خوردگی گالوانیکی: هنگامی که فلزات مختلف به هم می رسند

خوردگی گالوانیکی چیست؟

شما یک خط لوله{0}}جدید فولاد ضد زنگ در کارخانه شیمیایی خود نصب کردید که آن را با اتصالات برنجی و پیچ و مهره های مسی وصل کردید. همه چیز در ابتدا عالی به نظر می رسید. اما فقط شش ماه بعد، متوجه شدید که اجزای مس سبز شده اند، اتصالات برنجی ترک خورده اند، و بدتر از همه - لوله فولادی گران قیمت در نزدیکی نقاط اتصال حفره های عجیبی ایجاد کرده است.

چه مشکلی پیش آمد؟ پاسخ پدیده‌ای است به نام خوردگی گالوانیکی - یکی از رایج‌ترین و پرهزینه‌ترین اشکال تخریب مواد در محیط‌های صنعتی. هرگاه دو فلز مختلف به صورت الکتریکی به هم متصل شده و در یک محلول رسانا (مانند آب دریا، آب اسیدی یا حتی هوای مرطوب) غوطه ور شوند، رخ می دهد. به عبارت ساده: هنگامی که دو فلز مختلف به یکدیگر برخورد می کنند و خیس می شوند، یک فلز شروع به از دست دادن الکترون به دیگری می کند. فلزی که الکترون از دست می دهد آند نامیده می شود - که خورده می شود. فلزی که الکترون می گیرد کاتد نامیده می شود - آن محافظت می شود.

این فرآیند به افتخار لوئیجی گالوانی، فیزیکدان ایتالیایی که این پدیده را در دهه 1780 کشف کرد، نامگذاری شده است. او در حین مطالعه روی تکان دادن پاهای قورباغه با الکتریسیته، به طور ناخواسته یکی از مهم ترین اصول الکتروشیمی را که مهندسان هنوز هم بر آن تکیه می کنند، آشکار کرد.

خوردگی گالوانیکی (همچنین خوردگی دو فلزی نیز نامیده می شود) یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن یک فلز در تماس الکتریکی با فلز دیگر در حضور الکترولیت ترجیحاً خورده می شود. فلز فعال تر (تمایل به خوردگی بیشتر) به آند تبدیل می شود و سریعتر از آن به تنهایی خورده می شود. فلز کمتر فعال به کاتد تبدیل می شود و کندتر خورده می شود - یا اصلاً نمی خورد.

خوردگی گالوانیکی به ویژه خطرناک است زیرا می تواند باعث آسیب سریع و موضعی شود. در حالی که خوردگی عمومی به طور یکنواخت در سطح یک سطح پخش می شود، خوردگی گالوانیکی به یک ناحیه خاص - محل اتصال بین دو فلز - با شدت متمرکز حمله می کند. اتصالی که باید 20 سال دوام بیاورد ممکن است در عرض 2 سال در صورت جفت شدن فلزات اشتباه از بین برود. صنایعی که بیشتر تحت تأثیر قرار می گیرند عبارتند از:

مهندسی دریایی و فراساحلی (آب دریا یک الکترولیت عالی است)

کارخانه های فرآوری شیمیایی و پتروشیمی

نیروگاه های تولید برق و آب شیرین کن

معماری و ساخت و ساز (سقف های فلزی غیر مشابه و سیستم های بست)

خطوط لوله و سیستم های ذخیره سازی نفت و گاز

سری Galvanic: رتبه‌بندی فعالیت‌های فلزی

سری Galvanic (همچنین به نام سری EMF یا نمودار سازگاری گالوانیکی) فلزات و آلیاژها را بر اساس پتانسیل الکتروشیمیایی آنها در آب دریا رتبه بندی می کند. فلزات در بالا (پتانسیل منفی بیشتر) آندی هستند (خورده خواهند شد). فلزات در پایین (پتانسیل مثبت تر) کاتدی هستند (محافظت خواهند شد). هرچه فاصله بین دو فلز در سری بیشتر باشد، هنگام جفت شدن آنها، خوردگی گالوانیکی سریعتر رخ می دهد.

