خوردگی فلزات
خوردگی فلزات و خوردگی در صنعت نفتReviewed by 02177641136 on Aug 14Rating: 4.5

خوردگی (Corrosion) عملی است که در آن ماده ای در یک محیط دچار تخریب و از بین رفتگی می شود . این قضیه برای تمام مواد صادق است ، اما معمولا خوردگی در مورد فلزات شناخته شده تر است . در ادامه به شرح و توضیح این فرآیند خصوصا در فلزات خواهیم پرداخت :

خوردگی فلزات  

مواد فلزی که در جو و محیط های آبی قرار دارند عموما در معرض خوردگی قرار می گیرند . خوردگی فلزات یکی از مشکلاتی است که همواره باعث ایجاد مشکلاتی در صنعت می گردد ، بنابراین از  زمان انقلاب صنعتی در اوخر قرن 18 میلادی مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است . علم مدرن در اوایل قرن بیستم با مدل سلول محلی (local cell) توسط Evans و مدل پتانسیل (Corrosion potential model) توسط Wagner  و Traud به وجود آمد .  این دو مدل به تئوری مدرن الکتروشیمیایی پیوستند که خوردگی فلزت را به عنوان دو واکنش الکتروشیمیایی اکسیداسیون آندی فلز و کاهش اکسیدانت کاتدی توصیف می کرد .

تئوری الکتروشیمیایی نه تنها برای خوردگی مرطوب فلزات در دمای معمولی کاربرد دارد بلکه برای اکسیداسیون خشک فلزات در دمای بالانیز می توان به کار برد .

 

خوردگی فلزات

 

مواد فلزی در شرایط مختلف محیط های گازی و آبی خورده می شوند . در ادامه به معمولترین شرایط خواهیم پرداخت :

مکانیزم عمل

فرآیند پایه خوردگی فلزی در محلول آبی شامل اکسیداسیون آندی فلزات و کاهش (احیا)کاتدی اکسیدانت (اکسید کننده) موجود در محلول است :

MM → M2+ aq + 2e                           anodic oxidation

2Oxaq + 2eM → 2Red(e redox)aq        cathodic oxidation

در فرمول MM فلز را در حالت پیوند فلزی نشان می دهد ، M2+aq یون هیدراته فلزی در محلول آبی است ، e-M الکترون فلزی است ، Oxaq اکسیدانت می باشد ، Red(e-redox)aq یک کاهش دهنده را نشان داده و e-redox الکترون کاهش را در کاهش دهنده نشان می دهد .

واکنش کلی خوردگی فلزات را می توان به شکل زیر نشان داد :

MM + 2Oxaq → M2+ aq + 2Red(e redox)aq

روی و هیدروکلریک اسید

به عنوان مثال فلز روی در تماس با اسید کلریدریک دچار خوردگی شده و ZnCl2 و H2 تشکیل می شوند :

      اکسیداسیون ( واکنش آندی)                    Zn → Zn2+ + H2

احیا (واکنش کاتدی)                          2H+ + 2e → H2

واکنش نهایی :                   Zn + 2HCl →  ZnCl2 + H2

همانگونه که در واکنش بالا می توان مشاهده کرد ، فلز روی به روی کلرید تبدیل شد که یک ترکیب کاملا متفاوت با روی است و بر روی سطح فلز قرار می گیرد . مثال دیگر زنگ آهن است ، آهن در اثر خوردگی اکسید شده و لایه ای تقریبا قرمز رنگ و بسیار سست تر نسبت به آهن بر روی آن قرار می گیرد ، که باعث تخریب و از دادن رفتن شکل اولیه آهن می گردد .

خوردگی آهن

این واکنش ها فرآیندهای انتقال بار هستند که در سطح تماس فلز و محلول آبی رخ می دهند، بنابراین به پتانسیل سطحی وابسته هستند که دقیقا مطابق است با آنچه که در الکتروشیمی به عنوان پتانسیل الکترودی فلزات شناخته می شود . در فیزیک پتانسیل الکترود سطح انرژی الکترون ها را در یک الکترود غوطه ور در الکترولیت بیان می کند .

در ادامه به تعریف چند مورد از اصطلاحات تخصصی به کار گرفته شده در متن خواهیم پرداخت :

تعاریف

الکترولیت :

1: سیالی که توانایی عبور جریان الکتریکی را دارد . 2: ماده ای که وقتی در محلولی حل شود به صورت یون در بیاید (به عنوان مثال نمک طعام هنگامی که در آب حل شود به یون های سدیم و کلر تجزیه می شود ، این یون ها به محلول توانایی انتقال الکتریسیته را می دهند) .

