English
Tóm tắt: Nhiều năm qua, ăn mòn kim loại luôn là vấn đề toàn cầu đối với các ngành công nghiệp. Trên thế giới, hàng trăm tỷ USD thất thoát mỗi năm do ăn mòn đã gây thiệt hại lớn về kinh tế, ô nhiễm môi trường sinh thái, sức khỏe con người. Trong nhiều vấn đề ăn mòn, CUI (Corrosion Under Insulation) luôn là mối quan tâm hàng đầu trong công cuộc bảo vệ các thiết bị. Hiện tại, Trung tâm NDE đang tích cực triển khai nhiều chương trình/ dự án kiểm tra bảo dưỡng cho các công trình trọng điểm; song song với đó là tập chung nghiên cứu, đưa ra nhiều giải pháp hiệu quả cho kiểm tra, đánh giá và phát hiện CUI bằng các phương pháp như: Chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số (DR), Chụp ảnh Nhiệt hồng ngoại (IR), kiểm tra Dòng xoáy xung (PEC), Tán xạ neutron (NS). Trong cùng mạch nghiên cứu, hôm nay chúng tôi dẫn bài từ Tiến sĩ Monica Chauviere – Chủ tịch Monicorr, Inc với hơn 40 năm kinh nghiệm đánh giá ăn mòn sẽ góp phần giúp bạn đọc hiểu hơn về các tác nhân gây CUI cũng như cách phòng tránh hiệu quả.
Với nhiều lớp cách nhiệt sử dụng ngoài trời trong các nhà máy lọc hóa dầu, hóa chất và các cơ sở ngoài khơi, vật liệu cách nhiệt bị thấm nước trở thành phương tiện lưu giữ hơi ẩm, kết quả là khi tiếp xúc lâu ngày với thép, là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến ăn mòn dưới lớp cách ly (CUI).
Hầu hết các vật liệu cách nhiệt nóng có rất nhiều khoảng không mở hoặc rỗ xốp bên trong. Khi nước thấm vào và làm đầy vật liệu cách nhiệt, tiếp xúc với bề mặt thép khi các thiết bị đang hoạt động ở nhiệt độ không đủ nóng để đẩy đi hơi ẩm. Bất kỳ bề mặt thép carbon không được bảo vệ nào cũng sẽ gặp phải CUI hơi ẩm quanh quẩn lặp lại trong thời gian dài.
Khái niệm thép carbon không được bảo vệ có thể hiểu là bất kỳ diện tích nào, dù lớn hay nhỏ, mà lớp phủ nhúng chống nóng/sôi không được bám chặt với thép. Khu vực không được bảo vệ có thể là toàn bộ một bình bồn, một điểm nhỏ, vết xước màng bảo vệ, khuyết tật hoặc một lỗ nhỏ.
Rất có thể lớp cách nhiệt ướt hoặc chứa nước mà không thể ráo hoặc thoát ra ngoài là nguyên nhân dẫn đến việc tiếp xúc lâu dài của bề mặt thép với nước nóng. Sau những trận mưa, nhiều ngày hoặc nhiều tuần trôi qua mà thiết bị thiết bị không đủ nóng để bù đắp việc tính chất nhiệt của vật liệu cách ly bị suy giảm nghiêm trọng, vì vậy nước không thể bay hơi hết trên bề mặt thép. Nếu muốn nước bốc hơi, nó phải tìm đường thoát và đây cũng có thể là một chu trình lòng vòng khi nước đã bão hòa một lượng đáng kể tại chỗ rỗ xốp trong lớp cách ly.
