خوردگی فلزات و عوامل موثر در واکنش خوردگی

خوردگی فلزات، عوامل موثر در واکنش خوردگی و روشهای کنترل آن خوردگی
امروزه مسائل خوردگی در فلزات در ابعاد وسیعی مورد توجه قرار گرفته است چرا که اصولا اغلب فلزات در طبیعت به صورت سنگ معدن – لیمونیت و گوتیت – و به حالت ترکیب یافت می شوند . لذا یادگیری کاربرد آن ها مشمول گذراندن دوره های متعدد و در عین حال دشوار و پر هزینه بوده و زمان بر است.
بر طبق تحقیقات به عمل آمده هر ساله حدود یک سوم فولاد تولیدی در جهان در اثر خوردگی غیر قابل استفاده می گردد .
خسارات ناشی از خوردگی یک واقعیت اجتناب ناپذیر در زندگی ماشینی امروزی است و در همه جا از فضا گرفته تا روی خاک ، زیر خاک و دریاها، تاسیسات و ابزار آلات ساخته دست بشر را مورد تهدید قرار می دهد .
تعاریف خوردگی
با توجه به تخصص ها و دیدگاه های مختلف تعاریف مختلفی برای خوردگی ارائه شده است که به طور خلاصه بیان می گردد :
 خوردگی به فساد مواد ( معمولا آهن ) و تغییر خواص آن گفته می شود که در نتیجه واکنش با محیط حاصل می گردد .
 خوردگی اکسیداسیون است .
 خوردگی یک حمله شیمیایی به فلز است .
 خوردگی پدیده ایست الکتریکی، بعبارت دیگر الکترولیز است .
 خوردگی پدیده ایست الکتروشیمیایی .
 خوردگی عبارت است از تخریب اجسامی که از طریقی ، غیر از عمل مکانیکی حاصل می شود .
و اما بهترین تعریفی که امروزه مورد قبول همگان است :
 خوردگی عملی است شیمیایی یا الکتروشیمیایی که بین فلزات و محیط اطرافشان واقع گشته و موجب فساد و دگرگونی در خواص آنها می شود .
طبق استاندارد ISO – 8044 تعریف بعضی از نظریه های اولیه خوردگی عبارت است از :
 برهم کنش فیزیکی و شیمیایی بین فلز و محیط اطراف که نتیجه آن تغییر در خواص فلز است و این اغلب منجر به لطمه به وظیفه فلز ، محیط زیست و یا سیستم های فنی که این ها در آن شرکت دارند می شود .
تبصره : این بر همکنش معمولا دارای طبیعت الکتروشیمیایی است .
 خوردگی معمولا در هر محیطی صورت می گیرد و بستگی به آن دارد که با چه مصالحی سرو کار داریم . بیش از 57 نوع خوردگی وجود دارد (حتی اجسام غیر فلزی مانند چوب ، پلاستیک ، سرامیک ، لاستیک، شیشه ، بتن و غیره نیز خورنده می باشند) اما خوردگی و فساد غیر فلزات به شکل های دیگری ظاهر می شود .
عوامل موثر در واکنش های خوردگی
واکنش اولیه آهن با اکسیژن در آب خالص منجر به تشکیل هیدروکسید می شود و اگر یکی از عوامل مزبور حضور نداشته باشد خوردگی صورت نخواهد گرفت .
یادآور می شود که در صورت وجود ناخالصی ها یا آلودگی ها مثلا در آب محصولات دیگری (غیر از هیدروکسید فرو) نیز پدید خواهند آمد. پدیده زنگ زدن آهن در محیط مرطوب ، پیچیده و با تغییر شرایط اندکی متفاوت است.
زنگ آهن ماده ای متخلل و قهوه ای رنگ است که می توان آنرا اکسید آهن (III) آب دار به شمار آورد.

