ساختار فولادی یک سازه در طول عمر مفید خود مستعد خوردگی است. باید در مرحله ساخت و تولید سازههای جدید و یا تعمیر و نگهداری دورهای اقدامات لازم صورت گیرد تا حفاظت موثر در برابر خوردگی به حفظ یکپارچگی ساختاری سازه کمک کند. پوششهای محافظ بهعنوان مانعی در برابر خوردگی مطرح هستند. فناوری فرآیند اعمال پوشش و بازرسی پوشش برای آمادهسازی سطح، کنترلهای محیطی، اندازهگیری ضخامت فیلم و روشهای اعمال پوشش نیز از اهمیت ویژهای برخوردارند.
توانایی پوششها برای مقاومت در برابر خوردگی در دورههای طولانی، نقش مهمی در حفاظت از سرمایهگذاری در ساختار تاسیسات و تجهیزات دارد. پوششهای محافظ مانع اصلی در برابر محیط خورنده هستند. پوششها میتوانند سرعت خوردگی را به حداقل برسانند و در نتیجه بهطور بالقوه مقدار طراحی شده بعنوان پیشبینی سهم خوردگی برای قطعات سازهها را کاهش دهند.
تئوری اساسی خوردگی
خوردگی به عنوان زوال یک ماده که درنتیجه واکنش با محیط آن ایجاد میشود، تعریف میگردد. خوردگی فولاد عمدتاً یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن فولاد با محیط خود واکنش داده و اکسید یا ترکیب دیگری را تشکیل میدهد. فرآیند الکتروشیمیایی شامل انتقال آهن و الکترون در سراسر یک سطح و تشکیل محصولات خوردگی است. اکسیدهای فلزی مانند اکسیدهای آهن استحکامی برای اجزای ساختاری ایجاد نمیکنند. در چنین حالتی، قطعات سازه فلزی یا فولادی تخریب میشود.
برای اینکه خوردگی رخ دهد، شرایط و عناصر خاصی باید وجود داشته باشد. اینها در مجموع بهعنوان سلول خوردگی نامیده میشوند، همانطورکه در شکل 1 نشان داده شده است.
چهار عنصر ضروری برای بروز خوردگی عبارتند از آند، کاتد، مسیر رابط الکتریکی و الکترولیت.
شکل 1- شمای کلی فرآیند الکتروشیمیایی خوردگی
تعریف چهار پایه بروز خوردگی :
آند: قسمت کمتر نجیب فلز که خورده می شود. قسمتی از سلول با بار منفی است که در آن آهن فلزی یون خود را تشکیل میدهد و در الکترولیت حل میشود. الکترونهای تولید شده، آند و هادی فلزی را به کاتد منتقل میکنند. در آند اکسیداسیون رخ میدهد.
کاتد: بخش نجیبتر فلز که در آن الکترون مصرف میشود. احیاء در کاتد رخ میدهد. هر دو فرآیند اکسیداسیون و احیاء همیشه با هم اتفاق می افتد.
مسیر رابط الکتریکی: مسیر بازگشتی برای اتصال الکتریکی آند و کاتد است که اجازه عبور الکترونهای تولیدشده در آند به کاتد را میهد.
الکترولیت: هادی یونی که مسیر انتقال یونها بین آند و کاتد است.
تمام اجزای فوق باید وجود داشته باشند و مدار بستهای را برای وقوع خوردگی تشکیل دهند. حذف یک یا چند مورد از این اجزا از بروز خوردگی جلوگیری میکند. این اصل کنترل خوردگی است. هنگامی که یک پوشش محافظ آلی بر روی سطح فولادی اعمال میشود بهعنوان یک مانع عمل میکند و تماس مستقیم بین الکترولیت و سطح فلز را غیرممکن میکند، یکی از این اجزا از سلول خوردگی حذف شده و از خوردگی روی سطح فولاد جلوگیری میشود.
فولاد بدون پوشش و واکنش خوردگی
در طی فرآیند خوردگی، فولاد اتم های آهن را به شکل یون در محیط از دست میدهد. در عوض، مقداری از یونهای فلزی از محیط خارج شده و به حالت فلزی باز میگردند. این بهعنوان یک واکنش برگشت پذیر شناخته میشود. زمانی که سرعت واکنشهای رو به جلو و معکوس یکسان باشد، فرآیند در تعادل است و فولاد پتانسیل تعادل خود را میگیرد.
در آند اتمهای فلز، فلز را ترک میکنند و به صورت یونهای فلزی با بار مثبت وارد محلول الکترولیت میشوند و الکترونهایی با بار منفی از خود به جای میگذارند. در نتیجه، فلز بار منفی بیشتری پیدا میکند. این امر فرار اتمهای فلزی باقیمانده را به عنوان یونهای دارای بار مثبت که توسط بار منفی فلز نگه داشته میشوند، به طور فزایندهای دشوار یا غیرممکن میکند. برای ادامه فرآیند، الکترونهای اضافی در فلز باید در واکنش دیگری در جای دیگری مصرف شود. نحوه و سرعت حذف این الکترونهای اضافی یکی از عواملی است که میزان خوردگی را تعیین میکند.
یکی از مراحل مهم در خوردگی فولاد، تبدیل اتم آهن به یون آهن با از دست دادن دو الکترون در محلهای آند است. این واکنش آندی (واکنش اکسیداسیون) نامیده میشود:
الکترونهای آزاد ایجاد شده در آند از درون فلز به محل دیگری روی سطح فلز میرسند، که کاتدی است که در آن الکترونها توسط واکنش کاتدی (واکنش احیاء) در مکانهای کاتد مصرف میشوند.
در کاتد، دو واکنش احتمالی زیر در الکترولیت (مانند آب دریا) رخ میدهد. مصرف الکترون در محل کاتد با واکنش احیاء از طریق سلول غلظت اکسیژن یا اسید اتفاق میافتد. واکنش احیاء سلول غلظت اکسیژن میتواند یون هیدروکسیل تولید کند و واکنش کاهش سلول غلظت اسید میتواند گاز هیدروژن تولید کند. معادلات (2) و (3) را ببینید.
آب شیرین یا آب دریا حاوی اکسیژن محلول در اتمسفر است. اکسیژن محلول در واکنش کاتدی به صورت الکتروشیمیایی به یون هیدروکسیل احیاء میشود. یونهای هیدروکسیل تشکیلشده با یونهای آهن واکنش داده و در نتیجه اکسید آهن (زنگ) ایجاد میشود.
ویژگی ناهمگن سطح فلز به برخی از مناطق برای مکانهای آندی و مناطق دیگر برای مکانهای کاتدی اجازه میدهد. بنابراین کل سطح فلز به تعداد زیادی محل آندی و سایتهای کاتدی تقسیم میشود. شکل 2 مکانهای آندی و کاتدی را نشان میدهد و پیشرفت خوردگی را نمایش میدهد آنطوریکه در آن فلز از آند از دست میرود، همراه با جریان الکترون از آند به کاتد در داخل فلز. الکترونها به نوبه خود با اکسیژن و آب محیط واکنش میدهند و یونهای هیدروکسیل را تشکیل میدهند.
شکل 2 – نمای کلی محلهای آندی و کاتدی
همانطورکه در واکنش (4) نشان داده شده هر دو یون آهن و یون هیدروکسیل در محلول پخش میشوند و سپس با هم واکنش میدهند تا هیدروکسیدآهن تشکیل شود :
هیدروکسید آهن در حضور اکسیژن فراوان اکسید میشود تا زنگ قهوهای متمایل به قرمز را تشکیل دهد.
واکنشهای (1) تا (5) واکنشهای اساسی هستند که زمانی رخ میدهند که آهن یا فولاد در یک الکترولیت مانند آب دریا یا یک محلول اسیدی قرار میگیرد. با این حال، در موقعیتهای واقعی، این فرآیند پیچیده است.
عامل موثر بر نرخ خوردگی
اکسیژن
در بیشتر موارد، نرخ خوردگی فلزات با در دسترس بودن واکنش دهندهها در سطح فلز و حذف محصولات کنترل میشود. سرعت انتشار واکنش دهندهها میتواند بر در دسترس بودن واکنش دهندهها تأثیر بگذارد.
سطوح فولادی لخت و تازه با سرعت بیشتری نسبت به سطوح پوشیده شده با لایه فشرده زنگ خورده میشوند. نرخ خوردگی به شدت توسط سطح اکسیژن آب در سطح فولاد کنترل میشود. در مناطقی که اکسیژن حضور دارد، خوردگی با سرعت بیشتری رخ میدهد. نواحی با جریان بالا، مانند مجاورت دهانهها، به دلیل افزایش سطح اکسیژن، تمایل به نشان دادن نرخ خوردگی بالاتری دارند، اگرچه در این نواحی فرسایش نیز یک عامل مضاعف است.
دما
از آنجاییکه نرخ خوردگی توسط نرخ انتشار واکنشدهندهها و محصولات تعیین میشود که توسط دما کنترل میشود. نرخ خوردگی در دماهای بالاتر بیشتر از دماهای پایینتر است. در نتیجه، نواحی مجاور تاسیسسات حرارتی، موتورخانه یا مخازن حاوی فرآوردههای گرم شده سریعتر دچار خوردگی میشوند.
رسانایی الکترولیتها
برای وقوع خوردگی، باید یک محیط رسانا (الکترولیت) بین دو قسمت از سطوح فلزی وجود داشته باشد. خوردگی در آب مقطر خالص و بدون مواد محلول رخ نمیدهد و با افزایش رسانایی الکترولیت بهدلیل وجود یونهای حل شده بیشتر در محلول، سرعت خوردگی افزایش مییابد.
آبشیرین فولاد را بهمیزان کمتری نسبت به آبشور یا دهانه رودخانه خورنده میکند و آب دریا معمولاً خورندهترین برای فولاد است.
نوع یونها
برخی از انواع یونهای موجود در آب دریا یا در فرآوردهها، خورندهتر از سایرین هستند. یونهای کلرید معمولاً مخربترین هستند و سولفات و سایر یونهای حاوی گوگرد نیز مشکلات عمدهای را ایجاد میکنند. یونهای کلرید اثر مخربی بر خواص محافظتی هرگونه زنگزدگی ایجادشده با جلوگیری از تشکیل اکسیدهای محافظتر و متراکم دارند. یونهای حاوی گوگرد در واکنشهای تولید الکترون اضافی در خود زنگ دخیل میشوند که به نوبه خود فرآیندی حلقوی و خودبازسازی را تشکیل میدهد.
