خوردگی فلزات در تجهیزات و ماشین آلات صنعتی و روش های جلوگیری از آن

خوردگی فلزات و مشکلات ناشی از آن در تجهیزات و ماشین آلات صنعتی و روش های جلوگیری از آن

مقدمه یکی از چالش بر انگیزترین مسئله ی پیش رو در جوامع صنعتی امروز، خوردگی تجهیزات و ماشین آلات موجود در کارخانه ها می باشد، که به خصوص مشکلات اقتصادی سنگینی را برای صنعتگران به وجود آورده است، از این رو دانستن مطالبی پیرامون این موضوع برای مهندسان و صنعتگران امری غیر قابل اغماض است.

به همین جهت در این نوشتار مفید که از طرف یکی از کاربران نسخه اول سایت مرجع مهندسی ایران، ارسال گردیده، سعی شده است در حد توان اطلاعات مفیدی را در این زمینه ارائه شود.

قسمت اول : مباحث تئوری خوردگی مفهوم کلّی خوردگی و زنگ زدن فلزات (مشخصات عمومی)

خوردگی (Corrosion) به طور کلی به اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژهای آنها اطلاق می شود.

خوردگی یک پدیده ی خود به خودی است، یعنی از لحاظ ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌رود که به حالت پایدار برسد. به عنوان مثال اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می زند (زنگ زدن «Rusting» واژه است که فقط در مورد اکسید شدن آهن وآلیاژهای آهنی در هوای خشک یا مرطوب به کار می رود که محصول خوردگی از جنس هیدرات فریک یا اکسید فریک است) که نوعی خوردگی است که ضمناً پدیده ای خود به خودی هم است.

همه مردم در زندگی روزمره خود، از بدو پیدایش فلز با مسئله ی خوردگی روبرو هستند، مشکلاتی مانند: خوردگی لوله های آب، خوردگی بدنه ی اتومبیل در هوای مرطوب، خوردگی بدنه ی کشتی ها، خوردگی شوفاژها با جریان آب گرم و ...که موجب ایجاد ظاهری نامناسب (مثل خوردگی رنگ خودرو)، تحمیل مخارج سنگینِ تعمیرات و نگهداری از وسایل، ورشکست شدن کارخانه ها، آلوده شدن محصولات و... می شود.

بطور کلی، فلزات سه دسته‌اند:

دسته اول: آنهایی هستند که مانند طلا، نقره و پلاتین، در مجاورت هوا اکسید نمی‌شوند و نیازی به محافظت ندارند.

دسته دوم: آنهایی که وقتی در مجاورت هوا قرار می‌گیرند، اتم های سطحشان اکسید می‌شوند، ولی اکسید آنها مقاوم است و چسبیده به فلز باقی می‌ماند و خود لایه محافظی برای فلز می‌شود. این گونه فلزات هم نیازی به محافظت ندارند. مثل Zn، Al،CO،Ni،Sn،Cr  و نظیر آنها.

دسته سوم: شامل فلزاتی اند که وقتی سطح آنها در مجاورت هوا اکسید می‌شود، اکسید آنها متخلخل است و به فلز نمی‌چسبد و از بدنه فلز کنده می‌شود که فلز به تدریج فاسد شده، از بین می‌رود؛ این فلزات شامل فلزات گروه قلیایی و قلیایی خاکی در جدول تناوبی هستند.

به طور خاص سدیم و پتاسیم در حرارت های عادی و متعارفی میل ترکیبی شدیدی با اکسیژن دارند ولی در درجات حرارت خیلی کم اکسید شدن به تأخیر می افتد و اکسید تشکیل شده در این حالت خاصیّت چسبندگی دارد. این گونه فلزات را به روشهای متفاوت از زنگ زدن محافظت می ‌نمایند، روش هایی مانند: رنگ زدن، زدن ضد زنگ، چرب کردن سطح فلز بوسیله یک ماده روغنی مانند گریس، لعاب دادن، آب فلز کاری و حفاظت کاتدی. که هرکدام از این روش ها را باید با در نظر گرفتن وضعیت موجود ونوع خوردگی در جای خود به کار برد.

انواع خوردگی مکانیسم های مختلفی برای خورده شدن فلزات وجود دارد که هر کدام از آنها با نوع خاصی از نفوذ در پوسته فلزات متمایز می شوند. علاوه بر دو نوع خوردگی شیمیایی (زنگ زدن مستقیم یا اکسیداسیون) و الکتروشیمیایی (خوردگی آبی)، که متداولترین آنها هستند، که مشخصات عمومی هر کدام از آنها را در زیر می خوانیم:

- خوردگی شیمیایی (زنگ زدن مستقیم یا اکسیداسیون): متداول ترین نوع زنگ زدن، زنگ زدن مستقیم فلز ( اکسیداسیون) است. اکسیداسیون واکنش مستقیم یک فلز با اکسیژن هواست (O2). البته دیگر گازهای جوی نیز مانند نیتروژن، گوگرد و هیدروژن هم می توانند باعث واکنش های شیمیایی مستقیم با فلزات شوند. همان طور که قبلاً گفته شد به غیر از طلا، نقره و پلاتین همه ی فلزات با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و سطح آنها با لایه ی نازکی از اکسید آنها پوشیده می شود. اما همان طور که می دانیم، استفاده از این فلزات در صنعت، بدلیل هزینه های بالای اقتصادی به صرفه نیست.

- خوردگی الکتروشیمیایی (خوردگی آبی): این نوع خوردگی، ارتباط مستقیم با محیط های رطوبتی و آبی دارد. زنگ زدن الکتروشیمیایی، فرآیندی طبیعی و خود به خودی است که در آن فلزات در یک محیط آبی حل شده و اتم های فلزی در آن محیط به صورت یون حل می شوند و تشکیل یک سلول الکتروشیمیایی را می دهند که مشابه اکسیداسیون و خورده شدن یک الکترود فلزی در آند سلول های الکتروشیمیایی است و از زنگ زدن شیمیایی (اکسید شدن مستقیم فلز در هوا) زیان بارتر است. در خوردگی الکتروشیمیایی مفاهیمی چون پتانسیل الکترودی استاندارد، سری الکتروشیمیایی، واکنش های اکسایش و کاهش، نیم سلول (الکترود)، سلول های الکتروشیمیایی و ... مطرح می شود. در زیر تعاریف کوتاهی را به منظور آشنایی بیشتر با این مفاهیم، آورده شده است.

پتانسیل الکترودی استاندارد: آن چه ولت سنج در یک سلول الکتروشیمیایی اندازه می گیرد، فقط اختلاف پتانسیل میان دو نیم سلول است. از آنجایی که اندازه گیری پتانسیل یک الکترود به طور جداگانه ممکن نیست و نسبت دادن یک مقدار مطلق به پتانسیل آن الکترود نیز نتیجه ای ندارد، شیمیدان ها برای حل این مشکل تصمیم گرفتند یک نیم سلول استاندارد انتخاب کنند و مقدار پتانسیل آن را برابر صفر قرار دهند و پتانسیل الکترودی بقیه نیم سلول ها را با این معیار بدست آورند. این نیم سلول استاندارد، الکترود استاندارد هیدروژن (SHE) است.

سری الکتروشیمیایی: رتبه بندی فلزات به ترتیب افزایش پتانسیل کاهشی استاندارد مجموعه ای را تشکیل می دهد که به آن سری الکتروشیمیایی می گویند. این مجموعه از اهمیّت خاصی برخوردار است که در ادامه به آن اشاره خواهم کرد.

