SSC یا خوردگی تنشی سولفیدی چیست؟ SSC در چه شرایطی اتفاق می افتد؟

ورود هیدروژن به داخل فلزات و آلیاژها می تواند باعث خسارت های زیر شود:

 

• کاهش انطاف پذیری و یا استحکام شکست

 

• تشکیل و فعال شدن عیوب سطحی و داخلی

 

• انتشار عیوب در تنش هایی به مراتب کمتر از تنش های لازم برای شکست مکانیکی

 

• خسارت های ماکروسکوپی به دلیل به دام افتادن در فصل مشترک های مکانیکی

 

هیدروژن می تواند در مراحل مختلف ساخت قطعات و تجهیزات و یا حین سرویس وارد شود. در عملیات اسید شویی، آبکاری و جوشکاری، هیدروژن جذب فلزات می شود. سرویس های شیمیایی بعدی که در معرض خورندگی آبی و خوردگی گالوانیکی، محیط های حاوی هیدروژن دمای بالا و یا محیط های ترش مانند گاز ترش، نفت خام ترش و سایر محیط های حاوی سولفید هیدروژن (H₂S) قرار دارند نیز ممکن است هیدروژن وارد نمایند. در سیستم های آبی ورود هیدروژن توسط سموم کاتدی تقویت می شود. این سم ها ترکیب هیدروژن های اتمی و تشکیل هیدروژن مولکولی در سطح فلز را متوقف می کنند. در این حال هیدروژن اتمی جهت نفوذ به شکاف ها و فضاهای بین دانه ای فلز آزاد می باشد. این سموم شامل سیانیدها، گوگرد، ترکیبات سلنیومی، آرسنیک، بیسموت، فسفر، ید، آنتیموان، تلوریم و سولفید هیدروژن (H₂S) است. سولفید هیدروژن به عنوان شدیدترین سم عمل می کند. محیط های سولفید هیدروژنی مرطوب، مهاجم ترین محیط ها برای تسریع ورود هیدروژن هستند.

 

ورود هیدروژن به داخل فلزات و آلیاژها باعث خوردگی و تخریب و انهدام های ناشی از آن می شود. تخریب های ناشی از خوردگی هیدروژن به صورت های مختلفی چون تاول هیدروژنی و انواع تردی و ترک هیدروژنی، خسارت های فاجعه باری به وجود آورده است. در اثر نفوذ اتم های هیدروژن به درون آلیاژ و تشکیل مولکول هیدروژن در اطراف ناخالصی ها و حفرات خالی، به دلیل اینکه این مولکول حجم زیادی داشته و نمی تواند از ساختار آلیاژ خارج شود، لذا آلیاژ به صورت موضعی دچار بادکردگی خواهد شد. به این اتفاق تاول زنی هیدروژنی (Hydrogen Blistering) می گویند. تاول های هیدروژنی می توانند در تمامی عمق آلیاژ، در وسط ضخامت یک ورقه فولادی یا در نزدیک جوش ها به وجود آیند. در بعضی موارد، تاول های هیدروژنی به موازات سطح آلیاژ در جهت ضخامت دیواره به هم متصل می شوند و پارگی لایه ای و ترک صاف (مستقیم) یا پله پله به وجود می آورند. در این صورت، به این نوع خسارت های هیدروژنی، ترک خوردن تحت تاثیر هیدروژن (HIC) و ترک خوردن تحت تاثیر هیدروژن و تنش (SOHIC) می گویند. در صورتی که وقوع خسارت هیدروژنی از نفوذ هیدروژن به داخل آلیاژ پر استحکام و با سختی بالا در محیط حاوی سولفید هیدروژن و انجام واکنش خوردگی سولفیدی حاصل شود و قطعه هم تحت تنش باشد، با پدیده ترک خوردگی تنش سولفیدی (SSC) مواجه خواهیم بود.

