مرجع تخصصی آب و فاضلاب

خوردگی و انواع آن

خوردگی در زبان فارسی ترجمه واژه ای انگلیسی  (Corrosion) است که معنای آن جویده شده و گاز گرفته شده است. به نظر می‌رسد ظاهر قطعه خورده شده، این تداعی معنایی را سبب شده باشد. برای بیشتر مردم، خوردگی با مصادیقش شناخته می‌شود، از قبیل زنگ زدگی و سیاه شدن قاشقهای نقره‌ای. در واقع خوردگی همه اینها هست، اما به‌تنهایی هیچ یک نیست. بطور مثال، زنگ زدگی فقط به خوردگی آلیاژهای آهن اطلاق می‌شود.

 استاندارد ایزو 8044، خوردگی را بدین شکل تعریف می‌کند:

«« واکنش فیزیکی – شیمیایی متقابل بین فلز و محیط اطرافش که معمولا دارای طبیعت الکتروشیمیایی است و نتیجه‌اش تغییر در خواص فلز می‌باشد. این تغییرات خواص ممکن است منجر به از دست رفتن عملکرد فلز، محیط یا دستگاهی شود که این دو، قسمتی از آن را تشکیل می‌دهند. »»

خوردگی، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها میباشد. خوردگی، پدیدهای خودبهخودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات، عبارت از اکسیداسیون فلز است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تعريف خوردگي :
خوردگي را تخريب يا فاسد شدن يك ماده در اثر واكنش با محيطي كه در آن قرار دارد ، تعريف مي كنند. مثلاً تخريب رنگ و لاستيك به وسيله نور خورشيد يا مواد شيميايي ، خورده شدن جداره ي كوره ي فولادي سازي ، و خورده شدن يك فلز جامد به وسيله مذاب يك فلز ديگر تماماً خوردگي ناميده مي شوند. خوردگي مي تواند سريع يا كند صورت گيرد.ريل هاي راه آهن معمولاً به آهستگي زنگ مي زنند ، ولي سرعت زنگ زدن آن قدر نيست كه بر كارايي آنها درطول سال هاي زياد اثري بگذارد. ستون آهني معروف دهلي در هندوستان حدود 2000 سال پيش ساخته شده و هنوز به خوبي روز اول است. ارتفاع آن 32 فوت و قطر آن 2 فوت است. لكن بايستي توجه شود كه اين ستون آهني عموماً در شرايط جوي خشك قرار داشته است .
خوردگي فلزات را مي توان برعكس متالورژي استخراجي درنظر گرفت. در متالورژي استخراجي ، هدف عمدتاً به دست آوردن فلز از سنگ معدن و تصفيه يا آلياژسازي آن براي مصارف مختلف مي باشد. اكثر اكسيژن منجر به تشكيل اكسيد آهن هيدراته مي گردد ، اگرچه اكثر فلزات موقعي كه ‌آهن و فولاد به كار مي رود ، بنابراين مي گوئيم فلزات غيرآهني خورده مي شوند و نمي گوئيم زنگ مي زنند.
محيط هاي خورنده :
عملاً كليه ي محيط ها خورنده هستند ، لكن قدرت خورندگي آنها متفاوت است .مثال هايي در اين مورد عبارتند از : هوا و رطوبت ، آب هاي تازه ، مقطر ، نمكدار ، معدني ، آتمسفرهاي روستائي ، شهري و صنعتي ، بخار و گازهاي ديگر مثل كلر ، آمونياك ، سولفورهيدروژن دي اكسيد گوگرد و گازهاي سوختني ، اسيدهاي معدني مثل اسيد كلريدريك ، سولفوريك ، نيتريك ، اسيدهاي آلي مثل نفتنيك ، استيك ، و فرميك ، قليائي ها ، خاك ها ، حلال ها ، روغن هاي نباتي و نفتي ، انواع و اقسام محصولات غذايي به طور كلي مواد معدني خورنده تر از مواد آلي مي باشند. مثلاً خوردگي در صنايع نفت بيشتر در اثر كلرور سديم ، گوگرد ، اسيد سولفوريك و كلريدريك و آب است تا به خاطر روغن ، نفت و بنزين . كاربرد درجه حرارت ها و فشارهاي بالا در صنايع شيميايي باعث امكان پذير شدن فرآيندهاي جديد يا بهبود فرآيندها قديمي شده است ، به عنوان مثال راندمان بالاتر ، سرعت توليد بيشتر ، يا تقليل قيمت تمام شده . اين مطلب همچنين در مورد توليد انرژي از جمله انرژي       هسته اي ، صنايع فضائي و تعداد بسيار زيادي از روش ها و فرآيندها صادق است. درجه حرارت ها و فشارهاي بالاتر معمولاً باعث ايجاد شرايط خوردگي شديدتري مي گردند. بسياري از فرآيندها و عمليات متداول امروزه بدون استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگي غيرممكن يا غيراقتصادي مي باشند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

