Một số vấn đề ăn mòn của cửa van thép thủy lợi ở Đồng bằng sông Cửu Long

Một số vấn đề ăn mòn của cửa van thép thủy lợi ở Đồng bằng sông cửu long PGS.TS Đỗ Văn Hứa TS Nguyễn đình Tân Đại học Thủy lợi Hà nội Tóm tắt: Trong vòng gần 10 năm các công trình thủy lợi ở ĐBSCL được xây dựng khá nhiều và mang lại hiệu quả phát triển kinh tế xã hội rất mạnh. Một trong các kết cấu chủ yếu của công trình thủy lợi là hệ thống cửa van ngăn mặn giữ ngọt phục vụ tưới tiêu và nuôi trồng thủy sản. Sau khi khảo sát nhiều công trình ở các tỉnh thuộc ĐBSCL chúng tôi thu nhận được các hiện trạng hư hỏng các loại công trình bằng thép ở các điều kiện môi trường khác nhau. Qua phân tích đánh giá đã đưa ra các nguyên nhân hư hỏng làm cơ sở khoa học để nghiên cứu chọn dạng kết cấu, loại vật liệu, phường pháp bảo vệ và quy trình quản lý khai thác sử dụng nhằm tăng độ bền và tuổi thọ công trình. 1. Đặt vấn đề Trong khoảng mười năm trở lại đây, hệ thống công trình thủy lợi ở Đồng bằng sông Cửu Long phát triển rất mạnh mẽ. Các công trình chủ yếu là các cống ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng. Tuy mới được đưa vào sử dụng khoảng vài năm nhưng đã có những biểu hiện hư hỏng, đặc biệt là các kết cấu làm bằng thép than thông thường. Để đánh giá hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng thép công trình thủy lợi ở ĐBSCL, chúng tôi đã tiến hành khảo sát 15 công trình thuộc 4 tỉnh: Kiên Giang, Long An (chua mặn ven biển), Sóc Trăng, Tiền Giang (vùng ven biển). So với các vùng khác những đặc thù riêng của ĐBSCL là: - Cửa van làm việc trong môi trường chua mặn và phạm vi ảnh hưởng của thủy triều sâu rộng. - Vật liệu chế tạo cửa van và phương pháp chống ăn mòn đa dạng. - Hình thức công trình, kết cấu cửa van đa dạng, chế độ vận hành phổ biến là tự động. 2. Hiện trạng ăn mòn kết cấu thép cửa van Hầu hết các cửa van lộ thiên tự động đóng mở ở vùng triều cho thấy rõ 4 vùng ăn mòn (hình 1): Hình 1: Phân vùng ăn mòn cửa van Hình 2: Ăn mòn vi sinh do hàu hà (Cống Gò Công Tiền Giang) 1 2 3 4 Vùng không ngập nước (1) chịu tác động thường xuyên của khí quyển biển. Vùng té nước (2) chịu tác dụng của sóng do gió hoặc vận tải thủy. Vùng thuỷ triều (3) nằm kẹp giữa mức nước cao nhất và thấp nhất do thuỷ triều, vừa chịu tác động của môi trường nước giàu ôxy, vừa chịu tác động của khí quyển biển. Vùng ngập nước (4) là vùng nằm dưới mức thấp nhất của công trình. Trong vùng này quá trình ăn mòn xẩy ra liên tục. Bên cạnh ăn mòn điện hoá, vùng này thường chịu ảnh hưởng rất lớn của ăn mòn vi sinh do có một số dạng sinh vật biển như rong rêu, hàu hà thường bám lên bề mặt cửa van (hình 2). Kết quả đo chiều sâu ăn mòn của một số cửa van được tổng hợp ở bảng 1: Bảng 1. Bảng tổng hợp kết quả đo chiều sâu ăn mòn trung bình năm T.T Tên công trình Loại van Môi trường Khai thác từ năm Chiều sâu ăn mòn van trung bình hàng năm  (mm/năm) Bản mặt Dầm đứng D. ngang 1 Vàm Tháp VP/SK S-Đ 1998 0.008 0.035 0.041 2 Gò Công VP/KR S-Đ 1990 0.004 * 0.009 3 Long Hải VP/C S-Đ 1995 0.007 * 0.015 4 Kỳ Sơn VP/C S-Đ 1996 1.186 0.996 0.649 5 R.Tranh BL VP/S S-Đ 1998 1.524 0.805 0.881 6 Đôi Ma VP/S S-Đ 1998 0.153 0.106 0.132 7 Tầm Vu VP/C S-Đ 1999 1.814 0.974 1.008 8 R.Tranh TX VP/K S-Đ 1994 0.133 0.130 0.125 9 Lung Lớn 1 VP/K B-Đ 1998 0.032 0.025 0.023 10 Luỳnh Huỳnh VP/S S-Đ 2003 0.357 0.315 0.327 11 Vàm Rẫy VP/S S-Đ 1999 0.165 0.099 0.097 12 Cống Số 2 VP/S B-Đ 1998 0.064 0.094 0.086 13 Cống T5 VP/S S-Đ 1998 0.065 0.066 0.058 14 Sáu Quế 1 VP/C B-Đ 1989 0.035 * 0.038 15 Sáu Quế 2 VP/KR B-Đ 1994 0.014 0.019 0.007 Chú thích: VP – Van phẳng; VC – Van cung; S – Sơn, C – Bọc compôzit, S-Đ - Sông đồng, B-Đ - Biển đồng. K – Phủ kẽm, KR – Thép không rỉ. Từ bảng kết quả cho thấy bình quân hàng năm cửa van bị ăn mòn cửa van thép thuờng bị ăn mòn từ 0,1 đến 0,3 mm/năm phụ thuộc vào môi trường và loại lớp phủ. Thép không rỉ bị ăn mòn không đáng kể khoảng 0,0045-0,005 mm/năm 3. Về lớp phủ bảo vệ Kết quả khảo sát ở đồng bằng sông Cửu Long cho chúng ta thấy nhiều phương pháp chống ăn mòn khác nhau đã được ứng dụng để bảo vệ cửa van thép như sơn phủ, bọc compôzit, phun kẽm, anôt hy sinh. Việc xác định các chỉ tiêu của màng sơn đã sử dụng: - Máy đo chiều dày Coating Thickniss Gauge - CHLB Đức. - Độ dính bám của lớp phủ được xác định bằng phương pháp kẻ ô kéo dật. - Độ bóng lớp phủ được xác định bằng máy Picoglos Model 503 CHLB Đức với độ bóng theo góc 600 theo kính chuẩn. - Cấu trúc màng sơn được xác định bằng phổ hồng ngoại tại Viện Nhiệt đới- Viện Khoa học Việt nam. Mẫu được cạo từ bề mặt cửa van tại hiên trường. - Các số liệu đo đạc chiều dầy lớp phủ và độ bóng lớp phủ được tính ra giá trị trung bình ở các công trình điều tra khảo sát và tổng hợp lại ở bảng 2 Bảng 2: Các đặc trưng của lớp phủ STT Tên công trình chiều dầy (àm) Độ bóng (góc 600) Độ dính bám Loại sơn Sơn 1 Đôi Ma 163,88 8,84 89,4 Epôxy 2 lớp 2 Luỳnh Huỳnh 172,2 6,76 32,0 Epôxy 2 lớp 3 Vàm Rầy 201,8 3,35 38,0 Epôxy 2 lớp 4 Cống Số 2 153,08 18,34 76,0 Epôxy 2 lớp Sơn + phủ kẽm 5 Vàm Tháp 178 31,56 - Epôxy 6 Rạch Chanh TX 104.92 3,57 - Epôxy 1 lớp Phủ compôzit+sơn 7 Long Hải 2,612 1,75 - Có nền polyeste, cốt sợi thuỷ tinh bền trong nước ngọt và nước biển 8 Kỳ Son 8,1 1,62 - 9 Rạch Chanh BL 7,74 1,67 - 10 Tầm Vu 7,65 2,5 - 11 Sáu Quế I 2,3 1,92 - Sơn + protectơ 12 Lung Lớn I 174,8 53 86,2 Epôxy 1 lớp 13 Cống T5 185,12 44,93 82 Epôxy 1 lớp Để xác định cấu trúc màng sơn chúng tôi đã lấy mẫu tại hiện trường của các Công trình bằng cách cạo sơn ở bề mặt van đưa về phòng thí nghiệm của Viện kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện khoa học Việt Nam phân tích trên máy quang phổ xác định phổ hồng ngoại của lớp phủ (ví dụ phổ hồng ngoại lớp sơn phủ cống Lung lớn I, so sánh với phổ chuẩn được mô tả trên hình 3). Sau đó đối chiếu với các đường phổ sơn chuẩn chúng ta xác định được loại sơn đã sử dụng. 66 6.2 9 83 0.1 6 10 24. 75 12 44. 95 12 96. 16 14 60. 03 15 06. 12 16 08. 53 29 24. 61 29 61. 69 34 21. 34 Cong Lung Lon to mau 1 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 % Tr an sm itta 1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1) Hình3a: Phổ hồng ngoại lớp sơn ngoài cống Lung lớn I Hình3b: Phổ hồng ngoại lớp sơn ngoài cống Lung lớn I so sánh với các phổ chuẩn (sơn epôxy) Nhận xét: Nhóm cửa được bảo vệ bằng sơn epôxy 1 lớp và 2 lớp cho cả vùng ngập nước và không ngập nước có chiều dày < 200àm , sau 2 năm sử dụng đã bị tróc bong, hư hỏng phải sửa chữa và sơn lại. Hình 4: Lớp sơn bị phồng rộp sau gần 2 năm sơn lại (cống Đôi ma) Nguyên nhân hư hỏng do chưa chọn được hệ sơn phù hợp, chiều dày không đảm bảo. Do công nghệ làm sạch bề mặt không đảm bảo nên độ dính bám rất kém , đa số < 50%. Chống ăn mòn bằng phương pháp bọc compôzit có thể chia thành 2 nhóm : - Bọc compôzit toàn bộ cánh van thép: Cống Long Hải, cống Sáu Quế I. - Bọc compôzit phần khung dầm, bản mặt hoàn toàn bằng compôzit: Cống Rạch chanh BL, cống Kỳ Son, cống Tầm Vu. Compôzit đẫ được sử dụng ở các công trình nói trên là nền polyeste cốt sợi thuỷ tinh bền trong môi trường nước ngọt và nước biển. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ có thể là sự phá huỷ dần dần dưới tác dụng của ánh nắng mặt trời và sự ôxy hoá làm mất dần tính chất cơ học ban đầu. Qua khảo sát cho thấy các cánh van thép bọc compôzit với chiều dày < 2,5mm (Long Hải, Sáu Quế I) thì dễ bị bong tróc, không còn khả năng bảo vệ. Bên cạnh đó các bộ phận(phần khung) cửa van bọc compôzit dày >5mm, bản mặt làm bằng compôzit dày 10mm (cống Rạch Chanh BL, cống Kỳ Son, cống Tầm Vu), sau gần 10 năm sử dụng chưa có hư hỏng đang kể, khả năng bảo vệ thép và khả năng chịu lực đảm bảo (hình 5). Hình 5a: Cống Sáu quế I Lớp compozit dầy 2,3 mm bị bong tróc và thép bị han rỉ Hình 5b: Toàn bộ cánh van thép cống Long Hải được bảo vệ bằng bọc compozit Hình 5c: Bản mặt compozit cống Rạch Chanh - Bến Lức dầy 7,74mmm Tuy còn một số tồn tại nhất định nhưng theo chúng tôi bảo vệ thép bằng bọc compôzit là một hướng có triển vọng nên tiếp tục nghiên cứu, khắc phục những tồn tại để hoàn thiện công nghệ bọc nhằm nâng cao độ bền và giảm giá thành để có thể ứng dụng rộng rãi. Nhiều cửa van vùng đồng bằng sông Cửu Long đã được bảo vệ bằng phun kẽm. Kết quả theo dõi thực tế cho thấy độ bền của lớp phun kẽm có thể đạt từ 3 đến 5 năm mới phải phun lại. Nhược điểm cơ bản của biện pháp này là giá thành cao so với sơn phủ và công nghệ phun phải thực hiện theo đúng qui trình chặt chẽ, nên việc bão dưỡng tại hiện trường gặp nhiều khó khăn. Nhóm chống ăn mòn bằng phương pháp kết hợp phun kẽm và sơn epôxy cho thấy trong vùng mặn có hiệu quả tốt hơn trong vùng chua mặn. Các cánh cống Vàm Tháp sau 6 năm sử dụng vẫn đảm bảo khả năng làm việc tốt. Cống Rạch Chanh TX làm việc trong môi trường chua mặn sau 8 năm có mức độ hư hỏng lớn, dầm đáy khung cửa và ốp trục đứng bị ăn mòn và cần sớm thay thế. Các kết quả khảo sát ở cống Lung Lớn và T5 chúng tôi thấy hầu hết các anốt hy sinh dùng trong bảo vệ cửa van là loại anốt hy sinh kẽm đạt TCVN 6024-1995. Các anốt hy sinh có khả năng bảo vệ rất tốt phần cánh van vùng thuỷ triều và vùng ngập nước. ở vùng không ngập nước, lớp sơn phủ chưa có hiện tượng tróc bong (hình 6). Điều đó cho thấy việc kết hợp giữa bảo vệ bằng catốt và bằng sơn phủ tương đối hợp lý. Song việc bố trí anốt hy sinh chưa thật hơp lý, một số anốt đã bị tan hết, cần bổ sung ngay. Nhìn chung lớp sơn bảo vệ thường chưa đảm bảo chiều dày. Hình 6a: Cống Luỳnh Huỳnh được bảo vệ bằng protectơ và sơn epoxy Hình 6b: Protectơ bị hòa tan cần sớm được thay thế Nhóm chống ăn mòn bằng phương pháp kết hợp phun kẽm và sơn epôxy cho thấy trong vùng mặn có hiệu quả tốt hơn trong vùng chua mặn (hình 7). Hình 7: Cửa van Vàm rầy sơn epôxy Hình 8: Hư hỏng của van Rạch chanh TX Các kết quả khảo sát hiện trường cho thấy các cửa van bằng thép không gỉ ở đồng bằng sông Cửu có hàm lượng Crôm > 12%. Lúc này trên bề mặt thép sẽ được phủ kín bởi một lớp ôxyt Crôm Cr2O3 xít chặt, ngăn tách sự tiếp xúc của thép với môi trường xung quanh và làm tăng khả năng chống ăn mòn của thép. Thép không rỉ là loại thép có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường ăn mòn mạnh như axit, môi trường ô nhiễm. Trên các cánh van thép không rỉ của cống Sáu Quế 2 và cống Gò Công, chúng ta thấy có hiện tượng biến màu xung quanh mối hàn do ăn mòn (hình 9). Hình 9a: Cửa van thép không gỉ Gò Công Hình 9b: Hiện tượng ăn mòn mối hàn thép không rỉ ở cống Sáu Quế 2 4. Nguyên nhân hư hỏng Ngoài số liệu đo đạc thực địa, chúng tôi đã nghiên cứu ở phòng thí nghiệm với các nội dung sau: - Phân tích tổ chức tế vi của thép (hình 10) - Phổ nhiễu xạ Rơn ghen mẫu rỉ thép (hình 11) - Đường phân cực thép trong môi trường nước (hình 12) Từ các kết quả trên chúng tôi đưa ra một số nguyên nhân hư hỏng sau: Hình10a. Tổ chức tế vi thép cac bon CT38 (phóng đại 500 lần) Hình10b. Tổ chức tế vi thép không rỉ 08Cr18Ni10 Hình 11: Phổ nhiễu xạ Rơnghen mẫu gỉ cống T5 - Kiên Giang Hình 12a: Đường phân cực thép CT38 trong nước cống Lung lớn I, mùa khô Hình 12b: Đường cong phân cực thép 08Cr18Ni10 trong nước cống Sáu Quế I mùa mưa 1. Hệ thống cửa van công trình thuỷ lợi phải làm việc trong điều kiện chiụ tác dụng xâm thực mạnh của môi trường nước, đặc biệt ở vùng ven biển còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều, môi trường chua mặn làm cho kết cấu thép bị ăn mòn nghiêm trọng, các cửa van xuống cấp nhanh, ảnh hướng rất lớn đến tuổi thọ và hiệu quả khai thác của công trình. 2. Bản chất của quá trình ăn mòn ở cửa van là ăn mòn điện hoá của vật liệu không đồng nhất trong điều kiện môi trường không đồng nhất và ăn mòn vi sinh, một phần của cửa van còn chịu ảnh hưởng của quá trình ăn mòn khí quyển biển và bị mài mòn. 3. Hình thức ăn mòn cửa van rất đa dạng: ăn mòn khe thường sảy ra ở bộ phận thép trong khe van; ăn mòn tiếp xúc thường sẩy ra nơi lên kết các bộ phận làm bằng vật liệu khác nhau; ăn mòn tinh giới sẩy ra ở vị trí các mối hàn; phần thép bản ốp trục quay bị ăn mòn mài mòn. ăn mòn lỗ và ăn mòn tinh giới có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của công trình. 4. Thành phần lớp han rỉ phụ thuộc vào thành phần của thép và thành phần của môi trường. Lớp han rỉ xốp và độ bền cơ học kém, khả năng ức chế ăn mòn hạn chế. Vì vậy tuổi thọ công trình chủ yếu phụ thuộc hiệu quả của các phương pháp bảo vệ. Sau khi xác định khả năng chịu lực còn lại của cửa van thép CCT38 cho thấy tuổi thọ an toàn cho cửa van vùn ven biển chỉ trong khoảng 10 đến 15 năm tuỳ thuộc vào lớp bảo vệ. 5. ở phần lớn các công trình cửa van được bảo vệ bằng 1 lớp hoặc 2 lớp sơn êpoxy. Chiều dày các lớp sơn từ 150 đến 200àm - chưa phù hợp với môi trường nước lợ và khí quyển biển ở Việt Nam. Cửa van đóng mở tự động phần lớn ngập trong nước, các anốt hy sinh có khả năng bảo vệ rất tốt phần ngập nước và vùng triều của cửa van nếu mật độ và chủng loại phù hợp. Phương pháp bảo vệ kết hợp phun kẽm và sơn phủ trong vùng mặn có hiệu quả tốt hơn vùng chua mặn. Việc sử dụng các hệ sơn kết hợp còn chưa được sử dụng . 6. Hình thức kết cấu phần công trình và cấu tạo kết cấu thép đều có sự ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ăn mòn. Các cửa van phẳng tự động có khung cửa nằm trong khe van và ốp trục quay dễ bị ăn mòn. ở hốc dầm của một số cửa van bị đọng nước thường xuyên là điều kiện phát triển ăn mòn. Các cửa van chế tạo từ các vật liệu có độ bền ăn mòn cao như compôzit, thép không rỉ đã được áp dụng, song cần nghiên cứu điều kiện áp dụng, tránh lạm dụng, gây tốn kém. Trong khi chưa có nghiên cứu đầy đủ chúng tôi đề nghị : Các của van nhỏ thông thường có thể sử dụng thép CCT38, còn công trình ngăn mặn, lớn, quan trọng nên chế tạo cửa van bằng thép CT3 của Nga. Khung cửa van tự động có thể chế tạo bằng thép không rỉ. 5. Kiến nghị 1. Việc bổ sung các số liệu về môi trường nước, khí quyển là rất cần thiết cho việc lựa chọn các phương án, cấu tạo kết cấu, vật liệu chế tạo cửa van, phương pháp bảo vệ thích hợp . 2. Cần tổ chức nghiên cứu các giải pháp về kết cấu, vật liệu chế tạo van, giải pháp bảo vệ chống ăn mòn để nâng cao tuổi thọ cửa van. Tài liệu tham khảo 1. Báo cáo “Điều tra khảo sát sự ăn mòn kim loại của cửa van trong hệ thống công trình thủy lợi đồng bằng Sông Cửu Long năm 2004”. 2. Đỗ Văn Hứa, Nguyễn hoàng Hà, Vũ hoàng Hưng. ảnh hưởng ăn mòn kim loại đến khả năng chịu lực cửa van thép công trình thuỷ lợi, Tạp chí Thủy lợi & môi trường, số 7 tháng 11-2004 3. Đỗ Văn Hứa. Một số ý kiến về sử dụng và phát triển kết cấu thép ngành Thuỷ lợi, Tạp chí Tài nguyên nước, số 3-2004 4. Đào Đạt, Hoàng Phó Uyên Các kết quả nghiên cứu về sơn chống ăn mòn cho các công trình thủy lợi, Tạp chí thủy lợi số 331, 12-1999. 5. Nguyễn Bá Yêm. Quá trình ăn mòn cửa van thép trong nước biển và biện pháp bảo vệ, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn, số 11-2001. 6. Trần Tuấn Bửu. Chọn dạng hợp lý cho các công trình ngăn mặn, giữ ngọt và xả lũ ở miển Trung, Tạp chí Tài nguyên nước, tháng 5-2001. 7. Lê Sâm. Diễn biến mặn dọc sông Cửu Long và đánh giá chiều dài xâm nhập mặn, Tạp chí Tài nguyên nước, tháng 3.- 2001. 8. Công nghệ bảo vệ catốt để chống ăn mòn cho các công trình, Trung tâm nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ. 9. Phạm Văn Khoan, Trân Nam. Giải pháp chống ăn mòn và bảo vệ cốt thép chịu tác động xâm thực clo trong môi trường biển, Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, số 1-2004. Abtract In recent 10 years, many hydraulic works have been built in Mekong delta and they play significantly roles in socio-economic development of the areas. One of the most important component in hydraulic work in the area is a hydraulic gate system which service to prevent saline water and to keep fresh water for agriculture and aquaculture. After field investigation at many hydraulic works within the Mekong provinces, we can identify corruption of steel gate in different environment. With quantitatively analysis, we find out the reasons of their damages and recommend structures, materials, protective methods as well as management and exploitative procedures in order to increase working life of hydraulic gates.