خوردگی و فاکتورهای موثر برآن

امتیاز کاربران

ستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعال
 

خوردگی یک روند طبیعی است. درست مثل اینکه آب به پایین‌ترین سطح جریان می‌یابد. تمام فرایندهای طبیعی به سمت کمترین انرژی ممکن تمایل دارند. به عنوان مثال، آهن و فولاد تمایل طبیعی به ترکیب با سایر عناصر شیمیایی دارند تا به کمترین انرژی خود بازگردند. برای بازگشت به حالت‌های انرژی کمتر، آهن و فولاد با اکسیژن و آب که هر دو در بیشتر محیط‌های طبیعی وجود دارند ترکیب شده و اکسیدهای آهن هیدراته شده (زنگ زدگی) را تشکیل می‌دهند. شکل 1 چرخه عمر خوردگی یک محصول فولادی را نشان می دهد.

تعاریف بسیاری برای خوردگی وجود دارد. اما تعریف کلی آن خوردن یا فرسودگی تدریجی است. همچنین خوردگی را می‌توان به عنوان یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی بین یک ماده (معمولاً یک فلز) و محیط اطراف آن دانست که باعث زوال مواد و خصوصیات آن می‌شود. منظور از محیط کلیه محیط اطراف در تماس با جسم می‌باشد.

فاکتورهای اولیه برای توصیف محیط عبارتند از:

الف) حالت فیزیکی - گاز ، مایع یا جامد.

ب) ترکیب شیمیایی- ترکیبات و غلظت ها

ج) دما

فاکتورهای دیگر در موارد خاص دارای اهمیت می‌باشند. مانند سرعت یک محلول (به دلیل جریان یا تحریک) فشار و...

وقتی بحث خوردگی می‌شود، نوع ماده و محیط اطراف آن مهم است. یعنی رفتار خوردگی یک ماده بدون اطلاع از محیط اطراف آن قابل توصیف نیست؛ و به‌طور مشابه میزان خورنده بودن یک محیط بدون دانستن ماده در تماس با آن مشخص نمی‌شود. مگر اینکه موادی که قرار است در معرض آن محیط قرار بگیرند شناسایی شوند. به طور خلاصه، رفتار خوردگی مواد به محیطی که تحت آن قرار دارند بستگی دارد و خورندگی یک محیط به مواد وابسته است.

شناسایی هر دو ترکیب ذاتی و غیر ذاتی در خوردگی مفید است. نمونه‌هایی از ترکیبات ذاتی یا مطلوب و محیط اطرافشان مانند نیکل در محیط های قلیایی، سرب در آب و آلومینیوم در معرض جو است. در این محیط ها، تعامل بین فلز و محیط معمولاً منجر به مشکلات خوردگی مضر یا پرهزینه نمی‌شود.

از طرف دیگر، ترکیبات غیر ذاتی ترکیباتی هستند؛ که به دلیل قرار گرفتن در یک محیط نامطلوب، در اثر خوردگی شدید به فلز آسیب می‌رسد. مثال‌هایی از ترکیبات غیر ذاتی شامل مس در محلول آمونیاک، فولاد ضد زنگ در محیط‌های حاوی کلرید (به عنوان مثال ، آب دریا) و سرب با شراب (اسید استیک در حملات شراب).

اثرات خوردگی

خوردگی در زندگی روزمره ما به طور مستقیم و غیرمستقیم اثر می‌گذارد. مستقیم مانند اثر آن بر وسایل زندگی  و غیرمستقیم در کارخانه‌ها و تجهیزات و تاثیری که بر هزینه محصول می‌گذارند. با نگهداری پیشگیرانه مانند رنگ آمیزی وسایل می‌توان از آن‌ها در برابر خوردگی محافظت کرد. یک دلیل اصلی برای جایگزینی مایع خنک کننده رادیاتور اتومبیل هر 12 تا 18 ماه ، پر کردن دوباره آن با مواد بازدارنده خوردگی کنترل خوردگی سیستم خنک‌کننده است. محافظت در برابر خوردگی باید در تمام وسایل خانگی مانند آبگرمکن، شوفاژ، واشر، شیرآب و... لحاظ شود.نتیجه بسیار جدی تر خوردگی بر زندگی ما خوردگی بتن های مسلح می باشد.بتن مسلح شده با آرماتور فولادی در صنایع مختلفی از جمله ساختمان سازی، پل سازی، بنادر، اسکله ها، تیرهای انتقال برق و... کاربرد زیادی دارد.نقش اصلی فولاد افزایش استحکام کششی بتن می باشد،اما مشکل اساسی حضور فولاد در محیط های مختلف همچون خاک، آب و... خوردگی می باشد؛ و این خوردگی باعث تخریب و زوال بتن می شود. بنابراین با ازبین رفتن آرماتور فولادی درون بتن در اثر واکنش با محیط اطراف، سازه هایی همچون پایه های انتقال برق با گذشت زمان استحکام خود را از دست داده و دچار تخریب و وارد آمدن خسارات جانی و مالی می شود.مانند سقوط پایه انتقال برق در لار که سبب فوت و زخمی شدن 3 نفر در سال 1397 شد.

