Nghiên cứu công nghệ chế tạo protector nền zn dùng để chống ăn mòn các kết cấu thép và công trình vùng biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------------

BÙI BÁ XUÂN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR
NỀN Zn DÙNG ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN CÁC KẾT
CẤU THÉP VÀ CƠNG TRÌNH VÙNG BIỂN
Chun ngành: Cơng nghệ tạo hình vật liệu
Mã số chuyên ngành: 60.52.04.05

Phản biện độc lập:
Phản biện độc lập:

TS.
Phạm Đức Thắng
PGS. TS. Nguyễn Văn Tư

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

GS. TSKH. Phạm Phố
PGS. TS. Hoàng Trọng Bá
PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn
2. TS. Nguyễn Hồng Dư

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và nội dung này chưa từng được cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào trước đó.

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012
Tác giả luận án

Bùi Bá Xuân


iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự quan tâm, giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy cô và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy: PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn, TS. Nguyễn
Hồng Dư, TS Lưu Phương Minh đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ hồn thành cuốn
luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng, các thầy phản biện
đã dành thời gian đọc và đóng góp ý cho việc hoàn thiện luận án. Cảm ơn các thầy,
cô trong Bộ môn Thiết Bị và Công nghệ Vật Liệu, Khoa Cơ khí, Khoa Cơng nghệ
Vật liệu đã giúp đỡ góp ý tạo điều kiện tốt nhất cho tơi hoàn thành đề tài này. Xin
chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga, Viện Kỹ
thuật nhiệt đới và Bảo vệ môi trường, Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam đã hợp tác, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Quốc
Gia TP. Hồ Chí Minh đã tài trợ cho tơi thực hiện cơng trình nghiên cứu này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên đề
tài vẫn cịn nhiều hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự thơng cảm và góp ý của các
thầy, cơ giáo cùng tồn thể các đồng nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

NCS. Bùi Bá Xuân


iv

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................................4
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................................4
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN.................................................................................6
1.3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN.............................................................................................6
1.4. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................................................6
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC..................................................................7
1.6. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC.................................................................8
1.7. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG PROTECTOR TRONG NƯỚC...............................................9
1.8. CÁC LOẠI VẬT LIỆU PROTECTOR............................................................. 9
1.8.1 Các loại vật liệu chế tạo protector ................................................................... 9
1.8.2. Thành phần và thơng số điện hố của một số loại protector ......................... 11
1.9. PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT PROTECTOR TRÊN TÀU THỦY.................... 13
1.9.1. Tính tốn và thiết kế hệ bảo vệ bằng protector ............................................. 13
1.9.2. Sơ đồ và phương pháp lắp đặt hệ bảo vệ bằng protector............................... 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC .................. 19
2.1. CƠ SỞ VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC........................................................................19
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BẢO VỆ, CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI BẰNG PHÂN
CỰC

.................................................................................................................................20

2.2.1. Bảo vệ anot.................................................................................................. 21
2.2.2. Bảo vệ catot................................................................................................. 21
2.2.3. Sự phân cực của kim loại trong nước ........................................................... 23
2.2.3.1. Nguyên lý bảo vệ catot.............................................................................. 23
2.2.3.2. Phương pháp bảo vệ catot bằng dịng điện ngồi...................................... 26
2.2.3.3. Phương pháp bảo vệ catot bằng protector ................................................ 31
2.3. LÝ THUYẾT VỀ KẾT TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN Ở TRẠNG THÁI

BÁN LỎNG ......................................................................................................... 34
2.3.1. Trạng thái bán lỏng...................................................................................... 34


v

2.3.2. Các công nghệ chế tạo kim loại bán lỏng ..................................................... 36
2.3.3. Các phương pháp tạo hình bán lỏng ............................................................. 36
2.3.3.1. Phương pháp rheocasting ......................................................................... 37
2.3.3.2. Phương pháp thixoforming ....................................................................... 37
2.3.3.3. Phương pháp thixomoulding ..................................................................... 38
2.3.3.4. Phương pháp rheomoulding...................................................................... 38
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................... 41
3.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU ................................................ 41
3.1.1. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu ................................................................. 41

3.1.2. Thiết bị nghiên cứu ...................................................................................... 41
3.2. PHƯƠNG PHÁP NẤU LUYỆN VÀ ĐÚC PROTECTOR ............................. 41
3.3. PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG PROTECTOR TRONG
PHỊNG THÍ NGHIỆM......................................................................................... 43
3.4. PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG NGOÀI TỰ NHIÊN ............. 44
3.4.1. Mẫu thép cacbon thử nghiệm tự nhiên ........................................................ 44
3.4.2. Môi trường thử nghiệm............................................................................. 46
3.4.3. Xác định tốc độ ăn mòn ............................................................................ 49
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN......................................................... 44
4.1. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA PROTECTOR NỀN Zn CÓ
THẾ ĐIỆN CỰC ÂM NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC
NGHIỆM .............................................................................................................. 50
4.1.1. Thực nghiệm................................................................................................ 50
4.1.2. Bài toán quy hoạch thực nghiệm .................................................................. 52
4.1.3. Kiểm định phương trình hồi quy.................................................................. 52
4.1.4. Tìm điểm tối ưu của phương trình hồi quy ................................................... 54
4.2. CÁC PHẢN ỨNG HĨA LÝ CỦA Q TRÌNH KẾT TINH CĨ ĐIỀU KHIỂN
TRONG ĐÚC BÁN LỎNG.................................................................................. 54
4.2.1. Những tính chất của vật liệu bán lỏng ......................................................... 54
4.2.1.1. Hợp kim có khoảng đơng đặc đủ rộng...................................................... 54


vi

4.2.1.2. Độ nhạy của thành phần rắn đối với nhiệt độ thấp................................... 55
4.2.1.3. Khả năng hình thành một cấu trúc có hình thái hạt cầu kích thước nhỏ
thấp mịn ................................................................................................................ 55
4.2.1.4. Tính đúc dễ dàng ..................................................................................... 55
4.2.2. Q trình hình thành vật liệu bán lỏng ........................................................ 56
4.2.3. Q trình hịa tan hydro và oxy trong nấu luyện hợp kim Zn ...................... 57

4.2.3.1. Q trình hịa tan hydro vào hợp kim Zn nóng chảy.................................. 57
4.2.3.2. Q trình hịa tan oxy vào hợp kim Zn nóng chảy..................................... 58
4.2.4. Tác động của quá trình khuấy đảo cơ........................................................... 58
4.2.5. Các phương pháp khuấy đảo cơ ................................................................... 60
4.2.5.1. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy....................................... 60
4.2.5.2. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít ............................................. 61
4.2.5.3. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít và cánh khuấy ...................... 61
4.2.5.4. Q trình khuấy đảo cơ sử dụng trục khuấy điều khiển nhiệt độ ............... 62
4.3. CHẾ TẠO PROTECTOR Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HỢP KIM Zn . 64
4.3.1. Tính tốn các thơng số của q trình khuấy đảo cơ ...................................... 64
4.3.1.1. Nhiệt độ khuấy của hợp kim bán lỏng ....................................................... 64
4.3.1.2. Tốc độ khuấy............................................................................................. 66
43..1.3. Thời gian khuấy ........................................................................................ 67
4.3.1.4. Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy...................................................... 68
4.3.2. Một số dạng protector thông dụng trên thế giới............................................ 69
4.3.3. Thiết kế protector nền Zn bán lỏng .............................................................. 70
4.3.4. Chế tạo mẫu phân tích tế vi.......................................................................... 71
4.3.5. Chế tạo mẫu đo dung lượng điện hoá ........................................................... 72
4.3.6. Chế tạo mẫu protector nền Zn bán lỏng........................................................ 72
4.4. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC THƠNG SỐ ĐIỆN HOÁ, TỔ CHỨC TẾ
VI PROTECTOR NỀN Zn BÁN LỎNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM........... 73
4.4.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học.......................................................... 73


vii

4.4.2. Kết quả phân tích thế điện cực của các mẫu protector Zn kết tinh có điều
khiển ..................................................................................................................... 74
4.4.3. Kết quả đo dung lượng điện hoá và điện thế điện cực của protector nền Zn
kết tinh có điều khiển ............................................................................................ 76

4.4.4. Kết quả phân tích cấu trúc tế vi protector nền Zn ......................................... 76
4.4.4.1. Ảnh kim tương........................................................................................... 76
4.4.4.2. Ảnh bề mặt SEM ....................................................................................... 77
4.5. ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM PROTECTOR NỀN Zn KẾT TINH CÓ ĐIỀU
KHIỂN TRONG THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN....................................................... 78
4.5.1. Thử nghiệm thép CT51 trong môi trường nước biển .................................... 79
4.5.1.1. Tốc ăn mịn của thép CT51 khơng được bảo vệ trong nước biển....................... 79
4.5.1.2. Tốc độ ăn mòn của thép CT51 được bảo vệ bằng protecctor Zn thông thường
trong nước biển ...................................................................................................... 81
4.5.1.3. Tốc độ ăn mòn của thép CT51 được bảo vệ bằng protector Zn chế tạo bằng
phương pháp bán lỏng trong nước biển ..................................................................... 82
4.5.1.4. So sánh tốc độ ăn mòn của thép CT51 ở 3 chế độ trong nước biển.................. 83
4.5.2. Thử nghiệm thép CT51 trong môi trường đất ven biển Nha Trang ............... 85
4.5.2.1. Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất ven biển............................................ 85
4.5.2.2. Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn thông thường 86
4.5.2.3. Tốc độ ăn mòn của thép CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn bán lỏng ...... 88
4.5.2.4. So sánh tốc độ ăn mòn của thép CT51 ở 3 chế độ trong môi trường đất ven biển. 89
4.5.3. Sản phẩm ăn mịn của protector Zn bán lỏng trong các mơi trường thử
nghiệm tự nhiên..................................................................................................... 91
4.5.3.1. Thành phần và hình thái học bề mặt của sản phẩm ăn mịn thử nghiệm
trong mơi trường đất ............................................................................................. 91
4.5.3.2. Thành phần và hình thái học bề mặt của sản phẩm ăn mịn thử nghiệm
trong mơi trường nước biển ................................................................................... 93


viii

4.6. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn KẾT
TINH CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ HIỆU QỦA KINH TẾ
KỸ THUẬT .......................................................................................................... 94

4.6.1. Quy trình cơng nghệ .................................................................................... 94
4.6.2. Bước đầu đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật................................................ 96
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................... 97
5.1. NỘI DUNG KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ....................... 97
5.2. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................... 99
5.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN .....................................................100
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ
TÀI ......................................................................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................102
PHỤ LỤC........................................................................................................... 106
PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MỊN CỦA
THÉP CT51 TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN ...........................................107
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA
THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn THÔNG THƯỜNG
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN................................................................109
PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA
THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn BÁN LỎNG TRONG
MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN ..............................................................................111
PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA
THÉP CT51 TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN......................................113
PHỤ LỤC 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA
THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn THÔNG THƯỜNG
TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN ..........................................................115
PHỤ LỤC 6: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TỐC ĐỘ ĂN MÒN CỦA
THÉP CT51 ĐƯỢC BẢO VỆ BẰNG PROTECTOR Zn BÁN LỎNG TRONG
MÔI TRƯỜNG ĐẤT VEN BIỂN ........................................................................117


ix

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1. Một số vật liệu làm protector thông dụng .............................................. 10
Bảng 1.2. Thành phần một số loại protector........................................................... 11
Bảng 1.3. Đặc điểm của một số loại protector........................................................ 12
Bảng 1.4. Những thơng số điện hố của protector.................................................. 12
Bảng 1.5. Mật độ dòng điện bảo vệ của protector cho thép có sơn trong nước biển 15
Bảng 1.6. Kích thước chuẩn và đặc tính nhóm protector của Nga dùng để bảo vệ
phần dưới nước của tàu thép.................................................................................. 16
Bảng 2.1. Vật liệu anot được áp dòng điện cao.......................................................................28
Bảng 2.2. Điện thế bảo vệ catot ............................................................................. 28
Bảng 2.3. Mật độ dòng điện để bảo vệ thép ........................................................... 29
Bảng 2.4. Dãy Ganvanic của một số kim loại trong nước biển............................... 31
Bảng 2.5. Tính chất các protector .......................................................................... 33
Bảng 2.6. Giá trị trung bình của điện thế tĩnh của kim loại trong nước biển.......... 33
Bảng 3.1. Điện trở suất của một số môi trường...................................................... 46
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của nước biển........................................................ 46
Bảng 3.3. Hàm lượng các ion đa lượng hòa tan trong nước biển ............................ 47
Bảng 3.4. Phân loại nước theo độ mặn................................................................... 47
Bảng 3.5. Thông số môi truờng nước biển tại Vịnh Nha Trang.............................. 48
Bảng 4.1. Thành phần hóa học và điện thế điện cực hợp kim Zn .......................... 50
Bảng 4.2. Khả năng hoà tan H2 (cm 3/100g) khi áp suất 105 Pa trong các kim loại.. 57
Bảng 4.3. Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp EDX)....................... 73
Bảng 4.4. Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp quang phổ)............... 74
Bảng 4.5. Dung lượng và điện thế của protector Zn kết tinh có điều khiển ........... 76
Bảng 4.6. Bảng tổng tốc độ ăn mịn trung bình CT51 sau 5 đợt thu mẫu................ 80
Bảng 4.7. Tổng hợp tốc độ ăn mòn trung bình CT51 bảo vệ bằng protector Zn
thơng thường ......................................................................................................... 82
Bảng 4.8. Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 bảo vệ bằng protector Zn bán lỏng ........ 83

x

Bảng 4.9. Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 thử nghiệm trong nước biển .................. 84
Bảng 4.10. Bảng tổng hợp tốc độ ăn mịn trung bình thép CT51 khơng bảo vệ
trong đất ................................................................................................................ 86
Bảng 4.11. Tổng hợp tốc độ ăn mịn CT51 bảo vệ protector Zn thơng thường
trong mơi trường đất.............................................................................................. 87
Bảng 4.12. Tổng hợp tốc độ ăn mòn CT51 trong đất bảo vệ bằng protector Zn đúc
bán lỏng................................................................................................................. 89
Bảng 4.13. So sánh tốc độ ăn mịn CT51 trong mơi trường đất ............................. 90
Bảng 4.14. Tốc độ ăn mòn thép CT51 (g/m2/ngày đêm) ....................................... 90
Bảng 4.15. Mức độ bảo vệ thép CT51 của các loại protector Zn (%) ..................... 91
Bảng 4.15. Thành phần sản phẩm ăn mòn tạo thành trên bề mặt protector Zn sau
5 tháng thử nghiệm................................................................................................ 91


xi

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ phân bố prorector phần thân tàu dưới nước ................................. 16
Hình 1.2. Số lượng các protector ở một mạn tàu ................................................... 17
Hình 1.3. Các cụm chi tiết chuẩn cho việc kẹp giữ các thiết bị bảo vệ ................ 18
Hình 2.1. Giản đồ E-pH của Fe................................................................................................20
Hình 2.2. Đường cong phân cực khi có bảo vệ catot .............................................. 22
Hình 2.3. Hiệu ứng anot và catot hóa trên bề mặt kim loại..................................... 24
Hình 2.4. Động học phản ứng anot và catot ........................................................... 25
Hình 2.5. Kiểm sốt q trình khử oxy .................................................................. 26
Hình 2.6. Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dịng điện ngồi............................. 27

Hình 2.7. Bảo vệ catot bằng dịng điện ngồi đường ống chơn trong đất................ 30
Hình 2.8. Sơ đồ bảo vệ bằng protector trong nước................................................. 32
Hình 2.9. Sơ đồ bảo vệ bằng protector trong đất .................................................... 32
Hình 2.10. Bảo vệ catot bằng protector cho đường ống......................................... 34
Hình 2.11. Minh họa về mặt nhiệt độ của trạng thái rắn lỏng và nửa rắn............... 35
Hình 2.12. Thành phần rắn lỏng trong kim loại ở trạng thái mushy/semisolid....... 35
Hình 2.13. Minh họa 2 phương thức Rheo và Thixo trong cơng nghệ xử lý bán
lỏng ....................................................................................................................... 36
Hình 2.14. Minh họa các phương pháp của thixoforming ..................................... 38
Hình 2.15. Phương pháp thixomoulding ............................................................... 39
Hình 2.16. Máy Rheomoulding trục vít kép (TSRM)............................................ 39
Hình 3.1. Thiết bị đúc protector Zn bán lỏng ........................................................ 43
Hình 4.1. Nguyên lý tạo hạt hình cầu khi khuấy vật liệu ở trạng thái bán lỏng...... 56
Hình 4.2. Mơ tả ngun lý khuấy đảo cơ .............................................................. 59
Hình 4.3. Cơ chế bẻ gãy cấu trúc nhánh cây để tạo ra cấu trúc tế vi dạng hạt........ 59
Hình 4.4. Mơ tả q trình khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy................................ 60
Hình 4.5. Các dịng chảy tạo ra bởi các biên dạng cánh khác nhau ....................... 61
Hình 4.6. Mơ tả q trình khuấy đảo cơ sử dụng 3 trục vít ................................... 61


xii

Hình 4.7. Khuấy đảo cơ sử dụng trục vít kết hợp cánh khuấy dạng mỏ neo .......... 62
Hình 4.8. Thiết bị khuấy đảo cơ............................................................................ 63
Hình 4.9. Giản đồ trạng thái của hợp kim Zn-Al (ASM handbook, vol 3) .......... 65
Hình 4.10. Kích thước nồi khuấy, cánh khuấy và bố trí cánh khuấy...................... 68
Hình 4.11. Hình dạng một số loại protector thơng dụng........................................ 70
Hình 4.12. Thiết kế protector Zn bán lỏng ............................................................ 70
Hình 4.13. Mẫu đúc hợp kim Zn soi kim tương .................................................... 72
Hình 4.14. Mẫu đúc hợp kim Zn đo dung lượng điện hố ..................................... 72

Hình 4.15. Mẫu protector hợp kim Zn bán lỏng .................................................... 73
Hình 4.16. Phân tích thành phần protector Zn bằng phương pháp EDX ................ 74
Hình 4.17. Đồ thị EIS........................................................................................... 75
Hình 4.18. Đồ thị Rp-Ec....................................................................................... 75
Hình 4.19. Đồ thị Tafel......................................................................................... 75
Hình 4.20. Cấu trúc tế vi mẫu protector Zn........................................................... 76
Hình 4.21. Ảnh tế vi của mẫu protector Zn ........................................................... 77
Hình 4.22. Đặt mẫu thử nghiệm ăn mịn thép CT51 trong nước biển .................. 79
Hình 4.23. Thu mẫu thử nghiệm ăn mịn thép CT51 trong nước biển.................... 80
Hình 4.24. Bề mặt mẫu CT51 sau khi làm sạch mẫu ........................................... 80
Hình 4.25. Thử nghiệm bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn trong nước biển .... 81
Hình 4.26. Thu mẫu bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn trong nước biển ......... 81
Hình 4.27. Bảo vệ thép CT51 bằng protector Zn bán lỏng trong nước biển ......... 82
Hình 4.28. Thu mẫu bảo vệ CT51 bằng protector Zn bán lỏng trong nước biển .... 83
Hình 4.29. Đồ thị so sánh tốc độ ăn mịn CT51 trong nước biển ............................ 84
Hình 4.30. Đặt mẫu thử nghiệm tốc độ ăn mòn của thép trong mơi trường đất....................85
Hình 4.31. Thu mẫu CT51 thử nghiệm tốc độ ăn mịn thép trong mơi trường đất... 85
Hình 4.32. Thử nghiệm ăn mịn thép bảo vệ protector thơng thường trong đất....... 86
Hình 4.33. Thử nghiệm bảo vệ CT51 trong đất bằng protector Zn thơng thường . 87
Hình 4.34. Thử nghiệm bảo vệ thép CT51 trong đất bằng protector Zn bán lỏng . 88
Hình 4.35. Bề mặt thép CT51 trong đất sau khi thử nghiệm protector bán lỏng ..... 88


xiii

Hình 4.36. Đồ thị so sánh tốc độ ăn mịn thép CT51 trong mơi trường đất ........... 90
Hình 4.37. Giản đồ nhiễu xạ tia X sản phẩm ăn mòn protector Zn trong đất ........ 92
Hình 4.38. Giản đồ nhiễu xạ tia X sản phẩm ăn mòn protector trong nước biển ... 93
Hình 4.39. Quy trình cơng nghệ chế tạo protector nền Zn đúc bán lỏng
có điều khiển kết tinh ........................................................................................... 95

1

MỞ ĐẦU
Bảo vệ chống ăn mòn kim loại là vấn đề rất quan trọng cần phải giải quyết
trong thực tiễn, vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng các cơng nghệ bảo vệ vật liệu
có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn. Đặc biệt nước ta có khí hậu nhiệt đới, gió mùa,
độ ẩm cao, có bờ biển dài, nhiều đảo, nên việc bảo vệ nâng cao độ bền, chống ăn
mịn cho các cơng trình, thiết bị, máy móc có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Ngồi
phương pháp sơn phủ, thụ động hóa và xử lý bề mặt [1] để chống ăn mịn cho các
cơng trình thép trong đất, trong nước thì bảo vệ catot là phương pháp khơng thể
thiếu được và rất có hiệu quả đối với các cơng trình như giàn khoan, tàu thủy, cầu
cảng, các đường ống dẫn, đèn biển,…
Phương pháp bảo vệ catot bằng protector hiện được dùng rất rộng rãi để bảo
vệ các cơng trình thép trong mơi trường đất, mơi trường nước. Ưu điểm chính của
phương pháp này là khơng địi hỏi phải có nguồn điện bên ngồi và khơng phải
thường xun theo dõi như đối với phương pháp bảo vệ catot bằng dịng ngồi.
Hiện nay, hầu hết protector ở nước ta đều phải nhập ngoại, một vài cơ sở
nghiên cứu có chế tạo thử protector từ các hợp kim theo phương pháp đúc thông
thường. Nhược điểm của phương pháp này là sự không đồng đều về tổ chức và
thành phần hợp kim, hạt tinh thể hình nhánh cây thường thơ, to, ảnh hưởng nhiều
đến chất lượng protector như dung lượng điện hóa, độ bền cơ học.
Protector thường được chế tạo từ hợp kim nhôm, hợp kim kẽm hoặc hợp kim
magie. Trong đó, protector hợp kim nhơm có dung lượng lớn và có giá thành đối
với 1Ah là rẻ nhất, nên thường được dùng để bảo vệ cho các cơng trình, nhất là đối
với các cơng trình trong biển lâu năm như giàn khoan, đường ống dẫn, … Theo tác
giả [2], protector hợp kim magie tuy có dung lượng thấp, giá thành cao nhưng lại có
điện thế âm lớn nên thường được dùng để bảo vệ các cơng trình trong mơi trường
có điện trở cao như trong nước ngọt, trong đất đồi núi. Protector hợp kim Zn được

dùng trong những môi trường điện ly mạnh và trung bình mà chúng có thể hòa tan
và hoạt động tốt trong nước biển và trong đất. Trong nước biển với điện trở riêng
khoảng 0,2  0,7 m thì chủ yếu dùng protector Zn, trong đất việc dùng protector


2

Zn là phổ biến. Tuy nhiên nếu dùng protector Zn để bảo vệ trong nước ngọt ở nhiệt
độ lớn hơn 600 C thì hiệu quả bảo vệ sẽ thấp vì trên bề mặt kẽm hình thành lớp
màng thụ động hóa [3].
Đề tài chọn nghiên cứu protector nền Zn bởi vì loại protector này chưa được
quan tâm nghiên cứu nhiều so với các loại protector khác. Trong khi đó, phạm vi
ứng dụng để bảo vệ bằng protector nền Zn lại tương đối rộng như trong đất, trong
nước biển, nước ngọt và nước lợ. Đối với nước ta, nơi có hơn 3260 km bờ biển,
nhiều hải đảo, nhà giàn, lại có nhiều sơng ngịi, nhất là đồng bằng sơng Cửu long
với hệ thống kênh ngịi chằng chịt và giao thơng đường thủy rất phát triển, việc
nghiên cứu loại protector nền Zn có thể làm việc trong các môi trường khác nhau để
bảo vệ chống ăn mịn cho các cơng trình, kết cấu thép là rất quan trọng. Protector
nền Zn được ứng dụng bảo vệ các cơng trình bê tơng cốt thép tiếp xúc với nước như
cầu cảng, các cơng trình qn sự và dân sự ngoài biển đảo, bảo vệ vỏ tàu thủy, xà
lan, các bồn chứa bằng thép và đường ống dẫn dầu, khí dưới nước hoặc vùng bùn
lầy. Đặc biệt người ta chỉ dùng protector Zn để bảo vệ cho các khoang chứa dầu của
tàu biển vì vấn đề an tồn, do protector Zn khơng gây tia lửa điện trong quá trình
bảo vệ.
Trên thế giới cũng như trong nước hiện nay, phương pháp chế tạo protector
nền Zn chủ yếu bằng phương pháp đúc nóng chảy thơng thường theo [3]. Trong
thành phần hợp kim của protector Zn chế tạo bằng phương pháp đúc nóng chảy có
một số thành phần kim loại có tác dụng chống sự thụ động hóa của protector, nhưng
lại dễ tạo ra thiên tích khi đúc. Kẽm có mạng tinh thể kiểu lục giác nên dịn và khó
biến dạng, vì vậy sau khi đúc, khơng thể dùng biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt và

đồng đều thành phần hợp kim. Ngồi ra, do hình dạng và kết cấu của protector phức
tạp nên cũng khó khăn cho q trình gia cơng biến dạng. Q trình này chỉ có thể
phải giải quyết ngay trong khi kết tinh. Việc nghiên cứu công nghệ đúc tạo ra hạt
nhỏ mịn và đồng đều có thể thực hiện được bằng việc kết tinh có điều khiển, chẳng
hạn như cơng nghệ đúc kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng, một công nghệ
mới được nghiên cứu gần đây [4].


3

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu công nghệ đúc kết tinh có điều khiển
hợp kim kẽm, kết tinh có điều khiển để tạo ra tổ chức nhỏ mịn, ít thiên tích và tạo ra
protector có hình dáng phức tạp cho trước. Trên cơ sở đó, so sánh và thử nghiệm
trong thực tế khả năng bảo vệ của các protector này với các protector tương tự đã
biết tại vùng khí hậu nhiệt đới biển đặc trưng chung cho Việt Nam là Nha Trang. Sự
thành công của đề tài sẽ đóng góp có hiệu quả cho sự nghiệp xây dựng và bảo vệ tổ
quốc, phát huy tiềm năng kinh tế biển của Việt Nam.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Vấn đề chống ăn mòn cho các cơng trình, kết cấu thép, đặc biệt là đối với các
cơng trình vùng biển đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm từ rất lâu.
Nhiều giải pháp kỹ thuật đã từng được đề xuất thử nghiệm và áp dụng, trong đó

đáng chú ý là phương pháp bảo vệ catot. Thời gian gần đây trong khi giải quyết vấn
đề chống ăn mịn cơng trình, kết cấu thép vùng biển, phương pháp bảo vệ catot càng
được quan tâm như là một trong những giải pháp hữu hiệu và khả thi.
Hệ thống bảo vệ catot là hệ thống thiết bị, vật tư được lắp đặt và sử dụng cho
từng kết cấu và môi trường cụ thể với chức năng tạo nên sự phân cực catot cho cơng
trình, kết cấu thép ở mức độ phù hợp với nhiệm vụ chống ăn mịn, tăng tuổi thọ của
kết cấu cơng trình. Bảo vệ catot được sử dụng rộng rãi để chống ăn mòn đường ống,
bồn bể ngầm, các kết cấu thép ở biển, cầu cảng, cốt thép bê tông, tầu thủy, hệ thống
cáp ngầm, vv.... Đối với các kết cấu bê tơng cốt thép ngầm ở mơi trường có độ xâm
thực cao, đã bị ăn mòn, xuất hiện nhiều vết nứt hoặc các lớp sơn phủ khơng cịn tác
dụng thì bảo vệ catot là giải pháp kỹ thuật khả thi và thích hợp để duy trì và tăng
tuổi thọ của cơng trình.
Hiệu quả của bảo vệ catot thể hiện ở chỗ: trong các điều kiện tự nhiên nó làm
giảm tốc độ ăn mòn kim loại nhiều lần. Mức độ bảo vệ thực tế đạt 70-90%. Dự trữ
tuổi thọ của cơng trình vì thế cũng được tăng lên tương ứng (3-5 lần). Bảo vệ catot
mang tính chọn lọc: dịng bảo vệ tác động tập trung nhất tại những khu vực mà
nguy cơ phá hủy cục bộ là lớn nhất (khu vực suy yếu, nứt, rỗ hoặc nơi môi trường
xâm thực mạnh, độ dẫn điện cao,…). Bảo vệ catot tác động liên tục và có tính lâu
dài. Khi triển khai bảo vệ catot người ta khơng cần phải xử lý tồn bộ bề mặt của
kết cấu, vì vậy khơng làm ảnh hưởng tới các hoạt động cơng nghệ của cơng trình
hiện hữu. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp này đã được kiểm nghiệm bởi
thực tế nhiều năm sử dụng các hệ thống bảo vệ catot cho hàng loạt công trình: tàu


5

biển, đường ống dẫn dầu, khí, cầu, cầu cảng, vv... ở nhiều khu vực khác nhau trên
thế giới.
Hệ thống bảo vệ catot có thể được sử dụng một cách độc lập hoặc kết hợp
với việc bảo vệ bằng sơn phủ, ức chế ăn mòn hay các loại vật liệu bảo vệ khác.

Chống ăn mòn bằng phân cực catot về nguyên tắc có thể thực hiện theo hai
cách: bảo vệ bằng dịng điện ngồi (dịng điện cưỡng bức) [5] và bảo vệ bằng anot
hy sinh (còn gọi là bảo vệ bằng protector) [6]. Khi lựa chọn, thiết kế và triển khai hệ
thống bảo vệ catot người ta xuất phát từ những đặc điểm cụ thể của kết cấu cần bảo
vệ và mơi trường ăn mịn cũng như các điều kiện kinh tế – kỹ thuật khác. Thông
thường, phương pháp bảo vệ bằng protector được sử dụng cho những kết cấu thép ở
mơi trường ăn mịn trung tính, có độ dẫn điện cao và ít thay đổi, ở những nơi khơng
có điện hoặc việc cung cấp điện năng rất tốn kém.
Hiệu quả và khả năng ứng dụng của bảo vệ catot bằng protector là rất lớn.
Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector mới
chỉ tập trung vào nghiên cứu thành phần và và vật liệu chế tạo protector. Hiện có rất
ít cơng trình nghiên cứu về công nghệ chế tạo protector để nâng cao hiệu quả bảo vệ
của nó trong ứng dụng thực tế.
Phương pháp chế tạo protector truyền thống, là phương pháp đúc nóng chảy
hồn tồn. Chưa có cơng trình nghiên cứu nào áp dụng biện pháp cơng nghệ kết tinh
có điều khiển trong quá trình chế tạo protector. Với hiệu ứng tạo ra sản phẩm hợp
kim có tổ chức hạt nhỏ, mịn, đồng đều, phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết
tinh là giải pháp công nghệ phù hợp để cải thiện đặc tính điện hóa của protector. Vì
vậy, đề tài đã chọn vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo protector bằng phương
pháp kết tinh có điều khiển, đúc ở trạng thái bán lỏng đối với một đối tượng cụ thể
là protector Zn, từ đó tiến hành phân tích, kiểm tra trong phịng thí nghiệm và thử
nghiệm tự nhiên để đánh giá chất lượng của sản phẩm protector Zn chế tạo bằng
cơng nghệ mới.
Xét từ góc độ kỹ thuật, một phương pháp công nghệ trước khi áp dụng phải
được nghiên cứu tổng thể các yếu tố kỹ thuật đảm bảo và qua thử nghiệm thực tế.


6

Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo, thử nghiệm protector nền Zn bằng cơng nghệ đúc

bán lỏng có điều khiển kết tinh là một nội dung mới, cần nghiên cứu, thử nghiệm để
hồn thiện cơng nghệ và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector.
1.2.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Hiện nay việc ứng dụng protector để chống ăn mòn rất phổ biến, hàng năm
tiêu tốn một lượng kim loại màu rất lớn. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu
để nâng cao chất lượng của protector, nhằm bảo vệ có hiệu quả và liên tục, tiết kiệm
vật liệu protector. Việc nghiên cứu cơng nghệ kết tinh có điều khiển để chế tạo
protector Zn nói riêng và protector nói chung nhằm nâng cao dung lượng, chống thụ
động hóa và nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector là rất cần thiết.
1.3.

MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo protector nền Zn bằng phương
pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh nhằm nâng cao các tính chất điện hóa cần
thiết, nâng cao hiệu quả bảo vệ và đảm bảo tính liên tục, ổn định trong suốt quá
trình làm việc của protector nền Zn.
1.4.
-

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

Nghiên cứu phương pháp, công nghệ chế tạo mới, đó là cơng nghệ đúc bán
lỏng có điều khiển kết tinh.

-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các điều kiện của công nghệ đúc bán lỏng.

-

Nghiên cứu xác định hợp kim nền kẽm Zn-Al-Sb để chế tạo protector có giá
trị điện thế điện cực âm nhất bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

-

Nghiên cứu phân tích các phản ứng hóa lý của q trình kết tinh trong điều
kiện đúc bán lỏng có điều khiển.

-

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo protector nền Zn bằng phương pháp đúc bán
lỏng có điều khiển quá trình kết tinh và ảnh hưởng của các thơng số chính
đến chất lượng vật đúc.

-

Khảo sát, phân tích các chỉ tiêu điện hóa, tổ chức tế vi của protector nền Zn
trong phịng thí nghiệm.


7

-

Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm protector nền Zn chế tạo theo phương
pháp mới và xác định hiệu quả bảo vệ, các tính chất điện hóa của chúng

trong mơi trường nước biển và đất ven biển.

-

Đề ra quy trình cơng nghệ chế tạo protector nền Zn và bước đầu xác định
hiệu quả kinh tế kỹ thuật của sản phẩm.
1.5.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

Trên thế giới, các nghiên cứu về protector Zn chủ yếu tập trung vào việc tối
ưu hóa thành phần hợp kim và hình dạng, kích thước của protector, nhằm cải thiện
đặc tính điện hóa và các tính chất sử dụng khác của chúng. Trong đó, việc đáp ứng
yêu cầu khắt khe về bảo vệ môi trường ngày càng được quan tâm. Nhiều thành phần
hợp kim đã được đề xuất để thay thế việc sử dụng phụ gia Cd độc hại (Cd đưa vào
hợp kim để hạn chế thụ động hóa protector Zn), để hạn chế tác động xấu đến mơi
trường trong q trình sử dụng protector.
Ứng dụng thực tiễn về bảo vệ catot được Humphrey Davy báo cáo lần đầu tiên
vào năm 1824. Trong quá trình kiểm tra sự ăn mòn của bản Cu được sử dụng cho
lớp sơn phủ thân tàu hải quân, Davy nhận thấy rằng có thể bảo quản đồng trong
nước biển bằng cách cho thêm vào một lượng nhỏ Fe, Zn và Sn.
Sự phát triển nhanh chóng của phương pháp bảo vệ catot được hình thành ở
Mỹ vào 1945, phương pháp này được ứng dụng để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh
mẽ của ngành cơng nghiệp dầu hỏa và khí đốt tự nhiên. Nó tạo điều kiện thuận lợi
cho việc sử dụng hệ thống đường ống thép mỏng chơn dưới lịng đất. Đầu những
năm 1950, ở Anh, nơi có các hệ thống đường ống bằng gang dày với áp suất thấp
được sử dụng rộng rãi, bảo vệ catot ở qui mô nhỏ đã được áp dụng để chống ăn mòn
cho hệ thống đường ống gang. Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2, bảo vệ catot đã
được ứng dụng rất thành công để bảo vệ cho khoảng 1000 dặm hệ thống đường ống
nhiên liệu [8]. Thời gian gần đây việc áp dụng phương pháp bảo vệ catot đã tăng lên

đáng kể do những hiệu quả mà nó mang lại. Hiện nay phương pháp bảo vệ catot
được sử dụng rộng rãi với các trạng thái khác nhau như nhúng trong nước hoặc
chôn trong đất và bảo vệ cơ sở hạ tầng như cấu trúc bê tơng để kiểm sốt ăn mịn.


8

Cơng ty Cathodic Protection của Anh có lịch sử nghiên cứu và sản suất
protector từ gần 50 năm nay đã có nhiều nghiên cứu về thành phần hợp kim, chế độ
công nghệ của protector. Đã ứng dụng các dạng đúc áp lực, đặc biệt đã chế tạo các
protector dạng kim loại bột. Công ty Cathodic Protection Technology của Singapo
và công ty Southern Cathodic Protection của Mỹ chuyên nghiên cứu protector
chống ăn mịn cho tàu biển, có nhiều sản phẩm, trong đó nổi bật là protector chế tạo
bằng cơng nghệ đúc khn cát làm nguội nhanh [8].
Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu ở các nước nhằm nâng cao hiệu quả
bảo vệ, cải thiện chỉ tiêu điện hóa của protector. Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu đó
đều tập trung vào giải quyết bài toán về thành phần hợp kim của các loại protector
hoặc công nghệ đúc kết hợp làm nguội nhanh, hiện chưa thấy nghiên cứu nào đề cập
đến phương pháp đúc bán lỏng.
1.6.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Trong nước, công nghệ bảo vệ catot cho các kết cấu thép được sử dụng chưa
lâu. Những nghiên cứu về bảo vệ catot cho kết cấu thép được tiến hành tại Đại học
bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Liên doanh Dầu khí Việt
Xơ, Viện KHCN Giao thông vận tải, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Khoa học
và Công nghệ Quân sự, Trung tâm nhiệt đới Việt Nga, vv.. Một số kết cấu thép của
các cơng trình dầu khí, cầu cảng, đường ống, bồn bể, đã được áp dụng công nghệ
bảo vệ catot và cho những kết quả tốt. Các nghiên cứu về protector chỉ được thực

hiện đối với các sản phẩm chế tạo theo phương pháp đúc truyền thống.
Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga đã triển khai nghiên cứu và ứng dụng bảo vệ
catot trong nhiều năm. Những kết quả chính của Trung tâm trong lĩnh vực này là:
chế tạo và sử dụng anot bán trơ trong môi trường nước nhiễm mặn, đã thiết kế, triển
khai lắp đặt, vận hành và bảo trì nhiều hệ thống bảo vệ catot cho các kết cấu thép tại
các tỉnh phía nam.
Ở Việt Nam trước đây phần lớn protector phải nhập ngoại. Đề tài cấp Nhà
nước KC-05-12 thuộc Chương trình “Vật liệu mới” do GS.TS Phan Lương Cầm,
Trung tâm Nghiên cứu Ăn mòn và Bảo vệ kim loại, trường Đại học Bách khoa Hà


9

Nội chủ trì đã nghiên cứu thành cơng vật liệu protector nhơm có chất lượng cao [3].
Sản phẩm protector nhơm và protector kẽm này đã được chế tạo và thử nghiệm theo
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5742-1993 và TCVN 6024-1995 [7]. Kết quả thử
nghiệm đánh giá ở Phòng Ăn mòn - Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro cho thấy 2
loại vật liệu protector nhơm và kẽm đều có tính chất điện hóa tốt [9].
Những nghiên cứu của Việt Nam cũng như trên thế giới chưa đề cập đến
phương pháp chế tạo protector Zn bằng cơng nghệ kết tinh có điều khiển. Vì vậy,
việc nghiên cứu phương pháp, cơng nghệ mới, như cơng nghệ kết tinh có điều khiển
trong chế tạo protector là hướng đi mới và phù hợp để ngày càng hồn thiện và
nâng cao hiệu quả bảo vệ của protector.
1.7.

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG PROTECTOR TRONG NƯỚC

Do những lợi ích kinh tế mà protector mang lại, việc sử dụng protector trong
việc bảo vệ chống ăn mịn các máy móc, thiết bị và kết cấu thép trong nước ta hiện
rất phổ biến. Các loại tàu thuyền, xà lan, tàu hải quân… có vỏ bằng thép hiện đều sử

dụng protector. Các giàn khoan, đường ống dẫn dầu khí trên biển, trong lịng đất
cũng đều được thiết kế sử dụng protector để chống ăn mòn. Lượng protector Zn, Al,
Mg sử dụng tại Việt Nam hàng năm lên tới hàng trăm tấn.
1.8.

CÁC LOẠI VẬT LIỆU PROTECTOR
1.8.1. Các loại vật liệu chế tạo protector

Vật liệu protector điển hình dùng để bảo vệ các cơng trình bằng thép là magie
(Mg), kẽm (Zn), nhôm (Al) và các hợp kim của chúng.
Kẽm: Các hợp kim kẽm được sử dụng rộng rãi làm thiết bị bảo vệ trong điều
kiện biển. Do cường độ ăn mòn kẽm trong nước biển thấp, hiệu quả anot cao của
những hợp kim này được duy trì trong tồn bộ phạm vi mật độ dịng điện. Sắt, tạp
chất có hại nhất trong protector khơng được vượt quá 0,0014-0,005% tùy theo thành
phần hợp kim. Để trung hòa ảnh hưởng tác động của sắt người ta cho vào hợp kim
một ít nhơm và silic.
Nhơm: Nhơm ngun chất ln có một lớp ơxit bền vững trên bề mặt. Màng
oxit này sẽ ngăn cản q trình phân cực, hịa tan của nhơm, vì vậy người ta cho


10

thêm vào inđi hoặc thủy ngân. Để giảm điện thế người ta cho thêm kẽm và thiếc vào
hợp kim.
Magie: Trong số các vật liệu protector thì magie có điện thế âm hơn cả, vì
vậy tốt nhất là sử dụng nó trong các mơi trường có điện trở riêng cao như trong đất,
trong đất nó có khả năng cung cấp cường độ dịng điện lớn khi khối lượng khơng
lớn. Trong mơi trường đất, nước ngọt magie thường được sử dụng nhiều hơn.
Bảng 1.1 nêu các đặc trưng điện hoá và lĩnh vực ứng dụng của một số vật
liệu phổ biến dùng làm protector [2].

Bảng 1.1. Một số vật liệu làm protector thông dụng
Hợp kim

E (V)

Q

Hiệu

protector

(Ag/AgCl)

(A.h/kg)

suất

Đối tượng bảo vệ của protector

(%)
Mg và hợp
kim Mg

-1,4 đến –

1100

1,6

1230

50

Dùng ở môi trường đất, nước ngọt và
nước lợ có điện trở riêng nhỏ hơn
10.000 .cm, thời gian bảo vệ
khoảng 2 năm

Zn

-1 đến

780

–1,055

815

95

Bảo vệ vỏ tàu biển, xà lan bằng thép
trong mơi trường có điện trở riêng
đến 500 .cm

Hợp kim

-1 đến

925

Al-Zn-Sn

–1,050

2500

85

Bảo vệ cầu cảng ven biển, môi
trường có điện trở riêng < 500 .cm,
thời gian bảo vệ khoảng 5 -10 năm.

Hợp kim
Al-Zn-In

-1,05 đến – 2290 2600

90

1,1

Dàn khoan, bể xăng, trong đất, trong
nước có điện trở riêng < 150 .cm,
thời gian bảo vệ khoảng 10 - 20 năm.

Hợp kim

-1 đến

2750

Al-Zn-Hg

–1,05

2840

95

Dàn khoan, bể xăng, trong đất, trong
nước có điện trở riêng < 150 .cm,
thời gian bảo vệ khoảng 10 - 20 năm.


11

1.8.2. Thành phần và thơng số điện hố của một số loại protector
Ngoài một số protector ở dạng nguyên chất, còn lại phần lớn protector được
chế tạo dưới dạng hợp kim trên nền kim loại cơ sở, thành phần các loại ngun tố
kim loại đưa vào được tính tốn chính xác nhằm tăng cường hiệu quả bảo vệ đồng
thời kéo dài tuổi thọ, hiệu suất sử dụng của protector. Thành phần protector và cơng
nghệ chế tạo, nhiệt luyện có ảnh hưởng rất lớn đến protector. Trên thế giới hiện nay
có một số loại protector thông dụng với những thành phần cơ bản như bảng 1.2
Mật độ dòng bảo vệ phụ thuộc vào sự chênh lệch điện thế giữa protector và kim loại
cần bảo vệ, cũng như phụ thuộc vào điện trở riêng của mơi trường. Ngồi ra số
lượng và hình dáng của protector cũng rất quan trọng. Đối với các loại đất có điện
trở riêng khoảng 10-250 m thì thường dùng protector Mg.
Sự khác nhau lớn về điện thế giữa protector và kim loại cần bảo vệ sẽ có khả
năng đạt được đến điện thế bảo vệ mong muốn. Trong nước ngọt với điện trở riêng
10-30 m thì Mg và Zn có thể dùng làm protector. Protector Mg khơng thể dùng để

bảo vệ những nơi có khí dễ cháy, ví dụ như các thùng vận chuyển xăng dầu, vì Mg
có thể tóe lửa khi va vào thép. Dùng protector Zn để bảo vệ trong nước ngọt ở nhiệt
độ lớn hơn 600C thì sẽ có vấn đề là trên bề mặt kẽm tạo nên lớp thụ động. Trong
nước biển với điện trở riêng 0,2  0,7 m thì chủ yếu dùng protector Zn và Al [2].
Bảng 1.2. Thành phần một số loại protector
Loại

Al

Zn

Mg

Cu

Si

Fe

Mn

Nguyên tố

protector

%

%

%

%

%

%

%

khác, %

Protector
nền Al

In

Alanode 1

còn lại

1-3,5

Alanode 2

còn lại 0,5-20

1-3

<0,004 <0,11

0,1-4 <0,003

<0,1

<0,1

-

0,015-0,03

<0,1

-

0,05

Protector
nền Zn

Cd

Zinnode 1 0,2-0,7 còn lại

-

<0,01

<0,13

<0,02

-

0,03-0,14

Zinnode 2 0,1-0,3 còn lại

-

<0,004 0,125 <0,005

-

0,03-0,06


12

Protector
nền Mg
Magnode 1 <0,01

<0,03 còn lại <0,02

<0,02

<0,03 0,3-1,3

-

Magnode 2 5,3-6,7 2,5-3,5 còn lại <0,05

<0,3

<0,03 0,15-0,6

-

Protector
nền Fe*

C

Ferap 1

P < 0,018, S < 0,012

0,21

còn lại

0,23

0,01

Ferap 2

P < 0,05, S < 0,05

-

còn lại

-

-

Bảo vệ bằng protector được lắp đặt theo nhiều cách. Protector có thể được
gắn cách thiết bị một khoảng nào đó hoặc nối protector với thiết bị qua dây dẫn thì
có thể đo được dòng điện bảo vệ. Trong bảng 1.3, 1.4 đưa ra tính chất điện hóa của
một vài loại protector phổ biến [10].
Bảng 1.3. Đặc điểm của một số loại protector
Thông số

Magnode

zinnode

alanode

ferap

Khối lượng riêng, g/cm 3

1,82

7,11

2,77

7,86

Điện thế hở mạch, V (Ag/AgCl)

-1,6

-1,1

-1,2

-0,7

Hiệu suất , %

60

95

90

-

1230

780

2600

910

Dung lượng, A.h/kg

Bảng 1.4. Những thông số điện hoá của protector

Vật liệu protector

Dung lượng

Tiêu hao

A.h/kg

g /(A.h )

Hiệu điện thế
anot-chất điện
phân , V.

Trong nước biển
Kẽm

780

1,282

0,25

Hợp kim nhôm - kẽm - thủy ngân

2830

0,353

0,30

Hợp kim nhôm - kẽm - inđi

2550

0,392

0,90

1230-1500

0,733

0,70

Magie chuẩn