کنترل و حذف خوردگی در مرحله طراحی و انتخاب مواد

پیش گفتار

 

خوردگی پدیده­ ی مخربی است که موجب اتلاف مواد، انرژی و سرمایه می شود. خوردگی به سه طریق موجب افزایش هزینه های یک جامعه می شود:

الف) خوردگی باعث خسارت های مالی مستقیم می شود (مثل انهدام تجهیزات و ماشین آلات صنعتی، پل ها، تاسیسات، کشتی ها و …).

ب) خوردگی باعث به هدر رفتن و ضایع شدن منابع طبیعی می شود (مثل افزایش برداشت از سنگ آهن و مصرف بی رویه آب و انرژی برای تبدیل آن به آلیاژهای آهنی در اثر خوردگی و انهدام چدن ها و فولادها).

ج) خوردگی باعث سلب آسایش و راحتی بشر و حتی مرگ و میر انسان ها می شود (مثل مرگ و جراحت انسان ها در اثر انهدام سازه ها، پل ها، ماشین آلات و … و مرگ و مسمومیت در اثر خوردگی وسایل نگهداری و حمل مواد غذایی و مواد آشامیدنی و ورود تدریجی فلزات سنگین و مواد شیمیایی به بدن انسان ها و …).

خسارت های مالی ناشی از خوردگی بسیار هنگفت بوده و نتایج ارزیابی های به عمل آمده در برخی کشورهای صنعتی پیشرفته نشان می دهد که این زیان ها سالیانه رقمی در حدود ۵-۴ درصد تولید ناخالص ملی آن ها را شامل می شود. به طوری که زیان مالی خوردگی در سال ۱۹۹۴ در آمریکا بالغ بر ۳۰۰ میلیارد دلار تخمین زده شده است. در کشور ما نیز مسلماً هزینه های زیادی بابت این پدیده به خصوص در صنایع آب و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی پرداخت می شود که البته برآوردی از آن وجود ندارد ولی هدر رفت فراوان شبکه انتقال آب کشور، خسارت های وارده به اقتصاد کشاورزی به دلیل خوردگی و انهدام پمپ ها و شبکه انتقال آب، توقف ناخواسته نیروگاه های برق به دلیل سوراخ شدن دیگ های بخار و مبدل ها، انهدام تاسیسات، ماشین آلات و خطوط انتقال در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و اتمسفرهای خورنده مثل سواحل خلیج فارس و دریای خزر و … از جمله خسارت های خوردگی می باشد که بی گمان هزینه های جامعه ما را بالا برده است.

 

 

 

 

کنترل خوردگی

 

علیرغم خسارت های هنگفت خوردگی، خوشبختانه می توان با اتخاذ تدابیری در مرحله طراحی و یا با به کار بستن اصول حفاظت و کنترل خوردگی، زیان های وارده را به مقدار فراوان و به نحو مطلوبی کاهش داد. چنان چه مشکلات بالقوه­ ی خوردگی در مرحله طراحی حل نشود، به طور حتم بعداً به شکل تجهیزات خورده شده، انهدام های صورت گرفته، هدر رفت های زیان بار و هزینه سوز، توقف ها و تعطیلی های ناخواسته، خود را نشان خواهد داد. اینجاست که نقش مهندسین خوردگی پر رنگ می شود. برای یک طراح چیزی مهم تر از داشتن اطلاعات دقیق از هزینه های خوردگی و لزوم حذف یا کاهش آن در مرحله­ ی طراحی وجود ندارد. طراح باید توانایی گزینشی مقرون به صرفه از روش های متعدد کنترل خوردگی برای کاربرد مورد نظر را داشته باشد. انتخاب درست مواد یکی از مهم ترین وظایف یک طراح است. مارس فونتانا استاد برجسته علم خوردگی می گوید: “تمامی انهدام های خوردگی حقیقتاً از بی دقتی در استفاده از قطعات توسط استفاده کننده یا انتخاب ضعیف مواد یا توسط طراحی ناشی می شود”. در بیشتر شرکت های بزرگ، مهندسین طراح و مهندسین خوردگی در کنار هم کار می کنند تا اطمینان حاصل شود که خوردگی، شکست و انهدام زودرس به دلیل نقص در طراحی یا انتخاب نادرست مواد اتفاق نمی افتد.

