خوردگی و رسوب گذاری در تاسیسات آب و فاضلاب
ارزیابی
میان ترم هفته هفتم (هفته سوم آبان ماه 89) 30%
پایان ترم 60%
کوئیز، کار کلاسی، تحقیق و ترجمه 10%
مراجع درسی
مهندسی خوردگی مارس ج فونتانا ترجمه: احمد ساعتچی انتشارات جهاد دانشگاهی اصفهان
کیفیت آب و فاضلاب محمد شریعت پناهی دانشگاه تهران
دستورالعمل کنترل کیفیت آب در تصفیه خانه های آب، نشریه شماره 318 سازمان مدیریت و برنامه ریزی
Guidelines for Drinking-water Quality 3rd,WORLD HEALTH ORGANIZATION, Geneva, 2004
فصل 1: کلیات
هزینه هایی که خوردگی بر تاسیسات امریکا هر ساله تحمیل می کند حدود 100 میلیارد دلار است.
خوردگی زیان اقتصادی بزرگی است و باید بدانیم که برای کاهش آن کارهای زیادی می توان انجام داد.
باید بدانیم هر جا فلز یا مواد دیگر مورد استفاده قرار گیرند خوردگی با شدت و ضعف اتفاق خواهد افتاد.
هزینه های خوردگی در صنایع نفت وگاز، پل سازی، کارخانجات صنعتی تولید مواد شیمیایی به ویژه تولید انواع اسیدها، صنعت اب و فاضلاب، صنایع کاغذسازی، هزینه های خوردگی در اتومبیل ها، لوله های آب گرم و سرد خانگی و آبگرمکن ها و پکیج های خانگی، تجهیزات خانگی و اداری و…
کل هزینه سالانه سیلها، گردبادها، آتش سوزی ها، رعد و برق ها کمتر از هزینه سالانه خوردگی می باشد.
خوردگی اجتناب ناپذیر است ولی می توان هزینه های آنرا کاهش داد.
یک آند ارزان قیمت منیزیوم می تواند عمر مخزن آبگرمکن را دوبرابر نماید.
مهندسی خوردگی: کاربرد دانش و فن یا هنر جلوگیری یا کنترل خسارات ناشی از خوردگی به روش اقتصادی و مطمئن می باشد.
خوردگی را تخریب یا فاسد شدن یک ماده در اثر واکنش با محیطی که در آن قرار دارد تعریف می کنند.
خوردگی فقط فلزات را در بر نمی گیرد خوردگی شامل سرامیک، بتن، پلاستیک، لاستیک و مواد غیرفلزی دیگر منظور شده است.
تخریب رنگ و لاستیک توسط نور خورشید یا مواد شیمیایی و یا بیولوژیکی را می توان خوردگی نامید.
محیط های خورنده:
عملا کلیه محیطها خورنده هستند ولی قدرت خورندگی انها متفاوت می باشد.
مثال هایی از این محیط ها
هوا و رطوبت، آب شیرین، آب مقطر، آب دریا محیط های دارای بخارهای شیمیایی به ویژه بخارات اسیدی …
مواد معدنی خورنده تر از مواد آلی می باشد
به عنوان مثال خوردگی در تاسیسات آب بیشتر به واسطه وجود مواد شیمیایی نظیر کلرور سدیم، گوگرد، اسیدیته آب است تا به خاطر وجود مواد روغنی در آب
خسارات خوردگی در صنعت آب و فاضلاب
ظاهر: ظاهر تاسیسات فلزی و بتنی آب و فاضلاب در اثر خوردگی ناخوشایند بوده و تاثیر نامطلوب روی بیننده دارد.
مخارج گزاف تعمیرات و نگهداری: به منظور جلوگیری از خوردگی باید هزینه های گزافی نمود. هزینه های مواد مورد نیاز نظیر انواع پوشش های پلیمری مانند اپوکسی یا سایر مواد نظیر ماستیک برای حفاظت داخلی و خارجی لوله ها، رنگ امیزی تاسیسات و تجدید متناوب رنگ آنها و … مستلزم صرف هزینه های فراوانی می باشد.
تاثیرات بهداشتی: آلوده شدن آب شرب در اثر نشت لوله آبرسانی، آلوده شدن خاک یا آب های زیرزمینی در اثر نشت فاضلاب در اثر خوردگی لوله ها
از بین رفتن منابع آبی در اثر نشت آب از لوله و تاسیسات آبی
کاهش ایمنی کار : خوردگی باعث خرابی نابهنگام تاسیسات شده و بعضا منجر به وارد آمدن خسارات فراوان (حتی جانی) می شود
طبقه بندی خوردگی
خوردگی تر
خوردگی در حضور یک مایع که می تواند محلول یا الکترولیت باشد و مسول بخش اعظم خوردگی می باشد. مثلا خوردگی لوله های فولادی آب یا لوله های بتونی فاضلاب
خوردگی خشک
در صورت عدم وجود فاز مایع این نوع خوردگی مطرح می شود مثلا خوردگی فلز تیتانیم با گاز کلر خشک
فصل 2: کیفیت آب و آشنایی با فرایندها و تاسیسات اب و فاضلاب
توزیع آب
سیستم آب رسانی
آب زیرزمینی به عنوان یک منبع
تصفیه آب های زیرزمینی
آب های سطحی به عنوان یک منبع
آب های سطحی،تصفیه و توزیع در شبکه آب شرب
تصفیه خانه آب سطحی
ایستگاه پمپاژ
طرح شماتیک آبرسانی
وظیفه کلی شبکه توزیع
توزیع-اجزاء فنی
توزیع آب-محیط
مسکونی
خانگی
فاضلاب
شهری
فاضلاب سازمان ها
و مراکز تجاری
فاضلاب توالت
فاضلاب مصارف آشپزخانه ، لباس شویی و استحمام)
منشاء فاضلاب
فاضلاب سازمان ها
و مراکز تجاری
خانگی
مسکونی
فاضلاب
شهری
تصفیه نشده
پیش تصفیه شده
فاضلاب صنعتی
شبکه جمع آوری فاضلاب مرکب
زهکشی
سیلاب
رواناب شهری
شبکه جمع آوری فاضلاب مجزا
منشاء فاضلاب
انواع آلودگی های موجود در فاضلاب
فاضلاب خانگی: (Domestic) فاضلابهای خانگی خالص تشکیل شده اند از فاضلاب دستگاههای بهداشتی خانه ها مانند توالت، دستشویی، حمام ، ماشین های لباسشویی و ظرف شویی، پساب آشپزخانه ها و یا فاضلاب بدست آمده از شستشوی قسمت های گوناگون خانه.
فاضلاب خانگی ناخالص(Municipal) آنچه در شبکه های جمع آوری فاضلاب شهری، به نام فاضلاب خانگی جریان دارد علاوه بر فاضلاب خانگی خالص دارای مقداری فاضلاب بدست آمده از مغازه ها و فروشگاه ها، تعمیرگاه ها و کارگاه ها، رستورانها و موسسه هائی مانند آنها نیز می باشد که اجباراً در سطح شهر و به طور پراکنده وارد کانال های جمع آوری فاضلاب می کردند. لذا با توجه به نوع و تعداد اینگونه موسسه ها ممکن است نوع فاضلاب در شهر تغییر کند. چنین فاضلابی را فاضلاب خانگی ناخالص نیز می نامند.
رنگ فاضلاب – رنگ فاضلاب خانگی نشان دهنده عمر آن است. فاضلاب تازه دارای رنگ خاکستری است. پس از مدتی که فاضلاب گندید و کهنه شد رنگ ان تیره و سیاه می گردد
انواع آلودگی های موجود در فاضلاب
بوی فاضلاب – بوی فاضلاب ناشی از گازهائی است که در اثر متلاشی مواد آلی بوجود می آید. بوی فاضلاب تازه قابل تحمل تر از فاضلاب کهنه است. بوی فاضلاب کهنه بیشتر ناشی از گاز هیدروژن سولفوره می باشد که در اثر فعالیت باکتری های بی هوازی و در نتیجه ی احیای سولفات ها به سولفیت ها تولید می گردد. در صورتی که به فاضلاب هوا و اکسیژن کافی برسد باکتری های بی هوازی از فعالیت باز ایستاده و بجای آنها باکتری های هوازی مواد آلی فاضلاب را تجزیه می کنند.
دمای فاضلاب:به علت اعمال زیستی درجه گرمای فاضلاب معمولاً بیشتر از درجه گرمای آب در همان محیط است درجه گرمای فاضلاب در سردترین روزهای زمستان غالبا از 10 درجه سانتیگراد کمتر نمی گردد و در روزهای معمولی درجه ی گرمائی در حدود 20 درجه سانتیگراددارد.
موجودات زنده در فاضلاب: فاضلاب موجودات زنده ی ذره بینی مانند ویروس ومیکروب به همراه دارد تنها قسمت کمی از این موجودات زنده ممکن است بیماری زا باشند از این گروه می توان باسیل حصبه، ویروس اسهال و وبا نام برد. تعداد موجودات زنده در یک سانتیمتر مکعب از فاضلاب شهری به یک تا چند میلیون عدد نیز می رسد .
درجه اسیدی: فاضلاب های خانگی خالص و تازه معمولاً حالتی خنثی و یا متمایل به قلیایی دارند. تنها در اثر ماندن و شروع عمل گندیدگی گازهای اسیدی ( هیدروژن سولفوره) تولید گردیده و درجه اسیدی فاضلاب کاهش یافته، خاصیت اسیدی پیدا می کند. هر چه درجه گرمایی محیط بیشتر باشد عمل گندیدن و تعفن زودتر رخ می دهد. در شرایط نسبتاً متعارفی عمل تعفن سه تا چهار ساعت پس از تولید فاضلاب شروع می شود.
مواد خارجی در فاضلاب: در فاضلاب همیشه مقداری مواد خارجی به صورت محلول و یا نامحلول و معلق وجود دارد. مقدار مواد خارجی فاضلاب در حدود 1- 1/0 درصد و بقیه ی آنرا آب تشکیل می دهد. حدود 70% از مواد خارجی موجود در فاضلاب، مواد آلی و بقیه مواد معدنی می باشند
اجزای مهم فاضلاب
شمایی از فرایند تصفیه فاضلاب لجن فعال متعارف
حوض ته نشینی دایروی
حوض ته نشینی مستطیلی
حوض ته نشینی مستطیلی
حوض ته نشینی دایروی
انواع راکتور: اختلاط کامل
اختلاط کامل
انواع راکتور: جریان لوله ای
تغلیظ لجن (بستر ثقلی)
آب گیری لجن
هاضم بیهوازی تخم مرغی لجن
فصل 3: تئوری های مربوط به انواع خوردگی
انواع خوردگی
خوردگی را می توان به روش های مختلف طبقه بندی نمود.
اساس طبقه بندی در این درس: ظاهر و شکل فلز خورده شده است
صرفا با مشاهده فلز خورده شده می توان نوع خوردگی را مشخص کرد.
اکثر اوقات تشخیص نوع خوردگی با چشم غیر مسلح قابل تشخیص است.
گاهی اوقات نیاز به ذره بین یا میکروسکوپ با بزرگنمایی کم برای تشخیص نوع خوردگی می باشد.
برای تشخیص خوردگی، مطالعه دقیق نمونه های خورده شده آزمایشی قبل از تمیز کردن نمونه ضروری است.
انواع خوردگی
8 نوع خوردگی وجود دارد:
خوردگی یکنواخت یا سرتاسری ( (Uniform attack
خوردگی گالوانیک یا دوفلزی (Galvanic or two metal Corrosion)
خوردگی شیاری (Crevice Corrosion)
حفره دار شدن (Pitting)
خوردگی بین دانه ای (Intergranular Corrosion)
جدایش انتخابی (Selective Leaching)
خوردگی سایشی (Erosion Corrosion)
خوردگی توام با تنش (Stress Corrosion)
انواع خوردگی
این طبقه بندی اختیاری است ولی ممکن است صد در صد کامل نباشد لکن تقریبا تمام انواع مشکلات و انهدام های ناشی از خوردگی را شامل می شود.
ترتیب گفته شده نشانه دهنده اهمیت انواع ذکرشده نیست.
خسارات هیدروژنی گرچه نوعی خوردگی محسوب نمی شود ولی چون به طور غیر مستقیم در اثر خوردگی واقع می شود در این بخش اورده می شود.
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت شایع ترین نوع خوردگی است.
معمولا در اثر یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی به طور یکنواخت در سرتاسر سطحی که با محلول خورنده قرار دارد مشخص می شود.
فلز نازک و نازک تر می شود و نهایتا از بین می رود یا تجهیزات مورد نظر منهدم می شود.
مثلا یک قطعه فولاد یا روی در داخل یک محلول رقیق اسید سولفوریک معمولا با سرعت یکنواختی در تمام نقاط قطعه فلز خورده می شود.
خوردگی یکنواخت یا سرتاسری از نظر وزن فلز خورده شده بیشترین وزن را دارد.
این نوع خوردگی از نظر فنی اهمیت چندانی ندارد.
با آزمایش ساده قراردادن فلز در محلول مربوطه می توان عمر تجهیزاتی که تحت این نوع خوردگی قرار می گیرد را می توان دقیقا تعیین کرد.
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت
زبری لوله – مشاهده توسط دوربین عکاسی
خوردگی یکنواخت
خوردگی یکنواخت را می توان به طرق زیر متوقف یا کم نمود:
انتخاب مواد و پوشش صحیح
بوسیله ممانعت کننده ها
با استفاده از حفاظت کاتدی
خوردگی یکنواخت
اکثر انواع دیگر خوردگی طبیعت پیچیده تری دارند و به سختی می توان آنها را پیش بینی نمود.
موضعی می باشند و محدود به نواحی خاص یا قطعات یا قسمت های معینی از ساختمان فلزی هستند.
باعث انهدام های غیرمنتظره یا زودرس تاسیسات فلزی می شوند.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
موقعی که دو فلز غیرهمجنس که در تماس الکتریکی با یکدیگر هستند در معرض یک محلول هادی یا خورنده قرار بگیرند اختلاف پتانسیل بین آن دو باعث برقراری جریان الکترون بین آنها می شود.
زمانی که این دو فلز در تماس الکتریکی با یکدیگر نباشند خوردگی فلزی که مقاومت خوردگی کمتری دارند بیشتر شده و بر عکس خوردگی فلز مقاوم تر تقلیل می یابد.
فلزی که مقاومت خوردگی کمتری دارد آندی شده و فلز مقاوم تر از نظر خوردگی کاتدی می شود.