مهمترین عواملی که در واکنش های خوردگی دخالت موثر دارند:
 درجه حرارت : افزایش درجه حرارت موجب ازدیاد میزان و سرعت خوردگی می شود. حتی زمانیکه درجه حرارت قسمت های مختلف از قطعه معینی متفاوت باشد . عموما آن قسمت که درجه حرارتش بیشتر باشد نسبت به سایر نقاط آندتر می شود .
 اختلاف پتانسیل: در حالیکه فلزات غیر همجنس و متصل به هم در محیط مشترکی قرار گرفته باشند به علت اختلاف پتانسیل موجود بین الکترود ها ( مثلا دو فلز روی و آهن در آب نمک ) فلزی که در جدول سری گالوانیکی بالاتر است، آند بوده و خورده خواهد شد . و در نتیجه این عمل فلز دیگر را محافظت خواهد نمود .
 عملیات حرارتی : در نتیجه اعمال عملیات حرارتی رفتار خوردگی اغلب فلزات و آلیاژها شدیداً متاثر خواهد شد .
 شرایط سطحی : شروع و سرعت خوردگی در مورد سطوح صیقلی و تمیز فلزات نسبت به سطوح زبر و خشن و یا سطوحی که دارای فیلم های سطحی بوده و یا دیگر موارد خارجی در آن حضور داشته باشند به شدت تغییر می کند .
 سرعت : چون فیلم های اولیه خوردگی به دلیل وجود سائیدگی از بین می رود و سطح فلز لخت و فعال مجددا در معرض خوردگی های بعدی قرار می گیرد از این رو مورد بررسی و توجه می باشد .
 تشعشع : در این زمینه تحقیقات کمتری صورت گرفته است اما آزمایشاتی که انجام گرفته روشن نموده که در محیط های حاوی تشعشعات اتمی بر روی فلزات میزان و شدت خوردگی تا حدودی افزایش می یابد .
 ناخالصی های محیطی : وجود ناخالصی های مختلف در محیط عامل بسیار مهمی بوده و اثرات گوناگونی بر روی خوردگی می گذارند .
 زمان : معمولا پیشرفت خوردگی با زمان افزایش می یابد اما شرایطی وجود دارند که میزان خوردگی نسبت به زمان کاهش می یابد .
 تنش : مواد و قطعات در شرایطی که تحت تنش های کششی در معرض محیط های خورنده قرار می گیرند شدیدتر و سریعتر از بین می روند .
 فشار : بررسی ها و مطالعات نشان داده که فشار عامل موثری روی واکنش های شیمیایی و اکسیداسیون مواد می باشد .
 خواص فلزی : توجه به خواص و مشخصات متالوژی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است . ساختمان بلوری ،مرزدانه ها ، خواص مکانیکی اختصاصی فلزات و آلیاژها روش های ریخته گری ،عملیات حرارتی و ترکیب آلیاژها از عوامل مهم و موثری هستند که مد نظر قرار می گیرند.
مقیاس اندازه گیری های خوردگی
هنگامی که خوردگی به وقوع می پیوندد وزنی حاصل یا از دست می رود . این وزن در یک واحد سطح و در یک واحد زمانی و اندازه معمولی میلی گرم بر دسی متر مربع در روز است که آنرا با MDD مشخص می کنند . از دست دادن ضخامت فلز را در یک میل در سال(MPY) نشان می دهند که مناسب ترین واحد جهت میزان خوردگی در طراحی به شمار می آید ( یک میل برابر یک هزارم اینچ می باشد)
واحد های دیگری نیز به کار برده می شوند که به سهولت قابل محاسبه با واحد های دیگر هستند . از جمله :
گرم بر دسی متر مربع در روز ، گرم بر سانتی متر مربع در روز،گرم بر اینچ مربع در ساعت،رگرم بر متر مربع در ساعت ، اینچ در سال (IPY) و میلی متر درسال
چنانچه خوردگی فلز کمتر از IPY 005/0 باشد آنرا جز فلزات مقاوم می شناسند و اگر مقدار خوردگی بین IPY 05/0 تا IPY 005/0 باشد جز فلزات معمولی و چنانچه مقدار خوردگی از IPY 005/0 بیشتر باشد جز دسته فلزات ضعیف در برابر خوردگی محسوب می شود .