یکی از مهمترین عوامل تخریب تجهیزات صنعتی، پدیدهٔ خوردگی است که به عنوان یکی از زیانبارترین آفت‌های صنایع مطرح می‌گردد. این زیان‌ها به حدی اهمیت دارد که تحقیق در حوزه‌های مربوط به فناوری‌های کنترل خوردگی، بخش عظیمی از پژوهش‌ها و تحقیقات کشورهای پیشرفته را به خود اختصاص داده است. این مطالعات به تدوین استراتژی‌ها, قوانین، آیین­نامهها و روشهای مؤثری در زمینهٔ پیشگیری و رفع اثرات خوردگی منجر شده که تحت عنوان "مدیریت خوردگی" مورد مطالعه قرار می‌گیرند. در کشور ما نیز به دلیل جایگیری صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، در مناطق مستعد پدیدهٔ خوردگی, بررسی این پدیده و مدیریت آن، از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار می‌باشد:
خوردگی، فرآیندی طبیعی است که فلزات را مورد حمله قرار می‌دهد. از آنجایی‌ که فلزات، مصرف گسترده‌ای در جهان امروزی دارند، خوردگی تبدیل به پدیده‌ای شده که اطراف ما را احاطه کرده است. وسایل خانه، اتومبیل، تجهیزات صنعتی و لوله‌های نفت و گاز مورد حمله خوردگی قرار می‌گیرند و این پدیده ضررهای مالی فراوانی را موجب می‌گردد.
به عنوان مثال, مسالهٔ خوردگی در کشور کانادا در فاصله زمانی ۱۹۷۷ تا ۱۹۹۶، ۱۰ بار باعث نشتی خطوط لوله و ۱۲ بار باعث انفجار گردیده که از جهاتی اهمیت این موضوع را تا حدی آشکار می‌سازد. گزارشات خرابی‌های حاصل از خوردگی نشان می‌دهد که علل وقوع این پدیده عمدتاً بر اثر کوتاهی‌های مصیبت‌‌بار در لوله‌کشی‌ها و ساخت و نصب تجهیزات می‌باشد که منجر به انفجار، آتش‌گرفتن و منتشرشدن مواد سمی در محیط زیست می‌گردد. علاوه بر آن مخارجی نظیر، جایگزین‌کردن تجهیزات خورده شده، تعطیلی و خاموشی واحدها به‌دلیل جایگزینی تجهیزات خورده شده، ایجاد اختلال در فرآیندها به‌دلیل خوردگی تجهیزات و عدم خلوص محصولات فرایندی به دلیل نشت ناشی از خوردگی در اتلاف محصولات مخزن‌هایی که مورد حمله خوردگی قرار می‌گیرند، از مهمترین هزینه‌ها و زیان‌های حاصل از خوردگی می‌باشد.
ضرر سالانهٔ اثرات خوردگی در ایالات متحده و اروپا حدود ۳.۱ درصد تولید ناخالص داخلی برآورد می‌گردد که طبق آمار، خسارات خوردگی که طی ۲۲ سال گذشته در صنایع آمریکا رخ داده، چیزی حدود ۳۸۰ میلیارد دلار می‌باشد. میانگین سالانه این خسارت‌ها حدود ۱۷ میلیارد دلار است که از کل هزینهٔ سوانح طبیعی از قبیل زلزله، سیل و آتش‌سوزی در این کشور بیشتر می‌باشد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

