خلاصه اجرایی
خوردگی پیشرونده است, اغلب فرآیند تخریب پنهان است که باعث کاهش مواد می شود منطقه باربر موثر, ریزساختار آن را تغییر میدهد و متمرکزکنندههای تنش تولید میکند که همگی مستقیماً استحکام کششی و شکلپذیری را کاهش میدهند.
در سناریوهای عملی معمولی, خوردگی می تواند استحکام کششی را کاهش دهد ~30-50٪ و برش شاخص های شکل پذیری (کشیدگی, کاهش مساحت) توسط ~ 40٪ یا بیشتر, تبدیل سخت, اجزای قابل تغییر شکل به شکننده, خطرات شکست ناگهانی.
پیامد آن نه تنها از دست دادن مواد بلکه خرابی سیستم آبشاری است, حوادث ایمنی و اثرات اقتصادی عمده.
درک مکانیسم ها, اندازه گیری کاهش عملکرد, و اجرای یک برنامه پیشگیری و نظارت لایه ای برای حفاظت از سازه ها و ماشین آلات ضروری است.
1. مکانیسم های اصلی: چگونه خوردگی اصول مکانیکی مواد را تضعیف می کند
تخریب استحکام کششی و شکل پذیری در اثر خوردگی یک پدیده سطحی نیست بلکه یک فرآیند چند وجهی است که عملکرد مواد را در هر دو سطح ماکروسکوپی و میکروسکوپی کاهش می دهد..
آسیب جبران ناپذیر است, و تاثیر آن بر خواص مکانیکی توسط سه اصلی هدایت می شود, مکانیسم های مرتبط, هر یک جنبه حیاتی از یکپارچگی ساختاری مواد را هدف قرار می دهد.
کاهش ناحیه باربر موثر باعث افت شدید در استحکام کششی می شود
خوردگی به سطوح مواد و حتی ماتریس های داخلی حمله می کند, تشکیل لایه های زنگ شل, حفره های عمیق, و منافذ خورنده که به طور مستقیم کاهش می دهد منطقه باربر موثر ماده - سطح مقطع واقعی که قادر به تحمل تنش کششی خارجی است.
برای مواد مهندسی رایج مانند فولاد کربنی, آلیاژهای آلومینیوم, و فولاد کم آلیاژ, خوردگی شدید می تواند ناحیه باربر موثر را کاهش دهد 30% به 50%.
تحت همان بار اعمال شده, کاهش سطح باربر منجر به قابل توجهی می شود تمرکز استرس در عیوب خوردگی, در جایی که تنش واقعی متحمل شده توسط ماده بسیار بیشتر از تنش طراحی است.
این اثر غلظت مستقیماً استحکام کششی مواد را تضعیف می کند: فولادهای ساختاری خورده معمولاً یک 30% به 50% کاهش استحکام کششی نهایی (UTS),
رندر کردن موادی که زمانی نیازهای بار طراحی را برآورده می کردند، قادر به تحمل حتی تنش های عملیاتی معمولی نیستند, و افزایش خطر شکستگی کششی ناگهانی در شرایط سرویس.
آسیب ریزساختاری شکل پذیری را از بین می برد, ایجاد شکنندگی و شکستگی شکننده
مواد خورنده - از جمله اسیدها, قلیایی ها, یون های کلرید, سولفیدهای, و یون های هیدروژن - از طریق نقص های سطحی به ریزساختار داخلی ماده نفوذ می کنند, ایجاد اختلال در نیروهای پیوند اتمی بین دانه ها و در امتداد مرزهای دانه.
این باعث ایجاد یک سری تغییرات ریزساختاری مضر می شود, مانند خوردگی بین دانه ای, ترک خوردگی تنشی (SCC), تردی هیدروژنی, و بارش ترکیبات بین فلزی, همه اینها ظرفیت تغییر شکل پلاستیک مواد را از بین می برند.
شکل پذیری, با شاخص هایی مانند کشیدگی پس از شکستگی و کاهش مساحت, توانایی ماده برای تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست است - یک ویژگی کلیدی که از شکست ناگهانی شکننده جلوگیری می کند..