 

 

خسارت هیدروژنی در محیط H₂S مرطوب

 

رفتار هیدروژن در فولاد که منجر به خوردگی های HIC و SSC در محیط H₂S مرطوب می شود

 

 

ترک خوردن آلیاژِ تحت تنش در محیط سولفیدی مرطوب نوعی از خوردگی و خسارت هیدروژنی است که هیدروژن اتمی در آن از واکنش سولفید هیدروژن (H₂S) با آلیاژ فراهم می شود. به این خوردگی، خوردگی تنشی سولفیدی     (Sulfide Stress Cracking)  یا به اختصار SSC گفته می شود. حضور H₂S در محیط های آبی، نفت خام و محصولات نفتی یا در واقع محیط های ترش باعث می شود تا در برخورد فولاد با آن، هیدروژن اتمی و سولفید آهن (FeS) طبق واکنش زیر در سطح تولید شود:

 

H₂S + Fe = FeS + 2H

 

معمولاً انتظار می رود که پوسته چسبنده FeS در سطح فولاد، به عنوان یک لایه محافظ از نفوذ هیدروژن اتمی به داخل فولاد ممانعت به عمل آورد. پس چرا این اتفاق نمی افتد و هیدروژن اتمی نفوذ می کند؟

پاسخ اینست که پوسته FeS در محیط H₂S مرطوب نمی تواند از نفوذ هیدروژن جلوگیری کند زیرا استحکام بین این پوسته و زمینه فولادی ضعیف شده و پوسته FeS جدا می شود، در نتیجه هیدروژن به راحتی نفوذ می کند. تولید هیدروژن وابسته به محیط و شرایط سطحی است، در حالی که نفوذ هیدروژن متاثر از چگالی نابجایی ها، ساختار فولاد و شرایط تنشی است. بنابراین اگر آهنگ خوردگی افزایش یابد، هیدروژن زیادی تولید می شود و شیب غلظت هیدروژن برای نفوذ افزایش می یابد. از طرفی اگر سطح ماده عاری از هر گونه فیلم باشد، جذب هیدروژن افزایش می یابد. هیدروژن جذب شده در سطح تنها منبع برای نفوذ هیدروژن در فولاد و انباشته شدن در آن است. افزایش مقدار H₂S در محیط این اثر را تشدید می کند و از طرفی اگر زمان بیشتری بگذرد، اتم هیدروژن بیشتری در فولاد نفوذ می کند.

 

 

متغیرهای زیادی بر SSC آلیاژهای پایه آهن موثر هستند که از آن جمله می توان به غلظت (فشار) سولفید هیدروژن، مقدار pH، غلظت کلرید در محیط، دما، ترکیب شیمیایی و ریز ساختار آلیاژ، استحکام و سختی آلیاژ، تنش کششی اعمال شده، تنش های باقیمانده، کارسرد، عملیات حرارتی، جوشکاری و شرایط سطحی اشاره کرد. به تاثیر برخی از این متغیرها اشاره می شود:

 

• با افزایش فشار جزئی H₂S یا غلظت H₂S در محیط ترش مرطوب، نفوذ هیدروژن و احتمال SSC افزایش می یابد. حداقل مقدار قراردادی غلظت H₂S درآب های ترش برای شروع خسارت هیدروژنی در حدود ۵۰ wppm است، هر چند که در برخی شرایط، وجود حتی ۱ wppm از گاز H₂S در آب برای نفوذ اتم های هیدروژن به داخل فولاد هم کافی است. وقتی فشاز جزئی H₂S در فاز گازی در تعادل با فاز آب به بیش از ۰٫۳ کیلوپاسکال افزایش یابد، احتمال SSC در فولادهای مستعد و مناطق جوشکاری شده افزایش می یابد.  

 

• SSC معمولاً در دماهای زیر  ۹۰ درجه سانتیگراد رخ می دهد.

 

• میزان جذب و نفوذ هیدروژن به داخل فولاد در pH نزدیک ۷ حداقل بوده ولی در pH های بالاتر و پایین تر افزایش می یابد.

 

• وجود سیانید هیدروژن و آمونیاک در محیط ترش باعث افزایش احتمال SSC می شود.