خوردگی ، ( Corrosion ) ، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می‌‌باشد. خوردگی ، پدیده‌ای خودبه‌خودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود ، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در اثر پدیده خودبه‌خودی ، فلز از درجه ‌اکسیداسیون صفر تبدیل به گونه‌ای با درجه ‌اکسیداسیون بالا می‌‌شود.

M ------> M^+_n + ne

در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات ، عبارت از اکسیداسیون فلز است.
تخریب فلزات با عوامل غیر خوردگی

فلزات در اثر اصطکاک ، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می‌‌شوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظر ما نیست.
فرایند خودبه‌خودی و فرایند غیرخودبه‌خودی

خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد. البته M⁺ⁿ می‌‌تواند به حالتهای مختلف گونه‌های فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می‌‌زند که یک نوع خوردگی و پدیده‌ای خودبه‌خودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می‌‌توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیده‌ای خودبه‌خودی است، اشکال مختلف آن ظاهر می‌‌شود.

بندرت می‌‌توان فلز را بصورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلب بصورت ترکیب در کانی‌ها و بصورت کلریدها و سولفیدها و غیره یافت می‌‌شوند و ما آنها را بازیابی می‌‌کنیم. به عبارت دیگر ، با استفاده ‌از روشهای مختلف ، فلزات را از آن ترکیبات خارج می‌‌کنند. یکی از این روشها ، روش احیای فلزات است. بعنوان مثال ، برای بازیابی مس از ترکیبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکیبات آن خارج می‌‌کنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را با روشهای شیمیایی تبدیل به ‌اکسید آلومینیوم می‌‌کنند و سپس با روشهای الکترولیز می‌‌توانند آن را احیا کنند.

برای تمام این روشها ، نیاز به صرف انرژی است که یک روش و فرایند غیرخودبه‌خودی است و یک فرایند غیرخودبه‌خودی هزینه و مواد ویژه‌ای نیاز دارد. از طرف دیگر ، هر فرایند غیر خودبه‌خودی درصدد است که به حالت اولیه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبه‌خودی است. پس فلزات استخراج شده میل دارند به ذات اصلی خود باز گردند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

