خوردگی سازه های دریایی

براساس آماری منتشر شده توسط مرکز تحقیقات خوردگی دانشگاه ایالتی اوهایو آمریکا (RPI) در هر ثانیه یک تن فولاد در اثر زنگ زدگی از میان می رود. از طرف دیگر انرژی مورد نیاز برای تولید یک تن فولاد نیز در حدود مصرف انرژی یک خانواده متوسط در مدت سه ماه می باشد، بنابراین در سطح دنیا تقریباً در هر یک دقیقه انرژی مصرفی سالانه یک خانواده متوسط در اثر خوردگی به هدر می رود. این در حالی است که از هر تن فولاد تولیدی در سطح جهانی بطور تقریب پنجاه درصد آن برای جایگزین کردن فولادهای زنگ زده بکار می رود. بطور مثال چنانچه یک لوله هشت اینچی بطول تقریبی در فاصله 400 کیلومتری، با روش های جلوگیری از خوردگی محافظت شود، نزدیک به 3700 تن فولاد صرفه جویی خواهد شد.

مطابق تحقیقات بعمل آمده توسط موسسه تحقیقات برق (EPRI) در آمریکا، قریب 55 درصد خاموشی های ناگهانی در این کشور ناشی از خوردگی در اتصالات الکتریکی و الکترونیکی است. 
خسارت ناشی از خوردگی بخش عمده ای از خسارت اقتصادی را تشکیل می دهد. این خسارت شامل مواردی همچون هزینه های تعویض قطعات، دستگاهها و ماشین آلات، هزینه های اعمال روش های حفاظت نظیر پوشش دهی و رنگ آمیزی، تعمیرات و نگهداری، نصب سیستم های حفاظت کاتدی و موارد دیگر است که می توان آنها را تحت عنوان خسارات مستقیم دسته بندی کرد. خسارت غیر مستقیم شامل مواردی همانند کاهش راندمان سیستم ها، از دست رفتن شکل ظاهری، اتلاف محصولات، از کار افتادن کارخانجات و غیره می باشد. 

یکی از شاخص های مهم اقتصادی برای سنجش قدرت اقتصادی و همچنین زیان های اقتصادی یک کشور، تولید ناخالص ملی (GNP) و تولید ناخالص داخل (GDP) می باشد. GNP ارزش کالا و خدمات ارائه شده توسط افراد یک ملت در خارج از مرزها و یا بیگانگان در داخل مرزهای یک کشور در یک سال و GDP ارزش کالا و خدمات تولید شده در قلمرو یک کشور در یک سال می باشد. بر طبق رویه های موجود بین 2 تا 4 درصد از GNP به عنوان شاخص برای محاسبه زیان اقتصادی ناشی از خوردگی در کشورها بکار می رود. البته در بعضی از کشورها این رقم را بین 4 تا 5 درصد در نظر می گیرند.

  معرفی نواحی دریایی

خوردگی فلزات در آب دریا نه تنها بستگی به نوع فلز و آلیاژ دارد بلکه به عواملی مانند عمق، دما، میزان و نوع گازهای حل شده، میزان و نوع ترکیب های آلی و معدنی، سرعت حرکت و عوامل بیولوژیکی آب دریا نیز بستگی دارد.

بررسی هر یک از عوامل دخیل در خوردگی فلزات در شرایط محیطی آب دریا یک پژوهش، کاری بسیار مشکل و پیچیده است و هر کدام از تحقیقاتی که بر روی خوردگی فلزات در آب دریا صورت گرفته است تنها از یک دیدگاه و غالباً یک نوع خوردگی بر روی یک یا چند فلز و آلیاژ انجام گریده است.
بیشتر از هفتاد درصد از سطح زمین را آب دریا پوشانده است . و فراوان ترین الکترولیت طبیعی آب دریا است.اکثر فلزها و آلیاژهای ساختمانی در معرض حمله آب دریا و یا مه غلیظ هوا قرار می گیرند. رفتار فلزات به طور وسیعی بستگی به شرایطی دارد که فلزات در آن بکار گرفته می شوند، این شرایط در محیطی که فلز در آن قرار می گیرد تعیین می کنند. محیط دریا دارای نواحی مختلفی است این نواحی عبارتند از: ناحیه اتمسفری، ناحیه سطحی، ناحیه جزر و مدی، ناحیه کم عمق، ناحیه عمق متوسط، ناحیه عمق و ناحیه گل ولای کف. در جدول 2-1 این نواحی طبقه بندی شده اند.
 شدت خوردگی در نواحی دریایی