Tốc độ ăn mòn tại bất kỳ vùng không được bảo vệ nào của thép (trừ bất kỳ sự hiện diện ngoài ý muốn của một số xâm thực hóa chất) sẽ phụ thuộc vào:
- Nhiệt độ của thép
- Bản chất điện phân của nước (bị ảnh hưởng bởi các chất ô nhiễm hòa tan hoặc từ vật liệu cách nhiệt hoặc những chất từ môi trường bên ngoài hoặc cả hai)
- Kích thước của diện tích thép bị tiếp xúc so với kích thước của khu vực được bảo vệ (được phủ đúng cách) ở xung quanh
- Tần suất của chu kỳ ướt/khô
Qua thực tế vận hành chúng ta nhận ra rằng:
- CUI thường xảy ra trên các nhiệt bị có nhiệt độ thấp (thường dưới 3000F/1500C), trong đó nước không được thoát ra khỏi bề mặt thép đủ nhanh
- Hầu hết các trường hợp CUI chủ yếu xuất hiện trên các thiết bị (được lắp đặt trước khi có công nghệ lớp phủ chịu nước nóng/sôi) bên dưới lớp cách ly thấm nước.
- Tuy nhiên, kể cả khi lớp cách nhiệt chống thấm nước được sử dụng và nước không bị giữ lại trên thiết bị bởi các lỗi thiết kế thì sẽ không tồn tại CUI ngay cả trên các thiết bị được lắp đặt từ rất lâu trước khi có công nghệ lớp phủ chống nước nóng/sôi
Cách giảm thiểu CUI tốt nhất
“Vị trí nào có cách nhiệt chống thấm nước được lắp đặt tại bất kỳ một thời điểm trong quá khứ khi lớp phủ CUI chưa tồn tại, CUI sẽ không xảy ra nếu nước được thoát ra tự do và không bị giữ bởi các lỗi thiết kế của thiết bị, hoặc bởi lớp cách nhiệt thấm nước”
Bằng chứng là: Trở lại năm 1974, sau nhiều năm chống trọi với CUI, các nhà máy lọc dầu đã chuyển hoàn toàn sang sử dụng vật liệu perlite co giãn (expanded perlite), đó là một chất không thấm nước đến nhiệt độ cao hơn phạm vi CUI (~ 4500F/2320C). Perlite giãn nở đã trở thành vật liệu cách nhiệt nóng duy nhất được phê duyệt cho các cơ sở lọc dầu, và nó được cung cấp bởi một nhà sản xuất Bắc Mỹ.
Phenolics Epoxy không được thương mại hóa cho đến cuối những năm 1980, cho đến khi chúng trở thành lớp phủ epoxy thế hệ mới cho phép chịu nhiệt độ cao hơn và kháng hóa chất tốt hơn. Chúng được ngành công nghiệp đón nhận vì cho phép bảo vệ nhiều thiết bị hơn, đặc biệt là khỏi tác động của nước đối với thép nóng.
Mãi đến năm 1991, tiêu chuẩn lớp phủ được sử dụng bởi các nhà máy lọc dầu mới được cập nhật để bổ sung với phenolics epoxy. Trước đó, trong tiêu chuẩn chỉ định một lớp kẽm vô cơ hoặc một lớp sơn lót epoxy (tùy thuộc vào nhiệt độ vận hành) làm lớp phủ cho lớp cách nhiệt. Chúng chỉ đơn thuần là sơn lót giúp thép không bị rỉ sét trong việc di chuyển từ xưởng chế tạo đến công trường – nơi bọc lớp cách nhiệt.
Vì vậy, trong giai đoạn từ năm 1975 đến 1991, bất kỳ đường ống thép carbon mới hoặc đang vận hành nào được bọc cách nhiệt tại các cơ sở lọc dầu này chỉ được bọc cách nhiệt bằng vật liệu perlite giãn nở cho thép carbon hầu như không được bảo vệ. Hãy nhớ rằng, thép carbon “không được bảo vệ” là chuyện bình thường đối với bất kỳ cơ sở nào chưa được chỉ định hoặc chấp thuận việc sử dụng lớp phủ công nghệ “mới”. Sự khác biệt lớn tại hai nhà máy lọc dầu này là cách nhiệt chống thấm nước theo đúng tiêu chuẩn, trong khi hầu hết các cơ sở công nghiệp khác trên thế giới vẫn đang sử dụng vật liệu cách nhiệt canxi silicat hoặc bông khoáng.
