Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm hệ thống thiết bị chống ăn mòn catôt sử dụng dòng điện ngoài để bảo vệ vỏ tàu biển đạt tiêu chuẩn TCVN 6051:199 (19/06/2024)

Bảo vệ catôt kết hợp với sơn phủ để chống ăn mòn vỏ tàu biển là công việc bắt buộc được Cục đăng kiểm quy định. Có hai phương pháp bảo vệ catôt là sử dụng anôt hy sinh (protectơ) và bằng dòng điện ngoài. Từ trước đến nay phương pháp bảo vệ vỏ tàu biển thường được sử dụng anôt hy sinh, do khả năng áp dụng đơn giản. Tuy nhiên bảo vệ bằng anôt hy sinh có nhiều nhược điểm hơn bảo vệ bằng dòng điện ngoài như về mặt kinh tế: Đầu tư ban đầu của bảo vệ bằng dòng điện ngoài cao hơn anôt hy sinh, nhưng 15-20 năm mới phải thay điện cực, trong khi đó khoảng 2-3 năm là phải lên đà thay anôt hy sinh. Do trọng lượng và số lượng anôt hy sinh nhiều hơn anôt trơ nên bảo vệ bằng anôt hy sinh sẽ cản trở tốc độ tàu… Nhờ tính ưu việt vượt trội về khích thước/khối lượng và thời gian phục vụ dài của anôt trơ MMO từ 15-20 năm nên hệ bảo vệ chống ăn mòn bằng dòng điện ngoài đáp ứng được các yêu cầu về tính cơ động, tốc độ và kéo dài thời hạn hoạt động, giảm bớt chu kỳ lên đà sửa chữa của các loại tàu phục vụ công tác kiểm ngư, bảo vệ bờ biển, hải đảo và sẵn sàng chiến đấu của lực lượng hải quân. Ngày nay, công việc đo đạc, theo dõi chế độ bảo vệ, điều chỉnh dòng điện từ máy nguồn đều được tự động, do đó công việc áp dụng công nghệ này đã trở nên đơn giản hơn. Chính vì vậy mà hệ bảo vệ catôt bằng dòng ngoài đang được áp dụng trong nhiều dự án đóng tàu mới của Việt Nam. Tuy nhiên, cho đến nay nước ta chưa tự thiết kế, chế tạo được hệ thống này. Hệ thống bảo vệ catôt bằng dòng ngoài nhập khẩu sẵn đôi khi không phù hợp với yêu cầu của con tàu cần được bảo vệ, có thể thiếu hoặc thừa công suất bảo vệ, dẫn tới hiệu quả kinh tế thấp. Bên cạnh vấn đề ninh chủ quyền biển đảo được nhà nước đặt lên hàng đầu, sự phát triển ngành công nghiệp tàu thủy đạt mức tiên tiến trong khu vực, đóng mới tàu hàng trọng tải tới 300.000DWT được Thủ tướng phê duyệt tại Quyết định số 1601/QĐ-TTg ngày 15/10/2009 về Quy hoạch phát triển vận tải biển Việt Nam đến năm 2020 và định hướng tới năm 2030 là cơ sở để nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Vật Liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam thực hiện đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm hệ thống thiết bị chống ăn mòn catôt sử dụng dòng điện ngoài để bảo vệ vỏ tàu biển đạt tiêu chuẩn TCVN 6051:1995. Đề tài do TS. Nguyễn Ngọc Phong làm chủ nhiệm.

Việc tìm giải pháp hiệu quả để bảo vệ vỏ tàu biển khỏi chống ăn mòn kim loại có ý nghĩa lớn trong ngành công nghiệp đóng tàu.

Theo nghiên cứu, nguyên tắc của phương pháp bảo vệ catôt là ngăn cản sự hình thành các vùng anôt trên bề mặt kim loại bằng cách cung cấp đủ điện tử đến các vùng anôt để không cho quá trình ăn mòn kim loại xảy ra. Khi có một dòng điện một chiều DC được áp vào từ một điện cực phụ qua dung dịch đến bề mặt kim loại, dòng điện sẽ ưu tiên chảy đến vùng catôt, do đó điện thế ở vùng này sẽ dịch chuyển về phía âm do phân cực catôt và đạt đến điện thế của vùng anôt. Khi catôt phân cực đến điện thế bằng điện thế anôt thì những pin ăn mòn sẽ bị loại trừ. Quá trình này được gọi là bảo vệ catôt. Có hai dạng bảo vệ catôt: Bảo vệ catôt bằng hệ thống dòng ngoài và Bảo vệ catôt bằng anôt hy sinh (protectơ). Thực tế chứng minh, bảo vệ bằng dòng điện ngoài có ưu điểm hơn hẳn sử dụng anôt hy sinh, như: khối lượng anôt được lắp đặt nhỏ, số lượng các anôt ít, được lắp đặt phẳng với vỏ tàu nên đảm bảo biên dạng thoát nước của vỏ tàu, không ảnh hưởng đến tốc độ tàu, tăng tuổi thọ lớp sơn phủ và đặc biệt là giảm thiểu các chi phí liên quan đến việc duy tu bảo dưỡng thân vỏ, kết cấu. 

Nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu, xác định các thông số cơ bản trong bảo vệ chống ăn mòn điện hóa cho sắt thép trong môi trường biển, trong đó nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu anôt trơ MMO có độ bền cao, phù hợp với các vùng biển của Việt Nam cho thấy, Anôt trên cơ sở IrO₂: Ti/IrO₂(10%)-Sb₂O₃-SnO₂ và Ti/IrO₂(15%)-RuO₂(15%)-TiO₂ có thể sử dụng trong bảo vệ catôt chống ăn mòn bằng dòng điện ngoài trong môi trường nước biển do có độ hoạt hóa và độ bền điện hóa cao. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tàu, các vùng biển khác nhau đến độ bền của vật liệu anôt trơ MMO, nhóm tác giả rút ra kết luận: Anôt Ti/IrO₂(15%)-RuO₂(15%)-TiO₂ và Ti/IrO₂(10%)-Sb₂O₅-SnO₂ có thể ứng dụng trong bảo vệ catôt bằng dòng điện ngoài trong nước biển và nước lợ. Mật độ dòng anôt áp dụng từ 600 - 800 A/m² trong môi trường nước biển. Tốc độ dòng chảy không ảnh hưởng nhiều đến điện thế của anôt. Sau 2 tháng thử nghiệm điện thế vẫn ổn định với cả tốc độ dòng chảy cao 5l/phút. Về nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ MMO có thể lắp đặt dễ dàng, đã thiết kế chế tạo được cụm anôt trơ MMO có thể lắp đặt dễ dàng, kích thước Φ240mm phù hợp cho tàu trọng tải đến 5000 tấn; đã nghiên cứu và lựa chọn vật liệu hợp kim kẽm ZnAlCdIn Zn₃ để làm điện cực so sánh. Điện thế của vật liệu trong khoảng -1.03 ÷ -1.04V (Ag/AgCl); đồng thời chế tạo được cụm điện cực so sánh kẽm để lắp vào vỏ tàu trên cơ sở vật liệu hợp kim ZnAlCdIn  Zn₃; hoàn thành việc nghiên cứu chế tạo thiết bị máy nguồn có điều khiển trung tâm với các chức năng: đo và khống chế theo điện áp 2 điện cực so sánh, cài đặt được điện áp và thời gian quét giữa hai điện cực, tự động ngắt nguồn DC khi không có tín hiệu từ điện cực so sánh hoặc quá thế, quá dòng, hiển thị điện áp tức thời trên màn hình led và truyền dữ liệu tới máy tính, máy nguồn điện một chiều có công suất tối đa dòng điện 30A và điện thế 24V; đã thiết kế chế tạo thành công bộ lưu trữ số liệu với 4 kênh số liệu, các thông số lưu trữ là ngày, tháng, năm, giờ, phút và giá trị 4 kênh đo, độ phân dải cho mỗi kênh là 1mV, dải đo từ -2000mV đến 1000mV, thời gian đo là tùy đặt; thiết kế, chế tạo được thiết bị ngắn mạch (tiếp mát) giữa trục chân vịt với vỏ tàu, tuy nhiên do trục chân vịt của tàu Minh Phú 99 đã được bọc nhựa chống ăn mòn nên thiết bị không lắp đặt và đánh giá được; xây dựng được phần mềm kết nối các bộ phận thiết bị của hệ thống bảo vệ catôt, cho phép đặt và tự động điều chỉnh điện thế bảo vệ theo điện cực so sánh kẽm, lưu trữ số liệu điện thế thực tế của vỏ tàu.

Sơ đồ lắp đặt hệ thống bảo vệ catôt.

Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả thực hiện lắp đặt, thử nghiệm hệ thống bảo vệ catôt trên tàu với các nội dung: Thiết kế sơ đồ hệ thống, bố trí, lắp đặt hệ thống bảo vệ catôt trên tàu 400 tấn; Xây dựng quy trình lắp đặt và vận hành hệ thống bảo vệ catôt; Đo đạc đánh giá hiệu quả bảo vệ và hoạt động của hệ thống theo tiêu chuẩn TCVN 6051:1995. Kết quả thử nghiệm chỉ tiêu bảo vệ catot bằng dòng điện ngoài cho tàu biển Minh Phú 99 tại vùng biển Việt Nam với mật độ dòng cần thiết từ 12-15mA/m², điện thế bảo vệ trong nước biển -0,8V (Ag/AgCl) được đánh giá đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6051:1995. Với kết quả trên, nhóm nghiên cứu đã làm chủ toàn bộ công nghệ bảo vệ chống ăn mòn bằng phương pháp dòng điện ngoài và xây dựng hệ thống bảo vệ chống ăn mòn hoạt động tự động cho những công trình thuộc ngành công nghiệp đóng tàu, dầu khí, hệ thống ống dẫn, quân sự,… trong môi trường biển.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Dự án tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng./.