các vấn đề và phương pháp xử lý trong tháp làm mát

3. XỬ LÝ NƯỚC LÀM MÁT
Nước làm mát được dùng trực tiếp hoặc gián tiếp để làm lạnh sản phẩm hóa chất, sản
phẩm thép…
Thông thường, nước làm mát được dùng gián tiếp để làm lạnh dòng công nghệ (lỏng
hoặc khí) qua thiết bị trao đổi nhiệt. Hệ thống này được gọi là làm lạnh gián tiếp. Sản phẩm
rắn thường được làm mát trực tiếp bằng cách phun nước bằng hệ thống vòi phun. Hệ thống
này gọi là hệ thống làm lạnh trực tiếp và được dùng trong nhà máy để xử lý với sản phẩm
rắn như nhà máy sắt thép hay nhà máy thực phẩm.
Hệ thống nước làm mát được phân chia ttheo bảng 3.1.

Tại Nhật Bản, khoảng 149 triệu m3 nước ngọt được dùng trong một ngày để phục vụ
cho các mục đích công nghiệp, và 70% trong số đó dùng trong hệ thống nước làm mát (năm
1996). Do đó, nhu cầu về nước làm mát có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ nền công nghiệp
cung cấp nước. Để giảm lượng nước yêu cầu cho hệ thống làm mát, người ta thay đổi từ
loại dùng một lần sang hệ thống tuần hoàn, giảm lượng nước xả đáy bằng cách tăng bội số
tuần hoàn của hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở.
Việc sử dụng các biện pháp hữu hiệu gây ra sự cô đặc chất rắn hòa tan, kết quả là
xuất hiện những vấn đề trong hệ thống như ăn mòn, cáu cặn, cặn vi sinh. Rất nhiều hóa chất
xử lý nước làm mát đã được sử dụng để phòng tránh những vấn đề trên. Sự phát triển của
những loại hóa chất này và những công nghệ liên quan được thực hiện đem lại sự hoạt
động hiệu quả cho nước làm mát. Sự phát triển hiện nay đem đến khả năng phòng tránh vấn
đề giảm hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dưới điều kiện lưu lượng nước
thấp và nhiệt độ nước ở đầu ra cao. Việc áp dụng những công nghệ xử lý nước tiên tiến
giúp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống làm mát bằng cách giảm tốc độ quay của quạt làm
mát và giảm số bơm tuần hoàn nước trong hoạt động.
Hóa chất xử lý nước làm mát có khả năng gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường bởi vì
chúng được xả thải cùng với nước xả đáy. Do đó, những hóa chất không gây ô nhiễm môi
trường được phát triển.
Hiện nay, nhà máy lọc hóa dầu có xu hướng mở rộng và chu kì hoạt động tăng từ 1
năm lên đến 2 hoặc 4 năm để tăng sản lượng và giảm chi phí hoạt động. Trong những
trường hợp này, hóa chất cho hệ thống nước làm mát đòi hỏi phải có hiệu suất cao so với

hóa chất thông thường.


Hóa chất và công nghệ xử lý nước làm mát được mô tả ở đây chủ yếu liên quan đến
hệ thống nước làm mát gián tiếp. Xử lý cho hệ thống nước làm mát gián tiếp được trình bày
trong chương 8, xử lý nước cho Nhà máy Sắt thép.
3.1.

Khái quát về hệ thống nước làm mát
3.1.1. Phân loại và đặc điểm của hệ thống nước làm mát
(1) Hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở
Mô tả một hệ thồng làm mát tuần hoàn hở điển hình (Hình 3.1). Trong hệ thống này,
nước làm mát lấy nhiệt khỏi dòng công nghệ khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt và nhiệt độ
nước tăng lên. Nước nóng được làm mát trong tháp làm mát bằng cách bay hơi một phần và
tỏa ra ẩn nhiệt hóa hơi. Nước được tuần hoàn và tái sử dụng. Hệ thống này được áp dụng
rộng rãi để làm mát sản phẩm, chất làm lạnh… trong nhà máy lọc hóa dầu và những nhà
máy khác. Nước fresh thường được dùng cho hệ thống này.

(2) Hệ thống nước làm mát tuần hoàn đóng.
Hình 3.2 đưa ra một ví dụ minh họa về hệ thống nước làm mát tuần hoàn đóng. Trong
hệ thống này, nước nóng sau khi đã đi qua thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị khác được làm
lạnh bằng một thiết bị làm lạnh thứ hai dùng nước muối, không khí hoặc nước làm mát từ hệ
thống nước làm mát tuần hoàn hở. Sau đó nước này được tuần hoàn và tái sử dụng.

Lượng nước mất mát thường nhỏ và sự cô đặc chất rắn hòa tan do bay hơi hiếm khi
xảy ra. Hệ thống đóng bao gồm hệ thống làm mát cho động cơ, ổ trục.., hệ thống nước làm
lạnh cho điều hòa không khí…
(3) Hệ thống làm mát một vòng
Trong hệ thống làm mát một vòng, nước sau khi được làm nóng được xả bỏ trực tiếp
mà không tuần hoàn. Do hệ thống này đòi hỏi một lượng lớn nước, nó ít được sử dụng trừ

những hệ thống cung cấp bằng nước muối. HÌnh 3.3 minh họa một hệ thống này. Hệ thống


này được sử dụng để làm mát sản phẩm hoặc nước làm mát tuần hoàn đóng với thiết bị làm
lạnh lần 2. Tại Nhật bản, những nhà máy nhiệt điện thường sử dụng hệ thống làm mát một
vòng sử dụng nước muối do những nhà máy này thường đặt gần bờ biển.

3.1.2. Thiết bị và vật liệu trong hệ thống nước làm mát.
(1) Tháp làm mát
Tháp làm mát được dùng để làm mát nước nóng tuần hoàn. Trong tháp làm mát, nước
nóng tiếp xúc với không khí lạnh và một phần nước bay hơi. Kết quả là nước nóng được làm
mát bằng cách tỏa ra ẩn nhiệt hóa hơi.
Tháp làm mát được phân chia làm hai loại. Một loại thông gió tự nhiên, không khí
được cung cấp bởi đối lưu tự nhiên. Loại còn lại là thông gió cơ học, không khí được cấp
bởi quạt.
Loại thông gió cơ học bao gồm thông gió cưỡng bức và thông gió cảm ứng. Chúng
cũng được phân chia thành ngược dòng và ngang dòng dựa theo chiều dòng nước và khí.
Trong tháp ngược dòng, không khí chuyển động lên trên lớp đệm tháp (tower packing),
ngược dòng với dòng nước rơi từ trên xuống. Hình 3.4 mô tả những loại tháp làm mát này.
Tháp tháp dòng ngang, dòng không khí chuyển động theo chiều ngang so với dòng nước rơi
từ trên xuống. Do mỗi loại tháp đều có ưu điểm và nhược điểm, loại tháp phù hợp nhất được
lựa chọn dựa vào những điều kiện như công suất, vị trí lắp đặt…

Tại Nhật bản, tháp làm mát ngược dòng loại tròn (hình 3.5) được dùng cho hệ thống
quy mô nhỏ với lưu lượng tuần hoàn nhỏ hơn 350m3/h. Tháp làm mát loại dòng ngang
vuông dùng cho hệ thống quy mô lớn hơn (Hình 3.6).