Đã có rất nhiều cơ hội để tiếp tục thấy thép “không được bảo vệ” chỉ được tại xưởng và cách nhiệt bằng expanded perlite. Việc loại bỏ một phần cách nhiệt xảy ra thường xuyên để thực hiện các công việc cơ khí hoặc kiểm tra CUI.
Ảnh dưới đây (Hình 2) cho thấy một ví dụ về một trong những dự án xây dựng mới trong khoảng thời gian đó khi cách nhiệt expanded perlite là cách nhiệt nóng tiêu chuẩn, nhưng lớp phủ CUI thích hợp chưa có trong tiêu chuẩn lớp phủ.
Một phát hiện nhất quán cho đến nay là: Bất cứ nơi nào expanded perlite được sử dụng và thiết bị được thiết kế hợp lý để thoát nước thì sẽ không có sự ăn mòn.
Một ngoại lệ hiếm hoi cho điều này sẽ là khi nhiệt độ vượt quá giới hạn nhiệt độ chống thấm nước của vật liệu cách nhiệt. Đối với kịch bản về các chu kỳ nhiệt này, không nên sử dụng bất kỳ loại cách nhiệt cứng (rigid insulation) nào, thay vào đó nên cân nhắc một loại cách nhiệt khác cùng với lớp phủ có khả năng chống sốc nhiệt. Và tất nhiên, việc giữ cho nước thoát ra khỏi hệ thống cách nhiệt thậm chí còn quan trọng hơn đối với những điều ở trên.
Trong ảnh bên dưới, nhà thầu lắp đặt đã sử dụng một lượng lớn bông khoáng để lấp đầy khoảng trống ngay phía trên vòng đỡ (support ring), thay vì mất thời gian để cắt các mảnh nhỏ expanded perlite. Các đường thẳng đứng màu trắng là bột cách nhiệt khô, được lắng đọng bằng cách làm khô nhanh nước chảy phía sau lớp cách nhiệt chống thấm nước. Lưu ý, tất cả các khu vực được sơn trong điều kiện tuyệt vời và các khu vực xuất hiện rỉ sét là cùng một loại thép có cùng lớp phủ (sơn lót epoxy 0.076 mm), hoạt động ở cùng nhiệt độ, gặp phải hiện tượng thấm nước. Dòng nước chảy đã thực sự làm mát thép.
Hình 2: Tháp thẳng đứng với các vòng đỡ tấm cách nhiệt được thiết kế cho phép thoát nước cho đến khi gặp phải một vòng đỡ giữ lại. Tháp được lắp đặt mới năm 1989, dải nhiệt độ 130-1800F. Kiểm tra CUI năm 2001.
Với ví dụ trong hình 2, vị trí xảy ra hư hại lớp phủ chỉ là nơi thép tiếp xúc với vật liệu cách nhiệt bị thấm nước. Ăn mòn xảy ra khi lượng nước hấp thụ đến mức không thể bay hơi đủ nhanh trước khi nước nóng. Nước được giữ bằng lớp cách nhiệt dạng sợi dẫn đến tăng nhiệt độ bằng bề mặt thép nóng khiến lớp phủ dày 0.076 mm bị hỏng bởi các lớp phủ không có khả năng chống lại nước nóng.
Những bài học quan trọng rút ra là gì?
- Thiết bị hoạt động ngoài trời trong phạm vi CUI, với lớp cách nhiệt thấm nước và không có lớp phủ chất lượng cao chịu nước nóng, sẽ có nguy cơ cao về CUI
- Ngoài rủi ro CUI, chúng ta thấy rằng nước hấp thụ vào vật liệu cách nhiệt ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng cách nhiệt của các vật liệu đó
- Nếu lớp cách nhiệt là expanded perlite cho thiết bị không được sơn phủ chống nước nóng và hoạt động trong phạm vi CUI thì nguy cơ CUI sẽ vẫn tồn tại ở bất cứ nơi nào có chi tiết thiết kế thiết hoặc lắp đặt bị lỗi làm ngăn thoát nước và gây ứ nước lâu dài.
Lỗi thiết kế và lắp đặt
Nếu chúng ta đã phát hiện thấy CUI dưới expanded perlite, thì đó là ở những nơi chứa chất lỏng, chẳng hạn như tại các vòng đỡ (support rings) cách nhiệt được hàn liên tục vào một bình thẳng đứng (thiết kế sai) hoặc trên các ống thẳng đứng nơi ai đó đã bịt kín phần cuối khiến ngăn sự thoát nước.
Việc bả Silicone nên được áp dụng để bịt xung quanh các phần hở, phía trên và ở hai bên của lớp vỏ jacket để giữ nước không xâm nhập, nhưng không bao giờ được bả ở dưới đáy nơi trọng lực tự nhiên cho phép nước chảy ra.
Theo kinh nghiệm cá nhân của tôi, vào cuối năm 2008, các bản vẽ xây dựng mới của các bình bồn (vessel) được cung cấp bởi một số công ty kỹ thuật lớn bao gồm các vòng đỡ tấm cách nhiệt được thiết kế không phù hợp. Mặc dù đã có tiêu chuẩn về cách nhiệt (như đã có trong nhiều thập kỷ) cho thiết kế vòng hỗ trợ cho phép nước được thoát tự do, tuy nhiên chúng tôi vẫn nhận được bản vẽ với chi tiết thiết kế sai với một thanh phẳng nằm ngang được hàn liên tục vào bình chịu áp lực dọc.
Hình 3: CUI gần vòng đỡ tấm cách nhiệt được hàn liên tục
Các bình/bồn dọc dễ bị CUI tại các vòng hỗ trợ cách nhiệt không phù hợp như vậy bởi vì:
- Các đó sẽ đóng vai trò như các bộ tản nhiệt dẫn đến nhiệt độ thép ở gần vòng mát hơn, do đó tiếp xúc với nước lâu hơn và
- Ngăn chặn sự thoát nước nhanh chóng từ phía sau lớp cách nhiệt chống thấm nước, có nghĩa là bất kỳ loại thép không được bảo vệ nào cũng có nguy cơ CUI cao hơn.
Các vòng hỗ trợ được thiết kế phù hợp cho các bình/bồn dọc bao gồm các thanh phẳng nằm ngang, giữa vòng và vỏ bình/bồn phải có một khoảng trống từ 1/4 đến 3/8 inch để cho phép thoát nước. Thanh phẳng được đỡ bởi các thanh tab hình chữ nhật nhỏ bằng thép được hàn với hướng thẳng đứng để nhô ra 90 độ so với vỏ bình/bồn. Đối với đường ống, vòng đỡ cho cách nhiệt cứng phải tương tự để cho phép thoát nước. Vật liệu cách nhiệt chống thấm expanded perlite cứng đôi khi được đúc vừa với bán kính của một bình/bồn. Tuy nhiên, giống như với tất cả các vật liệu cách nhiệt cứng khác, luôn có một khe nhỏ gữa chúng và vỏ bình (là nơi nước sẽ chảy vào). Một khi nước đã vào hệ thống cách nhiệt như vậy, trọng lực sẽ chiếm ưu thế và cần có chỗ cho nước thoát ra để tránh hiện tượng CUI.
Qua các kinh nghiệm rút ra từ thực tiễn, hy vọng giúp các nhà quản lý, thiết kế, kiểm tra có cái nhìn mới về các tác nhân cơ bản gây CUI, từ đó có cách phát hiện và khắc phục hiệu quả giúp khống chế ăn mòn, tăng hiệu quả kinh tế.
Nguyễn Văn Duy (Theo Monica Chauviere – Chủ tịch Monicorr, Inc)