 

• ترکیب شیمیایی علاوه بر تاثیری که از طریق خواص مکانیکی فولاد بر SSC دارد، می تواند به طور مستقیم  بر SSC تاثیر بگذارد. به عنوان مثال، مقدار بالای گوگرد در فولادها موجب مقاومت کمتر آن در برابر خوردگی های مربوط به هیدروژن می شود. علاوه بر آن کنترل میزان سولفور و آخال و شکل آن ها در افزایش مقاومت به خوردگی در محیط ترش بسیار مهم است. در مورد فولاد ها با درصد سولفور بالا (بیش از ۰٫۰۲ %) به علت ایجاد MnS  های کشیده رشته ای، خواص مطلوبی ایجاد نمی شود. با کاهش میزان سولفور فولاد از طرفی تمایل به تشکیل آخال های کروی افزایش یافته و از طرف دیگر فاصله آخال ها افزایش یافته و اندازه آن ها کاهش می یابد. همچنین جذب هیدروژن در فولاد نیز کاهش می یابد.

 

• SSC بیشتر در فولادهای با استحکام بالا و نواحی به طور موضعی سخت مثل ناحیه HAZ جوش اتفاق می افتد. در محیط های مستعد به SSC، چنانچه سختی فولاد کربنی و کم آلیاژ کمتر از ۲۲ راکول سی باشد، نسبت به بروز پدیده SSC مقاوم خواهد بود. برای کنترل و جلوگیری از وقوع SSC، سختی جوش ها و نواحی اطراف آن نیز باید کمتر از  ۲۲ راکول سی باشد.

 

• وجود مناطقی از آلیاژ که دارای تنش بالایی می باشد و یا وجود ناپیوستگی هایی شبیه شیار می تواند موجب بروز SSC شود. انجام عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) به دلیل کم کردن سختی فلز جوش و ناحیه اطراف جوش (HAZ) و همچنین کم کردن تنش های باقیمانده در آلیاژ، از احتمال وقوع SSC می کاهد.

 

شکل شماتیک ترک SSC در الف- ناحیه سخت HAZ جوش  و ب- فلز جوش سخت

 

اگر مجبور به استفاده از آلیاژهای مستعد به SSC در سرویس های ترش هستیم، با روش های مختلفی می توان مانع از وقوع و یا کاهش احتمال وقوع SSC در آن ها شد. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

 

• اضافه کردن ممانعت کننده و بازدارنده های خوردگی

 

• رطوبت گیری گازها

 

• استفاده از رنگ یا پوشش مناسب برای کاهش جذب سطحی هیدروژن

 

• روکش دادن سطح با کلدینگ

 

• کاهش غلظت آمونیاک، سیانید و کلرید در محیط مرطوب و تنظیم pH

 

• بهبود خواص فولاد از طریق کنترل دقیق ترکیب شیمیایی، کنترل عملیات نورد، دستیابی به ریزساختار همگن و غیره

 

• انجام عملیات حرارتی مناسب برای کاهش سختی، همگن کردن ساختار و تنش زدایی

 

 

 

برای تهیه این مطلب از منابع زیر استفاده شده است:

۱- دکتر ساعتچی، اصغرزاده، صمدی، انتخاب مواد برای حداقل کردن خوردگی، انتشارات ارکان دانش، ۱۳۸۹

۲- دکتر عبدالملکی، دکتر صادقیان، مکانیزم های تخریب آلیاژهای مهندسی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

۳- شهریار شهمیری، چنگیز دهقانیان، بررسی اثر عملیات حرارتی بر مقاومت به  خوردگی مناطق جوش و HAZ آلیاژهای  A 516 Gr 60,70 در محیط شور به روش الکتروشیمیایی، مجموعه مقالات ششمین همایش علمی دانشجویی مهندسی مواد

۴- شهریار شهمیری، چنگیز دهقانیان، بررسی الکتروشیمیایی اثر بازدارنده پایه آمینی Kontol-157 بر مقاومت به خوردگی جوش و آلیاژ A516 Gr 60  در محیط اشباع سولفید هیدروژن، مجموعه مقالات ششمین همایش علمی دانشجویی مهندسی مواد

۵- مقاله “The influence of chemical composition and microstructure of API linepipe steels on hydrogen induced cracking and sulfide stress corrosion cracking” 

۶- مقاله “Quantitative fractography of 2205 duplex stainless steel after a sulfide stress cracking test“