Blog

Tại Sao Thép Không Gỉ 316 Vượt Trội Trong Khả Năng Chống Ăn Mòn Hàng Hải

Bu lông bằng thép không gỉ cấp 316 vượt trội hơn các loại thông thường cấp 304 vì chúng chứa khoảng 2 đến 3 phần trăm molypden trong thành phần. Điều này có ý nghĩa gì? Molypden giúp bảo vệ khỏi các clorua bằng cách duy trì lớp oxit crom ổn định trên bề mặt, từ đó ngăn chặn sự hình thành các vết lõm và nứt theo thời gian. Theo một số nghiên cứu được công bố năm ngoái trên Tạp chí Vật liệu Hàng hải, các bộ phận làm từ 316 có thể kéo dài tuổi thọ từ ba đến năm lần so với vật liệu 304 thông thường khi chịu thử nghiệm phun muối. Đó là lý do tại sao các kỹ sư thường chỉ định cấp 316 cho các lắp đặt dưới nước hoặc những khu vực mà nước biển thường xuyên bắn tung tóe lên thiết bị. Hầu hết những người trong ngành đều khẳng định rằng molypden đóng vai trò then chốt ở đây vì nó ngăn chặn các ion clorua khó chịu xâm nhập vào kim loại, một yếu tố rất quan trọng tại những nơi chịu ảnh hưởng bởi thủy triều và điều kiện đại dương.

Các Yếu Tố Chính Ảnh Hưởng Đến Sự Suy Giảm Của Bu Lông Trong Nước Biển

Bốn yếu tố chính làm tăng tốc độ ăn mòn bu lông thép không gỉ trong môi trường biển:

• Nồng độ chloride : Nước biển chứa 19.000–35.000 ppm clorua, có khả năng xâm nhập vào các lớp thụ động
• Nhiệt độ : Tốc độ ăn mòn tăng gấp đôi với mỗi lần tăng 10°C của nhiệt độ nước
• Mức độ oxy : Bu lông ngập hoàn toàn bị ăn mòn chậm hơn so với những bu lông ở vùng thủy triều có chu kỳ ướt/khô xen kẽ
• Cặp điện hóa : Tiếp xúc với các kim loại kém quý hơn như nhôm tạo ra các tế bào điện hóa phá hủy

Các biến số này tương tác một cách động học—đặc biệt là trong vùng sóng vỗ, nơi sự bổ sung oxy và tích tụ muối kết hợp làm gia tăng mức độ ăn mòn cục bộ.

Tác động của việc tiếp xúc lâu dài với nước mặn đối với bu lông thép không gỉ

Việc tiếp xúc lâu dài với nước mặn kích hoạt hai cơ chế suy giảm trong bu lông thép không gỉ:

1. Ăn mòn lỗ : Các ion clorua xâm nhập tại chỗ vào lớp oxit, tạo thành các khoảng trống bên dưới bề mặt
2. Ăn mòn khe hở : Nước đọng trong các khu vực có ren tạo ra môi trường vi sinh axit

Nghiên cứu cho thấy thép không gỉ 316 chịu được 10–15 năm trong điều kiện biển vừa phải trước khi xuất hiện ăn mòn lỗ rõ rệt, so với 3–5 năm đối với mác 304 (Corrosion Science 2023). Việc xả thường xuyên bằng nước ngọt và sử dụng các vật liệu cách ly tương thích có thể kéo dài tuổi thọ thêm 30–40%.

So sánh các mác thép không gỉ: Vì sao 316 vượt trội hơn 304 và các hợp kim khác

thép không gỉ 304 và 316: Những điểm khác biệt chính trong ứng dụng hàng hải

Khi quyết định giữa bu lông thép không gỉ 304 và 316, điều thực sự quan trọng là mức độ chúng chống lại sự ăn mòn ở môi trường biển. Cả hai loại đều có lượng crom tương tự nhau khoảng 18 đến 20 phần trăm và niken khoảng 8 đến 12 phần trăm, nhưng 316 có điểm đặc biệt. Loại này bổ sung thêm 2 đến 3 phần trăm molypden, thứ tạo nên sự khác biệt lớn khi các bu lông này tiếp xúc với môi trường giàu clorua. Nghiên cứu về sự ăn mòn trong môi trường biển đã chỉ ra rằng, theo nghiên cứu của AISI năm ngoái, bu lông 316 bị ăn mòn lỗ hổng ít hơn khoảng 30 phần trăm so với loại 304 trong các thử nghiệm nước muối. Đối với bất kỳ ai làm việc gần vùng nước mặn, sự khác biệt như vậy có thể quyết định giữa chi phí thay thế và độ tin cậy lâu dài.

Vai trò của Molypden trong việc Tăng cường Khả năng Chống Clorua và Nước Mặn

Molybdenum cải thiện độ ổn định của lớp oxit thụ động, tăng khả năng chống lại sự phá vỡ do clorua gây ra. Cứ tăng 1% hàm lượng molypden, khả năng chịu ngưỡng clorua lại tăng khoảng ~250 ppm, khiến 316 trở nên lý tưởng cho các vùng triều và các công trình ngoài khơi tiếp xúc với nước biển bắn tung tóe.

Thành phần và Tính chất Cơ học của Cấp 316 so với Các Phương án Thay thế

Bu lông bằng thép không gỉ cấp độ hàng hải 316 không chỉ chống ăn mòn tốt hơn mà còn có độ bền kéo cao hơn nhiều, khoảng 620 MPa hoặc hơn, cùng với tính giãn dài tốt hơn khi so sánh với các lựa chọn khác như 304 hay hợp kim ferit 430. Cấu trúc austenite độc đáo mà những con bu lông này sở hữu giúp chúng duy trì độ ổn định ngay cả khi nhiệt độ thay đổi liên tục, từ đó giảm thiểu các vết nứt do ăn mòn ứng suất – hiện tượng thường thấy trong điều kiện nước mặn. Các bài kiểm tra thực tế cho thấy bu lông 316 có thể tồn tại từ 15 đến 20 năm dưới nước trước khi xuất hiện dấu hiệu hao mòn, trong khi bu lông tiêu chuẩn 304 thường cần được thay thế nhanh gấp ba lần trong điều kiện tương tự. Đối với bất kỳ ai làm việc trên tàu thuyền hay các công trình ven biển, tuổi thọ vượt trội này tạo nên sự khác biệt lớn về chi phí bảo trì theo thời gian.

Điều gì tạo nên bu lông thép không gỉ cấp độ hàng hải?

Các bu lông bằng thép không gỉ đạt tiêu chuẩn sử dụng trong môi trường hàng hải được thiết kế để chịu đựng điều kiện nước mặn khắc nghiệt. Chúng cần có sự pha trộn kim loại phù hợp trong quá trình sản xuất để thích nghi với những môi trường khắc nghiệt này. Để được coi là đạt tiêu chuẩn hàng hải thực sự, vật liệu thường chứa từ 16 đến 18 phần trăm crôm và khoảng 2 đến 3 phần trăm molypden. Thành phần molypden rất quan trọng vì nó giúp chống lại hiện tượng ăn mòn lỗ do các ion clorua tấn công kim loại. Sau khi sản xuất, các bu lông này được xử lý qua quá trình gọi là thụ động hóa. Quá trình này tạo ra một lớp phủ oxit crôm bảo vệ trên bề mặt chúng. Điều thú vị là lớp bảo vệ này có khả năng tự phục hồi nếu bị hư hại nhẹ, điều mà các chuyên gia về ăn mòn hàng hải đã viết rất nhiều trong các bài báo nghiên cứu qua nhiều năm.

Các đặc tính làm cho bu lông được coi là 'đạt tiêu chuẩn hàng hải'

• Thành phần hợp kim : Niken (10–14%) cải thiện độ dẻo; mangan tăng khả năng gia công
• CHỨNG NHẬN : Tuân thủ tiêu chuẩn ASTM A193/A193M hoặc ISO 3506-2
• Chất lượng bề mặt : Bề mặt nhẵn mịn (Ra ≤ 3,2 µm) để giảm thiểu nguy cơ ăn mòn khe hở

Các đặc tính hiệu suất quan trọng của bu lông inox chuyên dụng cho môi trường biển

1. Khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất : Chịu được hơn 500 giờ trong thử nghiệm phun muối (ASTM B117)
2. Độ bền cơ học : Duy trì độ bền kéo từ 70.000–100.000 psi ngay cả sau hơn 5 năm ở vùng triều
3. Khả năng tương thích điện : Thế điện hóa nằm trong khoảng −0,5 V đến +0,5 V so với SCE để ngăn hiện tượng ghép cặp điện hóa

Các báo cáo phân tích vật liệu độc lập xác nhận rằng bu lông inox marine grade 316 vẫn giữ được 92% độ bền cắt ban đầu sau 10 năm tiếp xúc với nước biển, vượt trội hơn các loại thông thường grade 304 đến 300% về khả năng chống ăn mòn.