در اینجا یک سری گالوانیکی ساده مربوط به صنعت فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل وجود دارد:

Tتوانایی 1: سری ساده شده گالوانیک در آب دریا (مرجع الکترود کالومل اشباع شده) - منبع: داده های خوردگی ASTM G82 و NACE

قانون عملی:هنگام انتخاب جفت های فلزی، فلزاتی را انتخاب کنید که در مجاورت سری گالوانیکی (در 100 میلی ولت از یکدیگر) قرار دارند تا خطر خوردگی گالوانیکی به حداقل برسد. فاصله بیش از 300 میلی ولت نشان دهنده یک ترکیب خطر بالا است.

چهار عامل کلیدی که خوردگی گالوانیکی را تسریع می کند

نقش الکترولیت

الکترولیت مایع یا رطوبتی است که یون ها را بین آند و کاتد هدایت می کند. هرچه رسانایی الکترولیت بیشتر باشد، خوردگی گالوانیکی سریعتر انجام می شود. آب دریا تهاجمی ترین الکترولیت است - شوری بالای آن (تقریباً 3.5٪ نمک) آن را به یک رسانای عالی تبدیل می کند. به همین دلیل است که محیط های دریایی برای اتصالات فلزی غیرمشابه بیشترین تقاضا را دارند. سایر الکترولیت‌های رایج عبارتند از: آب شیرین (رسانایی متوسط)، محلول‌های اسیدی (بسیار رسانا و خورنده)، هوای مرطوب (فیلم نازک الکترولیتی را تشکیل می‌دهد)، و بتن (آب حفره‌های قلیایی خوردگی فولاد تعبیه‌شده را تسریع می‌کند).

نسبت سطح

سطح نسبی آند و کاتد بسیار مهم است. یک آند کوچک همراه با یک کاتد بزرگ ترکیب خطرناکی است. چرا؟ زیرا همان مقدار جریان خوردگی در یک ناحیه آند کوچکتر توزیع می شود و باعث آسیب متمرکزتر و سریعتر می شود.

برعکس، یک آند بزرگ با یک کاتد کوچک، خوردگی را در یک منطقه بزرگتر پخش می کند و میزان آسیب را کاهش می دهد. به عنوان مثال: یک پیچ فولادی ضد زنگ کوچک (کاتد) که به یک صفحه آلومینیومی بزرگ (آند) رزوه می شود، باعث خوردگی سریع آلومینیوم در سطح مشترک رزوه می شود. اما یک آند فداکاری روی بزرگ متصل به سازه فولادی به آرامی خورده می شود و سال ها از فولاد محافظت می کند.

دما

دماهای بالاتر معمولا واکنش های الکتروشیمیایی را تسریع می کنند. با افزایش دما، رسانایی آب افزایش می‌یابد، یون‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند و نرخ خوردگی بالا می‌رود. با این حال، یک استثنا قابل توجه وجود دارد: در برخی از سیستم های فولاد ضد زنگ غیرفعال، نرخ خوردگی می تواند در دماهای بسیار بالا به دلیل تغییر در پایداری لایه اکسید کاهش یابد. همیشه از برگه داده مواد برای رفتار خاص دما-مشاهده کنید.

طراحی مکانیکی و تأثیر میکروبی

طراحی مکانیکی ضعیف می تواند رطوبت را به دام بیندازد و شکاف هایی را در محل تجمع الکترولیت ایجاد کند. این نواحی خوردگی شکافی به خودی خود تبدیل می‌شوند-با تداوم - الکترولیت در داخل با گذشت زمان متمرکزتر و خورنده‌تر می‌شود. علاوه بر این، خوردگی تحت تأثیر میکروبیولوژیکی (MIC) می‌تواند حمله گالوانیکی را هنگامی که کلونی‌های باکتری در شکاف تشکیل می‌شوند تسریع کند و محیط‌های اسیدی موضعی ایجاد کند.