 

 نرخ خوردگی سالانه فلزات در جنوب ایران تقریبا رقمی حدود 200 تا 250 میکرون است؛ در واقع اگر ضخامت یک فلز یک میلیمتر باشد، بعد از گذشت چهار سال از آن چیزی باقی نمی‌ماند و خورده می‌شود. بنابراین با توجه به سرمایه‌گذاری‌های عظیمی که برای احداث مجتمع‌های پتروشیمی‌ در کشور انجام می‌شود، حفاظت از آن‌ها در مقابل خوردگی ضروری به نظر می‌رسد.

شاید خطرناکترین آسیب خوردگی مربوط به کارخانه‌های بزرگ صنعتی مانند نیروگاه‌های برق و پلایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها باشد. برخی از عواقب اقتصادی خوردگی به شرح زیر است:

  • جایگزینی تجهیزات خورده شده

  • طراحی بیش از حد برای جلوگیری خوردگی

  • نگهداری پیشگیرانه، به عنوان مثال: رنگ‌آمیزی

  • خاموش شدن تجهیزات به دلیل خوردگی

  • آلودگی یک محصول، مانند: آلوده شدن محصولات با مواد ناشی از خوردگی

  • کاهش راندمان

  • کاهش سرعت انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی

  • از دست دادن محصول با ارزش

حالت‌های مختلف خوردگی

خوردگی در چندین شکل متفاوت دسته‌بندی می‌شود. معمولاً بر اساس یکی از سه عامل زیر تقسیم‌بندی صورت می‌گیرد:

1- ماهیت خوردگی: خوردگی را می توان به عنوان "مرطوب" یا "خشک" بیان کرد.  برای خوردگی مرطوب مایعات یا رطوبت لازم است. و خوردگی خشک معمولاً شامل واکنش با گازهای با دمای بالا است.

2- مکانیسم خوردگی: این شامل واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی است.

3- شکل ظاهری فلز خورده شده: خوردگی اگر یکنواخت باشد کل سطح فلز با سرعت یکسان خورده می‌شود. و اگر به صورت محلی یا منطقه‌ای باشد، در این حالت فقط مناطق کوچکی از جسم تحت تأثیر قرار می‌گیرند.

طبقه‌بندی بر اساس شکل ظاهر، با تجزیه و تحلیل حالت خوردگی ایجاد شده با مشاهده بصری با چشم غیر مسلح یا بزرگنمایی انجام می‌شود. در این حالت مورفولوژی حمله اساس طبقه‌بندی است. شکل 2 به صورت شماتیک برخی از رایج ترین فرم‌های خوردگی را نشان می‌دهد.

شکل 2- فرم‌های رایج خوردگی

نیاز به تمایز بیشتری بین خوردگی ماکروسکوپی و میکروسکوپی وجود دارد. خوردگی میکروسکوپی با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست و همین موضوع می‌تواند باعث خرابی ناگهانی دستگاه‌ها و تجهیزات شود. در خوردگی ماکروسکوپی اشکال خوردگی مناطق بیشتری از فلز را تحت تأثیر قرار می‌دهند و به طور کلی با چشم غیرمسلح و یا با کمک دستگاه‌های بزرگنمایی کم قدرت قابل مشاهده است. شکل زیرطبقه بندی فرم‌های خوردگی منطقه‌ای ماکروسکوپی و میکروسکوپی را نشان می‌دهد.

روش های کنترل خوردگی

پنج روش اصلی برای کنترل خوردگی وجود دارد:

  • انتخاب مواد

  • پوشش ها

  • بازدارنده ها

  • حافظت کاتدی

  • طراحی

1- انتخاب مواد

هر فلز و آلیاژ رفتار خوردگی منحصر به فرد و ذاتی مخصوص به خود را دارد. فلزات نجیب مانند طلا و پلاتین دارای مقاومت بالا و فلزات فعال مانند سدیم و منیزیم دارای مقامت کم در برابر خوردگی هستند. علاوه‌ براین مقاومت در برابر خوردگی یک فلز شدیدا به شرایط محیط در تماس با آن، ترکیب شیمیایی، دما و.. وابسته است. رابطه کلی بین سرعت خوردگی، خورنده بودن محیط و مقاومت در برابر خوردگی یک فلز به صورت زیر است.

2- پوشش‌ها

پوشش‌های محافظ در برابر خوردگی را می‌توان به دو دسته فلزی و غیرفلزی (آلی و غیرآلی) تقسیم کرد. هدف هر دو نوع پوشش جدا کردن فلز از محیط و مواد خورنده است.

پوشش های فلزی: استفاده از یک پوشش فلزی نجیب‌تر بر روی یک فلز فعال باعث مقاومت در برابر خوردگی فلز فعال می شود. نمونه ای از این کاربرد قلع اندود کردن فولاد است. متناوباً ، می توان از فلز فعال‌تری نیز استفاده کرد و در این حالت پوشش به طور ترجیحی، قربانی شده و خورده می‌شود. نمونه این سیستم فولاد گالوانیزه است. جایی که روی قربانی می شود تا از فولاد محافظت کند.

پوشش‌های غیرفلزی: عملکرد اولیه پوشش‌های آلی در محافظت در برابر خوردگی، جداسازی فلز از محیط خورنده است. علاوه بر تشکیل یک لایه مانع برای جلوگیری از خوردگی، پوشش آلی می‌تواند حاوی بازدارنده‌های خوردگی باشد. پوشش‌های غیرفلزی شامل لعاب چینی، روکش‌های سیمانی سیلیکات، پوشش‌ها و روکش‌های شیشه‌ای و سایر سرامیک‌های مقاوم در برابر خوردگی هستند. برخی از پوشش‌های سرامیکی، مانند کاربیدها و سیلیسیدها به ترتیب برای کاربردهای مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌شوند.

 

3- بازدارنده ها

همانطور که برخی از گونه‌های شیمیایی به عنوان مثال: نمک باعث خوردگی می‌شوند؛ برخی مواد شیمیایی از خوردگی جلوگیری می‌کنند. کرومات‌ها، سیلیکات‌ها و آمین‌های آلی بازدارنده‌های رایج هستند. مکانیسم‌های مهار می‌تواند بسیار پیچیده باشد. در مورد آمین‌های آلی، بازدارنده در سایت‌های آندی و کاتدی جذب شده و جریان خوردگی را متوقف می‌کند. سایر بازدارنده ها به طور خاص بر روی روند آندی یا کاتدی تأثیر می‌گذارند. برخی دیگر نیز باعث تشکیل فیلم‌های محافظ روی سطح فلز می‌شوند.

 

4- حافظت کاتدی

در این روش قطعه مورد نظر نقش کاتد داشته و از اکسید شدن یا انحلال فلز جلوگیری می‌شود. در عمل، حافظت کاتدی به دو صورت حاصل می‌شود.

الف) سیستم جریان از منبع تغذیه

ب) استفاده از آند فداشونده با استفاده از فلزهای فعال مانند منیزیم یا روی

5- طراحی

استفاده از اصول طراحی منطقی می‌تواند بسیاری از مشکلات خوردگی را از بین ببرد و زمان و هزینه مربوط به نگهداری و تعمیر را تا حد زیادی کاهش دهد. خوردگی اغلب در مکان‌های مرده یعنی حفره‌ها و شکاف‌ها رخ می‌دهد. این مناطق می‌توانند در روند طراحی حذف یا به حداقل برسند.در مواردی که ترک خوردگی در برابر تنش وجود دارد، می توان اجزا را طوری طراحی کرد که در سطوح، تنش ورودی کمتر از تنش آستانه‌ای برای ترک باشد.در مواردی که تخریب خوردگی پیش بینی شده باشد، طراحی حداکثر قابلیت دارد.

فاکتورهای موثر بر سرعت خوردگی

در میزان خوردگی عوامل مختلفی از جمله انتشار، دما، رسانایی یا هدایت، نوع یون ها، مقدار pH و پتانسیل الکتروشیمیایی تأثیرگذار هستند. با استفاده از پوشش های ضد خوردگی یا تکنیک های محافظت در برابر خوردگی از جمله ترکیبات ترمیم کامپوزیت، بتونه های ترمیم کننده فلز و بسته بندی تقویت کننده می توان میزان خوردگی را کنترل یا کاهش داد. ما در اینجا عوامل مختلف موثر در میزان خوردگی را بررسی خواهیم کرد.

1- انتشار

در اکثر موارد، میزان خوردگی فلزات توسط انتشار واکنش‌دهنده‌ها، از و به سطح فلز کنترل می‌شود. سطوح فولادی برهنه تازه، نسبت به سطوح پوشیده شده با یک لایه نازک زنگ‌زده سرعت خوردگی بیشتری دارند. انتشار اکسیژن از طریق آب به سطح فولاد در میزان خوردگی بسیار موثر است. به‌طوری‌که نواحی با نفوذ مداوم اکسیژن سرعت خوردگی بیشتری دارند. همچنین نواحی با جریان زیاد، مانند مجاورت دهانه‌ها، به دلیل افزایش سطح اکسیژن، سرعت خوردگی بالاتری از خود نشان می‌دهند؛ اگرچه فرسایش نیز یک عامل موثر است. مناطقی که توسط یک فیلم مرطوب رسانا و نازک پوشانده شده‌اند، سریعتر از مناطق تحت غوطه‌وری دچار خوردگی می‌شوند.

