خوردگی یا Corrosion
خوردگی ( Corrosion ) تخریب فیزیکی یک ماده در اثر فعل و انفعالات با محیط آن میباشد.
Corrosion زمانی اتفاق می افتد که یک اتم فلز توسط یک سیال اکسید می شود و منجر به از بین رفتن مواد در سطح فلز و کاهش ضخامت آن می گردد.
کاهش ضخامت فلز موجب بیشتر مستعد شدن آن و شکست مکانیکی گردد. به طور معمول هر فلزی تحت شرایط خاصی دچار خوردگی میگردد.
به عنوان مثال، زنگ یک محصول جانبی معمول خوردگی است که در نتیجه خوردگی آهن و تشکیل اکسید آهن ایجاد می شود.
یکی از خطرناک ترین و پرهزینه ترین معضلات هر پروژه و تجهیز خوردگی میباشد که بسته به شدت آن خطر و هزینه های پیش بینی نشده بسیاری را بر پروژه تحمیل می نماید.
خوردگیها وابسته به انتخاب درست متریال ، سرویس و نگه داشت مناسب و نحوه استفاده اپراتور ، شرایط محیطی متغییر میباشد.
نحوه انتخاب متریال به تجربه ، دانش شناخت مواد ، شناخت شرایط محیط اجرای پروژه ، شرایط و خواص فیزیکی و شیمیایی سیال مورد استفاده و بودجه مالی پروژه دارد.
جهت شناخت بهتر Corrosion و مقابله با آنها بهترین راه شناخت آن و دلایل ظهور آن هست که در ادامه به این تنوع خواهیم پرداخت.
خوردگی عمومی ( یکنواخت ) یا زنگ زدگی / General (Uniform) Corrosion
این نمونه خوردگی از نام آشناترین و مرسوم ترین نمونه های خوردگی است و در واقع همان زنگ زدگی قرمز رنگ و میزان شناسایی و پیش بینی آن ساده و راحت است.
این سری از خوردگی معمولا موجب خرابی های فاجعه بار نمیگردند البته رخ داد آن قابل انکار و بی سابقه نیست.
به همین دلیل ، از اهمیت کمتری به نسبت دیگر نوع نمونه های آن برخوردار می باشد.
در خوردگی عمومی یا یکنواخت همانطور که از نام آن برمی آید نسبتا به طور یکنواخت در سطح فلز رخ میدهد.
با پدیدار شدن این خوردگی ضخامت دیواره فلز کاهش پیدا میکند ، بنابراین باید نرخ کاهش ضخامت فلز را محاسبه و رنج فشار قابل تحمل برای آن را پیش بینی نمود.
چگونگی تشکیل خوردگی عمومی / How General Corrosion Forms
در محیطهای دریایی و یا دیگر محیطهای خورنده ، سطح کربن یا فولاد Low Alloy دچار تخریب وشکستگی میگردد و منجر به تشکیل مقداری اکسید آهن ( Iron Oxide ) میگردد.
این لایه اکسیدآهن به مرور زمان و ادامه خوردگی ، ضخامت بیشتری پیدا خواهد کردد و تا جایی که لایه نابود شود و پوسته رسوب جدید تشکیل شود ادامه میابد.
اندازه گیری خوردگی عمومی و یا زنگ زدگی
میزان سرعتی که متریال در سال کاهش پیدا میکند از راههای اندازه گیری خوردگی میباشد.
به عنوان مثال در یک محیط دریایی تجهیز ساخته شده از متریال کربن استیل که پوشش و محافظتی از آن نشده باشد ، حدود یک میلیمتر در سال از ضخامت و متریال خود را از دست خواهد داد.
کاهش وزنی که توسط یک آلیاژ در تماس با مایعات خورنده تجربه میشود که معمولاً بر حسب میلیگرم بر سانتیمتر مربع از مواد در معرض تماس در روز اندازهگیری میشود.
