Hiệu quả chống ăn mòn kết cấu thép bằng phương pháp bảo vệ Catot

Bảo vệ catôt là phương pháp điện hoá làm giảm sự ăn mòn thép trong môi trường xâm thực như nước biển, bùn biển và môi trường gần biển. Phương pháp này đă được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển. Một số công trình ở Việt Nam cũng áp dụng phương pháp này nhưng vẫn còn hạn chế. Viện Khoa học Công nghệ GTVT là một trong những đơn vị đi đầu đưa công nghệ này vào thực tế. Trong bài viết này, chúng tôi đưa ra các đánh giá hiệu quả của phương pháp bảo vệ ca tốt qua thực tế áp dụng, từ đó thấy được tầm quan trọng của nó trong việc nâng cao tuổi thọ công trình.

Bảo vệ catôt là phương pháp điện hoá làm giảm sự ăn mòn thép trong môi trường xâm thực như nước biển, bùn biển và môi trường gần biển. Phương pháp này đă được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển. Một số công trình ở Việt Nam cũng áp dụng phương pháp này nhưng vẫn còn hạn chế. Viện Khoa học Công nghệ GTVT là một trong những đơn vị đi đầu đưa công nghệ này vào thực tế. Trong bài viết này, chúng tôi đưa ra các đánh giá hiệu quả của phương pháp bảo vệ ca tốt qua thực tế áp dụng, từ đó thấy được tầm quan trọng của nó trong việc nâng cao tuổi thọ công trình.

Vấn để ăn mòn các kết cấu kim loại nằm trong nước biển, trong đất đă được nghiên cứu nhiều. Các nước phát triển đã có những đánh giá tương đối đẩy đủ mức độ ăn mòn cho từng vùng và các biện pháp bảo vệ tương ứng thông qua các tiêu chuẩn, hướng dẫn… Với nước ta, vấn đề này cũng đã được quan tâm nhưng mới chủ yếu là ở giai đoạn thiết kế. Thông thường các nhà thiết kế đưa ra độ dư ăn mòn cho các kết cấu thép và coi đó là đủ điểu kiện để tổn tại trong suốt tuổi thọ công trình.

Trên thực tế, điểu kiện này vẫn là chưa đủ vì ăn mòn thép trong nước và trong đất phát triển theo ba loại chính: ăn mòn đều, ăn mòn theo vùng và ăn mòn điểm. Với độ dư ăn mòn, chúng ta khống chế được hình thức đầu, còn hai hình thức sau rất nguy hiểm và thường là nguyên nhân gây ra sự cố thì chưa được khấc phục đầy đủ. Phương pháp duy nhất để khống chế hiện tượng ăn mòn này trong môi trường nước và bùn biển là bảo vệ ca tốt.

Nguyên lý của phương pháp này là cấp cho các kết cấu thép một dòng điện đủ để không xảy ra các phản ứng anốt trên bề mặt thép. Vùng ca tốt vẫn xảy ra các phản ứng ca tốt bình thường nhưng với mức độ lớn hơn. Dòng điện từ bên ngoài có thể tính toán đến giá trị đủ để dòng anốt bị triệt tiêu hoặc xoay ngược chiều. Khi đó, tại các vùng anốt, sẽ xảy ra các phản ứng ca tốt và không còn sự ăn mòn. Có hai phương pháp bảo vệ ca tốt: sử dụng anốt hy sinh và dòng điện ngoài.

Bảo vệ bằng anốt hy sinh: Kim loại cần bảo vệ (công trình hoặc thiết bị bằng thép) được nối với một kim loại khác có điện thế điện cực âm hơn (Hình 1). Trong quá trình làm việc, kim loại đó hoạt động như một anốt, bị hòa tan vào môi trường để bảo vệ cho công trình khỏi bị ăn mòn-từ đó có tên gọi “anốt hy sinh”, hay protectơ.