واکنش های اکسایش و کاهش: شاید بتوان گفت تمامی مفاهیمی چون خوردگی، آبکاری، حفاظت کاتدی و... همگی در سایه شناخت واکنش های اکسایش و کاهش قابل درک اند. به واکنش هایی که با از دست دادن الکترون (اکسایش) و به دست آوردن الکترون (کاهش) همراه باشد، واکنش های اکسایش و کاهش گویند، (به واکنش هایی نیز که در آنها عنصر H یا الکترون از دست می دهند یا به دست می آورند نیز واکنش های اکسایش و کاهش می گویند؛ مانند واکنش سوختن منیزیم در اکسیژن).

 (s)نیم سلول (الکترود): اگر تیغه ای از یک فلز در محلول آبی یون های آن فلز قرار گیرد، به این مجموعه یک نیم سلول یا الکترود گویند.

سلول الکتروشیمیایی: اگر دو نیم سلول با هم متصل شوند تشکیل یک سلول الکتروشیمیایی را می دهند. که در آن تغییر شیمیایی همراه با جریان الکتریکی است، یعنی الکترون ها از الکترودِ با پتانسیل الکتریکی منفی تر به سمت الکترودِ با پتانسیل الکتریکی مثبت تر جریان می یابند.

سلول الکتروشیمیایی بر دو نوع است:

 1) سلول های گالوانی

 2) سلول های الکترولیتی

که هر کدام نیز به انواع دیگر تقسیم می شوند.

خوردگی به 8 صورت دیگر نیز می تواند صورت گیرد:

- حمله یکنواخت (Uniform Attack) در این نوع خوردگی که خیلی هم متداول است، خوردگی، به صورتی یکنواخت به سطح فلز حمله می کند و به این ترتیب نرخ آن از طریق آزمایش قابل پیش بینی است.

- خوردگی گالوانیک (Galvanic Corrosion) این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که دو فلز یا آلیاژ متفاوت (یا دو ماده متفاوت دیگر همانند الیاف کربن و فلز ) در حضور یک ذرّه خورنده با یکدیگر تماس پیدا کنند. در منطقه تماس، فرآیندی الکتروشیمیایی بوقوع می پیوندد که در آن ماده ای به عنوان کاتد عمل کرده و ماده دیگر آند می شود. در این فرآیند کاتد در برابر اکسیداسیون محافظت شده و آند اکسید می شود.

- خوردگی شکافی (Crevice Corrosion) این ساز و کار وقتی رخ می دهد که یک ذره خورنده در فاصله ای باریک، بین دو جزء گیر کند. با پیشرفت واکنش، غلظتِ عاملِ خورنده افزایش می یابد. بنابراین واکنش با نرخ فزاینده ای پیشروی می کند.

- آبشویی ترجیحی (Selective  Leaching) این نوع خوردگیِ انتخابی، وقتی رخ می دهد که عنصری از یک آلیاژ جامد از طریق یک فرآیند خوردگی ترجیحی که عموما ًبا قرار گرفتن آلیاژ در معرض اسیدهای آبی همراه است، خورده می شود. معروفترین مثال برای این نوع از خوردگی جدا شدن روی از آلیاژ برنج است. ولی آلومینیوم، آهن، کبالت و زیرکونیم نیز این قابلیت را دارند.

- خوردگی درون دانه ای (Intergranular Corrosion) این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که مرز دانه ها در یک فلز پلی کریستال به صورت ترجیحی مورد حمله قرار می گیرد. چندین عامل از جمله حضور ناخالصی ها و غنی بودن یا تهی بودن مرزدانه از یکی از عناصر آلیاژی. می تواند آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن را مستعد این نوع خوردگی سازند.

- خوردگی حفره ای (Pitting Corrosion) این نوع خوردگی تقریباً همیشه به وسیله یون های کلر و کلرید ایجاد می شود و به ویژه برای فولاد ضد زنگ بسیار مخرب است ؛ چون در این خوردگی، سازه با چند درصد کاهش وزن نسبت به وزن واقعی اش، به راحتی دچار شکست می شود. معمولاً عمق این حفره ها برابر یا بیشتر از قطر آنهاست و با رشد حفره ها، ماده سوراخ می شود.

- خوردگی فرسایشی (Erosion Corrosion) این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که محیطی نسبت به یک محیط ثابت دیگر حرکت کند ( به عنوان نمونه مایع یا دوغابی که درون یک لوله جریان دارد ) یک پدیده مرتبط با این گونه خوردگی، سایش است که هنگام تماس دو ماده با یکدیگر و حرکت نسبی آنها از جمله ارتعاش به وجود می آید. این عمل می تواند پوشش های ضد خوردگی را از بین برده و باعث آغاز خوردگی شود.

- خوردگی تنشی (Stress Corrosion) این نوع خوردگی وقتی رخ می دهد که ماده ای تحت تنشِ کششی، در معرض یک محیط خورنده قرار گیرد.

چرا کنترل سرعت خوردگی در صنعت امری ضروری است؟

یکی از مسائلی که برای صنعتگران و مدیران تولید کارخانه ها دارای اهمیت ویژه ایست، مسئله طول عمر تجهیزات و دستگاه های صنعتی و استفاده ی حداکثری از آنها می باشد، بدین منظور باید با عواملی که موجب تخریب یا کاهش عمر مفید مصرفی آنها می شوند، مبارزه کرد. یکی از آن عوامل مهم پدیده ی خوردگی است که بدین جهت باید با راه های کنترل سرعت این فرآیند آشنا بود. بعبارت دیگر کاربرد صنعتی فلزات و آلیاژ های آنها معمولاً تحت شرایطی است که انجام فعل و انفعال خوردگی باید همواره مد نظر قرار گیرد.

سرعت فعل و انفعال خوردگی علاوه بر سرعت جریان الکتریکی، که به دلیل اختلاف پتانسیل موجود بین الکترود ها در سیستم می تواند به وجود آید (به خصوص در خوردگی از نوع گالوانیگ این مورد واضح تر است)، به شرایط محیط مانند: مقدار رطوبت، گاز های موجود و فشار بستگی دارد. بنابراین برای کنترل خوردگی باید جریان الکتریکی که برقرار می شود را کاهش داد.

همچنین می توان برای ممانعت از خوردگی از روش هایی مانند رنگ کردن، لعاب دادن، آب فلز کاری و حفاظت کاتدی استفاده کرد که در قسمت بعدی به آن می پردازیم.

همچنین آب نمک، زنگ زدن را تسریع می‌کند، زیرا یونهای موجود در آب به انتقال جریان در سلولهای ولتایی یا پیلهای ولتایی کوچکی که بر سطح آهن برقرار شده‌است، کمک می‌کند. به نظر می‌رسد که بعضی از یونها، مثلِ Cl- وکنشهای الکترودی را کاتالیز می‌کنند. ناخالصیها نیز سبب پیشرفت و افزایش سرعت زنگ زدگی می‌شوند، فلزات خالص به سرعت زنگ نمی‌زنند.

بعضی از انواع ناخالصیها، کشیدگی ها و نقص های بلوری موجود در فلزات با جذب الکترونها آنها را از ناحیه‌هایی که جایگاههای آندی می‌شوند، دور می‌کنند.

روش های کنترل و ممانعت از خوردگی

همانطور که گفته شد، فلزات به طور کلی سه دسته‌اند:
دسته اوّل، آنهایی که مثلِ طلا، نقره و پلاتین، در مجاورت هوا اکسید نمی‌شوند و نیازی به محافظت ندارند، دسته دوم، آنهایی که وقتی در مجاورت هوا قرار می‌گیرند، اتمهای سطحشان اکسید می‌شوند، ولی اکسید آنها مقاوم است و چسبیده به فلز باقی می‌ماند و خود لایه محافظی برای فلز می‌شود. این گونه فلزات هم نیازی به محافظت ندارند. امّا دسته سوم فلزاتی هستند که وقتی سطح آنها در مجاورت هوا اکسید می‌گردد، اکسید آنها متخلخل است و به فلز نمی‌چسبد و از بدنه فلز کنده می‌شود که فلز به تدریج فاسد شده و از بین می‌رود. این دسته از فلزات را به روشهای متفاوت از خوردگی محافظت می‌نمایند، روشهایی مثل رنگ زدن، زدن ضد زنگ، چرب کردن سطح فلز بوسیله یک ماده روغنی مانند گریس، لعاب دادن، آب فلز کاری و حفاظت کاتدی. که هرکدام از این روش ها را باید با سنجیدن وضعیت موجود و نیز نوع خوردگی و شرایط آن مورد استفاده قرار داد.

