خوردگی در تجهیزات و تسلیحات فلزی

[saghii 223]

 

مقدمه :

 

در سالیان اخیر، به دلایل متفاوت و مقتضی، امکان نوسازی تجهیزات نیروهای مسلح متاسفانه از دست رفته است. به منظور مقابله با تحریم تسلیحاتی، انجام دو اقدام عمده در دستور کار قرار گرفت:

 

1)  تولید تجهیزات و تسلیحات مورد نیاز با اتکا به توان داخلی

2)   حفاظت و مراقبت دقیق از تجهیزات موجود و افزایش عمر مفید بهره­وری (عمردهی انقلابی به روایت فرماندهان)

 

در مقوله تولید تجهیزات، مواردی از تسلیحات مختلف در کشور تولید شدند که در مقایسه با موارد مشابه خارجی، در برخی ویژگی­ ها ضعیف ­تر بودند و در برخی ویژگی ­ها برتر. اما همه تجهیزات تولیدی، تقریبا در یک نقطه از نمونه­ های مشابه ضعیف­ تر بودند: کیفیت آلیاژ...برای نگهداری از تجهیزات نیز با توجه به گستردگی محیط جغرافیایی و تنوع اقلیمی و آب و هوایی در ایران، مشکلات متعددی در میان بوده است که علی­ رغم همه تلاش­ ها، فرسایش و فرسودگی تجهیزات عوارض خود را برجای گذاشته­ اند تا جایی که به عنوان مثال، کسر قابل توجهی از تجهیزات زرهی نیروهای مسلح از کار افتاده و عملا به ضایعات فلزی تبدیل شده ­اند. مجموعه این مباحث اهمیت موضوعی را نشان می ­دهد که سالهاست در ایران به آن توجهی نشده و جدی گرفته نمی­ شود: علم مواد و متالورژی.

کیفیت پایین آلیاژهای مورد استفاده در تولید قطعات داخلی امری مشهود است و نقطه اوج درماندگی صنعت داخلی، کیفیت بدنه خودروهای تولید داخل است. بر همین اساس و به ویژه با توجه به اختصاص بودجه بسیار اندک به مباحث متالورژیکی، نمی­توان از نیروهای مسلح انتظار چندانی در تولید آلیاژهای با کیفیت و قابل رقابت با تولیدات روز دنیا را داشت. از افسانه و حماسه هم خبری نیست که به یکباره رستم دستان ظاهر شود و با برداشتن شمشیر سام نریمان، تمامی موانع را برطرف کند. با توجه به اهمیت حفاظت و نگهداری تجهیزات فلزی در برابر آسیب­های شیمیایی (خوردگی،) در این قسمت تلاش می­ شود تا مفاهیم مقدماتی خوردگی فلزات بررسی و سپس انواع خوردگی مورد بحث قرار گیرد. در صورت رضایتمندی اساتید و عزیزان، در قسمت­ های بعد انواع روش ­های حفاظت در برابر خوردگی  بررسی شده و نهایتا پس از اتمام مباحث خوردگی، مباحث مرتبط با آلیاژها و کیفیت آن­ها ارائه می­شود.

 

1- خوردگی :

 

پدیده خوردگی، واكنش شیمیایی یا الكتروشیمیایی بین یك ماده، معمولا یك فلز و محیط اطراف آن، می‌باشد كه به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. پدیده خوردگی در تمامی دسته‌های اصلی مواد شامل فلزات، سرامیك ­ها، پلیمرها و كامپوزیت­ ها اتفاق می ­افتد اما وقوع آن در فلزات، علاوه بر شایع بودن، اثرات مخربی بر جای می ­گذارد. به همین دلیل اولین تصویری که از خوردگی در ذهن نقش می ­بندد، خوردگی فلزات و به طور خاص خوردگی فلزات آهنی می­ باشد. خوردگی در باور عموم صرفا فرآیندی تخریب کننده است لیكن گاهی اوقات مفید نیز واقع می‌شود. به طور مثال آلودگی‌ محیط به محصولات خوردگی و آسیب دیدن عملكرد یك سیستم از جنبه‌های زیان­ آور خوردگی و تولید انرژی الكتریكی در یك باطری و حفاظت كاتدی سازه‌های مختلف از فواید آن هستند، اما تاثیرات مخرب و هزینه‌های به بار آمده به واسطه این فرآیند به مراتب بیشتر است. یك مطالعه دو ساله از 1999تا 2000 در آمریكا نشان داد كه هزینه‌های مستقیم خوردگی 276 میلیارد دلار در سال بوده است كه این رقم تقریبا 3/1 درصد از تولید ناخالص داخلی آمریكا را تشكیل می­ دهد. از این رقم هزینه‌ای بالغ بر 9/137 میلیارد دلار به بخش صنعت كه خود دارای زیرشاخه‌های مختلفی است مربوط می‌باشد. در ایران نیز پدیده خوردگی خسارات قابل توجهی را در صنایع گوناگون به وجود آورده است. بر اساس برخی بررسی‌های غیر رسمی، زیان اقتصادی مستقیم ناشی از خوردگی در ایران در سال 1373 حدود 5000 میلیارد ریال، در سال 1375 حدود 9000 میلیارد ریال و در سال 1379حدود 27500 میلیارد ریال برآورد شده است. اختلاف ارقام سال­های 1375 و 1379 بیانگر مسائل بسیاری است که فعلا در این مقال نمی­ گنجد اما ضرورت اتخاذ تدابیر مناسب برای به تعویق انداختن حداکثری وقوع خوردگی یا به حداقل رساندن خسارت­ های ناشی از آن را بیش از پیش نمایان می ­سازد.

 

2- جنبه ­های الکتروشیمیایی خوردگی:

 

خوردگی یك واكنش شیمیایی و یا الكتروشیمیایی مخرب بین سطح فلز و محیط اطراف آن می‌باشد. با توجه به اینكه از لحاظ ترمودینامیكی مواد اكسید شده نسبت به مواد در حالت معمولی در سطح پایین‌تری از انرژی قرار دارند، بنابراین تمایل رسیدن به سطح انرژی پایین‌تر سبب اكسید (خورده) شدن فلز می‌گردد. با این توضیح می‌توان گفت كه هیچ­ گاه نمی‌توان به طور كامل از خوردگی جلوگیری نمود، بلكه می­ توان آن را به تعویق انداخت و یا خسارات ناشی از آن را کاهش داد اما راه گریزی از آن نیست. برای بررسی یك آلیاژ از نظر مقاومت در برابر خوردگی پارامترهای گوناگونی باید بررسی شوند که متداول‌ترین راه برای بررسی مسائل خوردگی ‌و همچنین مقایسه فلزات مختلف با یكدیگر، سرعت پیشرفت و یا نرخ انجام واكنش خوردگی می باشد. برای بیان سرعت خوردگی می‌توان درصد كاهش وزن را بر حسب میلی­ گرم بر سانتی­ متر مربع بر روز (mdd) بیان نمود. البته این معیار چندان متداول و مناسب نمی‌باشد، زیرا در اكثر موارد محصولات حاصل از واكنش خوردگی (اكسید و یا هیدروكسید فلز) بر روی سطح فلز می‌مانند و در حقیقت سبب افزایش وزن فلز بعد از انجام واكنش خوردگی می‌گردند. با توجه به اهمیت بیشتر ضخامت قطعه، از معیار میلی ­اینچ در سال(mpy)  استفاده می‌گردد، یعنی در طول یك سال چه میزان از ضخامت جسم كاسته می‌شود. خوردگی را می‌توان از نظر الكتروشیمیایی نیز مورد بررسی قرار داد. در تعریف کلی هر واكنشی‌ را كه بتوان به دو واكنش جداگانه آندی و كاتدی قسمت نمود، واكنش الكتروشیمیایی می‌نامند. برای انجام واكنش خوردگی سه عامل آند (قسمتی كه الكترون تولید می‌نماید و یا به عبارت دیگر اكسید می‌گردد)، كاتد (قسمتی از فلز كه الكترون می‌گیرد و یا واكنش احیا در آن صورت می‌گیرد) و در نهایت الكترولیت (مكانی برای برقراری اتصال یونی بین آند و كاتد) لازم می‌باشد. بین آند و كاتد باید هم اتصال الكتریكی (برای مبادله الكترون)‌ و هم اتصال الكترولیتی (برای مبادله یون) برقرار باشد. با از بین بردن هر كدام از این اتصالات واكنش خوردگی نیز متوقف می‌گردد. به عنوان مثال در واكنش خورده شدن روی (Zn) در محیط اسیدكلریدریك، محصول نهایی واكنش كلرور روی و گاز هیدروژن می‌باشد كه از طریق واكنش زیر انجام می‌گردد:

 

 

Zn + 2 HCl →ZnCl₂ + H₂

 

به طور خلاصه می‌توان واكنش‌های اكسیداسیون و احیا را برای این واكنش به صورت زیر بیان نمود:

Zn → Zn⁺² + 2e^-
2H⁺ + 2e^- → H₂

 

شكل 1، نمایی شماتیک از چگونگی انجام واكنش خوردگی فلز روی در محلول اسید كلریدریك حاوی اكسیژن را نشان می­ دهد.

 

شکل 1- نمای شماتیک از چگونگی انجام واكنش خوردگی فلز روی در محیط اسید كلریدریك حاوی اكسیژن.

 

نكته مهم در واكنش‌های اكسیداسیون و احیا سرعت انجام واكنش‌ها می‌باشد. طبق اصول سینتیكی باید سرعت انجام واكنش اكسیداسیون با سرعت انجام واكنش احیا برابر باشد. بنابراین با تحت كنترل قرار دادن هریك از این دو واكنش می‌توان سرعت انجام واكنش دیگر و در نتیجه سرعت انجام واكنش خوردگی را تحت كنترل درآورد.  از طرف دیگر اگر در سیستم خوردگی به جای یك عامل احیا چندین عامل احیا وجود داشته باشد، به عنوان مثال در همان اسید كلریدریك اگر اكسیژن نیز وجود داشته باشد، آنگاه دو واكنش احیا هیدروژن و واكنش احیا آب همزمان انجام خواهند شد. به این ترتیب به دلیل افزایش در میزان مصرف كننده‌های الكترون، باید بر میزان سرعت تولید الكترون نیز افزوده گردد و به این دلیل سرعت خوردگی فلز روی افزایش خواهد یافت.  علاوه بر فاكتورهای محیطی و محیط خورنده، بعضی فاكتورهای فلزی و متالورژیكی نیز در آغاز و نرخ پیشرفت واكنش‌های خوردگی تاثیرگذار می‌باشند. به عنوان مثال مرزهای دانه، مرزهای دوقلویی، ‌ناخالصی‌ها و نابجایی­ ها می‌توانند به دلیل داشتن انرژی بالاتر نسبت به نقاط اطراف خود به صورت آند موضعی درآمده و سبب آغاز فرایند خوردگی گردند.به منظور کنترل خوردگی، تاکنون روش­ های زیادی ابداع شده و توسعه یافته­ اند که از اصلی­ ترین آن­ها می­ توان به موارد زیر اشاره کرد:

1)      انتخاب صحیح آلیاژ

2)      استفاده از پوشش­ های مقاوم

3)      به کارگیری ممانعت­ کننده ­های خوردگی

4)      حفاظت کاتدی و آندی

 