مهمترین و معمولی ترین روش های کنترل خوردگی عبارتند از:
 حفاظت کاتدی
 حفاظت آندی
 مواد کند کننده
 پوشش ها
 انتخاب مواد
 طراحی مناسب دستگاه ها

وسایل مورد نیاز در آزمایشات و کنترل خوردگی لوله
چند نمونه از دستگاه هایی که در آزمایشات خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند در زیر به اختصار آمده است . هر چند امروزه دستگاه های الکترونیکی جدیدتری به بازار عرضه گردیده است با وجود این کاربرد همه آن ها مشابه است .
-ولت متر :
این دستگاه به منظور اندازه گیری ولتاژ بین لوله و الکترو مرجع به کار می رود جهت آزمایش وضعیت خاک ، آب دریا و پتانسیل خط لوله نسبت به زمین به کار می رود که باید با انتخاب صحیح ولتمتر انجام شود .
امروزه ولت مترهایی الکترونیکی موجود است که احتیاج به تنظیم نداشته و به منظور بررسی جریان های سرگردان می توان از آنها استفاده کرد . این ولت مترها دارای مقاومت داخلی زیاد می باشند .
 آمپرمتر :
این دستگاه جریان های خروجی آندهای موقت ، ترانس های دائم و آزمایشات لازم جهت میزان کارآیی پوشش را اندازه گیری می کند . به منظور صرفه جویی در وقت از دستگاهی که شامل آمپرمتر و ولتمتر باشد استفاده می شود .
 دستگاه اندازه گیری مقاومت خاک :
که به منظور تعیین مقاومت الکتریکی خاک به هنگام طراحی بستر آندی و مسیر خط لوله مورد استفاده قرار می گیرد .
 دستگاهمیگر:
که به منظور اندازه گیری مقاومت خاک مورد استفاده قرار می گیرد .
 دستگاه آزمایش:
به منظور کنترل و جلوگیری از هدر رفتن ولتاژ در انشعابات و منتهی علیه خطوط انتقال که از فلنج عایقی استفاده می گردد به کار می رود .
 دستگاه اندازه گیری ضخامت لوله :
این دستگاه الکترونیکی قادر به نشان دادن ضخامت لوله می باشد و توسط آن می توان مقدار خوردگی در لوله و به خصوص در خم ها را مشخص نمود .
 اهم متر :
برای اندازه گیری مقاومت و تعیین ضخامت قطع بودن مدارها به کار می رود .
 دستگاه عیب یاب پوشش :
با آن نقاط ضعف پوشش لوله که با چشم قابل رویت نیستند مشخص می شود اساس کار آن توسط اختلاف سطح الکتریکی که بر روی قطر پوشش اعمال می گردد و با گذراندن الکترودی بر سطح پوشش می باشد . در صورتیکه نقایصی وجود داشته باشد تخلیه الکتریکی شده و با علامت هشدار دهنده نقاط ضعف مشخص می شود . ولتاژ اعمالی بین 12000-8000 ولت می باشد .
 لوله یاب :
محل دقیق عبور لوله را در جایی که مسیر خط لوله مشخص نباشد مشخص می کند .
 پیرسون :
قادر است نقاط ضعف پوشش لوله های مدفون در خاک را از سطح زمین مشخص نماید .
 سیاسکن :
این دستگاه را می توان تکمیل شده پیرسون دانست . که قادر است محل لوله ، عیب پوشش ، خوردگی لوله و عمق لوله مدفون را مشخص سازد.
 دستگاهPCS2000 :
دستگاه جدید دیگری که می تواند اشکالات لوله های مدفون در خاک را با دقت بیشتری نشان دهد .

آزمایش پتانسیل لوله نسبت به خاک
این امر به منظور حصول اطمینان از حفاظت کاتدی و جلوگیری از خوردگی لوله نسبت به خاک انجام می گیرد .
جهت تعیین مقادیر اندازه گیری از ولت متر با امپدانس داخلی زیاد ( 10 مگا اهم ) که بین الکترود مرجع و کابل آزمایش که به لوله متصل می گردد استفاده می شود . الکترود مرجع یا نیم پیل از یک میله مسی که در مرکز ظرف حاوی محلول اشباع سولفات مس قرار دارد تشکیل شده است . قسمت تحتانی ظرف متخلخل بوده که ضمن تماس با زمین می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند .
واکنش کاهش یا افزایش پتانسیل در لوله تحت حفاظت کاتدی می تواند در نتیجه یکی از عوامل زیر باشد :
1 – جریان های سرگردان
2 – اشکال در پوشش
3 – تخلیه جریان به یک سازه همجوار فلزی
الکترود های دیگری نیز در شرایط مخصوص مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از :
1 – الکترود هیدروژن که فقط در آزمایشگاه استفاده می شود .
2 – الکترود کالومل که اغلب در آب هاب تازه یا آب شور قرار می گیرد .
3 – الکترود سرب / کلرید سرب که در مطالعات خوردگی کابل های سربی به کار می رود .
4 – الکترود نقره / کلرید نقره که قابل استفاده در آب شور بوده و در اثر تماس با آب دریا فاسد نمی شود .
جریان های سرگردان
یکی از بدترین نوع خوردگی بر روی فلزاتی که در خاک کار گذاشته می شوند در محل هایی است که جریان های الکتریکی سرگردان وجود دارند . منابع چنین جریان هایی ممکن است سیستم حفاظت کاتدی ، سیستم حمل و نقل برقی ، کارگاه های آبکاری الکتریکی ، وسایل الکتریکی و غیره باشد . از آنجا که مقاومت ویژه خاک ها زیاد است جریان های الکتریکی داخل زمین از طریق فلزات داخل خاک که مقاومت کمی دارند عبور خواهد کرد که نقطه ورودی جریان سرگردان کاتد و نقطه خروجی آن آند ( پیل خوردگی ) خواهد بود .
جریان های اعمالی به یک سیستم حفاظت کاتدی به سهولت به تاسیسات همجوار وارد می گردند به خصوص اگر بستر های آندی به تاسیسات دیگر نزدیک باشد .
در این صورت تاسیساتی که حفاظت کاتدی نمی گردند در نقطه تخلیه جریان دچار خوردگی می شوند . بدون اغراق می توان گفت خوردگی ناشی از این جریان ها از خوردگی هایی که عوامل محیطی به بار می آورند بیشتر است .
به منظور کاهش تداخل جریان روش هایی را می توان به کار برد از جمله :
1 - اتصال خطوط لوله متقاطع به یکدیگر
2 - استفاده از آند های فدا شونده در محل تقاطع ( می توان از آهن قراضه نیز استفاده کرد )
3 – کاهش دادن مقاومت الکتریکی در محل تقاطع توسط تقویت پوشش نواری
4 – استفاده از موانع الکتریکی و همچنین بالا بردن مقاومت الکتریکی

همجواری خطوط انتقال نیرو با خطوط لوله
مجاورت خطوط لوله با شبکه های برق فشار قوی باعث القا ولتاژ روی خطوط لوله شده و نتیجه اختلالاتی در حفاظت کاتدی بر جای خواهد گذارد . جریان برق با فرکانس50 هرتز بسیار خطرناک بوده به طوریکه اگر برق 35 ولت را در نظر بگیریم جریان حاصل از آن در شرایطی که بدن خشک باشد 5/3 میلی آمپر خواهد بود که تاثیر فیزیکی بر روی بدن خواهد داشت. اگر خطوط لوله به ناچار با خطوط انتقال برق موازی گردد در شرایط متقاطع هر چند جریان القایی تاثیر بر پوشش نقاط تقاطع خواهد گذارد مع هذا اثرات القایی آن ناچیز بوده ، به طوریکه می توان با تقویت پوشش حتی الامکان با ایجاد فاصله تا حدی جبران این نقیضه را نمود .
در مورد همجواری خطوط انتقال نیرو ( زیر زمینی ) با خطوط لوله مسئله القا وجود دارد ولی چندان حاد نمی باشد . زیرا پوشش مسطح کابل تا 80 درصد حوزه مغناطیسی را محدود می سازد که اثرات القایی خطوط زیر زمینی بر خطوط لوله ناچیز خواهد بود
به منظور رهایی از جریان های القایی حاصل از هجواری خطوط انتقال نیرو با خطوط لوله می توان از وسیله ای استفاده نمود که در آزمایشات نتایج مطلوبی از آن به دست آمده است. این وسایل همانند یک خازن عمل می کند،که با به کارگیری آن می توان جریان های القایی را حذف نمود .

کند کننده ها
این مواد که اصولا شیمیایی هستند ، قادرند واکنش های خوردگی را کند یا متوقف سازند که به صورت آندی و یا کاتدی عمل می کند. کند کننده های آندی از حساسیت خاصی برخوردارند به طوریکه اگر به مقدار کافی به کار نروند موجب تشدید خوردگی موضعی بر روی فلز خواهند گشت. در مورد کند کننده های کاتدی، هر چند تاثیر آن ها مورد رضایت کامل نیست ولی در صورت کم بودن تولید خطری برای دستگاه نخواهد کرد .
کند کننده ها به دو دسته تقسیم می شوند :
1 – دسته ای که به مایع درون لوله اضافه گشته و گازها را کنترل می کنند .
2 – دسته ای که فیلمی محافظ بر روی سطح فلز ایجاد نموده و از نفوذ مواد خورنده جلوگیری می نمایند .
به عنوان مثال سولفیت سدیم اکسیژن را جذب و به سولفات تبدیل می گردد و خطری را متوجه دستگاه نخواهد ساخت.
گاهی به کمک مواد محلول در آب نظیر بیکربنات ها عمل ممانعت بهتر انجام می گیرد و برای بازده بهتر در پیشگیری از خوردگی به آب افزوده می شوند . البته اگر سرعت آب خیلی زیاد باشد این ممانعت کننده ها را بی اثر می کند و وقتی که سرعت آب کم باشد رسوبات ناشی از مواد جامد معلق تشکیل پیل خوردگی موضعی را داده و باعث افزایش خوردگی خواهند شد .
مواد روغنی آب خوردگی را کاهش می دهند مانند ضد یخ ( اتیلن گلیکول) که در رادیاتور اتومبیل می ریزند. گاهی از کند کننده های اکسیدان نیز استفاده می گردد و برای جلوگیری از خوردگی در رادیاتور نیترات سدیم به میزان 5% و نیتریت سدیم 5% به گلیکول می افزایند .
بعضی از کند کننده ها نظیر براکس محیط های اسیدی را قلیایی می سازند و در سیستم های خنک کننده آب یک طرفه، از موادی نظیر پلی فسفات و آهک برای کند کنندگی استفاده می شود .
آب خورنده مشخصات خاصی دارد که عبارتند از :
1- حاوی اکسیژن و گازهای محلول است .
2- حاوی اجسام محلول یا معلق می باشد .
3- قلیایی یا اسیدی است .
4- دارای سرعت و حرارت است .
5 – فعالیت میکروب ها در آن صورت می گیرد .
PH آب را می توان با افزودن سود (5/9-5/7)تنظیم نمود . گاهی پلی فسفات ها و کرومات ها را می توان همراه با هم به کار برد که نتیجه مطلوب تری خواهد داشت و خطری متوجه فلز نمی شود .
اگر آهن در آبی باشد که محتوی نمک طعام و به میزان محاسبه شده ای کرومات سدیم است بتدریج در مقابل خوردگی مصون می ماند زیرا کرومات با محصولات فرو حاصل از زنگ زدن آهن ترکیب می شود و کرومات سدیم را به محصولات فریک که خاصیت پوششی دارند تبدیل می کند .
مواد کند کننده ممکن است به قلیایی، خنثی، قابل حل، آلی و غیر آلی تقسیم بندی شوند . موادی که با قطع جریان عواملی مانند اکسیژن واکنش های کاتدی سطح فلز را متوقف می نمایند کند کننده کاتدی نامیده می شوند در اثر فعل و انفعالات کاتدی رسوب یک قشر هیدروکسید در نواحی کاتدی سطح فلز را در بر می گیرد .
اگر فولاد زنگ نزن دارای مقاومت زیاد است به علت ورود قشر اکسیدی است که در سطح فلز همیشه موجود است . در صورت صدمه دیدن این قشر خوردگی در آن قسمت تشدید خواهد شد .
کند کننده های عمومی که تشکیل قشر محافظ بر روی سطح تمام فلز چه آندی و چه کاتدی داده و فلز را تحت حفاظت قرار می دهند :
 کرومات روی : کند کننده خوردگی فولاد حاوی کربن زیاد در آب است . در دستگاه های آب گرم در گردش (شوفاژ مرکزی ساختمان ها) به غلظت 1/0 درصد به کار می رود .
 سیکلو هگزیل آمین: کند کننده خوردگی لوله های گاز طبیعی و مواد نفتی و فرآورده های مشتق آن است که در لوله های فولادی جریان دارد .
 آمینو اتیلن : کند کننده خوردگی فلزات سیاه ( فولاد های معمولی ) در گاز طبیعی است و برای حفاظت لوله به غلظت 1/0 درصد بکار می رود .
 بوتیل کرومات: کند کننده خورندگی فولاد ، منیزیم ؛ مس و آلیاژهای آنهاست .
 مورفولین : در دستگاه های تقطیر آب و تولید بخار در نیروگاه های فشار قوی و جهت تنظیم PH به آب تزریق می شود و مخلوط آن با هیدرازین موثر است . همچنین برای کاستن خوردگی لوله های گاز طبیعی مصرف می گردد .
 بوتیل فسفات : کند کننده خوردگی آهن ، مس ، روی ، در بنزین و از این قبیل با اکتان بالا به غلظت 12-1 کیلوگرم در 1000 لیتر بنزین استفاده می گردد .
نتیجه اینکه، کند کننده ای شیمیایی با برخورد با مکانیسم خوردگی آن را کند و یا متوقف می سازند .

آلیاژها
با استفاده از آلیاژها می توان مقاومت فلزات را تا چند برابر در محیط های خورنده و با درجه حرارت های بالا افزایش داد.
از 80 نوع فلز شناخته شده تاکنون بیش از 40 هزار نوع آلیاژ با خواص مختلف به دست آمده است . اگر آلیاژی را آلیاژ آهنی بنامند به معنی این است که فلز اصلی آهن است . از آلیاژهای مهم آهن ، آلیاژ آهن و کروم است که 9 – 4 درصد آن کروم بوده و در ساخت دستگاه ها تصفیه نفت به کار می رود و با 30 – 9 درصد کروم در ساخت قطعات کوره ها و مشعل مورد استفاده قرار می گیرند . کروم مقاومت آهن را در برابر درجه حرارت زیاد می کند. یکی از مهمترین فولاد های ضد زنگ فولاد 18 درصد و 8 درصد نیکل می باشد .
مرغوبیت فولاد زنگ نزن از نوع 316 به علت داشتن مولیبدن است .
گاهی غیر از کروم و نیکل سیلیسیم را نیز برای افزایش مقاومت در ترکیب فلز بکار می برند که سوپاپ های موتور های احتراق از آنجمله اند . هرچه مقدار کروم زیادتر شود سخت تر و مقاومت آن در برابر خوردگی بیشتر می شود اما بیش از 15 درصد کروم ،فولاد را شکننده تر می سازد.
ورشاب آلیاژی است از مس، نیکل و وری که در وسایل تزئین خانگی استفاده می شود و برنج قرمز که آلیاژی است از روی و مس که در صنعت استفاده فراوان دارد .

بالا