راه چاره برای جلوگیری از خوردگی عمومی
معمولا جلوگیری خوردگی یعنی استفاده از متریال مناسبتر که گاهی هزینه های زیادی دارند اما راه چاره منع خوردگی اند و بدون انجام آن بارها و بارها ریسک خطر تخریب و خسارت های جانی و مالی را باید پذیرفت.
یک پروژه مهندسی و اصولی همانطور که قبلا به آن اشاره کردیم نیاز به تیم مهندسی دارند که شناخت کامل از علم مواد و خواص سیال عبوری و محیط پیرامون آن داشته باشد که بهترین انتخاب متریال را انجام دهد و از وقوع خوردگی شدید جلوگیری به عمل آید.
شایان ذکر است ، خوردگی حتی با سوپرمتریال ها غیر قابل انکار هست و به وقوع می پیوندد اما شدت و میزان آن متفاوت خواهد بود.
یکی دیگر از راهکارهای پیشنهادی در صنعت استفاده از پوشش و روشهای مختلف محافظت از متریال و تجهیز میباشد .
این روش یکی از راهکارهای کم هزینه هست اما آن را نمیتوان راه درمان خوردگی در بخشهایی که متریال به اشتباه انتخاب شده اند نمود.
این روش تنها میتواند در بخشی که با انجام آن میزان خوردگی به حداقل برسد به عنوان راهکار اصلی در نظر گرفت.
معمولا در خوردگی هایی که مسبب آن شرایط محیطی تجهیز از قبیل میزان رطوبت ، تغییرات دما ، گرمای شدید و سردی محیط هستند میتوان از روش محافظت و پوشش مانع خوردگی متریال شد.
خوردگی موضعی یا Localized Corrosion
این خوردگی معمولا در محیط های دریایی به وقوع می پیوندند و به دو گونه زیر تقسیم میگردد.
- خوردگی حفره ای ( Pitting Corrosion )
- خوردگی شکافی ( Crevice Crossion )
لایه محافظ متریال هنگامی که در معرض سیالاتی که حاوی کلر هستند ، مانند محیط دریا ، قرار میگیرند دچار تجزیه و شکست می گردند.
هرچه دمای حفره بحرانی ( Critical Pitting Temp Or CPT) و دمای خوردگی شکاف بحرانی (Critical Crevice Corrosion Temp Or CCCT ) بالاتر باشد، در برابر خوردگی موضعی مقاومت بیشتری دارد.
جهت محاسبه و روش محاسبه CPT و CCCT باید به ASTM Standard G48 مراجعه فرمایید.
حداقل دماهایی که در آن خوردگی حفره ای و شکافی مشاهده می شود در نمودار مشخص گردیده است
نکته حائز اهمیت ؛ همانطور که در نمودار فوق مشهودهست ، خوردگی شکافی امکان بوجود آمدن در دماهای پایینتر از خوردگی حفره ای را دارد.
به عنوان مثال متریال استنلس استیل 316L در تماس با محلول ۱۰ درصد کلرید آهن میتواند در دمای ۱۰ درجه سانتیگراد دچار خوردگی حفره ای گردد در حالیکه خوردگی شکافی در منفی ۱۰درجه سانتیگراد میتواند برای آن آغاز گردد.
خوردگی حفره ای موضعی در محیطهای حاوی کلرید
خوردگی حفره ای ( Pitting Corrosion ) موجب ایجاد حفره های کوچک و یا pit ها بر سطح متریال می گردد که در دمای بالا و محیط پر کلرید بیشتر به وقوع می پیوندد .
اگر چه این حفره ها به صورت بصری قابل تشخیص هستند اما، گاهی اوقات این حفره ها می توانند به اندازه ای در عمق رشد کنند که موجب سوراخ سدن لوله یا تجهیز گردد.
خوردگی حفره ای چگونه شکل می گیرد
هنگامی که لایه اکسید محافظ یا لایه اکسید Passive روی سطح فلز شکسته میشود، متریال مستعد از دست دادن الکترون میگردد.