(2) Thiết bị trao đổi nhiệt
(a) Cấu trúc và đặc điểm

Thiết bị trao đổi nhiệt được dùng như là thiết bị làm lạnh, thiết bị gia nhiệt, thiết bị
ngưng tụ hoặc hóa hơi dựa theo yêu cầu.
Theo cấu trúc, chúng được phân chia thành thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, thiết
bị trao đổi nhiệt ống đôi, thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn, thiết bị làm mát kiểu tưới, thiết bị
trao đổi nhiệt dạng tấm và thiết bị làm lạnh không khí gờ mỏng. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng
ống chùm được sử dụng rộng rãi. Nó bao gồm loại dọc và loại ngang. Loại ngang thường
được dùng mặc dù loại dọc có nhiều ưu điểm hơn tại những vị trí lắp đặt có diện tích nhỏ.
Cấu trúc thường gặp và đặc điểm của một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm ngang
được mô tả ở hình 3.7 và bảng 3.2. Dòng nước làm mát đi qua ống hoặc vỏ. Dòng nước làm
mát và đặc điểm của nó được liệt kê trong bảng 3.3.


Bảng 3.2. Những loại và đặc điểm thiết bị trao đổi nhiệt
Loại
Tấm-ống cố định
(fixed tube-sheet)
Floating head
Ông chữ U

Đặc điểm
(1) Dễ sản xuất, chi phí không đắt
(2) Khó làm sạch phía vỏ ống bởi vì không thể gỡ ống chùm ra
(1) Dùng cho trường hợp chênh lệch nhiệt độ lớn giữa dòng trong
ống và vỏ hoặc trong hệ số giãn nở nhiệt giữa vật liệu chế tạo
ống và vỏ
(2) Có thể làm sạch phía vỏ ống bằng cách gỡ ống chùm.

Bảng 3.3. Dòng nước làm mát trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và đặc điểm của
nó
Dòng nước

Phía ống

Phía vỏ

Đặc điểm
Các biện pháp xử lý nước làm mát dễ dàng
đạt tác dụng tốt bởi vì tốc độ dòng thường nhỏ
hơn 0.5 m/s
Có thể gây ra các vấn đề ô nhiễm do lắng
đọng cáu cặn bởi vì tốc độ nước thấp và phức
tạp

(b) Dòng nhiệt
Dòng nhiệt được định nghĩa là sự lấy nhiệt từ dòng công nghệ bởi nước làm mát tính
theo một đơn vị diện tích và đơn vị thời gian. Nó được tính theo công thức dưới đây:


Dòng nhiệt càng lớn, khả năng xảy ra vấn đề cáu cặn hay ăn mòn trong thiết bị trao đổi
nhiệt càng cao.
(c) Hệ số trao đổi nhiệt tổng
Hệ số trao đổi nhiệt tổng (U) là một hệ số hiệu năng nhiệt, được xác định bằng công
thức:

U sẽ giảm nếu xuất hiện ô nhiễm với cáu cặn, sản phẩm ăn mòn và màng nhầy trong
quá trình hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt. Tốc độ giảm của U càng lớn với thiết bị trao
đổi nhiệt có giá trị càng lớn dưới cùng một mức ô nhiễm.
Hình 3.8 mô tả ví dụ về mối quan hệ giữa độ dày lớp ô nhiễm và sự giảm của U


(d) Hệ số ô nhiễm

Hệ số ô nhiễm chỉ ra độ ô nhiễm bởi cáu cặn và những kết tủa trong thiết bị trao đổi
nhiệt.
Hệ số được tính như sau:

Hệ số ô nhiễm được xác định bằng độ dẫn nhiệt và độ dày của vật liệu ô nhiễm bằng
công thức sau:

Thiết bị trao đổi nhiệt thường được thiết kế với hệ số ô nhiễm ở phía nước (giá trị γ2
theo thiết kế) trong khoảng 0.0002 – 0.0006 m2.h.oC/kcal, phụ thuộc vào xu hướng cáu cặn
dự kiến của nước lafmmats. Do đó, γ2 phải được duy trì dưới giá trị thiết kế.
Độ dày cáu cặn cho phép được ước đoán từ giá trị giá trị γ2 theo thiết kế và λ2. λ2
được dự đoán hợp lý từ chất lượng nước làm mát và chương trình xử lý bằng hóa chất.
(3) Bơm tuần hoàn nước làm mát
Bơm tuabin thường được dùng để bơm nước tuần hoàn làm mát trong hệ thống.
(4) Kim loại thường sử dụng
Những thiết bị tiếp xúc với nước làm mát là thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống, bơm,
tháp làm mát, bể nước làm mát và những cảm biến đo lường. Ngoại trừ tháp làm mát, hầu
hết những thiết bị đều được làm từ kim loại. Bảng 3.4 mô tả đặc điểm của kim loại được sử
dụng rộng rãi để làm ống và thiết bị trao đổi nhiệt.
Bảng 3.4. Kim loại dùng cho ống và thiết bị trao đổi nhiệt.
Kim loại
Đường
ống

Đặc điểm
Ống thép Carbon Có tính kinh tế và khả năng làm việc tốt những dễ bị ăn
(JIS
G3452; mòn. Đôi khi quan sát thấy rãnh ở vị trí mối hàn của ống

SGP)

hàn kháng điện, thậm chí nước đã được xử lý bằng
phương pháp thích hợp.
ống mạ điện
Chống ăn mòn trong khi lớp kẽm mạ kiện vẫn được giữ lại
(JIS
G3442; Xảy ra ăn mòn khi điện thế của kẽm cao hơn điện thế của
SGPW)
sắt tại nhiệt độ trên 50oC
Ông thép C PVC
Chống ăn mòn nhưng đắt
Sử dụng rộng tãi ở những hệ thống nước làm mát cỡ nhỏ
THIẾT BỊ Ống thép C
Kinh tế, khả năng làm việc tốt, chất lượng đáng tin cậy. Sử
TRAO
(JIS G3461; STB) dụng rộng rãi trừ những dòng công nghệ có tính ăn mòn
ĐỔI
Tấm thép khôn gỉ sắt mạnh. Loại ống không mối hàn nên được dùng cho
NHIỆT
(Trừ thiết bị trao thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
đổi nhiệt ống
chùm)
(JIS G3101; SS;
JIS G3106; SM)
Ống thép không Chống ăn mòn. Sử dụng rộng rãi bởi vì đặc tính cơ học
gỉ
vật lý xuất sắc và độ tin cậy cao. Một vài khả năng ăn mòn
(JIS G3463; SUS- nứt, rỗ, hở ăn mòn.
TB)

