Nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong môi trường nước mặn tại hiện trường

 130
NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN ĂN MÒN THÉP KẾT CẤU TRONG 
MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶN TẠI HIỆN TRƯỜNG 
TS. Nguyễn Đình Tân 
Trường Đại học Thủy lợi 
Tóm tắt: Cửa van thép trên công trình thuỷ lợi ven biển có tuổi thọ không cao. Nguyên nhân hư 
hỏng chủ yếu là do ăn mòn. Vật liệu kết cấu thép cửa van rất đa dạng như thép các bon, thép bền 
khí quyển, thép không rỉ Tuy nhiên đến nay vẫn còn rất thiếu các tài liệu về độ bền ăn mòn của 
thép kết cấu trong môi trờng nước mặn làm cơ sở cho việc lựa chon vật liệu thích hợp khi thiết kế 
chế tạo cửa van vùng triều. Báo cáo sau đây trình bày một số kết quả nghiên cứu độ bền ăn mòn 
của thép kết cấu tại hiện trường cống Trà Linh và Diêm Điền, Thái Thuỵ, Thái Bình. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Trong hơn 100 năm qua, hàng ngàn công 
trình thủy lợi đẵ được xây dưng dọc theo hơn 
3000 km bờ biển nước ta với nhiệm vụ ngăn 
mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thoát lũ và đảm bảo 
giao thông thủy. Trong điều kiện làm việc vừa 
chịu tải trọng làm việc nặng nề, vừa chịu tác 
dung xâm thực trực tiếp của môi trường nước 
mặn làm cho một số bộ phận kết cấu thép bị hư 
hỏng do ăn mòn. Tuổi thọ của hệ thống cửa van 
vùng mặn thấp làm ảnh hưởng đến hiệu quả 
khai thác công trình [1,2]. Có nhiều yếu tố ảnh 
hưởng đến quá trình ăn mòn cửa van: 
+ Kết cấu và cấu tạo kết cấu chưa hợp lý 
 + Sử dụng vật liệu kết cấu thép chưa hợp lý 
 + Hiệu quả các phương pháp chống ăn mòn 
kết cấu thép cửa van chưa cao 
Vật liệu thép chế tạo cửa van rất phong phú 
và thay đổi qua từng thời kỳ. Các kết quả khảo 
sát hiện trạng làm việc cửa van công trình Thủy 
lợi cho thấy vật liệu thép kết cấu có ảnh hưởng 
rất lớn dến tuổi thọ cửa van. Tuy nhiên, cho đến 
nay vẫn chưa có nhiều tài liệu về độ bền ăn mòn 
của thép kết cấu cửa van trong môi trường nước 
lợ này làm cơ sở cho việc lưa chọn thép kết cấu 
chế tạo cửa van. 
Vì vậy viêc nghiên cứu độ bền ăn mòn của 
thép kết cấu trong môi trường nước lợ là hết sức 
cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Trong pham vi 
bài bài báo này tác giả trình bày một số kết quả 
nghiên cứu độ bền ăn mòn thép kết cấu trong 
môi trường nước mặn tại hiện trường. 
II. NHIỆM VỤ CỤ THỂ VÀ PHƯƠNG PHÁP 
THỰC NGHIỆM 
1. Nhiệm vụ cụ thể 
- Các kết quả nghiên cứu độ bền ăn mòn tại 
hiên trường là cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu 
kết cấu thép trong thiết kế chế tạo cửa van. Do 
đó, tất cả các các mác thép kết cấu hiện đang có 
ở Việt Nam và các mác thép đang được sử dụng 
trong công trình đều được quan tâm như thép 
các bon thường (CT3), thép hợp kim thấp 
09Mn2Si, thép Pháp, thép vỏ tàu A32, thép 
không rỉ SUS304. 
- Việc nghiên cứu được tiến hành trong môi 
trường nước mặn vùng ven biển phía Bắc. Để 
đánh giá ảnh hưởng nồng độ môi trường của 
vùng mặn việc thử nghiệm cần được tiến hành 
đồng thời ở hai vùng có nồng độ NaCl và độ 
dẫn điện khác nhau. 
- Thủy triều có ảnh hưởng lớn đối với quá trình 
ăn mòn kết cấu thép. Vì vậy, để có thể đánh giá 
định lượng ảnh hưởng của thủy triều, các nghiên 
cứu độ bền ăn mòn được thực hiện đồng thời trong 
vùng ngập nước và vùng thủy triều. 
