امتصاص الأكسجين مقابل تآكل تطور الهيدروجين: الاختلافات الرئيسية

التآكل المائي هو الشكل الأكثر انتشارًا وتدميرًا اقتصاديًا لتدهور المعادن عبر الصناعة, البحرية, بنية تحتية, ومجالات المعالجة الكيميائية.

تعتمد جميع عمليات التآكل الكهروكيميائي الرطب على تفاعلات أكسدة المعادن الأنودية وتفاعلات الاختزال الكاثودية.

استنادا إلى آليات إزالة الاستقطاب الكاثودي متميزة, يتم تصنيف تآكل المعادن المائي بشكل صارم إلى نوعين أساسيين: تآكل تطور الهيدروجين (اللجنة العليا للانتخابات) و تآكل امتصاص الأكسجين (OAC).

يتحكم وضعا التآكل هذان تقريبًا في جميع سيناريوهات فشل المعادن في الطور السائل, ومع ذلك فهي تختلف بشكل جذري في المبادئ الكهروكيميائية, المحفزات البيئية, حركية التفاعل, الخصائص المورفولوجية, واستراتيجيات التحكم.

يعد سوء الحكم على آلية التآكل السائدة سببًا رئيسيًا لعدم فعالية التصميم المضاد للتآكل, فشل سابق لأوانه في المعدات, وزيادة تكاليف الصيانة.

1. ما هو التآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين؟?

تآكل امتصاص الأكسجين, بشكل أكثر دقة يسمى تآكل تخفيض الأكسجين, هي إحدى آليات التآكل الكهروكيميائي الأكثر شيوعًا التي تؤثر على الفولاذ الكربوني والمعادن الأخرى في البيئات المائية.

وهو منتشر بشكل خاص في المياه المحايدة والقلوية بشكل معتدل, حيث يعمل الأكسجين المذاب كمتفاعل كاثودي رئيسي يدعم ذوبان المعدن.

من السهل التغاضي عن هذه الآلية لأنها لا تؤدي بالضرورة إلى ضرر سريع أو كبير في البداية. بدلاً من, قد يستمر التآكل ببطء نسبيًا ولكن بشكل مستمر.

على مدى أشهر أو سنوات, هذا الفقد التدريجي للمعادن يمكن أن يقلل من سمك الجدار, إنشاء منتجات التآكل, بدء هجوم موضعي, ويؤدي في النهاية إلى التسرب أو الانثقاب.

التفسير الهندسي البسيط هو:

يوفر الماء المنحل بالكهرباء, الأكسجين المذاب يحافظ على التفاعل الكاثودي, ويقوم المعدن بتزويد الإلكترونات من خلال الذوبان الأنودي.

ولهذا السبب فإن تآكل الأكسجين مهم بشكل خاص في الأنظمة التي تتعرض فيها المياه للهواء بشكل متكرر أو يتم تداولها بشكل مستمر.

تشمل البيئات الصناعية النموذجية أنظمة الماء المبرد لتكييف الهواء المركزي, حلقات مياه التبريد الصناعية, أبراج التبريد, خطوط أنابيب المياه البلدية والبناء, الدبابات, مبادلات حرارية, وأنظمة معالجة المياه المختلفة.

على الرغم من أن المياه المحايدة والقلوية الضعيفة هي البيئة الكلاسيكية, يمكن أن يساهم تقليل الأكسجين أيضًا في التآكل في ظل الظروف الحمضية.

تؤدي زيادة الحموضة بشكل عام إلى تغيير حركية الكاثود ويمكن أن تؤدي إلى تسريع التآكل الكلي, بينما قد يستمر اختزال الأكسجين في العمل جنبًا إلى جنب مع تفاعلات تطور الهيدروجين.

أين يحدث التآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين؟?

يمكن أن يتطور التآكل الناتج عن تقليل الأكسجين عندما يتعرض سطح معدني لمحلول إلكتروليت مائي يحتوي على أكسجين مذاب.

تعتمد شدتها على تركيز الأكسجين, كيمياء المياه, درجة حرارة, تدفق, حالة السطح, وقدرة الأكسجين على الوصول إلى المعدن.

أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء المركزية وأنظمة المياه المبردة

يمكن لأنظمة الدورة الدموية المفتوحة أو سيئة نزع الهواء أن تقوم بإدخال الأكسجين إلى الماء بشكل مستمر.

مضخات, خزانات التوسع, ماء المكياج, تسرب, وأنشطة الصيانة قد توفر جميعها فرصًا لدخول الهواء.

يمكن لأنابيب ومكونات الفولاذ الكربوني أن تتطور تدريجياً إلى تآكل عام, رواسب الصدأ, والهجوم الموضعي عندما لا يتم التحكم في الأكسجين بشكل كاف.

أنظمة مياه التبريد الصناعية

غالبًا ما تجمع أنظمة التبريد بين دوران المياه, ارتفاع درجة الحرارة, الأملاح الذائبة, والاتصال المستمر بالهواء.

ولأبراج التبريد أهمية خاصة لأن المياه تتعرض عمدًا للغلاف الجوي.

يؤدي ذلك إلى إنشاء إمداد مستمر بالأكسجين يمكنه دعم التآكل في الأنابيب المصنوعة من الفولاذ الكربوني, مبادلات حرارية, الدبابات, وغيرها من المعدات المعدنية.

أبراج التبريد

أبراج التبريد هي بيئات كلاسيكية غنية بالأكسجين لأن الماء يتوزع على مساحات كبيرة ويتفاعل بشكل مباشر مع الهواء الجوي.

مزيج من:

واجهة مائية هوائية كبيرة + الدورة الدموية المستمرة + الأملاح الذائبة + اختلاف درجة الحرارة

يمكن أن يخلق ظروفًا مواتية للتآكل إذا لم تتم إدارة كيمياء المياه والتحكم في التآكل بشكل صحيح.

أنظمة المياه البلدية والبناء

قد تتعرض أنابيب توزيع المياه وأنظمة التخزين أيضًا للتآكل المرتبط بالأكسجين, خاصة في الأماكن التي تظل فيها المياه مهوية وتوجد معادن معرضة للتآكل.

أقسام التدفق المنخفض, أرجل ميتة, المناطق سيئة التصريف, ويمكن للمياه الراكدة أن تخلق اختلافات كبيرة في تركيز الأكسجين المحلي وبالتالي تساهم في التآكل الموضعي.

أنظمة المياه النقية أو المعالجة ذات درجة الحرارة المحيطة

فحتى المياه النظيفة نسبيًا لا تكون تلقائيًا غير قابلة للتآكل. انخفاض التلوث الأيوني قد يقلل من توصيل المنحل بالكهرباء, لكن الأكسجين المذاب لا يزال بإمكانه المشاركة في التفاعلات الكهروكيميائية.

يعتمد سلوك التآكل الناتج على المعدن, درجة حرارة, تركيز الأكسجين, ظروف التدفق, والفيلم السطحي.

كيف يعمل التآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين؟?

تتكون عملية التآكل من تفاعلات أنودية وكاثودية مقترنة.

في منطقة انوديك, يفقد المعدن إلكترونات ويدخل إلى المياه المحيطة على شكل أيونات معدنية.

ثم تنتقل تلك الإلكترونات عبر الهيكل المعدني باتجاه المناطق الكاثودية, حيث يتم تقليل الأكسجين المذاب.

للحديد والصلب الكربوني, التسلسل المبسط هو:

انحلال المعدن ← إطلاق الإلكترون ← اختزال الأكسجين ← تكوين الهيدروكسيد ← تطوير منتجات التآكل

وبالتالي فإن الأكسجين المذاب يعمل كمستقبل للإلكترون يسمح باستمرار تفاعل الذوبان الأنودي.

وهذا ما يفسر سبب استمرار التآكل حتى عندما يبدو السطح المعدني مستقرًا بصريًا.

تحدث العملية الكهروكيميائية في المواقع الأنودية والكاثودية المجهرية التي قد تتغير بمرور الوقت.

المنتجات المرئية النهائية هي الصدأ البني, أكاسيد سوداء, رواسب برتقالية, أو عقيدات التآكل السميكة - هي منتجات ثانوية للتفاعلات الكهروكيميائية وليست آلية التآكل الأولية نفسها.

تغير درجة الحرارة أيضًا سلوك تآكل الأكسجين

درجة الحرارة لها تأثيرات متنافسة.

تؤدي زيادة درجة الحرارة عمومًا إلى تسريع حركية التفاعل الكهروكيميائي والعمليات المرتبطة بالانتشار.

في نفس الوقت, تنخفض قابلية ذوبان الأكسجين في الماء عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة عند الضغط الجوي.

بالتالي, لا يمكن التنبؤ بتأثير درجة الحرارة على التآكل الناتج عن تقليل الأكسجين من درجة الحرارة وحدها.

للأنظمة الهندسية, فمن الضروري النظر:

درجة حرارة + الأكسجين المذاب + تدفق + كيمياء المياه + استقرار فيلم التآكل

وهذا مهم بشكل خاص لأنظمة التبريد والمبادلات الحرارية حيث يمكن أن تتغير درجة حرارة الماء بشكل كبير في جميع أنحاء الدائرة.

الخصائص النموذجية للتآكل بامتصاص الأكسجين

الإستراتيجية الأساسية لمكافحة التآكل للتآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين

الهدف الرئيسي هو تقليل الظروف التي تسمح بتخفيض الأكسجين للحفاظ على انحلال المعدن الأنودي.

تقليل التعرض للأكسجين

حيث يسمح تصميم النظام, يمكن أن يؤدي تقليل دخول الهواء والأكسجين المذاب إلى تقليل القوة الدافعة للتآكل الناتج عن تقليل الأكسجين.

وتشمل التدابير الممكنة نزع الهواء الخاضع للرقابة, التقليل من دخول الهواء غير الضروري, والحد من التعرض المتكرر للمياه المتداولة للأكسجين الجوي.

استخدام مثبطات التآكل

يمكن للمثبطات المناسبة أن تتداخل مع ذوبان الأنوديك, ردود الفعل الكاثودية, أو كليهما.

يجب أن يعتمد الاختيار على المعدن المحدد, كيمياء المياه, درجة حرارة التشغيل, والمتطلبات البيئية.

إنشاء أفلام واقية

لبعض أنظمة المياه, يمكن أن تؤدي معالجات التصوير المسبق أو التخميل إلى خلق حالة سطحية أكثر حماية. تعتمد الفعالية بشدة على كيمياء المواد والمياه.

مقياس التحكم والحمأة

تساعد إزالة الرواسب على منع نمو خلايا التهوية التفاضلية.

معالجة المياه, الترشيح, تفجير, تنظيف, وبالتالي فإن التحكم في الرواسب يمكن أن يقلل بشكل غير مباشر من تآكل الأكسجين الموضعي.

السيطرة على كيمياء المياه

PH, القلوية, الموصلية, كلوريد, المواد الصلبة الذائبة, النشاط الميكروبيولوجي, ويمكن أن يؤثر تركيز المانع على سلوك التآكل.

التحكم في درجة الحموضة مهم, ولكن لا ينبغي اختزال تآكل الأكسجين في مشكلة بسيطة تتمثل في "ضبط درجة الحموضة"..

قد يظل توفر الأكسجين والتهوية التفاضلية مهمًا حتى عندما يكون الرقم الهيدروجيني ضمن نطاق التشغيل المقصود.

2. ما هو التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين؟?

تطور الهيدروجين تآكل هي آلية تآكل كهروكيميائي ينتج فيها التفاعل الكاثودي الهيدروجين على سطح المعدن.

ويرتبط بشدة بالبيئات المائية الحمضية, حيث تكون أيونات الهيدروجين متاحة بسهولة لقبول الإلكترونات المنبعثة أثناء ذوبان المعدن الأنودي.

بالمقارنة مع التآكل الناتج عن تقليل الأكسجين, والتي غالبا ما تكون عملية مستمرة في المياه الغازية, يمكن أن يكون التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين أكثر عدوانية في ظل الظروف الحمضية بدرجة كافية.

للصلب الكربوني والعديد من المعادن النشطة الأخرى, يمكن أن يؤدي خفض درجة الحموضة في المحلول إلى زيادة معدل الذوبان الأنودي بشكل كبير لأن تفاعل تطور الهيدروجين الكاثودي يمكن أن يستمر بسهولة.

هذا هو السبب في حدوث تآكل تطور الهيدروجين بشكل متكرر أثناء التخليل الحمضي, التنظيف الكيميائي, إزالة الترسبات, عمليات المعالجة الحمضية, معالجة مياه الصرف الصحي الحمضية, وغيرها من العمليات التي تنطوي على محاليل منخفضة الرقم الهيدروجيني.

وصف عملي مبسط هو:

يفقد المعدن الإلكترونات, تستهلك أيونات الهيدروجين تلك الإلكترونات, ويتشكل غاز الهيدروجين على السطح.

وبالتالي فإن فقاعات الهيدروجين المرئية ليست هي سبب التآكل. إنها نتاج التفاعل الكاثودي الذي يسمح باستمرار أكسدة المعادن.

سيناريوهات الحدوث

يكون تطور الهيدروجين مهمًا بشكل خاص عندما يكون المنحل بالكهرباء حمضيًا أو عندما يتعرض المعدن لاستقطاب كاثودي قوي.

تتضمن السيناريوهات الشائعة:

• التخليل حمض: يزيل الحمض مقياس الأكسيد من الفولاذ, لكن التعرض المفرط يمكن أن يهاجم المعدن الأساسي أيضًا.
• إزالة الترسبات الكيميائية والتنظيف: يمكن أن تستمر المحاليل الحمضية المستخدمة لإزالة الرواسب في إذابة الركيزة بعد إزالة الرواسب.
• أنظمة مياه الصرف الصحي الحمضية: يمكن لمياه الصرف الصحي ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض أن تهاجم بشكل مستمر أنابيب الفولاذ الكربوني, الدبابات, وغيرها من المعدات.
• أنظمة المياه المعالجة الحمضية: قد تنتج السوائل الصناعية التي تحتوي على أحماض معدنية أو عضوية تآكلًا شديدًا.
• الحماية الكاثودية: الإمكانات السلبية المفرطة يمكن أن تزيد من توليد الهيدروجين, خاصة على الفولاذ عالي القوة.
• المعالجة الكهروكيميائية: يمكن أن يتطور الهيدروجين أثناء الطلاء الكهربائي, الاستخلاص الكهربائي, تخليل, وغيرها من العمليات الكاثودية.

تعتمد شدتها على أكثر من الرقم الهيدروجيني. تركيز الحمض, درجة حرارة, وقت التعرض, نوع الحمض, تكوين سبائك, حالة السطح, تدفق, وفعالية المثبط يمكن أن تغير معدل التآكل بشكل كبير.

آلية التآكل

يتكون التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين من عمليات أنوديك وكاثودية مقترنة.

في مواقع انوديك, يفقد المعدن الإلكترونات ويذوب في المنحل بالكهرباء.

تنتقل الإلكترونات المحررة عبر المعدن باتجاه المواقع الكاثودية, حيث تستهلكها الأنواع المحتوية على الهيدروجين.

في الوسائط الحمضية, يتم تقليل أيونات الهيدروجين على السطح, في نهاية المطاف تشكيل الهيدروجين الجزيئي. في بيئات أقل حمضية, الحد من المياه يمكن أن يوفر مصدر الهيدروجين.

وبالتالي يمكن فهم العملية برمتها على أنها:

انحلال المعدن ← نقل الإلكترون ← اختزال الهيدروجين ← تكوين الهيدروجين السطحي ← تطور غاز الهيدروجين

البيئة الحمضية

في المحاليل الحمضية القوية, يمكن أن يستمر اختزال البروتون بسهولة في العديد من المعادن النشطة.

وهذا يسمح للتفاعل الكاثودي بالحفاظ على الذوبان الأنودي السريع, وهذا هو السبب في أن الفولاذ الكربوني يمكن أن يتآكل بسرعة كبيرة أثناء المعالجة الحمضية غير المنضبطة.

حركية السطح

تطور الهيدروجين يعتمد بشكل كبير على سطح المعدن. الهيدروجين الزائد, النشاط الحفاز, أفلام أكسيد, عناصر السبائك, الودائع, وحالة السطح كلها تؤثر على معدل التفاعل.

بالتالي, يمكن أن يظهر معدنان يتعرضان لنفس الحمض سلوكًا مختلفًا للتآكل.

دخول الهيدروجين إلى المعدن

ليس بالضرورة أن يترك كل الهيدروجين المولد على السطح كغاز. قد يبقى جزء ممتز على السطح و, في ظل ظروف مناسبة, أدخل المعدن.

وهذا يخلق تسلسل محتمل:

توليد الهيدروجين ← الامتزاز ← الامتصاص ← الانتشار/الاصطياد

للفولاذ عالي القوة, يمكن أن يساهم الهيدروجين الممتص في تقصف الهيدروجين أو التكسير بمساعدة الهيدروجين عندما يقترن بالإجهاد المناسب وظروف البنية الدقيقة.

الأهم من ذلك, تطور الهيدروجين وتقصف الهيدروجين ليسا مترادفين.

يوفر تطور الهيدروجين مصدرًا محتملاً للهيدروجين; تحدد قابلية المواد وامتصاص الهيدروجين ما إذا كان هناك ضرر كبير يتطور.

الخصائص النموذجية

يتميز التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين بالعديد من الخصائص التي تميزه عن التآكل الناتج عن تقليل الأكسجين.

إحدى الخصائص المهمة بشكل خاص هي أن التآكل الشديد لا ينتج بالضرورة صدأًا وفيرًا.

في بيئة حمضية, قد تظل منتجات تآكل الحديد مذابة بدلاً من تكوين رواسب سميكة ذات لون بني محمر والتي يتم ملاحظتها بشكل شائع في المياه المحايدة الغازية.

نتيجة ل, يمكن أن يبدو المكون نظيفًا نسبيًا أثناء حدوث خسارة كبيرة في المعدن الأساسي.

الاستراتيجية الأساسية لمكافحة التآكل

الهدف الأساسي هو التحكم في الظروف الكيميائية والكهروكيميائية التي تسمح بإذابة المعادن بشكل مفرط وتوليد الهيدروجين.

السيطرة على تركيز الحمض

استخدم فقط تركيز الحمض المطلوب لتحقيق هدف التنظيف أو المعالجة المقصود. الحموضة الزائدة يمكن أن تسرع هجوم الركيزة.

الحد من وقت التعرض

يجب أن يكون للمعالجة الحمضية نافذة عملية محددة. بمجرد إزالة النطاق أو الودائع, يؤدي التعرض المستمر إلى زيادة فقدان المعادن الأساسية دون توفير فوائد عملية معادلة.

التحكم في درجة الحرارة

يمكن أن يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى تسريع حركية التفاعل الكهروكيميائي.

ولذلك يجب أن يتم التنظيف بالأحماض ضمن نطاق درجة حرارة معتمد بدلاً من الاعتماد على درجات حرارة مرتفعة بلا داع.

استخدم مثبطات التآكل المناسبة

يمكن للمثبطات أن تقلل من هجوم الحمض على المعدن الأساسي بينما تسمح للحمض بأداء وظيفة التنظيف المقصودة.

يجب التحقق من صحة المانع الصحيح والتركيز للحمض المحدد, سبيكة, ودرجة حرارة التشغيل.

شطف وتحييد على الفور

بعد العلاج الحمضي, يجب إزالة الحمض المتبقي بسرعة من خلال إجراءات الشطف والتحييد المناسبة لمنع استمرار الهجوم أثناء التخزين أو المعالجة اللاحقة.

السيطرة على الحماية الكاثودية

للهياكل المحمية, يجب الحفاظ على الإمكانات ضمن نطاق التحكم المحدد. يمكن للإمكانات السلبية المفرطة أن تزيد من تطور الهيدروجين وتخلق مخاطر امتصاص الهيدروجين.

النظر في قابلية المواد

حيث لا يمكن تجنب توليد الهيدروجين, يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار قابلية الهيدروجين, خاصة بالنسبة للفولاذ عالي القوة والسبائك الأخرى المعرضة للتكسير بمساعدة الهيدروجين.

3. تخفيض الأكسجين مقابل. تطور الهيدروجين التآكل: الفرق الأساسي

على الرغم من أن كلا الآليتين عبارة عن عمليات كاثودية تدعم انحلال المعدن الأنودي, أنها تختلف بشكل أساسي في المواد المتفاعلة الخاصة بهم, المتطلبات البيئية, العوامل المسيطرة, سلوك التآكل, واستراتيجيات الوقاية.

4. تخفيض الأكسجين وتطور الهيدروجين في أنظمة التآكل الحقيقي

في البيئات الصناعية الفعلية, نادرًا ما يتبع التآكل آلية معزولة تمامًا.

يمكن أن يحدث اختزال الأكسجين وتطور الهيدروجين في وقت واحد, التنافس على التيار الكاثودي, أو تصبح مهيمنة في مواقع ومراحل مختلفة من الخدمة.

التوازن يعتمد على الأكسجين المذاب, PH, إمكانات القطب, درجة حرارة, تكوين المنحل بالكهرباء, ظروف التدفق, والخصائص الكهروكيميائية للسطح المعدني.

وهذا مهم بشكل خاص عند تحليل حالات الفشل. قد لا يكون تحديد البيئة ببساطة على أنها "تآكل الأكسجين" أو "التآكل الحمضي" كافياً.

يمكن أن يتغير رد الفعل الكاثودي السائد مع تغير البيئة المحلية.

المياه المحايدة الغازية: عادة ما يهيمن تخفيض الأكسجين

في أنظمة المياه المفتوحة أو المؤكسجة, الأكسجين المذاب متاح بسهولة على سطح المعدن.

بالنسبة للعديد من أنظمة الفولاذ الكربوني التي تعمل بالقرب من درجة الحموضة المحايدة, وبالتالي فإن تخفيض الأكسجين هو عملية كاثودية مهمة.

تشمل الأمثلة النموذجية:

• دوائر مياه التبريد الصناعية
• أبراج التبريد
• صهاريج تخزين مفتوحة
• أنظمة تداول التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).
• أنابيب المياه
• أفلام المياه الجوية

في ظل هذه الظروف, غالبًا ما يتميز التآكل بفقدان المعادن بشكل تدريجي ولكن مستمر.

يمكن لدورة المياه تجديد الأكسجين المذاب بشكل مستمر, في حين أن الرواسب والمناطق الراكدة يمكن أن تخلق اختلافات محلية في تركيز الأكسجين.

الاهتمامات الهندسية الرئيسية هي ترقق الجدار العام, تآكل التهوية التفاضلية, تأليب, والهجوم المحلي بمساعدة الودائع.

الماء منزوع الهواء: إزالة الأكسجين يغير المسار الكاثودي

يمكن لنزع الهواء أن يمنع بشكل كبير تقليل الأكسجين, لكنه لا يقضي بالضرورة على التآكل.

بمجرد أن يصبح الأكسجين المذاب نادرًا, قد تدعم عملية كاثودية أخرى استهلاك الإلكترون.

اعتمادا على الرقم الهيدروجيني, محتمل, درجة حرارة, والسطح المادي, يمكن أن يصبح تقليل المياه وتطوير الهيدروجين ذا أهمية متزايدة.

وهذا ينتج تمييزًا هندسيًا مهمًا:

يمكن لنزع الهواء إزالة مسار كاثودي رئيسي واحد دون جعل المعدن غير نشط كهروكيميائيًا.

وقد ينخفض ​​معدل التآكل الناتج بشكل كبير, ولكن لا يزال يتعين النظر في العملية الكاثودية المتبقية.

وهذا مهم بشكل خاص في أنظمة المياه الصناعية المغلقة حيث يمكن أن يتغير تركيز الأكسجين بشكل مستمر أثناء بدء التشغيل, اغلق, صيانة, أو العلاج الكيميائي.

المحاليل الحمضية والغازية: كلا التفاعلين قد يتعايشان

يمكن أن يحتوي المحلول الحمضي على أيونات الهيدروجين والأكسجين المذاب.

في ظل هذه الظروف, قد يدعم السطح الكاثودي:

تخفيض الأكسجين

و

تطور الهيدروجين

في نفس الوقت.

أي تفاعل يساهم بشكل أكبر في إجمالي التيار الكاثودي يعتمد على حركية سطح المعدن, نقل الأكسجين, PH, وإمكانات القطب.

في بداية التعرض, قد يُظهر المحلول الحمضي الغني بالأكسجين نشاطًا كبيرًا في تقليل الأكسجين.

مع استهلاك الأكسجين أو تقييد النقل, يمكن أن يصبح تطور الهيدروجين أكثر أهمية نسبيًا.

هكذا, يمكن أن تتطور الآلية الكاثودية مع مرور الوقت:

غني بالأكسجين ← السلوك الكاثودي المختلط ← مستنفد الأكسجين ← مساهمة أكبر للهيدروجين

هذا السلوك الديناميكي له أهمية خاصة في الشقوق, الودائع, السفن المغلقة, والأقسام الراكدة.

الشق والتآكل تحت الودائع

توفر الشقوق مثالا كلاسيكيا لكيفية تغير التفاعل الكاثودي المحلي.

في بداية التعرض, قد يكون الأكسجين موجودًا داخل الشق وخارجه.

حيث أن المنطقة المغلقة تستهلك الأكسجين بشكل أسرع مما يمكن تجديده, ينخفض ​​​​تركيز الأكسجين داخل الشق.

قد يستمر السطح الخارجي في دعم تقليل الأكسجين, بينما يصبح الشق المستنفد للأكسجين أنوديًا نسبيًا.

وهذا يخلق خلية كهروكيميائية محلية:

كما يتطور التآكل, يمكن أن تصبح الكيمياء المحلية عدوانية بشكل متزايد.

تركيز الكلوريد, حموضة, منتجات التحلل المائي, وقد يؤدي تراكم منتجات التآكل إلى تسريع الهجوم الموضعي.

النقطة المهمة هي أن تقليل الأكسجين يمكن أن يكون مسؤولاً عن القوة الدافعة الكهروكيميائية خارج الشق, بينما يحدث التحلل الشديد للمعادن بداخله.

أنظمة مياه التبريد: مثال صناعي عملي

تحتوي أنظمة مياه التبريد في كثير من الأحيان على جميع المتغيرات التي تجعل من الصعب تشخيص التآكل:

الأكسجين المذاب + تدفق + درجة حرارة + أملاح + الودائع + الكائنات الحية الدقيقة + تغيير الكيمياء

قد يهيمن تقليل الأكسجين على السلوك الكاثودي في الأجزاء المؤكسجة من الدائرة.

في نفس الوقت, يمكن للرواسب والأغشية الحيوية أن تخلق بيئات دقيقة مستنفدة للأكسجين حيث يصبح التآكل الموضعي شديدًا.

يمكن أن تكون النتيجة متوسط ​​معدل تآكل معتدل ومخادع بالإضافة إلى حفر عميقة محليًا.

لهذا السبب, إن مراقبة كيمياء المياه السائبة فقط قد لا تصف بشكل كافٍ حالة تآكل المكونات الفردية.

التخليل الحمضي والتنظيف الكيميائي

يوفر التنظيف الحمضي بيئة متناقضة.

يهدف الحمض إلى إزالة الحجم أو الرواسب, لكن نفس الكيمياء يمكنها أيضًا مهاجمة الركيزة المكشوفة.

يصبح تطور الهيدروجين تفاعلًا كاثوديًا مهمًا, خاصة عندما يكون المحلول حامضيًا بقوة.

قد تحدث فقاعات مرئية أثناء توليد الهيدروجين.

تسلسل العملية النموذجي هو:

إزالة القشور ← التعرض للركيزة ← الهجوم الحمضي المستمر ← تطور الهيدروجين ← فقدان المعادن

إذا استمرت عملية التنظيف لفترة طويلة, قد يقوم المشغل بإزالة ليس فقط الرواسب غير المرغوب فيها ولكن أيضًا كمية متزايدة من المعدن الأساسي.

هذا هو السبب في تركيز الحمض, درجة حرارة, وقت العلاج, تركيز المانع, ويجب التحكم في عملية الشطف بعد التنظيف كعملية واحدة وليس بشكل مستقل.

الحماية الكاثودية: التحكم في التآكل يمكن أن يزيد من توليد الهيدروجين

تعمل الحماية الكاثودية على تحويل البنية المحمية بشكل متعمد نحو إمكانات أكثر سلبية لقمع انحلال الأنوديك.

يمكن أن يكون هذا فعالاً للغاية بالنسبة لخطوط الأنابيب, الهياكل البحرية, الدبابات, وأنظمة الصلب المدفونة.

لكن, حيث تصبح الإمكانات سلبية بشكل متزايد, يمكن أن يصبح تطور الهيدروجين أكثر أهمية.

وهذا يخلق مقايضة هندسية حاسمة:

انخفاض التآكل انوديك ↔ يحتمل أن يكون توليد الهيدروجين أعلى

للمواد المعرضة للتكسير بمساعدة الهيدروجين, وخاصة بعض الفولاذ عالي القوة, وبالتالي فإن الاستقطاب الكاثودي المفرط يمكن أن يقدم آلية فشل مختلفة حتى أثناء تقليل التآكل التقليدي.

وبالتالي يجب تصميم الحماية الكاثودية حول المادة, بيئة, حالة الطلاء, ومعايير الحماية المعمول بها, بدلاً من مجرد تعظيم الإمكانات السلبية.

المياه المتدفقة: نقل الأكسجين والنقل الجماعي

يمكن أن يؤثر التدفق بقوة على تآكل تقليل الأكسجين عن طريق تغيير نقل الأكسجين المذاب إلى سطح المعدن.

يمكن أن يؤدي التدفق العالي إلى تقليل سمك الطبقة الحدودية للانتشار وزيادة نقل الأكسجين.

لكن, والنتيجة ليست ارتفاع معدل التآكل عالميًا لأن التدفق يمكنه تعديل الأفلام الواقية في نفس الوقت, إزالة منتجات التآكل, توزيع المانع, والتآكل.

بسرعات عالية بما فيه الكفاية, تآكل التآكل يمكن أن تصبح مهمة.

يمكن أيضًا أن يتأثر تطور الهيدروجين بالتدفق, لكن علاقتها بالتدفق تختلف عمومًا لأن المتفاعل الكاثودي ليس أكسجينًا مذابًا.

قد يقوم التدفق بدلاً من ذلك بتعديل التركيز المحلي, حالة السطح, درجة حرارة, وإزالة فقاعات الهيدروجين.

تغير درجة الحرارة التوازن بين الآليتين

تؤثر درجة الحرارة على كل من تقليل الأكسجين وتطور الهيدروجين, ولكن من خلال آليات مختلفة ومتنافسة في بعض الأحيان.

تؤدي زيادة درجة الحرارة بشكل عام إلى تسريع الحركية الكهروكيميائية.

في نفس الوقت, يتناقص تركيز الأكسجين المذاب في الماء عادة مع ارتفاع درجة الحرارة عند ضغط معين.

بالتالي:

درجة حرارة أعلى → حركية رد فعل أسرع

ولكن أيضا:

ارتفاع درجة الحرارة → انخفاض ذوبان الأكسجين في التوازن

وبالتالي فإن النتيجة الصافية للتآكل الناتج عن تقليل الأكسجين ليست واضحة دائمًا.

يمكن أيضًا أن يتسارع تطور الهيدروجين مع درجة الحرارة لأن حركية التفاعل تزداد عمومًا, لكن سلوك التآكل الناتج لا يزال يعتمد على الرقم الهيدروجيني, محتمل, حالة السطح, والقابلية المادية.

5. خاتمة

يعد التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين والتآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين هما الآليتان الكهروكيميائيتان الأساسيتان لتآكل المعادن المائية, مع اختلافات جوهرية في التكيف البيئي, حركية التفاعل, الضرر المورفولوجي, ومنطق السيطرة.

يحدث التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين في البيئات الحمضية منخفضة الأكسجين, تتميز بذوبان معدني موحد يتم التحكم فيه عن طريق التفاعلات الكهروكيميائية البينية.

يهيمن التآكل الناتج عن امتصاص الأكسجين في المياه المحايدة/القلوية الغنية بالأكسجين, تقديم تآكل موضعي مدمر مقيد بنقل كتلة انتشار الأكسجين.

تنبع معظم أعطال المعدات المائية الصناعية من تآكل امتصاص الأكسجين, بينما يقتصر التآكل الناتج عن تطور الهيدروجين على سيناريوهات عملية حمضية محددة.

للتحكم في التآكل الصناعي, تحديد آلية التآكل السائدة أولا, ثم اعتماد اختيار المواد المستهدفة, تعديل متوسط, وتدابير الحماية يمكن أن تزيد من كفاءة مكافحة التآكل, تقليل معدلات فشل المعدات, وخفض تكاليف التشغيل والصيانة على المدى الطويل.

إن إتقان هاتين الآليتين الأساسيتين هو الفرضية الأساسية لتصميم هندسة التآكل الاحترافية وتحليل الفشل.

 

التعليمات

ما هو الفرق الرئيسي بين الحد من الأكسجين وتطور الهيدروجين؟?

يستخدم اختزال الأكسجين الأكسجين المذاب كمتفاعل كاثودي, بينما تطور الهيدروجين يقلل من أيونات الهيدروجين أو الماء وينتج الهيدروجين.

يرتبط تقليل الأكسجين بقوة بالمياه الغازية, في حين يصبح تطور الهيدروجين مهمًا بشكل خاص في البيئات الحمضية أو المستقطبة بقوة كاثودية.

هل يمكن أن يحدث اختزال الأكسجين وتطور الهيدروجين في نفس الوقت؟?

نعم. يمكن أن يحتوي المحلول الحمضي على كل من الأكسجين المذاب وأيونات الهيدروجين, مما يسمح بحدوث التفاعلات الكاثودية في وقت واحد.

تعتمد مساهماتها النسبية على الرقم الهيدروجيني, تركيز الأكسجين, إمكانات القطب, حركية السطح, والنقل الجماعي.

هل إزالة الأكسجين المذاب يوقف التآكل؟?

لا. يمكن أن يؤدي نزع الهواء إلى قمع تخفيض الأكسجين بقوة, لكن ردود الفعل الكاثودية الأخرى, بما في ذلك الحد من المياه وتطور الهيدروجين, يمكن أن تستمر في ظل الظروف المناسبة.

لماذا يسبب استنفاد الأكسجين تآكل الشق؟?

يتم استهلاك الأكسجين الموجود داخل الشق المحدود بشكل أسرع مما يمكن تجديده.

يؤدي هذا إلى إنشاء خلية تهوية تفاضلية تصبح فيها المنطقة المستنفدة للأكسجين أنودية نسبيًا وتتعرض لتحلل المعادن المركزة.

هل يعني تطور الهيدروجين دائمًا تقصف الهيدروجين؟?

لا. يوفر تطور الهيدروجين مصدرًا محتملاً للهيدروجين الممتص, لكن تقصف الهيدروجين يتطلب مادة حساسة ومجموعات مناسبة من امتصاص الهيدروجين, ضغط, والظروف المجهرية.

هل يعني ارتفاع الأكسجين المذاب دائمًا تآكلًا أسرع؟?

ليس بالضرورة. يمكن للأكسجين المذاب أن يزيد من القدرة الكاثودية لتقليل الأكسجين, لكن التآكل الفعلي يعتمد على الأفلام السلبية, مثبطات, نقل جماعي, حركية انوديك, حالة السطح, والكيمياء الموضعية.

ما هي آلية التآكل الأكثر خطورة؟?

ولا تعتبر أي من الآليتين أكثر خطورة على المستوى العالمي.

يمكن أن يدعم تقليل الأكسجين التآكل الموضعي الشديد واختراق الجدار على المدى الطويل, في حين أن تطور الهيدروجين يمكن أن يسبب هجومًا حمضيًا سريعًا وقد يؤدي إلى أضرار بمساعدة الهيدروجين. تعتمد المخاطر على بيئة المواد والخدمة.