Những thách thức đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao – phần 1

Đây là một sự thật đã được chứng minh, rằng hệ thống sử dụng lớp sơn lót kẽm silicat sẽ có tuổi thọ lâu nhất và cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn tốt nhất trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất. Tuy nhiên, vấn đề ăn mòn dưới lớp cách nhiệt đã trở thành một vấn đề quan trọng.

Michelle Ystad Eriksen, Thạc sĩ Khoa học, Hóa học vật liệu và công nghệ năng lượng
Giám đốc tiếp thị toàn cầu – HPI – Sơn Công nghiệp & Hàng Hải của Jotun

Một sự thật đã được khẳng định trong ngành sơn phủ rằng một hệ thống sử dụng lớp sơn lót kẽm silicat sẽ có tuổi thọ lâu nhất và cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn tốt nhất trong những điều kiện khí quyển khắc nghiệt nhất như ngoài khơi, trong các nhà máy hóa chất và nhà máy lọc dầu.

Tuy nhiên, khi ngành sơn phủ phát triển, hiện tượng ăn mòn dưới lớp cách nhiệt (CUI) đã trở thành một vấn đề quan trọng. Vấn đề này không chỉ xảy ra ở những khu vực có nhiệt độ cao, mà còn ẩn dưới lớp cách nhiệt và tấm ốp, gây khó khăn trong việc phát hiện và khắc phục.

Hạn chế của sơn kẽm silicat đối với hiệu suất nhiệt độ

Trước đây, hệ thống sơn phủ cho nhiệt độ trên 120°C là một lớp sơn kẽm vô cơ silicat (IOZ), tiếp đó là lớp phủ bên ngoài bằng silicon hoặc nhôm silicon. Đây dường như là lựa chọn tự nhiên vì về cơ bản, chất kết dính silicat sẽ trở thành thủy tinh khi lớp sơn phủ đóng rắn, cung cấp cho nó khả năng chịu nhiệt rất cao.

Tuy nhiên, việc thêm bụi kẽm để bảo vệ chống ăn mòn đã hạn chế hiệu suất nhiệt độ tối đa của lớp sơn phủ. Kẽm kim loại có nhiệt độ nóng chảy là 420°C và sau khi đạt đến nhiệt độ này, kẽm sẽ nhanh chóng phản ứng với oxy trong không khí, từ đó phân hủy kẽm kim loại thành kẽm oxit.

Hình 1 cho thấy sơn kẽm silicat trước khi nung (trên) và sau khi nung (dưới). Các hạt “mờ” màu trắng là kẽm kim loại đang phản ứng với oxy và được biến đổi thành kẽm oxit.

image_showing_a_zinc_silicate — Dữ liệu 1: Hình ảnh SEM của lớp sơn phủ IOZ sau khi thêm thành phần vảy thủy tinh và gốm vào trong sơn.

Quá trình này xuất hiện hai vấn đề. Thứ nhất, kẽm oxit không cung cấp khả năng chống ăn mòn galvanic, do đó, lớp sơn phủ bắt đầu mất đi các đặc tính chống ăn mòn. Thứ hai, kẽm oxit có thể tích lớn hơn kẽm kim loại, tức là kẽm oxit chiếm nhiều không gian hơn trong lớp màng phủ. Điều này làm tăng nguy cơ nứt tế vi trong lớp sơn phủ, từ đó làm tăng nhu cầu bổ sung khả năng bảo vệ chống ăn mòn.

Kẽm oxit hình thành như một sản phẩm phụ tự nhiên của lớp sơn kẽm silicat bảo vệ chống ăn mòn galvanic, nhờ đó kẽm kim loại sẽ bị “gỉ” thay vì chất nền tạo thành kẽm oxit, thường được gọi là “lớp gỉ trắng”. Việc hình thành kẽm oxit trong môi trường ăn mòn đã thêm vào một yếu tố cản trở cho lớp sơn phủ, bằng cách lấp đầy cấu trúc lỗ xuất hiện một cách tự nhiên trong các lớp sơn phủ kẽm silicat. Quá trình hình thành kẽm oxit cũng xảy ra khi kẽm được nung ở trên nhiệt độ nóng chảy, dù thông qua phản ứng hóa học hơi khác một chút. Thách thức đối với lớp sơn phủ IOZ là trên nhiệt độ nóng chảy của kẽm, quá trình oxy hóa kẽm xảy ra với tốc độ nhanh đến mức làm ảnh hưởng đến các đặc tính chống ăn mòn galvanic của lớp sơn phủ.

Hơn nữa, khả năng bảo vệ chống ăn mòn galvanic của kẽm là phản ứng điện hóa và các phản ứng này xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao. Trong trường hợp có hơi ẩm như trong các điều kiện CUI, kẽm trong lớp sơn phủ IOZ sẽ bị tiêu hao nhanh chóng, làm giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ so với cùng điều kiện ở nhiệt độ thấp hơn.

Vì lý do này, Hiệp hội quốc gia các kỹ sư nghiên cứu về ăn mòn (NACE) đã tuyên bố rằng IOZ không phải là giải pháp ưu tiên sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 4°C – 175°C, cũng chính là mức nhiệt độ dễ xảy ra CUI nhất. Nhiệt độ trên 175°C thường được chấp nhận là thiếu độ ẩm để xảy ra CUI. Điều này đúng với điều kiện ở trạng thái ổn định; tuy nhiên, thực tế hiếm khi như vậy, đặc biệt nhiệt độ sẽ giảm xuống mức CUI trong suốt thời gian ngưng vận hành và bảo dưỡng, Điều này gây ra hiện tượng ăn mòn, làm xuất hiện ngưng tụ trong hệ thống cách nhiệt và lúc này, CUI trở thành một nguy cơ tiềm ẩn. Lớp cách nhiệt có xu hướng nhốt hơi ẩm, tức là ngay cả khi nhiệt độ quay về mức trên 175°C, CUI vẫn là yếu tố cần xem xét.

Điện thế đảo ngược của IOZ

Vấn đề thứ ba về IOZ là điện thế đảo ngược. Trường hợp này xảy ra khi kết cấu thép phủ trở thành anode cho kẽm và hy sinh chính mình thay cho kẽm trong nhiệt độ khoảng 60°C đến 80°C. Kết cấu lẽ ra phải được lớp sơn phủ IOZ bảo vệ có thể bị phá vỡ sớm và nhanh chóng. Ngoài việc chỉ xảy ra ở độ chênh nhiệt độ rất thấp, quá trình đảo ngược cực còn đòi hỏi phải có sự hiện diện của oxy hòa tan, bicarbonat và nitrit, trong khi clorua và sulfat gây ức chế quá trình này. Tức là các khu vực dễ bị ăn mòn dưới lớp cách nhiệt thường ít bị ảnh hưởng bởi tiềm năng đảo ngược của sơn kẽm silicat [1] và ít có khả năng xảy ra trong các nhà máy chế biến.

Tóm tắt

Do đó, có ba nguyên nhân chính giải thích lý do tại sao hiệu suất của IOZ lại gặp khó khăn ở nhiệt độ cao;

Lớp sơn phủ IOZ cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn thông qua phản ứng điện hóa galvanic. Tốc độ của quá trình này được đẩy nhanh ở nhiệt độ cao, dẫn đến việc tiêu thụ kẽm quá mức giới hạn và giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ so với cùng điều kiện ở nhiệt độ môi trường.
Kẽm oxit được tạo ra với tốc độ nhanh hơn bình thường ở nhiệt độ trên 420°C. Kẽm oxit không phải là vật liệu hoạt tính từ phản ứng điện và không thể cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn galvanic, từ đó làm giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ
Kẽm oxit chiếm thể tích lớn hơn kẽm kim loại – như có thể thấy trong Hình 1 – do đó có thể tạo ra vết nứt tế vi trong các lớp sơn phủ IOZ tương đối dễ vỡ. Điều này sẽ làm tăng nhu cầu bảo vệ galvanic đối với kẽm kim loại, từ đó làm giảm tuổi thọ của lớp sơn phủ.

Những thách thức mà IOZ phải đối mặt ở nhiệt độ cao đã khiến các kỹ sư và các nhà chỉ định phải tìm kiếm giải pháp thay thế để bảo vệ chống ăn mòn dưới lớp cách nhiệt. Những giải pháp thay thế đó có thể bao gồm các loại sơn phủ nhiệt độ cao khác sử dụng các lớp phủ hóa học khác nhau, TSA hoặc loại bỏ hoàn toàn lớp cách nhiệt nếu có thể.

Nếu IOZ đang được sử dụng, lượng kẽm cao thường được chỉ định nhằm đảm bảo có đủ kẽm kim loại để bảo vệ chống ăn mòn càng lâu càng tốt, ngay cả trong điều kiện không hoàn hảo. Đối với những người thích sử dụng lớp sơn phủ IOZ, câu hỏi được đặt ra là chúng ta có thể làm gì để cải thiện hiệu suất của lớp sơn phủ này trong các điều kiện ở nhiệt độ cao?

Chúng ta sẽ thảo luận thêm về chủ đề này trong bài viết “Những thách thức đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao; phần 2”.

Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chuyên viên chăm sóc khách hàng Kevin: kevin@jotun.com.

Tài liệu tham khảo
[1] Zhang, X. G. [1996] “7.2.4 Đảo ngược cực” Tính chất ăn mòn và điện hóa của kẽm. Plenum Press, trang 203 – 208.

The industry coming together: combatting the hidden CUI threat in the energy sector

The fight against corrosion, particularly corrosion under insulation (CUI), is increasingly becoming a main focus for the energy sector. How is the industry addressing this issue and how can risk be reduced? A new standard test procedure that addresses this critical industry challenge might pave the way, so that the energy sector better can maintain steel integrity.

Khám phá

Những thách thức đối với sơn kẽm silicat ở nhiệt độ cao – phần 2

Trước khi tạo ra sơn kẽm vô cơ silicat (IOZ) để sử dụng ở nhiệt độ cao – nhiệt độ trên 120°C – chúng ta phải xác định những thách thức chính đối với IOZ trong các điều kiện này.