مقدمه ای بر خوردگی

خوردگی چیست؟

یک تعریف عمومی از خوردگی در واقع تخریب یک ماده از طریق برهمکنش با محیط می باشد. این تعریف شامل تمام مواد می باشد، هم مواد طبیعی و هم مواد سنتزی مانند پلاستیک ها، سرامیک ها و پلیمرها. این مقاله بر روی خردگی فلزات تمرکز دارد. این تعریف از خوردگی این سوال را مطرح می کند که "چرا فلزات خورده می شوند؟" جواب این سوال در ترمودینامیک ارائه می شود. در واقع ترمودینامیک به ما می گوید که آیا یک خوردگی اتفاق می افتد یا نه؟ سوال منطقی دوم این است که نرخ خوردگی و طول عمر قطعه، چقدر می باشد. کینتیک خوردگی جواب این سوال را به ما می دهد. هر دو موضوع، در مقاله های بعدی مورد بررسی قرار می گیرد. در این فصل، در مورد موضوع خوردگی، صحبت می شود.
یک مقدار قابل توجه از انرژی، در زمانی که یک فلز از سنگ معدنش استخراج می شود، در آن ذخیره می شود. این استخراج موجب می شود تا فلز در حالت با انرژی بالا قرار گیرد. این سنگ معدن ها به طور نمونه وار اکسیدهایی از فلزها مانند هماتیت (〖Fe〗_2 O_3) و بوکسیت (اکسید آلومینا) هستند. یک اصل ترمودینامیک، این است که یک ماده همواره تمایل دارد که به پایین ترین حالت انرژی خود برسد. به عبارت دیگر، بیشتر فلزات از لحاظ ترمودینامیکی، ناپایدار هستند و تمایل دارند تا به حالت با انرژی کمتر تبدیل شوند. این حالت با انرژی کمتر و پایداری بیشتر، معمولاً حالت اکسید یا برخی از ترکیبات این فلزات است. فرایندی که در آن فلز به حالت با انرژی حداقل تبدیل می شود، خوردگی نامیده می شود.
خوردگی بیشتر مواد مهندسی متداول در نزدیکی دمای محیط و در محیط های مرطوب، انجام می شود و از لحاظ طبیعت، فرایندی الکتروشیمیایی است. محیط مرطوب همچنین به عنوان الکترولیت محسوب می شود. فرایندی خوردگی شامل حذف الکترون های فلز و مصرف الکترون ها بوسیله ی سایر عوامل کاهنده، مانند اکسیژن می باشد.

واکنش اکسایش به طور متداول، واکنش آندی و واکنش کاهش، واکنش کاتدی نامیده می شود. هر دو واکنش الکتروشیمیایی ضرورتاً در طی خوردگی، رخ می دهد. واکنش اکسایش موجب می شود تا اتلاف هایی در ماده ی فلزی، ایجاد شود اما واکنش کاهشی باید وجود داشته باشد تا بدین صورت، الکترون های آزاد شدده از طریق واکنش اکسایش را به مصرف برساند. این مسئله موجب ایجاد حالت تعادل الکتریکی می شود. در غیر اینصورت، یک میزان بالا از بار منفی به طور سریع در میان فلز و الکترولیت ایجاد می شود و فرایند خوردگی متوقف می شود.
واکنش های اکسایش و کاهش برخی اوقات به عنوان واکنش های نیم سلولی نامیده می شود و می تواند به صورت محلی رخ دهد (یعنی در برخی بخش های فلز) یا می تواند به طور فیزیکی مجزا باشد. وقتی واکنش های الکتروشیمیایی به صورت فیزیکی مجزا باشند، این سیستم، سلول خوردگی افتراقی، نامیده می شود. یک شماتیک از سلول خوردگی افتراقی، در شکل 1 نشان داده شده است. مکانی که فلز در آنجا، اکسید می شود، به عنوان آند یا مکان آندی نامیده می شود. در این مکان، جریان مستقیم الکتریکی از سطح فرزی به سمت الکترولیت ایجاد می شود و یون های فلزی، از سطح خارج می شوند. این جریان های الکتریکی در داخل الکترولیت به سمت مکان هایی است که اکسیژن، آب و یا برخی نمونه های دیگر، در حال کاهش هستند. این مکان ها را آند یا مکان آندی می نامند. 4 جزء اساسی برای سلول خوردگی افتراقی، وجود دارد.
1) باید یک آند وجود داشته باشد.
2) باید یک کاتد وجود داشته باشد.
3) باید یک مسیر فلزی وجود داشته باشد که به طور الکتریکی، آند و کاتد را به هم وصل کند.
4) آند و کاتد باید در یک الکترلیت رسانای الکتریکی، قرار داشته باشد.
خوردگی ایجاد شده در لوله ها و تجهیزاتی که در داخل زمین قرار گرفته اند، اغلب نتیجه ای از ایجاد سلول خوردگی افتراقی است که در آن گونه های مختلفی از مواد، وجود دارد. این بخش ها شامل سلول های افتراقی مجاور هوا هستند که در آنها بخش های مختلف از لوله یا ساختار تحت غلظت های مختلف اکسیژن موجود در خاک، قرار گرفته اند و سلول های مختلفی بوسیله ی تفاوت در این غلظت ها در سطح لوله ایجاد شده است. خوردگی گالوانیک، شکلی از خوردگی سلول افتراقی است که در آن دو فلز مختلف به صورت الکتریکی جفت می شوند و در معرض محیط خورنده قرار می گیرند.

چگونه خوردگی را تشخیص می دهیم؟

طبیعت الکتروشیمیایی فرایند خوردگی، فرصت هایی را به منظور تشخیص و محدود کردن خوردگی در ساختارهای زیر خاک، ایجاد می کند. ما می توانیم، ولتاژها و جریان های مربوط به فرایند خوردگی را تشخیص دهیم.
وقتی یک قطعه از فلز در داخل یک محیط الکترولیت مانند خاک، قرار گیرد، یک ولتاژ در داخل سطح مشترک فلز- الکترولیت، ایجاد می شود که علت آن، طبیعت الکتروشیمیایی فرایند خوردگی است. ما نمی توانیم این ولتاژه را به طور مستقیم و با استفاده از ولمتر، اندازه گیری کنیم و در واقع ما می توانیم، ولتاژهایی را اندازه گیری کنیم که بین دو قطعه فلز مختلف قرار داده شده در داخل خاک، ایجاد می شود. ما همچنین می توانیم تفاوت ولتاژ میان یک فلز و یک الکترود مرجع را اندازه گیری کنیم که به طور متداول، الکترود نیم سلول، نامیده می شود. این ولتاژ به پتانسیل خوردگی، معروف است، یک پتانسیل مدار باز یا یک پتانسیل منفی که در آن، فلز در محیط قرار گرفته و اندازه گیری انجام می شود. برای محیط های خاکی، متداول ترین الکترون مرجع، الکترود مرجع مس- مس سولفات (CSE) می باشد.
مقادیر پتانسیل می تواند برای تخمین مقاومت نسبی در فلزات مختلفی استفاده شود که در یک محیط معین، خورده می شوند. فلزات گران بها مانند طلا و پلاتین، دارای پتانسیل مثبت تری هستند و از این رو، مقاومت آنها در برابر خوردگی، بیشتر از فلزات مهندسی متداول مانند فولاد و آلومینیوم است. یک سری گالوانیک، لیستی از فلزات و آلیاژهاست که با توجه به پتانسیل خوردگی نسبی و در یک محیط معین، آرایش داده شده اند. جدول 1 یک سری گالوانیک را برای فلزات و سایر مواد در محیط خاک و آب را نشان می دهد. این لیست نشاندهنده ی این است که کربن دارای بالاترین پتانسیل مثبت نسبت به مواد لیست شده، هستند و منیزیم، دارای منفی ترین پتانسیل است. پتانسیل های اندازه گیری شده برای فلزات مختلف در سری های گالوانیک برخی اوقات اندکی تغییر می کند که این مسئله به طبیعت محیط وابسته است. البته در این حالت، موقعیت نسبی فلزات، برای محیط های طبیعی مانند خاک و آب دریا، مشابه است.
استفاده ی دیگر از مقادیر پتانسیل خوردگی، این است که بوسیله ی آنها قابلیت تشخیص این مسئله وجود دارد که آیا خوردگی اتفاق می افتد یا نه؟ وقتی دو فلز به صورت الکتریکی و در محیط با هم جفت می شوند، عضو منفی تر (فعال تر) این جفت آند می شود و عضو مثبت تر (نجیب تر) کاتد سلول می شود. عموماً حساسیت جفت گالوانیک با افزایش اختلاف پتانسیل میان دو عضو دیگر، افزایش می یابد، اگر چه این مسئله در همه ی موارد، رخ نمی دهد. سری های گالوانیک موجود در جدول 1 نشاندهنده ی این است که در جایی که مس از لحاظ الکتریکی با یک فولاد کم کربن جفت می شود، مس کاتد و فولاد آند می شود. این مسئله موجب تسریع خوردگی فولاد می شود.
جدول 1 همچنین نشاندهنده ی این است که فولاد کم کربن می تواند بسته به این مسئله که تمیز است پوشیده از کثیفی است، متفاوت عمل کند. پتانسیل فولاد همچنین تابعی از خواص خاک، مانند pH، غلظت یونی، اکسیژن و میزان رطوبت، می باشد. تفاوت پتانسیل های ایجاد شده در خطوط لوله و سایر ساختارهای زیر خاک موجب ایجاد شرایطی می شود که در آنها خوردگی شدید، ایجاد می گردد.
مقادیر پتانسیل عموماً برای خطوط لوله ی زیر زمینی و به منظور تشخیص حضور این نوع از سلول های خوردگی افتراقی، مورد استفاده قرار می گیرند. ارتباط الکتریکی با لوله ایجاد می شود و پتانسیل لوله با توجه به الکترود مرجع قرار داده شده در بالای لوله، اندازه گیری می شود. این فرایند به صورت شماتیک در شکل 2 آورده شده است. به طور نرمال، الکترود مرجع به بار منفی یک ولتمر دیجیتال وصل می شود و بدین صورت یک قرائت منفی بدست می آید. همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است، بیشتر پتانسیل های موجود در خاک، منفی است. با این نوع از اندازه گیری، بیشتر نواحی منفی ساختار آند است و متحمل خوردگی می شود که علت این مسئله، ایجاد سلول های خوردگی افتراقی است..
مقادیر جریان همچنین می تواند برای شناسایی سلول های خوردگی افتراقی مورد استفاده قرار گیرد اگر آندها و کاتدها بزرگ باشند. این سلول های بزرگ، جریان های طولانی ایجاد می کند که می تواند بوسیله ی اندازه گیری در بالای لوله و سایر ساختارهای زیر خاک، تشخیص داده شود. از طریق قانون اهم، این فهمیده می شود که جریان در خاک، موجب ایجاد یک گرادیان ولتاژ می شود. این گرادیان، می تواند با قرار دادن الکترودهای مرجع در بالای لوله و اندازه گیری ولتاژ، بدست آید.

چگونه ما می توانیم از بروز خوردگی، جلوگیری کرد؟

روش های اساسی در زمینه ی محدود کردن خوردگی ایجاد شده در خطوط لوله، ایجاد پوشش بر روی این لوله ها و محافظت کاتدی (CP) است. پوشش ها به طور طبیعی تمایل دارند تا یک فیلم پیوسته بر روی سطح تشکیل دهد و بتواند آن را از لحاظ الکتریکی عایق کاری کند. عملکرد این پوشش ها، این است که فلز را از تماس مستقیم با الکترولیت محیطی، محدود می کنند و با ایجاد یک مقاومت بالا، از بروز واکنش های الکتروشیمیایی، جلوگیری می شود. در حقیقت، تمام پوشش ها، صرفنظر از کیفیت کلی، شامل حفراتی هستند که در طی استفاده، انتقال و یا عایق کاری، حاصل می شوند. حفرات ایجاد شده در این پوشش ها، همچنین در هنگام سرویس دهی، نیز ایجاد می شوند که علت آن تخریب پوشش، تنش های خاک، یا حرکت لوله در زمین، می باشد. تخریب این پوشش در زمان سرویس دهی، همچنین می تواند منجر به جداشدن پوشش از سطح لوله گردد و موجب افزایش تماس لوله با رطوبت و عوامل تخریب کننده، شود. یک نرخ خوردگی بالا در این حفرات و در داخل نواحی جداشدن پوشش از لوله، می تواند منجر به بروز نشتی و یا گسستگی در لوله گردد. این مسئله حتی در جاهایی مشاهده می شود که پوشش دهی به طور مؤثر بر روی سطح قابل توجهی از لوله، وجود داشته باشد. بنابراین، پوشش ها به ندرت برای خطوط لوله ی زیر زمینی و بدون استفاده از محافظت کاتدی، استفاده می شوند. عملکرد اصلی یک پوشش بر روی یک لوله ی محافظت شده از لحاظ کاتدی، موجب کاهش ناحیه ی سطحی فلزی می شود و بدین وسیله، موجب کاهش جریان مورد نیاز برای محافظت از فلز می شود.
حفاظت کاتدی، روشی است که برای کاهش نرخ خوردگی یک سطح فلزی ایجاد می شود. این کار بواسطه ی ایجاد کاتد در سطح فلزی، انجام می شود. این مسئله با شیفت پتانسیل فلز به سمت منفی همراه است. این کار بواسطه ی اعمال جریان الکتریکی یا استفاده از الکترود فداشونده، انجام می شود. در مورد یک سیستم تحت تأثیر، یک جریان بر روی ساختار ایجاد می شود. این جریان بواسطه ی یک رکتیفایر برق ایجاد می شود و یک آند در داخل زمین، دفن می شود. در مورد یک سیستم آند فداشونده، رابطه ی گالوانیک میان آند فداشونده مانند روی یا منیزیم، و لوله ی فولادی، برای مهیا نمودن جریان حفاظت کاتدی، استفاده می شود.