پروژه کارآموزی بررسی مقاومت به جدایش پوشش های قیری

1 مقدمه

پوشش های پایه قیری به عنوان قدیمی ترین پوشش های محافظتی ، همواره برای محافظت سازه های فلزی از خوردگی مورد استفاده بوده اند. با وجود محدودیت هایی که فام آنها و مسائل زیست محیطی به وجود آورده است ، امروزه به عنوان یکی از پرکاربردترین پوشش های حفاظتی برای جلوگیری از خوردگی سازه های فلزی مدفون در خاک و سازه های فلزی غوطه ور مورد توجه هستند. خطوط لوله انتقال نفت و گاز یکی از عمده مصارف سیستم های حفاظتی پایه قیری جهت جلوگیری از خوردگی می باشند و با توجه به اینکه سیستم حفاظت کاتدی به عنوان یک روش مکمل جهت اطمینان از عدم خوردگی این سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد، مقاومت به جدایش کاتدی یکی از مهمترین عوامل در تعیین کارایی سیستم های مورد مصرف برای حفاظت این سازه ها است.

سازه های فلزی پوشش داده شده با سیستم های حفاظتی آلی برای حمل و کارگذاری در محل کاربری نیاز به طی مراحلی همچون حمل و نقل و تحمل تنش های ناشی از مراحل کارگذاری و تنش های وارده از خاک دارند. در کلیه این مراحل امکان ایجاد نقص در ساختار پوشش وجود دارد. به منظور اطمینان از حفاظت کامل سازه فلزی از خوردگی، حفاظت کاتدی به عنوان یک روش مکمل به همراه پوشش آلی بر روی سازه فلزی اعمال می گردد. زمانی که حفاظت کاتدی بر روی یک فلز پوشش داده شده اعمال می گردد ، می تواند به واسطه شرایط و واکنش هایی که ایجاد می کند ، منجر به جدایش پوشش از روی سطح فلز گردد. به چنین پدیده ای جدایش کاتدی گفته می شود و به طور معمول از محل نقص های موجود در پوشش شروع شده و به صورت شعاعی در اطراف محل نقص گسترش می یابد. علت اصلی این امر افزایش PH الکترولیت حاضر در فصل مشترک پوشش فلز است که در اثر واکنش های زیر رخ می دهد. میزان این افزایش PH در فصل مشترک پوشش فلز و در قسمت های انتهایی ناحیه جداشده بسیار بالاست و به عواملی مانند سرعت واکنش های کاتدی ، هندسه ناحیه جداشده ، سرعت نفوذ کاتیون ها و واکنش های بافر بستگی دراد.

در محیط اسیدی

(1)

در محیط اسیدی حاوی اکسیژن

(2)

در محیط خنثی یا اسیدی حاوی اکسیژن

(3)

کلیه این واکنش ها، منجر به افزایش PH و تجمع یون های هیدروکسید در زیر پوشش می گردند. در صورتی که این تجمع بار خنثی نگردد، موجب ایجاد مقاومت و کاهش روند تولید یون هیدروکسید و به دنبال آن کاهش روند جدایش می گردد. خنثی سازی این یون های منفی توسط کاتیون های موجود در الکترولیت انجام می گیرد. با توجه به موارد بالا، مقاومت قلیایی پوشش و پیوندهای آن با سطح فلز و همچنین نحوه و مییزان نفوذ کاتیون ها به سمت فصل مشترک پوشش فلز مهمترین عوامل تعیین کننده در وسعت جدایش کاتدی می باشند.

به طور کلی دو مسیر برای دستیابی کاتیون ها به ناحیه مرزی جدایش در فصل مشترک  و محل تولید یون هیدروکسید وجود دارد:

1) : از طریق ساختار پوشش و کانال های موئین موجود در آن

2) : از طریق فاز آبی و فصل مشترک پوشش فلز (از طریق حفره)

با آگاهی از مسیر عبور کاتیون ها می توان روش هایی برای اصلاح خواص پوشش و کاهش میزان جدایش کاتدی طراحی نمود. به عنوان مثال در صورتی که مسیر عبور کاتیون ها از طریق ساختار پوشش باشد با وارد کردن عوامل حاوی شارژ مثبت به ساختار پوشش می توان به نحو مؤثری سرعت نفوذ کاتیون ها و سرعت جدایش را کاهش داد.

محققین ارتباط نتایج چسبندگی پوشش ها و مقاومت آنها را در برابر جدایش کاتدی مورد بررسی قرار دادند و مقاومت به جدایش کاتدی پوشش ها را در ارتباط با چسبندگی تر آنها معرفی کرده اند. تحقیقات انجام شده بر روی پوشش های اپوکسی نشان دهنده تأثیر مشابه افزایش یون کلرید بر روند جدایش پوشش از سطح ، در آزمون های جدایش کاتدی و چسبندگی تر بوده است. همچنین نتایج تحقیقات دیگری که بر روی پوشش های پلی اتیلنی صورت گرفته است، آزمون جدایش کاتدی را به عنوان معیار مناسبی جهت تخمین و مقایسه چسبندگی تر پوشش ها معرفی می کند. تأثیر افزایش عوامل قطبی به پلی اتیلن بر روی نتایج آزمون جدایش کاتدی و چسبندگی تر ، مشابه ارزیابی کرده اند. علت سازگاری های مشاهده شده در نتایج دو آزمون را می توان حضور آب و شرایط قلیایی ایجاد شده در  فصل مشترک پوشش فلز، در هر دو آزمون و تأثیر آن به عنوان یکی از عوامل اصلی در جدایش پوشش دانست. شرایط قلیایی ایجاد شده در فصل مشترک می تواند از طریق سه روش مهم حل شدن لایه اکسیدی فلز، حمله به پیوندهای پوشش فلز و تضعیف آن و هیدرولیز قلیایی پلیمر منجر به جدایش پوشش از سطح گردد. در عین حال با توجه به سرعت بسیار بالاتر تولید یون هیدروکسید در حضور حفاظت کاتدی ، PH بالاتر و شرایط قلیایی مخرب تر منجر به تسریع روند جدایش در مقایسه با وضعیت عدم اعمال پتانسیل خارجی می گردد.

تحقیقات قبلی خواص نفوذپذیری و ضدخوردگی پوشش های محافظتی بر پایه قیر نفتی و قیر زغال سنگی را با یکدیگر مورد مقایسه قرار دادند. نتایج تحقیقات نشان دهنده مقاومت بالاتر پوشش های بر پایه قیر زغال سنگی در برابر عبور یون ها و خواص ضدخوردگی بهتر آنها در مقایسه با پوشش های بر پایه قیر نفتی بوده است. همچنین نتیجه تحقیقات بر روی اثر افزایش عوامل قطبی و بازدارنده های خوردگی در سیستم های پوششی پایه قیری نشان دهنده افزایش چسبندگی و خواص ضدخوردگی پوشش های پایه قیری در اثر افزایش رزین های سینتیک به پوشش های قیری بوده است.

در این تحقیق خواص محافظتی دو سیستم پوششی بر پایه قیر نفتی و زغال سنگی از طریق تعیین مقاومت در برابر جدایش کاتدی و چسبندگی پوشش ها، با یکدیگر مقایسه شده است. همچنین با تعیین مکانیسم نفوذ کاتیون ها به فصل مشترک پوشش فلز، ارتباط این مکانیسم با چسبندگی پوشش های قیری بر روی فولاد نرم بررسی شده است.

2 بخش تجربی

21 مواد شیمیایی و وسایل

قیر پایه زغال سنگی از شرکت پالایش قطران زغال سنگ اصفهان با نقطه نرمی  80 و چگالی  264،1 تهیه شده و حلال های زایلن، تولوئن و اتیل متیل کتون با نسبت ها ی اختلاط به ترتیب 40/40/20 جهت حل کردن قیر زغال سنگی و حصول یک محلول یکنواخت استفاده شد. همچنین قیر پایه نفتی از شرکت پالایش نفت جی اصفهان با نقطه نرمی 80 و چگالی  066،1 تهیه شد و حلال وایت اسپریت جهت حل کردن قیر مورد نظر و دستیابی به گرانروی قابل اعمال استفاده شد. قابل ذکر است که با توجه به اینکه قیرهای نفتی و زغال سنگی مخلوط پیچیده ای از تعداد بسیار زیادی ترکیبات شیمیایی هستند ، بررسی و بیان دقیق ساختار شیمیایی آنها امکان پذیر نمی باشد. به طور کلی قیرها از لحاظ ساختاری به دو بخش آسفالتن و مالتن تقسیم می شوند که آسفالتن بخش سخت و قیر قابل حل است و مالتن مایعی گرانرو و محمل پخش ذرات آسفالتن است. نقطه نرمی 80 که نقطه نرمی نسبتا بالایی در درجه بندی قیرها محسوب می گردد، می تواند نشان دهنده درصد بالای آسفالتن و درصد نسبتا پایین روغن ها در ساختار قیر باشد. حلال وایت اسپریت مخلوطی از حلال های نفتی با درصد آروماتیک پایین (حداکثر 20% ) و نقطه جوش 162 می باشد. زیرآیند مورد استفاده در این تحقیق فولاد نرم ST37.4 است که بر اساس استاندارد DIN 1630 برای ساخت لوله ها پیشنهاد می شود. درصد عناصر موجود در این فولاد نرم در جدول 1 ارائه شده است :

ورق فولاد نرم فوق به ابعاد 79 برش شده و با استفاده از Shot Blast آماده سازی شد. ناهمواری های سطحی ، سطح آماده سازی شده با استفاده از زبری سنج ساخت شرکت میتوتویو مدل SJ-201 اندازه گیری شد. مقادیر ضرایب مربوط به طرح ناهموار ی های سطح به شرح زیر است