Các loại ăn mòn phổ biến và nguyên nhân

Ăn mòn là sự suy thoái dần dần của kim loại thông qua các phản ứng điện hóa hoặc hóa học với môi trường, dẫn đến mất vật liệu và làm suy yếu cấu trúc. Các loại ăn mòn khác nhau phát sinh từ cơ chế và tương tác môi trường khác nhau. 

Chi phí sửa chữa liên quan đến ăn mòn là không thể tính toán do tính khó dự đoán và liên tục, bạn sẽ phải đối mặt với các tác động gây hại của ăn mòn hàng ngày, hàng giờ. Dưới đây là phân tích các loại ăn mòn phổ biến và cơ chế hình thành:

Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn galvanic (Galvanic Corrosion)

• Cơ chế: Xảy ra khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc trong chất điện phân. Kim loại hoạt động hơn (anode) bị ăn mòn, trong khi kim loại trơ hơn (cathode) được bảo vệ. Các yếu tố ảnh hưởng:
  • Chênh lệch điện thế (theo Chuỗi Galvanic).
  • Độ dẫn điện của chất điện phân.
  • Tỷ lệ diện tích anode-cathode (anode nhỏ bị ăn mòn nhanh hơn).
• Ví dụ: Thép mạ kẽm (galvanized) hy sinh để bảo vệ thép nền.

Hậu quả của ăn mòn điện hóa rất nghiêm trọng, bao gồm:

• Giảm tuổi thọ của kim loại: Kim loại bị ăn mòn sẽ nhanh chóng hư hỏng, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng.
• Mất mát tài sản: Ăn mòn điện hóa gây ra thiệt hại kinh tế lớn cho các ngành công nghiệp như xây dựng, giao thông vận tải,...
• Nguy cơ an toàn: Ăn mòn điện hóa có thể gây ra nguy cơ an toàn cho con người và môi trường.

Ăn mòn khe hở (Crevice Corrosion)

• Cơ chế: Xảy ra trong không gian hẹp (ví dụ: dưới gioăng, bu lông hoặc vòng đệm) nơi chất lỏng đọng tạo ra sự chênh lệch nồng độ oxy. Vùng thiếu oxy bên trong khe hở trở thành cực anode, trong khi vùng giàu oxy bên ngoài đóng vai trò cathode, hình thành tế bào chênh lệch oxy hóa. Điều này thúc đẩy quá trình hòa tan kim loại trong khe hở.
• Ví dụ: Thép không gỉ và hợp kim nhôm dễ bị ăn mòn trong môi trường giàu chloride.

Ăn mòn điểm tiếp xúc (TPC)

Ăn mòn điểm tiếp xúc (TPC) là một dạng ăn mòn do sự tương tác của các vật thể bằng gỗ và kim loại để tạo ra các điểm ăn mòn bên trong kim loại.

Loại ăn mòn này phổ biến trong đường ống, xảy ra ở điểm tiếp xúc giữa đường ống và giá đỡ của nó, hoặc bất cứ nơi nào đường ống tiếp xúc với đường ống hoặc vật thể khác. Nước và chất ăn mòn có thể bị mắc kẹt trong kẽ hở giữa đường ống và giá đỡ, và chuyển động giữa đường ống và giá đỡ sẽ phá vỡ cáu cặn làm chậm quá trình ăn mòn. Do đó khó theo dõi và đo lường sự ăn mòn tại vị trí này, vì thường không thể nhìn thấy nếu không nhấc ống lên để kiểm tra.

Ăn mòn rỗ (Pitting Corrosion)

• Cơ chế: Đặc trưng bởi các lỗ nhỏ, sâu do sự phá vỡ cục bộ lớp oxit bảo vệ. Chloride hoặc sulfide thường khởi phát các lỗ rỗ bằng cách tạo môi trường vi mô axit. Sự di chuyển điện tích của anion (ví dụ: Cl⁻) vào lỗ rỗ duy trì độ axit, đẩy nhanh quá trình hòa tan kim loại.
• Ví dụ: Thép không gỉ tiếp xúc với nước biển.

Ăn mòn hoá học

Ăn mòn đồng đều (Uniform Corrosion)

• Cơ chế: Mất vật liệu đồng đều trên bề mặt, thường do tiếp xúc với độ ẩm hoặc axit. Dễ dự đoán nhưng làm giảm độ dày vật liệu theo thời gian.
• Giải pháp: Lớp phủ bảo vệ và bảo vệ cathode.

