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

Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
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.
Môn học Tự động hoá trong công nghệ hoá học đã trang bị cho các
học viên những kiến thức cơ bản, cách thức, trình tự, nguyên lý của các phép đo
để tiến hành tự động hoá các quá trình công nghệ.
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” là kiến
thức của em qua quá trình học tập môn học Tự động hoá trong công nghệ hoá
học và những nắm bắt về chuyên môn Ăn mòn và Bảo vệ kim loại.

1

Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
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.
I.1. Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Chỉnh lưu dòng
một chiều

(-)

(+)

Đất
Cụm anot phụ

V

Đường ống dẫn
Điện cực
Cu/CuSO4

Dòng điện

2


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot

Hình 1 - Sơ đồ bảo vệ đường ống trong đất bằng phương pháp bảo vệ catot
dòng điện ngoài

bằng

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.
I.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.

3
Hình 2: Sơ đồ đo điện thế giữa công trình và điện
cực so sánh


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot

+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.

4


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
PHẦN II
THỰC TRẠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ BẢO VỆ CATOT BẰNG
DÒNG NGOÀI VÀ SỰ CẦN THIẾT PHẢI TỰ ĐỘNG HÓA
II.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:
2H2O + 2e → H2 + 2OHtức 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.
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:
5


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot

-E, V

Điện thế catot

E0

Mức điện thế bảo vệ
EX

Oxy hoá
O

Khoảng cách

Khoảng cách

Chiều dài cần bảo vệ

Hình 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:
Ex = E0 . exp (-αx)
Dòng điện đi trong ống tại khoảng cách x tới đầu nối O với anot:
Ix = I0 . exp (-αx)
Trong đó: E0, I0 - điện thế và dòng điện tại điểm nối với anot.
α là hệ số giảm thế và dòng. α = Rs Rk
ở đây: RS - điện trở của một đơn vị chiều dài ống
RK - điện trở đặc trưng:
Rk = ( Rs .Rl )1/ 2
Rl =

( E x − Eo )
(I x − Io )

(Ex-Eo) 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. Ex và Ix sẽ bằng 0 tại x
=∞.
Sự biến thiên điện thế giữa 2 điểm nối với anot cách nhau 2d như sau:

E .cosh α ( d − x)
Ex = o
cosh α d

6


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
Công trình

Chỉnh lưu
Vùng điện trở thấp
Vùng điện trở cao

Tầng điện trở từ trung bình tới thấp

Sự phân bố dòng từ chỗ chôn anot nông

Hình 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.
II.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 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.
7


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
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.

8


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
PHẦN III

TỰ ĐỘNG HÓA 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:
ĐT

CB

CCCH

SS

BĐ

BĐK

N

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:
CPU

EIT
1-2

EIT
1-1

Nguồn một
chiều

Không khí

Đất

+

Công trình cần bảo
vệ

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

EIT: đo, chỉ thị điện thế và truyền xa tín hiệu;
CPU: máy tính trung tâm;
H: cơ cấu chấp hành.
9


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
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.

10


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot
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.

11


Tự động hóa quá trình bảo vệ catot

Tài liệu tham khảo

12