Nghiên cứu chế tạo vật liệu bọc lót đường ống chịu nhiệt, chịu hóa chất và ứng dụng trong công nghiệp

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................2
1.1.TỔNG QUAN VỀ ĂN MÕN VÀ MÀI MÕN CÁC ĐƯỜNG ỐNG TRONG
CÔNG NGHIỆP .....................................................................................................2
1.1.1.Ảnh hưởng của môi trường khí .................................................................2
1.1.2. Các tác nhân gây ăn mòn ..........................................................................4
1.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BỌC LÓT ĐƯỜNG ỐNG TRONG CÔNG
NGHIỆP ..................................................................................................................9
1.2.1. Vật liệu ...................................................................................................10
1.2.2. Lớp phủ chống ăn mòn. ..........................................................................10
1.3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI CÓ TÍNH NĂNG CHỊU
NHIỆT, CHỊU HÓA CHẤT LÀM VẬT LIỆU BỌC LÓT ĐƯỜNG ỐNG ........15
1.3.1.Thành phần và tính chất của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất...............15
1.3.2.Cơ sở hóa lý của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất alumosilicat ............16
1.3.3.Cơ sở hóa lý chế tạo nguyên liệu samốt ..................................................18
1.3.4. Công nghệ sản xuất vật liệu gốm chịu axit trên thế giới và ở Việt Nam18
1.3.4.1. Công nghệ sản xuất vật liệu gốm chịu axit trên thế giới.....18
1.3.4.2. Công nghệ sản xuất gốm chịu axit ở Việt Nam ..............................24
1.3.5. Cơ sở hóa lý chế tạo keo phốt phát nhôm ..............................................25
Chương 2: PH

NG PHÁP NGHI N C U ......................................................28

2.1. PHƯ NG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC TRONG
NGUYÊN LIỆU ĐẦU ..........................................................................................28
2.1.1 Hoá chất, thuốc thử ..................................................................................28

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ ......................................................................................31

i


2.1.3 Chuẩn bị mẫu thử ....................................................................................32
2.1.4 Xác định hàm lượng silic dioxit (SiO2) ...................................................33
2.1.4.1. Nguyên tắc.......................................................................................33
2.1.4.2. Cách tiến hành .................................................................................33
2.1.4.3. Tính kết quả.....................................................................................33
2.1.5 Xác định hàm lượng sắt (III) oxit (Fe2O3) ...............................................34
2.1.5.1. Nguyên tắc.......................................................................................34
2.1.5.2. Cách tiến hành .................................................................................34
2.1.5.3. Tính kết quả.....................................................................................34
2.1.6 Xác định hàm lượng canxi oxit (CaO) ....................................................34
2.1.6.1. Nguyên tắc.......................................................................................34
2.1.6.2. Cách tiến hành .................................................................................35
2.1.6.3. Tính kết quả.....................................................................................35
2.1.7 Xác định hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) ..................................................36
2.1.7.1. Nguyên tắc.......................................................................................36
2.1.7.2. Cách tiến hành .................................................................................36
2.1.7.3. Tính kết quả.....................................................................................37
2.1.8 Thành phần dung dịch keo phốt phát nhôm ............................................37
2.2. CHẾ TẠO M U VẬT LIỆU.........................................................................37
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN C TÍNH CỦA VẬT
LIỆU............ .........................................................................................................38
2.3.1 Khảo sát t lệ thành phần keo với nguyên liệu rắn .................................38
2.3.2 Khảo sát t lệ thành phần pha rắn trong phối liệu ...................................39
2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến cường độ của vật
liệu........................... .........................................................................................41

2.4. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN PHA TRONG VẬT LIỆU ........................42
2.4.1. PHƯ NG PHÁP PH N TÍCH PHỔ HỒNG NGOẠI IR .........................42
2.4.2. Phương pháp nhi u xạ tia X (XRD .......................................................43

ii


2.5. KHẢO SÁT ĐỘ BỀN AXIT CỦA M U POLYME VỚI PHỤ GIA CAO
LANH VÀ NA2SIF6 .............................................................................................44
Chương 3:

ẾT QUẢ THỰC NGHI M V BI N LU N ................................45

3.1. HÀM LƯ NG CÁC OXIT TRONG NGUYÊN LIỆU ĐẦU .....................45
3.1.1. Thành phần hóa học trong cao lanh Ph Thọ .........................................45
3.1.2. Thành phần hóa học và thành phần pha trong samốt .............................45
3.1.3. Thành phần hóa học trong đất s t Chí Linh - Hải Dương ......................46
3.1.4. Thành phần hóa học và tính chất của keo (polyme phốt phát
nhôm ........................... .....................................................................................46
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA LƯ NG KEO ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT
LIỆU............... ......................................................................................................47
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA T LỆ PHA RẮN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT
LIỆU............... ......................................................................................................54
3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT
LIỆU...... ...............................................................................................................56
3.5. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN VẬT LIỆU VÀ
NHIỆT ĐỘ NUNG ĐẾN CẤU TRÖC VẬT LIỆU .............................................59
3.6. ĐỘ BỀN AXIT CỦA M U POLYME VỚI PHỤ GIA CAO LANH VÀ
NA2SIF6 ................................................................................................................67
3.7. NGHIÊN CỨU PHỤ GIA CHỊU AXIT LÀ SAMỐT NH N TẠO .............68

3.7.1.Nghiên cứu vữa chịu axit từ samốt nhân tạo, polyme M4 và Na2SiF6....68
3.7.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng polyme đến độ bền axit của vữa
tổng hợp ............................................................................................................70
3.7.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phenpat đến độ bền axit của vữa
tổng hợp ............................................................................................................70
3.8. NGHIÊN CỨU PHỤ GIA CHỊU AXIT LÀ CAO LANH ............................71
3.8.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng polyme đến độ bền axit của vữa
tổng hợp ............................................................................................................71

iii


3.8.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt cao lanh đến độ bền axit của
vữa tổng hợp .....................................................................................................73
3.8.3. Nghiên cứu ảnh hưởng phenpat đến độ bền axit của vữa tổng
hợp............ ........................................................................................................74
3.9. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CHỊU NHIỆT, CHỊU HÓA CHẤT VÀO BỌC
LÓT ĐƯỜNG ỐNG .............................................................................................75
KẾT LU N ..............................................................................................................77
T I LI U TH M

HẢO ......................................................................................78

iv


D NH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EDTA : Disodium Ethylendiamin Tetraacetic axit dihydrat Na2H2C10H12O8N2.2H2O
IR

: Phân tích phổ hồng ngoại ( Infrared)

XRD : Nhi u xạ tia X ( X – Ray diffraction)
SEM : Ảnh hiển vi điện tử qu t ( Scanning Electron Microscope)
SSC : Nứt do ứng suất ( Sulfide Stress Cracking

v


D NH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Giới hạn nhiệt độ sử dụng của các loại vật liệu .......................................11
Bảng 1-2. Bề dày tối thiểu của lớp PE ......................................................................12
Bảng 1-3. Thành phần và tính chất của đất s t Liên Xô ...........................................20
Bảng 1-4. Thành phần hóa học của gốm chịu axit ở Trung Quốc và Liên Xô ........20
Bảng 1-5. Thành phần cỡ hạt của nguyên liệu theo phương pháp bán khô ..............22
Bảng 1-6. Thành phần hoá học của các nguyên liệu sản xuất gốm chịu axit ...........24
Bảng 1-7. Thành phần hóa học của gốm chịu axit Viện Vật liệu xây dựng .............25
Bảng 1-8. Tính năng của gốm chịu axit Viện Vật liệu xây dựng .............................25
Bảng 2-1. Thành phần các oxit trong cao lanh Ph Thọ ...........................................45
Bảng 2-2. Thành phần các oxit và thành phần pha trong samốt ...............................45
Bảng 2 -3. Thành phần các oxit trong đất s t Chí Linh - Hải Dương .......................46
Bảng 2-4.. Một số chỉ tiêu cơ bản của polyme phốt phát nhôm* ..............................47
Bảng 3-1. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và đất s t ............48
Bảng 3-2. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và cao lanh .........48
Bảng 3-3. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và đất s t ............48
Bảng 3- 4. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và cao lanh ........49
Bảng 3-5. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và đất s t ............49
Bảng 3- 6. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và cao lanh ........49
Bảng 3-7. Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và đất s t ............50
Bảng 3- 8 Cường độ của vật liệu khi lượng keo thay đổi với samốt và cao lanh .........50

Bảng 4-1. Cường độ của vật liệu khi t lệ giữa các thành phần nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................54
Bảng 4-2. Cường độ của vật liệu khi t lệ giữa các thành phần nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................54

vi


Bảng 4-3. Cường độ của vật liệu khi t lệ giữa các thành phần nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................55
Bảng 4-4. Cường độ của vật liệu khi t lê giữa các thành phần nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................55
Bảng 5-1. Cường độ của vật liệu khi t lệ kích thước các hạt nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................57
Bảng 5-2. Cường độ của vật liệu khi t lệ kích thước các hạt nguyên liệu thay đổi
...................................................................................................................................58
Bảng 6-1. Độ giảm khối lượng các mẫu ngâm trong H2SO4 10% ............................68
Bảng 6-2. Độ giảm khối lượng các mẫu ngâm trong H2SO4 80% ............................68
Bảng 6-3. Độ bền axit của vữa tổng hợp từ samốt nhân tạo, polyme M4 và Na2SiF6
ngâm trong H2SO4 80% ............................................................................................69
Bảng 6-4. Ảnh hưởng của hàm lượng polyme đến độ bền axit của vữa tổng hợp khi
ngâm trong axit H2SO4 10% .....................................................................................70
Bảng 6-5. Ảnh hưởng của hàm lượng polyme đến độ bền axit của vữa tổng hợp khi
ngâm trong axit H2SO4 80% .....................................................................................70
Bảng 6-6. Ảnh hưởng của hàm lượng phenpat đến độ bền axit của vữa tổng hợp khi
ngâm trong axit H2SO4 80% .....................................................................................71
Bảng 6-7. Ảnh hưởng hàm lượng keo (mẫu M4 đến độ ăn mòn axit của vữa tổng
hợp từ Cao lanh (  = 0,04 ÷ 0,08 , phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong axit H2SO4 10%
...................................................................................................................................72
Bảng 6-8. Ảnh hưởng hàm lượng keo (mẫu M4 đến độ ăn mòn axit của vữa tổng

hợp từ cao lanh (  = 0,04 ÷ 0,08 , phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong axit H2SO4 80%
...................................................................................................................................72
Bảng 6-9. Ảnh hưởng của kích thước hạt cao lanh đến độ ăn mòn axit của vữa tổng
hợp từ cao lanh, phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong H2SO4 10% . .............................73

vii


Bảng 6-10. Ảnh hưởng của kích thước hạt cao lanh đến độ ăn mòn axit của vữa tổng
hợp từ cao lanh, phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong H2SO4 80%. ..............................73
Bảng 6-11. Ảnh hưởng của phenpat đến độ ăn mòn axit của vữa tổng hợp từ cao
lanh, phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong axit H2SO4 10% .........................................74
Bảng 6-12. Ảnh hưởng của phenpat đến độ ăn mòn axit của vữa tổng hợp từ cao
lanh, phenpat, Na2SiF6 khi ngâm trong axit H2SO4 80%. ........................................74

viii


D NH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1 -1 Sơ đồ quá trình ăn mòn trong môi trường khí ............................................2
Hình 1-2 Ảnh hưởng của nồng độ khí hòa tan đến tốc độ ăn mòn .............................7
Hình 1-3 Chế độ dòng chảy đặc trưng bên trong đường ống......................................9
Hình 1-4. Giản đồ pha hệ hai cấu tử Al2O3 - SiO2 ...................................................17
Hình 2-1. Mẫu thu được ............................................................................................38
Hình 3-1. Phổ IR polyme phốt phát nhôm ................................................................47
Hình 3-2: Kết quả đo cường độ vật liệu theo các thực nghiệm ................................51
Hình 3-3. Ảnh SEM các mẫu vật liệu ứng với thực nghiệm 3-2 (a), 3-7 (b), 3-5 (c)
...................................................................................................................................53
Hình 4-1. Quan hệ giữa cường độ của vật và thành phần phối liệu ..........................56
Hình 5-1. Quan hệ giữa cường độ của vật liệu và kích thước các hạt phối liệu ......57

Hình 5-2. Ảnh hưởng của t lệ kích thước hạt đến cường độ của vật liệu ...............58
Hình 6-1. IR của nguyên liệu samốt ........................................................................59
Hình 6-2 IR của vật liệu với mẫu nghiên cứu M1 ...................................................60
Hình 6-3. IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M1 .........61
Hình 6-4. XRD của vật liệu nghiên cứu 3-5 trước khi nung.....................................61
Hình 6-5. XRD của vật liệu mẫu nghiên cứu M1 ....................................................62
Hình 6-6. XRD của vật liệu nung ở 9000C mẫu nghiên cứu M1 ............................62
Hình 6-7. XRD của vật liệu nung ở 13000C mẫu nghiên cứu M1 ..........................63
Hình 6-8. IR của vật liệu mẫu nghiên cứu M2 ........................................................63
Hình 6-9. IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M2 ..........64
Hình 6-10. IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 13000C mẫu nghiên cứu M2 ......64
Hình 6-11. XRD của mẫu vật liệu M2 .....................................................................65
Hình 6-12 XRD của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M2 .....65
Hình 6-13 XRD của vật liệu được nung ở nhiệt độ 13000C mẫu nghiên cứu M2 ..66
Hình 6-14. Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu M1 sau khi nung ở 1300oC ...................67
Hình 6-15. Vật liệu bọc lót đường ống chịu nhiệt và chịu hóa chất .................................76

ix


MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp, đường ống giữ một vai trò rất quan trong. Tùy thuộc vào
môi trường làm việc, nhiệt độ, áp suất, thành phần các chất có thể có những phương
án lựa chọn vật liệu khác nhau. Hiện nay, đường ống làm từ vật liệu kim loại được
sử dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nhà máy công nghiệp bởi nó có độ cứng
chắc, bền trong nhiều điều kiện, d chế tạo, lắp đặt, sửa chữa. Tuy nhiên vật liệu
kim loại cũng bộc lộ những nhược điểm như d bị ăn mòn, chịu mài mòn không
cao, khả năng cách nhiệt k m... vì vậy trong thực tế sử dụng người ta đã có những
kỹ thuật bảo vệ đường ống khác nhau như bằng phương pháp điện hóa, phương
pháp hóa học, phương pháp bọc bằng các vật liệu cách ly.

Vật liệu bọc lót đường ống là lớp vật liệu mỏng có tính năng đặc biệt như
cách âm, cách nhiệt tốt, chịu hóa chất ăn mòn, chịu mài mòn và một số tính năng
khác. Với sự phát triển khá nhanh về các loại vật liệu mới trong những năm gần đây
ch ng ta có thể nghiên cứu, chế tạo vật liệu mới nhằm mục đích sử dụng làm các
vật liệu bọc lót đường ống trong các nhà máy công nghiệp.
Với tất cả những lí do trên, tôi đã lựa chọn đề tài có tên: “Nghiên cứu chế
tạo vật liệu bọc lót đường ống chịu nhiệt, chịu hóa chất và ứng dụng trong công
nghiệp” với mong muốn góp phần vào việc sử dụng hợp lí và tạo ra giá trị cao từ
nguồn nguyên liệu khoáng sản trong nước.
Mục đích của bản luận văn này là nghiên cứu để điều chế vật liệu bọc lót
đường ống chịu nhiệt, chịu hóa chất từ nguồn nguyên liệu samôt alumosilicat kết
hợp với đất s t, cao lanh. Để khảo sát và lựa chọn được đơn phối liệu, tác giả sử
dụng samôt alumosilicat với các cỡ hạt khác nhau kết hợp với đất s t, cao lanh. Tiếp
theo sử dụng polyme vô cơ aluminum phosphate làm chất liên kết sau đó tiến hành
tạo hình bằng phương pháp p bán khô rồi đem sấy ở nhiệt độ 2000C trong thời gian
10h thu được sản phẩm. Trong phương pháp này cần phải chuẩn bị nguyên liệu
samot có độ chịu nhiệt trên cơ sở alumosilicat, để có được samot phải nung ở nhiệt
độ 14500C ÷15000C sau đó đem nghiền với các cỡ hạt khác nhau. Tận dụng gạch
phế samôt, gốm sứ nghiền với cỡ hạt khác nhau trộn với samôt nung với t lệ 1:1.
Polyme vô cơ aluminum phosphate được tạo ra khi cho axit phốt phoric phản ứng
với hydroxit nhôm ở nhiệt độ 600C ÷ 700C trong thiết bị có khuấy trộn với thời gian
khoảng 1 giờ.
1


Chương 1
TỔNG QU N
1.1.

TỔNG QU N VỀ ĂN MÕN V M I MÕN CÁC Đ ỜNG ỐNG

TRONG CÔNG NGHI P

1.1.1. Ảnh hưởng của môi trường khí
Có thể hình dung quá trình ăn mòn trong môi trường khí xảy ra theo sơ đồ
sau:
KHÍ

Hình 1 -1 Sơ đồ quá trình ăn mòn trong môi trường khí
Nhìn vào sơ đồ ta cũng hình dung được các ảnh hưởng của môi trường khí
đến bề mặt th p đường ống, bể chứa.
Ảnh hưởng của chế độ nhiệt ẩm:
Màng ẩm: Ăn mòn kim loại chỉ xảy ra khi có một lượng ẩm tới hạn trên bề
mặt kim loại đủ để tạo thành một màng ẩm (trong khí độ ẩm tới hạn này là 80% . Ở
dưới độ ẩm tới hạn này thì quá trình ăn mòn không xảy ra hoặc tốc độ rất nhỏ không đáng kể. Khi vượt qua độ ẩm tới hạn, lớp màng ẩm bắt đầu có tác dụng như
một lớp điện dịch thì tốc độ ăn mòn tăng theo độ ẩm trong môi trường khí. Màng
ẩm có vai trò dẫn điện, hòa tan các chất xâm thực từ môi trường khí (SOx, NOx,
H2S… , vì vậy sự ăn mòn thường xảy ra ở vùng bề mặt d bị tích tụ ẩm, cũng là nơi
tập trung các tác nhân gây ăn mòn bị hòa tan.
Thời gian lưu ẩm (Tẩm) là một khái niệm cơ bản được sử dụng rất phổ biến
trong nghiên cứu ăn mòn kim loại. Thời gian lưu ẩm được tính là thời gian mà trên
2


bề mặt kim loại tồn tại một màng dung dịch điện ly mỏng – đủ để các pin ăn mòn
hoạt động và quá trình ăn mòn xảy ra. Tẩm được định nghĩa là khoảng thời gian (h)
mà không khí có nhiệt độ > 0oC và độ ẩm tương đối > 80%, khi đó sự ngưng tụ bắt
đầu – điều kiện quá trình ăn mòn xảy ra ngay cả khi môi trường khí sạch. Đáng ch
ý hơn là lớp ẩm hấp phụ tại thành bởi những ngưng tụ đầu tiên sẽ d dàng bão hòa
oxi, do đó tốc độ ăn mòn trong trường hợp này sẽ lớn hơn (nguy hiểm hơn so với
trường hợp trên bề mặt kim loại tạo thành màng nước mỏng ở độ ẩm cao hơn.

Ảnh hưởng của nhiễm bẩn trong môi trường khí
Ảnh hưởng của các khí SOx, NOx: Khí SOx, NOx là những khí thải công
nghiệp chủ yếu gây ăn mòn trong môi trường khí. Khí SO2 được hình thành khi đốt
cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, hoặc do quá trình luyện kim từ các quặng
chứa lưu huỳnh, SO2 hòa tan trong màng ẩm, bị oxi hóa, tạo nên môi trường axit
(pH<4,5 và gia tốc quá trình ăn mòn kim loại:
SO2(k)

→

SO2 (ngậm nước) → SO42-

SO2(k) + OH ˉ → HSO3ˉ

→ H2SO4

NO2 được sinh ra chủ yếu là do sự cháy ở nhiệt độ cao, khi đó NO d dàng bị
oxy hóa thành NO2. NO2 hoàn toàn không tan trong nước, chỉ có 1 phần nhỏ phản
ứng trong pha khí với gốc hydroxyl và tạo thành axit nitric, axit này tan tốt trong
nước và là tác nhân gây ăn mòn.
Ảnh hưởng của Cl-: Ion Cl- là một tác nhân nguy hiểm đối với các vật liệu
kim loại, nó gia tốc ăn mòn kim loại và là tác nhân gây ăn mòn lỗ. Hơn nữa, các ion
Cl- có khả năng h t ẩm tốt, góp phần hình thành dung dịch điện ly trên bề mặt kim
loại và k o dài thời gian lưu ẩm ngay cả khi không khí có nhiệt độ cao. Ion Cl- cũng
làm tăng độ dẫn điện của lớp ẩm trên bề mặt kim loại và phá hủy lớp màng bảo vệ,
do đó làm tăng tốc độ ăn mòn. Bên cạnh đó, sự có mặt của Ion Cl- sẽ làm tăng nguy
cơ và tốc độ ăn mòn ứng lực của các chi tiết, kết cấu kim loại, đặc biệt là các kết
cấu làm bằng th p không gỉ.

3

1.1.2.

Các tác nhân gây ăn mòn

a. Ăn mòn do H2S
H2S là một khí có tính axit, là một trong các tác nhân chính gây ăn mòn bên
trong hệ thống đường ống dẫn khí, theo phản ứng sau:
Fe

+

H2S

=

FeS

+

H2

Trong môi trường ẩm, H2S phá hu th p tạo các sản phẩm ăn mòn kết tủa lắng
đọng trên bề mặt kim loại dưới dạng pyrite (FeS2), pyrrhotite (Fe7S8) và troilite (FeS).
Sự có mặt của các sản phẩm sulfite sắt ở thành trong của đường ống dẫn khí
chứng tỏ có sự ăn mòn với tác nhân H2S và các sản phẩm này kết tủa trên bề mặt
th p, ngăn cản ít nhiều quá trình ăn mòn xảy ra. Tuy nhiên sản phẩm ăn mòn lắng
đọng có khả năng bảo vệ hay không phụ thuộc vào thành phần, dạng kết tủa và điều
kiện hình thành lớp phủ. Trong trường hợp lớp sản phẩm ăn mòn sít chặt và độ bám

dính cao thì sẽ ít xảy ra quá trình ăn mòn hơn. Tại các vị trí lớp cặn ăn mòn không
sít chặt, các tác nhân ăn mòn có khả năng khuếch tán qua lớp sản phẩm kết tủa dẫn
đến quá trình ăn mòn tiếp tục xảy ra theo cơ chế ăn mòn cục bộ tạo ra các lỗ sâu
(pitting).
Nồng độ H2S cao có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng do quá trình ăn
mòn với sự khử phân cực của H+, tạo thành vảy sunfit sắt và giải phóng H2. Vảy
sunfit sắt đóng vai trò catôt trong quá trình ăn mòn điện hóa, làm tăng ăn mòn cục bộ
dưới lớp vảy. Hidro giải phóng ra thẩm thấu vào kim loại gây giòn hóa th p, giảm
tính năng cơ lý.
Dạng ăn mòn thứ hai do H2S gây nên là nứt ứng suất (SSC – Sulfide Stress
Cracking). Cơ chế của quá trình này là nứt catot. Các hợp kim d bị ảnh hưởng, đặc
biệt là th p, phản ứng với hydro sunfua tạo ra sunfua kim loại và hydro nguyên tử.
Nguyên tử hydro sẽ kết hợp với nhau tạo thành H2 trên bề mặt kim loại hoặc khuếch
tán vào mạng kim loại. Bên cạnh đó, hydro khuếch tán vào th p có thể kết hợp với
cacbon có trong hợp kim tạo ra metan (CH4 . Các phân tử hidro và metan tạo ra một
áp lực tích tụ trong các khoảng trống của mạng tinh thể kim loại dẫn đến hiện tượng
giòn hóa th p, giảm tính năng cơ lý, thậm chí gây ra nứt do ứng suất.

4


Nứt do ứng suất sunfua trong H2S ẩm là vô cùng nguy hiểm và là vấn đề đặc
biệt quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí vì chỉ cần hàm lượng H2S rất nhỏ
(hàm lượng vết quá trình ăn mòn ứng suất sulfua cũng có thể xảy ra.
Việc loại bỏ khí H2S là vô cùng cần thiết, vừa có tác dụng làm giảm thiểu tối
đa quá trình ăn mòn th p, k o dài tuổi thọ của đường ống và trang thiết bị, vừa cho
ph p giảm thiểu ô nhi m môi trường do H2S rất độc. Nồng độ giới hạn đối với phơi
nhi m H2S liên tục là 10 ppm.Tiếp x c với H2S ở nồng độ 800 ppm có thể gây tử
vong.
b. Ăn mòn do CO2

Khi hòa tan trong nước, khí cacbonic tạo thành axit cacbonic.
CO2 + H2O  H2CO3
H2CO3  H+ + HCO3HCO3-  H+ + CO32Tuy nhiên nồng độ CO2 hòa tan trong pha lỏng lớn hơn nhiều so với lượng
H2CO3 hòa tan (gấp khoảng 103 lần , điều đó chứng tỏ không phải toàn bộ lượng
CO2 hòa tan đều chuyển thành H2CO3. Điều kiện cân bằng được định lượng thông
qua độ hòa tan của khí CO2 trong pha lỏng.
Trong môi trường khí có mặt oxy, khi áp suất riêng phần của CO2 lớn hơn 7
psi thì quá trình ăn mòn th p có thể xảy ra, theo phản ứng sau:
2Fe + 2CO2 + O2 → 2FeCO3
Khi có mặt CO2 và hơi nước quá trình ăn mòn xảy ra theo phản ứng:
Fe + H2CO3→