از دست دادن الکترون به گونه ایست که فلز آهن در پایینترین قسمت حفره و بخش آندی تر حل شود و پس از آن به سمت بالا حرکت کرده و به اکسید آهن یا زنگ زدگی تبدیل میگردد.
محلول کلرید آهن در یک حفره میتواند افزایش یابد و با عمیق شدن حفره اسیدی تر گردد و در نتیجه آن رشد سریع گودال که با ادامه آن سوراخ شدگی لوله و تجهیز و در نهایت نشتی میباشد.
معرفی PREN یا “عدد معادل مقاومت حفره ای”
همانگونه که از نام آن برمی آید، Pitting Resistance Equivalence Number و یا به اختصار PREN عددی هست که میزان مقاومت به خوردگی حفره ای متریال های مختلف را برای مقایسه با یکدیگر بیان مینماید.
PREN یک شاخص بسیار کارآمد در انتخاب متریال درست میباشد به گونه ای که هرچه میزان این عدد بزرگتر باشد مقاومت به خوردگی آن متریال بالاتر هست.
این عدد از محاسبه ترکیب شیمیایی متریال به وجود می آید، که در ادامه به بیان فرمول محاسبه آن خواهیم پرداخت.
PREN = CR% + 3.3 x (MO% + 0.5 x W%) + 16 x N%
با افزایش و کاهش این عدد به طور مستقیم سطح و میزان chromium molybdenum, and nitrogen افزایش و کاهش پیدا مینماید.
خوردگی شکاف ( Crevice Corrosion ) موضعی در محیط حاوی کلرید
در یک سیستم سیال تیوبینگ ، شکاف هایی بین تیوب و تیوب ساپورت( کلمپ ها ) ، در میان تیوبهای مجاور یکدیگر ، در زیرخاک و رسوباتی که بر روی سطوح جمع شده وجود دارد.
نکته حائز اهمیت این است که ، عدم وجود شکاف در تاسیسات تیوبینگ و پایپینگ عملا غیر ممکن میباشد و شکافهای تنگ معمولا بزرگترین خطر و تهدید برای وقوع خوردگی سیستم میباشد.
خوردگی شکافی ( Crevice Corrosion ) چگونه شکل میگردد
خوردگی شکافی همانند خوردگی حفره ای ، با شکسته شدن لایه اکسید غیرفعال که از فلز محافظت می کند شروع می شود.
شکست شدن لایه اکسید منجر به تشکیل گودال های کوچک و پس از آن گودال ها بزرگتر و عمیق تر می گردند تا جایی که کل شکاف را پوشش دهند.
با ادامه تشکیل گودالهای بزرگتر و عمیق تر ، برخی از نقاط لوله ممکن است دچار سوراخ شدگی و نشتی گردند.
توجه به این نکته ضروریست که ، خوردگی شکافی در دماهای بسیار پایین تر از خوردگی حفره ای رخ می دهد که در نتیجه موجب شدید شدن خوردگی و نابودی تاسیسات می گردد.
آب شور دریا و نحوه وقوع خوردگی
هنگامی که آب دریا وارد یک شکاف میشود ، مقداری از یون ++Fe حل میشود و نمیتواند به سرعت در داخل شکاف تنگ پخش گردند.
محلول آب نمک ، یون کلر ( – Cl ) با بار منفی به طرف یون آهن ++Fe جذب می گردد و در داخل شکاف شروع به پخش شدن میکنند.
با افزایش غلظت کلرید ، محلول داخل شکاف خورنده تر شده و موجب میگردد میزان بیشتری آهن را در خود حل کنند که این موضوع یون کلرید بیشتری را جهت انتشار در شکاف جذب میکند.
در نهایت محلول داخل شکاف اسیدی تر با غلظت بالای کلرید میگردد که خوردگی بالایی دارد و با گذر زمان میزان این خوردگی افزایش پیدا میکند.
ترک خوردگی تنشی در محیط حاوی کلرید ( Stress Corrosion Cracking in Chloride-Containing Media )
ترک خوردگی تنشی یکی از انواع خوردگی ها میباشد و آنرا به اختصار SCC مینامند ، این سه حرف کلیدی در واقع حروف اول Stress Corrosion Cracking میباشد.
SCC خطرناک میباشد و دلیل آن نابودی بخشی از متریال در سطوح تنش ( Stress) کمتر از yield strength ( قدرت تسلیم ) میباشد.
متریال های ضد زنگ آستنیکی ( Austenitic Stainless Steel ) در حضور یون کلرید بسیار نسبت به SCC حساس و تحت تاثیر میباشند.
شایان ذکر است ، این حساسیت به SCC در MILD-STEEL ها با تماس با محیط قلیایی در متریال های برنجی ( Brass ) در مجاورت با آمونیاک و بخارات آمونیاک بسیار ملموس میباشد.
یونها با متریال در نقاط تیز ترک ها که میزان Tensile Stresses در آن نقاط بیشتر از سایز نقاط هستند بالاترین بر هم کنش را دارند و رشد ترک سریعتر و راحتتر انجام می پذیرد.
در حین پیشرفت رشد ترک ، تشخیص SCC ممکن است بسیار دشوار باشد و شکست نهایی به طور ناگهانی رخ دهد.
شروط و نحوه ایجاد SCC
ایجاد SCC نیازمند سه شرط اساسی هستش که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت
- متریال ما باید به SCC حساس باشد
- شرایط محیطی از قبیل دما و سیال برای ایجاد SCC مساعد و مناسب باشد
- Tensile Stress یا تنش استرسی اعمالی و باقیمانده باید بالاتر از حد بحرانی باشد
قابل توجه ست که با انتخاب متریال با نیکل بالاتر مقاومت به SCC بیشتر و عمر طولانی تری را شاهد خواهیم بود که این مساله در نمودار زیر مشهود و قابل رویت میباشد.
و اما راه حل بالقوه برای رهایی از SCC استفاده از متریال ها مناسب که در ادامه تعدادی را بیان میکنیم.
بهترین انتخاب متریال در چنین شرایطی استفاده از آلیاژ های پایه نیکل ( Nickel Based Alloy ) و یا فلزات ضد زنگ داپلکس ( Duplex Stainless Steel ) میباشد.
برخی از این آلیاژهای پرمصرف به شرح زیر می باشند
- 6Moly Alloy
- Alloy 2507 ( Duplex or Super Duplex )
- Alloy 625 – Inconel
- Alloy 825 – Incoloy
- Alloy C276 – Hastelloy
- Alloy 400 – Monel
ایجاد SSC یا ترک خوردگی ناشی از استرس سولفید در فشار جزیی H2S ( ترک خوردگی ناشی از گاز ترش )
ترک خوردگی گاز ترش با نام Sulfid Stress Cracking یا SSC شناخته میشود.
فلز در مجاورت با H2S و رطوبت نابود و تخریب میگردد ، H2S در آب به شدت خاصیت خوردگی پیدا میکند، در این شرایط متریال تحت اثر ترکیبی استرس کششی ( Tensile Stress ) و خوردگی دچار ترک خوردگی و در نتیجه شکست میگردد.
شروط لازم جهت وقوع SSC
در ادامه به بررسی چندین فاکتور که موجبات SSC وافزایش آن را فراهم می آورند خواهیم پرداخت.
جهت وقوع SCC سه شرط باید هم زمان وجود داشته باشد:
- یکی از مهمترین آنها حساس بودند متریال به SSC میباشد
- محیط باید به اندازه کافی ترش باشد ، در واقع وجود و میزان H2S نقش موثر و مستقیم بر روی SSC دارد.
- میزان Tensile Stress اعمال شده و باقیانده باید بالاتر از حد بحرانی باشد.
فاکتورهای دیگری جهت افزایش احتمال SSC وجود دارد که در ادامه به بیان آنها خواهیم پرداخت
- افزایش سختی متریال ( Material Hardness ) و استحکام کششی ( Tensile Strength )
- غلظت یون هیدروژن ( مقدار PH پایین )
- فشار جزئی H2S
- تنش کششی کل ( اعمال شده و باقیمانده )
- مدت زمان قرارگیری در معرض شرایط
- خطر SSC در دماهای پایین تر، جایی که متریال تمایل به انعطاف پذیری کمتری دارند، افزایش می یابد
یکی از موارد رایج این نوع خوردگی در هنگام ازدیاد برداشت مخازن جدید هست ، که در این پروسه آب دریا را به مخزن تزریق میکنند و موجب SCC میگردد.
جهت رهایی از SSC میتوانیم از متریال های زیر استفاده نماییم
- Alloy 625 – Inconel
- Alloy 825 – Incoloy
- Alloy C276 – Hastelloy
- Alloy 400 – Monel
تردی فلز بر اثر هیدروژن / Hydrogen Embrittlement
اتم های هیدروژن میتوانند درون فلزات منتشر شود و موجب شکنندگی آن گردند. تمامی متریال های حساس به تردی هیدروژنی به Stress Corrosion Cracking و یا SCC بسیار حساس میباشند.
Hydrogen Embrittlement چگونه شکل میگیرد
در صورتیکه فلز در معرض تنش کشش استاتیک یا چرخه ای ( Static Or Cyclic Tensile Stress ) قرار گیرد ، ترک ناشی از هیدروژن میتواند ایجاد گردد.
هیدورژن میتواند موجب تغییراتی در خواص مکانیکی و رفتار فلز گردد که از جمله آنها
- کاهش شکل پذیری ( ازدیاد طول و کاهش سطح ) / Reduction Of Ductility (Elongation And Reduction Of Area)
- کاهش استحکام ضربه پذیری و چقرمگی شکست / Reduction Of Impact Strength And Fracture Toughness
- افزایش حالت خستگی / Increased Fatigue Behavior
حال به یک نکته حائز اهمیت اشاره میکنم که با انتخاب متریال های مقاوم در برابر هیدورژن مانند متریال های آستنیکی با محتوای ۱۰ الی ۳۰ درصد نیکل میتوانیم از Hydrogen Embrittlement جلوگیری نماییم.
انتخاب متریال استنلس استیل با گرید 316 و 316L یکی از گزینه های مرقوم به صرفه و مقاوم در برابر این نمونه خوردگی میباشد.
نکته قابل توجه این هستش که آلیاژهای فریتی با محتوای نیکل بسیار کم به طور قابل توجهی ترد می شوند، در حالی که آلیاژهای آستنیتی با محتوای نیکل بین 10 تا 30 درصد تردی نسبتا کمی را نشان می دهند.
موارد وقوع Hydrogen Embrittlement در سرویسهای فشار بالای گاز هیدروژن و یا در مواردی که اتم هیدروژن در سطح فلز تولید میگردد.
خوردگی بین دانه ای ( Intergranular Corrosion ) یا IGC
تمامی فلزات از دانه های جداگانه تشکیل شده اند و در درون هر دانه اتمها به صورت سیستماتیک مرتب شده اند و یک شبکه سه بعدی را تشکیل میدهند.
IGC به متریال در امتداد مرزهای دانه (جایی که دانه های تشکیل دهنده فلز به هم می رسند) حمله می کند.
دلایل وقوع IGC برای متریال
جوشکاری فلز ، عملیات حرارتی ( heat treatment ) ، قرارگیری در دمای بالا فلز موجب تشکیل رسوبات کاربید در مرز بین دانه ای میگردد.
رسوبات کاربید می توانند بزرگتر شوند و با ربودن و جذب عناصر مهم مانند کروم در مرز بین دانه ای موجب عدم وجود یکنواخت عناصر محافظ در متریال گردند.
پس از به وجود آمدن این عدم توزیع یکنواخت عناصر محافظ در فلز ؛ هنگامی که سیال خوردنده مانند یکی اسید در تماس با مرز بین دانه ای که دچار فقر کروم هستند قرار میگیرند دچار حمله و ترک میگردند.
این ترکها میتوانند در سرتاسر متریال منتشر شوند و شناسایی نشوند و IGC را به شکل خطرناکی از خوردگی تبدیل کنند.
راه حل خوردگی بین دانه ای یا IGC
همانند خوردگی هیدروژنی بهترین و مرقوم به صرفه ترین پیشنهاد استفاده از متریال استنلس استیل با گرید ۳۱۶ یا ۳۱۶L میباشد.
خوردگی گالوانیکی در حضور یک الکترولیت
این نوع خوردگی زمانی اتفاق می افتد که متریال با عدد پتاسیل الکترودی متفاوت در حضور الکترولیت با یکدیگر در تماس باشند.
در این نمودار، منیزیم فعال ترین ماده و گرافیت نجیب ترین متریال است.
SCE مخفف عبارت Saturated Calomel Electrode است.
مواد بسیار نجیب با “سطوح غیرفعال” به اندازه مواد کمتر نجیب یا مواد نجیب با “سطوح فعال” در برابر خوردگی گالوانیکی حساس نیستند.
لایه غیرفعال ( Passive Layer ) بر روی فولاد ضد زنگ از یک لایه اکسید غنی از کروم بسیار نازک تشکیل شده است که به طور خودکار در هوای محیط تشکیل و از متریال در برابر خوردگی محافظت مینماید.
لایه غیرفعال یا Passive layer موجب نجیب تر و کاهش مستعد بودن به خوردگی میشوند.
سازگاری فلزات را میتوان ، توسط شاخص آندی ( Anodic Index ) تعیین کرد که آن تفاوت پتانسیل و یا ولتاژ اندازه گیری شده فلز در آب دریا و توسط یک الکترود استاندارد توصیف می گردد.
نحوه وقوع خوردگی گالوانیکی چگونه است
زمانیکه ، اختلاف پتانسیل بین دو فلز غیرمشابه در حضور الکترولیت خیلی زیاد باشد، لایه غیرفعال متریال شروع به شکستن میکند.
بهترین راه حل عدم وقوع خوردگی گالوانیک
یکی از بهترین راهکارها جهت جلوگیری از خوردگی گالوانیک ، انتخاب متریال هایست که اختلاف ولتاژ و یا پتانسیل آنها بیشتر از 0.2V نباشد.
به عنوان یک مثال ، اتصالات با متریال استنلس استیل گرید ۳۱۶ دارای ولتاژ 0.05V- با تیوب آلیاژ 6-Moly با ولتاژ 0V موجب ایجاد ولتاژ 0.05V بین دو آلیاژ میگردد و در نتیجه ولتاژ به طور قابل توجهی کمتر از 0.2 ولت است ، به این معنی که خطر خوردگی گالوانیکی کم است.
در ادامه مقاله به یک راهنمای سریع و مختصر انتخاب متریال که توسط برند Swagelok آمریکا تنظیم شده توجه بفرمایید.
ما در این مجموعه در کنار شما جهت بررسی و انتخاب متریال مناسب با سیال و شرایط محیطی خواهیم بود تا بهترین انتخاب حاصل گردد.
- جهت دسترسی به اطلاعات بیشتر به صفحه کاتالوگ ها مراجعه فرمایید.
- جهت استعلام قیمت با ما در تماس باشید.
- برای دسترسی به محصولات به فروشگاه اینترنتی مراجعه بفرمایید
- دسترسی به مقالات و ویدئو های بیشتر به بخش مقالات مراجعه بفرمایید.
از برندهای رتبه برتر در تولید این محصول به شرح زیر می باشند.
- SWAGELOK ساخت آمریکا
- PARKER ساخت آمریکا و انگلیس
- HOKE ساخت آمریکا
- HANSUN / S-LOK ساخت کره جنوبی
- HY-LOK ساخت کره جنوبی