نگاهی مجدد به راه کارهای مقابله با خوردگی در صنعت کامپوزیت

دو عامل تمایل بازار و محدودیت بودجه باعث شده اند که برای تعمیر و جایگزین نمودن زیرساخت هایی که روی زمین یا زیر آن دچار خوردگی شده اند، از کامپوزیت ها بیشتر استفاده شود. آمارها حاکی از آن است که در آمریکا خوردگی فلزات هر سال بر اقتصاد آمریکا 300 میلیارد دلار هزینه اضافی تحمیل میکند. این هزینه ها صرف نگهداری، تعمیر و جایگزین نمودن سازه هایی است که دچار خوردگی شده اند. تولیدکنندگانی که با فلز سر و کار دارند همواره از استحکام بالای کامپوزیت ها بهره میبرند زیرا مثل آشیل، قهرمان اسطوره ای یونان که بجز پاشنه پا در تمام نقاط بدنش رویین تن بود، فلزات نیز از خوردگی رنج میبرند. کامپوزیت ها در برابر خوردگی از فلزات محافظت میکنند و اگر بخشی از سازه فلزی با کامپوزیت تقویت نشده باشد، سریع تر دچار خوردگی میگردد. اولین بار پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه به منظور جلوگیری از خوردگی مورد استفاده قرار گرفتند. این محصول با رزین های ایزوپلی استر که در مقابل خوردگی از خود مقاومت بسیار بالایی نشان میدهند، رقابت میکند. اگر چه امروزه رزین های اپوکسی وینیل استر بهتر از دیگر پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه در مقابل خوردگی مقاومت میکنند اما تولید کنندگان کامپوزیت سعی میکنند در بازارهایی که از پتانسیل به کارگیری کامپوزیت ها برخوردارند، تا مدت های مدیدی همچنان فعال باقی بمانند.

ترمیم فولاد خورده شده

یکی از موفق ترین پروژه های مرمت زیر ساخت های فرسوده ترمیم لوله های آسیب دیده شهری و صنعتی میباشد. بحران اقتصادی به وجود آمده در دنیا باعث شد که دولت ها نتوانند برای تعمیر زیرساخت ها بودجه قابل توجهی را اختصاص دهند، این امر مسئولان حفاظت از زیرساخت ها را بر آن داشت تا برای نگهداری زیرساخت های شهری و صنعتی به جای جایگزین کردن کل مجموعه یک زیر ساخت، راه حل های موثرتری ارائه دهند. راه حل های مذکور باید طوری انتخاب میشدند که در تداوم فعالیت آن زیرساخت کمتر وقفه ایجاد میکردند و از لحاظ مالی هم بر دولت هزینه کمتری تحمیل میکردند. در این رابطه شرکت کامپوزیتس ادونتج، واقع در ایالت کالیفرنیا، راه حلی پیشنهاد کرد که تقویت لوله به کمک پیچیدن الیاف نام گرفته است. در این روش دور لوله هایی که روی زمین یا زیر آن در معرض عوامل ایجاد خوردگی قرار گرفته اند، پارچه کربن پیچیده میشود و به این ترتیب دیواره لوله هایی که در اثر خوردگی نازک شده اند، تقویت میگردد. به عبارت دیگر با استفاده از یک غلتک روی تاقه پارچه الیاف کربن را به یک رزین اپوکسی مخصوص آغشته میکنند. رزین مذکور از دو بخش زمینه