حفره دار شدن (pitting) از مخرب ترین انواع خوردگی موضعی است که باعث سوراخ شدن تجهیزات فلزی می شود. مستعد ترین فلزات برای حفره دار شدن فلزاتی هستند که به وسیله فیلم نازکی محافظت می شوند، مثل فولادهای زنگ نزن، آلومینیوم، تیتانیوم، مس و منیزیم. لایه پاسیو اکسید کروم در سطح فولادهای زنگ نزن، اگر چه مقاومت به خوردگی یکنواخت آن را افزایش می دهد، ولی فلز را مستعد خوردگی موضعی می کند. اگر چه فولادهای معمولی هم دچار خوردگی حفره ای می شوند ولی مقاومت بیشتری به این نوع خوردگی نسبت به فولادهای زنگ نزن دارند و به علت حفره دار شدن هم سوراخ نمی شوند. اگر حمله موضعی عناصر خورنده به فلز در یک سطح آزاد اتفاق بیفتد و موجب خوردگی آن شود، آن را خوردگی حفره دار شدن (Pitting Corrosion) و اگر در یک سطح بسته مثل شکاف، شیار، سوراخ و محل اتصال اتفاق بیفتد، آن را خوردگی شیاری (Crevice Corrosion) می گویند.
بیشترین حفره ها روی سطوح افقی و در جهت نیروی جاذبه رشد می کنند و دارای اشکال مختلفی هستند (شکل ۲). حفره ها به ندرت روی سطوح عمودی و یا روی سطوحی خارج از محیط خورنده رشد می کنند.
شکل ۲- شکل و جهت گیری رشد حفره ها طبق ASTM G46
دسته بندی حفره ها بر حسب دانسیته، اندازه و عمق حفره ها در یک چارت استاندارد طبق ASTM G46 ارائه شده است (شکل ۳). در این چارت، ستون A تعداد حفره در سطح (m2)، ستون B اندازه میانگین حفره ها و ستون C شدت یا عمق میانگین حمله است.
شکل ۳ – دسته بندی حفره دار شدن طبق ASTM G46
برای ارزیابی حفره دار شدن از یک فاکتور به نام Pitting Factor یا به اختصار PF استفاده می شود. فاکتور حفره دار شدن از تقسیم عمق عمیق ترین حفره ی اندازه گیری شده بر متوسط نفوذ محاسبه شده از کاهش وزن یا به عبارتی عمق نفوذ خوردگی یکنواخت در سطح به دست می آید. اگر PF برابر با یک باشد، به این معنی است که خوردگی یکنواخت است، اگر کوچک تر از یک باشد به این معنی است که قطعه در مقابل اشاعه حفره باریک و ادامه خوردگی حفره ای مصونیت دارد و اگر بزرگ تر از یک باشد به این معنی است که قطعه مستعد اشاعه حفره باریک و انهدام ناشی از رشد حفره ها است.
دوره شروع حفره دار شدن بسته به فلز و محیط، می تواند ماه ها تا سال ها طول بکشد و اما به مجرد اینکه حفره ها شروع شدند، با سرعت فزاینده ای به داخل سطح فلز نفوذ می کنند. در این نوع خوردگی کاهش وزن بسیار کم است، حفره ها را به دلیل کوچک بودن و پنهان شدن در زیر محصولات خوردگی و رسوبات و قرار داشتن در فضاهای مرده و بسته به سختی می توان مشاهده کرد و همچنین حفره زایی را به سختی می توان با آزمون های خوردگی پیش بینی کرد، لذا حفره دار شدن بیشترین تعداد انهدام های خوردگی غیر قابل انتظار را به خود اختصاص می دهد. به همین دلیل، حفره دار شدن از خطرناک ترین انواع خوردگی ها است.
مکانیسم های خوردگی حفره دار شدن:
در عمل بیش تر انهدام های ناشی از حفره دار شدن، در اثر یون کلر است که در آب وجود دارد. دیگر هالوژن ها نیز باعث حفره دار شدن می شوند. در مواقعی که با حمله یون کلر، فیلم پسیو روی سطح فلز در قسمت کوچکی از قطعه از بین می رود، یک پیل اکتیو-پسیو در آن ناحیه تشکیل می شود. با حضور یک آند کوچک (ناحیه ای که فیلم پسیو روی سطح فلز از بین رفته است) در مقابل کاتد بزرگ، دانسیته جریان کاتدی افزایش می یابد و فلز در آن ناحیه به شدت و به سرعت دچار خوردگی می شود. مکانیسم توجیه کننده دیگر برای توضیح خوردگی حفره دار شدن این است که انحلال سریع فلز در داخل حفره باعث ایجاد بار مثبت اضافی در این ناحیه می شود. در نتیجه برای برقراری تعادل الکتریکی، یون های کلر به داخل حفره نفوذ می کنند. به همین دلیل در داخل حفره، غلظت بالایی از کلرید فلز ایجاد می شود و در نتیجه ی هیدرولیز، غلظت بالایی از یون های هیدروژن به وجود می آید. یون های هیدروژن و کلر باعث افزایش انحلال فلز می شوند و شتاب واکنش با گذشت زمان زیادتر می شود. چون قابلیت انحلال اکسیژن در محلول های غلیظ صفر است، احیاء اکسیژن در داخل حفره صورت نمی گیرد. واکنش کاتدی احیاء اکسیژن روی سطح خارجی مجاور حفره باعث حفاظت آن سطوح در مقابل خوردگی می شود. به عبارتی حفره ها آند واقع شده و بقیه سطح فلز را حفاظت کاتدی می کنند.