Ngăn ngừa ăn mòn điện hóa nhờ lựa chọn vật liệu tương thích phù hợp

Hiện tượng ăn mòn điện hóa ảnh hưởng như thế nào đến bu lông inox trong các cụm lắp ráp kim loại hỗn hợp

Các bu lông bằng thép không gỉ khi được sử dụng cùng với các kim loại khác như nhôm hoặc thép cacbon trong các bộ phận tàu thuyền thường dẫn đến vấn đề ăn mòn điện hóa, làm hư hỏng các bộ phận kim loại khá nhanh chóng. Cơ sở khoa học cơ bản đằng sau hiện tượng này liên quan đến ba yếu tố chính tác động đồng thời: các kim loại có tính chất điện khác nhau, sự tiếp xúc vật lý trực tiếp giữa chúng, và một loại chất lỏng dẫn điện như nước biển. Điều xảy ra là thép không gỉ có xu hướng trở thành cực âm (cathode), thực tế lại làm tăng tốc độ ăn mòn của những kim loại kém quý hơn xung quanh nó. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các bộ phận nhôm nằm gần các bulông thép không gỉ 316 có thể bắt đầu xuất hiện dấu hiệu hư hại nhanh hơn từ 3 đến 5 lần khi chúng luôn ngập dưới nước so với trường hợp đứng riêng biệt. Tình hình còn tồi tệ hơn ở những khu vực sóng biển liên tục văng nước muối lên bề mặt, vì sự ướt liên tục này cung cấp chất điện phân mới vào hệ thống một cách thường xuyên.

Các phương pháp tốt nhất để ngăn ngừa sự suy giảm điện hóa trong môi trường biển

Để giảm thiểu ăn mòn điện hóa trong các ứng dụng nước muối:

• Chọn các kim loại nằm trong phạm vi 0,15V trên dãy điện hóa , như được khuyến nghị bởi các hướng dẫn của ngành
• Sử dụng rào cản cách điện như vòng đệm nylon hoặc băng PTFE giữa các kim loại khác nhau
• Sử dụng lớp phủ giàu kẽm trên các bộ phận hy sinh để tạo ra các đường dẫn ăn mòn được kiểm soát
• Thiết kế các cụm lắp ráp để tránh các khe hở nơi nước muối có thể đọng lại
• Triển khai các hệ thống bảo vệ catốt cho các công trình ngoài khơi quan trọng

Việc lựa chọn vật liệu chủ động làm giảm tốc độ ăn mòn lên đến 85% so với các tổ hợp không được quản lý, dựa trên thử nghiệm tương thích điện hóa.

Các tiêu chuẩn và ứng dụng thực tế của bu lông thép không gỉ tại biển

Các tiêu chuẩn liên quan: ISO 3506-1 và ISO 3506-2 đối với bulông đinh vít dùng trong môi trường hàng hải

Đối với các ứng dụng hàng hải, bulông bằng thép không gỉ cần đáp ứng các yêu cầu theo tiêu chuẩn ISO 3506-1 và ISO 3506-2. Các tiêu chuẩn quốc tế này quy định những đặc tính làm cho thép không gỉ phù hợp với điều kiện khắc nghiệt dưới nước mặn. Cụ thể, mác 316 cần có độ bền kéo tối thiểu 500 MPa và độ giãn dài khoảng 40% để chịu được mọi ứng suất đại dương do thủy triều và tiếp xúc liên tục với muối gây ra. Kiểm tra thực tế hồi năm 2023 đã phát hiện một điều thú vị. Những bộ phận thực sự đạt các thông số kỹ thuật này tồn tại lâu hơn nhiều khi ngâm dưới nước. Con số thật ấn tượng, tỷ lệ hỏng hóc ít hơn khoảng 70% sau năm năm ngâm trong nước biển so với các lựa chọn giá rẻ hơn không đạt các tiêu chuẩn này. Cũng dễ hiểu thôi, vì nước biển rất ăn mòn kim loại theo thời gian.

Ứng dụng trong đóng tàu, bến cảng và các công trình ngoài khơi

Các bulông bằng thép không gỉ 316 được sử dụng cho các mối nối thân tàu và hệ thống căng cáp trên giàn khoan dầu ngoài khơi khi có nước biển tiếp xúc liên tục. Những bulông này giữ chắc các cọc bến dọc theo bờ biển, nơi phải chịu lực khoảng 8 đến 10 kN lặp đi lặp lại khi thủy triều lên xuống. Ở độ sâu lớn hơn, các kỹ sư hàng hải cũng tin dùng chúng để nối các đường ống dẫn dưới biển, nơi áp lực nước tăng đáng kể ở độ sâu hơn 200 mét dưới mực nước biển. Khi được xử lý đúng cách bằng quá trình thụ động hóa, bulông 316 chống lại hư hại do ăn mòn lỗ từ clorua trong nước biển tốt hơn khoảng 12 đến 15 lần so với loại thép không gỉ 304 thông thường. Mức độ bảo vệ này rất quan trọng ở ngoài biển khơi, nơi việc thay thế các chi tiết bị ăn mòn có thể tốn hàng ngàn đô la và làm gián đoạn hoạt động trong nhiều ngày.