 ناحیه اتمسفری

در اتمسفر هوا شدت حمله خوردگی به مقدار زیادی متاثر از مقدار ذرات نمک و یا گرد وغباری است که بر روی سطح فلز جمع می شود. نمک توسط باد و شرایط جوی نامساعد و همچنین امواج دریا و غیره از طرف دریا بر روی سطح فلز تجمع می یابد. با توجه به اینکه نمک های دریا خصوصاً کلرید و منیزیم و کلسیم جاذب رطوبت هستند. معمولاً بر روی سطح فلزات را فیلمی از مایع تشکیل می شود زیرا در محیط دریا شرایط مناسب برای تبدیل بخار آب به آب در فصول مختلف سال و یا در طول روز فراهم می شود. میزان قطرات آب تشکیل شده بر روی سطح فلزات با دور شدن از دریا به مقدار زیادی کاهش می یابد. البته در شرایطی که طوفان های خیلی شدید شرایط جوی دریا را به مناطق دور از دریا منتقل می کند ممکن است شرایط تغییر نماید. نمک های تجمع یافته بر روی سطح فلزات بخوبی قابل اندازه گیری است.

عامل دیگر که بر روی رفتار خوردگی فلزات در محیط دریا موثر است تشعشعات خورشیدی است، این تشعشعات واکنش های خوردگی بر روی فلزاتی همچن مس و آهن را فعال کرده و همچنین فعالیت بیولوژیکی از قبیل قارچی شدن که باعث می شود رطوبت و گرد وغبار بر روی سطح فلز حبس شود را تشدید می کند. همچنین گردهای مرجانی که با نمک دریا ترکیب شده اند گاهی در مناطق گرمسیری باعث خوردگی فلزات می شوند.

مقدار باران و توزیع آن در طول یک دوره زمانی نیز در نرخ خوردگی در اتمسفر دریایی موثر است. فرکانس بارش باران ممکن است منجر به کاهش نرخ خوردگی بر اثر شسته شدن نمک های تجمع یافته بر روی فلزات شود. در بعضی حالات، خوردگی در محل هایی که دارایی سرپناه هستند خیلی شدیدتر از خوردگی های محل های روباز است، زیرا گرد و غبار ناشی از نمک های دریا توسط باران زدوده نمی شود. در بعضی حالات نیز ممکن است قارچهای تشکیل شده بر روی سطح فلزات باعث جذب رطوبت شود. تحت این شرایط، رطوبت بر روی فلز نگاه داشته شده و خورندگی افزایش می یابد.
بطور کلی محیط های دریایی گرمسیری بیشتر از محیط های دریایی منجمد و محیط های دریایی معتدل خورنده هستند. البته درجه حرارت تنها عامل توجیه کننده این تفاوت نیست، بلکه با تغییر موقعیت جغرافیایی عوامل دیگری نیز اثر می کند که باعث تغییرات نرخ خوردگی می شود. ملاحظات ترمودینامیکی نیز حاکی از تسریع واکنش های شیمیایی در اثر افزایش درجه حرارت است. 
 ناحیه سطحی

مواد موجود درناحیه سطحی تقریبا ًبصورت مداوم توسط آب دریا که حاوی هوا است، تر می شوند. در این ناحیه جانداران دریایی چسبنده نمی توانند رشد کنند. همچنین ترکیب آب و باد در این ناحیه شرایط حادی را فراهم می کنند، بطوریکه برخورد آب شرایط مضاعفی را برای تخریب و شدت خوردگی ایجاد می کند.

برای تعدادی از فلزات و آلیاژها، خصوصاً فولاد، این ناحیه مخربترین ناحیه است. حباب های هوای وارد شده به آب دریا در یک منطقه نیز آنرا برای از بین بردن لایه های سطحی محافظ و همچنین شکستن پوشش های رنگ، مخرب تر از نواحی دیگر می کند، لیکن فلزاتی همچون فولاد زنگ نزن و تیتانیم در این ناحیه بر اثر هوادهی مناسب، تشکیل فیلم سطحی غیرفعال محافظ را داده و تحت این شرایط مقاوم می شوند.

ناحیه جزر و مد

شبیه ناحیه سطحی، سطوح فلزی قرار گرفته در این ناحیه نیز در تماس با هوادهی آب دریا هستند با این تفاوت که در قسمت کمی از روز این شرایط برقرار می شود. درجه حرارت سطح فلز در این ناحیه ناشی از درجه حرارت هوا و آب دریاست، ولی شرایط مناسب تری برای برابر شدن با درجه حرارت آب دریا را دارد.

جریان جزر و مد در مناطق مختلف متغیر است، برای فلزاتی همچون فولاد، جریان های جزر و مدی بزرگتر باعث افزیش نرخ حمله خوردگی خواهد شد. در ناحیه جزر و مد موجودات دریایی بر روی فلزات رسوب می کنند. در بعضی حالات این رسوبات باعث محافظت جزیی سطح فلزاتی همچون فولاد ساده کربنی و در بعضی مواقع تشدید حمله خوردگی فلزاتی چون فولاد زنگ نزن می شود.
در چنین شرایطی، بین رفتار نمونه های آزمایشگاهی که در این ناحیه قرار می گیرند و از بین رفتن یک سازه دریایی (همچون پایه پلی که از ناحیه اتمسفری شروع شده و از میان ناحیه سطحی و جزر و مدی بطرف ناحیه عمقی و کف دریا امتداد پیدا کرده است) تفاوت قابل ملاحظه ای وجود دارد. برای یک پایه پل فولادی شدت حمله خوردگی درست در محلی زیر خط آب بیشتر است.
در این صورت برای حفاظت پل فولادی از روش حفاظت کاتدی استفاده می شود. چون ناحیه جزر و مدی دائماً در حال جابجایی و تغییر بوده و اکسیژن در این ناحیه به وفور یافت می شود پلاریزاسیون کاتدی پیشرفت نمی نماید. نرخ خوردگی در ناحیه جزر و مدی در مواقعی که حفاظت کاتدی بر روی آن اعمال نمی شود نسبت به آنچه که درحالت فوق توصیف شد بالاتر می رود.
ناحیه کم عمق

رفتار خوردگی فلزات در آب دریا در این ناحیه را از حیث اینکه خوردگی به وسیله چه عاملی صورت می گیرد می توان به دو صورت طبقه بندی کرد:

 کنترل بوسیله واکنش های کاتدی

 کنترل بوسیله حضور یک لایه اکسیدی غیرفعال

فولاد کربنی بهترین نمونه برای دسته اول است. روی و منیزیم نیز مثال های دیگری در این مورد هستند. فلزاتی همچون تیتانیم، نیکل، کرم، مولیبدن و آلیاژهای آنها مثال های خوبی برای نوع دوم هستند. همچنین در بعضی از محیط های دریایی فولادهای زنگ نزن تشکیل فیلم غیر فعال داده و کنترل خوردگی توسط این فیلم صورت می گیرد. البته مقاومت فلزی خوردگی فلزات نجیب مانند پلاتین، طلا و نقره مدیون تشکیل فیلم غیر فعال بر روی آنها نیست بلکه مقاومت ذاتی آنها به خوردگی ناشی از خواص ترمودینامیکی و اصالت آنهاست. در اینجا بیشتر در مورد رفتار خوردگی فولادهای ساده کربن بحث می شود، زیرا اولاً بطور وسیعی در سازهای دریایی مورد استفاده قرار می گیرد و ثانیاً عوامل موثر در رفتار خوردگی آنها در محیط دریایی بیشتر است.

نرخ خوردگی این فولادها به مقدار زیادی بوسیله حضور اکسیژن در ناحیه کاتدی کنترل می  شود. در اینجا منبع اکسیژن و عوامل دیگر که ممکن است بر روی میزان اکسیژن تاثیر بگذارد مورد بحث قرار می گیرد. در عمق های سطحی مقدار اکسیژن معمولاً در حالت اشباع است. همچنین فعالیت های بیولوژیکی که شامل گیاهان و زندگی حیوانات دریایی می شود در مقدار حداکثر خود می باشد.
درجه حرارت در سطح آب بطور قابل ملاحظه ای گرمتر از عمق های سطحی و نواحی عمیق دریا بوده و میزان آن با تغییر موقعیت جغرافیایی تغییر می کند.

فعالیت بیولوژیکی در سطح فولاد (مخصوصاً در انواع ورق های ضخیم) نرخ حمله خوردگی را کاهش می دهد زیرا اولاً میزان اکسیژن را در محل کاتد کاهش می دهد و ثانیاً سرعت انتقال اکسیژن بطرف کاتد را بوسیله آب دریا کاهش می دهد. در صورتی که در محل کاتد مقدار کربنات کلسیم زیاد شود، این ماده نیز می تواند نقش حفاظتی همچون موجودات بیولوژیکی را ایفا نماید. در مناطقی مثل بندرگاه ها که آب دریا رقیق می شود، کربنات کلسیم در شرایط غیر اشباع قرار می گیرد، در اینصورت از توسعه نقش حفاظتی آن جلوگیری می شود.

آلودگی محیط می تواند شرایط خورندگی آب دریا را بیشتر کرده و همچنین زندگی موجودات دریایی را متوقف کند. بنابراین  تحت این شرایط نقش حفاظتی موجودات بیولوژیکی نیز از بین خواهد رفت. آمونیاک و سولفید موجود در آب دریای آلوده شده فعالیت خوردگی را بر روی برخی فلزات همچون مس و فولاد افزایش می دهد. کلیه عواملی که در نرخ خوردگی فلزات موجود در ناحیه سطحی موثر هستند، برای آبهای واقع در اطراف تپه های زیر دریا بسیار مهم هستند، عمق این آبها به حدود 1000 فوت می رسد.

منبع اکسیژن با افزایش عمق آب کم می شود و این نشانگر این است که با افزایش عمق، نرخ خوردگی تغییر می کند. درجه حرارت آب با افزایش عمق آب کم می شود، خصوصاً از عمق 100 فوت به پایین کاهش درجه حرارت تشدید می شود این دو عامل (اکسیژن و درجه حرارت) باعث کاهش حملات خوردگی نسبت به ناحیه سطحی و جزر و مدی خواهد و درجه حرارت نیز پایین می آید، بنابر این نرخ خوردگی در این ناحیه به تدریج کاهش می یابد.

ناحیه عمیق

درنواحی عمیق مجدداً میزان اکسیژن برای بوجود آمدن خوردگی قدری افزایش می یابد. در بعضی از مناطق اقیانوس آرام کمترین غلظت اکسیژن در عمق 2000 فوت در حدود2/0 میلی لیتر در یک لیتر آب دریا تخمین زده شده است و از این عمق به بعد مجدداً میزان اکسیژن اضافه شده بطوریکه در عمق 6000 فوت غلظت اکسیژن به حدود 4 میلی لیتر در یک لیتر آب دریا می رسد. این موضوع نشان میدهد که تا عمق 2000فوت، اکسیژن توسط موجودات دریایی مصرف می شود. افزایش اکسیژن در اعماق بالاتر از 2000 فوت بعلت وجود جریان های دریایی است.

عامل دیگری که بر روی نرخ خوردگی در اعماق دریا تاثیر می گذارد تغییرات PH آب دریا است. هر چند از سطح دریا به طرف عمق برویم PH کمتر می شود کاهش PH تنها بوسیله افزایش فشار است. همچنین غلظت ترکیباتی همچون دی اکسید کربن، بی کربنات کلسیم و کربنات کلسیم از حالت تعادلی خارج شده و به مقدار جزیی در اعماق دریا زیر حد اشباع قرار شد. سرعت آب نیز در اعماق بین 60 تا 100 فوت کاهش می یابد و لذا نرخ خوردگی فلزاتی همچون فولاد معمولاً تحت این شرایط کمتر می شود.

ناحیه عمق متوسط

در اعماق بالاتر از 60 تا 100 فوت، موجودات بیولوژیکی موثر درخوردگی فلزات بجز حیوانات وجود ندارد زیرا در این اعماق تشعشعات خورشیدی برای رشد گیاهان دریایی کافی نیست. همچنین هر چه از طرف سواحل دور شویم خوردگی بیولوژیکی کمتر می شود زیرا معمولاً تخم گذاری حیوانات و تولید مثل آنها درکنار صخره ها و سواحل انجام می شود. همچنین با دور شدن از ساحل از یک طرف و از طرفی دیگر با رفتن به اعماق دریا فعالیت بیولوژیکی کمتر می شود.

ناحیه گل و لای کف

رفتار محیطی این ناحیه پیچیده بوده و مطالعات در حال حاضر برروی تعدادی نمونه ها انجام شده است.خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی رسوبات نشانگر خورندگی کافی در این ناحیه است. رسوبات سطحی و عمقی این ناحیه حاوی باکتری بوده و غیرهوازی می باشد.
فعالیت این باکتری ها موجب تولید گازهای شامل NH3 , H2S , CH4 می شود. افزایش فشار نیز باعث افزایش فعالیت باکتری ها می شود و سولفید تولید می گیرد، در حالیکه این ترکیبات در سطح در حالت فوق اشباع هستند.

بنابراین، انتظار می رود در عمق دریا تمایل کمتری نسبت به تشکیل فیلم حفاظتی ترکیبات معدنی همچون ترکیبات مذکور در مقایسه با سطح دریا باشد. برای مثال مشاهده شده است که آندهای قربانی شونده در عمق های نزدیک 5000 فوت به میزان بیشتری نسبت به سطح دریا خورده شوند.