3- متداول­ ترین انواع خوردگی در تجهیزات و تسلیحات فلزی

1-3- خوردگی یکنواخت

از بین رفتن تدریجی سطح فلز در مواقعی که فلزات با اسید و محلول­ های دیگر در تماس هستند بسیار معمول است. البته وجود محلول (الکترولیت) ضروری نیست . به طور مثال اکسیداسیون در درجه حرارت­ های بالا نوعی خوردگی یکنواخت است که می­ تواند در یک اتمسفر نسبتا خشک نیز اتفاق بیفتد. در این خوردگی، فلز نازك و نازك‌تر شده و نهايتاً از بين مي‌رود يا تجهيزات مورد نظر منهدم مي‌شوند مانند خورده شدن يك قطعه فولادي يا روي در داخل يك محلول رقيق یا خورده شدن بدنه تجهیزات زرهی در نقاط با رطوبت بالا.

 

شکل 2- خوردگی یکنواخت در سرتاسر تجهیز.

 

2-3- خوردگی گالوانیک

زماني که دو فلز غير هم­جنس در يک محيط خورنده يا محلول الکتروليتي به صورت فيزيکي يا الکتريکي در تماس باشند، اختلاف پتانسيل موجود باعث ایجاد جريان الکترون مي گردد و منجر به وقوع خوردگی در ماده با مقاومت به خوردگی کمتر (آند) می­ شود. فلزاتي که ضعيف ­تر هستند به نام آند (با عدد نوبل کمتر) و فلزات مقاوم­تر (با عدد نوبل بيشتر)، کاتد ناميده مي شوند. به دليل وجود جريان‌هاي الكتريكي بين فلزات غير هم جنس اين نوع خوردگي، خوردگي گالوانيكي يا دو فلزي اطلاق مي‌شود.

 

3-3- خوردگی شیاری

اين نوع خوردگي زماني که سيال خورنده به صورت راکد در بين ناحيه باريک دو فلز قرار دارد و يا در زير سطوح پوشش ­دار و نيز در محل تجمع رسوبات رخ مي ­دهد.

 

 شکل 3- وقوع خوردگی شیاری در خطوط انتقال نفت.

 

4-3- خوردگی حفره ­ای (پیتینگ)

نوعی خوردگی موضعی می‌باشد که باعث ایجاد حفره‌های کوچک در فلزات می‌شود. عامل این پدیده، نرسیدن اکسیژن به بخش کوچکی از سطح است. در این شرایط، این بخش نقش آند را بازی می‌کند و بخشی که دارای اکسیژن بالا است نقش کاتد را ایفا می‌کند که حاصل آن ایجاد خوردگی گالوانیک می‌باشد.خوردگی حفره‌ای یکی از عوامل اصلی خرابی چرخ‌دنده‌ها در تجهیزات مختلف و شنی­ها در تسلیحات زرهی به شمار می رود.

 

شکل 4- وقوع و پیشروی خوردگی حفره­ ای.

 

5-3- خوردگی سایشی

افزايش سرعت خوردگي يا از بين رفتن يك فلز در اثر حركت نسبي بين يك مايع خورنده و سطح فلز را خوردگی سایشی می­گویند. معمولاً اين حركت خيلي سريع است و اثرات سايش مكانيكي و يا سایيده شدن وجود دارد. فلزاتي كه سختي پايیني دارند و به سهولت صدمه مي‌بينند مانند مس و سرب، مستعد به این خوردگی هستند.

 

شکل 5- وقوع خوردگی سایشی در تجهیز.

 

 6-3- خوردگی خستگی

تمايل فلز به شكست در اثر بارهای متناوب را خستگی می­گویند. خوردگي خستگي، تقليل مقاومت خستگي فلز است که در اثر وجود محيط خورنده ايجاد مي­ شود. بنابراین خوردگی خستگی بر طبق ظاهر شکست تعیین نمی­ گردد بلکه بر حسب خواص مکانیکی تعریف آلیاژ تعیین می­ شود.

 

7-3- خوردگی میکروبی

یکی از حوزه­ های نوین بیوتکنولوژی در صنعت، مربوط به خوردگی میکروبی است که یکی از معضلات عمده صنعت به ویژه در ایران برآورد شده است. زیان ناشی از خوردگی میکروبی در صنایع ایران، تنها در سال 1375 معادل 6 برابر سرمایه­ گذاری دولت در بخش صنعت در همان سال بوده است. خوردگی میکروبی یا به اصطلاح صحیح­ تر، خوردگی متاثر از عوامل میکروبیولوژیک دارای اثرهای زیست محیطی فراوانی است. در این نوع خوردگی، بیشتر اثر باکتری­ های احیا کننده سولفات و باکتری ­های اکسیدکننده گوگرد مد نظر است. باکتری­ های احیا کننده در ایران در مکان­ هایی نظیر اطراف دریاچه نمک قم، آب خلیج فارس و جزیره ­های خارک و سیری، آب دریاچه خزر نواحی آستارا و انزلی و شهرهای قم و سبزوار یافت شده است. همچنین باکتری ­های اکسیدکننده گوگرد در مکان­ هایی مانند آبیک قزوین، اهرم و میراحمد بوشهر، آل طیب اهواز و مزارع اطراف مشاهده شده ­اند. تشكیل بیوفیلم شرط اصلی وقوع خوردگی میكروبیاست. تجمع موجودات زنده میكروسكوپی در محیط­ های آبی و رشد و تكثیر آن­ها بر روی سطوح باعث تشكیل یك لایه بیولوژیكی چسبنده می­ شود كه بیوفیلم نامیده می شود. ضخامت بیوفیلم بسته به نوع موجودات زنده در شرایط محیطی متغیر است. اثرات زیان­بار ناشی از تشكیل بیوفیلم عبارتند از:

1)      كاهش ضریب انتقال حرارت در مبدل­ های حرارتی و كندانسور

2)      چسبیدن میكروارگانیسم ­ها بر روی بدنه كشتی­ ها و ­ناوهای جنگی. اگر ضخامت لایه میکروارگانیسم ­ها به ۱۰ میكرون برسد، باعث افزایش مصرف سوخت شناور از 0/3  درصد تا یك درصد می­گردد. ضخامت­ های زیاد گاهی تا ۵۰ درصد مقدار مصرف سوخت را افزایش می­ دهند ضمن این که باعث آسیب دیدن بدنه می­ شوند..

3)      ایجاد خوردگی در پره توربین­ ها و موتورهای هواپیما

 

شکل 6- تشکیل بیوفیلم روی قسمتی از بدنه یک کشتی.

 

در پایان و به عنوان حسن ختام، چند تصویر نمونه از وقوع خوردگی در تجهیزات نظامی ارائه می­ شود به این امید که درک مناسب از ضرورت حفاظت از تجهیزات در برابر پدیده مخرب خوردگی ایجاد شود و تلاش ­ها برای اجرای راهکارهای مناسب افزون گردد.

 

 

 

 

 

 

4- منابع:

• کتاب مهندسی خوردگی (مارس جی. فونتانا)
• هندبوک خوردگی شریر (Shreir's corrosion, T Richardson)

 

 

ما را سری است با تو که گر خلق روزگار/ دشمن شوند و سر برود هم بر آن سریم

ویرایش شده در شهریور 95 توسط saghii

[151crows 356]

سلام 

یک نوع فرآیند ثانویه هم وجود دارد که خیلی از نظر اقتصادی ضربه می زند. به این صورت که به هر صورت بین دو سطح نزدیک به هم که یکی یا هر دو آنها در حال ارتعاش هستن محصولات خوردگی ایجاد می شود و این محصولات چون حالت خشن و زبری دارند و سطوح در حال ارتعاش هستند مانند سمباده عمل کرده و باعث از بین رفتن سطوح می شوند.