Ăn mòn dưới lớp cặn của bộ làm mát

Giới thiệu về hiện tượng ăn mòn dưới lớp trầm tích 1. Định nghĩa: Ản mòn dưới lớp trầm tích (under-deposit corrosion) là hiện tượng ăn mòn xảy ra do các chất trầm tích tích tụ trên bề mặt kim loại. 2. Cơ chế ăn mòn: Đây là một dạng ăn mòn cục bộ đặc biệt. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do hình dạng của thiết bị, cùng với các sản phẩm ăn mòn và chất trầm tích, khiến cho dòng chảy của chất lỏng trên bề mặt kim loại và sự khuếch tán của chất điện môi bị hạn chế. Điều này dẫn đến sự khác biệt lớn về thành phần hóa học của chất lỏng trong các khoang bị tắc nghẽn so với chất lỏng trong toàn bộ bề mặt kim loại. Giá trị pH của chất lỏng trong các khoang này cũng thay đổi đáng kể, từ đó gây ra hiện tượng ăn mòn do sự hình thành các “cell ăn mòn”. Điện thế của các điện cực ở vị trí nhọn cũng giảm xuống, dẫn đến hiện tượng ăn mòn. Dựa trên nguyên lý ăn mòn, có thể chia thành hai loại: ăn mòn do axit và ăn mòn do kiềm. Thông thường, hiện tượng ăn mòn xảy ra dưới lớp cặn bẩn trong hệ thống làm mát tuần hoàn thuộc loại ăn mòn do axit. Đóng cặn là quá trình các chất gây đóng cặn có trong nước làm mát tích tụ trên bề mặt kim loại phía bên nước. Các chất bẩn này chính là tập hợp của các chất rắn, bao gồm cả cặn canxi. Các loại bụi bẩn phổ biến gồm: bùn đất, bụi và hạt cát; các chất sinh ra do quá trình ăn mòn; các sinh vật hữu cơ tự nhiên. Ngoài ra còn có các mảnh vụn, nhôm oxit, phốt phát nhôm, phốt phát sắt, cùng các chất bẩn khác. Bụi bẩn trong tháp làm mát xuất phát từ các nguồn sau: ① Bụi bẩn từ nước được sử dụng để bổ sung vào hệ thống. ②Đến từ bụi bẩn trong không khí. ③Bụi bẩn xuất phát từ chính hệ thống. Vi sinh vật là những sinh vật nhỏ bé, thường không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các loại vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, tảo, nấm và động vật nguyên sinh. Chúng phát triển mạnh trong hệ thống nước làm mát, khiến màu nước chuyển sang màu đen và tạo ra mùi hôi khó chịu. Việc phá hủy môi trường sẽ dẫn đến việc tạo ra lượng bùn đất lớn, làm giảm hiệu quả làm mát của các tháp làm mát. Điều này khiến tổn thất áp suất nước tăng lên nhanh chóng. Các loài nấm phát triển trên bề mặt kim loại cũng gây ra tình trạng ăn mòn nghiêm trọng dưới lớp bẩn. Tất cả những yếu tố này đều khiến hệ thống nước làm mát không thể hoạt động ổn định trong thời gian dài, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và gây ra thiệt hại về kinh tế. Do đó, mối nguy từ vi sinh vật và sự ăn mòn do cặn canxi gây ra đều có tầm quan trọng tương đương đối với nước làm mát. Trong số ba yếu tố này, việc kiểm soát mối nguy từ vi sinh vật nên được ưu tiên hàng đầu. Các loài vi sinh vật trong nước làm mát bao gồm: nấm, vi khuẩn sunfua, vi khuẩn khử, vi khuẩn tự dưỡng, vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrat hóa và tảo. Tảo là những loài thực vật xanh ở cấp độ thấp; chúng không có sự phân hóa thành thân và lá. Vì vậy, tảo còn được gọi là thực vật nguyên sinh. Sự khác biệt chính giữa tảo và nấm nằm ở chỗ tảo có sắc tố trong lục lạp, cho phép chúng thực hiện quá trình quang hợp. Các sinh vật quang hợp tự dưỡng chính là những sinh vật có khả năng tạo ra chất dinh dưỡng. Trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn, thường xuất hiện ba loại tảo chính: tảo lam xanh, tảo lục và tảo silic. Những loài tảo này phát triển, sinh sôi và chết đi trong các bể chứa nước làm mát và tháp làm mát; chúng trở thành một thành phần của các chất lắng đọng trong hệ thống nước làm mát. Sự ăn mòn kim loại xảy ra do hiện tượng ăn mòn điện hóa, cùng với tác động tự xúc tác của nó. Sự ăn mòn do axit xảy ra do quá trình khử cực của hydro (2H++2e→H2). Các sản phẩm của quá trình ăn mòn chủ yếu là các muối hòa tan; sự thủy phân của các muối này khiến độ axit của môi trường tăng lên, từ đó làm tăng tốc quá trình ăn mòn kim loại. Sự ăn mòn bề mặt kim loại do nước gây ra chủ yếu là sự ăn mòn điện hóa. Trong chu trình ăn mòn, phản ứng xảy ra ở cực âm chính là sự khử oxy; còn ở vùng bị bao kín dưới lớp cặn, kim loại sẽ đóng vai trò là cực dương, và phản ứng xảy ra ở cực dương chính là sự hòa tan của sắt. Phản ứng ăn mòn của thép carbon trong nước diễn ra như sau: Phản ứng ở cực dương: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Sắt(II) bị thủy phân: Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)₂ + H⁺. Điều này khiến giá trị pH của môi trường dưới lớp cặn giảm xuống, từ đó làm tăng tốc quá trình ăn mòn. Phản ứng ở cực âm: O2 + 2H2O + 4e⁻ = 4OH⁻. Như vậy, sự ăn mòn dưới lớp bụi trên bề mặt kim loại xảy ra do hiện tượng tự xúc tác trong quá trình ăn mòn điện hóa, khiến quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn. Cơ chế điện hóa của ăn mòn điểm và ăn mòn khe cũng tương tự như vậy. Cặn bẩn hình thành trên bề mặt truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt thường có mật độ, độ dày và thành phần hóa học không đồng đều. Lớp cặn bẩn này gây ra sự không đồng đều về mặt điện hóa trên bề mặt kim loại, từ đó dễ dẫn đến các phản ứng ăn mòn hóa học. Ngoài ra, cặn bẩn còn khiến cho các chất gây ăn mòn trong nước như H+, OH-, Cl-, Mg2+, S2-… tích tụ dưới lớp cặn, gây ra phản ứng ăn mòn. Kết quả là bề mặt kim loại bị tổn thương, mỏng đi; trong trường hợp nghiêm trọng, việc ăn mòn có thể xuyên qua lớp thép của thiết bị, khiến thiết bị bị rò rỉ. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng sự hình thành hiện tượng ăn mòn dưới lớp bẩn cần có những điều kiện và thời gian nhất định. Các điều kiện chính bao gồm sự tồn tại của các anion gây ăn mòn trong môi trường, cùng với các chất oxy hóa. Vùng ăn mòn do sự tắc nghẽn của pin rất nhỏ; trong vùng ăn mòn này, chất điện phân khó có thể trao đổi và khuếch tán với các chất ở môi trường bên ngoài. Trong bình ắc quy bị tắc nghẽn, do quá trình phản ứng xảy ra ở cực dương, sự thủy phân của các ion kim loại khiến nồng độ H+ tăng lên. Điều này làm cho môi trường trong vùng bị ăn mòn trở nên axit hơn, từ đó tăng cường tốc độ phản ứng ăn mòn. Các tạp chất như MnS trong kim loại, các khiếm khuyết trên bề mặt, lớp oxit hình thành trong quá trình cán, cùng các chất bám trên bề mặt (đặc biệt là các hợp chất sunfua yếu kém), môi trường tĩnh, ion Cl‑ trong môi trường, và nhiệt độ cao đều góp phần thúc đẩy sự hình thành và phát triển của các tình trạng tắc nghẽn trong pin. Sự hiện diện của oxy sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn do ăn mòn lỗ khoang lên 1–2 bậc số. Do tác động của trọng lực, tốc độ hình thành các lỗ ở đáy thùng cao hơn nhiều so với các lỗ trên bề mặt thẳng đứng và bề mặt hướng xuống dưới; do đó, đáy thùng sẽ bị thủng trước. Các hợp chất sunfua trong môi trường sẽ tạo thành một lớp màng sunfua dày ở bề mặt thép. Lớp màng này giúp giữ lại hơi nước trong vùng bị tắc nghẽn, đồng thời ngăn cản sự khuếch tán của chất lỏng trong môi trường ra bên ngoài. Điều này làm tăng tốc quá trình hình thành các “pin bị tắc nghẽn” và sự phát triển của hiện tượng ăn mòn lỗ. Những “pin bị tắc nghẽn” này có thể khiến lớp thép dày 3 mm bị thủng trong vòng 3–24 tháng. Bề mặt nhẵn và sạch sẽ giúp ngăn chặn sự hình thành các cục tắc trong pin. Khi các cục tắc này xuất hiện, việc làm sạch bề mặt có thể giúp làm chậm quá trình ăn mòn. 3. Tác hại: Trong quá trình sản xuất trong ngành hóa dầu và nhiệt điện, tình trạng đóng cặn trên các bộ phận làm mát là một sự cố phổ biến. Tình trạng này khiến hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị giảm sút, từ đó làm giảm khả năng sản xuất của chúng ； Tăng lực cản dòng chảy của chất lỏng, khiến mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị vận chuyển tăng lên. Lớp bẩn cũng có thể gây ra hiện tượng ăn mòn dưới lớp bẩn trên thiết bị, làm giảm tuổi thọ sử dụng của chúng ； Trong trường hợp nghiêm trọng, điều này gây tắc nghẽn thiết bị, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất ổn định của nhà máy, thậm chí dẫn đến việc ngừng hoạt động. Hiện nay, việc xử lý tình trạng đóng cặn trong bộ làm mát chủ yếu được thực hiện bằng cách ngừng hoạt động định kỳ để vệ sinh (dùng hóa chất hoặc áp lực cao để làm sạch). Đây là một phương pháp xử lý sau sự việc, không thể giải quyết các vấn đề như hiệu suất kém do cặn bám trong quá trình hoạt động của máy làm mát, cũng như tình trạng ăn mòn xảy ra dưới lớp cặn đó. Các chất bẩn như bùn đất đi kèm dễ lắng đọng và tạo thành cặn bẩn, gây ra hiện tượng ăn mòn dưới lớp cặn. Khi nồng độ oxy trong dung dịch càng cao, sự chênh lệch nồng độ giữa pha nước và pha cặn càng lớn; từ đó, hiệu điện thế giữa hai cực dương và âm cũng tăng lên. Điều này khiến Fe dễ phản ứng với oxy và bị ăn mòn hơn. Lớp cặn càng dày thì càng dễ xảy ra tình trạng ăn mòn bên dưới lớp cặn đó, và tình trạng ăn mòn này sẽ tiếp tục lan rộng cho đến khi gây ra hiện tượng thủng.