FeCO3 + H2

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ăn mòn thiết bị, đường ống vận chuyển (khi
có mặt của nước bị ảnh hưởng bởi các thông số sau:
- Nhiệt độ
- Áp suất riêng phần của CO2
- Dòng chảy (chế độ chảy, vận tốc
- pH
- Nồng độ của sản phẩm ăn mòn (FeCO3)
5


- Độ thấm nước của bề mặt kim loại
- Vi cấu tr c của kim loại (mối hàn
Bên cạnh CO2, sự hiện diện của H2S làm tăng tốc quá trình ăn mòn kim loại,
gây dòn kim loại do ứng lực xung quanh việc hình thành sunfua kim loại và giải
phóng hidro.
c. Ăn mòn do O2

Oxy được biết đến như một trong các tác nhân ăn mòn rất phổ biến trong pha
khí. Nó có khả năng oxy hoá th p tạo lớp sản phẩm ăn mòn dạng oxit Fe2O3 hoặc
Fe3O4 trên bề mặt kim loại, đặc biệt dưới tác dụng của nhiệt độ. Lớp sản phẩm ăn
mòn này ngăn cản ít nhiều quá trình ăn mòn tiếp tục xảy ra, do đó tốc độ ăn mòn
trong pha khí thường rất nhỏ.
Tuy nhiên, khi có mặt của hơi nước lắng đọng, oxy đóng vai trò là chất khử
phân cực, nhận điện tử trong phản ứng catôt, làm tăng tốc độ phá hủy kim loại trong
phản ứng anôt. Dòng dung dịch chảy trong đường ống với vận tốc cao cung cấp oxy
cho phản ứng catot, chỉ với nồng độ oxy rất nhỏ khoảng 5 ppb có thể gây ăn mòn
kim loại.
Sản phẩm ăn mòn th p do oxy tạo ra rất phức tạp, ngoài các oxit sắt Fe2O3 và
Fe3O4, còn tồn tại sản phẩm ăn mòn dạng FeOOH với các dạng thù hình khác nhau.
Do sản phẩm ăn mòn xốp nên oxy và các tác nhân ăn mòn khác hoà tan trong nước
vẫn có thể khuếch tán đến bề mặt kim loại gây ăn mòn theo cơ chế điện hoá. Bên
cạnh đó, sự có mặt của oxy còn góp phần tăng tốc quá trình ăn mòn trong CO2. Sự
có mặt của ôxy làm tăng mức độ ăn mòn của khí axit (H2S và CO2). Do vậy, việc
loại bỏ oxy là cần thiết. Tùy thuộc vào hàm lượng của oxy trong khí, các biện pháp
vật lý hoặc hóa học có thể được áp dụng.

6


Hình 1-2 Ảnh hưởng của nồng độ khí hòa tan đến tốc độ ăn mòn
d. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong các yếu tố động học quan trọng quyết định đến tốc độ
phản ứng trong pha khí. Tốc độ phản ứng hóa học tăng theo hàm mũ khi nhiệt độ
tăng và được biểu di n theo phương trình Arrhenius :
k = ko.exp (-E/RT)
Với

k : Hằng số tốc độ phản ứng
ko : Hằng số
E : Năng lượng hoạt hóa của phản ứng
R : Hằng số khí
T : Nhiệt độ phản ứng (K)

Nhiệt độ còn là một trong các yếu tố quan trọng trong việc hình thành màng
bảo vệ cacbonat sắt trong quá trình ăn mòn dưới tác nhân CO2 cũng như làm tăng
tốc quá trình khuếch tán các tác nhân ăn mòn và sản phẩm ăn mòn tại bề mặt phân
chia pha kim loại – dung dịch. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, để hình thành màng
bảo vệ cacbonat sắt trong một thời gian ngắn, phản ứng ăn mòn di n ra hoặc ở điều
kiện nhiệt độ cao hoặc pH cao. Tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại cho
đến khi đạt được nhiệt độ giới hạn. Khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ giới hạn, sự hình
7


thành kết tủa cacbonat sắt hình thành như một rào cản quá trình khuếch tán, làm
giảm tốc độ ăn mòn kim loại. Nhiệt độ tới hạn cũng thay đổi theo pH và nồng độ
ion Fe2+ trong dung dịch như phương trình dưới.
Tốc độ hình thành cacbonat sắt (RFeCO3 có thể được biểu di n như một hàm
của nhiệt độ (T , độ quá bão hòa (S , giới hạn độ hòa tan (Ksp và t lệ giữa diện
tích bề mặt và thể tích (S/V :
RFeCO3 = (A/V) * f(T) * Ksp* f(S)
Nhiệt độ cũng có thể làm thay đổi dạng phân tử của màng kết tủa bởi sự tăng
tốc độ tạo mầm và sau đó là tăng tốc độ phát triển màng. Khi tốc độ kết tủa được
kiểm soát bởi tốc độ phát triển tinh thể, tốc độ phát triển tinh thể có thể được biểu
di n theo độ quá bão hòa như sau:
Rgr = kgr (S − 1

2

Trong đó: Rgr là tốc độ tăng trưởng và kgr là hằng số tốc độ tăng trưởng.
Để có được một tốc độ kết tủa đáng kể, độ quá bão hòa (được định nghĩa như
là t lệ của sản phẩm của nồng độ ion Fe2+ và CO32-và các sản phẩm hòa tan (Ksp))
phải lớn hơn 1 và hằng số tốc độ phản ứng phải lớn. Tăng nhiệt độ gi p cho việc đạt
được trạng thái quá bão hòa bằng các tăng hằng số động học của kgr.
Do đó, sự tăng nhiệt độ có thể làm tăng hoặc làm giảm tốc độ ăn mòn phụ
thuộc vào sự hòa tan của sản phẩm cacbonat sắt. Ở pH thấp, các màng bảo vệ không
hình thành, tốc độ ăn mòn tăng theo nhiệt độ. Tuy nhiên ở pH cao, khi nồng độ Fe2+
và CO32-vượt quá các giới hạn độ hòa tan, sự tăng nhiệt độ sẽ tăng tốc độ kết tủa,
cho ph p hình thành màng cacbonat sắt bảo vệ và giảm tốc độ ăn mòn. Bề mặt lớp
kết tủa được hình thành ở nhiệt độ cao liên tục, sít chặt và ổn định hơn so với nhiệt
độ thấp. Khả năng bảo vệ của màng cacbonat sắt kết tủa có thể tăng lên ở nhiệt độ
cao.
e. Ảnh hưởng của dòng chảy đến tốc độ ăn mòn
Trong dòng chảy nhiều pha, ở các tốc độ khác nhau sẽ tạo ra các chế độ
dòng chảy khác nhau, do vậy tạo ra tốc độ ăn mòn kim loại khác nhau.
Dòng chảy của chất lỏng và khí bên trong đường ống được chia ra 3 dạng:

8


- Dòng chảy sương – mist flow: dòng chảy khi lượng chất lỏng trong đường
ống là rất ít, tốc độ dòng khí rất cao.
- Dòng chảy sương hình khuyên – annular mist flow: là dòng chảy mà pha
lỏng tiếp x c toàn bộ chu vi của đường ống. Pha khí nằm ở giữa chất lỏng. Trường
hợp này xảy ra khi tốc độ dòng khí lớn.
- Dòng chảy phân tầng: khi tốc độ dòng chảy thấp. Đây là dòng chảy điển
hình trong đường ống, pha lỏng nằm ở phần đáy của đường ống, pha khí nằm ở
phần trên. Khi chảy trong đường ống một phần của chất lỏng (tồn tại như các hạt

bụi nhỏ có thể bám lại ở trên của đường ống. Ăn mòn di n ra cả ở phần dưới và
phần trên bên trong đường ống.

Hình 1-3 Chế độ dòng chảy đặc trưng bên trong đường ống
Ngoài ra, trong đường ống thực tế thường có các hạt rắn nhỏ nên khi tốc độ
dòng chảy tăng còn gây ra hiện tượng mài mòn, một trong những nguyên nhân gây
ăn mòn đường ống rất mạnh.
1.2.

TỔNG QU N VỀ V T LI U BỌC LÓT Đ ỜNG ỐNG TRONG
CÔNG NGHI P
Vấn đề ăn mòn là một trong những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đường

ống. Hư hỏng đường ống dẫn tới tổn thất về con người, về kinh tế, và đặc biệt là ô
9


nhi m môi trường. Vì vậy, công tác chống ăn mòn được quan tâm đặc biệt cả trong
giai đoạn thiết kế lẫn thi công và vận hành đường ống.
Môi trường gây ăn mòn đường ống bao gồm môi trường trong và ngoài ống.
Môi trường bên trong ống phụ thuộc trực tiếp vào thành phần chất truyền dẫn trong
ống có tính xâm thực cao hay thấp. Vận tốc và nhiệt độ dòng truyền dẫn cũng có
ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn. Các hợp chất lắng đọng tạo nên các hiện
tượng gỉ s t trong ống tạo điều kiện cho sự phát triển của quá trình ăn mòn cục bộ.
Để đường ống làm việc an toàn, đường ống cần được bảo vệ khỏi ăn mòn cả
trong lẫn ngoài.
Một chất kết dính mạnh mẽ của lớp phủ bên ngoài trên toàn bộ chiều dài của
đường ống sẽ có xu hướng ngăn chặn sự ăn mòn. Tuy nhiên, luôn luôn có khả năng
hư hỏng lớp phủ đó trong quá trình vận chuyển hoặc trong khi lắp đặt.
Bảo vệ bề mặt bên ngoài thường dùng các phương pháp bao phủ hoặc bảo vệ

bằng cathode hay anod, bên trong thì dùng chất ức chế hay bao phủ.
1.2.1. Vật liệu
Tính toán ngay từ khâu thiết kế, tùy thuộc từng môi trường mà lựa chọn vật
liệu cho đường ống, bồn bể chứa cho hợp lý. Thông thường, đối với đường ống bể
chứa thường lựa chọn vật liệu như sau:
-

Ống th p C-Mn hàn.

-

Ống đ c liền.

-

Ống th p ferritic-austenitic.

-

Các loại th p không gỉ và th p hợp kim niken.

1.2.2. Lớp phủ chống ăn mòn.
Là phương pháp chống ăn mòn hữu hiệu nhất hiện nay, thông thường sử
dụng kết hợp với biện pháp bảo vệ cathod. Những đặc tính cần xem x t của vật liệu
làm lớp phủ là: Khả năng bám dính, mềm dẻo, điện trở, khả năng cách nhiệt, chống
chịu các tác động cơ học, tính chất vật lý hoá học ổn định, d sử dụng và bền trong
môi trường.
1.2.2.1. Lớp phủ cho bề mặt ngoài:

10

Vật liệu làm lớp phủ: Những loại vật liệu quan trọng dùng bao phủ bên
ngoài như:
-

Nhựa đường nóng

-

PE và PP

-

FBE

-

Bằng plastic

-

Asphal mastic

-

Epikote (một loại nhựa xuất phát từ than đá

Giới hạn nhiệt độ sử dụng của những loại vật liệu trên theo bảng sau:
Bảng 1-1. Giới hạn nhiệt độ sử dụng của các loại vật liệu

Loại vật liệu

Nhiệt độ tối đa ( oC)

Nhựa đường

60

PE

65

PP

100

FBE

100*

Băng plastic

60

Asphalt mastic

60

Epikote

80

*: Chỉ đ ng trong điều kiện môi trường khô ráo (750C)
Nhựa đường (hoặc nhựa than đá : Được sử dụng khá lâu trước đây, dùng chủ
yếu cho những đường ống bị chôn lấp hoặc đường ống ngoài khơi làm việc ở nhiệt
độ thường, thường được phủ trước khi vận chuyển và lắp đặt. Lớp phủ được tạo
thành bằng cách cho nhựa đường nóng chảy tự do bên ngoài ống, không cần lọc tạp
chất kỹ càng, bề dày cần đạt được ít nhất là 2,5mm cho đường ống trên bờ và ít
nhất 5mm cho đường ống ngoài khơi. Bên ngoài được phủ bằng lớp vải sợi thu
tinh để hạn chế tác động cơ học của đất đá và quá trình lắp đặt. Gần đây ứng dụng
khuynh hướng sử dụng lớp phủ nhẹ và mỏng hơn như PE, FBE cho đường ống trên
bờ thay thế cho lớp phủ nặng nề bằng nhựa đường. Tuy nhiên đối với đường ống
ngoài khơi, lớp nhựa đường vẫn sử dụng rộng rãi bên dưới lớp bọc bê tông.