رسوب گذاري و خوردگي در ديگ هاي بخار
(Scaling and corrosion of boiler) :
آب هاي طبيعي در اثر تبخير ، رسوباتي را برجاي مي گذارند كه در ديگ هاي بخار موجب بروز مشكلات مي شوند . همچنين اينگونه آب ها مي توانند خوردگي سطوح ديگ هاي بخار را شامل شوند. اين مشكلات علاوه بر متوقف شدن سيستم و لزوم به تعويض قطعات موجب افزايش هزينه هاي گوناگون ميگردند. بطوريكه استفاده از آب نامناسب در ديگ هاي بخار مسائل زير را به وجود مي آورد.
1) تشكيل رسوب بر جداره ديگ بخار (Scaling)
2) خوردگي سطح ديگ بخار (Corrosion)
3) حمل قطرات مايع توسط بخار (Carry over)
4) كف كردن (Foaming)
5) غلغل كردن (Priming)
6) شكنندگي قليايي فلز ديگ بخار (Coustic embrittle ment)
عوامل زيادي از جمله : ساختمان ، فشار ديگ بخار ، مقدار توليد بخار و شيوه بهره برداري در ميزان ايجاد مشكلات سهم موثري دارند.
مكانيسم تشكيل رسوب :
در اثر وجود املاح محلول در آب سه حالت مختلف رسوب در ديگ بخار تشكيل مي گردد.
1) رسوبات نرم كه به جداره ها نمي چسبند.
2) رسوبات نيمه سخت كه به جداره ها مي چسبند ولي به آساني جدامي گردند.
3) رسوبات بسيار سخت كه چسبندگي زيادي دارند و به آساني از جداره جدا نمي گردند.
رسوبات نوع سوم در ديگ هاي بخار ايجاد مشكل مي كنند و بنابراين لازم است به شيوه اي تصفيه گردد كه بتواند آب مناسب جهت تغذيه آب ديگ بخار را فراهم كند و درون ديگ رسوب ايجاد نشود. ايجاد رسوب در ديگ بخار به دو دليل عمده زير مي باشد :
1) تغيير در كيفيت شيميايي آب به هنگام ورود در ديگ بخار : در اين فرايند بيكربنات كه داراي حلاليت زيادي است به كلسيم كربنات كه داراي حالاليت بسيار كمي است تبديل شده و رسوب مي كند.
2) كاهش حلاليت املاح موجود در آب به دليل افزايش دما : تغيير دما در مكان هاي مختلف يك سيستم موجب مي شود كه در اثر بالا بودن دما در مجاورت سطوح ديگ بخار املاح موجود به صورت فوق اشباع درآيند و كريستال هاي رسوب تشكيل شوند.
مشكلات حاصل از تشكيل رسوب در ديگ هاي بخار :
ايجاد رسوب در جداره ديگ هاي بخار دو اشكال عمده به وجود مي آورد كه عبارتند از :
1) رسوبات حاصل از املاح موجود در آب تغذيه ديگ هاي بخار مانند يك لايه عايق عمل مي كنند و انتقال حرارت را به مقدار قابل توجهي كاهش مي دهند.
2) رسوبات ديگ بخار موجب كاهش انتقال حرارت و افزايش بيش از حد دماي فلز مي گردد كه در نتيجه باعث تخريب ساختار فلز و در نهايت تركيدن آن مي شود و خلل و فرج موجود در رسوبات نيز ضريب انتقال حرارت را تغيير مي دهند اگر اين خلل و فرج توسط گاز پر شوند انتقال حرارت به مقدار قابل توجهي كاهش مي يابد.
عوامل موثر در رسوب گذاري :
1) PH : در رسوب گذاري كلسيم وكربنات ، منيزيم هيدروكسيد ، تركيبات آهن بسيار موثر است افزايش PH ميزان رسوب را زياد مي كند.
2) سرعت سيال : سرعت سيال اثر متفاوتي بر روي رسوب گذاري املاح دارد . افزايش سرعت مي تواند شدت تشكيل رسوب را كاهش دهد زيرا سرعت سيال بر لايه مرزي اطراف جداره ها تاثير دارد. بديهي است هركدام از پديده هاي انتقال حرارت ، انتقال جرم در رسوب گذاري و مقدا رآن موثر مي باشد.
3) گازهاي محلول در آب : افزايش دما موجب كاهش حلاليت گازهاي محلول در آب ، تشكيل و تركيدن حباب در سطح آب و موجب فوق اشباع شدن املاح در فصل مشترك آب و بخار مي شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کاتیون ها یعنی یون های  +Fe2، که در آند تولید شده اند در آب موجود بر سطح جسم به سوی کاتد می روند. آنیون ها ،یعنی یون های OH-،که در کاتد تولید شده اند به طرف آند حرکت می کنند. این یون ها ، در جایی میان این دو ناحیه به هم می رسند و Fe(OH)2 به وجود می آورند. اما آهن (II ) هیدروکسید در حظور رطوبت و اکسیژن پایدار نیست. این هیدروکسید به نوبه خود اکسید و به آهن (Ш) هیدروکسید تبدیل می شود که در واقع آهن(Ш) اکسید آب پوشیده، Fe2O3.xH2O ، یا زنگ آهن است.

جاهایی که جسم آهنی زنگ زده گود شده است، نواحی آندی یا جاهایی هستند که آهن به صورت یون های Fe2+ در محلول وارد می شوند. نواحی کاتدی جاهایی است که بیشتر در معرض رطوبت و هوا  هستند، زیرا O2 و H2O در واکنش کاتدی دخالت دارند. زنگ آهن همیشه در نقاطی نسبتا دورتر از جاهای گود شده (میان نواحی آندی و کاتدی) ایجاد می شود.

مثلا وقتی که یک جسم آهنی رنگ شده زنگ می زند، نواحی کاتدی نقاطی هستند که رنگ آن زدوده شده و فلز آهن عریان در معرض رطوبت و اکسیژن قرار گرفته است. نواحی آندی، جایی که آهن گود شده، نقاطی زیر سطح رنگ شده هستند. گود شدن سبب پوسته پوسته شدن رنگ می شود و این عمل زنگ زدن آهن را تسریع می کند. خود زنگ درنقاطی میان این دو ناحیه، که معمولا به ناحیه کاتدی  نزدیکتر و از ناحیه آندی دورتر است، تشکیل می شود. تبدیل Fe(OH)2 به زنگ مستلزم (O2(gو H2O است.

آب نمک زنگ زدن را تسریع می کند، زیرا یون های موجود در آب به انتقال جریان در سلول های ولتایی کوچکی که بر سطح آهن برقرار شده است، کمک می کند. به نظر می رسد که بعضی از یون ها، مثلاCl- ، واکنش های الکترودی را کاتالیز می کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

فرآيند خوردگي فلزات
خوردگي ، ( Corrosion ) ، اثر تخريبي محيط بر فلزات و آلياژها مي باشد.
خوردگي ، پديده اي خودبه خودي است و همه مردم در زندگي روزمره خود ، از بدو پيدايش فلزات با آن روبرو هستند. در واقع واکنش اصلي در انهدام فلزات ، عبارت از اکسيداسيون فلز است.

فلزات در اثر اصطکاک ، سايش و نيرو هاي وارده دچار تخريب مي شوند که تحت عنوان خوردگي مورد نظر ما نيست.
همان طور که گفته شد خوردگي يک فرايند خودبخودي است، يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي رود که به حالت پايدار برسد. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهيم، زنگ مي زند که يک نوع خوردگي و پديده اي خودبه خودي است. انواع مواد هيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه فلزي هستند.
سرعت خوردگی (i_corr)را با مقدار الکترون تولیدی بر یکای زمان آمپر I می‌توان سنجید اما از آنجا که اثر سطح را باید در نظر داشت، بایستی عدد بدست آمده بر یکای سطح بخش گردد.

سرعت خوردگی بطور معمول بصورت میل( میلیمتر) در سال (mpy) بیان می‌شود :

 

که در آن W، کاهش وزن بر حسب میلی‌گرم، D چگالی نمونه بر یکای گرم بر سانتی‌متر مکعب، A مساحت نمونه بر حسب اینچ‌مربع و T زمان خوردگی بر یکای ساعت است.

 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

علل خوردگی در سیکل آب و بخار:

خوردگي‌ عبارت‌ است‌ از انهدام‌ و فساد يا تغيير و دگرگوني‌ در خواص‌ و مشخصات‌مواد (عموما فلزات‌) به‌ علت‌ واكنش‌ آنها با محيط اطراف‌.

در حقيقت‌ خوردگي‌ پديده‌اي‌ است‌ كه‌ به‌ طور طبيعي‌ انجام‌ مي‌شود و در نهايت‌ باتغييرات‌ انرژي‌ ماده‌ مورد نظر، همراه‌ است‌. نيروي‌ محركه‌ لازم‌ براي‌ انجام‌ واكنشهاي‌خوردگي‌، ناشي‌ از انرژي‌ شيميايي‌ است‌.

مهمترين‌ عواملي‌ كه‌ در واكنشهاي‌ خوردگي‌ دخالت‌ مؤثر دارند عبارتند از درجه‌حرارت‌، فشار، سرعت‌، اختلاف‌ پتانسيل‌، زمان‌، عمليات‌ حرارتي‌، تنش‌، تشعشع‌، خواص‌فلزي‌، شرايط سطحي‌، ناخالصي‌ محيطي‌ و عواملي‌ نظير اختلاف‌ دميدگي‌ (هوادهي‌) درسطوح‌ مجاور با الكتروليتها و اختلاف‌ غلظت‌ و PH در نقاط مختلف‌ از سطح‌ فلزي‌ كه‌ در محيط خورنده‌ قرار گرفته‌ كه‌ اين‌ عوامل‌ سبب‌ ايجاد مناطق‌ آندي‌ و كاتدي‌ مي‌شوند.همچنين‌ اثرات‌ بيولوژيكي‌ ماكرو ارگانيزمها يا ميكرو ارگانيزمها در خوردگي‌ و صدمات‌ وخطرات‌ آنها آشكار شده‌ است‌. خوردگي‌ موجب‌ زيانهاي‌ مستقيم‌ و غيرمستقيم‌ نظير تغييردر طراحي‌، كاهش‌ بازده‌، آلودگي‌ و اتلاف‌ محصولات‌، توقف‌ دستگاهها و واحدهاي‌ عملياتي‌و هزينه‌هاي‌ بيشتر تعميرات‌ و نگهداري‌ مي‌شود.

مهمترين‌ و معمول‌ترين‌ روشهاي‌ كنترل‌ خوردگي‌ عبارتند از حفاظت‌ كاتدي‌ و آندي‌،مواد كندكننده‌، پوششها، انتخاب‌ مواد و طراحي‌ مناسب‌ دستگاهها، كه‌ با توجه‌ به‌ نياز ازروشهاي‌ مناسب‌ استفاده‌ مي‌شود.

در نيروگاههاي‌ بخاري‌، آب‌ تغذيه‌، قبل‌ از ورود به‌ ديگ‌ بخار بايد گرم‌ شود. استفاده‌ ازسوخت‌ يا بخاري‌ كه‌ به‌ قيمت‌ بالا تهيه‌ شده‌ است‌ براي‌ گرم‌ كردن‌ آب‌ تغذيه‌، مقرون‌ به‌ صرفه‌ نيست‌، زيرا در توربين‌ از اين‌ بخار كار مفيدتري‌ مي‌توان‌ گرفت‌. لذا پس‌ از انجام‌ كار مفيد بخار در توربين‌، مقداري‌ بخار از طبقات‌ مياني‌ توربين‌ گرفته‌ شده‌ وبراي‌ گرم‌ كردن‌ آب‌ سيكل‌ استفاده‌ مي‌شود. تغيير اندكي‌ در بازده‌ نيروگاه‌ به‌ ويژه‌ نيروگاه‌ فسيلي‌ مي‌تواند اختلاف‌ قابل‌ توجهي‌ در هزينه‌هاي‌ سالانه‌ سوخت‌ به‌ وجود آورد.


پس‌ از شروع‌ بهره‌برداري‌ از واحدهاي‌بخار به‌ تدريج‌ مشكل‌ گرفتگي‌ كنترل‌والوهاي‌ هيترهاي‌ فشارقوي‌، افزايش‌ يافت‌ وجزو برنامه‌هاي‌ تعميراتي‌ منظم‌ در آمد. كنترل‌ والو وسيله‌اي‌ است‌ كه‌ براي‌ كنترل‌فلوي‌ سيال‌ يا فشار آن‌ بكار مي‌رود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب