خوردگی حفره ای چیست و چگونه از آن جلوگیری کنیم

خوردگی حفره ای یکی از خطرناک ترین و فریبنده ترین اشکال تخریب مواد در مهندسی است. برخلاف زنگ‌زدگی سطحی که به راحتی قابل مشاهده است، حفره‌ها از یک نقطه میکروسکوپی منفرد حمله می‌کنند و در اعماق فلز حفاری می‌کنند در حالی که بیشتر سطح را دست نخورده باقی می‌گذارند. زمانی که یک گودال با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است، ممکن است به اندازه کافی به عمق نفوذ کرده باشد که باعث شکستگی ساختاری، نشت فشار یا خرابی فاجعه‌بار شود. مسئول سهم نامتناسبی از خوردگی{3}}حوادث صنعتی، خرابی خط لوله و تعویض قطعات در سراسر جهان است.

این مقاله توضیح می‌دهد که خوردگی حفره‌ای چیست، چرا اتفاق می‌افتد، کدام مواد آسیب‌پذیرتر هستند، چگونه می‌توان مقاومت را با استفاده از ابزارهای علمی مانند شاخص PREN اندازه‌گیری کرد، و - مهم‌تر از همه - چگونه از طریق انتخاب، طراحی و نگهداری مواد هوشمند از آن جلوگیری کرد.

خوردگی حفره ای چیست؟

خوردگی حفره‌ای شکل موضعی حمله الکتروشیمیایی است که در آن حفره‌های کوچکی - به نام چاله‌ها - تشکیل می‌شوند و به سطح فلز نفوذ می‌کنند. در حالی که خوردگی عمومی به طور یکنواخت در سراسر یک سطح پخش می شود و نظارت و پیش بینی نسبتاً آسان است، حفره در نقاط ریز متمرکز می شود، اغلب قطر کمتر از 1 میلی متر در سطح، اما به طور بالقوه چندین میلی متر در عمق ماده.

به این شکل فکر کنید: دو حالت را تصور کنید که در آن آب به کف چوبی آسیب می رساند. در مرحله اول، کل سطح کف مرطوب می شود و به طور یکنواخت متورم می شود - می توانید بلافاصله مشکل را مشاهده کنید. در مرحله دوم، یک قطره لوله پنهان به آرامی چوب را از یک نقطه به پایین می پوسد و بقیه کف را تا روزی که پای شما از آن عبور می کند کاملاً خوب به نظر می رسد. خوردگی حفره‌ای سناریوی دوم است و بسیار خطرناک‌تر است.

چگونه Pitting شروع می شود: شکست فیلم منفعل

اکثر فلزات مقاوم در برابر خوردگی - از جمله فولادهای ضد زنگ و آلیاژهای نیکل - توسط یک لایه نازک و نامرئی اکسید به نام فیلم غیرفعال محافظت می شوند. برای فولاد ضد زنگ، این فیلم عمدتاً اکسید کروم (Cr2O3) است که تنها چند نانومتر ضخامت دارد اما در جلوگیری از رسیدن اکسیژن و رطوبت به فلز زیر آن فوق‌العاده مؤثر است.

حفره زمانی شروع می شود که این فیلم غیرفعال به صورت محلی شکسته شود. این شکست معمولاً توسط یون‌های تهاجمی - که معمولاً یون‌های کلرید (Cl-) از آب نمک، نمک‌های یخ‌زدایی یا مواد شیمیایی صنعتی هستند، ایجاد می‌شود. یون های کلرید کوچک، بسیار متحرک و از نظر شیمیایی تهاجمی هستند. آنها ترجیحاً در نقاط ضعیف به فیلم غیرفعال حمله می کنند: خراش های سطحی، آخال ها (ذرات ناخالصی ریز درون فلز)، تقاطع های مرزی دانه ها، یا مناطقی با تنش پسماند.

هنگامی که فیلم غیرفعال در یک نقطه شکسته می شود، یک سلول الکتروشیمیایی تشکیل می شود. فلز لخت داخل گودال به آند (محل حل شدن فلز) تبدیل می شود، در حالی که سطح دست نخورده اطراف به کاتد تبدیل می شود. گودال اکنون خود-است: شیمی داخل به طور فزاینده‌ای اسیدی و کلرید-غنی می‌شود و انحلال فلز را تسریع می‌کند، در حالی که لایه غیرفعال روی سطح اطراف به طور فعال نرخ خوردگی را در هر جای دیگر سرکوب می‌کند. به همین دلیل است که گودال ها به سمت پایین رشد می کنند نه به سمت بیرون.

سه مرحله توسعه گودال

شروع: فیلم منفعل در نقطه ضعفی خراب می شود. هنوز آسیب قابل مشاهده ای وجود ندارد. مدت زمان بسته به محیط و مواد می تواند روزها تا سالها باشد.

تکثیر: یک گودال فعال رشد می کند. فلز در داخل گودال با سرعتی شتابان حل می شود. گودال ممکن است زیر درپوش محصول خوردگی پنهان شده باشد که تشخیص بصری را دشوار می کند.

نفوذ: گودال به ضخامت کامل دیوار می رسد و باعث ایجاد سوراخ، نشتی یا شکست ساختاری می شود. در سیستم های تحت فشار، این رویداد شکست فاجعه بار است.

چرا خوردگی حفره ای مهم است: هزینه

خوردگی حفره ای فقط یک مفهوم آزمایشگاهی نیست - یک مشکل صنعتی گران، خطرناک و گسترده است. مطالعه سال 2016 NACE International (در حال حاضر AMPP) هزینه جهانی خوردگی سالانه را 2.5 تریلیون دلار تخمین زد که تقریباً 3.4٪ از تولید ناخالص داخلی جهانی را نشان می دهد. حفره و خوردگی موضعی سهم قابل توجهی از این کل را تشکیل می دهد.

جدول 1 - واقعی-تأثیر جهانی خوردگی حفره‌ای بر اساس صنعت

منابع: NACE International Cost of Corrosion Study (2016); گزارش خوردگی FHWA ایالات متحده؛ داده های برنامه پیشگیری و کنترل خوردگی USAF.

کدام فلزات در برابر حفره شدن آسیب پذیرتر هستند؟

تقریباً هر فلز غیرفعال می‌تواند در شرایط - درست یا بهتر بگوییم نادرست - حفره کند. متغیر کلیدی پایداری فیلم غیرفعال در محیط خاص است. جدول زیر فلزات و آلیاژهای مهندسی رایج را بر اساس مقاومت حفره‌ای آنها از آسیب‌پذیرترین تا مقاوم‌ترین رتبه‌بندی می‌کند.

جدول 2 - آسیب‌پذیری حفره‌ای مواد مهندسی رایج

PREN=%Cr + 3.3(×%Mo) + 16(×%N). * تیتانیوم از مکانیزم خوردگی متفاوتی استفاده می کند و PREN به طور مستقیم قابل استفاده نیست. PREN بزرگتر یا مساوی 40 آستانه عمومی برای سرویس آب دریا است.

درک شاخص PREN: کارت امتیازی مقاومت حفره ای شما

عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN) پرکاربردترین شاخص تک عددی-برای مقایسه مقاومت حفره ای فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای نیکل است. این شیمی آلیاژ پیچیده را در یک امتیاز واحد تقطیر می کند و به مهندسان اجازه می دهد تا قبل از انجام آزمایش های دقیق تر، مواد را به سرعت رتبه بندی کنند.

فرمول PREN

هر عنصر در فرمول PREN به طور متفاوتی در مقاومت حفره ای نقش دارد. کروم فیلم منفعل اولیه را تشکیل می دهد. وزن مولیبدن 3.3 برابر بیشتر از کروم است زیرا فیلم غیرفعال را در محیط های کلرید با کارایی قابل توجه تثبیت می کند - افزایش 1% در محتوای مولیبدن مقاومت حفره ای را تقریباً سه برابر بیشتر از افزایش 1% در کروم بهبود می بخشد. وزن نیتروژن 16 برابر است که آن را به قوی ترین تقویت کننده PREN در واحد وزن تبدیل می کند، به همین دلیل است که فولادهای ضد زنگ فوق دوبلکس و فوق آستنیتی عمدا نیتروژن اضافه می کنند.

جدول 3 - چگونه عناصر آلیاژی به مقاومت حفره‌ای کمک می‌کنند

PREN بزرگتر یا مساوی 40: آستانه عمومی صنعت برای مقاومت در برابر حفره آب دریا. PREN بزرگتر یا مساوی 25: حداقل برای محیط های گرم کلرید توصیه می شود. PREN<20: Avoid in any chloride-containing service.

عوامل محیطی که باعث ایجاد و تسریع حفره می شوند

انتخاب ماده تنها نیمی از معادله حفره‌ای است. محیط تعیین می‌کند که آیا حفره‌گذاری آغاز می‌شود و با چه سرعتی پیشرفت می‌کند. جدول زیر متغیرهای کلیدی محیطی و تأثیر آنها بر ریسک حفره ای را مشخص می کند.

جدول 4 - عوامل محیطی مؤثر بر خطر خوردگی حفره ای

چگونه از خوردگی حفره ای جلوگیری کنیم

خوردگی حفره ای تقریباً همیشه قابل پیشگیری است که اقدامات مناسب در مرحله مناسب پروژه انجام شود. پیشگیری در پنج لایه عمل می کند: انتخاب مواد، آماده سازی سطح، طراحی، کنترل عملیاتی و نظارت. موثرترین برنامه های پیشگیری از هر پنج لایه به طور همزمان استفاده می کنند.

لایه 1: انتخاب مواد - PREN را با محیط مطابقت دهید

موثرترین راهبرد پیشگیری از ایجاد حفره، انتخاب ماده ای با PREN کافی برای غلظت کلرید و دمای سرویس مورد نظر است. جدول زیر راهنمای انتخاب مواد عملی بر اساس محیط را ارائه می دهد.

جدول 5 - مواد توصیه شده بر اساس محیط و سطح کلرید

لایه 2: آماده سازی سطح - از فیلم غیرفعال محافظت کنید

اگر سطح آن آلوده یا آسیب دیده باشد، یک جزء فولاد ضد زنگ با شیمی آلیاژ عالی همچنان می تواند حفره کند. هر ساخت فولاد ضد زنگ که با محیطی حاوی کلرید تماس می‌گیرد، باید به عنوان حداقل استاندارد، عملیات سطح زیر را دریافت کند:

ترشی: درمان با محلول اسیدی (معمولاً اسید نیتریک/هیدروفلوریک یا اسید سیتریک) برای حل کردن آلودگی سطحی آهن، مقیاس جوش و رنگ حرارتی ناشی از جوشکاری. ترشی عیوب فیلم غیرفعال را که به عنوان محل شروع گودال عمل می کنند، از بین می برد.

غیرفعال سازی: قرار گرفتن در معرض یک اسید اکسید کننده (معمولا اسید نیتریک در ASTM A967 یا اسید سیتریک در ASTM A967) برای اصلاح و ضخیم شدن لایه اکسید غیرفعال به طور یکنواخت پس از ترشی یا کار مکانیکی.

پرداخت سطح: سطوح صاف تر (Ra پایین تر) شکاف های میکرو{0} کمتری دارند و کمتر مستعد چسبندگی کلرید هستند. پرداخت 2B یا BA برای سرویس خورنده حداقل است. بدون{3}} یا پرداخت برقی برای برنامه‌های پرخطر ترجیح داده می‌شود.

از آلودگی آهن خودداری کنید: ابزارها، برس ها یا دیسک های سنگ زنی از فولاد کربنی هرگز نباید روی سطوح فولادی ضد زنگ استفاده شوند. ذرات آهن جاسازی شده سلول های گالوانیکی ایجاد می کنند که حفره شدن را آغاز می کنند.

لایه 3: طراحی - از بین بردن شکاف ها و مناطق راکد

خوردگی شکاف و حفره‌ای موتور الکتروشیمیایی یکسانی دارند. تمرین خوب طراحی، شرایط هندسی را که کلریدها را متمرکز می‌کند و اکسیژن را کاهش می‌دهد، حذف می‌کند:

به جای اتصالات لبه‌ای یا جوش‌های پره‌ای که شکاف ایجاد می‌کنند،-جوش‌های با نفوذ کامل را مشخص کنید.

تمام رگ ها را به طور کامل تخلیه کنید. طراحی برای عدم ایستادن مایع در زمانی که سیستم ها بیکار هستند. محلول های کلرید راکد در طول زمان غلیظ می شوند.

واشرهای PTFE، لاستیکی یا آلیاژی را مشخص کنید که با مقاومت خوردگی مواد فلنج مطابقت دارد. واشرهای الیافی معمولی می توانند کلریدها را غلیظ کنند.

از کشیدن اتصالات ضد زنگ به بدنه فولاد کربنی خودداری کنید. طراحی برای اتصالات جوش لبه دار یا فلنجی که در آن خطر حفره وجود دارد.

برای جلوگیری از رکود و غلظت کلرید، حداقل سرعت جریان بالای 0.5 متر بر ثانیه را در تمام لوله‌های حامل مایع- حفظ کنید.

لایه 4: کنترل عملیاتی - مدیریت شیمی

کنترل غلظت کلرید در جریان فرآیند. در صورت لزوم از تبادل یونی، اسمز معکوس یا رقت استفاده کنید.

در صورت امکان، pH را در سیستم های آبی بالاتر از 7.0 نگه دارید. اگر نمی توان PH عملیاتی را حفظ کرد، بازدارنده های خوردگی را اضافه کنید.

دمای عملیاتی را به زیر دمای حفره بحرانی (CPT) آلیاژ مشخص شده محدود کنید. هر 10 درجه افزایش بالاتر از CPT به طور چشمگیری شروع چاله را تسریع می کند.

سیستم ها را هنگام خارج کردن از سرویس شستشو و خشک کنید. محلول های کلرید راکد در هنگام خاموش شدن باعث آسیب بیشتر از عملکرد مداوم می شوند.

لایه 5: نظارت بر - تشخیص قبل از اینکه خیلی دیر شود

تست اولتراسونیک (UT): ضخامت دیوار را از بیرون اندازه گیری می کند. عمق گودال را بدون تماس محصول تشخیص می دهد. مقرون به صرفه ترین-روش نظارت معمولی.

تجزیه و تحلیل نویز الکتروشیمیایی (EN): سیگنال های الکتروشیمیایی نوسان تولید شده توسط چاله های فعال را تشخیص می دهد. برای نظارت{1}در زمان واقعی سیستم های حساس مفید است.

آزمایش جریان گردابی (ECT): برای تشخیص حفره در مبدل‌های حرارتی-دیواره نازک و پوسته-و-لوله بدون تخلیه سیستم مؤثر است.

بازرسی بصری + آندوسکوپی: موثر برای سطوح در دسترس. محدود به خط-محدودیت های دید در هندسه پیچیده.

پنج اشتباه رایج در خوردگی حفره ای

سوالات متداول

اینها سوالاتی است که معمولاً توسط مهندسان، تیم های تعمیر و نگهداری و مدیران تدارکات هنگام برخورد با خوردگی حفره ای پرسیده می شود.

س: خوردگی حفره ای چگونه به نظر می رسد؟

پاسخ: حفره ها به صورت سوراخ ها یا حفره های کوچک و مجزا روی یک سطح فلزی ظاهر می شوند که اغلب توسط زنگ زدگی یا محصول خوردگی احاطه شده اند. گودال ها می توانند از قطر میکروسکوپی (مشکل بدون بزرگنمایی) تا چندین میلی متر باشد. در فولاد ضد زنگ، سطح اطراف اغلب کاملاً سالم به نظر می رسد، که باعث می شود گودال از نظر بصری فریبنده باشد. در داخل یک گودال، سطح فلز ناهموار و نامنظم است، با pH محلی پایین (اغلب pH 2-3) و غلظت کلرید بالا.

س: آیا خوردگی حفره ای همان زنگ زدگی است؟

پاسخ: نه، هر چند با هم مرتبط هستند. زنگ نوع خاصی از خوردگی عمومی است که روی فولاد کربنی ایجاد می‌شود و اکسید آهن (Fe2O3) تولید می‌کند که با رنگ نارنجی-قهوه‌ای آن قابل تشخیص است. حفره یک حمله موضعی است که می تواند بر روی فلزات غیرفعال مانند فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و آلیاژهای نیکل که به معنای سنتی زنگ نمی زنند، رخ دهد. یک جزء فولادی ضد زنگ می‌تواند حفره‌های فعالی ایجاد کند که هیچ زنگ نارنجی روی سطح قابل مشاهده نیست - این امر باعث می‌شود حفره‌ها خطرناک‌تر و تشخیص آن سخت‌تر از زنگ‌زدگی عمومی باشد.

س: دمای حفره بحرانی (CPT) چیست؟

A: دمای حفره بحرانی (CPT) دمایی است که بالاتر از آن یک آلیاژ شروع به حفره شدن در محلول تست کلرید استاندارد می کند. این یک پارامتر کلیدی مشخصه آلیاژ است. به عنوان مثال، SS 316L دارای CPT تقریباً 15-18 درجه در شرایط آب دریا است، در حالی که سوپر دوبلکس 2507 دارای CPT بالای 50 درجه و Inconel 625 دارای CPT بالای 100 درجه است. هنگام انتخاب یک ماده، CPT باید از حداکثر دمای سرویس با حاشیه ایمنی مناسب تجاوز کند.

س: آیا خوردگی حفره ای قابل تعمیر است؟

پاسخ: حفره‌های سطحی جزئی را می‌توان گاهی با سنگ‌زنی،-جوشکاری مجدد، یا پولیش الکتریکی، و به دنبال آن-غیرفعال کردن مجدد برطرف کرد. با این حال، از طریق-حفره‌کردن دیوار یا حفره‌های داخلی گسترده معمولاً نیاز به تعویض جزء دارد. در لوله‌کشی تحت فشار، هر حفره‌ای{5}}دیواری یک کد غیر انطباق- است که نیاز به اقدام فوری دارد. پیشگیری همیشه مقرون به صرفه‌تر از تعمیر است: یک بخش لوله فولادی ضد زنگ 6 اینچی که تحت تأثیر حفره‌ها قرار گرفته ممکن است 50 تا 200 دلار هزینه داشته باشد تا به عنوان یک اقدام تعمیر و نگهداری پیشگیرانه جایگزین شود. همان شکستی که باعث خاموشی اضطراری می شود، بسته به فرآیند می تواند 100000 تا 10 میلیون دلار هزینه داشته باشد.

س: آیا رنگ یا پوشش از ایجاد حفره روی فولاد ضد زنگ جلوگیری می کند؟

پاسخ: پوشش‌های محافظ معمولاً برای جلوگیری از ایجاد حفره روی فولاد ضد زنگ اعمال نمی‌شوند، زیرا در اکثر شرایط خدماتی که درجه صحیح انتخاب می‌شوند، غیر ضروری هستند. با این حال، در محیط‌های خارجی خاص (ساختارهای مدفون، اجزای دریایی غوطه‌ور، جوهای صنعتی بسیار تهاجمی)، ترکیبی از فولاد ضد زنگ یا آلیاژ نیکل با{1} PREN بالا با پوشش محافظ و/یا حفاظت کاتدی می‌تواند راه‌حل مهندسی بهینه باشد. خطر پوشش های ضد زنگ این است که هر گونه نقص پوشش (تعطیلات) جریان حفاظت کاتدی را متمرکز می کند و در برخی از پیکربندی ها می تواند در واقع خوردگی را در نقطه عیب تسریع کند.

نتیجه گیری

خوردگی حفره ای فریبنده، خطرناک و گران است - اما قابل پیش بینی و پیشگیری است. علم به خوبی تثبیت شده است، ابزارهای اندازه گیری مقاومت (PREN، تست CPT، ارزیابی الکتروشیمیایی) به طور گسترده در دسترس هستند و اقدامات پیشگیرانه ثابت شده است. شکاف بین پروژه‌ای که دچار شکست حفره‌ای می‌شود و پروژه‌ای که دچار شکست می‌شود، تقریباً همیشه یک شکاف در مشخصات مواد، عملیات سطح، یا عمل طراحی است - نه یک شکاف در دانش مهندسی.

پیام اصلی ساده است: ماده ای را با PREN کافی برای محیط خود انتخاب کنید، از فیلم غیرفعال آن از طریق ترشی و غیرفعال سازی مناسب محافظت کنید، شکاف ها و مناطق راکد در طراحی خود را حذف کنید، و برای علائم اولیه حمله نظارت کنید. این مراحل که به طور مداوم اعمال می شوند، عملاً خوردگی حفره ای را به عنوان یک حالت خرابی در طول عمر کامل یک سیستم حذف می کنند.

برای کاربردهای فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل، انتخاب گرید صحیح قدرتمندترین اقدامی است که یک مهندس می تواند انجام دهد. ارتقاء از SS 304 به SS 316L در یک محیط کلرید ملایم یا ازSS 316Lبهدوبلکس 2205در یک محیط سخت، کسری از یک خاموشی برنامه ریزی نشده هزینه دارد. این سرمایه گذاری برای جلوگیری از تعمیر و نگهداری، جلوگیری از خرابی و حفظ شهرت بارها برای خود هزینه می کند.