و تقویت کننده تشکیل شده است. سپس پارچه را به کمک یک غلتک، به صورت مارپیچ با نواری دور لوله می پیچند فقط دو ساعت وقت است تا رزین اپوکسی کاملا پخت شده و به فلز خورده شده بچسبد پارچه مذکور توسط شرکت اج استراکچرال کامپوزیتس، واقع در ایالت کالیفرنیا، تولید میگردد. آقای استیو بهرنز، معاون شرکت کامپوزیتس ادونتج، اظهار داست:"برای تقویت لوله های خورده شده، الیاف کربن با استحکام بالا بهتر از الیاف شیشه عمل میکنند زیرا اولاً استحکام الیاف شیشه کمتر از الیاف کربن است و ثانیاً الیاف شیشه به مرور زمان دچار خزش میشود. الیاف کربن شرکت اج، استاندارد بین المللی ICC (شورای بین المللی کد گذاری) را دریافت نموده است. در بیشتر زیرساختهای ایالت کالیفرنیا استاندارد مذکور رعایت میشود. طبق یکی از بندهای این استاندارد، لوله های تقویت شده باید تحت آزمایش مقاومت قرار گیرند تا تأئید شود که میتوانند 20 هزار ساعت در مقابل عوامل ایجاد خوردگی مقاومت کنند. شرکت اج الیاف کربن را در اندازه های متنوع تولید میکند اما پر استفاده ترین آنها الیاف کربن تک جهته 510 گرمی است که عرض آن 635 میلیمتر میباشد. در حال حاضر شرکت کامپوزیتس ادونتج برای تعمیر لوله های تاسیسات ساختمانی (لوله های چیلر) به قطر 254 میلیمتر، پارچه الیاف کربن تولید میکند. الیاف مذکور در مرکزی واقع در شمال کالیفرنیا و طبق سفارش مشتریان تولید میشوند. لوله های چیلر به سیستم تهویه مطبوع ساختمان و سیستم آبیاری فضاهای سبز (آبیاری بارانی یا قطره ای) آب میرساند و در اثر خوردگی دیواره آنها نازک میشود و نشت میکند. برای تعمیر لوله های چیلر، ابتدا ورق های فولادی به ضخامت 1/02 میلیمتر را به وسیله چسب اپوکسی روی تمام منافذ می چسبانند و آنها را پر میکنند. سپس پارچه الیاف شیشه را دور تا دور لوله می پیچند. با این کار الیاف کربنی که لوله را تقویت میکند و در مرحله بعد دور لوله پیچیده میشود، در تماس با فلز قرار نمیگیرد و در نتیجه پیل گالوانیکی تشکیل نمیشود و خوردگی رخ نمیدهد. در مرحله بعد روی الیاف شیشه چهار لایه پارچه الیاف کربن پیچیده میشود. هر لایه الیاف کربن مذکور به ضخامت 1 میلیمتر با رزین اپوکسی آغشته میشود. پیمانکار تعیین میکند که چند لایه پارچه الیاف کربن دور هر بخش از لوله پیچیده شود. هر لایه پارچه حداقل 152 میلیمتر از لایه زیرین خود را هم پوشانی می نماید. آقای بهرنز گفت: "خارج کردن تمام لوله خورد شده و جایگزین کردن آن با لوله سالم، تقریباً 1 میلیون دلار تمام می شد. در صورتیکه روش شرکت کامپوزیتس ادونتج در پیچیدن الیاف کربن به دور لوله، حداکثر سیصد هزار دلار هزینه دارد و 15 الی 20 سال دیگر هم لوله را در سرویس نگاه میدارد.

شرکت کانکتیکات پیشگام روش "تعمیر لوله در محل" با استفاده از "قرار دادن لوله پارچه ای داخل لوله خورده شده" میباشد. در روش "تعمیر لوله در محل" لوله ای از جنس پارچه الیاف شیشه یا پلی استر که به رزین آغشته گردیده است، درون لوله آسیب دیده قرار میگیرد سپس به وسیله آب یا هوا متورم میگردد و با استفاده از گرما رزین آن پخت می گردد. با این روش به جای جایگزین نمودن لوله هایی که طول عمر مفید آنها به پایان رسیده است، آنها را مجداً روکش میکنند. با استفاده از این روش نوین لوله های فاضلاب که زیر زمین کار گذاشته شده اند با صرف هزینه کمتری تعمیر میشوند. اخیراً لوله های آب آشامیدنی را نیز با این روش تعمیر میکنند. در روش "تعمیر لوله در محل" لوله ها به سرعت و با هزینه کمتری تعمیر میشوند. به علاوه این روش از مزایای دیگری نیز برخوردار است که باعث شده از آن به طور چشمگیری استقبال شود. به عنوان مثال با این روش لوله های قدیمی که بیشتر آنها زیر خیابان ها قرار گرفته اند بدون خاکبرداری و ایجاد اختلال در تردد وسائط نقلیه تعمیر میشوند. با این وجود روش مذکور از نقائصی نیز برخوردار است. به عنوان مثال از این روش صرفاً میتوان در لوله ایی به قطر 152 میلیمتر الی 4/2 متر استفاده کرد. به این ترتیب نمیتوان لوله ایی با قطر بسیار زیاد را با این روش تعمیر نمود. شرکت کامپوزیتس ادونتج برای لایه پیچی دیواره داخلی لوله هایی با قطر بیشتر، از فناوری جدیدی برخوردار است. آقای بهرنز گفت: انتظار میرود که با این فناوری بتوان لوله اصلی آب شهر به قطر 66/3 متر را هم تعمیر کرد. در روش "تعمیر لوله در محل" هر دفعه یک بخش از لوله زه کشی میشود. به این ترتیب که ابتدا به وسیله فشار آب رسوبات و خوردگی های داخل لوله شسته میشود، آنگاه لوله خشک میگردد و سپس پارچه الیاف کربن به رزین اپوکسی آغشته میگردد و با دست داخل لوله چسبانده میشود (نظیر چسباندن کاغذ دیوارِی). این روش در لوله هایی که قطر داخلی آنها حداقل 762 میلمتر است، اجرا میشود. شرکت کامپوزیتس ادونتج از چند فناوری دیگر هم استفاده میکند که به طور خودکار،لوله پارچه ای را طوری داخل لوله آسیب دیده می فرستد که دیواره های داخلی لوله را بپوشاند. روش کار به این صورت است که این دستگاه تحت فشار هوا لوله پارچه ای را تا اندازه ای متورم می سازد که به جدار داخلی لوله بچسبد. لوله های آبی که در زیر خیابانهای شهر لوس آنجلس و بیشتر شهرهای آمریکا قرار گرفته اند و 100 سال از عمر آنها میگذرد، بازار خوبی هستند که بتوان با استفاده از فناوری های مذکور نسبت به روکش کردن مجدد آنها اقدام نمود.

برای تعمیر پایه ها و ستون های بتنی که در آب قرار میگیرند، از پلاستیک های تقویت شده با الیافاستفاده میشود. شرکت استارکچرال واقع در ایالت مریلند آمریکا، یک شرکت پیمانکاری است که برای تعمیر ومقاوم سازی زیر ساخت های صنعتی و عمومی از فناوریهای انحصاری خود استفاه میکند. تاکنون این شرکت با استفاده از روکش های انحصاری خود بیش از 10/000 پروژه محافظت در برابر خوردگی گالوانیکی را اجرا کرده است و به این ترتیب سازه های بتنی تقویت شده با فولاد را در محیط دریایی تعمیر کرده است. آقای داگ لنگ، معاون تجاری شرکت خصوصی الکتروتک که از زیر مجموعه های شرکت استراکچرال میباشد، گفت:"روکش مذکور از جنس پلاستیک تقویت شده با الیاف میباشد و از سال 1995 میلادی وارد بازار شده است. لایه داخلی روکش مذکور از استرندهای روی تشکیل شده است و با استفاده از آن میتوان ستون های بتنی را با روکشی به ضخامت 1 میلیمتر روکش کرد و از آنها در مقابل خوردگی با کلر محافظت نمود."

هنگامیکه در ستون ها بتنی ترک ظاهر میشود آب شور به داخل بتن نفوذ میکند، میلگردها تقویت کننده ای که داخل بتن به کار رفته اند در معرض خوردگی قرار میگیرند. آب شور دارای یون هایی است که رسانای الکتریسیته میباشند و یون های مذکور در تماس با میلگردها یک مدار الکتریکی تشکیل میدهند که بسیار شبیه به یک باتری معمولی عمل میکند. در دو سر فولاد (میلگرد) آب شور از سمتی که حاوی مقدار زیادی اکسیژن با کلرید است (نظیر قطب منفی باتری) به سمتی که اکسیژن یا کلرید کمتری دارد (نظیر قطب مثبت باتری) جریان میابد. در اینجا نیز نظیر آنچه در باتری اتفاق می افتد، آن سمت میلگرد که مانند قطب مثبت باتری حاوی اکسیژن یا کلرید کمتری است، به تدریج خورده میشود و در نهایت بتن خواص مکانیک خود را از دست میدهد. " هنگامیکه روکش های انحصاری شرکت استراکچرال که با نام تجاری لایف جکت شناخته میشود، دور یک ستون بتنی پیچیده میشود، لایه داخلی آن که از استرند الیاف روی تشکیل شده است، در محیط مرطوب نقش یک آند قربانی شونده را ایفا میکند. به عبارت دیگر لایه داخلی شروع به خورده شدن میکند اما لایه خارجی از بتن محافظت میکند. از روکش مذکور میتوان به مدت طولانی استفاده کرد. هرگاه لایه داخلی کاملاً خورده شد آنگاه باید روکش را تعویض نمود. از پلاستیک ها تقویت شده با الیاف میتوان برای روکش کردن ستون هایی استفاده کرد که در اثر نفوذ آب شور سطح آنها آسیب دیده است. روکش پلاستیک های تقویت شده با الیاف از رزین وینیل استر و مت الیاف شیشه بافته شده تولید میگردد سپس روی آن ژلکوت زده میشود. آقای داگ لنگ گفت: هر نوع روکش برای کاربرد خاصی تولید میشود. در خوردگی های شدید معمولاً عرض روکشها 2/4 الی 3 متر در نظر گرفته میشود تا از بالا و پایین ستون چند متر اضافه بیاید و تمام سطح خورده شده را بپوشاند. برای ستون هایی که در حد متوسط دچار خوردگی گشته اند، روکش های حلقوی به قطر 0/05 متر تولید شده اند که دور تا دور ستون ها پیچیده میشوند بنابراین برای روکش کردن ستونی به قطر 0/5 متر باید عرض روکش حدود 0/6 متر باشد. ستون هایی که به شدت خورده شده اند با روکش های حلقوی به قطر 0/15 متر تعمیر میشوند. میتوان به وسیله روکش دیگری از بتن، محل خوردگی را آب بندی نمود. آقای داگ لنگ با همکاری سازمان حمل و نقل آمریکا روکش لایف جکت را تولید کرده است و فناوری تولید آن را ارتقاء بخشیده است. برای ترمیم تیرهای فرسوده ای که خارج از آب قرار گرفته اند هم استفاده از پارچه الیاف شیشه یا الیاف کربن در حال افزایش است. چندی پیش شرکت حمل و نقل ریلی رپیدترنزیت (واقع در ایالت کالیفرنیا) پروژه نوسازی و تقویت تیرها و ستون های تکیه گاه شش ایستگاه ریلی این شرکت را به مناقصه گذاشت. ایستگاه های مذکور در مسیر خط ترانزیت این شرکت قرار داشتند. آقای بهرنز، معاون شرکت کامپوزیتس ادونتج که یکی از شرکت کنندگان در مناقصه بود، گفت: برای اجرای پروژه مذکور به 23/226 متر مربع پارچه الیاف کربن نیاز بود تا دور ستون ها تکیه گاه پیچیده شوند. هزینه تهیه این مقدار پارچه، 30 میلیون دلار می شد. از طرفی به علت وقوع زمین لرزه و سونامی در ژاپن، تولید الیاف کربن در این کشور به شدت کاهش یافت و از آنجا که تولیدکنندگان وسائط نقلیه هوایی به این محصول نیاز مبرمی داشتند، قیمت الیاف مذکور بالا رفت، لایه پیچی ستون های ایستگاه ریلی با پارچه الیاف کربن از تقویت کردن تیرهای فولادی آنها با پلاستیک های تقویت شده با الیاف، ارزان تر تمام می شد به علاوه در پروژه مذکور، کار تعمیر با پارچه الیاف کربن یک الی دو روز بیشتر طول نمی کشید حال آنکه اگر میخواستیم کار تعمیر را به وسیله پلاستیک های تقویت شده با الیاف انجام دهیم باید خاکبرداری و جوشکاری هم انجام می دادیم که به این ترتیب یک هفته وقت ما گرفته می شد.

ه گفته آقای متیولیسر، رییس بخش فناوری شرکت اونزکورنینگ (واقع در ایالت اوهایوی آمریکا)، با افزایش قیمت فولاد ضد زنگ طی هفت سال اخیر، برای پلاستیک های تقویت شده با الیاف این فرصت فراهم شد که در بازار تولید مخازن ذخیره مواد شیمیایی و سیالات وارد صحنه رقابت شوند. طی هفت سال گذشته قیمت آلیاژ فولاد افزایش یافته و به همین علت برای تولید مخازن، بیشتر از پلاستک ها تقویت شده با الیافاستفاده شد. استفاده از پلاستک های مذکور سبب میگردد تا کار تولید با سرعت بیشتری انجام شود و هزینه تولید نیز کاهش یابد. در قدیم بیشتر مخازن ذخیره با آلیاژهای فولاد ساخته میشدند و استفاده از فولاد در چنین محیط خورنده ای امری کاملاً عادی بود، بعدها تولیدکنندگان الیاف شیشه هم به عرصه تولید این مخازن وارد شدند و روشهای به کارگیری این الیاف در محیطهای بسیار خورنده را به تولیدکنندگان مخازن آموزش دادند و آنها را با انواع مختلف الیاف شیشه و کارایی های متفاوت آنها آشنا نمودند. آقای متیو لیسر اظهار داشت: اگرچه در حال حاضر در تولید مخازنی که از پلاستیک های تقویت شده با الیاف تولید میگردند، از رزین استاندارد وینیل استر استفاده میگردد، اما هنوز هم برخی از تولیدکنندگان این مخازن از الیاف شیشه فاقد عنصر یور (E-CR) استفاه میکنند. هنگامیکه در بدنه یک مخزن فرسوده کامپوزیتی ترک های ریز ایجاد میشود، مواد شیمیایی به الیاف شیشه نوع E حمله میکنند و ساختار مخزن را به خطر می اندازند. تولید کنندگان الیاف شیشه تنها با شرکتهایی که به روش "پیچیدن الیاف" به تعمیر سازه میپردازند، همکاری میکنند در حالیکه کار بهتر را تولیدکنندگان رزین انجام میدهند که در رابطه با استفاده از رزین مناسب در محیطهای خورنده استفاده کنندگان نهایی را آموزش میدهند. "به گفته آقای لیسر، شرکت اونزکورنینگ در مورد استاندارد ASTM D578 که بر استفاده از الیاف شیشه فاقد عنصر بور (نوع E) تأکید دارد، به مشتریان خود اطلاع رسانی میکند لازم به ذکر است که الیاف مذکور در مقابل خورندگی بیشتر اسیدها مقاومت میکنند. اخیراً شرکت اونزکورنینگ کتابچه راهنمای "الیاف شیشه مقاوم در برابر محیطهای شیمایی" را به چاب رسانده است و به این وسیله به مشتریان خود کمک میکند تا الیاف شیشه ای را انتخاب کنند که در محیطهای خورنده از سازه ها حفاظت میکنند. چندی پیش شرکت اونزکورنینگ تعداد 85 مخزن ذخیره مواد شیمایی خریداری نمود که از جنس پلاستیک های تقویت شده با الیاف میباشند و قصد دارد که مخازن مذکور را با رزین وینیل استر و الیاف شیشهE-CR تولید این شرکت تقویت کند. لازم به ذکر است که الیاف مذکور با نام تجاری ادونتکس E-CR شناخته میشوند. باید این شرکت طی یک مرحله دیگر اتصالات این مخازن را با الیاف شیشه انحصاری شرکت اونزکورنینگ آب بندی کند و دوباره آنها را به هم بچسباند. طبق برآورد شرکت اونزکورنینگ، با جایگزین نمودن مخازن فولادی با مخازنی از جنس پلاستیک های تقویت شده با الیاف، در هزینه های این شرکت دو میلیون دلار صرفه جویی میشود.