Ăn mòn Sunfua hoá

Ăn mòn sunfua hóa là kết quả xảy ra tự nhiên của các phản ứng hóa học trong dầu thô, tấn công thép cacbon và các hợp kim khác được sử dụng trong thiết bị lọc dầu. Nó có thể xảy ra ở cả thể lỏng và hơi. Quá trình sunfua hóa có thể gây ra hỏng hóc do ăn mòn trong đường ống, ống dẫn nhiệt, bình chịu áp lực và các thiết bị lọc dầu khác của bạn.

Theo API RP 939-C và API RP 571, thép cacbon và các hợp kim khác có thể bị ăn mòn khi chúng phản ứng với các thành phần lưu huỳnh trong môi trường nhiệt độ cao trên 400 ° F (204 ° C).

Sự hiện diện của hydro làm tăng tốc độ sulfua hóa, và hydro trong các dòng hydro sulfua (H2S) làm tăng mức độ nghiêm trọng của ăn mòn sulfua hóa ở nhiệt độ cao ở nhiệt độ trên 500 ° F (260 ° C). Trong khi đường ống không chứa hoặc hàm lượng silic thấp đã được chứng minh là có tốc độ ăn mòn sunfua hóa cao, việc bổ sung crom làm tăng khả năng chống sunfua hóa của vật liệu.

Ăn mòn cơ học

Ăn mòn xói mòn (Erosion Corrosion)

• Cơ chế: Kết hợp dòng chảy/hạt mài mòn với tấn công hóa học. Dòng chảy hỗn loạn hoặc xâm thực loại bỏ lớp bảo vệ, tăng tốc độ mài mòn cục bộ.
• Ví dụ: Đường ống và cánh bơm.

Ăn mòn ma sát (Fretting Corrosion)

• Cơ chế: Phát sinh từ ma sát chu kỳ giữa các bề mặt trong môi trường ăn mòn, phá vỡ lớp màng thụ động.
• Ví dụ: Mối ghép bu lông hoặc ổ trục.

Ăn mòn vi sinh (MIC)

Ăn mòn do vi sinh vật là một dạng ăn mòn xảy ra tự nhiên do sự phát triển sinh học bên trong vật liệu. Vi khuẩn có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng các vật liệu tiếp xúc với nước tự nhiên, không được lọc hoặc tiếp xúc trực tiếp với dầu và nhũ tương có nguy cơ bị vi khuẩn trong các nguồn này đặc biệt cao.

Loại ăn mòn này đặc biệt tấn công các tài sản bằng thép, bao gồm thép carbon và thép không gỉ, thường được sử dụng trong:

• Đường ống
• Tàu
• Bể chứa
• Cáp thép
• Đường ống

Rỗ do MIC gây ra có ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và độ cứng của các tài sản bằng thép, do đó việc phát hiện sớm và sửa chữa sẽ trở thành một khoản đầu tư quan trọng cho cơ sở của bạn.

Ăn mòn ứng suất (Stress Corrosion Cracking - SCC)

• Cơ chế: Kết hợp ứng suất kéo và môi trường ăn mòn để lan truyền vết nứt. Cơ chế bao gồm:
  • Giòn hydro (Hydrogen Embrittlement): Nguyên tử hydro thấm vào kim loại chịu ứng suất, gây giòn.
  • Hòa tan anode (Anodic Dissolution): Ứng suất tập trung ở đỉnh vết nứt, đẩy nhanh ăn mòn.

• Hệ thống dễ bị: Thép không gỉ trong chloride và thép carbon trong kiềm.

Ăn mòn dưới lớp cách nhiệt (CUI)

Các tài sản cách nhiệt có thể che giấu sự xuống cấp do ăn mòn khỏi tầm nhìn, có nguy cơ gây ra hư hỏng ăn mòn nghiêm trọng trước khi các dấu hiệu vật lý khác được hiển thị.

Ăn mòn dưới lớp cách nhiệt ( CUI ) đề cập đến bất kỳ sự ăn mòn nào xảy ra dưới bề mặt của lớp cách nhiệt do sự tích tụ hơi ẩm trên bề mặt bên ngoài của tài sản. Nó tấn công chủ yếu tấn công các-bon và thép hợp kim thấp, nhưng có thể ảnh hưởng đến bất kỳ tài sản cách nhiệt nào.

CUI là do lớp cách nhiệt thu và giữ nước giữa bề mặt kim loại và vật liệu cách nhiệt, nên rất khó ngăn chặn. Bất kỳ sự cố nào trong hệ thống cách nhiệt của một thiết bị đều khiến nó dễ bị nhiễm CUI bên trong vật liệu kim loại, thường được tìm thấy trong đường ống, tàu thuyền hoặc bất kỳ tài sản nào khác có lớp phủ cách nhiệt.

Ăn mòn liên kết hạt (Intergranular Corrosion - IGC)

• Cơ chế: Tấn công biên giới hạt do tạp chất hoặc thiếu hụt nguyên tố hợp kim (ví dụ: chromium trong thép không gỉ). Sự hòa tan anode tại biên giới hạt làm suy yếu vật liệu, khiến các hạt bị tách rời ("rơi hạt").
• Ví dụ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ đã qua xử lý nhạy cảm dễ bị IGC.

Ăn mòn bề mặt đồng nhất

Tấn công bề mặt đồng nhất là loại ăn mòn phổ biến nhất được tìm thấy trong các thành phần hàng không vũ trụ. Khi sơn hoặc các lớp phủ bảo vệ khác bị mòn khỏi vật liệu, việc bề mặt kim loại tiếp xúc với độ ẩm và oxy trong không khí có thể dẫn đến ăn mòn. Các điều kiện khắc nghiệt mà các tài sản hàng không vũ trụ phải trải qua làm tăng tốc độ hư hỏng này, tạo ra rủi ro lớn đối với sự an toàn và tính toàn vẹn của các vật liệu bị ảnh hưởng.

Ngoài ra, các bộ phận trên máy bay còn có thể xuất hiện các loại ăn mòn khác nhau như ăn mòn ứng suất, ăn mòn cục bộ, đường nối, fillform, và ăn mòn do hai kim loại tác động vào nhau (ăn mòn khác kim loại).

Ăn mòn Filiform (Dạng sợi)

• Cơ chế: Xảy ra dưới lớp sơn/phủ, tạo vết nứt hình sợi do sự di chuyển của ion (Cl⁻, SO₄²⁻) và độ ẩm.
• Nguyên nhân: Lớp phủ bị hư hỏng hoặc thẩm thấu hơi ẩm.
• Ví dụ: Kết cấu thép trong môi trường biển, vỏ tàu, thùng container.

Ăn mòn do dòng điện lạc (Stray Current Corrosion)

• Cơ chế: Dòng điện từ nguồn bên ngoài (đường ray, hệ thống điện) chạy qua kim loại, gây hòa tan điện hóa.
• Nguyên nhân:
  • Hệ thống tiếp đất kém.
  • Kim loại tiếp xúc với đất/nước có dòng điện chạy qua.
• Ví dụ: Ống dẫn gas gần đường ray điện, vỏ tàu tiếp xúc với hệ thống điện trên bờ.

Ăn mòn tẩy rửa (Selective Leaching/Dealloying)

• Cơ chế: Một nguyên tố trong hợp kim bị hòa tan ưu tiên, để lại cấu trúc xốp.
• Dạng điển hình:
  • Dezincification: Kẽm trong đồng thau (Cu-Zn) bị ăn mòn, để lại đồng xốp.
  • Graphitization: Sắt trong gang bị ăn mòn, để lại carbon dạng graphit.
• Ví dụ: Đường ống đồng thau trong hệ thống nước biển.

Ăn mòn oxy hóa nhiệt độ cao (High-Temperature Oxidation)

• Cơ chế: Kim loại phản ứng với oxy ở nhiệt độ >500°C, tạo lớp oxit dễ bong tróc.
• Nguyên nhân:
  • Chu kỳ nhiệt (nóng-lạnh) làm nứt lớp oxit.
  • Thiếu nguyên tố hợp kim chống oxy hóa (Cr, Al).
• Ví dụ: Lò nung, turbine khí, ống xả động cơ.

Cơ chế và phòng ngừa

Cơ chế ăn mòn phụ thuộc vào:

• Thành phần vật liệu.
• Điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, chất gây ô nhiễm).
• Ứng suất cơ học.

Chiến lược phòng ngừa:

• Lựa chọn vật liệu (ví dụ: hợp kim trơ).
• Lớp phủ (ví dụ: mạ kẽm).
• Kiểm soát môi trường (ví dụ: chất ức chế ăn mòn).
• Thiết kế tránh khe hở hoặc vùng đọng nước.

Các phương pháp phát hiện ăn mòn bên trong

Có 4 phương pháp phổ biến hiện nay để phát hiện các ăn mòn vật liệu trong đường ống, cáp thép hay bồn bể, tubing: siêu âm (UT), dòng diện xoáy xung (PEC), từ thông rò (MFL) và nội soi (RVI).