نکته : فلزات مایع الکترولیت نیستند زیرا انتقال الکتریسیته در آنها از طریق الکترون های آزاد صورت می گیرد .

الکترود :

هدایت کننده الکترونیکی که در تماس با یک هدایت کننده یونی قرار دارد . یک هادی که الکترون ها را بیرون یا جمع می کند . این شامل فصل مشترک بین محلول و یک فلز است که عمل انتقال بار نتیجه واکنش الکتروشیمیایی می باشد . الکترود مثبت آند و الکترود منفی کاتد نامیده می شود . انواع الکترودهایی که در الکتروشیمی به کار می روند عبارتند از :

  • فلز ، یون فلزی ، مانند Cu و Cu2+
  •  خنثی ، یک غیرفلز در محلول یون ، نظیر Pt و I-
  • الکترود خنثی ، یون های با ظرفیت های مختلف نظیر Pt ، Fe3+ و Fe2+
  • الکترود خنثی ، گاز ، یون ، مانند H2 و H+
  •  ملقمه ، یون ، مانند (Cd + Hg) و Cd2+
  • الکترود نمک غیرقابل حل یا اکسید ، یون ، نظیر Ag ، AgCl و Cl-

هر کدام از این الکترودها می توانند با هم ترکیب شده و یک پیل را تشکیل دهند . نیروی الکتروموتیوی آنها برابر با مجموع جبری پتانسیل های دو الکترود است .

پتانسیل الکترود : 

به اختلاف پتانسیل تولید شده بین الکترود و محلول در یک نیمه پیل اطلاق می شود . همچنین به پتانسیل یک الکترود که در مقایسه با یک الکترود مرجع اندازه گیری می شود ، اطلاق می گردد .

انواع خوردگی

5 نوع خوردگی مهم عبارتند از : گالوانیک ، تنشی ( Stress cracking) ، کلی ، محلی و عامل سوز آور .

گالوانیک بسیار متداول است و هنگامی اتفاق می افتد که که دو فلز با بارهای متفاوت الکتروشیمیایی از طریق یک مسیر رسانا به همدیگر متصل شوند و هنگامی اتفاق می افتد که یون های فلزی از سمت فلز آندی به سمت فلز کاتدی می روند . برای کنترل این موضوع یک پوشش بر روی فلز قرار می گیرد تا از انتقال یون و یا شرایط این عمل جلوگیری کند .

خورگی تنشی ((Stress –corrosion cracking (SCC)

هنگامی که یک قسمت از یک ماده در معرض تنش شدید کششی قرار می گیرد ، باعث به وجود آمدن شکافهایی در مرز تنش می شود و این شکافها باعث به وجود آمدن نقاطی با پتانسیل زیاد برای خوردگی می شود .

خوردگی کلی (General corrosion)

این نوع در سطح کل فلز و یا مواد دیگر اتفاق می افتد . برای جلوگیری از آن می توان لایه ای محافظ را به عنوان پوشش بر روی سطح مورد نظر قرار داد .

محلی

این نوع خوردگی در قسمت کوچکی اتفاق می افتد .

عوامل سوز آور

این نوع خوردگی هنگامی اتفاق می افتد که گازهای ناخالص ، مایعات و یا جامدات خورنده با سطح مورد نظر در تماس باشند . به عنوان مثال تماس هیدروکلریک اسید با روی یا سایر فلزات  . گازهای ناخالص معمولا در حالت خشک اثر چندانی ندارند اما هنگامی که رطوبت نیز موجود باشد باعث خوردگی خواهند شد . هیدروژن سولفید به عنوان یکی از عوامل سوزآور شناخته می شود .

انواع دیگری نیز وجود دارند که در شکل زیر می توان مشاهده کرد : 

 

انواع خوردگی فلزات

جلوگیری از خوردگی فلزات

یکی از راه های معمول برای انجام این کار استفاده از یک پوشش بر روی سطح مورد نظر است  . پوشش ضد خوردگی فلزات به عوامل مختلفی همچون نوع فلزات درگیر و نوع جلوگیری مورد نیاز ، بستگی دارد .

برای جلوگیری از خوردگی گالوانیکی در آهن و آلیاژهای فولادی ، پوشش های ساخته شده از روی و آلومینیوم در شرایط محیطی مناسب هستند .

در سازه های بزرگ مانند پل ها و توربین های بادی از پوشش روی و آلومینیوم استفاده می شود زیرا این پوشش محافظت طولانی مدت را تامین می کند .