 

 

 

 

عوامل موثر بر عمر تجهیزات

 

از نقطه نظر خوردگی، فاکتورهایی که بر عمر تجهیزات اثر می گذارند عبارتند از: جزئیات طراحی، انتخاب مواد ساختمانی، ویژگی ها و مشخصات فنی مواد، ساخت و تولید، کنترل کیفیت و بازرسی، بهره برداری و عملیات فرایندی، تعمیر و نگهداری، شرایط محیطی و غیره. به عبارت بهتر، در جزئیات طراحی باید مقاومت به خوردگی مواد را مد نظر داشت. مواد ساختمانی از نظر مقاومت به خوردگی باید به دقت انتخاب شود. تجهیزات باید کاملاً دقیق و درست ساخته شده و جهت تطبیق با شرایط مطلوب کنترل و بازرسی شوند. تجهیزات باید به درستی و برای شرایط محیطی طراحی شده مورد استفاده قرار گیرند. تجهیزات باید به درستی نگهداری شوند. تمام این فاکتورها باید توسط طراح جهت اطمینان از عمر مفید تجهیزات طراحی شده، در نظر گرفته شوند.

 

انتخاب مواد

 

طراح باید بتواند از برترین مواد بهینه برای کاربردهای معین استفاده کند. مفهوم روشن بهینه عبارت است از این که ماده با نازل ترین قیمت کار مطمئن و مناسب را انجام دهد. در واقع مناسب ترین مواد الزاماً گران ترین یا بهترین آن ها نمی باشد. یک انتخاب درست برای جنس یک قطعه، انتخابی است که با کمترین هزینه، کارکرد مطمئن و مناسبی داشته باشد و الزامات طراح را از نقطه نظر مقاومت مکانیکی و مقاومت به خوردگی به نحو مطلوبی برآورده ساخته و عمر پیش بینی شده را محقق سازد. به عنوان مثال مدیریت یک شرکت نفتی تصمیم گرفت پنج مبدل حرارتی خود را به جای فولاد کربنی که به طور معمول استفاده می شود از فولاد زنگ نزن تامین نماید (با این تصور و توجیه اشتباه که فولاد زنگ نزن بهتر و گران تر از فولاد معمولی است پس باید مقاومت به خوردگی بهتری در آن محیط داشته باشد). نتیجه تصمیم جدید بسیار خسارت بار و پر هزینه بود، چرا که طی نخستین هفته ­ی کار، مبدل های حرارتی از جنس فولاد زنگ نزن در اثر خوردگی تحت تنش کلریدی دچار خوردگی شدند.

 

 

 

برای انتخاب مواد مناسب جهت جلوگیری از خوردگی یا به حداقل رساندن آن، قدم های زیر باید برداشته شود:

 

• بررسی شرایط بهره برداری و محیطی:

 

اولین قدم در فرایند انتخاب مواد، بررسی و مرور کلی محیط خورنده و شرایط بهره برداری دستگاه است. اطلاع دقیق از محیط کاربری، شرایط کاری، آنالیز سیال، دما، فشار، سرعت جریان سیال، فازهای مایع نسبت به گاز، پیوسته یا ناپیوسته بودن فرایند و … کمک زیادی به انتخاب درست مواد می کند.

 

• بررسی طراحی

 

حذف خوردگی در مرحله طراحی، ضمن افزایش عمر تجهیزات، هزینه ها را نیز به شدت کاهش می دهد. این مسئله ارتباط نزدیک طراحان و مهندسین خوردگی را می طلبد. در واقع، برای کنترل خوردگی، مهندس خوردگی نیز باید در کنار مهندس طراح، نقشه ها و طراحی ها را تائید نماید. قوانین طراحی بسیاری وجود دارد که باید برای به دست آوردن بهترین مقابله با خوردگی رعایت شوند، از قبیل موارد زیر:

۱- به جای پرچکاری از جوشکاری استفاده شود. اتصالات پرچی نقاطی برای خوردگی شیاری هستند.