Đồng (JIS H3300) Đặc tính cơ học, độ dẫn nhiệt, khả năng làm việc, tính hàn
được và chống ăn mòn xuất sắc dưới nhiều điều kiện hoạt
Đồng thau (hợp động.
kim đồng – kẽm)
Ăn mòn trong môi trường oxi hóa hoặc khi có mặt
ammonia.
Đồng thiếc
Một số khả năng bị ăn mòn rỗ khi bị va đập, tốc độ dòng
chảy cao.
Cupronickel (Hợp
kim đồng – nikel)
3.1.3. Cân bằng nước trong hệ thống nước làm mát
(1) Cân bằng nước trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở
Hình 3.9 mô tả dòng nước trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở. Lượng nước
bay hơi, lượng nước lôi cuốn, nước xả đáy, và nước bổ sung thường được tính toán. Bảng
3.5 trình bày những khái niệm thường gặp và kí hiệu của chúng liên quan đến tính toán cân
bằng nước trong hệ thống nước làm mát.

Bảng 3.5. Thuật ngữ và ký hiệu liên quan đến việc tính toán cân bằng nước trong
hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở
Lưu lượng nước tuần hoàn (R), (m3/giờ)

Tổng lượng nước làm mát tuần hoàn được bơm


đi.
Tổng thể tích nước làm mát (H), (m3)

Tổng lượng nước lưu trong hệ thống nước làm
mát bao gồm cả đường ống, bể chứa nước tháp

làm mát…

Lượng nước bay hơi (E), (m3/giờ)

Nước bị mất do bay hơi.

Lượng nước lôi cuốn (W), (m3/giờ)

Nước bị mất do bị lôi cuốn.

Lượng nước xả đáy (B), (m3/giờ)

Lượng nước xả đáy từ hệ thống để kiểm soát chỉ
số tuần hoàn.

Lượng nước bổ sung (M), (m3/giờ)

Lượng nước bổ sung vào hệ thống.

Chênh lệch nhiệt độ qua tháp làm mát Sự chênh lệch nhiệt độ nước làm mát giữa đầu
(ΔT), (0C)
vào và đầu ra tháp làm mát.
Chỉ số tuần hoàn (N)

Tỷ lệ nồng độ chất rắn hòa tan trong nước tuần
hoàn so với nước bổ sung.

Thời gian lưu (TR), (giờ)

Thời gian cần thiết để trao đổi lượng nước trong

hệ thống bằng nước bổ sung tương ứng với
lượng xả đáy và lôi cuốn.

Half life time (TH), (giờ)

Thời gian cần thiết để nồng độ hóa chất giảm
50% khi không bổ sung thêm hóa chất.

(a) Lượng nước bay hơi:
Khi tổng lượng nhiệt của dòng lưu chất công nghệ được lấy đi bằng với tổng lượng
nhiệt giải phóng của nước làm mát do bay hơi trong tháp nước làm mát, phương trình sau
được thỏa mãn:
(3.5)
Với C: Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước (kcal/kg0C) (0,998 kcal/kg 0C khi nước ở
nhiệt độ 40 0C); HL: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước (kcal/kg) (khoảng 578 kcal/kg khi nước ở
nhiệt độ 40 0C).
Do vậy phương trình (3.6) có thể được suy ra từ phương trình (3.5) như sau:
(3.6)
Vì vậy, khi 1% lượng nước tuần hoàn bốc hơi thì chênh lệch nhiệt độ xấp xỉ 5.8 oC.
Tuy nhiên, vào mùa đông lượng nước mất mát do bay hơi thực tế nhỏ hơn so với tính toán
bởi vì nước được làm nguội bởi không khí lạnh.


Phương trình 3.7 sau đây được dùng để tính toán chính xác hơn lượng nước mất mát
do bay hơi bằng cách xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ không khí (nhiệt độ bầu khô) lên quá
trình bay hơi nước ở tháp làm mát.

(3.7)
Với Td: Nhiệt độ không khí (Nhiệt độ bầu khô - 0C).
(b) Lượng nước lôi cuốn:

Lượng nước mất mát này phụ thuộc vào các điều kiện thiết kế và vận hành của tháp
làm mát. Nhìn chung, lượng mất mát do lôi cuốn chiếm khoảng 0.05% đến 0.2% lưu lượng
nước làm mát tuần hoàn trong tháp làm mát đối lưu cưỡng bức.
(c) Lượng nước xả đáy (blowdown):
Lượng nước xả đáy được xác định dựa vào hiệu quả của chất ức chế cáu cặn và chất
ức chế ăn mòn cũng như chất lượng và lưu lượng nước bổ sung. Phương pháp tính toán
lượng nước xả đáy được mô tả trong phần tính chỉ số tuần hoàn.
(d) Lượng nước bổ sung:
Trong hệ thống nước làm mát, thể tích nước trong bể chứa luôn giữ ổn định ở điều
kiện vận hành bình thường. Vì vậy, lượng nước bổ sung tương đương với lượng nước mất
mát do bay hơi, do lôi cuốn và do xả đáy.
(3.8)
(e) Chỉ số tuần hoàn:
Chỉ số tuần hoàn biểu thị tỷ số của nồng độ chất rắn hòa tan trong nước tuần hoàn so
với nồng độ chất rắn hòa tan trong nước bổ sung, và được xác định theo phương trình sau:
(3.9)
Với CR: nồng độ chất rắn hòa tan trong nước tuần hoàn; CM: nồng độ chất rắn hòa tan
trong nước bổ sung.
Ở điều kiện ổn định, lượng chất rắn hòa tan do lượng nước bổ sung cấp vào hệ thống
tương đương với lượng chất rắn xả ra khỏi hệ thống qua xả đáy và lôi cuốn.
(3.10)
Từ phương trình (3.9) và (3.10) có thể suy ra phương trình (3.11) như sau:
(3.11)


Kết hợp (3.8) và (3.11) ta được phương trình sau:
(3.12)
Vì vậy, giá trị N được tính toán từ cân bằng nước trong hệ thống nước làm mát.
Ngoài ra, chỉ số tuần hoàn tại một thời điểm trong quá trình vận hành hệ thống nước
làm mát được tính toán bằng cách sử dụng phương trình sau:

(3.13)

Với Nt: Chỉ số tuần hoàn sau t giờ; NO: Chỉ số tuần hoàn tại thời điểm bắt đầu vận
hành hệ thống (thường lấy giá trị bằng 1); e: logarit tự nhiên (giờ); t: thời gian vận hành (giờ);
TR: Thời gian lưu (giờ).
Chỉ số tuần hoàn thường được kiểm soát bằng cách điều chỉnh lượng nước xả đáy do
lượng nước bay hơi và lôi cuốn không đổi trong điều kiện vận hành ổn định.
Hình 3.10 chỉ ra mối quan hệ giữa chỉ số tuần hoàn và lượng nước bổ sung được tính
toán từ công thức 3.11. Nếu tăng chỉ số tuần hoàn thì sẽ giảm lượng nước xả đáy và tiết
kiệm được nước bổ sung. Như hình 3.10, lượng nước bổ sung giảm đáng kể cho đến khi chỉ
số tuần hoàn đạt 5, nhưng không quá 5.

Hình 3.10. Mối quan hệ giữa nước bổ sung, nước xả đáy và chỉ số tuần hoàn
Mặt khác, nếu vận hành hệ thống nước làm mát ở chỉ số tuần hoàn cao có thể làm
giảm chất lượng nước làm mát và phát sinh các vấn đề khác. Ngoài ra, các hóa chất xử lý
nước chỉ hoạt động hiệu quả trong một giới hạn nhất định, do đó cần xác định một chỉ số
tuần hoàn thích hợp. Vì vậy, hệ thống nước làm mát thường hoạt động với chỉ số tuần hoàn
trong khoảng từ 3 ÷ 5.


Bảng 3.6. Mối quan hệ giữa lượng nước bay hơi mất đi theo tính toán và thực tế
mỗi mùa tại Nhật Bản

Lượng nước bay hơi
thực tế so sánh với
theo tính toán

Mùa hè
90 – 100%

Mùa xuân và thu
70 – 80%

Mùa đông
50 – 60%

(f) Thời gian lưu và Half life time:
Thời gian lưu (TR) được tính toán từ phương trình:
(3.14)
Thời gian lưu tăng khi giảm lượng nước xả đáy (blowdown).
Khi ngừng đưa hóa chất xử lý nước vào hệ thống nước làm mát đang vận hành ổn
định, nồng độ hóa chất sau t giờ được tính toán từ phương trình:
(3.15)
Với Xt: Nồng độ hóa chất sau t giờ kể từ lúc bắt đầu ngừng đưa hóa chất vào hệ thống
(mg/l); Xo: Nồng độ hóa chất tại thời điểm bắt đầu ngừng đưa hóa chất vào hệ thống (mg/l).
Thời điểm khi Xt bằng ½ của Xo được gọi là Hafl life time (TH). Phương trình (3.16) có
được từ phương trình (3.15):
(3.16)
(2) Cân bằng nước trong hệ thóng nước làm mát tuần hoàn đóng
Trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn đóng, lượng nước ít khi bị mất đi do bay hơi
hay lôi cuốn. Lượng nước mất đi trong hệ thống này thường là do rò rỉ từ bơm tuần hoàn.
Do đó, nước được cấp để bổ sung lượng nước rò rỉ này.
3.1.4. Các vấn đề thường gặp trong hệ thống nước làm mát
Các vấn đề thường xảy ra đối với hệ thống nước làm mát được phân thành 03 loại
sau:
- Ăn mòn;
- Cặn vô cơ – scale;
- Cặn vi sinh – biofouling (màng nhầy sinh học – slime và cặn bùn – sludge)
Như trình bày ở Bảng 3.7, ăn mòn làm giảm tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống

nước làm mát và là nguyên nhân gây ra rò rỉ lưu chất công nghệ hoặc nước làm mát từ các


thiết bị trao đổi nhiệt. Sự bám dính của các sản phẩm ăn mòn cũng gây ra sự sụt giảm hiệu
suất truyền nhiệt của thiết bị và lưu lượng nước tuần hoàn.
Sự lắng tụ của cặn vô cơ và sự bám dính của màng nhầy sinh học trong các thiết bị
trao đổi nhiệt không những làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt mà còn gây ra vấn đề ăn mòn
cục bộ tại các vị trí tích tụ.
Các vấn đề này rất hiếm xảy ra độc lập mà thường có tác động qua lại lẫn nhau.
Bảng 3.8 cho thấy tần suất xảy ra các vấn đề này đối với từng hệ thống nước làm mát
khác nhau. Hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở là nơi xảy xa thường xuyên nhất vì nồng
độ các chất rắn hòa tan tăng trong hệ thống do sự bay hơi nước.
Bảng 3.7. Các vấn đề thường gặp trong hệ thống nước làm mát và nguyên nhân
Vấn đề

Nguyên nhân

Giảm tuổi thọ các thiết bị trao đổi nhiệt, Ăn mòn;
đường ống...
Ăn mòn cục bộ tại các vị trí tích tụ màng nhầy sinh
học và bùn;
Ăn mòn dạng lỗ xốp (corrosion under porous
scale).
Giảm hiệu suất trao đổi nhiệt.

Sự bám dính của các sản phẩm ăn mòn, cặn vô
cơ và màng nhầy sinh học;
Sự tích tụ bùn.

Tăng trở lực, giảm lưu lượng nước Sự bám dính của các sản phẩm ăn mòn, cặn vô

tuần hoàn trong hệ thống (tăng điện cơ và màng nhầy sinh học;
năng tiêu thụ của bơm).
Sự tích tụ của bùn;
Tắc các ống trao đổi nhiệt do vật lạ.
Rò rỉ các dòng lưu chất và dòng lưu
chất bị nhiễm bẩn nước làm mát.

Sự thẩm thấu các lưu chất công nghệ tại các vị trí
ăn mòn trên ống trao đổi nhiệt.

Sự hấp phụ và chất thải từ các hóa
chất xử lý nước.

Các sản phẩm ăn mòn, cặn vô cơ, màng nhầy
sinh học và bùn;
Các chất rắn lơ lửng trong nước làm mát.

Bảng 3.8. Tần suất xảy ra các vấn đề trong các hệ thống nước làm mát
Vấn đề

Không tuần hoàn

Tuần hoàn kín

Tuần hoàn hở

Ăn mòn







Cặn vô cơ







Màng nhầy sinh học








Ghi chú: Tần suất  (cao hơn)     (thấp hơn)
3.2.

Ăn mòn và biện pháp ngăn ngừa
3.2.1. Cơ chế ăn mòn và các chất ức chế ăn mòn
(1) Cơ chế ăn mòn:
Ở đây đề cập đến việc ăn mòn thép cacbon bởi vì thép cacbon được sử dụng rộng rãi
trong chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt và đường ống của hệ thống nước làm mát tuần hoàn
hở.

Khi thép cacbon tiếp xúc với nước, nhiều điểm có điện thế thấp hơn (các anốt cục bộ)
và nhiều điểm có điện thế cao hơn (các catốt cục bộ) được hình thành trên bề mặt thép do
tính chất không đồng nhất1 của bề mặt thép. Vì vậy, tại các anốt và các catốt xảy ra các
phản ứng điện hóa. Phản ứng 3.17 xảy ra tại anot trong khi phản ứng 3.18 và 3.19 xảy ra ở
catot.

Phản ứng chính tại catot là phản ứng khử oxy (3.18) bởi vì nước làm mát thường trung
hòa hoặc có độ kiềm yếu và có nồng độ ion H+ thấp.

Khi bề mặt thép C tiếp xúc với nước chứa oxy hòa tan, các phản ứng trên diễn ra.
Hình 3.11 mô tả những phản ứng ăn mòn trên thép C.

Khi màng nhầy sinh học (thành phần chính của cặn vi sinh) bám dính vào bề mặt kim
loại và tạo ra môi trường yếm khí dưới lớp cáu cặn, vi sinh khử sunphat phát triển và phản
ứng catốt xảy ra (3.22). Sau đó, phản ứng ăn mòn được tăng tốc bởi H2S trong một vài
trường hợp.

1 Trên bề mặt thép cacbon, sự khác nhau về thành phần (đặc biệt là nồng độ các chất không tinh khiết) giữa các
tinh thể và các liên kết tinh thể, sự hỗn loạn của cấu trúc tinh thể, sự có mặt của lớp oxit không đồng nhất gây
nên sự không đồng nhất của toàn bề mặt thép. Tại vị trí nước tiếp xúc với thép cacbon, có sự không đồng nhất về
nồng độ các chất rắn hòa tan, nhiệt độ, lưu lượng nước…


Khi các chất đóng cáu cặn (các sản phẩm ăn mòn, màng nhầy sinh học và bùn), bám
dính không đồng đều trên bề mặt thép cacbon, một anốt cục bộ được tạo ra dưới điều kiện
đóng cáu do nồng độ oxy thấp hơn, và các khu vực xung quanh có nồng độ oxi cao hơn trở
thành các catốt cục bộ. Vì vậy, thép cacbon bị tấn công bởi sự ăn mòn cục bộ (ăn mòn dạng
lỗ) trong điều kiện bị đóng cáu.
Tại vị trí lỗ ăn mòn, nồng độ của các ion dương (Fe2+) cao hơn so với nước. Do vậy,
để giữ điện tích trung tính trong lỗ, các ion âm sẽ di chuyển từ nước đến các lỗ thông qua

lớp đóng cáu và tập trung tại đây. Trong số các ion âm, ion Cl- có tốc độ khuếch tán cao hơn
các ion khác nên dễ dàng tập trung tại lỗ. Vì FeCl2 tập trung tại lỗ tạo ra ion H+ do phản ứng
thủy phân, độ pH trong lỗ giảm và quá trình ăn mòn dạng lỗ xảy ra nhanh hơn. HÌnh 3.12
minh họa quá ăn mòn lỗ dưới vị trí đóng cáu. Đôi khi ăn mòn dạng lỗ được tìm thấy thậm chí
trong trường hợp sử dụng vật liệu chống ăn mòn như đồng, hợp kim đồng hoặc thép không
rỉ.

Tốc độ ăn mòn của thép cacbon thường nằm trong khoảng 50÷150 mg/dm2.ngày
(khoảng 0.24÷0.72 mm/năm) trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở không sử dụng
chất ức chế ăn mòn. Đồng, hợp kim đồng hoặc thép không rỉ có khả năng chống ăn mòn do
chúng bị thụ động hóa bởi oxy hòa tan và hình thành lớp oxit bám chặt trên bề mặt vật liệu.
Vì vậy, tốc độ ăn mòn trung bình thường rất thấp nhưng chúng có nguy cơ bị ăn mòn dạng
lỗ trong điều kiện có đóng cáu như đã đề cập ở trên.
(2) Cơ chế hoạt động của các chất ức chế ăn mòn:
Các chất ức chế ăn mòn sử dụng trong hệ thống nước làm mát có tính hòa tan trong
nước, tuy nhiên, chúng sẽ tạo thành các lớp màng không tan trên bề mặt kim loại. Lớp màng
này có tác dụng bảo vệ và ức chế phản ứng ăn mòn bằng cách ngăn ngừa sự Hydrate hóa
các ion kim loại hoặc sự khử oxi hòa tan trên bề mặt kim loại. Chức năng của lớp màng bảo
vệ này có quan hệ mật thiết với hiệu quả làm việc của các chất ức chế ăn mòn. Bảng 3.19
mô tả sự phân loại chất ức chế ăn mòn và đặc điểm của lớp phim bảo vệ.
Bảng 3.9. Phân loại chất ức chế ăn mòn
Loại chất ức chế ăn

Ví dụ các chất ức chế ăn

Đặc điểm của lớp màng bảo vệ


mòn

mòn

Loại màng oxit (Loại Muối crôm (Chromate)
màng thụ động hóa)
Muối nitrit (Nitrite)

Màng mỏng và mịn (30-200A0),
bám chặt vào bề mặt kim loại,
tác dụng chống ăn mòn rất tốt.

Muối molypden (Molybdate)
Các hóa chất hình thành Polyphotphat
muối không hòa tan với
Orthophotphat
ion Ca2+… trong nước
Photphonat

Lớp màng tương đối dày và có lỗ
xốp, bám dính vào bề mặt kim
loại hơi kém, bảo vệ chống ăn
mòn khá tốt.

Các muối kẽm
Các hóa chất hình thành Mercaptobenzothiazole
các muối không hòa tan
Benzotriazole
với ion kim loại được
Tolytriazone
bảo vệ

Hình thành lớp màng tương đối
mỏng và bám dính tương đối
chặt vào bề mặt kim loại, bảo vệ
chống ăn mòn khá tốt.

Loại màng hấp phụ

Hình thành lớp màng hấp phụ
hoàn hảo trên bề mặt kim loại
sạch trong dung dịch acid hoặc
khô và hình thành lớp hấp phụ
không đồng nhất trên bề mặt
không sạch trong nước mát.

Amine
Các chất hoạt động bề mặt

Các chất ức chế ăn mòn loại màng oxit (muối crôm, muối nitrit) còn được gọi là
các chất thụ động hóa. Chúng chuyển khả năng ăn mòn của thép cacbon lên mức độ cao
hơn và nhanh chóng oxy hóa các ion sắt tạo ra do phản ứng ăn mòn anốt. Kết quả là một
lớp màng oxit chủ yếu gồm γFe2O3 được hình thành trên bề mặt thép cacbon và ức chế ăn
mòn2. Trong trường hợp muối crôm, lớp màng bảo vệ chứa sản phẩm của quá trình khử
Cr2O3. Vì lớp màng bảo vệ dạng oxit có đặc điểm mỏng, mịn và bám dính tốt trên bề mặt kim
loại, do đó nó hiếm khi làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị. Hầu hết các chất ức
chế ăn mòn dạng này cho thấy tác dụng ức chế ăn mòn rất tốt.
Tuy nhiên, bất lợi của các chất ức chế ăn mòn dạng này là các chất thụ động hóa có
khuynh hướng gây ra ăn mòn cục bộ nếu chúng được sử dụng ở nồng độ thấp. Thêm vào
đó, các chất thụ động hóa cũng gây ra các vấn đề khác như muối crôm có độc tính cao cho
nên việc xả thải chúng được quy định nghiêm ngặt. Nitrit bị oxy hóa dễ dàng bởi vi khuẩn
nitrat hóa trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn hở và chuyển thành hợp chất nitrat không

có tác dụng ức chế ăn mòn.

2 Sản phẩm ăn mòn Oxit sắt ngậm nước Fe O .nH O có dạng xốp và không có tính bảo vệ. Tuy nhiên, màng
2 3
2
γFe2O3 không xốp do đó nó là tác nhân chống ăn mòn rất tốt.


Polyphotphat (các chất ức chế ăn mòn dạng màng kết tủa), trước tiên sẽ hình thành
lớp màng bảo vệ bao gồm oxit sắt và photphat sắt trên bề mặt thép cacbon3. Sau đó, chúng
kết hợp với ion Ca2+ trong nước để hình thành lớp canxi photphat trên lớp đầu tiên4. Hai lớp
màng này có vai trò khác nhau trong việc bảo vệ ngăn ngừa sự ăn mòn trên bề mặt thép
cacbon. Kết quả phân tích AES chứng minh rằng lớp màng được tạo bởi polyphotphat có hai
lớp như hình 3.13. Trong trường hợp này, lớp màng dày khoảng 60 nm. Kết quả phân tích
AES, phân tích điện hóa… chỉ ra hai lớp màng phim đóng vai trò khác nhau để chống lại sự
ăn mòn thép C.

Lớp giàu oxit sắt và photphate sắt trên thép cacbon làm tăng điện thế của thép trong
vùng thụ động hóa và ức chế sự hòa tan sắt. Lớp giàu canxi photphat phía trên ngăn ngừa
sự khử oxy bằng cách làm nhiễu loạn sự khuyếch tán oxy đến bề mặt thép cacbon. Lớp phía
trên cũng làm nhiễu loạn sự khuếch tán của các ion clorua và sunphat qua lớp màng. Kết
quả là lớp phía dưới được bảo vệ khỏi sự phá hủy của các ion này.
Khi sử dụng kết hợp polyphotphat với muối kẽm, thành phần chính của lớp phía trên là
hỗn hợp của canxi và kẽm photphat nhưng lớp phía dưới rất hiếm khi thay đổi về thành
phần.
Tác dụng ức chế ăn mòn của Polyphotphat kém trong nước mềm và nước khử khoáng
không chứa những ion kim loại hóa trị II như Ca2+ và Zn2+. Do không hình thành lớp giàu
canxi photphat nên lớp giàu oxit sắt và sắt photphat có thể không ổn định trong các loại
nước này.
Tuy nhiên, các chất ức chế ăn mòn tạo thành do polyphotphat có khuynh hướng yếu

hơn các chất thụ động hóa do lớp màng canxi photphat thường không đồng nhất và xốp so

3 Hỗn hợp vô định hình của sắt polyphotphate và orthophotphate sắt với hàm lượng polyphotphate cao hơn
orthophotphate thu được từ sự thủy phân của polyphotphate;
4 Hỗn hợp vô định hình của canxi polyphotphate và orthophotphate canxi với thành phần khác nhau tùy thuộc
vào tốc độ thủy phân của polyphotphate;


với lớp màng oxit. Khi tăng liều lượng polyphotphat để tăng khả năng ức chế ăn mòn, lớp
màng này sẽ dày lên và đôi khi gây ra vấn đề cáu cặn5.
Cơ chế ức chế ăn mòn của orthophotphat và photphonat cũng tương tự như
polyphotphat.
Việc sử dụng kết hợp photphat với polymer hòa tan trong nước có khối lượng phân
tử thấp là rất hiệu quả để tạo lớp màng canxi photphat trên bề mặt kim loại không có lỗ xốp
và để ngăn ngừa sự phát triển quá mức gây ra các vấn đề cáu cặn. Sự hấp phụ của các
polymer trên canxi photphat làm giảm tốc độ phát triển và tạo kết tủa vô định hình. Kết quả là
lớp màng canxi photphat trở nên mỏng và không có lỗ xốp. Vì các polymer hấp phụ trên bề
mặt lớp màng ngăn chặn sự tích tụ quá nhiều canxi photphat và sự sa lắng các rắn lơ lửng
trong nước làm mát, nên ngăn ngừa sự phát triển quá mức và sự nhiễm bẩn vào lớp màng.
Hình 3.14 minh họa cấu trúc của lớp màng bảo vệ tạo bởi photphat và polymer. Lớp màng
bảo vệ được hình thành theo phương pháp xử lý polymer-photphat có khả năng ức chế ăn
mòn tương đương hoặc tốt hơn lớp màng bảo vệ loại oxit được hình thành theo phương
pháp xử lý muối crôm.

Ảnh 3.1 chỉ ra kết quả phân tích X-ray (XMA) của lớp màng bảo vệ trên thép C của ống
thiết bị trao đổi nhiệt, được hình thành bởi phương pháp xử lý polyphosphate-kẽm-polymer
trong suốt một năm hoạt động.
Lớp màng bảo vệ được hình thành bởi phương pháp xử lý polyphotphat-kẽmpolymer chủ yếu bao gồm Ca, Zn và P và thành phần hóa học chính bao gồm canxi và kẽm
photphat (polyphotphat). Trong lớp màng này, sắt và sản phẩm ăn mòn được phân bố thành
từng lượng nhỏ và clorua rất khó phát hiện. Vì vậy, lớp màng bảo vệ có khả năng ức chế ăn

mòn rất tốt và ngăn ngừa các ion Cl- tích tụ trên lớp màng.
Trong trường hợp này, lớp màng bảo vệ có độ dày xấp xỉ 70 µm và rất khó để phát
hiện sự có mặt của lớp mỏng giàu sắt oxit và sắt photphat bằng phân tích XMA.
Một vài chất ức chế ăn mòn dạng màng kết tủa tạo thành các muối không tan với các
ion của kim loại cần bảo vệ. Các chất ức chế hình thành một lớp màng bảo vệ tại khu vực
anốt nơi kim loại bị hòa tan mạnh và nồng độ các ion tăng cao. Trong trường hợp này, lớp
màng bảo vệ ngừng phát triển sau khi hình thành bởi vì lớp màng ngăn ngừa sự hòa tan tiếp
theo của kim loại. Vì vậy, lớp màng không thay đổi kích thước thậm chí trong trường hợp
5 Hệ số đóng cáu phía nước của trao đổi nhiệt thường được thiết kế trong dãy 4x10-4 ÷ 6x10-4 m2.h.0C/kcal. Vì độ
dẫn nhiệt của canxi photphat xấp xỉ 0,8 kcal/m.h.0C, nên độ dày thiết kế cho phép của lớp cáu cặn trong khoảng
0,3 ÷ 0,5 mm. Vì vậy, khi độ dày lớp cáu cặn vượt quá 0,3 ÷ 0,5 mm thì vấn đề cáu cặn sẽ xảy ra.


tăng nồng độ chất ức chế ăn mòn. Chất ức chế ăn mòn điển hình ở dạng này là
benzotriazole và mercaptobenzothiazole có tác động ức chế ăn mòn rất tốt đối với đồng
và các hợp kim đồng. Loại chất ức chế ăn mòn dạng này đối với thép cacbon vẫn chưa
được phát triển.
Hầu hết các chất ức chế ăn mòn dạng màng hấp phụ (như các amin), có các nhóm
chức có thể hấp phụ trên bề mặt kim loại và các nhóm kỵ nước trong cấu trúc phân tử của
chúng. Các chất ức chế này ngăn ngừa sự ăn mòn nhờ các nhóm chức của chúng hấp phụ
trên bề mặt kim loại sạch và làm chậm sự khuyếch tán của nước và oxi hòa tan đến bề mặt
kim loại nhờ các nhóm kỵ nước. Trong nước trung tính (như nước làm mát), các chất ức chế
ăn mòn này làm việc kém hiệu quả do bề mặt thép cacbon thường không sạch, vì vậy việc
hình thành lớp màng hấp phụ hoàn thiện rất khó khăn.
Nhiều chất ức chế ăn mòn chưa được liệt kê ở đây như silicat, borat và benzoat
được sử dụng trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn kín, tuy nhiên cơ chế hoạt động của
chúng chưa được làm rõ.


3.2.2. Các loại kim loại và các dạng ăn mòn

(1) Thép cacbon:
Như đã trình bày ở trên, thép cacbon bị ăn mòn do oxy hòa tan trong nước trung tính.
Tốc độ ăn mòn cao từ 50 ÷ 150 mg/dm2.ngày (0.24 ÷ 0.72 mm/năm) khi không sử dụng chất
ức chế ăn mòn.
Khi không sử dụng chất ức chế ăn mòn, bề mặt thép cacbon được bao phủ bởi sản
phẩm ăn mòn (gỉ). Tuy nhiên, sự bám dính của sản phẩm ăn mòn là không đồng nhất và tình
trạng bề mặt thép cacbon cũng không đồng đều. Vì vậy, thép cacbon thường bị ăn mòn
không đồng đều do ăn mòn cục bộ. Nhìn chung, tốc độ thẩm thấu tối đa tại vị trí ăn mòn cục
bộ của thép cacbon lớn hơn vài lần so với tốc độ trung bình và đạt 1÷2 mm/năm.
Trong trường hợp ống hàn kháng điện, điện thế ăn mòn thấp hơn tại những vị trí hàn
so với tại thân kim loại, bởi vì cấu trúc kim loại bị thay đổi bởi nhiệt độ trong quá trình hàn và
quá trình làm lạnh nhanh sau đó.
Vị trí hàn đôi khi bị ăn mòn nhanh chóng do phần này đóng vai trò như một anốt cố
định. Tốc độ thẩm thấu tối đa ở vị trí hàn khoảng 8.4 mm/năm, lớn hơn nhiều so với tốc độ
ăn mòn của kim loại gốc. Dạng ăn mòn điển hình tại các vị trí hàn là dạng rãnh (grooving).
(Ảnh 3.4)

Trong hệ thống nước làm mát, tốc độ ăn mòn mong muốn của thép cacbon thường
dưới 10 mg/dm2.ngày (0.048 mm/năm) khi sử dụng chất ức chế ăn mòn.
Tuy nhiên, sự hình thành lớp màng bảo vệ bề mặt kim loại đôi khi cũng bị ảnh hưởng
do sự bám dính của các chất cáu cặn như xỉ hàn (mill scale), dầu và sự tích tụ của các chất
rắn lơ lửng trong nước lên bề mặt thép cacbon. Vì vậy, khả năng ăn mòn cục bộ vẫn có thể
xảy ra thậm chí khi sử dụng chất ức chế ăn mòn. Do đó, cần phải xử lý sơ bộ để loại bỏ xỉ
hàn và dầu, đồng thời sử dụng các chất phân tán để ngăn ngừa sự sa lắng các chất rắn lơ
lửng cũng như ngăn ngừa sự ăn mòn cục bộ. Tác nhân kiểm soát màng nhầy sinh học cũng
có tác dụng ngăn ngừa sự ăn mòn do tích tụ và do vi sinh.
(2) Đồng và các hợp kim đồng:


Đồng cũng bị tấn công bởi ăn mòn điện hóa, ion Cu2+ được tạo ra tại anot cục bộ:

Ion Cu2+ kết hợp với ion OH- đã sinh ra tại phản ứng ăn mòn điện cực và kết tủa
Cu(OH)2 trên bề mặt kim loại:

Cu(OH)2 bị khử trên bề mặt đồng và sản phẩm cuối cùng tạo ra là Cu2O.
Cu2O ổn định trong nước và ức chế quá trình ăn mòn Cu. Kết quả là tốc độ ăn mòn
trung bình của đồng thấp khoảng 2÷3 mg/dm2.ngày. Tuy nhiên, khi các vật liệu đóng cáu
như màng nhầy sinh học và các sản phẩm ăn mòn của thép cacbon tạo ra tại các vị trí khác
trong hệ thống, tích tụ trên bề mặt đồng, ăn mòn dạng lỗ xảy ra trong điều kiện đóng cáu với
cùng cơ chế như thép cacbon được thể hiện trong hình 3.12. Dạng ăn mòn đồng này được
gọi là ăn mòn do tích tụ và các ion Cl- thường tập trung trong các lỗ. Vì vậy, ăn mòn dạng lỗ
được che phủ bởi các sản phẩm ăn mòn như sunphat đồng có màu hơi xanh thường được
nhìn thấy trên bề mặt đồng và hợp kim đồng.
Ảnh 3.5 và 3.6 chỉ ra ăn mòn cục bộ với gỉ đồng màu xanh trên ống và điều kiện nồng
độ của ion Cl- trong lòng lỗ ăn mòn của nhôm đồng thau.

Để ngăn ngừa sự ăn mòn cục bộ, cần sử dụng chất ức chế ăn mòn cùng với các hóa
chất khác như tác nhân kiểm soát màng nhầy sinh học và chất phân tán nhằm mục đích
ngăn ngừa sự đóng cáu trên bề mặt kim loại.
(3) Thép không rỉ:
Bề mặt thép không rỉ bị bao phủ bởi lớp màng oxit có chiều dày khoảng 10÷30Ao và bị
thụ động trong nước làm mát có chứa oxy hòa tan. Kết quả là thép không rỉ có khả năng
chống ăn mòn. Tuy nhiên, nồng độ ion Cl- cao sẽ phá hủy một phần lớp màng oxit và đôi khi
gây ra ăn mòn cục bộ. Sự bám dính của các vật liệu đóng cáu trên bề mặt kim loại cũng có
thể gây ra ăn mòn cục bộ thép không rỉ do quá trình khuếch tán ôxy hòa tan và phá hủy sự
ổn định của lớp màng oxit.