مطالعات موردی در صنعت فلزات

خرابی مبدل حرارتی دریایی

یک کارخانه نمک‌زدایی ساحلی از لوله‌های تیتانیوم در پوسته آلیاژ مس-نیکل (مس- نیکل) استفاده می‌کرد. اگرچه هر دو ماده به دلیل مقاومت در برابر آب دریا انتخاب شدند، یک زوج گالوانیکی بین تیتانیوم و مس{3}}نیکل تشکیل شد. در عرض 18 ماه، پوسته مس{6}}نیکل، خوردگی شیاردار شدیدی را در رابط ورق لوله ایجاد کرد. علت اصلی: تیتانیوم به طور قابل‌توجهی کاتدیک‌تر از مس-نیکل در آب دریا است (+200 mV در مقابل +50 mV)، که یک نیروی محرکه گالوانیکی قوی ایجاد می‌کند. راه حل: نصب یک واشر غیر رسانا بین ورق لوله و پوسته، مدار الکتریکی را شکست و جفت گالوانیکی را از بین برد.

حادثه مخزن مواد شیمیایی

یک مرکز شیمیایی از مخزن فولاد ضد زنگ 316 لیتری برای ذخیره محلول اسید هیدروکلریک (HCl) استفاده کرد. تانک مجهز به پایه های نگهدارنده فولاد کربنی بود. الکترولیت اسیدی از محلول HCl ارتباط بین فولاد کربن (آند) و فولاد ضد زنگ 316L (کاتد) را پل زد. پایه‌های فولاد کربنی تنها در 8 ماه خورده شدند و یک خطر ایمنی حیاتی ایجاد کردند. راه‌حل: جایگزینی پایه‌های فولاد کربنی با براکت‌های فولادی ضد زنگ 316 لیتری و افزودن یک پوشش محافظ برای جداسازی اجزای فولاد کربنی باقی‌مانده، مشکل را حل کرد.

داستان خط لوله دریایی

یک سکوی نفتی فراساحلی از 254 فلنج فولادی ضد زنگ فوق آستنیتی SMO که با پیچ‌های Hastelloy C-276 در یک محیط سرویس آب دریا متصل شده‌اند، استفاده می‌کرد. در نگاه اول، هر دو آلیاژهای بسیار مقاوم در برابر خوردگی{10}} هستند. با این حال، 254 SMO در سری گالوانیکی بالاتر از Hastelloy C-276 قرار می گیرد و SMO 254 را به آند تبدیل می کند. پیچ‌های Hastelloy C-276 (کاتد) محافظت شده بودند - اما فلنج‌های گران قیمت 254 SMO دچار خوردگی انتخابی در رابط‌های سوراخ پیچ شدند. راه حل: تغییر به پیچ و مهره آلیاژی 625 (از نظر گالوانیکی نزدیک به 254 SMO) خوردگی را متوقف کرد و عمر مفید را تا 15 سال افزایش داد.

چگونه از خوردگی گالوانیکی جلوگیری کنیم؟

استراتژی انتخاب مواد

موثرترین استراتژی پیشگیری از مرحله طراحی شروع می شود. از چارچوب تصمیم گیری زیر استفاده کنید:

جدول 2: ارزیابی ریسک گالوانیک و دستورالعمل‌های اقدام - بر اساس استانداردهای NACE SP0177 و ASTM G82

عایق و ایزوله

نصب مواد نارسانا بین فلزات غیرمشابه یکی از موثرترین و مقرون به صرفه ترین روش های پیشگیری است. راه حل های رایج عبارتند از:

واشر های ترموپلاستیک (نایلون، PTFE/تفلون) بین فلنج ها

واشرهای لاستیکی در اتصالات لوله

آویزها و گیره های لوله غیر رسانا

پوشش های اپوکسی یا پلیمری روی یک یا هر دو سطح فلزی

اتحادیه های دی الکتریک در سیستم های لوله کشی

حفاظت کاتدی

برای سازه های مدفون یا زیر آب، حفاظت کاتدی راه حل استاندارد صنعت است. دو رویکرد استفاده می شود:

سیستم آند قربانی: یک فلز فعال تر (روی، منیزیم یا آلیاژ آلومینیوم) را به سازه وصل کنید. آند قربانی به جای ساختار محافظت شده خورده می شود. رایج برای سکوهای دریایی، مخازن آب، و خطوط لوله زیرزمینی.

سیستم جریان تحت تاثیر: از یک منبع تغذیه خارجی برای اعمال جریان DC محافظ به سازه استفاده کنید و آن را به حالت کاتدی (محافظت شده) تغییر دهید. برای سازه های بزرگ مانند بدنه کشتی ها و خطوط لوله با قطر بزرگ- استفاده می شود.

اصول طراحی

طراحی خوب می تواند خوردگی گالوانیکی را بدون مواد خاصی از بین ببرد. اصول کلیدی:

از آندهای کوچک در مجاورت کاتدهای بزرگ اجتناب کنید - از آندهای قربانی بزرگ استفاده کنید یا سطوح سطح را متعادل کنید.

طراحی برای زهکشی: اطمینان حاصل کنید که آب نمی تواند در اتصالات فلزی جمع شود.

اجازه بازرسی را بدهید: اتصالات فلزی غیر مشابه را در مکان‌های غیرقابل دسترس دفن نکنید.

در صورت امکان از همان-مواد خانواده استفاده کنید: پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ با فلنج های فولادی ضد زنگ.

پوشش‌های درجه{0}دریایی (اپوکسی، پلی اورتان یا آلومینیوم اسپری حرارتی) را روی اجزای فولاد کربنی در محیط‌های دریایی اعمال کنید.

راهنمای جفت کردن مواد برای کاربران فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل

برای حرفه ای هایی که بافولاد ضد زنگو محصولات آلیاژ نیکل، جدول زیر راهنمایی عملی جفت شدن را بر اساس تجربه صنعت و داده های خوردگی ارائه می دهد:

جدول 3: راهنمای جفت سازی مواد برای کاربردهای صنعتی - برای استفاده به عنوان راهنمایی کلی. همیشه برای شرایط خدمات خاص با متخصص مواد مشورت کنید

خلاصه

جدول 4: نکات کلیدی از این مقاله

نتیجه گیری

خوردگی گالوانیکی یک پدیده قابل پیش بینی، قابل پیشگیری و قابل کنترل است. لزومی ندارد که یک راز یا یک خطر اجتناب ناپذیر باشد. با درک سری گالوانیکی، شناخت محیط خود، به کارگیری اصول طراحی هوشمند، و انتخاب ترکیب مواد سازگار، می توانید عمر مفید تجهیزات خود را به میزان قابل توجهی افزایش دهید و خرابی های پرهزینه را کاهش دهید.

درJinie Technology (Jiangsu) Co., Ltd.، ما بیش از 15 سال تجربه در کمک به مشتریان در انتخاب مواد مناسب برای برنامه های کاربردی داریم. تیم فنی ما تفاوت‌های ظریف سازگاری گالوانیکی را در محیط‌های آب دریا، اسیدی و{2}}در دمای بالا درک می‌کند. چه به لوله‌های فولادی ضد زنگ 316 لیتری، اتصالات Hastelloy C276 یا فلنج‌های فوق‌العاده دوبلکس نیاز داشته باشید، ما نه تنها محصولات - را ارائه می‌دهیم، بلکه تخصص لازم را برای اطمینان از عملکرد قابل‌اعتماد آن‌ها در شرایط خدمات خاص شما ارائه می‌کنیم.

اگر شما یک چالش مواد خاص دارید یا به راهنمایی فنی در مورد انتخاب مواد برای یک محیط خورنده نیاز دارید، مهندسان ما هستندآماده کمک کردن.

تماس با ما:Market@jnalloy.com|+86 1933 990 0211|www.jnalloys.com