شکل ۴- مکانیسم حفره دار شدن
عوامل موثر بر حفره دار شدن:
ترکیب شیمیایی و میکرو ساختار فولاد تاثیر زیادی در تمایل یا مقاومت آن به تشکیل حفرات سطحی دارد. حضور عنصر کروم در ترکیب شیمیایی فولاد بیشترین سهم را در مقاومت آن به حفره دار شدن دارد. حضور عناصر دیگری چون مولیبدن، نیتروژن و تنگستن در ترکیب شیمیایی فولاد نیز مقاومت آن را به حفره دار شدن افزایش می دهد، ولی این عناصر در کنار عنصر کروم موثر هستند. عنصر نیکل هم می تواند تا حدودی مقاومت به حفره دار شدن را افزایش دهد. عناصر کربن (به ویژه در موقع حساس شدن فولاد زنگ نزن آستنیتی)، گوگرد، سلنیم و سیلیسیم مقاومت به حفره دار شدن را کاهش می دهند، البته سیلیسیم در حضور مولیبدن مقاومت به حفره دار شدن را افزایش می دهد. تیتانیوم و کلومبیم مقاومت به حفره دار شدن را در کلرید فریک کاهش می دهند ولی در بقیه محلول ها بی اثر هستند. حضور ناخالصی ها به خصوص سولفید منگنز و برخی فازها مثل سیگما و کای در ریز ساختار فولادهای زنگ نزن پتانسیل حفره دار شدن را افزایش می دهد. نگهداری فولادهای زنگ نزن آستنیتی در دمای حساس شدن، مقاومت آن ها را به حفره دار شدن کاهش می دهد. با عملیات حرارتی آنیل انحلالی فولادهای زنگ نزن آستنیتی حساس شده، مقاومت آن ها به حفره دار شدن افزایش می یابد. حفره دار شدن، همزمان با خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشدید می شود. در این فولادها، مرز دانه ها به عنوان محل های ترجیحی حفره دار شدن عمل می کنند. به همین دلایل باید در جوشکاری آن ها به نحوی عمل شود که حساس شدن فولاد و خوردگی بین دانه ای اتفاق نیفتد. غیر همگنی در ساختار فولاد زنگ نزن به خصوص در قطعات ریختگی، آخال ها و برخی عیوب تولیدی در قطعه و کیفیت سطحی از دیگر عوامل موثر بر تمایل یا عدم تمایل فولاد به حفره دار شدن است. حفره دار شدن در سطوح صاف و پولیش شده کم تر از سطوح زبر، ساییده شده و اچ شده اتفاق می افتد. کار سرد بر روی فولادهای زنگ نزن آستنیتی هم می تواند پتانسیل حفره دار شدن را افزایش دهد.
علاوه بر ترکیب شیمیایی، ریز ساختار و کیفیت سطحی فولاد زنگ نزن و حضور عناصری چون یون کلر در محیط، عوامل محیطی دیگری چون دما، شیب دمایی، شیب غلظتی، سرعت حرکت سیال، عوامل میکروبیولوژیکی، استفاده از میکروب کش ها و گندزداها در سیال، مقدار کلرین باقیمانده، حضور یون های تیوسولفات و سولفات و گازهای محلول در سیال هم در خوردگی حفره دار شدن موثر است. یون های اکسید کننده فلزی با کلریدها مثل کلرید مس و کلرید آهن، برای ایجاد این خوردگی نیازی به حضور اکسیژن ندارند و در غیاب اکسیژن هم باعث حفره دار شدن می شوند. حفره دار شدن به طور معمول در یک محیط خورنده ساکن مانند مایع درون تانک یا مایع جمع شده در یک قسمت غیر فعال سیستم لوله کشی اتفاق می افتد. حفره زایی در فضاهای مرده مثل فلنج های کور تشدید می شود. افزایش سرعت حرکت سیال احتمال حفره دار شدن را کاهش می دهد. شیب غلظتی اکسیژن با تشکیل پیل های موضعی آند کوچک و کاتد بزرگ باعث تشکیل حفرات می شود. این موضوع در زیر قطرات آب بر روی سطح فلز مستعد اتفاق می افتد. حضور رسوبات، کثافات، نخاله ها، لایه های لجن و چسبیدن جلبک ها و گیاهان دریایی به سطح فلز نیز می تواند موجب ایجاد پیل خوردگی و حفره زایی شود. افزایش دمای محلول هم پتانسیل حفره دار شدن را افزایش می دهد.