۲- مخازن و محفظه ها طوری طراحی شود که به سهولت قابل تخلیه و تمیز کردن باشند. کف مخازن باید به طرف سوراخ تخلیه شیب داشته باشد تا از باقی ماندن محلول در کف مخزن هنگام تخلیه جلوگیری شود. به طور مثال اسید سولفوریک غلیظ خوردگی بسیار کمی روی فولاد دارد ولی در صورتی که مخزن به طور کامل تخلیه نگردد و محلول باقیمانده در تماس با هوا باشد، اسید با جذب رطوبت هوا و رقیق شدن باعث خوردگی سریع مخزن می شود.

۳- سیستم ها طوری طراحی شود تا اجزایی که به سرعت خورده می شوند به سهولت قابل تعویض باشند.

۴- از تنش های مکانیکی بالا و مراکز تنش در قطعاتی که در معرض محیط خورنده قرار دارند پرهیز شود. تنش های مکانیکی یا داخلی یکی از عوامل ترک خوردن در اثر خوردگی توام با تنش (SCC) است. این مطلب مخصوصاً در مورد آلیاژهایی که مستعد به SCC هستند مثل فولادهای زنگ نزن و برنج ها باید رعایت گردد.

۵- حتی الامکان از تماس الکتریکی فلزات غیر همجنس جلوگیری شود تا خوردگی گالوانیکی بوجود نیاید. در صورت امکان در تمام سیستم از یک نوع فلز یا آلیاژهای هم خانواده استفاده شود و در غیر این صورت فلزات غیر همجنس از یکدیگر عایق شود.

۶- در سیستم های لوله کشی از زانوها با زاویه های تند پرهیز شود. پیچ های تند و جاهای دیگری که در آن ها جهت سیال به سرعت عوض می شود باعث خوردگی سایشی می گردد. این مطلب مخصوصاً در سیستم هایی که مستعد به خوردگی سایشی هستند، مهم می باشد.

۷- برای شرایطی که سیال با فلز برخورد می کند، ضخامت بیشتری از فلز در نظر گرفته شود.

۸- طراحی به گونه ای باشد که ارتعاشات شدید وجود نداشته باشد.

۹- در صورت امکان موقعیت تجهیزات طوری انتخاب شود که در مسیر حرکت باد ناشی از کارخانه یا اتمسفرهای آلوده قرار نداشته باشد.

۱۰- در عملیات انتقال حرارت از نقاط گرم و نایکنواختی شیب درجه حرارت اجتناب شود. توزیع غیر یکسان درجه حرارت منجر به گرم شدن موضعی و سرعت های خوردگی بالا می شود. به علاوه نقاط گرم تر باعث تنش هایی می شود که ممکن است منجر به خوردگی توام با تنش گردد.

۱۱- موقع طراحی حذف هوا در نظر گرفته شود. احیاء اکسیژن یکی از مهم ترین واکنش های کاتدی در خوردگی است و اگر اکسیژن حذف گردد، غالباً خوردگی نیز کم یا متوقف می شود. در طراحی تجهیزات کارخانجاتی که با مواد شیمیایی سروکار دارند باید توجه خاصی به همزن ها، مدخل ورودی محلول و نواحی دیگری که امکان وارد کردن هوا به سیستم دارند، معطوف شود. نصب شیرهای هواگیری و استفاده منظم از آن ها مفید است. فلزات و آلیاژهای فعال- غیر فعال در این مورد استثناء هستند. تیتانیم و فولادهای زنگ نزن در اسیدهای هوادار یا اکسید کننده های دیگر مقاوم ترند.

۱۲- دستورالعمل هایی برای آزمایش ها یا نگهداری در انبار قطعات و تجهیزات تعیین شود. مثلاً پس از آزمایش هیدرولیکی نباید وسیله مربوطه پر یا نیمه پر به مدت طولانی باقی بماند. این مسئله می تواند منجر به خوردگی میکروبی، حفره دار شدن و خوردگی تنشی گردد. مشاهده گردیده است که لوله های از جنس فولاد زنگ نزن موقع نگهداری در انبار نزدیک ساحل دریا در اثر خوردگی تنشی ترک خورده اند.