 131
2. Phương pháp thực nghiệm 
a.Chuẩn bị mẫu: 
Các mẫu thép kết cấu chế tạo cửa van đươc 
lấy tại công trình Thủy lợi hoặc cơ sở sản xuất: 
- Mẫu thép của Pháp lấy tại cửa số 1 công 
trình Đập Đáy được xây dựng từ năm 1936. 
- Mẫu thép CT3 lấy tại cửa số 4 công trình 
Đập Đáy được được sửa chữa năm 1972. 
- Mẫu thép 09Mn2Si, SUS304 được lấy tai 
khe van và cửa van nhà máy Thủy điện Sơn La 
do Công ty Cơ Điện Thủy lợi chế tạo. 
- Mẫu thép vỏ tàu lấy tại công ty Tổng công 
ty Công nghiệp Tàu thuỷ Nam Triệu. 
Thành phần hoá học của thép được trình bày 
trong bảng 1. Các mẫu thép được gia công theo 
kích thước 100x150x5mm sau đó được gắn lên 
tấm Composit. Các tấm Composit này sau đó 
được gắn lên bản mặt cửa van ở hiện trường. 
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép kết cấu thép kết cấu chế tạo cửa van 
Nguyên tố 
% 
Thép CT3 
(Đập Đáy) 
Thép A32 
(Công ty 
Nam 
Triệu) 
Thép Pháp 
Thép 
 09Mn2Si 
(Cửa xả Sơn La) 
Thép không rỉ 
SUS 304 
(Cửa xả Sơn La) 
Cửa 
Đập Đáy 
Cửa Nhâm 
Lang 
C 0.1530 0.1023 0.0391 0.0416 0.1031 0.0377 
Si 0.1414 0.6491 0.0004 0.0005 0.5114 0.3582 
Mn 0.6191 1.8356 0.7166 0.4638 1.4050 1.5597 
P 0.0114 0.0125 0.1033 0.1207 0.0156 0.0229 
S 0.0060 0.0033 0.0188 0.0609 0.0165 0.0053 
Cr 0.0314 0.0196 0.0115 0.0010 0.0381 19.3180 
Ni 0.0290 0.0128 0.0782 0.0184 0.0408 8.3276 
Mo 0.0003 0.0010 0.0037 0.0049 0.0163 0.1007 
Cu 0.0463 0.0242 0.0396 0.1477 0.0175 0.0301 
Ti 0.0022 0.0028 0.0024 0.0022 0.0133 0.0037 
Fe 98.8813 97.1502 98.9258 99.0480 97.7400 70.0008 
b. Địa điểm và thời gian thử nghiêm: 
Qua khảo sát hiện trường ở các tỉnh ven biển 
phía Bắc chúng tôi chọn cống Trà Linh, Thái 
Thụy, Thái Bình có cửa van cung khẩu độ lớn 
cách biển 7 km làm địa điểm treo mẫu nghiên 
cứu chính , môi trường nước có độ dẫn điên χ = 
22,8 mS/cm và cống Diêm Điền, Thái Thụy, 
Thái Bình có cửa van phẳng khẩu độ nhỏ cách 
biển 2 km có độ mặn cao hơn với độ dẫn điện 
là χ = 29,2 mS/cm. Các mẫu thép được gắn lên 
bản mặt ở vùng ngập nước và vùng thủy triều. 
Thời gian thử nghiêm là 6,12, 18 tháng. Hình 1 
trình bày các mẫu thép kết cấu sau khi gia công 
được gắn lên tấm composit và sau đó gắn lên 
giá mẫu hàn sẵn trên bản mặt cửa van. 
 132
 Hình 1. Các mẫu thép sau khi gia công được gắn lên tấm composit và treo tại hiện trường 
c. Thiết bị đo và thí nghiệm: 
+ Thành phần hóa học thép kết cấu được xác 
định trên máy quang phổ phát xạ Metal-Lab 75-
80J (ITALY), phòng thí nghiệm Vật liệu Viện 
CKNL và Mỏ. 
+ Cơ tính của thép thép kết cấu được xác 
định trên Fast Track 8801(ANH), phòng thí 
nghiệm Vật liệu Viện CKNL và Mỏ. 
