Thực trạng ăn mòn cửa van thép công trình thuỷ lợi

 Thực trạng Ăn mòn cửa van thép công trình thuỷ lợi 
PGS.TS Đỗ văn Hứa 
PGS.TS Vũ thành Hải 
TS. Nguyễn đình Tân 
Trường Đại học Thuỷ lợi 
Tóm tắt: Cửa van thép ở công trình thuỷ lợi làm việc trong điều kiện vừa chịu tải 
trọng phức tạp lại vừa chịu tác động của môi trường nước, đặc biệt là môi trường nước 
mặn nên bị ăn mòn rất mạnh. Bằng phương pháp khảo sát tại hiện trường, đo đạc độ sâu 
ăn mòn, các tính cơ học của sơn, phân tích cấu trúc và tính chất cơ học của các loại thép 
chế tạo cửa van, kết hợp với phân tích môi trường nước, thành phần của lớp rỉ bằng nhiễu 
xạ tia Rơn ghen, đã xác định những nguyên nhân gây ra ăn mòn cửa van thép và đưa ra 
định hướng cho các giải pháp bảo vệ thép trong môi trường nước. 
1. Đặt vấn đề 
Đối với vật liệu kim loại, nguyên nhân thoái hoá chủ yếu là do ăn mòn. ở các nước 
công nghiệp phát triển, thiệt hại hàng năm do ăn mòn chiếm từ 4- 5% tổng thu nhập kinh 
tế quốc dân. Thiệt hại cho chi phí gián tiếp như sửa chữa, do phải ngừng sản xuất làm 
tổn thất tăng 2- 2,5 lần.Việt nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới và có trên 3200km bờ 
biển. Hệ thống công trình thuỷ lợi vừa làm việc trong điều kiện tải trọng nặng lại vừa chịu 
tác động của môi trường nước, đặc biệt là trong môi trường nước lợ, nước biển nên cửa 
van và kết cấu thép của công trình bị phá hoại do ăn mòn rất nhanh. Các công trình thuỷ 
lợi ở nước ta được xây dựng và khai thác đã nhiều năm. Hơn 75 hệ thống thuỷ nông lớn và 
vừa, 700 hồ chứa với hàng nghìn cửa van vận hành đang thực hiện nhiệm vụ đa dạng của 
công trình thuỷ lợi. Dọc theo bờ biển có rất nhiều công trình thuỷ lợi đã và đang xây dựng 
với những nhiệm vụ hết sức quan trọng, đó là: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ góp 
phần phát triển kinh tế vùng ven biển. 
Có thể nói rằng trong suốt quá trình dài chúng ta chỉ tập trung khai thác sử dụng 
các công trình thuỷ lợi, việc khảo sát đánh giá mức độ ăn mòn của cửa van ảnh hưởng đến 
an toàn công trình cũng như xác định nguyên nhân gây ra ăn mòn cửa van do tác động 
của môi trường khác nhau chưa được nghiên cứu sâu để có biện pháp bảo vệ thích hợp 
phục vụ cho công tác tư vấn, chế tạo, quản lý, vận hành cửa van. 
Việc đánh giá hiện trạng ăn mòn cửa van đã được tiến hành ở hai cụm công trình 
tiêu biểu là cụm công trình đầu mối hệ thống thuỷ nông Bắc Hưng Hải ( Xuân quan, Báo 
đáp ) và cụm công trình ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng sông Lân, Thái bình (Lân II, Hoàng 
môn). Đồng thời với việc quan sát, chụp ảnh và xác định chiều sâu ăn mòn tại hiện 
trường, chúng tôi đã tiến hành các thí nhiệm xác định thành phần nước, thành phần vật 
 2
liệu thép, các chỉ tiêu điện hoá của thép, thành phần sản phẩm ăn mòn, các chỉ tiêu và cấu 
trúc lớp sơn phủ. Trên cơ sở việc phân tích các kết quả này chúng ta có thể thấy được hiện 
trạng, bản chất của quá trình ăn mòn cửa van, các nhân tố ảnh hưởng chính đến quá trình 
ăn mòn và hiệu quả bảo vệ của lớp phủ. 
2. Kết quả và đánh giá: 
 Các kết quả quan sát tại hiện trường và phân tích các ảnh kỹ thuật số có độ phân 
giải cao cho thấy, cống Xuân quan cũ sau 40 năm sử dụng bị hư hỏng nặng do ăn mòn. 
Các bộ phận dầm biên và bánh xe bị ăn mòn nặng không còn khả năng làm việc , bản mặt 
bị ăn mòn tạo thành các lỗ và rãnh rất khó làm sạch. Cống Xuân quan mới, thay năm 
1999, có kết cấu giống cống cũ. Được sơn bảo vệ ba lớp. ở một số bộ phận gần bulông, 
thanh nẹp có hiện tượng phồng rộp, độ dính bám kém. Bản mặt, dầm chính, dầm phụ chưa 
có hiện tượng bị ăn mòn. Cống Báo đáp nằm cách cống Xuân quan 3km về phía thượng 
lưu và cách hệ thống nước thải công nghiệp của thị trấn Gia Lâm 100m về phía hạ lưu. 
Cửa van cống Báo đáp cũ sau17 năm vận hành toàn bộ cửa van cũ bị hư hỏng rất nặng do 
ăn mòn. Dầm chính, dầm phụ, bản mặt đều bị ăn mòn mạnh, bị rỗ sâu. Các dầm biên, 
dầm đáy bị thoái hoá mạnh hơn, đặc biệt vị trí gần cao su chặn nước. Cửa van cống Báo 
đáp mới, thay năm 2000, có kết cấu giống cửa van cũ. Sơn bảo vệ gồm 2 lớp, chưa có hiện 
trạng thoái hoá rạn nứt, có khả năng bảo vệ tốt. 
Cống Lân II và cống Hoàng Môn làm việc trong môi trường nước lợ. Cống Lân II 
được đưa vào khai thác năm 1996, gồm 4 cửa van hình cung, mặt cong quay ra phía biển. 
Phần bản mặt không thường xuyên ngập trong nước biển, lớp phun kẽm còn có độ dính 
bám tốt, nhiều chỗ bản mặt bị han rỉ nhưng không nặng lắm, hà bám không nhiều, bóc 
lớp hà trên bản mặt của van thấy lớp phun kẽm không còn, bề mặt cửa van đã bị ăn mòn. 
Càng xuống sâu hà bám càng dày đặc. Hiện tượng ăn mòn không đều, lồi lõm, nhiều chỗ 
bị ăn mòn sâu. Cống Hoàng Môn có cửa van phẳng hệ dầm được thay mới năm 1999, 
cách cống Lân II vào khoảng 800m. Sau 3 năm đưa vào sử dụng, các cửa van đã bị ăn 
mòn nặng, bề mặt lồi lõm rất khó làm sạch rỉ khi bảo dưỡng định kỳ. Nhiều chỗ trên bản 
mặt đã bị thủng. Các dầm biên bị ăn mòn mạnh làm mất khả năng chịu lực. 
Quá trình ăn mòn phụ thuộc vào kết cấu công trình, các dầm biên và dầm đáy 
thường bị ăn mòn mạnh hơn (ăn mòn khe và ăn mòn ứng suất). Chế độ triều, sinh vật biển 
bám trên cửa van đã làm tăng tốc độ ăn mòn. Sự ăn mòn không đều đã làm cho một số bộ 
phận sớm bị hư hỏng và hệ thống cửa van bị xuống cấp nhanh chóng. 