۱۳- نحوه اتصال قطعات مختلف به هم، جنس و محل پیچ و مهره ها، مواد مورد استفاده برای جوشکاری و شناخت عوارض ناشی از فرایندهای جوشکاری، طراحی قطعه با حذف نواحی مرده و مستعد به شروع خوردگی و … از جمله مواردی است که باید مهندسین طراح و مواد مدنظر قرار دهند.

۱۴- کلی ترین قانون، اجتناب از غیر یکنواختی است. فلزات غیر همجنس، حباب های هوا، توزیع غیر یکنواخت حرارت و تنش و اختلافات دیگر در نقاط مختلف سیستم باعث خوردگی می گردد. لذا هنگام طراحی باید سعی شود کلیه شرایط را در تمام سیستم تا حد امکان یکنواخت نمود.

 

 

• انتخاب مواد واجد شرایط

 

    به دنبال شناخت محیط و شرایط بهره برداری و طراحی پیشگیرانه نسبت به خوردگی، نوبت به انتخاب مواد می رسد. انتخاب مواد برای محیط کاربری و شرایط کاری، محیطی و بهره برداری مد نظر، بر اساس قابلیت مواد در کار مورد نظر، ایمنی و مسایل اقتصادی صورت می گیرد. برای این منظور، اطلاع از خواص مکانیکی مواد مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم، انعطاف پذیری و استحکام خستگی، مقاومت به خوردگی و سایش از اهمیت زیادی برخوردار است. در انتخاب مواد بهینه، تجربیات قبلی، امکان ساخت، تهیه یا دسترسی به مواد مورد نظر، قیمت و … باید مدنظر قرار بگیرد.

    لیست موادی که می توان از آن ها انتخاب کرد طولانی است. فلزات و آلیاژهای آهنی و غیر آهنی، لاستیک ها، پلاستیک ها، رزین ها، کامپوزیت ها، شیشه، کربن و گرافیت و … انواع مختلف مواد موجود هستند. بسیاری از مواد مختلف را می توان به دلیل شرایط کاری سریعاً حذف نمود. برای مثال برای دماهای خیلی بالا مواد پلیمری یا برای محیط حاوی اسید کلریدریک آلیاژهای آهنی مناسب نبوده و لذا از لیست انتخاب حذف می شوند.

یکی از متداول ترین برداشت های غلط در انتخاب مواد مناسب، درباره­ ی ویژگی فولادهای زنگ نزن و موارد استفاده آن می باشد. فولادهای زنگ نزن به معنای واقعی زنگ نزن نبوده و مقاوم ترین فلز در برابر خوردگی نیز نیستند، ضمن آنکه این فولادها شامل دامنه ­ی وسیعی از آلیاژهای مختلف با ویژگی های متفاوت می باشند. فولادهای زنگ نزن در مقابله با خوردگی کاربرد وسیعی دارند، ولی باید به خاطر داشت که در تمام محیط ها مقاوم نیستند. در حقیقت، در بعضی شرایط مثل محیط های حاوی کلرور در صورت وجود تنش در فلز، فولادهای زنگ نزن از فولاد ساختمانی معمولی هم ضعیف تر هستند. فولادهای زنگ نزن نسبت به فولادهای ساختمانی معمولی استعداد بیشتری به خودگی موضعی مثل خوردگی بین دانه ای، ترک خوردن در اثر خوردگی توام با تنش و حفره دار شدن دارند. بطور خلاصه، این تصور که فولادهای زنگ نزن در کاربردهای مشتمل بر خوردگی همواره بهترین هستند، منجر به انهدام های بسیار زیادی شده است.

 

 

 

در تهیه این مطلب از منابع زیر استفاده شده است:

• ر.جیمز لندروم، مبانی طراحی خوردگی، ترجمه احد یوسف نژاد
• فونتانا، مهندسی خوردگی، ترجمه دکتر احمد ساعتچی
• دکتر احمد ساعتچی و همکاران، انتخاب مواد برای حداقل کردن خوردگی
• وی.اس.ساستری و همکاران، خوردگی، راه های عملی پیشگیری و حفاظت، ترجمه محمدرضا نفری
• دکتر سید محمد سید رضی، کنترل خوردگی در صنایع