پیشگیری از خوردگی حفره دار شدن:
به دلیل غیر منتظره بودن انهدام های ناشی از خوردگی حفره دار شدن، کنترل و حذف خوردگی در مرحله طراحی قطعه و تجهیز، برای پیشگیری از این انهدام و شکست ها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. از جمله روش های کنترل این خوردگی، انتخاب متریال مناسب در محیط های مستعد به حفره دار شدن است. در مواردی که احتمال حفره دار شدن قطعه را نمی توان حذف یا کاهش داد، از راهکارهایی چون حفاظت کاتدی، پوشش محافظ سطحی و افزایش ضخامت قطعات می توان استفاده کرد تا حفره دار شدن متوقف و کنترل شود یا طول عمر قطعه افزایش یابد. استفاده از ممانعت کننده های آندی و کاتدی، هم زدن سیال، جلوگیری از ایجاد محلول ساکن و تخلیه تمامی تجهیزات از آب و سایر الکترولیت ها در زمان های غیر کاری از دیگر روش های پیشگیری از حفره دار شدن است. شستشوی دوره ای تجهیزات و لوله ها هم موثر است. در طراحی ها نیز باید تا جایی که ممکن است از ایجاد گوشه های تیز، زوایای برگشته، قسمت های مرده و سایر نواحی که موجب جمع شدن سیال، رسوب و کثافات شود، اجتناب شود. به همین منظور، حضور مهندسان خوردگی در کنار طراح از اهمیت برخوردار است. حفره دار شدن می تواند در حضور هر ماده ای که آب را جذب و در خود نگه می دارد، مثل پارچه، نمد و عایق کشیده شده روی سطح قطعه، تشدید شود.
عدد معادل مقاومت به حفره دار شدن یا PREN چیست؟ PREN چگونه محاسبه می شود؟
در مطالعات، آزمایش ها و تجاربی که از رفتار فولادهای زنگ نزن در محیط های مستعد به حفره دار شدن به دست آمده است، مشخص شده که مقاومت فولادهای زنگ نزن به حفره دار شدن متفاوت است و حفره زایی در برخی از این فولادها صورت نمی گیرد یا در شرایط دمایی یا میزان مشخصی از حضور یون های خورنده مثل کلر صورت می گیرد. به منظور سنجش مقاومت به حفره دار شدن در فولادهای زنگ نزن، یک فاکتوری به نام “عدد معادل مقاومت به حفره دار شدن” (Pitting Resistance Equivalent Number) که به اختصار PREN گفته می شود، استفاده می شود. این فاکتور تاثیر حضور عناصر در ترکیب شیمیایی فولاد بر مقاومت به حفره دار شدن آن را مشخص می کند. از این عدد برای پیش بینی تمایل یا عدم تمایل فولادهای زنگ نزن به حفره دار شدن استفاده می شود. PREN از فرمول زیر محاسبه می شود:
PREN= % Chromium + 3.3 × %Molybdenum + 16 × %Nitrogen
در برخی فرمول ها از ضریب ۳۰ به جای ۱۶ برای نیتروژن استفاده می شود. در برخی استانداردها هم معمولاً درصد تنگستن با ضریب ۱٫۶۵ به فرمول اضافه می شود. به طور مثال در استاندارد NACE MR0175/ISO 15156-3 : 2015 از فرمول زیر برای محاسبه PREN استفاده می شود:
PREN= % Cr + 3.3 × (%Mo+0.5×W%) + 16 × %N
البته استفاده از این فرمول برای ارزیابی تمایل یا مقاومت فولاهای زنگ نزن به خوردگی حفره دار شدن این عیب را دارد که تاثیر سایر عوامل را نادیده می گیرد و می تواند طراح را به گمراهی بکشاند.
برای محاسبه PREN می توانید فایل اکسل لینک زیر را از عصر مواد دریافت کنید.
محاسبه عدد معادل مقاومت به حفره دار شدن PREN
در تهیه این مطلب از منابع زیر استفاده شده است:
- کتاب خوردگی فولادهای زنگ نزن، تالیف آرش فتاح الحسینی، احمد ساعتچی، پرویز محمدیان صمیم
- کتاب مبانی طراحی خوردگی، تالیف ر.جیمز لندروم، ترجمه احمد یوسف نژاد
- هندبوک ASM جلد ۱۳A
- استاندارد ASTM G46 – این استاندارد را می توانید با کلیک بر روی عبارت زیر از عصر مواد دریافت کنید
(ASTM G46 – 94 (Reapproved 2013
مطالب مرتبط:
انواع خوردگی فلزات – معرفی مختصر، ساده و همه فهم
شناسایی و ارزیابی خوردگی حفره ای + معرفی و دانلود استاندارد ISO 11463
تفاوت استیل ۳۰۴ و ۳۱۶ + ویدیوی آموزشی و اختصاصی عصر مواد
فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ و ۳۱۶ چه تفاوت مهمی با هم دارند؟
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.