پروژه حفاظت کاتدی در مقابل خوردگی های فیزیکی و شیمیایی

پروژه دوره

کارشناسی ناپیوسته ساخت و تولید

فصل اول

خوردگی و اهمیت آن

)مقدمه:

یکی از مباحث بسیار مهم علمی وفنی اقتصادی که کمتر از یکصدسال است توجه عده ای از دانشمندان و محققان را به خود جلب نموده و مطالعات بسیار زیادی بر روی آن انجام گرفته و میگیرد موضوع «خوردگی» (  (corrosionبویژه «خوردگی فلزات» میباشد.به منظور روشن ساختن و توجیه و تفهیم مکانیسم های انواع مختلف خوردگی تحقیقات و بررسیهای وسیع،جدی و مستمر مخصوصاً در 50سال گذشته و همگام با پیشرفتهای سریع صنایع گوناگون صورت پذیرفته، بطوری که با استفاده از اصول و مبانی علمی و نتایج حاصله از این پژوهشها در تدوین مقررات و روشهای خاص کنترل یا جلوگیری از خسارات ناشی از پدیده خوردگی اقدامات بسیار سودمندی بعمل آمده و به پیشرفتهای قابل ملاحظه ای نایل شده اند. هچنین از بدو شروع به فعالیتهای گسترده در این زمینه انستیتوهای آموزشی وآزمایشگاههای تحقیقات صنعتی کمکهای زیادی به آموزش اصول مبانی واکنشهای خوردگی کرده اند.

تکنولوژی جدید با کاربرد مواد و مصالح صنعتی گوناگون از جمله فلزات و آلیاژها، پلاستیک ها،سرامیک ها،مواد مرکب و متراکم،چوب و غیره همراه بوده بویژه مستلزم بررسی و تولید آلیاژها و دیگر موادی است که در برابر خوردگی مقاومت لازم و قابل پیش بینی را داشته باشند،همچنین احتیاج به تدوین مقررات و روشهایی دارد که با اعمال و اجرای آنها بتواند میزانها و سرعتهای خوردگی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد.

جهت درک و بررسی این پدیده با در نظر گرفتن اصول و مبانی خوردگی و نظریه الکتروشیمیایی واکنشهای خوردگی از یکسو و توجه به اهمیت فلزات و آلیاژها در بین مواد و مصالح صنعتی از سوی دیگر ضرورت آشنایی با الکتروشیمی و متالورژی فیزیکی روشن میگردد.محققین و پژوهشگران خوردگی به مطالعه مکانیسمهای خوردگی پرداخته ،علل آنها را دریافته و راههای جلوگیری یا به حداقل رساندن خسارات و صدمات را پیشنهاد مینمایند. مهندسین خوردگی با تکیه به اطلاعات و نتایج تحقیقات و بررسی امکاناتو انجام محاسبات مربوط به عوامل مؤثر بویژه توجیهات اقتصادی به کاربرد و اجرای طرحها و روشها می پردازند.

خوردگی و مهندسی خوردگی مجموعه جالبی از علوم و فنون را تشکیل میدهد که مرحله تکامل آن در طی حدود 50سال اخیر صورت پذیرفته است.خاطر نشان میسازد که این مطلب بدان معنی نیست که پدیده خوردگی به این اندازه جدید می باشد،برعکس میتوان گفت که این موضوع از زمانی که برای اولین بار انسان موفق به کشف و اجرای روشهای تهیه فلزات از سنگهای معدنی مربوطه گردید آغاز شده است،و به بیانی دیگر میتوان اذعان نمود که قبل از نیم قرن اخیر نیز حضور و وجود مورد پذیرش و تائید قرار داشته وبطور اجتناب نا پذیری جرائم و خسارات ناشی از آن نیز پرداخت میگردیده؛ به طور مثال در آن زمان مسئولین و مدیران بسیاری از واحدهای صنعتی در ادعاهای خود دائر بر عدم وجود و دخالت خوردگی در واحدهای صنعتی خویش اصرار داشتند وفقط به ذکر یا گزارش تعویض بعضی از قطعات اکتفا می نمودند.لیکن در سالهای اخیر این طرز فکرها و اظهار نظرهای طفره آمیز تغییر کرده که دلیل آن شناخت و فهم نسبی  و تدریجی از وجود خوردگی و افزایش آگاهیها از تأثیرات اقتصادی این قبیل اتفاقات می باشد.با توجه به این مسائل اینک به مرحله ای رسیده که در تمامی زمینه های صنعتی در اختیار داشتن متخصصین و کارشناسان مربوط(که امروز به نام مهندسین خوردگی نامیده میشوند)بی اندازه جدی و ضروری جلوه می کند.

در سالهای أخیر خوردگی و روشهای کنترل یا جلوگیری به عنوان رکنی اساسی در کلیه زمینه های مهندسی در آمده و روز بروز اهمیت آن بیشتر و آشکارتر میشود ولی متأسفانه هنوز جایگاه واقعی خود را پیدا نکرده و آنچنان توجهی را که میبایستی عملاً به آن صورت گیرد مبذول نمیگیرد.

کلیه محیطها تا حدودی (کم و بیش )خورنده میباشند ، مثلاً هوا ، رطوبت ،آبها،محیطهای آلوده و صنعتی ،بخار آب ،گازها ،اسیدها ،قلیائیها ،خاکها ،حلالها،روغنها (اعم از نباتی و نفتی)،محصولات غذایی...وغیره. باید خاطر نشان ساخت که برخی از محیطها و در شرایط خاصی خورنده تر از دیگری میباشند.البته در مواردی نیز استثناء وجود دارد.وجود این پدیده و اثرات زیانبخش و ناگوار آن تقریباًدرهمه جا مشاهده میشوداز جمله:ساختمانها،لوازم خانگی،وسائط نقلیه(زمینی_دریایی_فضائی)،جاده ها،تسهیلات شهری،تأسیسسات بندری و دریایی،واحدهای صنعتی....وغیره

مواد مصالح صنعتی از قبیل آهن،آلومینیوم،مس،آلیاژهای مختلف،پلاستیک ها،سرامیک ها،چوب،فلزات دیرگداز،شیشه و غیره هر کدام دارای خواص و مشخصات کاربردها،مزایا و معایبی میباشند.انتخاب یک یا چند تا از آنها ممکن است فقط در کاربرد خاصی«مناسبترین انتخاب»باشد،ولی جهت هر گونه اقدامی و برای نیل به «بهترین انتخاب»دسترسی به دانش و نتایج مطالعات و تحقیقات و تجربیات کاملا ًضروری است.‌‍[1]

در عمل به دلیل مسائل اقتصادی و شرایط حاکم بر سرویس سیستمها عمدتاً هدف کنترل و کاهش نرخ خوردگی در حد قابل قبول می باشد که باعث به بار آمدن خسارتهای فراوانی می گردد،علاوه بر خسارتهای جانی از نظر اقتصادی نیز خسارت های فراوانی ایجاد می کند. به عنوان مثال در طی یک تحقیق که در ایالات متحده آمریکا انجام پذیرفته است سالانه 276 میلیارد دلار که معادل 1/3درصد تولید ناخالص ملی این کشور می باشد صرف مقابله با خوردگی می گردد.به بیان دیگر هزینه خسارت های تحصیلی ناشی از پدیده خوردگی رقمی در حدود 4-5درصد تولید نا خالص ملی را تشکیل می دهد به اضافه اینکه این رقم در کشورهای در حال توسعه قاعدتاًبیشتر می باشد.

با توجه به موارد ذکر شده ،اهمیت بحث خوردگی تنها در زمینه هزینه مطرح است.پس لازم است با خوردگی،نحوه عملکرد یا مکانیزم و انواع آن آشنا شده تا با اطلاعات دقیق در مورد مسائل مربوط به آن نظر داد.[2]

1-2) تاریخچه خوردگی و روند اقدامات :

وقوع طبیعی واکنشهای مربوط به پدیده خوردگی را می توان به زمانهای خیلی دور استناد نمود ولی برخوردهای علمی و اصولی با این پدیده به مطالعات و تحقیقات بسیار ارزشمند دانشمند معروف ایتالیایی میشل فاراده نسبت داده می شود. این دانشمند درسالهای 1840-1830رابطه بین فعالیتهای شیمیایی و جریانات الکتریکی (نسبت بین مقدار فلز حل شده و جریان برق)را به صورت m=kit ارائه نمود.او همچنین گزارش می کند که روئین شدن آهن ناشی از تشکیل فیلم برروی آن است و برای اولین بار اعلام میدارد که انحلال فلزات ماهیت الکتروشیمیایی دارد.البته قبل از فاراده ،همفری داوی در مورد کاربرد حفاظت کاتدی برای اولین بار در سال 1824نتایج بررسی های خود درآب دریا را چنین بیان کرد که:خوردگی فلز مس را می توان به کمک آهن یا روی که در تماس با آب قرار داده شده باشد کاهش داد.این دانشمند پیشنهاد نمود که برای حفاظت کاتدی کشتی های با بدنه مسی  قطعاتی از آهن به عنوان آندهای از بین رونده روی بدنه کشتی ها نصب شود (بطوری که نسبت سطحی آهن به مس 1به 100باشد).بعدازاو ادموند داوی دستگاه ها و وسائل آهنی شناور در دریا را با نصب قطعاتی از فلز روی محافظت کاتدی نمود،و رابرت مالیت در سال 1840آلیاژی از فلزات روی ساخت که به عنوان آندهای از بین رونده مورد استفاده قرار گرفت.کاربرد آندهای از بین رونده ادامه داشت تا اینکه به تدریج رنگهای ضدزنگ ساخته شد و استفاده از آنها به منظور حفاظت کاتدی و نیز صرفه جویی در هزینه تعمیرات رواج بیشتری یافت.استفاده از پوششهای روی در روی فولاد از زمانهای قدیم (قبل از 1742)معمول بوده است،ولی کاربرد اعمال جریان الکتریکی جهت حفاظت کاتدی لوله ها و تأسیسات زیر زمینی از حدود سالهای 1912-1910 آغاز شد و با سرعتهای زیادی گسترش پیدا نمود به طوری که امروزه تقریباً در تمام خطوط لوله و کابل های زیرزمینی از آن استفاده می شود. حفاظت کاتدی همچنین در موارد متعدد دیگر از قبیل دریچه های کانال ها،خنک کننده های آبی،زیردریائیها،مخازن آب،اسکله هاو تأسیسات دریایی،دستگاهها و وسایل مختلفی که در تماس با مواد شیمیایی می باشند بکار برده می شود.

مطالعات و بررسی های سازماندهی شده جهت بررسی های خوردگی برای اولین بار توسط «انجمن ترویج علوم انگلستان»در سالهای دهه  1830صورت گرفته است.نتایج قسمتی از این تحقیقات که توسط رابرت مالیت بر روی چگونگی خوردگی آهن و چدن صورت گرفته بود در سالهای 1843،1840،1838 منتشر گردید.

در سال1847 ریچارد آدی نشان داد که خوردگی ناشی از اثر اکسیژن بر روی آهن و در معرض سیالی در حال حرکت سبب ایجاد جریان الکتریکی می گردد.

برپایه این اطلاعات و دانشها پروفسور ویتنی در سال 1903 نتایج مطالعات خود را به صورت مقاله ای کلاسیک و تحت عنوان «ماهیت الکتروشیمیایی خوردگی»در مجله  American Chemical Societys Journal   چاپ و منتشر ساخت که اصول علمی پدیده خوردگی را تشکیل می دهد. این دانشمند نتیجه می گیرد که خوردگی آهن یک واکنش کاملاً الکتروشیمیایی بوده و اینکه میزان و سرعت خوردگی تابعی از نیروی محرکه الکتریکی و مقاومت مدار می باشد.

در سال 1906در داخل «انجمن آمریکایی برای آزمایش و مواد»ASTMکمیته ای جهت هماهنگی و اجرای آزمایشهای مخصوص خوردگی تشکیل گردید که همزمان با شروع این اقدامات سازمانهای دیگری نیز فعالیتهای خود در زمینه بررسی مسائل خوردگی و چگونگی تدوین راههای جلوگیری یا کنترل آن را آغاز نمودند.

از بین پیشقدمان در مطالعه اثرات خوردگی «کمیته آمریکایی الکترولیز»(American Committee on Electrolysis) است که اولین گزارش خود را در اکتبر سال 1916 منتشر نمود. این کمیته که متشکل از نمایندگان :‍

 « American Institute of Electrical Engineers »

«American Electric Railway Association»

«American Railway Engineers Association»

«National Bureau of standard»

وعده ای از سازمانهای دیگر بود فعالیتهای خود را بیشتر بر روی بررسی مسائل جدی و بسیار خطرناک ناشی از جریانات سر گردان که متوجه لوله ها و تأسیسات فلزی و کابلهای مخابراتی زیر زمینی می گردید متمرکز ساخت.

در انگلستان «کمیته خوردگی انستیتوی آهن و فولاد»اولین گزارش خود را در سال 1931وششمین گزارش خود را در سال 1959 منتشر نمود. در سال 1938«کمیته هماهنگی خوردگی آمریکایی» با شرکت نمایندگان 17سازمان و انجمن فنی تشکیل گردید.این گروه که هدف آن هماهنگ سازی فعالیتهای سازمان ها و انجمن های مختلف و جلوگیری از دوبارکاریها و پراکندگی اقدامات بود در سال 1948درسازمانی به نام «انجمن ملی مهندسین خوردگی» ادغام گردید.

در آمریکا علاوه بر انجمن NACE که فعالیتش منحصراً بر روی خوردگی و روشهای کنترل آن متمرکز است تشکیلات و سازمانهای علمی ،مهندسی زیادی به صورت های دولتی و تجارتی به فعالیت مشغولند که از نظر رهبری در بین گروههای علمی و مهندسی می توان «انجمن فلزات آمریکایی »«انجمن آمریکایی برای آزمایش و مواد »«انجمن شیمی آمریکا»«انجمن الکتروشیمی»را نام برد. از ارگانهای دولتی در این کشور می توان «موسسه ملی استاندارد»را نام برد فعالیتهای خود بر روی بررسی مسائل خوردگی و روشهای کنترل یا جلوگیری از آن را از سال 1922 آغاز کرده است. همچنین تشکیلات دولتی دیگری که اغلب در اختیار سرویسهای نظامی می باشند نظیر:

«   American Energy Commission »

« Federal Housing Administration »

« National Aeronautic and Space Administration »

و نیز عده ای از دوایر و ادارات داخلی در سازمانها و تشکیلات گوناگون که به مسائل مر بوط به خوردگی و کنترل آن مشغولند.

دانشمندان و مهندسین خیلی از کشورها در توسعه و گسترش سریع علم خوردگی و ارائه روشهائی برای کنترل آن شریک و سهیم بوده اند که ازاین میان خدمات ارزنده و شایان توجه دانشمندان و متخصصین خوردگی شوروی را می توان نام برد ،از جمله «پروفسور تو ماشف» و «پروفسور چرنووا» که از پیشقدمان و پایه گذاران تحقیقات خوردگی در این کشور می باشند. توماشف که ریاست آزمایشگاه خوردگی فلزات در انستیتوی شیمی فیزیک مسکو را عهده دار بوده مطالعات بسیار ارزشمندی درباره روئین سازی فلزات ،رفتارهای الکتروشیمیایی و خوردگی فولادهای ضد زنگ و فولادهای حاوی مس ،تیتانیوم و آلیاژهای آن ، روشهای جدید افزایش مقاومت در برابر خوردگی توسط اضافه کردن عناصر بسیار نجیب و...انجام داده است.

در آلمان نیز ضمن بررسیهای وسیع در این زمینه مجله ای به نام Korrosion Und Metallschutz قبل از جنگ جهانی دوم منتشر می گردید که در سالهای جنگ انتشار آن متوقف گردید ولی بعد از آن به نام جدید Werkstoffe Und Korrosion فعالیتهای خود را مجدداً ادامه داد. از سال 1945 واز سوی انجمن NACE مجله Corrosion  منتشر گردید و علاوه بر آن مجله ای نیز به نام Materials performance  از سوی همین انجمن انتشار یافت. همچنین طی سالهای اخیر مجلات مختلفی در چند کشور از جمله استرالیا ، بلژیک، انگلستان، فرانسه،هلند، ایتالیا ،ژاپن ،پرتغال،شوروی و سوئد چاپ و منتشر می گردند؛ از جمله مجلات معروفی که در انگلستان چاپ می شوند  عبارتند از :