+ Hình thức ăn mòn được quan sát và chụp 
ảnh kỹ thuật số và phân tích trên máy tính với 
độ phóng đại 3-10 lần. 
+ Độ bền ăn mòn được xác định bằng 
phương pháp tổn thất khối lượng. Thép sau thời 
gian thử nghiệm hiện trường được làm sạch bùn 
đất và ngâm trong dung dịch EDTA để hòa tan 
lớp han rỉ, sấy khô và xác định khối lượng trên 
cân phân tích TE 214S (USA). 
Pkl = (m1-m2)/S.t [ g/m
2.năm] và Ptn = Pkl /ρ 
[μm/năm] 
Trong đó Pkl tốc độ ăn mòn khối lượng; m1 
khối lượng mẫu thép trước khi thử nghiệm; m2 
khối lượng mẫu thép sau khi thử nghiệm; S bề 
mặt mẫu; ρ khối lượng riêng, t thời gian [3,4]. 
+ Thành phần pha của lớp han rỉ được xác định 
trên máy nhiễu xạ Rơnghen D8 Advance (BRD), 
phòng thí nghiệm Vật liệu Viện CKNL và Mỏ 
III. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 
1.Thành phần hóa học 
Thép kết cấu chế tạo cửa van chủ yếu gồm 
các nhóm thép các bon thường (CT3), thép hợp 
kim thấp (9Mn2Si, thép Pháp) và thép không rỉ 
(SUS304). Thép Pháp có hàm lượng C siêu thấp 
(0,04%C) hàm lượng P hoặc Cu khá cao, tương 
tự nhóm thép bền khí quyển. Thép không rỉ có 
hàm lương Ni, Cr rất cao (bảng 1). Về tổ chức tế 
vi thì thép Pháp có tổ chức chủ yếu 1 pha Ferit, 
thép CT3, 09Mn2Si. A32 có tổ chức 2 pha Ferit 
và Xementit, thép không rỉ có tổ chức 1 pha 
Austenit. Thép A32 có tổ chức hạt nhỏ mịn hơn 
hẳn thép CT3 và 09Mn2Si. Xét về mặt tổ chức 
tế vi thì thép có tổ chức 1 pha bền ăn mòn hơn 
thép tổ chức 2 pha. Thép có tổ chức hạt nhỏ mịn 
thì ăn mòn đều hơn thép có tổ chức hạt thô to. Các 
mác thép đều có tính hàn tốt do hàm lượng các 
bon < 0,2% [4]. 
2. Tính chất cơ học thép kết cấu 
Tính chất cơ học thép kết cấu được trình bày 
trong bảng 2. Các kết quả cho thấy thép hợp 
kim thấp có độ bền cao hơn nhóm thép các bon 
và thép Pháp. Thép vỏ tàu không chỉ có độ bền 
cao mà độ dẻo rất tốt. Các mác thép nói trên 
nhìn chung là có khả năng thay thế nhau. Song hết 
sức lưu ý là độ bền và độ dẻo khác nhau khá lớn. 
Giới hạn chảy của thép A32 lớn hơn thép CT3 gẩn 
1,6 lần. Vì vậy, việc áp dung thép A32 thay thế 
CT3 không chỉ làm tăng khả năng chịu lực mà còn 
giảm khối lượng kết cấu thép. Cho nên khi thay thế 
cần có sự tính toán rất cụ thể. Thép 09Mn2Si có độ 
bền tốt, song độ dẻo kém hơn. 
Bảng 2: Tính chất cơ học thép kết cấu 
Thép kết cấu 
ch 
(Mpa) 
b 
(Mpa) 
 
( %) 
 
(%) 
Thép Pháp 315 461 32 60,6 
Thép CT3 299 453 29,6 60,5 
Thép A32 475 569 27 61 
Thép 09Mn2Si 421 532 25 48 
Thép SUS 304 394 633 59 62 
(1)ThÐp CT3 (5)ThÐp SUS 304 (2)ThÐp A32 (3)ThÐp 09Mn2Si (4)ThÐp Ph¸p 
 133
3. Hình thức và độ bền ăn mòn thép kết cấu 
a. Hình thức ăn mòn: 
Hình trình bày bề mặt mẫu sau 18 tháng treo 
tại hiện trường trước và sau khi làm sạch. Quan 
sát sự thay đổi bề mặt mẫu tại hiện trường, 
chúng ta thấy có sự khác biệt rõ rệt giữa nhóm 
thép không rỉ và thép các bon. Trong nhóm thép 
các bon thì sau 1 tháng treo mẫu cũng có thể 
quan sát rõ là các trung tâm ăn mòn của thép 
CT3 nhiều hơn các mác thép khác. Sau 18 tháng 
chúng ta thấy các mẫu đều bị han rỉ mạnh, hàu 
hà bám vào bề mặt mẫu. sau khi làm sạch thấy 
các mẫu đều bị ăn mòn không đều làm cho bề 
mặt bị lồi lõm. Các mẫu thép A32 ăn mòn đều 
hơn thép CT3, thép Pháp. Bề mặt thép SUS304 
hầu như không có gì thay đổi. 