Kết quả xác định chiều sâu ăn mòn của các cấu kiện cửa van tại hiện trường (Bảng 
I) đã giúp cho chúng ta thấy rõ hơn về hiện trạng ăn mòn cửa van. Chiều dày thực tế của 
bản mặt và các dầm được xác định bằng thiết bị đo chiều dày thép Panametrics Model 25 
sau khi đã hiệu chỉnh bằng mẫu thép chuẩn có chiều dày 15mm và có hàm lượng các bon 
thấp tương ứng với vật liệu thép cửa van. Cửa van được nâng lên và đánh dấu các vị trị cần 
đo Xi,Yj theo hệ toạ độ OXY nằm trong mặt phẳng thẳng đứng phía thượng lưu, có gốc 
 3
toạ độ nằm ở góc trái đáy cửa van, trục X có chiều dương hướng từ trái sang phải, trục Y 
có chiều dương hướng từ dưới lên. Vị trí đo được làm sạch hàu hà và tẩy lớp rỉ hoặc lớp 
sơn phủ bằng giấy nhám mịn 500. Chiều dày thực tế ij là giá trị trung bình của ba lần đo 
tại điểm Xi,Yj. Chiều sâu ăn mòn được xác định:  ij = bđ ij ; trong đó bđ là chiều 
dày ban đầu của đầm và bản mặt. 
Bảng I: Kết quả đo chiều sâu bị ăn mòn cửa van cống Xuân Quan cũ 
Tên công 
trình 
Các bộ phận chính của cửa van 
Bản mặt Dầm ngang Dầm biên 
Đ
iể
m
 Toạ độ 
(m) ij 
(mm) 
Đ
iể
m
Toạ độ 
(m)  ij
(mm) 
Đ
iể
m
 Toạ độ 
 (m)  ij
(mm) 
Xi Yj Xi Yj Xi Yj 
Xuân 
Quan 
(1959) 
1 0,7 0,8 0,10 7 0,8 0,4 2,54 13 0,05 0,8 4,12 
2 0,7 1,6 0,09 8 1,8 0,4 2,57 14 0,05 1,6 2,80 
3 1,5 2,5 0,14 9 0,8 2,0 0,49 15 0,05 2,5 3,97 
4 1,5 3,4 0,05 10 1,8 2,0 0,47 13* 0,05 0,8 4,20 
5 2,2 3,4 0,04 11 0,8 4,0 0,47 14* 0,05 1,6 3,00 
6 2,8 3,4 0,08 12 1,8 4,0 0,48 
Chú thích: -  ij (mm) là chiều sâu bị ăn mòn tại điểm Xi Yj . 
 - Gốc toạ độ OXY đặt tại góc trái dưới đáy van ở phía thượng lưu. 
 Từ các kết quả quan sát và các kết quả xác định chiều sâu ăn mòn cho thấy cửa 
van bị ăn mòn không đều. Chiều sâu ăn mòn của dầm biên, dầm đáy và chân vùng triều 
thường lơn hơn so với các vùng khác. Vùng có hà bám thường bị ăn mòn rất mạnh và làm 
cho bề mặt bản mặt bị lõm sâu. 
Kết quả đo các chỉ tiêu chất lượng nước, xác định bằng các thiết bị IH 8304, CO150, 
IH 9143 và máy quang phổ hấp phụ DR2000 và PALINTEST 7000, được ghi trong bảng 
II. Độ đẫn điện của vùng nước lợ lơn hơn hẳn vùng nước ngọt. Cống Lân II và cống 
Hoàng môn nằm trong môi trường có tác dụng xâm thực mạnh. Hạ lưu cống Báo đáp do 
ảnh hưởng của môi trường ô nhiễm độ nên dẫn điện lơn hơn so với thượng lưu Xuân quan. 
Các môi trường có độ dẫn điện lớn hơn thì tốc độ ăn mòn sẽ lơn hơn, do mật độ dòng anốt 
hoà tan kim loại tăng. 
Việc đánh giá ảnh hưởng của vật liệu chế tạo cửa van có thể dựa vào kết quả phân 
tích thành phần hoá học trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL-3460 và kết quả xác 
định các tính chất điện hoá trên thiết bị AUTOLAB với phần mềm GPES tự động (bảng 
III). Các mẫu thép cán Việt nam CT38 ( Báo đáp ) và thép cán nhập CT3 của Nga ( Xuân 
 4
quan) và mẫu nước đều lấy tại hiên trường. Kết qủa cho thấy rõ ràng là tốc độ ăn mòn của 
thép ở thượng hạ lưu cửa van vùng biển có sự khác nhau rõ rệt hơn hẳn ở vùng nước ngọt. 
Thép cán CT3 của Nga có độ bền ăn mòn khá hơn so với thép cán CT38 Việt nam, song 
cả 2 loại thép trên đều thuộc nhóm thép đảm bảo độ bền ăn mòn trong môi trường làm 
việc. 
Bảng II. Kết quả đo các chỉ tiêu chất lượng nước 
T
T 
Chỉ tiêu 
Đơn 
vị 
Xuân Quan Báo Đáp Hoàng Môn Lân II 
Thg 
lưu 
Hạ 
lưu 
Thg 
lưu 
Hạ 
lưu 
Biển 
Đồng 
Biển 
Đồng 
2 pH - 7,72 7,68 7,61 6,91 7,81 7,78 7,77 7,42 
3 Độ dẫn S/cm 147,8 154,8 198,9 276 9930 5190  
4 Độ mặn So/oo 0,1 0,1 0,1 0,1 5,5 2,8 4,6 0,3 
5 DO mg/l - - - - 8 7,8 7,9 7,8 
 Cl- mg/l 18,5 20,7 18,2 22,7 3120 1340 2420 140 
 Ca2- mg/l 22 25 21 29 40,1 41 42,1 41 
 SO4
2- mg/l 8 8 7 10 250 150 332 30 
 NO3
- mg/l 0,24 0,36 0,23 0,44 0.11 0,15 0.32 0.35 
BảngIII: Các chỉ tiêu ăn mòn điện hoá của thép CT3 Nga và CT38 Việt nam: 
S 
T 
T 
Thông số 
điện hoá 
Cống Lân II 
CT38 
Hoàng môn. 
CT38 
 Báo đáp 
Thượng lưu 
Xuân quan 
Hạ lưu 
Thg lưu 
biển đồng biển 
đồng 
CT38VN CT38VN CT3Nga 
1 iăn mòn 
(A/cm2) 
5,134.10-8 1,167.10-8 2,450.10-8 1,565.10-8 6,070.10-9 5,410.10-9 4,766.10-9 2,365.1010 
2 Ptn 
(mm/năm) 
2,526.10-4 1,364.10-4 4,713.10-4 3,657.10-4 1,419.10-4 1,264.10-4 1,114.10-4 5,526.10-5 
Khi so sánh kết quả đo ở bảng I và bảng III, chúng ta thấy chiều sâu ăn mòn đo đạc 
tại hiện trường lớn so với kết quả đo trong phòng thí nghiệm nhiều lần. Nguyên nhân chủ 
yếu là do sự tác động thời của nhiều nhân tố cơ, lý, hoá, vi sinh, kết cấu và điều kiện làm 
việc. 
 5
 Việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của sản phẩm ăn mòn chúng ta có thể dựa vào các 
kết quả phân tích thành phần lớp rỉ bằng nhiễu xạ tia Rơngen . Ví dụ phân tích lớp rỉ ở 
cửa van công Lân II cho kết quả sau: 
 - FeO(OH): 48 50%;  - FeO(OH): 8 10%; - FeO(OH): 28 30% ; Fe2O3 <10%; Fe3O4 < 3 
 Các pha chủ yếu của thành phần lớp rỉ có độ xít chặt không cao, khả năng ức chế 
quá trình ăn mòn thép kém. 
 Quá trình ăn mòn cửa van thép phụ thuộc rất lớn vào hiệu quả của các phương 
pháp bảo vệ. Có nhiều phương pháp bảo vệ như sơn phủ, bảo vệ catốt, phun kẽm, bọc 
composit hoặc kết hợp các phương pháp trên đã được áp dụng. Song thực tế, hầu hết các 
cửa van thuỷ lợi vẫn được chống ăn mòn bằng lớp sơn bảo vệ. Việc xác định các chỉ tiêu 
của màng sơn như độ bóng, độ dính bám, độ dày và phân tích cấu trúc màng sơn bằng 
phổ hồng ngoại gíup chúng ta có thể đánh giá hiệu quả của phương pháp bảo vệ này. 
 a/ b/ 
 Hình 1: Phổ hồng ngoại : a/ sơn Epoxy cửa van Xuân quan b/ sơn Alkyd cửa van Hoàng môn 
Kết quả phân tích cấu trúc màng sơn bằng phổ hồng ngoại (hình 1) cho thấy cống 
Xuân quan được bảo vệ rất hợp lý bởi 3 lớp sơn: lớp lót epôxy chống rỉ (hình 1a), lớp giữa 
epôxy màu ghi, lớp phủ mặt bitum. Ngược lại cống Hoàng môn nằm trong vùng nước lợ 
chụi tác dụng xâm thực mạnh lại được bảo vệ bằng bằng 2 lớp sơn alkyd (hình 1b) là loại 
sơn có khả năng chụi nước rất kém. Vì vậy nên chỉ mới sau 3 năm đưa vào sử dụng cửa 
van dã bị hư hỏng nặng. 
3. Kết luận 
- Ăn mòn cửa van là quá trình ăn mòn điện hoá của vật liệu không đồng nhất trong 
môi trường không đồng nhất. Quá trình ăn mòn này còn chịu tác động trực tiếp của sinh 
vật bám trên bề mặt cửa van. 
- Hình thức ăn mòn cửa van rất đa dạng. Ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn khe, ăn mòn 
ứng suất, ăn mòn mài mòn và tác động của môi trường theo chu kỳ thuỷ triều, đóng mở 
cửa van đã đẫn đến sự ăn mòn không đều, làm một số kết cấu sớm bị hư hỏng và hệ 
thống cửa van nhanh chóng xuống cấp. 
 6
- Các phương pháp bảo vệ có ảnh hưởng rất quyết định đến tuổi thọ cửa van. Việc 
chống ăn mòn cửa van cần được giải quyết một cách đồng bộ từ việc tăng cường công tác 
quản lý, sử dụng vật liệu thích hợp, hợp lý hoá kết cấu và đồng thời kết hợp các phương 
pháp bảo vệ có hiệu quả. 
- Để có những đánh giá đầy đủ hơn về hiện trạng ăn mòn cửa van và hiệu quả các 
phương pháp bảo vệ, công việc khảo sát hiện trạng cần được tiếp tục mở rộng cho các tỉnh 
vùng ven biển miền Bắc, miền Trung và đồng bằng sông Cửu long. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Lê Công Dưỡng: Vật liệu học ; NXB Khoa học và kỹ thuật Hà nội, 1997. 
[2] Helmut Kaesche: Die Korrosion der Metalle; Springer-Verlag Berlin, 1990. 
[3] W. Baeckmann: Handbuch des kathodischen Korrosionsschutz; VCH-Verlag 
Weinheim, BRD, 1989. 
[4] Josef Ruf: Organische Metallschutz; Vincentz Verlag, Hanover, BRD, 1993. 
[5] Klaus Moerber: Praktischer Korrosionsschutz; Springer-Verlag Berlin, 1985. 
Summary 
 The steel gate in hydraulic structures sustains under both the complex of loading 
on structures and the impact of water environment, especially in salt water, that cause the 
steel corroding became faster. Site investigation, measurement depth of corroding, 
knowing mechanism property of the paint, analyzing the structure and mechanism 
characteristic of steel that made the gate, to combine with the analyzing of water 
environment, the component of the rust under the X-rays have been came to conclusion 
for the cause of corroding and to orient the solutions to protect the steel gate in water 
environment.