آسیب ریزساختاری ناشی از خوردگی باعث می شود این شاخص های شکل پذیری بیش از بیش از آن کاهش یابد 40% برای اکثر مواد مهندسی: فلزات سختی که در ابتدا خمش و تغییر شکل پلاستیک را تحت تنش نشان میدهند، این توانایی را از دست میدهند و بسیار شکننده میشوند..
به جای تغییر شکل تدریجی پلاستیک, مواد خورده به طور ناگهانی تحت بار کششی شکسته می شوند, از بین بردن علائم هشدار دهنده اولیه خرابی و افزایش شدید خطر فروپاشی سازه پیش بینی نشده.
نوع خوردگی کانون تخریب خواص مکانیکی را تعیین می کند
خوردگی به اشکال مختلف ظاهر می شود, هر کدام با ویژگی های آسیب متمایز و هدف قرار دادن خواص مکانیکی متفاوت مواد.
سه نوع خوردگی رایج در کاربردهای مهندسی اثرات متفاوتی بر استحکام کششی و شکل پذیری دارند., همانطور که در زیر مشخص شده است:
- خوردگی یکنواخت: این شکل از خوردگی به طور یکنواخت به کل سطح مواد حمله می کند, باعث نازک شدن تدریجی ماتریس می شود.
اثر اولیه آن ثابت است, کاهش خطی در ناحیه باربر موثر, منجر به کاهش آهسته اما مداوم در استحکام کششی می شود.
در حالی که تشخیص و پیش بینی خوردگی یکنواخت نسبتاً آسان است, قرار گرفتن در معرض طولانی مدت همچنان منجر به کاهش شدید استحکام کششی و در نهایت شکست ساختاری می شود. - خوردگی موضعی: از جمله خوردگی حفره ای, خوردگی شکاف, و خوردگی رشته ای, این نوع خوردگی روی کوچک متمرکز می شود, نواحی مجزا از سطح مواد, ایجاد گودال های عمیق یا شکاف های خورنده باریک.
این عیوب به عنوان نقاط تمرکز تنش بحرانی عمل می کنند, نه تنها کاهش استحکام کششی موضعی را تسریع می کند، بلکه با ایجاد مناطق پیش ترک خورده، به شکل پذیری شدید آسیب می رساند..
خوردگی موضعی نیز عمر خستگی مواد را به شدت کاهش می دهد, مستعد شکست تحت بارهای کششی سیکلی حتی در سطوح تنش بسیار کمتر از مقاومت کششی نهایی مواد. - ترک خوردگی ناشی از استرس (SCC): این کشنده ترین شکل خوردگی برای مصالح ساختاری است, تحت عمل ترکیبی رخ می دهد استرس کششی (باقی مانده یا عملیاتی) و یک محیط خورنده.
SCC باعث ایجاد ریزترک در سطح یا داخل ماده می شود, که تحت فشار دوگانه تنش و خوردگی به سرعت منتشر می شوند, بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجه.
این رشد سریع ترک منجر به ناگهانی می شود, افت فاجعه بار در استحکام کششی و شکل پذیری, ایجاد شکستگی ترد موادی که در غیر این صورت شکل پذیری خوبی از خود نشان می دهند - حتی در دمای محیط و تنش های عملیاتی معمولی.
SCC علت اصلی خرابی غیرمنتظره در مخازن تحت فشار است, خطوط لوله, و اجزای هوافضا, و آسیب آن اغلب غیر قابل برگشت است و تشخیص از قبل دشوار است.
2. خطرات صنعتی: آبشار خرابی های ناشی از تخریب خواص مکانیکی ناشی از خوردگی
فرسایش استحکام کششی و شکل پذیری در اثر خوردگی به یک "خطر پنهان نامرئی" غیرقابل چشم پوشی در تمام بخش های صنعتی تبدیل شده است., منجر به زیان های اقتصادی مستقیم و غیرمستقیم در مقیاس جهانی می شود, و همچنین حوادث ایمنی شدیدی که جان انسان ها را تهدید می کند.
اثرات گسترده تخریب خواص مکانیکی ناشی از خوردگی در صنایع کلیدی در زیر به تفصیل آمده است.:
صنعت تولید: توقف تولید و خرابی قطعات
در ساخت مکانیکی, قطعات دقیق, قالب ها, و اجزای ساختاری برای اطمینان از دقت عملیاتی و ظرفیت تحمل بار به استحکام کششی و شکل پذیری پایدار متکی هستند..
کاهش استحکام کششی ناشی از خوردگی باعث ایجاد قطعاتی مانند چرخ دنده می شود, شفت ها, و میله های اتصال برای شکستگی یا تغییر شکل تحت بارهای عملیاتی, منجر به توقف برنامه ریزی نشده خط تولید می شود.
برای شرکت های تولیدی متوسط و بزرگ, زیان اقتصادی روزانه ناشی از تعطیلی یک خط تولید به دلیل خوردگی قطعات می تواند به ده ها هزار دلار برسد..
علاوه بر این, شکنندگی قالب های خورده ظرفیت تشکیل پلاستیک آنها را کاهش می دهد, منجر به محصولات معیوب و افزایش بیشتر هزینه های تولید می شود.
انرژی و صنایع شیمیایی: نشت می کند, انفجارها, و اختلالات فرآیند
خطوط لوله, مخازن تحت فشار, مبدل های حرارتی, و مخازن ذخیره سازی در صنایع انرژی و شیمیایی در محیط های سخت با دمای بالا کار می کنند, فشارهای بالا, و رسانه های خورنده تهاجمی (به عنوان مثال, نفت خام اسیدی, حلال های شیمیایی, و آب نمک با کلرید بالا).
خوردگی استحکام کششی و شکل پذیری این سازه های حیاتی را تضعیف می کند: کاهش استحکام کششی آنها را قادر به تحمل فشار داخلی نمی کند, در حالی که از دست دادن شکل پذیری توانایی آنها را برای جذب نوسانات فشار از طریق تغییر شکل پلاستیک از بین می برد.
این ترکیب اغلب منجر به نشت رسانه می شود, و در موارد شدید, انفجارها و آتش سوزی های فاجعه بار.
چنین حوادثی نه تنها منجر به از بین رفتن مواد اولیه با ارزش و توقف تولید می شود، بلکه باعث آلودگی محیط زیست و تلفات جدی می شود., با تلفات یک تصادف اغلب بیش از میلیون ها یا حتی صدها میلیون دلار آمریکا.
صنعت حمل و نقل: شکست ساختاری و تهدید ایمنی مسافر
بخش حمل و نقل - از جمله خودرو, دریایی, راه آهن, و هوافضا - متکی به مواد ساختاری با استحکام کششی و شکل پذیری قابل اعتماد برای تحمل بارهای دینامیکی و چرخه ای در طول عملیات.
شاسی و اجزای سیستم تعلیق خودرو که در اثر نمک جاده و رطوبت خورده شده اند، باعث کاهش استحکام کششی می شوند., منجر به شکستگی ساختاری در حین رانندگی می شود;
بدنه کشتی های دریایی و سازه های سکوی دریایی در معرض آب دریا از خوردگی حفره ای و شکافی رنج می برند., که شکل پذیری را مختل می کند و باعث شکستگی ترد صفحات بدنه تحت بارهای موج می شود;
اجزای خطوط راه آهن و سازه های پل که توسط آلاینده های جوی خورده شده اند ظرفیت باربری خود را از دست می دهند., تهدید ایمنی عملیات قطار.
در تمام این موارد, تخریب خواص مکانیکی ناشی از خوردگی مستقیماً ایمنی مسافران و خدمه را به خطر می اندازد, و هزینه های نجات حادثه و بازسازی پس از فاجعه بسیار زیاد است.
ساخت و ساز و زیرساخت: ناپایداری ساختاری و هزینه های بیش از حد تعمیر و نگهداری
پل های اسکلت فلزی, قاب های کارخانه, تکیه گاه های ساختمان های بلند, و زیرساخت های شهرداری (به عنوان مثال, خطوط لوله تامین آب و زهکشی) در معرض خوردگی جوی هستند, فرسایش آب باران, و خوردگی خاک برای مدت طولانی.
خوردگی باعث کاهش سال به سال استحکام کششی و شکل پذیری سازه های فولادی می شود.: خوردگی یکنواخت تیرها و ستون های فولادی را نازک می کند, کاهش ظرفیت باربری کششی آنها, در حالی که خوردگی بین دانه ای پیوند بین دانه ها را ضعیف می کند, منجر به شکستگی شکننده اجزای ساختاری می شود.
با گذشت زمان, این تخریب منجر به ناپایداری ساختاری می شود, نیاز به نگهداری و تقویت پرهزینه دارد.
برای زیرساخت های قدیمی, هزینه جایگزینی اجزای ساختاری خورده شده می تواند به حساب آید 30% به 50% از کل هزینه ساخت پروژه.
در موارد شدید, خوردگی شدید حتی منجر به ریزش پل و خرابی سازه ساختمان می شود, ایجاد خسارات اجتماعی و اقتصادی غیرقابل اندازه گیری.
صنعت هوافضا: شکست دقیق و خطرات ایمنی پرواز
اجزای هوافضا در محیط های شدید عمل می کنند, از جمله خوردگی اتمسفر در ارتفاعات بالا, فرسایش سوخت, و استرس حرارتی چرخه ای, و خواص مکانیکی آنها - به ویژه استحکام کششی و شکل پذیری - تابع سخت ترین الزامات است.
حتی آسیب خوردگی جزئی به اجزای دقیق مانند تیغه های موتور هواپیما, ارابه فرود, و قطعات ساختاری ماهواره می تواند منجر به کاهش قابل توجهی در عملکرد مکانیکی شود:
یک نقص کوچک حفره ای می تواند باعث تمرکز استرس و ایجاد شکستگی خستگی تحت عملیات با سرعت بالا شود, در حالی که ترک خوردگی ناشی از تنش می تواند منجر به خرابی ناگهانی قطعه در طول پرواز شود.
خرابی قطعات هوافضا در اثر خوردگی نه تنها منجر به از دست رفتن تجهیزات گران قیمت می شود، بلکه تهدیدی مستقیم برای ایمنی خلبانان و فضانوردان است., با پیامدهای گسترده برای مأموریت های هوافضا و امنیت ملی.
3. استراتژی های جامع ضد خوردگی: چهار اقدام اصلی برای حفظ خواص مکانیکی مواد
کاهش تخریب استحکام کششی و شکل پذیری در اثر خوردگی نیازمند یک رویکرد چرخه عمر کامل است که پیشگیری از منبع, کنترل فرآیند, و نظارت و نگهداری پس از بهره برداری.
یک سیستم جامع ضد خوردگی باید برای جداسازی محیط های خورنده ایجاد شود, انتخاب مواد را بهینه کنید, و تغییرات عملکرد را در زمان واقعی نظارت کنید, در نتیجه حفاظت از خواص مکانیکی مواد و اطمینان از عملکرد پایدار طولانی مدت تجهیزات و سازه ها.
چهار اقدام حفاظتی اصلی در زیر به تفصیل آمده است:
انتخاب دقیق مواد: خطرات خوردگی را در منبع آدرس دهید
انتخاب مواد اساسی ترین و مقرون به صرفه ترین اقدام ضد خوردگی است, که مستلزم تطبیق مقاومت در برابر خوردگی مواد با شرایط خدمات خاص - از جمله نوع محیط خورنده است., تمرکز, دما, فشار, و رطوبت.
برای محیط های خورنده مختلف, اصول انتخاب مواد هدفمند باید اتخاذ شود:
- در محیط های تولید مواد شیمیایی با اسیدهای قوی, قلیایی ها, یا محیط های اکسید کننده, آلیاژهای با مقاومت در برابر خوردگی بالا مانند 316L را انتخاب کنید فولاد ضد زنگ, Hastelloy C-276, و آلیاژهای تیتانیوم, که یک متراکم تشکیل می دهند, فیلم غیرفعال خود ترمیم شونده روی سطح برای مقاومت در برابر نفوذ متوسط.
- در محیط های دریایی و فراساحلی با غلظت یون کلرید بالا, از فولادهای مقاوم در برابر آب دریا استفاده کنید (به عنوان مثال, فولاد دریایی AH36) یا فولادهای ضد زنگ دوبلکس (به عنوان مثال, 2205, 2507), که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی حفره ای و شکافی از خود نشان می دهند.
- در محیط های خوردگی جوی ملایم (به عنوان مثال, کارگاه های صنعتی سرپوشیده, ساختمان های مسکونی), از فولادهای روکش دار ضد خوردگی مقرون به صرفه استفاده کنید (به عنوان مثال, فولاد گالوانیزه, فولاد رنگ شده) برای متعادل کردن حفاظت در برابر خوردگی و کارایی اقتصادی.
با انتخاب مواد مناسب برای کاربرد مناسب, خطر تخریب خواص مکانیکی ناشی از خوردگی از مرحله طراحی به حداقل می رسد, ایجاد یک پایه محکم برای ایمنی سازه.
حفاظت از سطح: یک مانع متراکم برای جداسازی رسانه های خورنده تشکیل دهید
فن آوری های حفاظت از سطح یک مانع فیزیکی یا شیمیایی بر روی سطح مواد ایجاد می کند, جداسازی ماتریس فلزی از محیط های خورنده و جلوگیری یا تاخیر در شروع خوردگی.
این پرکاربردترین معیار ضد خوردگی در مهندسی است, با انواع فن آوری های بالغ مناسب برای مواد مختلف و سناریوهای کاربردی:
- پوشش ارگانیک: رنگ ضد زنگ بزنید, پوشش رزین اپوکسی, یا پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) پوشش به سطح مواد برای تشکیل یک انعطاف پذیر, فیلم آلی متراکم.
این فناوری کم هزینه بوده و پیاده سازی آن آسان است, و به طور گسترده برای سازه های فولادی استفاده می شود, خطوط لوله, و اجزای مکانیکی. - آبکاری و غوطه وری داغ: از آبکاری الکتریکی استفاده کنید (گالوانیزه کردن, آبکاری, آبکاری نیکل) یا غوطه ور شدن داغ (گالوانیزه گرم, آلومینیزاسیون گرم) برای تشکیل یک لایه محافظ فلزی روی سطح مواد.
لایه محافظ یا به عنوان یک آند قربانی عمل می کند (به عنوان مثال, روی) برای خوردگی و محافظت از فلز پایه, یا یک فیلم منفعل تشکیل می دهد (به عنوان مثال, کروم) برای مقاومت در برابر فرسایش متوسط. - غیرفعال سازی شیمیایی: فولاد ضد زنگ را درمان کنید, آلیاژهای آلومینیوم, و سایر فلزات با پسیواتورها (به عنوان مثال, اسید نیتریک, غیر فعال کننده های بدون کرومات) برای تشکیل یک نازک, فیلم غیرفعال شیمیایی متراکم روی سطح, افزایش مقاومت ذاتی در برابر خوردگی مواد.
- اسپری حرارتی: فلز مذاب را اسپری کنید (به عنوان مثال, روی, آلومینیوم) یا مواد سرامیکی بر روی سطح مواد در دمای بالا برای تشکیل یک ضخیم, مقاوم در برابر سایش, و پوشش مقاوم در برابر خوردگی.
این فناوری برای محیط های خوردگی سنگین مانند سکوهای دریایی و خطوط لوله صنعتی مناسب است.
بهینه سازی محیطی: کنترل عوامل خورنده برای کاهش فرسایش
بهینهسازی محیط خدمات مصالح و سازهها با کاهش یا حذف عوامل خورنده، یک اقدام مکمل موثر برای انتخاب مواد و حفاظت از سطح است..
این اقدام علت اصلی خوردگی را هدف قرار می دهد و به ویژه برای سایت های تولید صنعتی و زیرساخت های ثابت مناسب است:
- در کارگاه های صنعتی, نصب تجهیزات تصفیه گاز زباله برای حذف اسیدی, قلیایی, و گازهای خروجی حاوی سولفید, و از سیستم های رطوبت گیر برای کنترل رطوبت محیط زیر استفاده کنید 60%, کاهش خوردگی اتمسفر.
- در محیط های دریایی و فراساحلی, برای کاهش سرعت خوردگی مواد، بازدارنده های خوردگی را به سیستم های آب خنک کننده و تماس آب دریا اضافه کنید.,
و شستشوی منظم آب شیرین روی سطوح ساختاری برای حذف رسوبات نمک و یون های کلرید انجام دهید.. - در فرآیندهای تولید شیمیایی, محیط فرآیند را برای کاهش محتوای ناخالصی های خورنده خالص کنید (به عنوان مثال, یون های کلرید, سولفیدهای), و از محافظ گاز بی اثر برای تجهیزات کلیدی برای جداسازی محیط های خورنده و اکسیژن استفاده کنید.
- در محیط های خاکی, از مواد بسته بندی ضد خوردگی برای خطوط لوله مدفون استفاده کنید و برای کاهش خوردگی خاک، خاک خورنده را با خاک خنثی جایگزین کنید..
نظارت و نگهداری منظم: تشخیص زودهنگام عیوب و اجتناب از "عملیات با نقص"
خوردگی یک فرآیند پیشرونده است, و نظارت منظم و تعمیر و نگهداری به موقع می تواند آسیب خوردگی اولیه را تشخیص دهد, ارزیابی درجه تخریب خواص مکانیکی,
و اقدامات اصلاحی را قبل از وقوع شکست انجام دهید - اجتناب از خطرات "عملیات با نقص" و شکست ناگهانی سازه.
یک سیستم نظارت و نگهداری علمی شامل مراحل کلیدی زیر است:
- تست غیر مخرب (NDT): از تست اولتراسونیک استفاده کنید (UT) برای اندازه گیری ضخامت مواد خورده شده و ارزیابی کاهش ناحیه باربر موثر;
از تست نفوذ مایع استفاده کنید (PT) و تست ذرات مغناطیسی (مگس) برای تشخیص ترک خوردگی سطحی و نزدیک به سطح و عیوب حفره ای; از تست جریان گردابی استفاده کنید (ET) برای آزمایش غیر مخرب اجزای فلزات غیرآهنی.
NDT امکان ارزیابی غیر تهاجمی آسیب خوردگی و تخریب خواص مکانیکی را فراهم می کند, ارائه یک مبنای علمی برای تصمیم گیری های تعمیر و نگهداری. - پایش مداوم خوردگی: تجهیزات پایش خوردگی آنلاین را نصب کنید (به عنوان مثال, کوپن های خوردگی,
سنسورهای خوردگی الکتروشیمیایی) بر روی تجهیزات و سازه های کلیدی برای نظارت بر نرخ خوردگی در زمان واقعی و صدور هشدارهای اولیه زمانی که نرخ خوردگی از آستانه ایمن فراتر رفت.. - ثبت سوابق تعمیر و نگهداری: یک دفتر کل تعمیر و نگهداری تجهیزات دقیق برای ثبت وضعیت خوردگی تنظیم کنید, نتایج تست, و اقدامات نگهداری هر جزء, ردیابی تغییرات خواص مکانیکی مواد در طول عمر مفید.
- تعویض و تقویت به موقع: برای قطعات با خوردگی شدید و تخریب خواص مکانیکی قابل توجه (به عنوان مثال, استحکام کششی بیش از 30%),
آنها را به موقع جایگزین کنید; برای اجزای ساختاری نیمه خورده, از اقدامات تقویتی مانند افزودن سفت کننده ها و پیچیدن لایه های ضد خوردگی برای بازیابی ظرفیت باربری آنها استفاده کنید..
4. نتیجه گیری
خوردگی صرفاً یک مسئله آرایشی سطحی نیست، بلکه یک خطر ساختاری است که استحکام کششی را کاهش می دهد., شکل پذیری را فرسایش می دهد و شکست های شکل پذیر را به شکننده تبدیل می کند, شکستگی های ناگهانی.
از نظر کمی, خوردگی متوسط تا شدید معمولاً استحکام کششی را دهها درصد کاهش میدهد و معیارهای شکلپذیری را با کسرهای مشابه یا بزرگتر کاهش میدهد.; عمر خستگی و عمر مفید باقیمانده می تواند به طور فاجعه آمیزی به دلیل حملات موضعی از بین برود.
تنها دفاع قابل اعتماد یک برنامه یکپارچه از انتخاب صحیح مواد است, حفاظت مهندسی شده, کنترل محیط, بازرسی معمول و تعمیر و نگهداری یا تعویض به موقع.
برای سیستم های ایمنی حیاتی, حاشیه های طراحی محافظه کارانه, نظارت مکرر و ارزیابی های مستند تناسب اندام برای خدمات ضروری است.