2- دما

سرعت خوردگی توسط نفوذ تعیین می‌شود؛ و سرعت نفوذ نیز توسط دما کنترل می‌شود. استیل و سایر فلزات در دماهای بالاتر نسبت به دماهای پایین با سرعت بیشتری خورده می‌شوند. در نتیجه ، مناطق زیر عرشه و مناطق مجاور موتورخانه یا مخازن باری که گرم می‌شوند، تمایل بیشتری به خوردگی دارند.

3- رسانایی

برای ایجاد خوردگی باید یک محیط رسانا بین دو قسمت شرکت‌کننده در واکنش خوردگی وجود داشته باشد. خوردگی در آب مقطر اتفاق نمی‌افتد و با افزایش رسانایی به دلیل وجود یون‌های بیشتر در محلول، میزان خوردگی افزایش می‌یابد. آب شیرین میزان خوردگی کمتری نسبت به آب شور برای استیل دارد. و آب دریا معمولاً به دلیل وجود یون‌های بسیار بیشترین خوردگی را برای فولاد ایجاد می‌کند.

4- نوع یون‌ها

بعضی از یون‌ها نسبت به یون‌های دیگر خورنده‌تر هستند. یون کلرید همراه با سولفات و سایر یون‌های حاوی گوگرد بیشترین مشکل را دارند. یون‌های کلرید اثر تخریبی بر تشکیل لایه اکسیدی محافظ داشته و از تشکیل اکسیدهای فلزی محافظ جلوگیری می‌کنند. یون های حاوی گوگرد در واکنش تولید الکترون اضافی در درون زنگ آهن نقش دارند که به نوبه خود یک فرایند چرخه ای و خود بازسازی‌کننده را تشکیل می دهد. و می‌تواند باعث ایجاد حفره‌های فشرده در ته مخازن شود.

5- pH

pH مقیاسی از  اسیدی یا قلیایی بودن محلول است؛ و محدوده آن 1 تا 14 است. pH =7 خنثی است.   pH آب دریا حدود 7.5 است یعنی یون‌های هیدروژن (اسید) و یون‌های هیدروکسیل (قلیایی) تقریباً در تعادل هستند. در چنین شرایطی، واکنش انحلال آهن، کاهش اکسیژن محلول و تشکیل یون‌های هیدروکسیل انجام می‌شود. اگر با این وجود محیط اسیدی‌تر شود و pH  به 1 نزدیکتر شود، مقدار یون‌های هیدروژن بیشتر از یون‌های هیدروکسیل موجود در محلول خواهد بود؛ که یون‌های هیدروژن اضافی در واکنش کاتدی تولید گاز هیدروژن شرکت می‌کنند. از آنجا که هر دو یون هیدروژن و گاز هیدروژن می‌توانند خیلی سریع منتشر شوند، قطعه فولادی می‌تواند سریع‌تر خورده شود. این یک اثر متداول در هنگام حمل محموله‌هایی مانند گوگرد و نفت خام ترش است. در شرایط قلیایی، جایی که بیش از حد یون هیدروکسیل وجود داشته باشد و  pH نزدیک به 14 باشد، فولاد نمی‌تواند خورده شود و بدون تأثیر می‌ماند.

6- پتانسیل الکتروشیمیایی

هر فلز هنگام غوطه‌ور شدن در مایع رسانا، پتانسیل الکتروشیمیایی خاصی را به خود اختصاص می‌دهد. این پتانسیل پتانسیل نیمه سلول نامیده می شود؛ زیرا فقط با مقایسه آن با پتانسیل مرجع شناخته شده قابل اندازه‌گیری است. الکترودهای مرجع رایح شامل الکترودهای کالومل اشباع شده، نقره / نقره کلرید و مس / مس سولفات هستند. پتانسیلی که یک فلز در یک محلول به خود اختصاص می‌دهد، می‌تواند میزان خوردگی و سرعت آن را تعیین کند.

مثال‌هایی از خوردگی در زندگی روزمره

- زرد شدن تاج محل در اثر باران اسیدی.

- تشکیل زنگ آهن

- پوشش سیاه نقره

 - تشکیل پوشش سبز رنگ روی مس

 
 

 

 

منبع : واحد تحقیق و توسعه شرکت پویا شیمی شکوفا
X

Right Click

No right click