11


PolyEtylen: là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, được coi là
loại vật liệu bảo vệ bên ngoài tốt nhất (cho các đường ống làm việc ở nhiệt độ
thường khoảng 10 -15 năm trở lại đây. Bề dày của lớp PE tuỳ thuộc vào đường
kính ống, có thể tham khảo theo bảng sau:
Bảng 1-2. Bề dày tối thiểu của lớp PE
Đường kính ống (mm)

Bề dày tối thiểu của lớp PE(mm)
Tiêu chuẩn

Gia cường

< 250

2.0

2.5

250-500

2.2

3.0

500-800

2.5

3.5

> 80

3.0

3.5

Quá trình phủ PE được tiến hành theo hai cách: Bột PE được phủ lên bề
ngoài của ống đã được làm sạch và gia nhiệt trước đến khoảng 300 0C hay lớp PE
nóng được k o phủ lên bề mặt đã được làm sạch và gia nhiệt khoảng 120-1800C.
Trong phương pháp này cần phải sử dụng chất bám dính ban đầu ví dụ (cao su
butyl do PE không dính vào th p.
Trong cả hai phương pháp, để tăng cường sự gắn kết và khả năng chống
bong tróc, một lớp mỏng FBE được phủ lên trước lớp PE. Lớp PE bền, chống tác

động cơ học trong quá trình vận chuyển, lắp đặt tốt, điện trở cao, nên làm giảm
dòng bảo vệ cathod.
FBE (Fusion Boned Epoxy : Lớp băng epoxy mỏng hoặc bột epoxy đã được
sử dụng nhiều trong hệ thống đường ống, đặc biệt là những hệ thống trên bờ, có thể
cho hệ thống có đường kính đến 1600mm, hoạt động ở nhiệt độ đến 1000C và có
nhiều tính chất vượt trội so với những vật liệu hữu cơ khác. Lớp phủ epoxy được
tạo ra bằng cách dùng s ng phun tĩnh điện, phun bột nhựa lên bề mặt ống đã được
làm sạch và gia nhiệt trước đến khoảng 230-2400C. Lớp phủ tạo thành rất mỏng, từ
350-450µm, nhưng rất bền, bám dính tốt vào th p, độ bền hoá học rất cao, tuy
nhiên trong môi trường ẩm ướt, khả năng chịu nhiệt giảm s t, chỉ hoạt động tốt ở
750C. Lớp phủ d bị hỏng bởi các va chạm với vật sắc nhọn, cần phải cẩn thận
12


trước khi vận chuyển lắp đặt. Nhưng những va chạm như vậy không làm bong tróc
khu vực xung quanh và có thể trám lại bằng nhựa epoxy tại hiện trường.
Bọc bằng băng plastic: Kỹ thuật này đã được thực hiện từ năm 1950 cho các
đường ống làm việc ở nhiệt độ thường. Có rất nhiều loại vật liệu plastic dưới dạng
băng bao gồm PVC, PE… có độ dày khác nhau, có thể tự bám dính vào bề mặt
hoặc cần phải có một lớp trợ dính.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm và d thực hiện, tuy nhiên có một nhược
điểm lớn là d bong tróc, đặc biệt là tại những điểm chồng lên nhau. Khi được sử
dụng cùng với hệ thống bảo vệ cathod, nhược điểm trên làm giảm hiệu quả của
dòng bảo vệ nên ngày nay phương pháp bọc ống bằng băng plastic không còn được
áp dụng trong hệ thống dẫn dầu và khí nữa.
Lớp phủ asphalt mastic: Asphalt plastic, như Somatic là một hỗn hợp của
asphalt, cát, bột đá vôi, bột đá và sợi amiăng. Lớp asphalt được thực hiện tại nhà
máy với những thiết bị phức tạp. Hỗn hợp asphalt được nung nóng và phủ lên bề
mặt ống đã được làm sạch, làm thường rất dày, khoảng từ 12mm trở lên, nhằm điều
khiển bề dày của đường ống. Sau khi phủ xong, asphalt không cần có lớp bọc bên

ngoài như những trường hợp trên.
Lớp phủ asphalt thường rất chắc, nặng và chống mòn tốt ở nhiệt độ thường,
do đó nó chủ yếu được áp dụng cho đường ống ngoài khơi, nơi luôn cần tăng thêm
trọng lượng.
Epikote: Nhựa Epikote là một loại nhựa có nguồn gốc từ than đá, được sử
dụng trong một số trường hợp đối với đường ống chôn lắp và đường ống ngoài
khơi. Nó được phủ làm nhiều lớp lên bề mặt ống đã được làm sạch, lớp phủ có bề
dày ít nhất 400µm và có thể chịu nhiệt độ đến 800C, tuy nhiên ngày nay người ta sử
dụng lớp FBE có nhiều ưu điểm hơn.
1.2.2.2. Lớp phủ tại điểm nối:
Trên đường ống thường có những điểm rẽ nhánh, chỗ lắp đặt những thiết bị
chuyên dùng. Những vị trí này thường được bảo vệ kỹ hơn để đảm bảo an toàn cho
hệ thống. Những loại vật liệu sau đây thường được sử dụng:

13


- PolyEtylen: Loại băng PE có khả năng co lại khi bị đốt nóng, có thể chịu
được nhiệt độ đến khoảng 900C, đàn hồi tốt, ít bị cứng và lão hoá. Nó được phủ
bằng cách quấn xung quanh, sau đó sử nguồn nhiệt hơ nóng để co lại và bám chắc
vào bề mặt cần bao phủ. Loại băng này thường được dùng để che phủ bên ngoài lớp
FBE hoặc bao phủ bằng bột PE.
- Phủ bằng bột FBE hoặc bột PE: Thực hiện bằng cách làm sạch bề mặt bên
ngoài, gia nhiệt cho đường ống, sau đó phun lớp bột FBE, PE hoặc sử dụng dung
dịch của ch ng, cuối cùng được bọc bên ngoài bởi lớp băng PE như đã nói trên.
- Băng cold-applied: Chủ yếu được sử dụng cho đường ống ngoài khơi,
quấn quanh các mối hàn, sau đó được phủ lên bằng một lớp asphalt mastic nóng.
1.2.2.3. Lớp phủ bề mặt bên trong của đường ống:
Lớp phủ bên trong nhằm mục đích tạo ra một rào ngăn cách giữa lưu chất và
bề mặt kim loại, chống lại những quá trình ăn mòn của những sản phẩm có tính ăn

mòn. Lớp phủ bên trong thường là lớp sơn epoxy, ngoài việc bảo vệ chống ăn mòn
còn nhằm mục đích giảm ma sát và tạo sự sạch sẽ cho bề mặt bên trong ống.
Quá trình sơn phủ bên trong di n ra nhờ một thiết bị được gắn giữa hai thoi.
Trước khi sơn phủ, bề mặt bên trong ống được s c rửa sạch bằng một dung dịch
axit phù hợp, làm khô. Sau đó thoi sẽ di chuyển và toàn bộ bề mặt bên trong sẽ
được sơn phủ. Quá trình sơn phủ được kiểm tra bằng camera gắn trên thoi.
Với mỗi phương pháp bọc lót đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy
nhiên, để đường ống làm việc ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao và chịu sự tác
động của hóa chất thì chưa có một phương pháp nào thực sự tối ưu. Các loại vật
liệu phủ gốc hữu cơ chỉ có thể sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thường hoặc không
quá 100oC. Đối với những trường hợp cần phải bảo vệ đường ống ở nhiệt độ cao thì
hiện nay vẫn chưa có những loại vật liệu thích hợp. Do vậy, nghiên cứu chế tạo một
loại vật liệu mới nhằm đáp ứng những nhu cầu trên là rất cần thiết.

14


1.3.

NGHI N C U CHẾ TẠO V T LI U MỚI CÓ TÍNH NĂNG CHỊU
NHI T, CHỊU HÓ CHẤT L M V T LI U BỌC LÓT Đ ỜNG ỐNG

1.3.1. Thành phần và tính chất của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất
Nghiên cứu của luận văn sẽ tập trung vào việc tổng hợp vật liệu bọc lót hệ vô
cơ có khả năng chịu nhiệt, chịu hóa chất. Thành phần hóa học của vật liệu chịu
nhiệt, chịu hóa chất có vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra loại vật liệu chịu
nhiệt, chịu hóa chất đạt được các yêu cầu mong muốn.
Cấu tr c của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất thường chứa nhiều khoáng hay
tinh thể khác nhau, thành phần khoáng của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất cho ta
biết sự có mặt của loại khoáng với hàm lượng của các khoáng. Trong vật liệu chịu

nhiệt, chịu hóa chất thường chứa ba pha, đó là pha tinh thể, pha thủy tinh và pha
khí. Pha tinh thể có thể chỉ chứa một loại khoáng, nhưng thông thường là đa
khoáng. Sự sắp xếp các khoáng, kích thước của các hạt khoáng, phân bố các pha
trong cấu tr c vật liệu ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa
chất.
Vật liệu sản xuất ra cần phải thỏa mãn một số tính chất như sau:
- Độ chịu nhiệt, chịu hóa chất là khả năng bền vững của vật liệu dưới tác dụng
của nhiệt độ cao và môi trường sử dụng mà khộng bị nóng chảy và ăn mòn hóa. Độ
chịu nhiệt là một thông số kỹ thuật, nó khác với nhiệt độ nóng chảy vì nhiệt độ nóng
chảy của vật liệu là một hằng số lý học. Độ chịu nhiệt, chịu hóa chất phụ thuộc vào
nhiều yếu tố, đầu tiên là thành phần khoáng hóa và lượng tạp chất có trong vật liệu,
ngoài ra còn phụ thuộc vào sự phân bố các pha trong vật liệu, tốc độ nâng nhiệt và
môi trường làm việc.
- Ổn định thể tích ở nhiệt độ cao, vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất khi dùng lâu
dài ở nhiệt độ cao sẽ co hay nở phụ. Hiện tượng này sẽ làm sản phẩm biến đổi
không thuận nghịch kích thước dài của ch ng. Độ ổn định thể tích của vật liệu chịu
nhiệt, chịu hóa chất là điều kiện cần thiết để đảm bảo tuổi thọ của vật liệu.
- Độ bền sốc nhiệt của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất là khả năng chống lại sự
dao động nhiệt mà không bị phá hủy. Vật liệu khi nung nóng sau đó làm lạnh nhanh

15


sẽ xuất hiện các ứng xuất bên trong vật liệu do sự chênh lệch nhiệt độ, các ứng suất
trượt và ứng suất k o xuất hiện giữa các lớp vật liệu là nguyên nhân dẫn đến sự phá
vỡ sản phẩm.
- Độ xốp, khối lượng thể tích của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất là chỉ tiêu
gián tiếp để đánh giá chất lượng sản phẩm sản xuất ra.
- Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 2kg/cm2 là tính chất của vật liệu chịu nhiệt,
chịu hóa chất chịu tác dụng đồng thời của tải trọng, nhiệt độ và thời gian. Chỉ tiêu

này biểu thị khoảng mềm và nhiệt độ sử dụng của sản phẩm. Nhiệt độ biến dạng của
vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa, thành phần
hạt và cấu tr c của sản phẩm. Trong vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất thường có
chứa các loại tạp chất khác nhau, ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra pha lỏng làm hạ thấp nhiệt
độ biến dạng của sản phẩm.
- Độ bền n n của sản phẩm phản ánh mức độ liên kết của sản phẩm hay mật độ
của sản phẩm, độ bền n n phụ thuộc vào cấu tr c cũng như loại liên kết trong sản
phẩm.
1.3.2. Cơ sở hóa lý của vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất alumosilicat
Trong kỹ thuật sản xuất sản phẩm alumosilicat, quan trọng nhất là giản đồ hệ
hai cấu tử Al2O3 – SiO2. Từ giản đồ này có thể xác định được sự biến đổi thành
phần pha và tính chất của ch ng.
Theo N.L.Bowen và J.W.Greig thì hệ chỉ có một hợp chất duy nhất được tạo
thành, hợp chất đó có tên là mullite có công thức khoáng là 3Al2O3.2SiO2, ứng với
71,8% Al2O3 và 28,2% SiO2. Mullite nóng chảy ở 18100C tạo thành corun và pha
lỏng. Điểm ơtecti giữa mullite và SiO2 nằm ở 15450C ứng với thành phần 5,5%
Al2O3 và 94,5% SiO2. Trong giản đồ pha Al2O3 – SiO2 này, ch ng ta chia thành hai
khu vực. Khu vực Al2O3 từ 15% đến 45% và khu vực từ 45% đến 100%. Khu vực
thứ nhất ứng với vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất bán axit và samôt và khu vực thứ
hai ứng với vật liệu chịu nhiệt, chịu hóa chất cao alumin (hình 1-4).

16