بست ها و پیچ های ساخته شده از آهن و فولاد معمولا با یک لایه نازک از کادمیوم پوشش داده می شوند ، که به جلوگیری از جذب هیدروژن کمک می کند . جذب هیدروژن می تواند به ترک تنشی منجر شود .

علاوه بر پوشش های روی ، کادمیوم و آلومینیوم معمولا پوشش های نیکل- کروم و کبالت – کروم نیز به دلیل تخلخل پایینی که دارند برای جلوگیری از خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند . این ترکیبات از مقاومت بالایی در برابر رطوبت برخوردار بوده و از تشکیل زنگ و تخریب فلز جلوگیری می کنند . اکسید سرامیک ها و مخلوط های فلز-سرامیک از جمله پوشش هایی هستند که هم در برابر نفوذ و هم در برابر corrosion بسیار مقاوم هستند .

علاوه بر پوشش های فیزیکی از مواد شیمیایی ضد خوردگی نیز می توان بهره برد . 

خوردگی فلزات در صنعت نفت

نفت خام موجود در مخازن همواره دارای مقادیری آب و ناخالصی است . این آب عموما محلولی از آب و نمک است و به صورت امولسیون ( آب در نفت یا نفت در آب) پایدار است که در صورت تماس با فلزات (خطوط لوله ، مته ها ، تجهیزات سرچاهی و …) می تواند باعث خوردگی آن ها شود .

همچنین نفت خام علاوه بر ترکیبات هیدروکربنی می تواند حاوی ترکیباتی مانند گوگرد ، نیتروژن ، اکسیژن و فلزات باشد . میکروارگانیسم ها نیز از دیگر ناخالصی هایی هستند که میزانشان بسته به نوع نفت متفاوت است و بر روی خوردگی نفت خام اثر می گذارند .

میکروارگانیسم ها و نحوه عملکرد در خورندگی نفت خام

 

خورندگی نفت خام

ترکیب نفت خام بسیار پیچیده بوده و فاکتورهای بسیاری بر روی خورندگی آن اثر می گذارند که در عمل پیش بینی میزان خورندگی را بر اساس ترکیب فیزیکی و شیمیایی غیر ممکن می کند . عموما خورندگی نفت را بر اساس عدد اسیدی کل (TAN) ، میزان گوگرد کل ، میزان آب و نمک و مقدار میکروارگانیسم ها می سنجند . مقدار این پارامترها و عوامل دیگری مانند نحوه استخراج ، نحوه حمل و نقل و نگهداری و … همگی بر روی میزان خوردگی تاثیر می گذارند .

البته آگاهی از مقدار TAN و محتوای کل گوگرد نیز نمیتواند سنجش میزان خورندگی را دقیقا در اختیار ما بگذارد ، به عنوان مثال H2S و آلکانتیول ها نسبت به فولاد خورنده هستند در حالیکه تیوفن ها خورنده نیستند . تنها راه دقیق برای سنجش خورندگی یک نفت خام اندازه گیری تجربی آن است .

بازدارنده های خوردگی

بازدارنده ها (inhibitor) موادی هستند که برای جلوگیری از رسیدن آسیب به مواد به فرایند اضافه می شوند . این مواد یا تشکیل یک لایه نازک بر روی فلز و یا تجهیزات از آن محافطت می کنند . بازدارنده ها از وقوع خوردگی جلوگیری می کنند اما خوردگی هایی که از قبل به وجود آمده است را نمی توانند از بین ببرند . بر اساس مکانیزم عمل ، بازدارنده ها را می توان به سه دسته ، آنیونی ، کاتیونی و مخلوط آنیونی و کاتیونی تقسیم بندی کرد . کارایی این بازدارنده ها به pH محیط بسیار وابسته است .

بر اساس ماهیت شیمیایی ، بازدارنده های خوردگی را می توان در گروه های زیر دسته بندی کرد :

  • آمین ها و نمک های آمونیوم
  • ایمیدازولین
  • نمک های چهارتایی آمونیوم
  • ترکیبات هتروسیکلیک که دارای یک اتم نیتروژن هستند .

برخی از بازدارنده های معمول که در صنعت نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از :

منابع

Sato, N. (2012). Basics of corrosion chemistry. Jonh Wiley & Sons, New York.

Brzeszcz, J., & Turkiewicz, A. (2015). Corrosion inhibitors–application in oil industry. Nafta-Gaz, 71(2), 67-75.

موسسه ی مبتکران شیمی

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *