گزارش کارآموزی فرایند تولید با پوشش بیتوسیل در شرکت تولید پوشش لوله ماهشهر

معرفی شرکت

11 تاریخچه شرکت

شرکت تولید پوشش لوله ماهشهر در سال 1383 با هدف فعالیت در صنعت پوشش لوله های فولادی با مواد ضد خوردگی تأسیس و راه اندازی گردید.

نظر به اهمیت ویژه ای که این شرکت برای جلب نظر مشتریان و کنترل و بهبود کیفیت محصولات خود ، صیانت از محیط زیست و حفظ سلامت و بهداشت کارکنان قائل می باشد، سیسستم مدیریت یکپارچه را بر اساس استانداردهای بین المللی ISO 9001:2008 ، ISO 14001:2004 و OHSAS 18001:2007 در سازمان مستقر نموده است.

13 محصولات و خدمات شرکت

انواع سیستم های پوشش لوله های فولادی در این سازمان ، عبارتند از :

الف) سیستم پوشش پلی اولفین (پلی اتیلن و پلی پروپیلن سه لایه) ، جهت لوله های با قطر 4 تا 64 اینچ.

ب) سیستم پوشش بیتوسیل، جهت لوله های با قطر 4 تا 80 اینچ.

ج) سیستم پوشش بیتوسیل با لایه محافظ پلی پروپیلن (بیتوسیل تقویت شده) ، جهت لوله های با قطر 4 تا 80 اینچ.

د) پوشش خارجی پودری FBE (تک لایه و دو لایه) ، جهت لوله های با قطر 4 تا 64 اینچ.

ر) سیستم پوشش داخلی لوله های فولادی با روشهای اپوکسی دو جزئی مایع، پودر اپوکسی و پلی یورتان ، جهت لوله های با قطر 2 تا 80 اینج.

ز) پوشش سیمانی (اندود سیمانی) جهت خطوط لوله دریایی ، جهت لوله های با قطر 8 تا 56 اینچ.

ژ) و پوشش داخلی و خارجی شیرآلات و اتصالات (Custom Coating) .

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 :

که Rz نشان دهنده میانگین فواصل بلندترین قله ها تا عمیق ترین دره ها در پروفایل سطح می باشد و Ra یا زبری سطح ، بیانگر نصف میانگین فاصله ارتفاع همه قله ها تا همه دره هاست.

سیستم های پوششی بر پایه قیر نفتی و قیر زغال سنگی توسط فیلم کش با ضخامت تر  300 بر روی سطح فولاد نرم شات بلاست و چربی گیری شده ، اعمال شد و پس از خشک شدن ، ضخامت فیلم خشک با استفاده از ضخامت سنج دیجیتالی مدل الکومتر 345 اندازه گیری شد. ضخامت های حاصله در حدود   5100 تعیین شد.

از مخلوط بیزواکس و رزین با نسبت به ترتیب 3 به 2،1 جهت آب بندی مناطق غیرآزمون سطح استفاده شد.

کلرید سدیم آزمایشگاهی با درجه خلوص 9،99% جهت تهیه محلول 5،3% کلرید سدیم به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار گرفت.

22 روش کار

آزمون جدایش کاتدی بر اساس استاندارد ASTM G8 با استفاده از آند منیزیم و الکترود مرجع Ag/AgCl انجام گرفت. جهت آماده سازی نمونه ها برای آزمون ، پس از اتصال سیم مسی و در نظر گرفتن مساحت 33 از سطح پوشش ، بقیه سطوح آب بندی شده و سوراخی به قطر mm 1 در وسط ناحیه آزمون ایجاد شد. پتانسیل اعمال شده به نمونه ها مطابق با استاندارد فوق V(vs,  Cu/CuSO4) 05،0  50،1-بوده است.

برای تعیین مکانیسم نفوذ کاتیون ها در آزمون جدایش کاتدی ، آزمون جدایش کاتدی یکبار با ضخامت یکسان و در زمان های 7، 12، 17، 22 و 32 ساعت برای قیر نفتی و زمان های 7،  17، 44، 75 و 151 ساعت برای قیر زغال سنگی و یک بار در زمان ثابت و ضخامت های 80، 100 و  160 برای قیر نفتی و ضخامت های 80، 120 و  160 برای قیر زغال سنگی صورت پذیرفت. علت انتخاب زمان های بالاتر برای پوشش بر پایه قیر زغال سنگی نسبت به قیر نفتی مقاومت بسیار بالاتر آن در برابر جدایش کاتدی بوده است. بررسی نتایج آزمون از طریق تعیین مساحت جدایش صورت پذیرفت. برای تعیین مساحت جدایش ، برش های هم مرکز در اطراف محل حفره با استفاده از تیغه فولادی ایجاد گردید و پس از برداشتن پوشش های جداشده ، مساحت از طریق قرار دادن یک صفحه شفاف شطرنجی بر روی نمونه و شمردن خانه ها، تعیین شد. تعداد 3 نمونه برای اطمینان از تکرارپذیری برای هر یک از سطوح مورد آزمون در نظر گرفته شد. مطالعه چسبندگی پوشش ها بر روی زیرآیند در دو حالت خشک و تر به روش Pull off انجام گرفت. برای انجام آزمون چسبندگی تر ، مساحت  7 5،3 از سطح پوشش ، در محلول 5،3% کلرید سدیم غوطه ور شد. در زمان های 12، 21 و 57 روز پس از غوطه وری آزمون چسبندگی تر بر روی نمونه ها انجام شد. برای انجام آزمون به روش Pull off ، پس از خارج کردن نمونه ها از محلول و خشک کردن سطح نمونه ها ، دالی های فلزی توسط چسب سیانواکریلاتی بر روی سطح پوشش ها چسبانده شدند. یک ساعت پس از چسباندن دالی ها بر روی سطح پوشش ، آزمون چسبندگی به روش Pull off انجام گرفت. در این روش از دستگاه Tensile Adhesion tester 525 (شرکت اریکسن) بر اساس استاندارد ASTM D 4541 برای انجام آزمون استفاده شد.

3 نتایج و بحث

31 جدایش کاتدی

یکی از روش های بررسی مکانیسم نفوذ کاتیون ها تعیین سرعت گسترش مساحت جدایش در طول زمان می باشد. افزایش یا کاهش شدید در سرعت گسترش مساحت جدایش نشان دهنده تغییر مکانیسم غالب در فرایند نفوذ کاتیون هاست. اگر سرعت گسترش مساحت جدایش به مرور زمان زیاد شود بیانگر این است که کاتیون ها از طریق پوشش به محل جدایش هدایت می شوند و در صورتی سرعت گسترش مساحت جدایش به مرور زمان کاهش یابد نفوذ از طریق حفره مکانیسم غالب خواهد بود. به بیان دیگر زمانی که مکانیسم نفوذ از طریق پوشش باشد، کاتیون ها برای رسیدن به ناحیه مرزی جدایش اجباری در گذشتن از مسیر حفره و فصل مشترک پوشش فلز ندارند و با گذشتن از فیلم پوشش با سرعت بیشتری عوامل هیدروکسید را خنثی کرده و موجب پیشرفت جدایش می شوند. با گذشت زمان به علت جذب آب توسط ساختار پوشش و افت بیشتر مقاومت یونی پوشش ، روند نفوذ کاتیون ها از طریق پوشش تسریع می شود و سرعت گسترش مساحت جدایش افزایش می یابد. در حالیکه وقتی مکانیسم نفوذ از طریق حفره باشد، به مرور زمان ، با گسترش شعاع ناحیه جدایش ، مسیر دستیابی کاتیون ها به مرز ناحیه جدایش طولانی تر می شود و روند گسترش مساحت جدایش کندتر می گردد.

شکل 2 شمایی از مقایسه مسیر حفره و مسیر پوشش برای نفوذ کاتیون ها ، زمانی که قسمتی از پوشش دچار جدایش شده است را نشان می دهد.

با توجه به مشاهده سرعت قابل توجه تولید هیدروژن پس از اتصال نمونه ها و اعمال پتانسیل V(vs, Cu/CuSO4) 5،1- نسبت به الکترود مرجع (vs, Cu/CuSO4) عمده واکنش کاتدی برای تولید یون هیدروکسید واکنش  می باشد.

شکل 3 روند گسترش مساحت جدایش را طی زمان برای ضخامت های ثابتی از پوشش ها نشان می دهد. همچنین PH الکترولیت تجمع یافته در زیر پوشش پس از گذشت 17 ساعت از غوطه وری با استفاده از کاغذ PH  اندازه گیری شد و مقدار 12 به دست آمد.

همان طور که در شکل 3 مشاهده می شود میزان جدایش هر دو سیستم پوششی در زمان 7 ساعت پس از غوطه وری یکسان است. در ادامه زمان غوطه وری روند جدایش قیر پایه نفتی بسیار سریع تر از قیر زغال سنگی پیشرفت کرده است. این امر می تواند ناشی از نفوذ کاتیون ها به فصل مشترک و مرز ناحیه جدایش از طریق سیستم پوششی قیر نفتی باشد. پس از 22 ساعت غوطه وری سرعت گسترش مساحت جدایش قیر پایه نفتی به شدت افزایش می یابد که می تواند حاکی از تخریب تدریجی پوشش و دسترسی بالای کاتیون ها به مرز ناحیه جدایش از طریق پوشش باشد. با توجه به فرایند تولید قیر و اینکه امکان وجود ترکیبات معدنی در قیر می باشد، این تخریب می تواند حاصل از انحلال نمک های معدنی موجود در قیر در آب باشد. به این ترتیب ، مکانیسم غالب نفوذ در فرایند جدایش کاتدی قیر پایه نفتی از سطح فولاد نرم، نفوذ از طریق پوشش است.

در مورد پوشش های بر پایه قیر زغال سنگی سرعت گسترش مساحت جدایش در طی زمان آزمون تغییر چندانی نشان نمی دهد و تقریبا ثابت است. وقتی که در یک زمان ثابت ، ضخامت های متفاوتی از یک پوشش مورد آزمون جدایش کاتدی قرار می گیرند، در صورتی که با افزایش ضخامت پوشش مساحت جدایش کاهش یابد، نشان دهنده نقش مؤثر پوشش در عبوردهی کاتیون ها به سمت فصل مشترک است و بنابراین مکانیسم نفوذ از طریق پوشش خواهد داد، اما چنانچه با تغییر ضخامت پوشش مساحت جدایش تغییری پیدا نکند، نشان دهنده مقاومت بالای پوشش در برابر عبور کاتیون ها و عدم تأثیر ضخامت پوشش در سرعت نفوذ کاتیون ها می باشد. بنابراین ،‌ مکانسیم نفوذ از از طریق حفره خواهد بود. شکل 4 نشان دهنده روند تغییرات مساحت جدایش با افزایش ضخامت پوشش است..

شکل 4 نشان دهنده عدم تأثیر ضخامت بر مساحت جدایش قیر زغال سنگی است. به بیان دیگر مقاومت بالای قیر زغال سنگی در برابر عبور یون ها ، منجر به اجبار کاتیون ها در گذر از مسیر حفره ، برای دسترسی به مرز ناحیه جدایش می گردد. با توجه به این که ضخامت پوشش تأثیری بر طول این مسیر ندارد می توان یکسان بودن مساحت جدایش قیر زغال سنگی در ضخامت های مختلف را به غالب بودن مکانسیم نفوذ کاتیون ها از طریق حفره نسبت داد. در مقابل نتایج تغییرات مساحت جدایش با ضخامت قیر نفتی نشان دهنده کاهش قابل توجه مساحت جدایش با افزایش ضخامت پوشش است که بیانگر اهمیت نقش پوشش در عبور کاتیون ها است. در واقع نتایج فوق فرض مکانیسم نفوذ از طریق پوشش در فرایند جدایش قیر پایه نفتی از سطح در زمان 22 ساعت غوطه وری (شکل 3) را تأیید می کند.

32 چسبندگی

عدم حضور پتانسیل خارجی و نقش آن در جذب کاتیون ها به سمت سطح فولاد نرم (به عنوان منبع الکترون) در آزمون چسبندگی تر، منجر به کند شدن زیاد روند جدایش در مقایسه با شرایط موجود در آزمون جدایش کاتدی می گردد. بنابراین زمان های در نظر گرفته شده برای انجام آزمون چسبندگی تر بسیار بیشتر از زمان ارزیابی مقاومت در برابر جدایش کاتدی پوشش ها بوده است.