مبانی حفاظت آندی فولادها
1- مقدمه
حفاظت آندی به عنوان یکی از روش های کنترل خوردگی برای اولین بار در سال 1954 به کار گرفته شده و از سال 1970 در اکثر صنایع مورد توجه قرار گرفته است. در حال حاضر اغلب صنایع شیمیایی در جهان، تجهیزات خود را با این روش حفاظت می‌کنند و هر روزه تحقیقات زیادی در این مورد صورت میگیرد.
در بعضی از فلزات که خاصیت روئین شوندگی دارند، با آندی کردن سطح آنها در پتانسیل مورد نظر و پایدار نمودن محصولات خوردگی بر سطح آند، میتوان یک لایه نفوذ ناپذیر بسیار چسبنده با ضخامتی در حد نانومتر پدید آورد. ایجاد این لایه پایدار که میتواند باعث کنترل و کاهش قابل توجه سرعت خوردگی شود، روش حفاظت آندی نام دارد. با نگهداشتن پتانسیل فلز در محدوده روئین به وسیله اعمال جریان مستقیم خارجی، سطح فلز یا آلیاژ در برابر محیط روئین‌شده و تحت حفاظت قرار میگیرد. حفاظت آندی در مورد محیطهای اسیدی، قلیایی و بعضی محلولهای حاوی املاح خورنده قابل استفاده است. همچنین برای افزایش مقاومت به خوردگی خستگی فولاد ضد زنگ در محیطهای متفاوت، خوردگی تحت تنش و حفره‌دار شدن و شیاری نیز مورد استفاده قرار میگیرد و هر روزه بر کاربرد آن افزوده میشود، که از جمله میتوان کاربرد آن در صنعت تولید اسید سولفوریک، کاغذسازی، کانتینرهای حمل و نقل اسیدنیتریک و کودهای نیتراتی را نام برد.
برای راه‌اندازی این سیستم از الکترودهای کمکی یا کاتدها و الکترودهای مرجع استفاده میشود. الکترود مرجع معمولاً پلاتین و کاتد از آلیاژ مقاوم به خوردگی مثل هاستلوی و فولادهای ضد زنگ است. آند هم سازه‌ای است که تحت حفاظت قرار میگیرد. وجود یک سخت‌افزار الکتریکی جهت کنترل جریان و پتانسیل حفاظتی و ثابت نگهداشتن پتانسیل رویین شدن لازم است. دو پارامتر اساسی در استفاده از دستگاه پتانسیواستات (ترانس رکتیفایر) یکی جریان و دیگری ولتاژ اعمالی است. با وجود کاربرد وسیع این روش، هنوز در کشور ما حفاظت آندی برخلاف حفاظت کاتدی مورد استقبال قرار نگرفته است.
2- مبانی حفاظت آندی فولادها در محیط اسید سولفوریک
حفاظت آندی در خط تولید اسیدسولفوریک از جمله مبدلهای خنک کننده، خطوط لوله و مخازن کاربرد دارد. برای ساخت این تجهیزات از مواد مختلفی از جمله چدن، فولاد کربن متوسط و فولادهای ضدزنگ استفاده میشود. حفاظت آندی به طور موفقیت‌آمیزی جهت کاهش خوردگی و در نتیجه کاهش میزان یون آهن در این سیستم ها به کار گرفته میشود.
یکی از پراستفاده‌ترین مورد حفاظت آندی، کنترل خوردگی مخازن از جنس فولاد کربنی حاوی اسیدسولفوریک است. تعداد زیادی مخزن در امریکا، اروپا و دیگر نقاط دنیا وجود دارد که به این طریق حفاظت می‌شوند.
توجهات زیادی که به کنترل خوردگی تجهیزات حاوی اسید سولفوریک میشود ناشی از نگهداشتن اسید در یک خلوص نسبی بالا است. معمولاً وجود آهن زیادی در اسید باعث مشکلات در صنایع دیگر خصوصاً داروئی میشود. اسیدهای گرانقیمت باید دارای کمترین یون آهن باشند و حتی‌المقدور از (ppm) 15-10بالاتر نرود. بدون حفاظت تجهیزات کمتر از این مقدار از یون آهن غیرممکن خواهد بود.
3- مزایای کاربرد حفاظت آندی در تجهیزات تولید و نگهداری اسید سولفوریک مس سرچشمه
خوردگی الکتروشیمیایی مخازن فولادی ذخیرهسازی اسید سولفوریک غلیظ و هم چنین خطوط لوله حاوی اسید مذکور شناخته شده و متداول است. یکی از نگرانیهای ویژه تولید کنندگان اسید سولفوریک نگهداری آن در خلوص بالا و عدم آلودگی اسید با محصولات خوردگی از جمله یونهای آهن میباشد. تحقیقات به عمل آمده و اطلاعات گزارش شده حاکی از آزاد شدن یون های آهن تا مقادیر ppm 19-10 در روز برای مخازن حاوی 94%، 98% و 100% می باشد. وجود این مقدار از آهن باعث مشکلات بسیار در صنایع مرتبط میگردد. به نحوی که تولیدکنندگان اسید را مجبور به استفاده از تجهیزات حفاظت کنندگی خوردگی کرده تا آن که مقدار یون آهن در اسید حتی المقدور از ppm 15-10 تجاوز نکند. حفاظت آندی یک روش حفاظتی بسیار موثر و شناخته شده است که در جهت کنترل و کاهش قابل توجه سرعت خوردگی الکتروشیمیایی مخازن و لوله های فولادی نگهدارنده اسید سولفوریک غلیظ بکار برده می شود.
سرعت خوردگی فولاد کربنی و فولاد زنگ نزن بکار گرفته شده در مخازن و لولهها تابعی از درجه حرارت و غلظت اسید سولفوریک است. تصویر (1) رفتار فولاد کربنی در معرض درصدهای مختلفی از اسید و درجه حرارت های متفاوت را نشان میدهد. با توجه به درجه حرارت اسید سولفوریک در خطوط لوله کارخانه مس سرچشمه که بین 109-40 درجه سانتیگراد میباشد، مقدار نرخ خوردگی فولاد در اسید سولفوریک غلیظ 93 تا 99% بین mpy 50 تا mpy200 تخمین زده میشود.
شکل1- نمودار سرعت خوردگی فولاد کربنی در شرایط مختلف دما و غلظت اسید سولفوریک
منحنیهای ارائه شده نشان میدهند که فولاد در غلظتهای پایین تر از 65 درصد در هر دمایی نمیتواند کاربری داشته باشد در حالیکه فولاد در غلظت های بالاتر از 70 درصد بسته به درجه حرارت احتمالی میتواند مورد استفاده قرار بگیرد. اگر چه سرعت خوردگی فولاد در حضور اسید سولفوریک غلیظ 98-93 درصد به دلیل تشکیل لایه حفاظتی سولفات آهن بر روی سطح مخزن و در طی تماس اولیه مخزن با اسید ممکن است در مقادیر نسبتاً قابل قبول نگه داشته شود، ولی تلاطم ناگهانی و عدم یکنواختی اسید که به هنگام بارگذاری و تخلیه اسید صورت میگیرد باعث اضمحلال لایه حفاظتی سولفات شده و نهایتاً تسریع خوردگی را به همراه خواهد داشت. سرعت آزادسازی و آلوده کنندگی یون آهن بستگی به عواملی همچون درجه حرارت، قدرت اسید و نسبت حجم اسید به سطح فولادی در تماس خواهد شد. تحقیقات نشان میدهد که اگر چه اسید در غلظت های بین 98-93 درصد دارای خاصیت خورندگی کمتری نسبت به غلظتهای پایین تر اسید میباشد، ولی انحلال آهن در این بازه از غلظتهای بالا نیز متغیر است. بنابراین اسید 98 درصد همچنان خورنده تر از اسید 93 و 96 درصد خواهد بود. ارتباط بین سرعت خوردگی فولاد و مقدار آهن آزاد شده در درجه حرارت محیط در شکل (2) نشان داده شده است.
شکل2- تغییرات سرعت خوردگی بر حسب مقدار آلودگی اسید با یون آهن
این منحنی نشان از تمایل کاهش سرعت خوردگی خوردگی فولاد ار mpy50 به حدود mpy30 با افزایش همزمان انحلال آهن تا مقدار ppm 30 در محیط اسید سولفوریک 98 درصد دارد. با این وجود مقدار سرعت خوردگی آهن و آزادسازی آهن از فولاد در اسید سولفوریک 98 درصد حتی در دمای محیط، همچنان بالاتر از مقدار قابل قبول بوده و نیاز به استفاده از روش حفاظت کننده خوردگی جهت بالا بردن خلوص به خوبی احساس میگردد.
ویژگیهای بسیار سودمند روش حفاظت آند بالا بردن خلوص اسید سولفوریک به خاطر کاهش قابل توجه سرعت خوردگی تا مقادیر کمتر از mpy 2 میباشد. بدین ترتیب حفاظت آندی در کاهش آزادسازی یون آهن در مخازن ذخیره فولاد اسیدسولفوریک بسیار موثر بوده و میتواند مقدار آهن آزاد شده را از حدود 200 ppm -100 به ppm5-2 برساند. مسئله دیگری که باعث تشویق تولیدکنندگان اسیدسولفوریک میباشد، خوردگی شیاری دیواره های مخازن به خاطر تصاعد هیدروژن حاصل از واکنشهای خوردگی فولاد میباشد. خوردگی شیاری معمولاً در نیمهی بالای معابر ورود و نازلها اتفاق میافتد و بعضاً باعث ایجاد تخریبهای شدید مانند پارگی و انهدام این مناطق و تحمیل هزینه سرسام آور برای تعمیر و تعویض مخازن میگردد.