معمولا کاتد یا فلز کاتدی یا خورده نمی شود یا اگر خورده شود مقدار خوردگی آن بسیار کم خواهد بود.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
به علت وجود جریان های الکتریکی بین فلزات غیرهمجنس این نوع خوردگی، خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی نامیده می شود.
این نوع خوردگی، خوردگی الکتروشیمیایی بوده لکن برای سهولت تشخیص اصطلاح دوفلزی یا گالوانیکی را به کار می بریم.
نیروی محرکه برای برقراری جریان ودر نتیجه خوردگی پتانسیلی است که بین این دو فلز وجود دارد.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
باطری خشک که در شکل نشان داده شده است مثال خوبی در این مورد است.
الکترود کربن به صورت یک فلز مقاوم در برابر خوردگی یا کاتد عمل می کند.
جداره الکترود کربنی که از روی ساخته شده است به صورت آند عمل می کند و خورده می شود.
خمیر بین الکترودها هادی الکتریسیته است و جریان الکتریکی را در داخل باطری هدایت می کند
از منیزیوم نیز می توان به صورت فلز آند یا جداره باطری استفاده نمود.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
نیروی الکتروموتوری ( (emfو سری گالوانیکی
اختلاف پتاسیل بین فلزات تحت شرایط غیرخورنده اساس تمایل خوردگی گالوانیکی می باشد.
پتانسیل بین فلز در تماس با محلول حاوی تقریبا یک اتم گرم یون فلز مربوطه در یک درجه حرارت ثابت به دقت اندازه گیری می شوند.
جدول اسلاید بعدی که جدول نیروی الکتروموتوری یا جدول emf نامیده می شود طرز قرار گرفتن فلزات مختلف را نسبت به هم نشان می دهد.
برای سادگی کلیه پتانسیل ها را نسبت به یک الکترود مرجع (H2/H+) که به طور دلخواه صفر فرض شده است را می سنجند.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
اختلاف پتانسیل بین الکترودهای مس و نقره 0.462 ولت است
اختلاف پتانسیل بین فلزات روی و مس 1.1 ولت است.
برای آلیاژهای دو یا چند فلزی استفاده از این جدول غیر ممکن است
بیشتر مواد فلزی در صنعت آب و فاضلاب به صورت آلیاژهای فلزی می باشند.
اتصال گالوانیکی مشتمل بر یک یا دو آلیاژ فلزی می باشد.
جدول اسلاید بعدی پیش بینی دقیق تری از روابط گالوانیکی می کند تا جدول emf
جدول اسلاید بعد بر اساس اندازه گیری های پتانسیل و آزمایش های خوردگی گالوانیکی در آب دریا می باشد که به وسیله شرکت اینکو INCO انجام شده است.
به خاطر اختلاف آزمایش ها فقط موقعیت نسبی آلیاژهای مختلف در این جدول آمده است و نه عدد دقیق پتانسیل الکتریکی آنها.
بین این دو جدول تشابه کاملا معنی داری مشاهده می شود.
آلیاژهایی که در کروشه ها جمع شده اند تا اندازه ای دارای ترکیب اصلی مشابه هستند.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
نمونه هایی از اثرات گالوانیکی:
لوله های آلومینیم در اتصال به لوله های برنجی به شدت خورده شدند.
تانک های آب گرم منازل ازجنس فولاد در تماس با لوله های مسی سوراخ می شوند.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
2. اثرات محیط
ماهیت و خورندگی محیط تا حدود خیلی زیادی بر شدت خوردگی گالوانیکی تاثیر می گذارد.
معمولا فلزی که مقاومت کمتری نسبت به محیط مورد نظر دارد آند می شود.
خوردگی گالوانیکی در هوا هم انجام می شود و شدت آن بستگی به نوع و میزان رطوبت موجود در هوا دارد.
مثلا خوردگی در تاسیسات کنار دریا بیشتر از شهرهای واقع در خشکی است.
حتی در رطوبت یکسان به دلیل وجود نمک در بخار سردشده در هوای کنار دریا خوردگی در شهرهای کنار دریا بیشتر است.
آزمایشات نشان می دهد که روی در تمام موارد نسبت به فولاد آند است.
آلومینیم شرایط متفاوتی داشته و در شرایط مختلف متغیر است.
نیکل همواره کاتد می باشد.
در شرایطی که فلزات کاملا خشک باشند خوردگی گالوانیکی اتفاق نخواهد افتاد زیرا الکترولیتی برای حمل جریان بین سطوح الکترودها وجود ندارد.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
3. اثر فاصله دو الکترود
خوردگی گالوانیکی معمولا در نزدیک محل اتصال دو فلز شدیدتر است و با دورشدن از این نقطه خوردگی نیز کم می شود.
فاصله ای که تحت تاثیر خوردگی قرار میگیرد بستگی به مقاومت محلول دارد.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
4. اثر سطح
یک فاکتور مهم دیگر در خوردگی گالوانیکی اثر سطح یا نسبت سطح کاتد به سطح آند می باشد.
نسبت سطحی نامناسب یعنی کاتد خیلی بزرگ و آند کوچک
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
سوال:
میخ پرچ های مسی در ورق های فولادی مستغرق در آب دریا زودتر خورده می شوند یا میخ پرچ های فولادی در صفحات مسی
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
5. جلوگیری
در صورت نیاز به استفاده از فلزات غیر همجنس حتی الامکان موقعیت انها در جدول گالوانیکی نزدیک به هم باشد.
از نسبت سطحی نامناسب یعنی آند کوچک و کاتد بزرگ بپرهیزید
عایق بندی فلزات با جنس مخالف
استفاده از پوشش ها روی نواحی آندی
برای کم کردن خوردگی محیط در صورت امکان از بازدارنده ها (inhibitors)استفاده کنید
درباره موادی که در جدول گالوانیکی دور از هم هستند از اتصالات پیچ و مهره ای استفاده نکنید
قسمت های آندی را طوری طراحی نمایید که براحتی قابل تعویض باشند یا انها را ضخیم تر انتخاب کنید تا عمر طولانی تری داشته باشند
به اتصال گالوانیکی فلز سومی که نسبت به دو فلز قبلی آند باشد متصل نمایید.
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
کاربردهای مفید
حفاظت کاتدی: عبارت است از حفاظت یک تاسیسات فلزی با کاتد ساختن آن در یک پیل گالوانیکی
فولاد گالوانیزه (پوشش روی): روی در برابر خوردگی مقاوم نیست.
در خراش ها و سوراخ های سطحی روی خورده خواهد شد و فولاد را محافظت خواهد نمود
حافظت کاتدی
یک روش الکتریکی برای پیشگیری از خوردگی فلزی است. این عامل فلز محافظ را وادار می نماید که به عنوان یک کاتد عمل نموده و از اینرو آزادی الکترون ها را متوقف نماید. روش های اصلی استفاده از حفاظت کاتدی عبارتند از:
استفاده های از الکترودهایی (چدن با سیلیکون بالا یا گرافیت) متصل به یک منبع برق بیرونی که آنها را وادار نماید که به عنوان آند عمل نماید،
استفاده از منیزیوم یا روی به عنوان آند که تولید یک واکنش گالوانیک با مواد لوله می نماید. در صورتی که فعال تر از آهن باشند خورده می شوند و از اینرو لوله محافظت می گردد.
حفاظت کاتدی گران است؛ این روش مستلزم کنترل و تعویض بعد از گذشت مدت زمان معینی است. بعلاوه این روش تاثیر اندکی در مواضعی که خوردگی قبلا شروع شده است دارد ( مثل حفره ها، ترک ها و غیره).
خوردگی گالوانیکی یا دوفلزی
خوردگی محافظت کاتدیک
خوردگی محافظت کاتدیک
خوردگی محافظت کاتدیک
خوردگی محافظت کاتدیک
خوردگی شیاری
اکثرا در شیارها و نواحی دیگری روی سطح فلز که حالت ساکن دارند و در معرض محیط خورنده قرار دارند خوردگی موضعی شدیدی واقع می شود.
این نوع خوردگی با حجم های کوچک مایعات یا محلول ها در محل سوراخ ها یا شیارهای زیر پیچ ، مهره ها و میخ پرچ ها تجمع یافته اند همراه است.
به این نوع خوردگی، خوردگی لکه ای یا واشری هم گفته می شود.
خوردگی شیاری
فاکتورهای محیطی
عوامل باعث بروز خوردگی شیاری:
شن و ماسه
لجن
سایر مواد جامد
در اسلاید بعدی خوردگی شیاری یک کویل حرارتی از نقره خالص بعد از فقط چند ساعت کار نشان داده شده است.
علت آن وجود رسوبات روی سطح خارجی کویل می باشد.
جداره داخلی تانک با روکش نقره اثری از خوردگی ندارد زیرا رسوبی نداشته است.
خوردگی شیاری
خوردگی شیاری
تماس بین فلز و غیرفلز می تواند باعث ایجاد خوردگی شیاری گردد.
مثال هایی از این نوع مصالح:
چوب
پلاستیک
لاستیک
شیشه
بتون
آزبست
خوردگی شیاری
مثال خوردگی شیاری
یک ورقه فولادی را فقط با نصب یک واشر پلاستیکی به دور آن می توان از وسط به دونیم کرد
برای عمل کردن به عنوان یک محل خوردگی:
شیار باید به اندازه کافی باز باشد تا مایع وارد آن شود
شیار باید آنقدر باریک باشد که محلول در آن ساکن گردد
مکانیزم خوردگی شیاری
تا همین اواخر خوردگی شیاری را در اثر اختلاف غلظت یون با اکسیژن داخل شیار و محیط اطرافش می دانستند (خوردگی پیل غلظتی می نامیدند).
مطالعات جدیدتر نشان داده است که اگر چه علت فوق در خوردگی شیاری تاثیرگذار است ولی علت اصلی و اساسی نیست
مکانیزم خوردگی شیاری
یک اتصال پرچ شده از فلز M (مثلا آهن یا فولاد) را در آب دریا در نظر بگیرید ((pH=7
واکنش کلی مشتمل بر انحلال فلز M و احیای اکسیژن به یون های هیدروکسیل می باشد یعنی:
M M+ + e- معادله 1-2 اکسیداسیون
O2+2H2O +4e- 4OH- معادله 2-2 احیاء
مکانیزم خوردگی شیاری
ابتدا این واکنش ها به طور یکنواخت روی تمام سطح واقع می شوند از جمله داخل شیار.
اصل بقای بار الکتریکی در فلز و در داخل محلول برقرار است
هر الکترونی که در اثر تشکیل یون فلز بوجود می آید به سرعت بوسیله واکنش احیای اکسیژن مصرف می شود
همچنین به ازای هر یون فلز در محلول یک یون هیدروکسیل بوجود می آید.
بعد از یک زمان کوتاه اکسیژن داخل شیار تمام می شود ( به علت ساکن بودن محلول در شیار و عدم دسترسی آن به کل محلول یا عدم جابجایی محلول در داخل شیار) لذا دیگر در این ناحیه احیای اکسیژن صورت نمی گیرد.
مکانیزم خوردگی شیاری
بعد از تمام شدن اکسیژن در داخل شیار احیای اکسیژن صورت نمی گیرد، در حالی که حل شدن فلز M در داخل شیار همچنان ادامه دارد (شکل 10-3)
بنابراین تجمعی از بارهای مثبت (M+) در محلول داخل شیار بوجود می آید که لزوما با مهاجرت یون های منفی کلر محلول به داخل شیار بایستی خنثی می گردد ( سرعت انتقال یون های کلر نسبت به یون های هیدروکسیل به داخل شیار بسیار بیشتر است)
M+Cl- + H2O MOH + H+Cl- معادله 3-2
مکانیزم خوردگی شیاری
معادله 3-2 نشان می دهد که محلول آبی کلرورهای فلزات در آب تجزیه شده، هیدروکسید نامحلول و اسید آزاد بوجود می آید.
یون کلر و یون هیدروژن سرعت خوردگی اکثر فلزات و آلیاژها را افزایش می دهند (معدله 1-2)
این یون ها در داخل شیارها وجود دارند و با توجه به شکل 10-3 باعث افزایش سرعت حل شدن فلز M می گردد.
افزایش سرعت حل شدن باعث افزایش مهاجرت یون ها می گردد و در نتیجه یک فرایند شتاب گیرنده (rapidly accelering) یا یک واکنش اتوکاتالتیک بوجود خواهد آمد.
مکانیزم خوردگی شیاری
غلظت یون کلر در محلول داخل شیارهایی که در معرض محلول های رقیق نمک طعام با pH خنثی قرار گرفته اند 3 تا 10 برابر غلظت محلول اصلی و دارایpH 2 تا 3 بوده اند.
با افزایش خوردگی در شیار، سرعت احیای اکسیژن در سطوح مجاور همانگونه که در شکل 10-3 نشان داده شده است افزایش می یابد.
به همین دلیل سطوح مجاور شیار به طریق کاتدی حفاظت می شود. به همین دلیل در مرحله خوردگی شیاری، خوردگی در شیار متمرکز است و سطوح اطراف شیار یا اصلا خورده نمی شود و یا خیلی کم خورده می شود.
مکانیزم خوردگی شیاری
مکانیزم ذکرشده با ویژگی های اکثر خوردگی های شیاری تطابق دارد و در اکثر محیط ها اتفاق می افتد.
در محیط های دارای کلرور بسیار شدیدتر است.
خوردگی شیاری معمولا بعد از یک دوره نسبتا طولانی 6 ماهه تا یکساله شروع می شود ولی بعد از شروع بسیار سریع خواهد بود.
مقاومت در برابر خوردگی شیاری
بهترین مقاومت در برابر خوردگی شیاری در مورد یک فلز فعال – غیر فعال با شرایط زیر بدست می آید:
منطقه انتقال فعال به غیر فعال باریک
دانسیته جریان بحرانی کوچک
منطقه غیرفعال وسیع
تیتانیم دارای این خصوصیات می باشد. همچنین آلیاژهای پر نیکل مثل هاستولی C
مکانیزم خوردگی شیاری
فولاد زنگ نزن نوع 430 با دانسیته جریان بحرانی بالا، منطقه وسیع انتقال فعال به غیر فعالف و منطقه غیر فعال محدود، شدیدا برای خوردگی شیاری مستعد است.
پهنای دهانه شیار نیز متغیر مهمی است
تمام فلزات و آلیاژها برای خوردگی شیاری مستعد هستند مشروط بر اینکه دهانه شیار به اندازه کافی باریک باشد (مثلا یک میکرون یا کمتر)
مقدار پهنای دهانه برای یک آلیاژ می تواند مبنایی برای تخمین مقاومت احتمالی ان در برابر خوردگی شیاری است.
مبارزه با خوردگی شیاری
روش های مبارزه با خوردگی شیاری یا کاهش آن:
استفاده از جوشکاری به جای پرچکاری یا پیچ و مهره
جوش ها باید سالم و بی عیب باشند
نفوذ کامل مذاب به داخل درز جوش صورت گیرد تا از بوجود امدن حفره و شیار در طرف دیگر خط جوش جلوگیری گردد.
پوشاندن شیارها در محل جوشکاری با کالک کردن یا لحیم کاری
طراحی مخازن و تانک ها به قسمی که در هنگام تخلیه کامل هیچ مایعی در داخل آن باقی نماند
احتراز از استفاده از گوشه های تیز و نواحی مرده و ساکن
تخلیه کامل، شستشو و نظافت را تسهیل می بخشد و از ته نشینی جامدات و تجمع آنها در کف مخزن جلوگیری می کند
بازرسی منظم تجهیزات و رسوب زدایی از آنها
مبارزه با خوردگی شیاری
5. از بین بردن زایدات جامد در فرایندهای تولید در کارخانه
6. در مواقع بیکاری کارخانه مواد جاذب رطوبت را باید حذف نمود.
7. زیرسازی و خاک ریزی یکنواخت لوله های آب یا فاضلاب
8.استفاده از واشرهایی که جاذب رطوبت نیستند مثل تفلون
9. استفاده از جوشکاری به جای پیچ و مهره کردن یا فلنج کردن لوله ها در محل اتصال
خوردگی رشته ای (فیلامنتی)
خوردگی فیلامنتی یک نوع خاص از خوردگی شیاری است، اگرچه ظاهرا به ان شباهتی ندارد.
غالبا در زیر پوشش های محافظ سطحی اتفاق می افتد به همین دلیل آن را غالبا خوردگی زیر پوششی می نامند.
متداول ترین مثال خوردگی سطوح لعابدار ظروف غذا یی که در معرض هوا قرار دارند می باشد.
فیلامنت هایی به رنگ قرمز مایل به قهوه ای نشان دهنده خوردگی از این نوع می باشد.
خوردگی فیلامنتی روی سطوح فولادی، منیزیم و آلومینیم که با قلع، نقره، طلا پوشش داده شده اند مشاهده شده است.
خوردگی فیلامنتی
خوردگی فیلامنتی یک نوع خاص از خوردگی است زیرا باعث تضعیف یا از بین رفتن جسم نمی شود بلکه فقط به ظاهر جسم لطمه می زند.
این نوع خوردگی مشکل خاص قوطی های به کار رفته در صنایع غذایی می باشد.
اگرچه خوردگی روی سطح بیرونی یک قوطی کنسرو بر محتویات داخلی آن بی تاثیر است ولی بر روی فروش محصول بسیار تاثیرگذار است.
خوردگی فیلامنتی
فاکتورهای محیطی موثر بر خوردگی فیلامنتی:
رطوبت نسبی: مهمترین فاکتور است. در رطوبت بین 65 تا 90 درصد حادث می شود. در رطوبت زیر 65 درصد اتفاق نمی افتد ودر رطوبت بیش از 90 درصد به صورت تاول هایی واقع می شود.
بین ساختمان متالورژیکی فلزات و خوردگی فیلامنتی رابطه کمی وجود دارد یا اصلا رابطه ای وجود ندارد.
فعالیت های میکروبیولوژیکی بر این نوع خوردگی بی تاثیر است.
خوردگی فیلامنتی
جلوگیری:
برای جلوگیری از خوردگی فیلامنتی راه کاملا مناسبی وجود ندارد ولی یک راه نسبتا منطقی اجتناب از قرار دادن سطوح فلزی پوشش داده شده در محیط های مرطوب می باشد.
استفاده از پوشش های ترد و شکننده: در این حالت اگر خوردگی فیلامنتی شروع شود فیلامنت در محل سر فعال پوشش ترک می خورد. با نفوذ اکسیژن به سر فعال ، اختلاف غلظت اکسیژن که عامل اولیه خوردگی است از بین می رود و خوردگی متوقف می شود. البته باز فیلامنت های خوردگی در گوشه ها و لبه ها شروع می شوند. به همین دلیل در محل پارگی پوشش ترد، یک فیلامنت جدید شروع می شود. اگر چه پوشش های ترد مانع پیشروی خوردگی فیلامنتی می شوند ولی مزیت چندانی ندارند.
تکنولوژی پوشش های جدید با قابلیت نفوذپذیری کم آب در جلوگیری از خوردگی فیلامنتی امیدوارکننده است.
خوردگی حفره ای
خوردگی حفره ای نوعی خوردگی شدیدا موضعی است که باعث سوراخ شدن فلز می شود.
این سوراخ ها ممکن است دارای قطرهای متفاوت باشند ولی در اکثر موارد قطر آنها کم است.
حفره ها غالبا از هم مجزا می باشند ولی گاهی آنقدر نزدیک به هم هستند که باعث ایجاد سطح زبری می شوند.
معمولا در حالتی که قطر محل خورده شده مساوی یا کمتر از عمق آن باشد خوردگی ایجاد شده را خوردگی حفره ای می نامند.
خوردگی حفره ای یکی از مخرب ترین انواع خوردگی می باشد. و در اثر سوراخ شدن تجهیزات و قطعات فلزی باعثبلا استفاده شدن آنها می گردد.
خوردگی حفره ای
حفره ها به ندرت قابل رویت هستند زیرا اندازه آنها بسیار کوچک است و اغلب بوسیله محصولات حاصل از خوردگی پوشیده می شوند.
به دلیل یکسان نبودن حفره های بوجود آمده روی سطوح فلزی خوردگی حفره ای را به ندرت می توان اندازه گیری نمود و مقایسه نمود.
خوردگی حفره ای به چند ماه یا یکسال زمان برای پدیدارشدن خسارات واقع شده نیاز دارند.
خوردگی حفره ای
شکل حفره و رشد آن
شکل 14-3 مثالی از حفره دار شدن فولاد زنگ نزن بوسیله اسید سولفوریک حاوی کلرورفریک می باشد
حفره ها کاملا واضح بوده و قسمت اعظم سطح فلز اصلا خورده نشده است.
این خوردگی با تشدید پارامترهای موثر در آزمایشگاه ظرف چند روز ایجاد شده است.
در شرایط معمولی خوردگی حفره ای ممکن است ماه ها یا سال ها طول بکشد تا در نهایت فلز را سوراخ نماید
شکل 15-3 یک لوله مسی آب اشامیدنی را نشان می دهد که ظرف چند سال سوراخ شده است.
خوردگی حفره ای
حفره ها معمولا در جهت نیروی جاذبه رشد می کنند.
اکثر حفره ها روی سطوح افقی بوجود امده و به پایین رشد می کنند.
تعداد کمی روی سطوح عمودی تشکیل می گردند و به ندرت حفره ها روی سطوحی که در بالای محیط خورنده قرار دارند رشد می کنند.
دوره شروع initiation خوردگی حفره ای معمولا بین ماه ها تا سال ها طول می کشد.
به محض شروع حفره ها با سرعت فزاینده ای به داخل نفوذ می کنند
حفره ها تمایل به خالی کردن زیر سطح فلز دارند که در شکل 16-3 نشان داده شده است.
خوردگی حفره ای
حفره دار شدن را می توان حد فاصل بین خوردگی یکنواخت و مقاومت کامل در برابر خوردگی دانست. شکل 17-3
سه نمونه کاملا مشابه از فولاد زنگ نزن را در داخل محلول کلرور فریک و افزودن غلظت یا درجه حرارت به سهولت می توان این حالات را به ترتیب از چپ به راست بدست آورد:
حالت A : محلول کلرور فریک سرد و رقیق (در زمان کوتاه)
حالت B: خوردگی حفره ای شدید
حالت C : کلرور فریک غلیظ و داغ
خوردگی حفره ای
جلوگیری از خوردگی حفره ای:
روش های به کار رفته برای جلوگیری از خوردگی شیاری برای خوردگی حفره ای هم صادق است.
فلزاتی که تمایل به خوردگی حفره ای دارند را نباید به عنوان یک فلز ساختمانی یا تجهیزات به کار برد.
بعضی از فلزات در برابر خوردگی حفره ای مقاوم تر از سایر فلزات هستند مثلا با افزودن 2 درصد مولیبدن به فولاد زنگ نزن (نوع304 ) فولادی حاصل می شود (نوع 316) که در برابر خوردگی حفره ای بسیار مقاوم تر است.
این دو آلیاژ آنقدر با هم متفاوت هستند که اولی برای استفاده در آب دریا توصیه نمی شود ولی دومی را گاهی اوقات برای استفاده در آب دریا توصیه می کنند
خوردگی بین دانه ای
خوردگی موضعی و متمرکز در مرز دانه ها یا نواحی نزدیک به آنها در حالی که خود دانه ها یا اصلا خورده نشده اند یا کم خورده شده اند را خوردگی بین دانه ای می گویند.آلیاژ پودر می شود (دانه ها یا کریستال ها جدا می شوند) و یا استحکام خود را از دست می دهند.
خوردگی مرز دانه ای بوسیله ناخالصی های موجود در مرز دانه ها، غنی شدن یا فقیرشدن مرز دانه ها نسبت به یک عنصر آلیاژی در این نواحی واقع می شود.
مقادیر کم آهن در آلومینیم که قابلیت انحلال کمی برای آهن دارد به مرز دانه ها رفته و باعث خوردگی بین دانه ای می شود.
جدایش انتخابی
جدایش انتخابی عبارت از جداشدن یکی از عناصر آلیاژی از آلیاژ جامد در فرایند خوردگی می باشد.
جداشدن آلیاژ روی از آلیاژهای برنج می باشد.
جدایی عناصر دیگر مثل آلومینیم، آهن، کبالت، کرم و غیره می باشد.
جدایش Parting یک اصطلاح متالورژیکی است که گاهی به کار می رود ولی جدایش انتخابی Selective leaching ترجیح داده می شود.
خوردگی سایشی
خوردگی سایشی Erosion Corrosion عبارتست از سرعت یافتن یا افزایش سرعت خوردگی یا از بین رفتن یک فلز در اثر حرکت نسبی بین یک مایع خورنده و سطح فلز.
خوردگی سایشی دارای ظاهری شیاردار ، موجی شکل، سوراخ های کروی شکل و ناهموار می باشد و معمولا این اشکال در جهت خاصی قرار گرفته اند.
شکل 38-3 ظاهر موجی شکل خوردگی سایشی را نشان می دهد. این پروانه پمپ بعد از 3 هفته کار به این صورت درآمده است.
خوردگی سایشی
شکل 39-3 نشان دهنده خوردگی سایشی لوله مبدل حرارتی حاوی آب به طور شماتیکی می باشد.
در اکثر مواقع انهدام های ناشی از خوردگی سایشی در مدت زمان های کوتاه و غیر منتظره اتفاق می افتد چرا که آزمایش های خوردگی در شرایط ساکن انجام شده است.
اکثر فلزات و آلیاژها مستعد خوردگی سایشی هستند.
در بسیاری از آنها مقاومت در برابر خوردگی بستگی به نوع پوسته سطحی دارد.
مثال هایی از پوسته سطحی عبارتند از : آلومینیم، سرب و فولاد زنگ نزن
خوردگی سایشی
در زمان آسیب دیدگی این پوسته محافظ سطحی خوردگی سایشی اتفاق می افتد و در نتیجه فلز یا آلیاژ با سرعت بالایی خورده می شوند.
فلزاتی که سختی پایینی دارند به سهولت آسیب می بینند یا به طریق مکانیکی زود سائیده می شوند مثل مس و سرب که بسیار مستعد خوردگی سایشی هستند.
تعداد زیادی از محیط های خورنده می توانند باعث خوردگی سایشی گردند.
گازها
محلول های ابی
سیستم های مایع
فلزات مذاب
خوردگی سایشی
کلیه تجهیزاتی که در تماس با مایعات متحرک می باشند در معرض خوردگی سایشی قرار دارند.
سیستم های لوله کشی (زانو، پیچ ها، سه راهی، شیرها) پمپ های دمنده
سانتریفیوژها
پره ها
همزن ها
لوله های مبدل حرارتی مثل بویلرها و کندانسورها
پره های توربین
دوش ها
خوردگی سایشی
پوسته های سطحی
ماهیت و خواص پوسته های محافظ سطحی که روی بعضی فلزات و آلیاژها تشکیل می گردد از نظر مقاومت در برابر خوردگی بسیار اهمیت دارند.
توانایی این پوسته ها برای حفاظت فلز بستگی دارد به:
سرعت یا سهولت تشکیل آنها در مراحل اولیه
تماس با محیط خورنده
مقاومت در برابر خسارت مکانیکی یا سایش
سرعت تشکیل مجدد در صورت صدمه دیدن یا از بین رفتن
خوردگی سایشی
پوسته سطحی که سخت، متراکم، چسبنده و پیوسته باشد نسبت به حالتی که پوسته به سهولت سائیده یا کنده شود حفاظت بیشتری بوجود خواهد آورد.
اگر پوسته ترد باشد و تحت تنش ترک بخورد و خرد شود دیگر محافظ نخواهد بود.
در بعضی اوقات ماهیت پوسته محافظ بستگی به محیط خورنده ای که فلز در آن قرار دارد خواهد داشت و این عامل تعیین کننده مقاومت خوردگی سایشی در آن محیط می باشد.
خوردگی سایشی
تغییرات سرعت خوردگی فولاد بوسیله آب ساکن در pH های مختلف به خاطر ماهیت و ترکیب پوسته های سطحی می باشد که بوجود می آیند. در شکل 42-3 اثر pH آب مقطر در 50 درجه سانتیگراد بر خوردگی سایشی فولاد کربنی نشان داده شده است.
سرعت خوردگی در pH های 6، 10 پایین است و در pH های 8 و کمتر از 6 سرعت خوردگی بالاست.
پوسته روی نمونه هایی که سرعت خوردگی زیادی از خود نشان داده اند دانه ای بوده که از Fe3O4 تشکیل شده بود.
در pH های کمتر از 5 پوسته ترک می خورد که احتمالا در اثر تنش های داخلی بوده و فلز در معرض محیط قرار می گیرد.
در نواحی که سرعت خوردگی پایین است محصولات خوردگی Fe(OH)2, Fe(OH)3 بوده که محافظ تر می باشند زیرا از انتقال اکسیژن و یون ها جلوگیری نموده اند.
سرعت خوردگی
بهترین روش برای بیان سرعت خوردگی ضخامت از دست رفته بر حسب هزارم اینچ در سال (mpy) می باشد که در این درس مورد استفاده قرار می گیرد.
با داشتن کاهش وزن نمونه در آزمایش خوردگی بوسیله رابطه زیر می توان mpy را محاسبه نمود
mpy= 534W
DAT
W= کاهش وزن ، میلی گرم
D= دانسیته نمونه، گرم بر سانتیمتر مکعب
A= سطح نمونه، به اینچ مربع
T= زمان آزمایش، ساعت
خوردگی سایشی
سرعت حرکت
سرعت حرکت در خوردگی سایشی رل مهمی بر عهده دارد.
سرعت به شدت بر مکانیزم واکنشهای خوردگی تاثیر می گذارد.
سرعت بالا باعث سایش مکانیکی می شود.
شکل های اسلاید بعدی نشان دهنده افزایش شدید سرعت خوردگی در اثر سرعت حرکت می باشد.
خوردگی سایشی
در جدول اسلاید بعدی اثر سرعت حرکت بر خوردگی بعضی فلزات و آلیاژها در آب دریا نشان داده شده است.
این جدول نشان می دهد که اثر سرعت بین صفر تا مقادیر بالایی متغیر است
افزایش سرعت معمولا باعث افزایش خوردگی می شود.
اثر سرعت ممکن است تا رسیدن به سرعت بحرانی صفر باشد یا خیلی کم باشد اما به مجرد رسیدن به سرعت بحرانی به شدت افزایش می یابد.
مطابق جدول افزایش سرعت از 1 تا 4 فوت بر ثانیه (0.33 تا 1.32 متر بر ثانیه) تاثیر کمی بر روی خوردگی داشته ولی در سرعت 27 فوت برثانیه خوردگی شدیدی بوجود امده است.
خوردگی سایشی
خوردگی سایشی می تواند روی فلزات و آلیاژهایی واقع شود که در سرعت های کم در محیط مورد نظر کاملا مقاوم بوده اند.
مثلا اجزای شیرآلات فولادی
می تواند باعث افزایش سرعت خوردگی فولاد با رساندن بیشتر اکسیژن، دی اکسید کربن یا سولفید هیدروژن به سطح فلز گردد.
خوردگی سایشی
تلاطم یا توربولانس
اکثر انهدام های ناشی از خوردگی سایشی در اثر توربولانس یا جریان توربولانت می باشد.
توربولانس باعث بهم زدن و تلاطم بیشتر مایع روی سطح فلز نسبت به جریان لامینار می شود (خطوط جریان مستقیم).
توربولانس باعث تماس بیشتر بین محیط و فلز گردیده و در نتیجه عامل افزاینده ای در خوردگی سایشی می تواند باشد.
متداول ترین مثال در این مورد انهدام لوله های کندانسورها و مبدل های حرارتی در مدخل ورودی لوله هاست.
این نوع خوردگی را خوردگی مدخل ورودی inlet end corrosion می نامند.
این نوع خوردگی معمولا در چند سانتیمتر اول لوله در قسمتی که مایع وارد لوله می شود متمرکزاست. در این چند سانتیمتر اول توربولانس وجود دارد زیرا مایع باید از یک محفظه بزرگتر (کلاهک مبدل) به داخل لوله هایی با قطر کوچک جریان می یابد.
خوردگی سایشی
بعد از اینکه جریان مایع مسافت کوتاهی در داخل لوله پیمود جریان لامینار می شود.
نوع جریان به سرعت و مقدار مایع و همچنین به شکل هندسی و نوع طراحی بستگی دارد.
علاوه بر سرعت، لبه های تیز، شیارها، رسوبات، تغییر سریع سطح مقطع، و موانع دیگر که جریان لامینار را مختل نمایند ممکن است باعث خوردگی سایشی گردد.
پره ها اجزایی هستند که تحت شرایط توربولانت کار می کنند.
خوردگی سایشی
برخورد Impingment
بیشتر انهدام ها ناشی از برخورد مایع با سطح فلز می گردد.
شکل اسلاید بعد مثالی از این نوع خوردگی می باشد.
قسمت های عمودی و افقی لوله نسبتا بدون تاثیر مانده ولی در محل تغییرجهت مایع فلز کاملا از بین رفته است.
مثال های دیگر
پره های توربین بخار (به ویژه در قسمت های خروجی و مرطوب)
زانوها
تی ها
اجزای خارجی هواپیما
سیکلون ها
خوردگی سایشی
جامدات معلق و گاهی اوقات حباب های گاز در مایع، اثر برخوردی را افزایش دهند.
حباب های هوا فاکتور مهمی در تسریع خوردگی برخوردی هستند.
شکل اسلاید بعدی خوردگی سایشی شدیدی را نشان می دهد که در اثر برخورد در کمتر از یک سال کار بوجود امده است.
این قطعه یک شیر است که در تماس با کاتالیزور نفت (یا روغن) در 900 درجه فارنهایت در یک پالایشگاه قرار داشته است.
خوردگی سایشی
خوردگی گالوانیک
خوردگی گالوانیک یا دوفلزی می تواند بر خوردگی سایشی دو فلز همجنس متصل بهم در یک سیستم متحرک تاثیر بگذارد.
تاثیر گالوانیکی تحت شرایط ساکن ممکن است صفر باشد ولی در اثر حرکت می تواند به شدت افزایش یابد.
شکل اسلاید بعد نشان می دهد که خوردگی فولاد زنگ نزن در اسید سولفوریک با سرعت حرکت بالا موقعی که تنهایی در آن قرار دارد صفراست و موقعی که به سرب متصل است سرعت خوردگی آن به شدت افزایش یافته است.
خوردگی سایشی
نوع فلز یا آلیاژ
مقاومت فلزات و آلیاژها در برابر خوردگی سایشی بستگی دارد به:
ترکیب شیمیایی
مقاومت در برابر خوردگی
سختی
ویژگی های متالورژیکی
خوردگی سایشی
مقاومت خوردگی فلزات و آلیاژها عمدتا بوسیله ترکیب شیمیایی تعیین می گردد.
چنانچه فلز فعال باشد، یا آلیاژی که از عناصر فعال تشکیل شده باشد مقاومت خوردگی آن عمدتا بستگی به توانایی تشکیل و نگهداری پوسته محافظ دارد
اگر فلز نجیب تری باشد دارای مقاومت ذاتی خوبی می باشد.
چنانچه کلیه فاکتورهای دیگر مساوی باشند فلزی که دارای مقاومت ذاتی بیشتری است در برابر خوردگی سایشی مقاوم تر خواهد بود
مثلا آلیاژ 80 درصد نیکل و 20درصد کرم مقاوم تر از آلیاژ 80 درصد آهن و 20 درصد کرم است زیرا نیکل دارای مقاومت ذاتی بیشتری نسبت به آهن می باشد. به همین دلیل آلیاژ نیکل – مس مقاوم تر از آلیاژ روی – مس است.
خوردگی سایشی
افزودن عنصر سوم به آلیاژ اغلب مقاومت آنرا در برابر خوردگی سایشی افزایش می دهد.
افزودن آهن به مس و نیکل باعث افزایش شدید مقاومت در برابر خوردگی در آب دریا می شود.
فلزات نرم از نظر خوردگی سایشی ضعیف ترند زیرا مقاومت سایشی مکانیکی آنها پایین تر است.
سختی Hardness معیار نسبتا خوبی از نظر خوردگی سایشی مکانیکی است.
خوردگی سایشی
روش های مبارزه با خوردگی سایشی
کاربرد موادی با مقاومت بهتر از نظر خوردگی سایشی
طراحی
تغییرات در محیط خورنده
کاربرد پوشش ها
حفاظت کاتدی
خوردگی سایشی
مواد بهتر
اقتصادی ترین راه حل برای اکثر خوردگی هاست
طراحی
فلز مورد استفاده را از نظر هندسی طوری می توان طراحی نمود که کمتر در معرض خوردگی سایشی باشد.
افزایش قطر لوله باعث تقلیل سرعت و همچنین لامینارتر شدن شدت جریان می شود که از نظر مکانیکی مفید است
افزایش شعاع زانوها اثر برخوردی را کم می کند
افزایش ضخامت ماده در نقاط حساس باعث تقویت آن نواحی می گردد.
طراحی اجزایی مانند مدخل های ورودی و خروجی باید به گونه ای باشد که موانعی سر راه نباشد
طراحی صفحات در معرض خوردگی به قسمی که به راحتی قابل تعویض باشند.
استفاده از پمپ هایی که قطعات آنها را بتوان از آلیاژهای مختلف جایگزین نمود.
خوردگی سایشی
تغییر محیط
حذف جامدات معلق یا ته نشین کردن و فیلتر کردن
کاهش درجه حرارت محیط در صورت امکان (در خوردگی سایشی مانند بقیه انواع خوردگی، حرارت بدترین دشمن ماست).
خوردگی سایشی
کاربرد پوشش
استفاده از پوشش های سخت یا زره ها یا روکش های قابل تعویض (مشروط بر اینکه از موادی ساخته شده باشند که در برابر خوردگی سایشی مقاوم باشند).
تعمیر نواحی خورده شده
جوشکاری نواحی خورده شده
خوردگی سایشی
حفاظت کاتدی
در مورد خوردگی سایشی در عین حال که مفید است هنوز چندان متداول نیست.
خوردگی سایشی
خسارت حبابی Cavitiation Damage
خسارت حبابی شکل خاصی از خوردگی سایشی است که در اثر تشکیل حباب های بخار و هوا و ترکیدن آنها روی سطح فلز بوجود می آید.
خسارت حبابی در توربین های هیدرولیکی، پروانه کشتی ها، پروانه پمپ ها، و سطوح دیگر فلزی که در تماس با مایعات متحرک قرار دارند و در آنها بر اثر سرعت زیاد سیال تغییرات فشار وجود دارد مشاهده می شود.
خوردگی سایشی
کاویتاسیون
با کاهش فشار روی یک مایع مثل آب حتی در دمای محیط به جوش می آید.
یک سیلندر پر از اب را که دارای پیستون است را در نظر بگیرید. با بالارفتن پیستون فشار روی آب کم می شود و آب به بخار تبدیل می شود، با پایین امدن پیستون فشار افزایش می یابد و ذرات بخار تبدیل به آب می شود یا می ترکند و فشار ایجاد شده باعث وارد اوردن خسارت می شود. این اتفاق در پمپ های اب به کرات مشاهده می گردد.
ظاهر خسارت حبابی شبیه به خوردگی حفره ای است.
خسارت حبابی ناشی از تاثیر همزمان خوردگی و تنش های مکانیکی است.
خوردگی سایشی
مکانیزم خسارت حبابی در شکل اسلاید بعد نشان داده شده است:
روی پوسته محافظ یک حباب تشکیل می شود
حباب ترکیده و پوسته را از بین می برد
سطح جدید فلز در معرض محیط خورنده قرار می گیرد و پوسته محافظ مجددا تشکیل می گردد
در همان محل یک حباب دیگر تشکیل می گردد
حباب ترکیده و پوسته را از بین می برد
سطح جدید فلز در معرض محیط خورنده قرار می گیرد و پوسته محافظ تشکیل می گردد
تکرار این عمل منجر به ایجاد حفره های عمیق می شود و خوردگی افزایش می یابد.
خوردگی سایشی
شکل اسلاید قبلی نشان می دهد که برای ایجاد خسارت حبابی وجود پوسته های سطحی محافظ کاملا ضروری نیست زیرا حباب های منفجرشده دارای قدرت کافی برای کندن ذرات فلزی از روی سطح می باشند
هر چه سطح ناهموارتر باشد برای این نوع خسارت مناسب تر می باشد.
خسارت حبابی نتیجه عوامل شیمیایی و مکانیکی است.
خوردگی سایشی
به طور کلی خسارت حبابی را می توان به شیوه های ذکرشده در جلوگیری از خوردگی سایشی به حداقل رساند.
تغییر طراحی به منظور به حداقل رساندن اختلاف فشار هیدرودینامیکی در مسیر جریان
استفاده از آلیاژهای مقاوم تر
سطح صاف پره ها خسارت حبابی را کم می کند زیرا سطوح صاف برای ایجاد حباب ها نامناسب تر می باشد
روکش کردن سطوح با مواد نرم مثل پلاستیک
حفاظت کاتدی
خوردگی سایشی
خوردگی فرسایشی
این نوع خوردگی در محل های تماس بین دو فلز که تحت بار هستند و در معرض ارتعاش و لغزش قرار دارند ایجاد می شود.
خوردگی فرسایشی به صورت حفره ها یا شیارهایی ظاهر می شوند
خوردگی فرسایشی در اجزای موتورها، قطعات اتومبیل ها، اجزایی که به یکدیگر پیچ شده اند، و ماشین آلات دیگر مشاهده می شوند.
این نوع خوردگی حالت خاصی از خوردگی سایشی است که در تماس با اتمسفر اتفاق می افتد.
مثال کلاسیک خوردگی فرسایشی در صفحات فولادی است که بوسیله پیچ و مهره برای نگهداری ریل های راه آهن به کار می رود.
خوردگی سایشی
برای اینکه خوردگی فرسایشی اتفاق بیافتد باید این شرایط مهیا گردد:
محل تماس تحت بار باشد
ارتعاش یا حرکت نسبی بین دو سطح مکررا صورت گیرد
بار و حرکت نسبی در فصل مشترک باید برای تولید لغزش یا تغییر شکل روی سطوح کافی باشد.
حرکت نسبی لازم برای تولید خوردگی فرسایشی بسیار کم است، تغییر مکان در حد 10 سانتیمتر می تواند باعث خوردگی فرسایشی گردد.
خوردگی سایشی
جلوگیری از خوردگی فرسایشی:
استفاده از روغن با ویسکوزیته کم و چسبندگی زیاد و گریس
روغن اکسیژن را خارج می کند
اصطکاک بین سطوح را کاهش می دهد
افزایش سختی فلزات در تماس با هم
استفاده از واشر برای کم کردن ارتعاشات و حذف هوا
افزایش بار روی سطوح در تماس با هم برای جلوگیری از لغزش بیشتر سطوح
خوردگی همراه با تنش Stress Corrosion
ترک خوردن در اثر خوردگی توام با تنش که نتیجه اعمال همزمان تنش های کششی و محیط خورنده روی فلز می باشد.
انهدام های ناشی از ترک خوردن در محیط های خورنده من جمله انهدام های ناشی از تردی هیدروژنی را SCC (Stress Corrosion Craking) نامیده اند.
فاکتورهای مهم در SCC
درجه حرارت
ترکیب شیمیایی محلول
ترکیب شیمیایی فلز
تنش
ساختمان فلز
خوردگی توام با خستگی Corrosion Fatigue, CF
شکست فلز در اثر تنش های متناوب را خستگی می نامند.
معمولا شکست های خستگی در تنش های زیر نقطه تسلیم و بعد از تعداد زیادی نوسانات تنشی اتفاق می افتد.
به طور کلی شکست ناشی از خستگی مشتمل بر ناحیه بزرگی است که صاف بوده و ناحیه کوچکی که زبر و خشن بوده و دارای ظاهر کریستالی و شکری است.
در مرحله اشاعه ترک های خستگی در فلز تنش های متناوب باعث کوبیدن سطوح شکست روی هم دیگر و صاف کردن می گردد.
اشاعه ترک ادامه می یابد تا موقعی که سطح مقطع فلز آن قدر کم می شود که تنش روی آن از تنش نهایی فلز بیشتر شده و شکست ترد در نمونه واقع می گردد.
شکست ترد معمولا ظاهر زبرتری دارد.
خوردگی توام با خستگی Corrosion Fatigue, CF
فاکتورهای محیطی:
فاکتورهای محیطی به شدت بر مقاومت در برابر خوردگی خستگی فلز تاثیر می گذارد.
محیط خورنده
مقدار اکسیژن
درجه حرارت
pH
ترکیب شیمیایی محلول
آهن ، فولاد ، فولادهای زنگ نزن ، برنزهای آلومینیوم دارای مقاومت خوبی در آب می باشند.
در آب دریا آلومینیوم و فولادها تنها 70 تا 80 درصد از مقاومت خستگی معمول خود را دارند.
آلیاژهای با کرم بالا در آب دریا، تنها حدود 30 تا 40 درصد مقاومت خستگی معمولی خود را دارند.
خستگی – خوردگی همواره باید بر حسب فلز و محیط آن بیان گردد.
خوردگی توام با خستگی Corrosion Fatigue, CF
روش های جلوگیری
افزایش استحکام کشش فلز یا آلیاژ عمر خستگی معمولی را بهبود می بخشد ولی برای خوردگی – خستگی مضر است زیرا در یک فلز با استحکام بالا، به مجرد اینکه ترک شروع شد، سرعت رشد ترک سریع تر از سرعت رشد در ترک های فلزی است که دارای استحکام کمتری می باشند.
در مورد خستگی معمولی آلیاژهایی که دارای استحکام کششی بالایی هستند در مقابل جوانه زدن و شروع ترک ها مقاومت بیشتری می کنند.
خسارت هیدروژنی
خسارات هیدروژنی یک اصطلاح کلی است که دلالت بر خسارت مکانیکی وارد شده به فلز در اثر وجود یا واکنش با هیدروژن دارد.
خسارت هیدروژنی را می توان به چهار گروه مشخص تقسیم بندی نمود:
تاول زدن هیدروژنی
تردی هیدروژنی
دکربوره کردن
خوردگی هیدروژنی
خسارت هیدروژنی
تاول زدن در اثر هیدروژن ناشی از نفوذ هیدروژن به داخل فلز می باشد.
معمولا نتیجه این واقعه تغییر فرم موضعی فلز و در بعضی موارد خاص انهدام کامل فلز می باشد.
تردی هیدروژنی نیز در اثر نفوذ هیدروژن به داخل فلز است.
نتیجه این واقعه از دست دادن انعطاف پذیری فلز و کاهش استحکام آن می باشد.
خسارت هیدروژنی
دکربوره کردن یا از بین رفتن کربن فولاد غالبا در اثر تماس هیدروژن با فلز در درجه حرارت و رطوبت بالا می باشد.
در اثر دکربوره شدن استحکام کششی فولاد کم می شود.
خوردگی هیدروژنی منظور واکنش بین هیدروژن و یکی از عناصر آلیاژی یا اجزای تشکیل دهنده فلز در درجه حرارت های بالا می باشد.
مثال کلی درباره خوردگی هیدروژنی تجزیه شدن و پوسیدن مس اکسیژن دار در حضور هیدرژن می باشد.
خسارت هیدروژنی
فاکتورهای محیطی
هیدروژن یونی تنها عنصری است که می تواند از فولاد و فلزات دیگر عبور نماید.
خوردگی و حفاظت کاتدی ، آبکاری الکتریکی و پروسس های دیگر منابع اصلی تولید هیدروژنی هستند که در فلزات وجود دارد.
بعضی مواد مثل یون های سولفیدی ، ترکیبات فسفر و آرسنیک سرعت احیای یون هیدروژن را کم می کنند. اکثر این ترکیبات با تقلیل سرعت تشکیل مولکول های هیدروژن خوردگی را کم می کنند.
خسارت هیدروژنی
جلوگیری:
استفاده از فولاد تمیز
استفاده از پوشش ها
جایگزین نمودن آلیاژها
تغییر شرایط آبکاری
پختن یا حرارت دادن
جوشکاری صحیح
فصل 4: خوردگی در تاسیسات آب و فاضلاب
آب شرب
خورندگی آب شرب بستگی به مقدار اکسیژن، سختی ، مقدار کلرورها، مقدار گوگرد و فاکتورهای زیادی دارد.
مثلا یک مخزن آب گرمکن فولادی خانگی در یک محل ممکن است 20 سال عمر کند و در یک محل دیگر بیشتر از یک یا دو سال دوام نیاورد.
در یک شهر مقدار سختی از چند قسمت در میلیون (PPM) تا چند صد قسمت در میلیون ممکن است تغییر نماید.
در بعضی مناطق ترکیبات گوگرد موجود در آب باعث خوردگی سریع آهن می شوند.
نمی توان به صورت کلی دستوری صادر نمود و مساله کاملا به صورت موردی می باشد.
ناخالصی های موجود در آب
ناخالصی های موجود در آب از نظر ساختمان شیمیایی به دو دسته تقسیم می شوند:
مواد آلی
مواد معدنی
تعیین ترکیب دقیق این مواد به ویژه مواد آلی به دلیل منابع متنوع آنها مقدور نیست
برای تعیین کیفیت آب شاخص هایی تعریف شده اند که به کمک آنها می توان کیفیت آب را تعیین کرد
کل مواد جامد موجود در آب: کل مواد معلق+ کل مواد محلول
کل مواد جامد (TS):
به کل مواد جامد محلول، کلوئیدی یا معلق موجود در اب یا فاضلاب می گویند.
مقدار مجاز آن برای آب های شهری 500 میلی گرم بر لیتر است
کل مواد جامد به موادی که در ته ظرف پس از تبخیر مقدار معینی از نمونه آب و خشک کردن آن در دمای 105 درجه سانتیگراد باقی می ماند اطلاق می شود.
مواد جامد کل شامل مواد جامد غیر قابل صاف شدن و مواد جامد قابل صاف شدن است.(صافی با قطر 45 میکرومتر)
مواد جامد محلول (TDS) را می توان برابر با مواد جامد قابل صاف شدن دانست. (با قبول خطای ناشی از مواد کلوئیدی)
مواد جامد معلق را می توان با مواد جامد غیر قابل صاف شدن برابر دانست(TSS)
TDS در آب شیرین کمتر از 1500 میلی گرم بر لیتر، در آب لب شور بین 1500 تا 5000 میلی گرم بر لیتر و در آب شور بیش از 5000 میلی گرم بر لیتر می باشد.
TDS آب دریا بین 3000 تا 4000 میلی گرم بر لیتر است.
مواد جامد ثابت و فرار
برای تعیین میزان مواد آلی نمونه را تا50 ± 550 حرارت می دهند. انچه باقی می ماند کل مواد جامد ثابت (TFS) و آنچه بخار می شود کل مواد جامد فرار (TVS) نامیده می شود.
نمونه های مواد جامد معلق و مواد جامد محلول هم دارای بخش ثابت و بخش فرار می باشند.
کل مواد جامد موجود در آب: کل مواد معلق+ کل مواد محلول
مواد معلق
مواد معلق موجود در آب مقدار ذرات آب را اندازه گیری می نماید
مواد معلق شامل مواد آلی و غیر آلی مثل پلانکتون ها و خاک و گل و لای می باشد
غلظت مواد معلق در آب های سطحی بستگی به فصول مختلف سال دارد و چگونگی جریان آب دارد
چنانچه رودخانه ای در حال طغیان باشد می تواند تا حدود چند هزار میلی گرم هم مواد معلق در آب باشد
بر اساس معیار وزنی یا حجمی بیان می شود و هیچ گونه اطلاعی از نوع مواد معلق چگونگی اندازه ذرات و کیفیت مواد نمی دهد
یون های محلول در آب
اختصاصات شیمیایی آب
سختی
سختی آب مربوط به املاحی است که در آب وجود دارند.
این املاح شامل کاتیون هایی نظیر منیزیوم، کلسیم، استرانسیوم ، آهن ، آلومنیوم ، منگنز و مس بوده که با آنیون های بیکربنات، کربنات، کلرور ، سولفات، سیلیکات و نیترات به صورت محلول در آب واکنش دارند.
سختی کل شامل سختی موقت یا سختی کربناتی به اضافه سختی دائم یا سختی غیر کربناتی می باشد.
سختی موقت در اثر جوشاندن آب به مدت چند دقیقه باعث تجزیه بیکربنات ها و خارج شدن CO2 و رسوب کربنات های کلسیم و منیزیوم می گردد.
سختی دائم بواسطه وجود عناصری مانند سولفات و کلرورهای منیزیوم و کلسیم که در اثر جوشیدن رسوب نمی دهند پدید می آید.
سختی معمولاً بر حسب میلی گرم برلیتر کربنات کلسیم بیان می شود.
سختی
اختصاصات شیمیایی آب
سختی
معمولا مسایل بوجود آمده در اثر افزایش سختی ، مانند امکان تشکیل جرم در دیگ بخار و سیستم های آبگرمکن از نقطه نظر اقتصادی مورد توجه قرار می گیرد.
آب های سبک با سختی 50-30 میلی گرم در لیتر میل به خورندگی نشان می دهند و باید همواره از نقطه نظر حل سرب مورد آزمایش قرار گیرد.
طبق استاندارد سازمان بهداشت جهانی WHO بالاترین حد مطلوب سختی 100 میلی گرم بر لیتر است.
طبق استاندارد های اروپایی سختی آب تا 150 میلی گرم بر لیتر کربنات کلسیم مطلوب است.
اختصاصات شیمیایی آب
مواد معدنی
اجسام معدنی حل شده در آب اجزای کانی آنرا تشکیل می دهند.
این مواد شامل کلیه آنیون ها و کاتیون های قابل حل و سیلیس و سیلیکات ها می باشند.
معمولا نتایج انالیز مواد به صورت میلی گرم بر لیتر بیان می شوند.
کاتیون ها شامل کلسیم، منیزیوم، سدیم و پتاسیم و آنیون ها شامل کربنات و بیکربنات ، سولفات ، کلرور ، فسفات، نیترات و سیلیکات می باشد.
اختصاصات شیمیایی آب
مواد معدنی
(1) کاتیون ها
کلسیم
کلسیم در اکثر آب های طبیعی یافت می شوند.
کلسیم معمولا به صورت کربنات، بیکربنات و سولفات ظاهر می شود ، گرچه در آب های پرنمک ، کلرور و نیترات کلسیم را نیز می توان پیدا کرد.
کلسیم همراه با بیکربنات سختی موقت را تشکیل می دهد.
کلسیم همراه با سولفات ها ، کلرورها و نیترات ها تشکیل سختی دائم می دهد.
سازمان بهداشت جهانی حداکثر غلظت کلسیم را ، 200میلی گرم بر لیتر بر حسب Ca++ (500 میلی گرم بر لیتر بر حسب کربنات کلسیم ) پیشنهاد می نماید که مازاد آن به صورت رسوب می تواند باعث ایجاد مشکلاتی گردد.
اختصاصات شیمیایی آب
مواد معدنی
منیزیوم
منیزیوم یکی ازعناصر معمولی آب می باشد که نمک های قابل حل تشکیل می دهند.
منیزیوم در آب هم سختی موقت و هم سختی دائم تشکیل می دهد که در مقایسه با اجزای کلسیم آن کمتر است.
غلظت بالای منیزیوم در آب های مصرفی منازل به دلیل تشکیل جرم در ظروف قابل قبول نیست.
استانداردهای بهداشت جهانی میزان منیزیوم معادل 20 میلی گرم بر لیتر برای آبی با میزان سولفات بیش از 250 میلی گرم بر لیتر و حداکثر غلظت مجاز ، 150 میلی گرم بر لیتر به شرط اینکه غلظت سولفات کمتر باشد.
اختصاصات شیمیایی آب
خوردگی ترسیب سیلیکات منیزیوم
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی ترسیب Al(OH)3 در pHپایین
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی ترسیب سیلیکات آلومنیوم
منبع : Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی بیوفیلم
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
مواد معدنی
سدیم
عنصر سدیم علاوه بر اینکه یکی از عناصر فراوان می باشد، به علت حلالیت زیاد آن در آب در بیشتر منبع آب طبیعی یافت می شود. مقدار سدیم از یک تا صدها میلی گرم در لیتر در آب های نمک دار می رسد.
غلظت طعم آستانه برای کلرور سدیم حدود 350 میلی گرم بر لیتر (138 میلی گرم بر لیتر بر حسب سدیم) و بر عکس آن طعم آستانه برای سولفات سدیم می تواند حدود 1000 میلی گرم بر لیتر (348 میلی گرم بر لیتر بر اساس سدیم) باشد.
اختصاصات شیمیایی آب
اختصاصات شیمیایی آب
پتاسیم
پتاسیم با وجود اینکه یکی از عناصر فراوان می باشد، غلظت آن در اغلب آب های طبیعی از 20 میلی گرم بر لیتر افزایش نمی یابد.
دستورالعمل ها حداکثر غلظت را 12 میلی گرم در لیتر و حداقل غلظت را 10 میلی گرم به عنوان راهنما پیشنهاد می کنند
آنیون ها
دی اکسید کربن، بیکربنات و کربنات
دی اکسید کربن یکی از اجزای تعادل کربنات در آب می باشد.
غلظت CO2 آزاد معمولا کمتر از 10 میلی گرم در آب های سطحی می باشد
ولی در برخی آب های زیرزمینی مربوط به حفاری های عمیق حاوی بیش از 100 میلی گرم در لیتر می باشند.
برای کاهش میزان دی اکسید کربن در این گونه آب ها هوادهی پی در پی است.
دی اکسید کربن ضمن انحلال در آب با عوامل موجود در آن ترکیب می شود و یا در ترکیب با آب قسمتی به صورت اسیدکربنیک درآمده و قسمتی دیگر به یون های کربنات و بیکربنات تبدیل می شود
اختصاصات شیمیایی آب
اختصاصات شیمیایی آب
آنیون ها
کلر
کلر به عنوان یک ماده شیمیایی برای گندزدایی و از بین بردن موجودات مضر به کار می رود.
حداکثر مقدار کلر باقی مانده مجاز که ممکن است در آب یافت شود تابعی از مزه ، بو و خورندگی می باشد.
یکی از معایب کلرزدن آب ایجاد مزه کلری و کلروفنل است.
چنانچه کلر به عنوان ماده پیش افزودنی قبل از تصفیه آب به آب های رنگی و یا حاوی مواد آلی افزوده شود تری هالومتان ها نیز تشکیل می گردند.
میزان کلر باقی مانده در آب آشامیدنی می تواند تا حدود 0.2 میلی گرم در لیتر باشد و در مواقع ضروری که آب استریل مورد نیاز باشد مقدار کلر باقی مانده تا حدود 2 میلی گرم در لیتر یا بیشتر قابل قبول باشد.
آنیون ها
کلرور
کلرور یعنی ترکیبات کلر با سایر رادیکال ها تقریبا در کلیه آب های طبیعی یافت می شود که غلظت آنها می تواند بسیار متفاوت باشد، ولی غالب ترکیبات کلر با سدیم (نمک طعام) و در درجه بعد با کلسیم و منیزیوم می باشد.
این مواد از اجزای پایدار در آب بوده و غلظت آنها تحت تاثیر فرایندهای طبیعی، فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی تغییر نمی یابد.
کلرورها از رسوبات کانی طبیعی ، از آب دریا، هم از طریق نفوذ و هم بوسیله پراکنده شدن آب دریا در هوا، در اثر انجام امور کشاورزی و آبیاری و از فاضلاب های خانگی و صنعتی ناشی می شوند.
اغلب رودخانه ها و دریاچه ها دارای غلظت کلرور کمتر از 50 میلی گرم در لیتر بر حسب Cl- می باشند.
اختصاصات شیمیایی آب
آنیون ها
کلرور
طبق استانداردهای سازمان بهداشت جهانی حداکثر غلظت مطلوب کلرور در آب 200 و حداکثر غلظت مجاز آن 600 میلی گرم بر لیتر است.
حس چشایی حساس می تواند غلظت 150 میلی گرم بر لیتر را احساس نماید.
مقادیر بیش از 600 میلی گرم بر لیتر هم می تواند در برخی مناطق لم یزرع و یا نیمه خشک که تامین آب آشامیدنی مشکل است مورد استفاده قرار گیرد.
اختصاصات شیمیایی آب
اختصاصات شیمیایی آب
آنیون ها
سولفات
غلظت سولفات در آب های طبیعی از چند میلی گرم تا چند هزار میلی گرم درلیتر متغیر می باشد.
منابع سولفات:
حل شدن سنگ گچ یا سایر رسوبات معدنی که حاوی سولفات می باشند
سولفات حاصل از آب دریا
صنایعی که در آنها سولفات و اسید سولفوریک به کار می روند نظیر صنایع چرم یا کاغذ سازی
حل گاز سولفید هیدروژن در آب باران
سولفات نقش بزرگی در سختی دائم یا غیر کربناتی دارد
غلظت بالای سولفات در تغییر طعم آب موثر بوده و اگر با آنیون های منیزیوم و سدیم ترکیب شود اثر ملین دارد.
احیای سولفات بوسیله باکتری های بیهوازی باعث تولید سولفید هیدروژن و ایجاد شرایط بیهوازی می نماید.
آنیون ها
ترکیبات ازته آمونیاکی
آمونیاک یکی از اشکال ازت است که در آب آشامیدنی یافت می شود و معمولا بر حسب میلی گرم بر لیتر بیان می شود.
وجود آمونیاک دلیلی بر آلودگی آن از طریق فاضلاب خانگی می باشد.
مقدار آمونیاک در آب تصفیه نشده از نظر تعیین مقدار کلر برای گندزدایی حائز اهمیت است.
تا 3 میلی گرم در لیتر میزان آمونیاک را در یک منبع آب را می توان صرف نظر نمود.
میزان آمونیاک تا 0.4 میلی گرم بر لیتر در آب های تصفیه شده ای که وارد سیستم آبرسانی می گردد قابل قبول است
اختصاصات شیمیایی آب
آنیون ها
سیلیس
سیلیس به اشکال مختلف در آب یافت می شود که حاصل تجزیه سنگهای حاوی سیلیس مانند کوارتز و سنگ سیاه می باشد.
سیلیس از 1 میلی گرم در لیتر در آب های سبک و تا 40 میلی گرم در آب های سخت می باشد.
آب های مناطق آتش فشانی و معدنی دارای میزان بالای سیلیس می باشند.
وجود سیلیس در آب آشامیدنی دلیلی بر خطرناک بودن آن آب نمی باشد، ولی در بعضی از صنایع باعث بروز مشکلات می شود زیرا سیلیس یک پوسته خیلی سخت تشکیل داده که جداسازی آن بسیار مشکل است.
اختصاصات شیمیایی آب
دسته بندی
خوردگی موجب از بین رفتن خواص مواد در اثر واکنش با محیط آن می شود.
در انتقال و توزیع آب، این فرایند به طور غالب در خصوص لوله ها و اتصالات به صورت زیر تعریف می شود:
خورگی بیرونی در اثر واکنش با خاک، یا
خوردگی داخلی، در اثر واکنش با آب.
با توجه به نوع مواد، دو نوع خوردگی را می توان شناسایی نمود:
خوردگی فلزی،
خوردگی محصولاتی که در آنها سیمان به کار رفته است.
خوردگی فلزی مکانیزم
خوردگی فلزی یک واکنش شیمیایی است که در اثر انتقال الکترون ها ایجاد می شود. پس از اینکه یک یون فلزی سطح لوله را ترک می کند (محل آنودیک) و وارد آب می شود، الکترون های اضافی فلز را به سمت یک محل کاتدی ترک می نمایند که در آنجا با یک واکنش موازنه مورد استفاده قرار می گیرند.
سه نوع واکنش مقدور می باشند:
تغییر شکل هیدروژنی – رایج در آب های خورنده (با pH کم)
احیای اکسیژن – رایج در آب های معمولی
احیای سولفات (میکروبی) – رایج در شرایط بیهوازی واقع شده در خاک.
خوردگی فلزی مکانیزم
خوردگی انواع
خوردگی گالوانیکی – وقتی دو لوله با دو جنس متفاوت با هم در ارتباط باشند، محل کاتدیک بر روی ماده با قدرت واکنشی کمتر و قسمت آنیودیک بر روی ماده با واکنش بیشتر مورد خوردگی واقع می شوند،که باعث بروز خوردگی به نام خوردگی گالوانیک خواهد شد. این نوع خوردگی در تاسیسات داخلی ساختمان رایج می باشد ( نظیر لوله مسی متصل به آهن گالوانیزه باعث خوردگی آهن می شود). خوردگی گالوانیک به طور خاص بر روی زانویی ها ایجاد می شود.
حفره حفره شدن (پیتینگ) – عبارت است از خوردگی نقطه ای، غیرهمگن که به سختی قبل از آشکارشدن حفره قابل تشخیص می باشند. این نوع خوردگی یک نوع بالقوه خطرناک است چرا که حتی حفره های کوچک می تواند باعث خرابی لوله گردد. نقایص سطحی، خراش ها یا رسوبات مکان های قابل توجهی برای خوردگی حفره ای می باشد.
خوردگی انواع
برجستگی – برجستگی در زمانی که خوردگی حفره ای بر روی آند بعد از حفره تجمع می یابد. برجستگی ندرتا کیفیت آب را تحت تاثیر قرار می دهد مگر اینکه بعضی از این برجستگی ها در اثر تغییرات ناگهانی جریان در لوله کنده شوند. نوع شدید این نوع خوردگی موجب افزایش زبری لوله می گردد و به عنوان مثال قطر داخلی لوله را کاهش می دهد. از اینرو این نوع خوردگی را می توان با پایش عملکرد هیدرولیکی لوله ردیابی نمود.
خوردگی شیاری – نوعی خوردگی موضعی معمولا در اثر ایجاد تغییرات در اسیدیته، کاهش اکسیژن، یون های محلول و غیره ایجاد می شود. خوردگی شیاری در اتصالات رویت می شود.
خوردگی انواع
خوردگی سایشی – در اثر این نوع خوردگی سطح مقاوم داخلی لوله در اثر سرعت بالای جریان، آشفتگی ها یا تغییرات ناگهانی در جهت جریان شسته می شود. قطعات لوله نیز به طریق اولی زایل می شوند. این نوع خوردگی به طور خاص در اتصالات تیز واقع می شود.
خوردگی حبابی (کاویتاسیون) – این نوع از خوردگی سایشی در اثر فروپاشی اجزا در اثر حباب های بخار ایجاد می شود. این نوع خوردگی بلافاصله بعد از یک تنگ شدگی یا تغییر جهت ناگهانی جریان ایجاد می شود.
خوردگی بیولوژیکی – واکنش میان مواد سازنده لوله و میکروارگانیزم ها منجر به بروز این نوع از خوردگی می گردد. در آب های راکد و در انتهای بسته لوله ها متداول است. عامل مهمی است در بروز مشکلات بو و مزه و همچنین باعث خرابی لوله می گردد. کنترل آن بسیار دشوار بوده و می تواند در بیشتر نواحی محافظت شده ای بروز نماید (مثلا در تجمعات محصولات خوردگی) که گندزدایی با کلر یا اکسیژن ناکافی باشد.
خوردگی ترسیب سیلیکات منیزیوم
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی ترسیب Al(OH)3 در pHپایین
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی ترسیب سیلیکات آلومنیوم
منبع : Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی بیوفیلم
Source: Prof. V.L. Snoeyink, University of Illinois
خوردگی شیرها / اتصالات / شیرهای آتش نشانی
خوردگی کنتورهای آب
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی فلزی (1)
pH – pH پایین باعث افزایش میزان خوردگی می شود. pH بالا باعث محافظت لوله های آهنی می شود ولی باعث حذف روی از برنج و خرابی لوله مسی می شود.
اکسیژن محلول – میزان واکنش های خورنده را افزایش می دهد.
دما – میزان واکنش های خورنده را افزایش می دهد. حلالیت کربنات کلسیم را کاهش می دهد. فعالیت بیولوژیکی را افزایش می دهد.
سرعت جریان زیاد یا آشفتگی – افزیش توان بالقوه خوردگی سایشی.
سرعت جریان پایین – افزایش توان بالقوه برای خوردگی حفره ای و مویی.
قلیاییت – به تشکیل یک پوشش محافظ رسوبی و بافر تغییرات pH کمک می کند. قلیاییت بالا خوردگی مس ، سرب و روی را افزایش می دهد.
سختی کلسیمی – به تشکیل یک پوشش محافظ رسوبی کمک می کند اما در غلظت های بالا می تواند باعث بروز برجستگی یا رسوب گذاری اضافی می گردد.
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (1)
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (2)
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (3)
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (4)
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (5)
Source: van der Zwaan and Blokland, 1989
خوردگی عوامل موثر بر خوردگی بیرونی (6)
خوردگی ابزار کنترل
راه های کنترل خوردگی عبارتند از :
انتخاب جنس مواد مناسب ونکات طراحی،
اصلاح پارامترهای کیفی آب (در صورت امکان)
استفاده از بازدارنده ها (در صورتی که به کیفیت آب لطمه ای وارد نکند)
حافظت کاتدی
استفاده از پوشش ها، روکش ها، و رنگ های مقاوم به خوردگی.
کنترل خوردگی انتخاب جنس مواد
یک انتخاب مناسب جنس مواد می تواند خوردگی را کاهش دهد، هر چند این عامل فقط یکی از چندین موضوعی است که باید به آن توجه شود.
چندین گزینه مختلف معمولا بر حسب هزینه، دسترسی پذیری، سهولت نصب و نگهداری، و مقاومت در برابر خوردگی باید با هم مقایسه شوند.
مواد سازگار با هم تا حد امکان باید در سیستم به کار برده شوند. در مواقعی که این کار دشوار است برای جلوگیری از خوردگی گالوانیک از عایقکاری بین لوله های با جنس متفاوت می توان استفاده نمود.
کنترل خوردگی طراحی شبکه
طراحی نامناسب لوله ها و ساختار شبکه موجب بروز خوردگی شدید می شود هر چند که مواد به کاررفته از مقاوم ترین نوع باشند. برخی از مهم ترین نکات طراحی عبارتند از:
احتراز ازانتهای بسته لوله ها و نقاط مرده
پیش بینی زهکشی مناسب در صورت نیاز،
انتخاب یک سرعت جریان مناسب،
انتخاب یک ضخامت فلزی مناسب
کاهش تنش های مکانیکی،
احتراز از توزیع حرارتی ناخواسته،
پیش بینی عایقکاری مناسب،
حذف جریان های برق متصل به زمین در سیستم،
پیش بینی دسترسی ساده به سازه برای بازدیدهای دوره ای،
نگهداری و تعویض اجزای آسیب دیده.
کنترل خوردگی تنظیم کیفیت آب
دو روش اصلی عبارتند از: اصلاح pH و احیای اکسیژن.
بیشتر خوردگی ها درمقادیر pH پایین بوجود می آیند. مواد شیمیایی متداول برای کنترل pH عبارتند از:
آهک یا Ca(OH)2,
سود سوزآور NaOH,
خاکستر سودا Na2CO3,
بی کربنات سدیم, NaHCO3.
اکسیژن یکی از عناصر بسیار خورنده است چرا که می تواند به عنوان یک گیرنده الکترون مطرح باشد، این عنصر با هیدروژن و سپس با یون های آهنی واکنش می دهد.اینها عبارتند از فرایندهایی که موجب خوردگی می شوند که با احیای اکسیژن می توان اثرات آنها را کاهش داد. حذف اکسیژن نسبتا گران است اما برخی اقدامات کنترلی می تواند از طریق بهینه سازی فرایندهای هوادهی و اندازه سنجی مناسب چاه آب زیرزمینی و پمپ ها برای کاهش دریافت هوا صورت گیرد.
کنترل خوردگی بازدارنده ها
مواد شیمیایی که به آب اضافه می شوند و ایجاد یک فیلم محافظ بر روی سطح لوله می نمایند. این فیلم مانعی بین آب و لوله ایجاد می نماید، که خوردگی را کاهش می دهد. محصولات مختلف مورد استفاده برای این هدف به سه گروه تقسیم بندی می شوند:
مواد شیمیایی که باعث ایجاد CaCO3 می شود،
فسفات های غیرآلی،
سیلیکات سدیم.
دشواری های استفاده از بازدارنده ها در کنترل فرایند ها به صورت های زیر می باشد:
قطع استفاده از مواد شیمیایی موجب حل شدن فیلم شده و دوز های خیلی کم منتج به تشکیل یک فیلم شکننده می شود که هر دوی اینها باعث ایجاد خوردگی حفره ای می شود.
استفاده بیش از حد از بعضی بازدارنده های قلیایی می تواند باعث ایجاد رسوب ناخواسته به ویژه در آب های سخت گردد.
مقدار جریان مواد شیمیایی باید برای رساندن این مواد به کلیه قسمت های سطح لوله کافی باشد.
حفاظت کاتدیCathodic Protection
حفاظت کاتدی با فراهم آوردن الکترون برای فلزی که باید حفاظت شود بوجود آید.
بنابراین وقتی که جریان از الکترولیت وارد سطح فلز گردد، باعث محافظت آن می گردد و به عکس در صورتیکه جریان الکترون از سطح فلز بدرون الکترولیت باشد خوردگی اتفاق می افتد
در تکنولوژی حفاظت کاتدی به صورت قراردادی جهت جریان به صورت فوق فرض شده است.
حفاظت کاتدی
دو روش برای حفاظت کاتدی وجود دارد:
بوسیله یک مولد برق
بوسیله یک زوج گالوانیکی
حفاظت کاتدی
در این شکل یک لوله مورد حفاظت قرار گرفته است و هماطور که مشاهده می گردد جریان متناوب به کمک یک یکسوکننده تبدیل به جریان مستقیم شده و قطب منفی آن به لوله مورد محافظت متصل گردیده است و قطب مثبت به یک آند خنثی مثل گرافیت متصل گشته و محل اتصال کابل به لوله و الکترود خنثی به دقت عایق گردد تا از نشت جریان ممانعت به عمل آید.
آند معمولا با پشت بند back fill شامل پودر کک، گچ یا بنتونیت در برگرفته می شود تا اتصال الکتریکی بین زمین مجاور و آند را بهبود بخشد.
جریان از سمت زمین به سمت لوله حرکت کرده و آنرا حفاظت می کند.
حفاظت کاتدی
خوردگی محافظت کاتدیک
حفاظت کاتدی
حفاظت کاتدی می تواند توسط یک آند فداشونده Sacrificial انجام پذیرد.
در این صورت به کمک چنین آندی، وسیله مورد حفاظت با آن زوج گالوانیکی تشکیل داده و خود تبدیل به کاتد می گردد.
در شکل اسلاید بعدی یک تانک آب گرم به وسیله یک میله منیزیوم مورد حفاظت کاتدی قرار گرفته و در این رابطه فلز منیزیوم خورده و فولاد محافظت می شود.
برای کنترل حفاظت کاتدی از دو روش اندازه گیری ولتاژ که در نقاط تست انجام می گیرد و باید همواره 0.58 + باشد.
حفاظت کاتدی
روش کوپن در حفاظت کاتدی
کوپن عبارت است از نمونه هایی از جنس تجهیزاتی که است که باید مورد محافظت قرار گیرد.
این تجهیزات به راحتی قابل جابجایی از زیر خاک و رویت می باشد.
پس از هر مدت نمونه (کوپن) را از زیر خاک بیرون آورده و مورد مطالعه قرار می دهند چنانچه کوپن خورده نشده باشد حفاظت درست انجام گرفته است.
حفاظت آندیAnodic Protection
حفاظت آندی عبارت است از اعمال جریان آندی بر روی فلز مورد حفاظت که منجر به تشکیل فیلم سطحی بر روی آن می گردد.
به طور کلی با اعمال جریان آندی به یک فلز قاعدتا باید سرعت خوردگی فلز افزایش پیدا کرده و سرعت آزادشدن هیدروژن کاهش پیدا کند که معمولا در مورد فلزات این مساله صادق است ولی در رابطه با فلزات ترانس پسیو مثل نیکل، آهن ، کروم، تیتانیوم و آلیاژهای آنها اگر به دقت جریان آندی به این فلزات اعمال گردد غیر فعال شده و سرعت خوردگی کاهش پیدا می کند.
حفاظت آندی
برای حفاظت آندی لازم است که جریان مستقیم عکس شود یعنی قطب مثبت به تجهیزات وصل گردد.
برای دقت عمل دستگاهی به نام پتانسیواستات لازم است تا بتواند فلز را در یک پتانسیل ثابت نسبت به یک الکترود مرجع قرار دهد.
دستگاه الکتریکی پتانسیواستات دارای دو ترمینال است که یکی به تانک متصل گردیده و دیگری به یک الکترود کمکی به عنوان کاتد و عمل پتانسیواستات همیشه ثابتی بین تانک و الکترود مقایسه برقرار می سازد.
حفاظت آندی در بعضی از سیستم ها باعث شده است تا سرعت خوردگی یکصد هزار برابر کاهش یابد اگر چه حفاظت آندی محدود به فلزات ترانس پسیو می باشد ولی با توجه به اینکه اغلب فلزات ساختمانی از جنس ترانس پسیو می باشند، این محدودیت را برطرف می سازد.
کنترل خوردگی پوشش، روکش و رنگ آمیزی
پوشش دادن معمولا به صورت مکانیکی خواه در هنگام تولید لوله و یا در هنگام لوله گذاری به کار می رود. این روش همچنین برای لوله های در حال بهره برداری نیز به کار می رود که بسیار گران است. روش های رایج پوشش دادن به لوله ها عبارتند از:
رنگ های اپوکسی، مورد استفاده برای لوله های فولادی و چدنی. پوشش یکدستی است که کمترین تاثیر را بر کیفیت آب دارد اما نسبتا گران است و مقاومت کمتری در برابر سایش دارد (عمر کاری کمتر از 15 سال).
ملاط سیمان، یک پوشش استاندارد برای لوله های چدنی، بیشتر اوقات برای لوله های فولادی و چدنی به کار می رود. نسبتا ارزان است و کاربرد آن ساده است. پوشش نسبتا ضخیمی است از اینرو ظرفیت آبدهی لوله را کاهش می دهد. صلبیت پوشش منجر به ترک خوردگی آن می شود.
پلی اتیلن ، در لوله های چدن داکتیل و فولادی به کار می رود. یک ماده پایا (خیلی بیشتر از 50 سال) با ویژگی های عالی (یکدست و مقاوم) و همچنین گران.
تجهیزات الکترومکانیکال
این تجهیزات غالبا حاوی تجمعی از مواد مختلف هستند.
قطعاتی با آلیاژهایی از آلومنیوم ، فولاد، مس، تیتانیوم و نیکل می توانند در تجهیزات آب و فاضلاب به کار روند.
خوردگی این قطعات (مستقل از کوچک و بزرگ بودن) می تواند باعث کاهش راندمان تجهیزات، خسارت های اقتصادی و بد کارکردن سیستم می گردند.
کامپیوترهای بزرگ، تابلوهای برقی و الکترونیکی کنترل معمولا باید در اتاق های با سیستم تهویه مناسب و رطوبت پایین تعبیه گردد. متاسفانه تجهیزات الکترونیکی و الکترومکانیکال غالبا در معرض رطوبت قرار دارند و با توجه به وجود گازهای خورنده و رطوبت احتمال خوردگی آنها بالاست.
تجهیزات الکترومکانیکال
تجربه نشان داده است در حدود 2% از کارافتادگی دستگاه ها و تجهیزات در اثر خوردگی می باشد.
نظافت ناقص دستگاه ها
عدم روغن کاری و گریس کاری
استفاده از پوشش نادرست در برابر رطوبت و تماس فلزی
انتخاب مواد نامناسب برای دستگاه ها و تجهیزات
شبیه سازی این نوع خوردگی در آزمایشگاه تقریبا غیرممکن است و نتایج آن می تواند بسیار گمراه کننده ای باشد.
خوردگی میلگردها در بتن
خوردگی میلگردهای تقویت کننده در بتن در ساختمان های بتنی (مثلا انواع های مخازن و حوضهای بتنی، لوله های بتن مسلح و…) یک مساله اساسی در تاسیسات اب و فاضلابی است.
برای جلوگیری:
حفاظت آندی
حفاظت کاتدی
پوشش های مقاوم در برابر آب
توصیه می شود.
خوردگی بیولوژیکی
خوردگی بیولوژیکی از انواع مختلف خوردگی نیست بلکه از بین رفتن یا انهدام یک فلز بوسیله پروسس های خوردگی که به طور مستقیم یا غیرمستقیم در نتیجه فعالیت های میکرارگانیزم هاست انجام می شود.
این میکروارگانیزم ها شامل انواع باکتری ها، جلبک ها یا سایر موجودات دریایی می باشد.
موجودات زنده میکروسکوپی یا ماکروسکوپی در محیط هایی با pH های 0 تا 11، درجه حرارت های 0 تا 80 درجه سانتیگراد و فشارهای حدود 5 اتمسفر می توانند فعالیت کنند.
خوردگی بیولوژیکی
فعالیتهای بیولوژیکی می تواند بر خوردگی در محیط های مختلفی مانند خاک، آب شیرین و آب دریا، محصولات نفتی و مایعات روغنی تاثیر گذارد.
این میکروارگانیزم ها از بعضی عناصر تغذیه نموده و عناصر جدید ایجاد می نمایند.
این فرایند به روش های زیر می تواند بر خوردگی تاثیرگذار باشد:
با تاثیر مستقیم بر واکنش های اندی و کاتدی
با تاثیر بر پوسته های محافظ سطحی
با بوجود اوردن محیط های خورنده
با تولید رسوبات بیولوژیکی
این تاثیرات بسته به محیط و نوع میکروارگانیزم ها می توانند تک تک یا با هم اتفاق بیافتند.
خوردگی بیولوژیکی
پاسخ به اکسیژن مولکولی آزاد
باکتری ها می توانند در حضور یا غیاب اکسیژن مولکولی رشد نماید:
هوازی: باکتری های فعال در فرایند لجن فعال نظیر ارگانیزم های رشته ای هالیس کومنوباکتر هایدروسیسhaliscomenobacter hydrossis و سفاروتیلوس ناتانس sphaerothilus natans، لخته ساز زوگلوا رامیجرا zoogloea ramigera و باکتری های نیترزوموناس و نیتروباکتر می باشند.
بیهوازی: باکتری های بیهوازی از اکسیژن مولکولی آزاد برای تخریب مواد غذایی استفاده نمی کنند. این ارگانیزم ها شامل باکتری های کاهش دهنده سولفات و باکتری های متان ساز هستند که به ترتیب از سولفات(SO42-) و دی اکسید کربن استفاده می کنند.
بیهوازی اختیاری: تحت شرایط گوناگون قادر به زندگی هستند.قادر به استفاده از اکسیژن مولکولی و اکسیژن مواد غذایی هستند.
خوردگی بیولوژیکی
خوردگی بیولوژیکی
باکتری های بیهوازی اختیاری دارای سیستم آنزیمی بسیار پیچیده هستند. آنها دارای یک سیستم آنزیمی برای استفاده از اکسیژن مولکولی و یک سیستم آنزیمی دیگر برای تخریب سوبسترا در زمانی که اکسیژن در دسترس نیست هستند.
این باکتری ها اکسیژن مولکولی را به اکسیژن مولکول های دیگر مثل نیترات (NO3-) ترجیح می دهند. زیرا آنها با استفاده از اکسیژن مولکولی تکثیر باکتریایی بیشتری(با استفاده از مواد غذایی موجود) انجام می دهند تا زمانی که از اکسیژن مواد غذایی استفاده می کنند.
خوردگی بیولوژیکی
باکتری های زداینده نیتروژن (دی نیتریفایر) شامل باسیلیوس و اشرشیا و سودوموناس جزو باکتری های بیهوازی اختیاری هستند.
باکتری های بیهوازی مطلق:
باکتری های حساس به اکسیژن
باکتری های غیر حساس به اکسیژن (ناگزیر از تحمل اکسیژن)
بیهوازی های حساس به اکسیژن می توانند در حضور اکسیژن مولکولی آزاد زنده بمانند.
آنها می توانند در حضور اکسیژن فعال مولکولی آزاد فعال باشند یا فعال نباشند.
بیهوازی های غیر حساس به اکسیژن مانند باکتری های متان ساز در حضور اکسیژن مولکولی آزاد می میرند.
خوردگی بیولوژیکی
بیهوازی های غیر حساس به اکسیژن در حضور سوپراکسید (O2-) و پراکسید هیدروژن (H2O2) از بین می روند.
این محصولات وقتی تشکیل می شوند که اکسیژن وارد سلول باکتری می شود. وقتی اکسیژن وارد سلول باکتری می شود به سوپراکسید تبدیل می شود. هر چند سوپراکسید بسیار سمی است به وسیله آنزیم سوپر اکسید دیسموتاز به اکسیژن و پراکسید هیدروژن تبدیل می شود.
خوردگی بیولوژیکی
باکتری های بیهوازی
احتمالا مهم ترین باکتری بیهوازی که بر رفتار خوردگی انواع لوله ها و تجهیزات فولادی و بتونی که در زیر زمین قرار دارند تاثیر می گذارد انواع احیاکننده سولفات ((D.Desulfuricans می باشند.
این باکتری ها طبق واکنش زیر سولفات را به سولفید احیا می کنند:
SO42- + 4H+ S2- + 4H2Oواکنش 1-4
خوردگی بیولوژیکی
منبع هیدروژن این واکنش خیدروژن آزادشده در هنگام واکنش خوردگی یا هیدروژن مشتق شده از سلولز، شکر یا محصولات آلی دیگری که در خاک وجود دارند می باشند.
باکتری های احیاکننده سولفات تحت شرایط بیهوازی مانند خاک رس مرطوب، سیستم های بیهوازی تصفیه فاضلاب وجود دارند.
وجود یون سولفید به شدت بر واکنش های کاتدی و آندی که روی سطح آهن اتفاق می افتد تاثیر می گذارد.
خوردگی بیولوژیکی
سولفید باعث مختل شدن واکنش های کاتدی مخصوصا واکنش آزاد شدن هیدروژن و تشدید انحلال آندی می شود.
در اکثر شرایط تشدید انحلال آندی موجب افزایش خوردگی می شود.
واکنش 1-4 نشان می دهد که در حضور باکتری های احیاکننده سولفات محصول خوردگی سولفید آهن است و موقعی که در تماس با یون آهن و یون های سولفید قرار داشته باشد راسب می گردد.
خوردگی بیولوژیکی
باکتری های هوازی
باکتری های هوازی اکسیدکننده گوگرد نظیر تیواکسیدان های تیوباسیلیوس Thiobaccillus Tiooxidans قادرند سولفید یا ترکیبات سولفیدی را بر طبق واکنش زیر به اسیدسولفوریک اکسید نمایند.
2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 واکنش 2-4
خوردگی بیولوژیکی
بهترین محیط برای این موجودات محیط هایی با pH کم می باشد.
می توانند به طور موضعی اسیدسولفوریک با غلظت 50% وزنی ایجاد نمایند.
باکتری های اکسیدکننده گوگرد می توانند محیط های بسیار خورنده ای ایجاد نمایند.
این باکتری ها برای حیات نیاز به گوگرد دارند.
در میادین نفتی، در شبکه فاضلاب خانگی به فراوانی وجود دارند.
در شبکه فاضلاب، باکتری های اکسیدکننده گوگرد یکی از عوامل اصلی خوردگی لوله های بتنی می باشند.
خوردگی بیولوژیکی
باکتری های احیاکننده سولفات و اکسیدکننده گوگرد می توانند با تغییر شرایط خاک به صورت دوره ای عمل نمایند.
به این معنی که باکتری های احیاکننده سولفات در فصل های بارندگی که خاک مرطوب است وهوای آن خارج می شود و به سرعت رشد کنند، و باکتری های اکسیدکننده گوگرد در فصل های خشک که هوا به داخل خاک نفوذ می کند به سرعت رشد نمایند.
در بعضی مناطق این تغییرات دوره ای باعث وارد آمدن خسارات وسیعی به خطوط لوله فولادی زیرزمین می شوند.
خوردگی بیولوژیکی
میکروارگانیزم های دیگری نیز وجود دارند که به طور مستقیم یا غیرمستقیم می توانند بر رفتار خوردگی فلزات تاثیر گذارند.
مثلا چندین نوع باکتری هستند که از هیدروکربن ها تغذیه می کنند و باعث خراب شدن پوشش های قیری لوله ها می شوند.
باکتری آهن گروهی از موجودات میکروسکوپی هستند که آهن فرو را از محلول جذب نموده و آنرا به صورت هیدروکسید فرو یا فریک ورقه ای در اطراف دیواره های سلول خود راسب می کنند.
خوردگی بیولوژیکی
رشد باکتری های آهن غالبا باعث ایجاد تاول هایی روی سطح فولاد شده که منجر به خوردگی شیاری می گردد.
بعضی ار باکتری ها قادرند آمونیاک را به اسید نیتریک اکسید نماید.
اسید نیتریک رقیق باعث خوردگی آهن و اکثر فلزات دیگر می شود.
اما مقدار آمونیاک در خاک آنقدر زیاد نیست که باعث تجمع قابل ملاحظه اسیدنیتریک گردد.
خوردگی بیولوژیکی
این نوع باکتری ها در محل هایی که از کود شمیایی آمونیاکی استفاده می شود و از زیر این مزارع لوله آب رد می شوند مهم می باشند.
اکثر باکتری ها می توانند دی اکسید کربن تولید کنند که می توانند اسید کربنیک ایجاد کرده و خوردگی را افزایش می دهد.
در جدول 1-4 بعضی از مهم ترین میکروارگانیزم ها و ویژگی های آنها آمده است.
خوردگی بیولوژیکی
خوردگی بیولوژیکی
جلوگیری از خوردگی بیولوژیکی
استفاده از پوشش های لعابی، قیری، نوار پلاستیکی و سیمانی برای جلوگیری از تماس فولاد با محیط خورنده
عدم استفاده از سازه های بتنی در هنگام وجود باکتری های اکسیدکننده گوگرد
حفاظت کاتدی
تغییر محیط (هوادهی فاضلاب های بیهوازی حاوی یون سولفید)
استفاده از اکسیدکننده هایی نظیر کلر برای از بین بردن یون سولفید
گذراندن لوله های بتونی از مسیرهای دارای رطوبت کمتر
استفاده از لوله های مقاوم در برابر خوردگی نظیر PVCیا PE
خوردگی بیولوژیکی
قارچ ها
قارچها موجوداتی هتروتروف بوده، فاقد ریشه ، ساقه و برگ هستند.
این موجودات به علت فقدان کلروفیل (سبزینه) قادر به سنتز مواد آلی نیستند و در نتیجه ناگزیرند به صورت ساپروفیت بر روی مواد آلی مرده گیاهی و جانوری و یا به صورت انگل بر روی یاخته های زنده و یا داخل آنها زیست کنند.
خوردگی بیولوژیکی
این موجودات مواد آلی را جذب نموده و مقادیر قابل ملاحظه ای اسیدهای آلی من جمله اسیداگزالیک، لاکتیک، استیک و سیتریک تولید می نمایند.
قارچ ها می توانند بر روی سطوح و اجسام مختلف می توانند رشد کنند و مشکل بوجود آورند.
در مناطق گرمسیری خوردگی توسط قارچ ها (کپک های سفید) بسیار شایع می باشد.
قارچ ها می توانند سبب خوردگی لاستیک، فولاد (با یا بدون پوشش ) گردند.
خوردگی بیولوژیکی
در بسیاری موارد قارچ صدمه مکانیکی زیادی نمی زند ولی می تواند باعث صدمه زدن به ظاهر جسم گردد.
علاوه بر تولید اسیدهای آلی، قارچ می تواند باعث خوردگی شیاری روی سطوح فلزی گردد.
خوردگی بیولوژیکی
جلوگیری از خوردگی توسط قارچ ها
با تمیز کردن دوره ای سطوح فلزی و غیرفلزی و جلوگیری از رشد کپک ها
کاهش رطوبت نسبی
استفاده از مواد آلی سمی مثل ویوله دوژانسین (gentian Violet)
نوعی رنگ که جهت رنگ آمیزی در زیست شناسی و به عنوان ضد میکروب، ضد قارچ و ضد کرم، و نیز در معالجه سوختگی در طب مصرف گردد.
که باعث تقلیل رشد کپک های قارچی روی سطوح فلزی می گردد.
خوردگی بتن
بتن ماده ای است که از ماسه، شن و سیمان تشکیل شده است.
انواع مختلف این ماده از تغییر نسبت های مواد سازنده بوجود می آید.
برای تقویت این ماده در ساختمان از سازه های فولادی نیز استفاده می شود و یا در حقیقت بتن حاوی فولاد می شود.
این ترکیب تازه بتن مسلح نامیده می شود که ویژگی های مثبت هر دو ماده را دارد.
در تئوری این تقویت، به دلیل شارژ مثبت آهن درون بتن خورده نمی شود (پتانسیل آهن درون بتن در pH =11.6 تقریبا 100 میلی ولت نسبت به مرجع هیدروژن است).
خوردگی بتن
گاهی در ساختمان بتن فساد ایجاد شده و باعث آغاز خوردگی می شود.
اگر بتن مسلح در موقعیت تنشی قرار گیرد تنش های سبک و سنگین اغلب باعث تردی و تراوش آب و در نهایت باعث خوردگی شیمیایی آن می شود.
خوردگی بتن با دو عامل مکانیکی در مرحله اول و در مرحله بعد عامل شیمیایی اتفاق می افتد.
خوردگی بتن
عوامل مکانیکی خوردگی بتن
نفوذپذیری فزاینده (در آب های خورنده) حداقل کوبیدگی باید 300 تا 400 کیلوگرم بر مترمکعب باشد.
ایجاد حفره و شکاف در اثر تهیه نامناسب که برای جلوگیری از این نقسصه باید پلاستیسیته را با تغییر نسبت آب به سیمان به طوری که این نسبت کمتر از 45% باشد و یا با افزودن پلاستیسیزر برطرف نمود ( (W/C<0.45
سایش بر اثر سرعت بیش از 4 متر در ثانیه آب درون لوله های بتنی یا بوسیله افزایش شیب های گرمایی که برای جلوگیری از این اشکال از بتن مسلح الیافی استفاده می شود.
قرار گرفتن در معرض یخ زدن و آب شدن متوالی در شرایط مرطوب که در اینصورت نیز بایستی نسبت وزنی آب به سیمان حداکثر برابر 0.45 باشد.
خوردگی بتن
عوامل شیمیایی خوردگی بتن
این عوامل رابطه تنگاتنگی با ترکیب شیمیایی تشکیل دهنده سیمان و همچنین خورندگی آب و یا خاک در تماس با بتن دارد.
عناصر اصلی تشکیل دهنده سیمان عبارتند از سیلیس، آهک، آلومینیم و در مرحله بعدی آهن، منگنز و قلیاها و فرم های مختلف بتن عموما محتوی مقدار معتنابهی نمک قابل حل می باشد.
وقتی سیمان بخصوص سیمان پرتلند بر اساس ترکیب سیمان و طبیعت شیمیایی آب و حلالیت، آهک آزاد و یا گاهی اوقات آلومینا تولید می شود.
خوردگی بتن
عوامل خوردگی شیمیایی بتن:
تاثیر CO2
تاثیر اسیدهای قوی
تاثیر آمونیاک
فعالیت های سولفات ها
حمله بوسیله قلیاهای قوی
خوردگی باکتریایی با تشکیل H2S
خوردگی بتن
تاثیر CO2
در حضور آب های نرم با افزایش دی اکسید کربن سازه های بتنی مورد تهاجم دی اکسید کربن قرار می گیرد. مقدار زیادی از آهک قلیایی درون منافذ بتن اجازه می دهد تا رسوب نمک های دیگر تشکیل شود و همین نمک ها در مجاورت آب تشکیل کربنات کلسیم داده و ترکیب حاضر موجب تخریب بتن می شود.
خوردگی بتن
تاثیر اسیدهای قوی
با حلالیت نمک های کلسیم حمله اسیدها به شدت افزایش می یابد.
اسیدهای زیر شدت خوردگی را زیادتر می کند:
اسید فسفریک
اسید سولفوریک
اسید نیتریک
اسید کلریدریک
خوردگی بتن
علاوه بر اسیدهای معدنی فوق اسیدهای آلی نیز می توانند ایجاد تخریب نمایند.
هر قدر اسیدیته محیط کاهش یابد مقاومت ساختمان در برابر خوردگی را می توان با کاهش نسبت آب به سیمان و استفاده از سیمان های آمینیومی بالا برد.
ساختمان هایی که در معرض فاضلاب ها و هرز آب ها قرار دارند باید با یک پوشش مناسب در برابر خوردگی محافظت شوند.
خوردگی بتن
فعالیت آمونیاک
آمونیاک موجود در فاضلاب به دو روش باعث خوردگی بتن می شود:
بوسیله شوره زدن (نیتریفیکاسیون) و همچنین به توسط واکنش های اسیدی که در محیط اکسیژن دار می تواند توسعه بیشتری پیدا کند.
از طریق آزادشدن آمونیاک جانشین شده بوسیله آهک که حلالیت را تسریع بخشیده و باعث افزایش سرعت در فساد سیمان می گردد. این پروسه توسط نمک های منیزیوم یا نمک های دیگری که از آهک ضعیف ترند آغاز می گردد.
خوردگی بتن
بنابراین از افزایش غلظت آمونیاک و منیزیوم باید جلوگیری نمود، به ویژه وقتی که سولفات نیز حضور داشته باشد. برای محافظت در مقابل خوردگی حداکثر مقدار یون کلرور قابل حل در آب در بتن 28 روزه از حدود قید شده در جدول اسلاید بعدی تجاوز نماید.
خوردگی بتن
خوردگی بتن
فعالیت سولفات ها
سولفات ها به صورت های مختلف بر روی بتن اثر می گذارند که مهم ترین این تاثیرها در زیر آمده است
سولفاته شدن آهک آزاد موجود در سیمان بوسیله سولفات های محلول
Ca(OH)2 + Na2SO4 + H2O CaSO4 + 2H2O + NaOH
خوردگی بتن
2. تاثیر سولفات های محلول بر روی آلومینات های موجود در سیمان که باعث تشکیل نمک های کمپلکس می شود:
در صورت وجود منیزیم می توان تجزیه سیلیکات های قلیایی موجود در سیمان را به دو مکانیزم فوق افزود.
خوردگی بتن
تاثیر قلیاهای قوی نظیر NaOH, Na2CO3, KOH
آب های حاوی قلیاهای قوی قادر به تخریب هر نوع سیمانی هستند زیرا آلومینیوم موجود در سیمان به خوبی در محیط های قلیایی حل می شوند.
برای جلوگیری از تخریب بتن در چنین محیطی حتما باید از پوشش لازم و مناسب استفاده نمود
نباید از عبور یا ماند آب با pH بیش از 12 از بتنی با سیمان معمولی جلوگیری نمود.
از بتنی که از سیمان آلومینیومی ساخته شده نباید آبی با pH بیش از 8.5 عبور داد.
خوردگی بتن
خوردگی باکتریایی همراه با تشکیل H2S
این نوع خوردگی در شبکه جمع آوری فاضلاب شهری اتفاق می افتد.
پروسه با خوردگی شیمیایی در سیستم های سرد آغاز می شود و در نتیجه تخمیر هوازی جامدات ته نشین شده در فاضلاب های خانگی کامل می شود.
مراحل ان عبارتند از:
تشکیل و آزادشدن H2S
اکسیدشدن H2S در حضور آب و تشکیل H2SO4 این واکنش در pH زیر 6 و دمای بالای آب دارای سرعت بیشتری خواهد بود.
خوردگی بتن
راه های جلوگیری از این نوع خوردگی:
طراحی شبکه به قسمی که سرعت فاضلاب به صورت ثقلی نسبتا بالا باشد.
جلوگیری از بیهوازی شدن شبکه با هوادهی متوالی شبکه به صورت طبیعی
استفاده از بتن هایی با تاج PVC که در برابر خوردگی مقاوم باشند.
خوردگی بتن
یکی از راه های دیگر مقابله با اثرات H2S زدودن آن بوسیله سولفید آهن است.
در شرایط بیهوازی، در زمان ماند طولانی سولفات موجود در فاضلاب به صورت بیولوژیکی به H2S تبدیل می شود.
در مرحله بعدی از اکسیداسیون H2S اسید سولفوریک تشکیل می شود که سبب خوردگی شدید شبکه فاضلاب می شود.
خوردگی بتن
با افزایش سولفات فرو H2S را زدود.
مکانیزم عمل به این صورت است که آهن موجود در سولفات فرو موجب ته نشین شدن سولفید آهن می شود.
این روش یکی از ارزان ترین روش های جلوگیری از این نوع خوردگی است.
خوردگی بتن
عوامل موثر در تشکیل H2S
دما
زمان ماند
پارامترهای محیطی
غلظت بیوماس فعال در شبکه
وجود منبع کربن در فاضلاب (حدود 30 درصد مواد آلی موجود در فاضلاب به صورت مواد معلق است که در اختیار باکتری های احیاکننده سولفات قرار دارند).