(1) (2) (3) (4) 
Hình 2. Bề mặt mẫu thép tại hiên trường và 
sau khi làm sạch (18 tháng) 
b. Tốc độ ăn mòn 
Tốc độ ăn mòn thép sau thời gian thử nghiêm 
6,12, 18 tháng được trình bày trong hình 3. Qua 
đó chúng ta thấy, tốc độ ăn mòn thép giảm dần 
theo thời gian thử nghiệm do sản phẩm ăn mòn 
có ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn. Thép không rỉ 
có độ bền ăn mòn hơn hẳn nhóm thép các bon. 
Trong nhóm thép các bon thì thép vỏ tàu A32 và 
thép Pháp có độ bền ăn mòn tốt hơn thép CT3 
và thép 09Mn2Si. Hình 4 trình bày kết quả 
nghiên cứu ảnh hưởng của độ mặn và thủy triều 
đến tốc độ ăn mòn của thép A32. Thống nhất 
với các kết quả đã được công bố, trong môi 
trường có nồng độ NaCl cao hơn và độ đẫn điện 
cao hơn thì tốc độ ăn mòn sẽ tăng, nguyên nhân 
chủ yếu là do tác động trực tiếp của Cl- và khả 
năng dịch chuyển của Ion trong môi trường 
nước mặn. Cơ chế ảnh hưởng của thủy triều đến 
tốc độ ăn mòn tương đối phức tạp. Do tác động 
của hiện tượng khô ướt theo chu kỳ làm vùng 
này có mật độ Oxy cao hơn và mật độ NaCl 
cũng cao hơn, nên tốc độ ăn mòn của vùng này 
gấp 2 lần vùng ngập nước. 
Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian đến tốc độ ăn 
mòn thép kết cấu tại hiện trường
Hình 4. Ảnh hưởng nồng độ môi trường (a) và thủy triều đến tốc độ ăn mòn (b) thép A32 
0
100
200
300
0 3 6 9 12 15 18 21
Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng
T
è
c
 ®
é
 ¨
n
 m
ß
n
, 
m
/n
¨
m
ThÐp CT3 ThÐp A32
ThÐp Ph¸p ThÐp 09Mn2Si
ThÐp SUS 304
17 8 . 8 3
12 7 . 5 7
10 7 . 5 7
3 9 8 . 2 0
2 4 3 . 6 1
2 2 6 . 5 2
0
100
200
300
400
500
6 12 18
Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng
Tè
c 
®é
 ¨
n 
m
ßn
, 
m
/n
¨m
NgËp n­íc
Thuû triÒu
107.57
127.57
178.83
196.58200.29
269.44
0
100
200
300
400
500
6 12 18
Thêi gian thö nghiÖm, th¸ng
Tè
c 
®é
 ¨
n 
m
ßn
, 
m
/n
¨m
Trµ Linh
Diªm §iÒn
a. b. 
 134
Bảng 3: Thành phần pha sản phẩm ăn mòn thép kết cấu thử nghiệm tại hiện trường 
Mác Pha tinh thể Kiểu mạng 
Hằng số mạng 
(A) 
Hàm lượng 
(%) 
CT3 
Maghemite–C, 
syn–Fe2O3 
Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 49,76 
Magnetite-Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38730 15,53 
Goethite, 
alpha–Fe2O3.H2O 
Trực thoi đơn giản 
a=4.59600 
b=9.95700 
c=3.02100 
30,69 
A32 
Maghemite–C, 
syn–Fe2O3 
Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 45,79 
Magnetite- Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.38470 22,59 
Goethite–
Fe2O3.H2O.xH2O 
- - 24,60 
Thép 
Pháp 
Maghemite–C, 
syn–Fe2O3 
Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 46,75 
Magnetite, Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 20,85 
Goethite, syn–FeO(OH) Trực thoi đơn giản 
a=4.61580 
b=9.95450 
c=3.02330 
30,38 
09Mn2Si 
Maghemite–C, 
syn–Fe2O3 
Lập phương đơn giản a=b=c=8.35150 48,55 
Magnetite–Fe3O4 Lập phương tâm mặt a=b=c=8.39900 18,77 
Goethite–
Fe2O3.H2O.xH2O 
- - 25,66 
4. Sản phẩm ăn mòn 
Kết quả phân tích thành phần pha sản 
phẩm ăn mòn trình bày trong bảng 3 cho cho 
thấy, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thành 
phần các pha trong lớp han rỉ. Hàm lượng các 
pha có mức độ xít chặt cao có khả năng ngăn 
cản sự thâm nhập của Oxy tốt hơn sẽ có tác 
dụng chống ăn mòn tốt hơn. Pha Magnetite-
Fe3O4 có mạng lập phương tâm mặt có mật 
độ nguyên tử cao nên có tác dung bảo vệ tốt. 
Thành phần pha lớp han rỉ của thép A32 có 
hàm lượng pha Magnetite-Fe3O4 (22,59%) 
cao hơn các mác thép khác. 
IV. KẾT LUẬN 
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu độ bền ăn 
mòn của thép kết cấu tại hiện trường, chúng ta 
có thể đưa ra một số kết luận sau: 
- Do ảnh hưởng của lớp han rỉ , nên thời gian 
thử nghiêm tại hiện trường tăng, tốc độ ăn mòn 
thép kết cấu giảm. Độ mặn của môi trường tăng thì 
tốc độ ăn mòn cấu thép kết cấu tăng. Tốc độ ăn 
mòn vùng triều lớn gấp 2 lần vùng ngập nước. 
- Trong nhóm thép các bon và thép hợp kim 
thấp, thép vỏ tàu A32 có độ bền ăn mòn ăn đảm 
bảo, cơ tính tốt có thể sử dung chế tao cửa van 
thép vùng mặn. 
 135
- Thép không rỉ có độ bền ăn mòn cao hơn 
hẳn thép các bon trong môi trường nước mặn, 
song giá thành cao. 
- Viêc sử dụng đồng thời thép không rỉ và 
thép kết cấu các bon có thể dẫn đến làm tăng 
ảnh hưởng của ăn mòn tiếp xúc, vì vậy việc tiếp 
tục nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn tiếp xúc là rất 
cần thiết [6]. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Báo cáo kết quả điều tra khảo sát: Sự ăn 
mòn kim loại cửa van trong hệ thống công trình Thủy lợi năm 2003-2005. 
[2] Đỗ Văn Hứa; Vũ Thành Hải; Nguyễn Đình Tân: Thực trạng ăn mòn cửa van thép trong công 
trình Thủy lợi; Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường; Số 2.09-2003. 
nước mặn. Tuyển tập báo cáo khoa học, Trường Đại học Thủy lợi, 11-2009. 
[3] W.A. Schultze, Phan Lương Cầm: Ăn mòn và bảo vệ kim loại. 
[4] Trương Ngọc Liên: Ăn mòn và bảo vệ kim loại. NXB KHKT. 2004 
[5] Nguyễn Đình Tân: Vật liệu thép kết cấu trên các công trình Thủy lợi Việt Nam. Tuyển tập 
báo cáo khoa học, Trường Đại học Thủy lợi, 11-2009. 
[6] Nguyễn Đình Tân: Nghiên cứu tính chất điện hóa của thép kết cấu trong môi trường. 
Summary: 
Research on the corrosion resistance of structural steels in salt 
water 
The life of steel gates on waterworks in coastal area is not long. Damage is cause mainly by 
corrosion. Structural materials of steel gates is as carbon steel, atmosphere steel, stainless steel ... 
But information on durability of steel corrosion in salt water is so far still lacking for the selection 
of materials suitable for design und manufacturing of steel getes. The present report introduces 
some research results on the corrosion resistance of structural steel on waterworks Tra Linh and 
Diem Dien, Thai Thuy, Thai Binh province.