Bảo vệ bằng dòng ngoài:

Trong sơ đồ bảo vệ bằng dòng ngoài (Hình 2) thì công trình (kim loại cần bảo vệ) vẫn đóng vai trò ca tốt. Hai điểm khác so với sơ đồ báo vệ bằng anốt hy sinh là:

– Dùng dòng điện bên ngoài để phân cực, khác với dòng điện tự hy sinh trong sơ đổ bảo vệ bằng anốt hy sinh.

– Vật liệu anốt không nhất thiết phải là vật liệu hy sinh.

Dòng điện ngoài lấy từ điện lưới, qua hạ thế và chỉnh lưu để trở thành nguồn một chiều. Nguồn điện bên ngoài có nhiệm vụ cung cấp dòng định mức bảo vệ không đổi trong suốt thời gian vận hành đến tất cả các điện tích cần bảo vệ.

Qua các công trình thực tế áp dụng phương pháp bảo vệ ca tốt, Viện KHCN GTVT luôn quan tâm đến việc đánh giá hiệu quả bảo vệ sau khi có những khảo sát đánh giá thực tiễn.

Kết quả đánh giá ở cầu Bến Thủy: Hệ thống chống ăn mòn các cọc thép móng trụ 6, 7, 8 cầu Bến Thủy là sản phẩm ứng dụng tiến bộ KHCN mới vào thực tiễn từ đề tài cấp Bộ 34C-01-06 “Nghiên cứu bảo vệ kết cấu thép và BTCT” do Viện KHCN GTVT thực hiện. Hệ thống được lắp đặt từ năm 1993, có thời hạn sử dụng theo thiết kế 10 năm, đến nay đã quá thời hạn sử dụng. Mục đích của hệ thống chống ăn mòn (CAM) là nhằm giảm thiểu quá trình ăn mòn các cọc thép móng trụ 6, 7, 8 nằm trong nước và trong bùn đất thuộc vùng nước mặn có mức độ ăn mòn cao. Đây là hệ thống bảo vệ điện hóa bằng dòng điện ngoài điển hình đầu tiên ở nước ta vào thời điểm năm 1993.

Đánh giá theo tiêu chí điện thế bảo vệ: điện thế bảo vệ các cọc thép luôn được duy trì thông qua dòng điện cấp cho hệ thống và luôn ở mức âm hơn – 800 mV so với điện cực Ag/AgCl. Ngoài một số khoảng thời gian ngừng hoạt động do mất cắp anốt hay trục trặc máy biến áp chỉnh lưu thì hệ thống CAM duy trì được dòng điện bảo vệ đạt mức tiêu chuẩn quy định. Theo hồ sơ theo dõi và bảo dưỡng công trình thì hệ thống hoạt động đến năm 2004 (quá tuổi thọ thiết kế), các bộ phận trong hệ thống mới bắt đầu hư hỏng (Kết quả đo thể hiện trong Bảng 1).

Đánh giá theo mẫu đến chứng:

Có cách đánh giá theo mẫu treo thời gian ngắn (1 năm), có cách đánh giá dựa trên số liệu đo trực tiếp tại công trình sau khoảng thời gian dài (hơn 10 năm). Các số liệu này còn hạn chế về mặt số lượng song nó cũng phản ánh được tổng quát hiệu quả bảo vệ của hệ thống CAM cũng như cảnh báo về sự nguy hiểm cho các kết cấu thép trong vùng nước cầu Bến Thủy nếu không có hệ thống bảo vệ. Hiệu quả bảo vệ của hệ thống CAM được thể hiện trong Bảng 2.

Một đặc điểm rất nguy hiểm của ăn mòn kim loại trong nước là ăn mòn không đểu. Để đánh giá mức độ ăn mòn không đều, chúng tôi lấy một số thiết diện cắt ngang bị ăn mòn nhiều nhất để so sánh với thiết diện chuẩn.

