỏng hnh vi điện hóa v
sơ đồ t$ơng đ$ơng của anot trơ A nh$ một điện
cực không phân cực (R0), trong khi đối
t$ợng đ$ợc bảo vệ l catot C lại có đặc tr$ng
điện hóa của một điện cực phân cực (R) [3]
(hình 2a v b). Nhờ vậy khi dòng điện c$ỡng
bức chạy qua (mật độ dòng điện có thể tới hng
trăm A/m
2
), anot A có khả năng chịu đ$ợc dòng
lớn, trong khi đó catot C đáp ứng chủ yếu bởi
8

C
i
i
R
C
C
sự dịch chuyển điện thế về phía âm hơn để năm trong vùng miễn dịch ăn mòn.


(R)
(a) (b)

(c)
Hình 2:
Điện cực không phân cực lý t$ởng (a); Điện cực phân cực lý t$ởng (b); Điện cực phân cực mức độ (c)

Trong thực tế, tùy thuộc vo bản chất của
vật liệu v công nghệ biến tính, có thể chế tạo
các điện cực phân cực mức độ m ta gọi l
anot ít tan, có R xác định theo yêu cầu (hình
2c) về cơ bản vẫn đảm bảo nguyên lý của
ph$ơng pháp ICCP.
Hình 3 trình by sơ đồ nguyên lý nối mạch
của hệ điện cực bảo vệ theo ph$ơng pháp ICCP.
R
S
R
C
R
A

C
C
C
A
E
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý của hệ bảo vệ ICCP
E l nguồn điện ngoi.
R
S
l điện trở của môi tr$ờng.
R
A
, C
A
l điện trở v điện dung của anot A.
R
C
, C
C
l điện trở v điện dung của catot C.
Theo nguyên lý ny thì A l điện cực có
tính chất không phân cực, ng$ợc lại catot C lại
phải dễ phân cực. Với mật độ dòng c$ỡng b$ớc
i, thì:
E = iR
A
+ iR
S
+ iR
C

Nh$ vậy, khi R
A
<< R
C
v với môi tr$ờng
dẫn tốt nh$ n$ớc biển (R
S
0,25 m) thì,
CCSA
T
RRRR
i
E
++=








Độ chuyển dịch điện thế theo dòng điện
xảy ra tại catot chỉ phụ thuộc vo R
C
(R
C
l
tổng điện trở của công trình kim loại cần bảo
vệ).

IV - Kết quả v; thảo luận
1. Phổ tổng trở EIS của hợp kim sắt-silic l,m
việc trong các môi tr/ờng xâm thực Cl
-
Hình 4 v 5 trình by ảnh kim t$ơng đại
diện của các mẫu hợp kim nghiên cứu v phổ
EIS t$ơng ứng đo trong các môi tr$ờng NaCl
3,5% v 1,2%.
Bảng 1 trình by các kết quả xử lý phổ EIS
theo phần mềm FRA4.7.
Đầu tiên l mẫu thép cacbon Fe0,5C lm
vật liệu đối chứng ch$a biến tính đồng thời
cũng l điển hình cho thép công trình sẽ l đối
t$ợng cần bảo vệ. Nhìn chung, thép cacbon
trong môi tr$ờng xâm thực Cl
-
dễ bị ăn mòn,
hình thnh lớp thụ động có R
P
khá lớn (123 ữ
183 kcm
-2
), có độ xốp cao ( 46,8).
Khi biến tính bằng Si với hm l$ợng tăng
dần 6% ữ 16% v giữ Cr ở 5%, thì hnh vi phân
cực thay đổi về h$ớng không phân cực, R
P
giảm
9
150K

125K
100K
75K
50K
25K
0
0 50K 100K 150K 200K 250K 300K 350K 400K 450K
(a)
Fe0,5C
Z,
3,5% NaCl
1,2 % NaCl
1K
1K
1K
0K
0
0 0K 1K 1K 1K 1K 2K 2K 2K 2K 3K
1,2% NaCl
3,5% NaCl
(b)
Fe0,5C5Cr6Si
Z/
(c)
4K
4K
3K
3K
2K
2K

1K
1K
0
0 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K
3,5% NaCl
Z/
1,2% NaCl
Fe0,5C5Cr16Si
3,5% NaCl
mạnh. Hm l$ợng Si tối $u 14%, giá trị R
P
dao động xung quanh vi kcm
-2
hoặc thấp
hơn. Nhờ vậy, nếu sử dụng vật liệu Fe-Si lm
anot cho ph$ơng pháp ICCP thì có khả năng
chịu đ$ợc dòng lớn, độ bền cơ lý đảm bảo (độ
cứng HRC tăng 40 ữ 65).

Mẫu Phổ EIS

Z/
Hình 4: ảnh kim t$ơng v phổ tổng trở của các mẫu hợp kim
10
0 0K 1K 1K 1K 1K 2K 2K 2K
(a)
Fe0,5C5Cr14Si0,3Mn
900
650
400

150
-100
3,5%NaCl
1,2%NaCl
Z/
0 0K 1K 1K 1K 1K 2K 2K 2K
Z/
(b)
600
500
400
300
200
100
0
Fe0,5C5Cr14Si0,7Mn
1,2%NaCl
3,5%NaCl
1,2%NaCl
Fe0,5C5Cr10Si0,7Mn
5K
5K
4K
3K
2K
1K
0
0 3K 5K 8K 10K 13K 15K
3,5%NaCl
1,2%NaCl

(c)
Z/
Mẫu Phổ EIS

Z/
Hình 5: ảnh kim t$ơng v phổ tổng trở của các mẫu hợp kim
Phân tích kỹ số liệu phổ tổng trở cho thấy, vai trò biến tính một l$ợng nhỏ Mn (0,3% ữ
0,7%) cùng với Si có ảnh h$ởng nhạy cảm với đại l$ợng CPE v góc nén , một đại l$ợng bề mặt
có mối quan hệ với hình thái kim t$ơng của hợp kim.