البته همواره پیشگیری بهتر از درمان است زیرا می توان با انتخاب صحیح مواد، طراحی درست یا ارائه متد های دقیق مهندسی، اعمال پوشش های حفاظتی، ممانعت کننده ها و بازدارنده های شیمیایی و استفاده از پوشش های غیر فلزی (سرامیک ها و پلیمر ها) تا اندازه زیادی از خوردگی جلوگیری کرد.

در زیر برخی از روش های معمول جهت کنترل این پدیده ارائه شده است:

- رنگ زدن ساده ترین راه مبارزه با خوردگی، اعمال یک لایه رنگ بر روی فلز است. با استفاده از رنگ به صورت آستر، می توان ارتباط فلزات را با محیط تا اندازه ای قطع نمود و در نتیجه موجب محافظت تأسیسات فلزی شد. در روش زدن ضد زنگ، چرب کردن و لعاب دادن سطح فلز نیز همین اتفاق می افتد، امّا همان طور که در بالا گفته شد، برای حفاظت از خوردگی باید نسبت به نوع آن از روش های متنوعی استفاده کرد که عامل اقتصادی نقشی تعیین کننده در انتخاب روش دارد. به کمک روشهای رنگ ‌دهی، می توان ضخامت معینی از رنگها را روی تأسیسات فلزی قرار داد. امّا این روش در مورد پروژه هایی مانند محافظت از لوله های انتقال نفت و گاز در بین شهر ها و کشور ها پاسخگوی نیست، زیرا عملاٌ از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست.

- حفاظت کاتدی از دیدگاه تئوری مفاهیم ساده ای بر حفاظت کاتدی حاکم هستند. فرآیند خوردگی باعث تشکیل یک پیل الکتروشیمیایی و تولید یک جریان الکتریکی ضعیف می گردد. تولید این جریان به دلیل وجود اختلاف پتانسیلی است که بین دو قطب این پیل وجود دارد. با فدا شدن آندی که اختلاف پتانسیلی بیشتر از اختلاف پتانسیل موجود ایجاد می کند می توانیم از خوردگی کاتد جلوگیری کنیم، به همین دلیل نام این روش حفاظت کاتدی است. اکنون به ارزش سری الکتروشیمیایی پی می بریم، زیرا در ساخت قطعات و تجهیزاتی که در عمل در تماس با محیط های خورنده بوده و به دلیل فنی و یا اقتصادی باید از نوع خاصی از فلز با پتانسل الکترودی پایین تر برای محافظت استفاده کرد.

جدول سری الکتروشیمیایی (پتانسیل های کاهشی استاندارد)

پتانسیل الکترودی (E)	نیم واکنش:
29/2 -	K+(aq) + e-  K(S)
90/2 -	Ba2+(aq) + 2e-  Ba(S)
87/2 -	Ca2+(aq) + 2e-  Ca(S)
71/2 -	Na+(aq) + e-  Na(S)
38/2 -	Mg2+(aq) + 2e-  Mg(S)
66/1 -	Al 3+(aq) + 3e-  Al(S)
20/1 -	V2+(aq) + 2e-  V(S)
18/1 -	Mn2+(aq) + 2e-  Mn(S)
83/0 -	2H2O(l) + 2e-  H2(g) + 2OH-(aq)
76/0 -	Zn2+(aq) + 2e-  Zn(S)