Từ các bảng trên cho ta thấy tốc độ ăn mòn của thép trong vùng nước cẩu Bến Thủy thuộc loại cao. Theo như mẫu treo, 1 năm tốc độ ăn mòn khoảng 0,34 mm/năm, còn sau khoảng thời gian dài là 0,19 mm/năm. Điểu này có thể giải thích là thời gian càng kéo dài thì các sản phẩm gỉ như Fe2O3 sinh vật dưới nước bám ngày càng dẩy tạo thành màng ngăn cản các tác nhân ăn mòn tiến tới bề mặt thép và làm giảm tốc độ ăn mòn. Đối với các cọc thép trụ cầu được bảo vệ, tốc độ ăn mòn chỉ có 0,05 mm/năm. Mặc dù hiệu quả bảo vệ đánh giá sau nhiều năm chỉ đạt 73,9%, thấp hơn so với thiết kế (80%), nhưng do một số sự cố nhỏ trong quá trình khai thác sử dụng và là những công trình đẩu tiên áp dụng công nghệ mới nên chỉ số này có thể chấp nhận được.

Bến số 3 cảng Cửa Lò: Hệ thống được lắp đặt xong tháng 7/2003, sau gần hai năm hệ thống được đo đạc đánh giá lần đẩu với kết quả thu được như sau: Kiểm tra điện thế bảo vệ trên toàn bến.

Ghi chú: Công việc đo được thực hiện khi hệ thống bảo vệ ở bến 3 đă làm việc được 1,5 năm, còn bến số 4 chưa được lắp.

– Kiểm tra mức độ ăn mòn theo mẫu đối chứng: chúng tôi tiến hành lấy mẫu đối chứng đã lắp đặt khi lắp các anốt hy sinh.

Trong đợt này chúng tôi lấy hai giàn mẫu, một giàn được bảo vệ còn giàn kia không được bảo vệ để kiểm tra, so sánh tốc độ ăn mòn trong điểu kiện thực tế tại cảng Cửa Lò. Các mẫu được thợ lặn lấy lên sau đó tháo rời từng mẫu nhỏ, mang vệ phòng thí nghiệm để làm sạch, cân đo và đánh giá tốc độ án mòn theo phương pháp khối lượng. Các vết ăn mòn điểm được đo chiều sâu của lỗ mòn và tính tỷ lệ bể mặt bị ăn mòn. Kết quả kiểm tra thể hiện trong Bảng 6.

Kết quả đo điện thế bảo vệ cho thấy hệ thống đang làm việc tốt, các thông số kỹ thuật đều thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 6051 – 1995 (âm hơn 800 mV) , hệ thống tường cừ được bảo vệ tốt.

Kết quả kiểm tra khối lượng các mẫu đối chứng được bảo vệ cho thấy thép hoàn toàn không bị ăn mòn. Từ các mẫu đối chứng không được bảo vệ cho thấy thép trong môi trường nước biển tại Cửa Lò bị ăn mòn với tốc độ 0,128 mm/năm.

Đặc điểm nổi bật của sự ăn mòn trên các mẫu là ăn mòn điểm, có vị trí độ sâu ăn mòn đă đạt đến hơn 1mm. Từ đây cho thấy hệ thống bảo vệ ca tốt là cẩn thiết.

Các công trình khác có hệ thống bảo vệ bằng anốt hy sinh đểu được kiểm tra bằng phương pháp đo điện thế nhưng khả năng đánh giá tổng thể còn hạn chế do thiếu kinh phí. Kết quả đo kiểm tra của các chuyên gia Vietsopetro tại cảng dịch vụ cho kết quả rất tốt. Điện thế tại các vùng xa anốt khoảng từ – 865 mV đến – 947 mV, tại các vùng gần anốt từ – 924 mV đến – 975 mV, trên bể mặt anốt từ -1036 mV đến – 1067 mV.

Từ các kết quả thu được trong thực tế, chúng ta thấy hiệu quả rõ rệt của phương pháp bảo vệ ca tốt trong việc nâng cao tuổi thọ các kết cấu thép của công trình, đặc biệt là các công trình nằm trong vùng có môi trường khắc nghiệt. Đối với các công trình cẩn tuổi thọ lâu dài (công trình vĩnh cửu) cẩn áp dụng phương pháp bảo vệ catôt cho các kết cấu thép ngập trong nước và trong bùn để tránh các sự cố nguy hiểm có thể xảy ra.

(Nguồn: Phòng Công nghệ kim loại Viện KHCN GTVT)