Quá trình ăn mòn cục bộ thép không rỉ điển hình là dạng ăn mòn dạng lỗ (pitting) trong
điều kiện đóng cáu, ăn mòn dạng đường nứt (crevice) và ăn mòn do ứng suất (stress).

Quá trình ăn mòn do ứng suất xảy ra khi thép không rỉ có sức căng vượt quá giá trị tới
hạn khi tiếp xúc với nước có chứa các ion Cl-. Có nhiều cơ chế ăn mòn do ứng suất của
thép không rỉ, tuy nhiên cơ chế minh hoa ở hình 3.15 được xem xét là hợp lý nhất. Ứng suất
tới hạn là 10 ÷ 20 kg/mm2.

Nishido đã báo cáo mối quan hệ giữa nhiệt độ dòng lưu chất công nghệ và nồng độ ion
Cl- trong nước làm mát đến quá trình ăn mòn do ứng suất tại phía nước làm mát.
Tuy nhiên, Okubo đã trình bày mối quan hệ giữa ăn mòn do ứng suất và nồng độ ion
Cl- trong cáu cặn trên bề mặt kim loại. Dữ liệu của họ được mô tả trong hình 3.16. Những
dữ liệu này chỉ ra rằng ăn mòn do ứng suất có xu hướng dễ xảy ra ở nhiệt độ cao thậm chí
trong nước có hàm lượng Cl- thấp bởi vì bề mặt thép không rỉ bị đóng cáu nhiều hơn và
nồng độ ion Cl- trong cáu cặn cao hơn so với khi nhiệt độ thấp. Ăn mòn do ứng suất có thể
được ngăn ngừa bằng việc sử dụng các chất phân tán do tránh cho bề mặt kim loại bị đóng
cáu.


Trong khi đó, bề mặt kim loại bị bao quanh bởi lớp đóng cáu hoặc ở vị trí bên ngoài
của đường nứt có vai trò như catốt. Kết quả là ăn mòn dạng lỗ và ăn mòn dạng đường nứt
xảy ra trong điều kiện đóng cáu và bên trong đường nứt tương ứng.

3.2.3. Phân loại và tác động của chất ức chế ăn mòn
(1) Muối Photphat:
Muối Photphat được sử dụng rộng rãi làm chất ức chế ăn mòn trong hệ thống nước
làm mát tuần hoàn hở. Orthophotphat và polyphotphat (pyrophosphate, tripolyphosphate và
hexametaphosphate) thường được sử dụng.
Polyphotphat được tạo ra bởi phản ứng trùng ngưng từ một hỗn hợp axit phophoric,
orthophotphat và chất kềm (alkali) bằng cách gia nhiệt và có cấu trúc phân tử sau:

n: số nguyên
Lực liên kết với các ion kim loại, khả năng hòa tan của muối kim loại và hiệu quả ức

chế ăn mòn của các polyphotphate sẽ khác nhau phụ thuộc vào mức độ polyme hóa. Nhìn
chung, phophat có khả năng chống ăn mòn tốt nếu có mặt của các ion kim loại hóa trị II như
Ca2+.
HÌnh 3.17 chỉ ra mối quan hệ giữa khả năng ức chế ăn mòn của polyphotphat trên thép
C và độ cứng Ca trong nước. Nồng độ tới hạn của photphat cho tác dụng chống ăn mòn
giảm đi khi độ cứng Ca tăng lên.


Hình 3.18 so sánh tác dụng chống ăn mòn của phương pháp xử lý bằng polyphotphate
với phương pháp kết hợp polyphotphate-kẽm trong nước có độ cứng Ca thấp. Sự kết hợp
muối kẽm với polyphotphat cải thiện khả năng chống ăn mòn của polyphotphat trong nước
có độ cứng Ca thấp.
(2) Muối Photphonat:
Muối Photphonat được sử dụng rộng rãi làm chất ức chế ăn mòn trong hệ thống nước
làm mát tuần hoàn hở tương tự như Muối Photphat. Các photphonat thường được sử dụng
trong hệ thống nước làm mát là hydroxyethylidene diphosphonate, 2 - phosphonobutane - 1,
2, 4 - tricarboxylate, aminotrimethylene phosphonate (HEDP – PBTC – ATMP)... Các
photphonat này có nhóm photphonic trong cấu trúc của chúng:

Đặc trưng của các photphonat như lực liên kết với các ion kim loại, khả năng hòa tan
các muối kim loại và khả năng ức chế ăn mòn sẽ khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hóa học
của chúng. Nhìn chung, photphonat có khả năng ức chế ăn mòn tốt đối với thép cacbon
trong nước chứa ion Ca2+. Hình 3.19 chỉ ra mối quan hệ giữa tác dụng ưc chế ăn mòn của
photphonate và độ cứng Ca trong nước. Nồng độ tới hạn của photphonat dùng để ức chế ăn
mòn thấp khi độ cứng của canxi tăng. Khả năng ức chế ăn mòn của photphonat tăng khi sử
dụng kết hợp với các muối kẽm (Hình 3.20). Vì tốc độ thủy phân của photphonat là rất thấp
so với polyphotphat, nên photphonat thường được sử dụng trong hệ thống nước làm mát có


độ cứng canxi cao và chỉ số tuần hoàn cao. Photphonat còn được sử dụng làm chất ức chế

cáu cặn do chúng có khả năng ức chế tốt đối với sự lắng tụ Canxi Cacbonat trong nước.

(3) Các muối kim loại hóa trị II:
Các muối kim loại hóa trị II như muối kẽm và muối Nickel, có khả năng ức chế ăn mòn
đối với thép cacbon, đồng và hợp kim đồng. Tuy nhiên, độ hòa tan của chúng thường quá
nhỏ để duy trì nồng độ hiệu quả của chúng trong nước trung tính như là nước làm mát. Vì
vậy, việc chỉ sử dụng các muối kim loại hóa trị II không cho hiệu quả tốt. Hình 3.21 chỉ ra mối
quan hệ giữa tác dụng ức chế ăn mòn của muối kẽm trên thép C và pH. Muối kẽm có khả
năng ức chế ăn mòn với liều lượng 50 mgZn/lít trong nước có độ pH = 7. Tuy nhiên, hiệu
quả ức chế bị giảm đáng kể trong nước có độ pH = 8 vì muối kẽm bị kết tủa dưới dạng Kẽm
Hydroxit. Ngược lại nếu sử dụng muối kẽm kết hợp với chất ức chế cáu cặn thì khả năng ức
chế ăn mòn tốt thậm chí trong nước có độ pH = 8 do chất ức chế cáu cặn kiểm soát sự lắng
kết của muối kẽm.