مکانیزم های مقاومت به خوردگی در فولاد زنگ نزن

تعداد بازدید: 5175
چهارشنبه 03 دي 1393

مکانیزم های مقاومت به خوردگی در فولاد زنگ نزن

مکانیزم های مقاومت به خوردگی در فولاد زنگ نزن (Corrosion Protection Mechanisms of stainless steel) با لایه پسیو ارتباط تنگاتنگی دارد و در واقع فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را مدیون لایه پسیو نازک روی سطح هستند. لایه پسیو مانعی فیزیکی میان فولاد و محیط خورنده ایجاد کرده و ضخامتی به اندازه 20 تا 30 انگستروم از جنس اکسید کروم هیدراته دارد که به شدت چسبناک بوده و در برابر حمله های شیمیایی مقاوم است.

لایه های پسیو که روی سطح تشکیل می شوند با محیط که معمولا اکسیژن یا اکسیدکننده است اندرکنش می کنند. اگر لایه پسیو به دلیل سایش یا خراش آسیب ببیند، فرآیند ترمیم یا پسیو شدن مجدد بلافاصله در حضور اکسیژن رخ می دهد. از طرف دیگر فولادهای زنگ نزن در شرایط کاهنده، با قرار گرفتن زیر شیارها یا رسوبات که نواحی بدون اکسیژن ایجاد می کنند، سریعا دچار خوردگی می شوند.

دلیل دیگر برای کاهش مقاومت به خوردگی در فولادهای زنگ نزن تشکیل لایه اکسیدی روی سطح به دلیل تمیزکاری ناقص پس از عملیات حرارتی است. این لایه اکسیدی با لایه پسیو متفاوت است. تمیزکاری قطعات عملیات حرارتی شده باید در محلول خنثی، برای جلوگیری از تشکیل لایه های اکسیدی انجام گیرد تا از ایجاد خوردگی در فولاد زنگ نزن جلوگیری شود.  

فاز سیگما در فولاد زنگ نزن

فاز سیگما، یک ترکیب بین فلزی در فولادهای زنگ نزن است که به طور چشمگیری داکتیلیته و چقرمگی آن ها را کاهش می دهد و فولادهای زنگ نزن را در معرض خوردگی تنشی یا SCC و سایر انواع خوردگی قرار می دهد. وجود فاز سیگما یکی از دلایل شکست خزشی ترد در جوش های آستنیتی است. هنگامی که فلز جوش از دمای 1800 درجه فارنهایت (980 درجه سانتیگراد) تا 1000 درجه فارنهایت (535 درجه سانتی گراد) سرد می شود، نرخ سرمایش باید نسبتا سریع باشد تا از تشکیل فاز سیگما جلوگیری شود. جلوگیری از طولانی شدن زمان سرمایش در این محدوده دمایی معمولا به ایجاد فلز جوش با مقدار کم فاز سیگما ختم می شود که مشکلی ایجاد نمی کند. همانند شرایطی که در حساس شدن وجود دارد، رسوب فاز های بین فلزی می تواند توسط آنیل حل سازی خنثی شود. در نوع جدیدتر فولادهای زنگ نزن آستنیتی که سوپر آستنیتی نام دارند، آلیاژسازی با نیتروژن تشکیل فاز سیگما را به تاخیر می اندازد و تولید ورق های ضخیم تر را ممکن می کند.

رفتارهای پسیو و اکتیو فولاد زنگ نزن

در بسیاری از محیط های طبیعی فولادهای زنگ نزن در حالت پسیو باقی می ماند. هنگامی که این فولاد در شرایطی قرار گیرد که لایه پسیو از بین رود، وارد حالت اکتیو می شود. تغییر حالت به اکتیو زمانی رخ می دهد که غلظت کلرید بالا باشد مانند شرایطی که در آب دریا، محلول های کاهنده و کمبود اکسیژن وجود دارد. شرایط کمبود اکسیژن زمانی ایجاد می شود که دسترسی به اکسیژن آزاد وجود نداشته باشد مانند شرایطی که در شکاف های زیر رسوبات وجود دارد.

مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن به مواد شیمیایی

آلیاژهای زنگ نزن مقاومت بسیار خوبی در برابر اسید نیتریک در تمام غلظت و دما ها از خود نشان می دهند. تیپ 304 به طور گسترده در کارخانه های اسید نیتریک مورد استفاده قرار می گیرد. برای جابجایی اسید سولفوریک بدون استفاده از ممانعت کننده ها به طور محدود از فولاد زنگ نزن 316 استفاده می شود.

خوردگی فولادهای زنگ نزن در آب دریا

درحالی که تیپ 304 به خوبی در آب های شیرین مورد استفاده قرار می گیرد، تیپ 316 در آب های شور مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از تیپ 316 در آب های شور نتایج متفاوتی را داشته است. در شرایطی که لوله های کنداسور با آب دریا خنک می شوند، استفاده از این ماده به شرطی مناسب است که لوله ها به شکل منظم حین کار تمیز شوند. اگر چه عناصر آلیاژی تیپ 316 در برابر آب دریای راکد به شدت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری حساس هستند. که این پدیده به دلیل از بین رفتن لایه پسیو با یون های کلراید در آب های راکد یا کند ایجاد می شود.

مقاومت فولاد زنگ نزن به انواع مختلف خوردگی

به طور کلی، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون فولادهای زنگ نزن با افزایش کروم، افزایش می یابد و این مواد در طیف گسترده ای از محیط های خورنده در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد به خوردگی یکنواخت، سایش و خوردگی سایشی و pH محلول بالا مقاوم هستند. اگرچه در شرایط ویژه ای فولادهای زنگ نزن در معرض خوردگی های موضعی قرار می گیرند.

خوردگی گالوانیک فولاد زنگ نزن

هنگامی که فولاد زنگ نزن در تماس با یک فلز نجیب تر قرار داشته باشد باید خوردگی گالوانیک را مد نظر داشت. اگر فولاد زنگ نزن در محیط پسیو باشد، خوردگی گالوانیکی روی نمی دهد. مهمترین عامل جلوگیری از خوردگی گالوانیک فولاد زنگ نزن انتخاب قطعات جوش شده و بست ها برای مقاومت به خوردگی کافی در ماده و یا مناطق بزرگ تر در معرض خوردگی است.

خوردگی موضعی فولاد زنگ نزن

تحت شرایط خاص، فولاد زنگ نزن نسبت به خوردگی موضعی بسیار حساس است. برای فولادهای زنگ نزن، تقریبا 60 درصد تخریب تجهیزات در صنایع شیمیایی به علت حفره دار شدن، خوردگی شیاری و خوردگی تنشی است. یکی از دلایل دیگر تخریب این مواد هم خوردگی بین دانه ای است. پارامترها و عوامل محیطی مانند pH، دما و مقادیر کلر و اکسیژن به شدت بر عملکرد آلیاژ موثرند. انواع مختلف خوردگی های موضعی فولاد زنگ نزن در ادامه بررسی شده اند.

حفره دار شدن فولاد زنگ نزن

مقاومت به خوردگی فولاد های زنگ نزن به پایداری و حفظ یکنواختی لایه پسیو روی سطح در معرض خوردگی وابسته است. پایداری لایه پسیو برای مقاومت در برابر حفره دار شدن توسط درصد کروم و مولیبدن در فولاد زنگ نزن مشخص می شود. عنصر دیگری که مقاومت در برابر حفره دار شدن را افزایش می دهد، نیتروژن است. افزودن نیتروژن نسبت به مولیبدن ارزان تر است.

شکست لایه پسیو به دلیل وجود نقص در این لایه، آسیب های مکانیکی، عدم یکنواختی در سطح فلز مانند ناخالصی ها، پوسته های سطحی، رسوبات، فاز ثانویه و حضور یون های کلرید در محیط رخ می دهد. معمولا درصد بالای یون های کلرید لایه پسیو را از بین می برد. شدت حمله به درصد کلر، اسیدیته، pH و حضور اکسیژن یا سایر اکسید کننده ها بستگی دارد.

فاکتورهای مرتبط با جوشکاری، مانند ناخالصی ها، فازهای ثانویه، اختلاف ترکیب در یک فاز، حساس شدن، قوس اتفاقی، قطره جوش، غیر یکنواختی ترکیب موضعی در فلز به عنوان محل های مستعد برای آغاز حفره دار شدن مطرح هستند. در ریز ساختار ناخالصی های MnS محل های مهم برای آغاز حفره دار شدن هستند. فریت دلتا و فاز سیگما نیز حفره دار شدن را تقویت می کند.

- عدد مقاومت به حفره دار شدن

مقاومت به حفره دار شدن با افزایش درصد کروم افزایش می یابد، اما افزودن مولیبدن به فولاد زنگ نزن مانند نوع 316 (18% Cr, 12% Ni, 2.5% Mo) اثر بیشتری دارد. افزودن نیتروژن هم در افزایش مقاومت به حفره دار شدن موثر است و به همین دلیل جمع آثار کروم، نیتروژن و مولیبدن به عنوان معیاری برای سنجش مقاومت در برابر حفره دار شدن فولاد زنگ نزن مورد استفاده قرار می گیرد. نام این معیار عدد شاخص حفره دار شدن یا عدد معادل مقاومت به حفره دار شدن (PREN) است. شاخص حفره دار شدن عبارت است از:

PREN = Cr% + 3.3Mo% + 16N%

رده بندی فلزات مختلف بر اساس مقاومت به خوردگی در جدول زیر آورده شده است.

عدد مقاومت به حفره دار شدن برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی
    مقادیر مورد نیاز برای محاسبه PREN  
آلیاژ نامگذاری UNS Cr Mo N PREN
304/304L S30400/S30403 18 0.0 - 18.0
316/316L S30600/S30603 16.5 2.1 - 23.4
317 S30700 18.5 3.1 0.06 29.7
AL-6XN   20.5 6.3 0.23 47.9

- دمای بحرانی حفره دار شدن

علاوه بر شرایط سطح و حضور رسوبات و یون های کلر، حفره دار شدن معمولا تحت تاثیر دما محیط هم هست. برای یک گرید فولاد زنگ نزن دمای خاصی وجود دارد که در آن حفره دار شدن آغاز می شود و به آن دمای بحرانی حفره دار شدن یا CPT می گویند. بنابراین باید گریدی را انتخاب کرد که در دمای کاری در معرض حفره دار شدن قرار نگیرد. دمای CPT می تواند برای بررسی نسبی عملکرد آلیاژ های مختلف به کار گرفته شود. مقادیر CPT توسط ASTM 48A در فریک کلراید (10% FeCl3 · 6H2O) و در مخلوط اسیدی کلریدها و سولفات ها (4% NaCl + 1% Fe2(SO4)3 + 0.01 M HCl) مشخص می شود.  تست های آزمایشگاهی برای بررسی رفتار حفره دار شدن بر اساس تست های الکتروشیمایی صورت می گیرد.

مقاومت در برابر حفره دار شدن به وسیله فولادهای زنگ نزن آستنیتی با درصد بالاتر کروم و مولیبدن مانند تیپ های 304، 316 و 317 بدست می آید. از طرف دیگر، می توان از مواد جایگزین مانند آلیاژهای پایه نیکل (مانند اینکونل 625، هاستلوی و G-3) یا فولادهای خاص مانند 317 LM، Jessop 700 و آلیاژ Al-6x ، تیتانیم، مس – نیکل و آلیاژهای نیکل – مس استفاده کرد.

خوردگی شیاری فولاد زنگ نزن

شیارها که در شرایط اتصال فلز به فلز، گسکت و رسوبات خوردگی به وجود می آیند، دسترسی به اکسیژن را محدود می کنند و منجر به خوردگی شیاری می شوند. برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی، فاکتورهای زیادی سبب آغاز خوردگی شیاری و رشد آن می شوند که عبارتند از:

1- فاکتور های هندسی: نوع شیار (فلز به فلز، فلز به غیر فلز)، عرض و عمق شیار، نسبت مساحت سطحی خارجی به داخلی.

2- فاکتور های محیطی: درصد اکسیژن، pH، درصد کلرید، دما، تلاطم، نفوذ و همرفت، محلول شیار و عوامل بیولوژیکی.

3- عوامل الکتروشیمیایی: محلول فلزی، کاهش اکسیژن، ایجاد هیدروژن.

4- فاکتور های متالورژیکی: ناخالصی های ترکیب آلیاژ، ویژگی های لایه پسیو.

برای کاهش اثر خوردگی شیاری باید تا حد امکان از ایجاد شیارها جلوگیری کرد، این مشکل را می توان با حفظ یکنواخت سرعت جریان در مبدل حرارتی و استفاده از گریدهای فولاد با کرم و مولیبدن بالاتر که در برابر خوردگی شیاری مقاوم تر هستند، بهبود داد. فولادهای زنگ نزن آستنیتی با مقادیر بیشتر مولیبدن مانند 316L، 904L و 254 SMO، گریدهای فریتی ماند 18Cr-2Mo و فولادهای دوپلکس مانند 2205 مقاومت زیادی در برابر خوردگی شیاری نشان می دهند.

- دمای بحرانی خوردگی شیاری

برای یک گرید مشخص فولاد زنگ نزن، خوردگی شیاری تحت تاثیر دمای محیط نیز هست. بالای دمای بحرانی، خوردگی شیاری آغاز می شود و در دمای پایین تر از دمای بحرانی خوردگی شیاری آغاز نمی شود. بنابراین انتخاب گرید فولادی که در معرض خوردگی شیاری قرار نگیرد، امکان پذیر است به شرطی که دمای محیط شیمیایی از مقادیر بحرانی تجاوز نکند. مقادیر CCCT یا دمای بحرانی خوردگی شیاری از طریق استاندارد ASTM G-48B در کلرید فریک (محلول 6 درصد FeCl3 برای شیارهای 72 ساعته) به دست می آید.

مقایسه خوردگی شیاری و حفره دار شدن در فولاد زنگ نزن

مکانیزم گسترش حفره و خوردگی شیاری مشابه هستند اگرچه مکانیزم آغاز آن ها متفاوت است. خوردگی شیاری برای آغاز به شرایط خورنده شدید نیاز ندارد. فولادی که به حفره دار شدن در یک محلول خاص مقاوم است ممکن است در همان محلول دچار خوردگی شیاری شود. با کنترل معیار های متالورژیکی موثر بر بهبود مقاومت به حفره دار شدن می توان مقاومت به خوردگی شیاری را نیز بهبود داد. اگر از حضور سولفیدهای منگنز جلوگیری شود مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری نیز بهبود می یابد.  

سه راه ممکن برای کاهش ناخالصی سولفید منگنز:

1)  کاهش درصد منگنز به مقدار کمتر از حد حلالیت MnS

2) کاهش درصد گوگرد به پایین تر از حد حلالیت MnS            

3) افزودن عناصر آلیاژی مانند تیتانیم و زیرکونیم که سولفیدهای قوی تر و سودمند تری را ایجاد می کنند.

خوردگی تنشی فولاد زنگ نزن

فولاد های زنگ نزن آستنیتی در معرض خوردگی تنشی قرار دارند. پاره ای از شرایط محیطی در خوردگی تنشی موثرند اما می توان آن ها به دو دسته بر اساس گسترش ترک دانه ای و مرز دانه ای تقسیم بندی کرد. خوردگی تنشی مرزدانه ای در محیط های با یون کلرید و یون های هیدروکسیل ایجاد می شود. ترک های دانه ای در محیط های آبی رخ می دهد اما به ایجاد نواحی حساس وابسته است.

مهم ترین محیط هایی که منجر به ایجاد خوردگی تنشی در فولادهای زنگ نزن می شود، عبارت است از:

1- محلول های کلریدی

2- محلول های سود سوزآور

3- اسید پلی تیونیک

تنش هایی که در مقادیر کمتر آن ها خوردگی تنشی رخ نمی دهد به خوبی مشخص شده اند اما باید مقدار آن کم تر در نظر گرفته شود زیرا تنش های باقی مانده جوش اغلب بسیار بالا هستند.

- خوردگی تنشی کلرید در فولادهای زنگ نزن

معمولا خوردگی تنشی کلرید در فولاد زنگ نزن آستنیتی به صورت مرزدانه ای و منشعب شده است. فاکتورهایی که سرعت و شدت ترک را تحت تاثیر قرار می دهند، مقدار کلراید، مقدار اکسیژن، دما، مقدار تنش و pH محلول های آبی هستند. به طور کلی، برای این که خوردگی تنشی کلریدی در فولادهای زنگ نزن رخ دهد غلظت کلرید باید ppm 30 یا بیشتر باشد و اگر این غلظت در حدود ppm 20 باشد معمولا شرایط خورنده نیست. اگر چه در حالتی که مقدار اندکی کلرید وجود دارد، ممکن است تمرکز غلظت به صورت موضعی رخ داده و منجر به ایجاد ترک شود. با طراحی مناسب به عنوان مثال طراحی یک دریچه برای ایجاد جریان می توان از ایجاد مناطق با غلظت بالای کلرید جلوگیری کرد. بیشتر تخریب های ناشی از خوردگی تنشی بالای 170 درجه فارنهایت (75 درجه سانتی گراد) و 120 درجه فارنهایت (50 درجه سانتی گراد) معمولا به عنوان حد آستانه برای خوردگی تنشی به کار می رود.

- خوردگی تنشی سود سوز آور

خوردگی تنشی سود سوزآور در فولادهای زنگ نزن در دماهای بالاتر از 120 درجه سانتی گراد رخ می دهد. در دماهای بالاتر، از انواع جدیدتر فولادهای زنگ نزن فریتی، نیکل و آلیاژهایی با درصد بالای نیکل به عنوان جایگزین برای فولاد زنگ نزن آستنیتی در اواپوراتور سوزآور استفاده می شود.

- اثر درصد نیکل بر خوردگی تنشی

اثر درصد نیکل بر خوردگی تنشی فولاد زنگ نزن آستنیتی با استفاده از منحنی کاپسون مورد بررسی قرار می گیرد که در نمودار مقابل نمایش داده شده است. شکل مقابل نشان می دهد ماکزیمم گرایش فولاد زنگ نزن به خوردگی تنشی با درصد نیکل در محدوده 8 تا 12 درصد ایجاد می شود که در فولادهای آستنیتی استاندارد 302، 304 و 316 دیده می شود.

کاهش نیکل از این مقدار منجر به بهبود رفتار خوردگی تنشی می شود، اما این تغییر با جایگزینی آستنیت با فریت دلتا در ریزساختار همراه می شود. با افزایش درصد نیکل، مقاومت به خوردگی تنشی تا 45-42 درصد نیکل بهبود می یابد، تا جایی که عملا آلیاژ در برابر خوردگی تنشی ایمن می شود.  که این شرایط در آلیاژ 825، آلیاژ G و آلیاژ 625 دیده می شود. بنابراین، می توان گفت که آلیاژهایی با درصد نیکل بیش از 22 درصد به ندرت دچار خوردگی تنشی می شوند و این شامل آلیاژهای 904، آلیاژ 28 و آلیاژ 20 می شود. این مواد در بسیاری از کاربردهای صنعتی که با یون های کلرید سر و کار دارند مورد استفاده قرار می گیرند.

 

- خوردگی تنشی فولادهای زنگ نزن آستنیتی جوشکاری شده

سطح فولادهای زنگ نزن آستنیتی درگیر تنش های کششی است که در هنگام ساخت یا در اثر اعمال تنش خارجی به وجود آمده اند و می توانند در محلول های کلریدی منجر به شکست مرزدانه ای شوند. اتصالات جوشکاری شده به دلایل زیر مستعد خوردگی تنشی هستند:

1-  فرآیند جوشکاری، تنش کششی باقی مانده ای را در منطقه جوش باقی می گذارد مگر اینکه عملیات تنش زدایی موثری پس از جوشکاری انجام گیرد.

2- معمولا تمرکز تنش وجود دارد

3- سیکل های حرارتی ممکن است ریز ساختار حساس شده ایجاد کند.

عملیات حرارتی تنش زدایی می تواند یک راه حل جایگزین برای جلوگیری از خوردگی تنشی باشد. در این رابطه عملیات حرارتی حل سازی کامل در دمای 1050 درجه سانتی گراد ممکن است مورد نیاز نباشد اما آنیل پایدار سازی در دمای 870 تا 950 درجه سانتی گراد معمولا برای قطعات جوشکاری شده که در صنعت پتروشیمی به کار می روند برای جلوگیری از خوردگی اسید پلی تیونیک مورد استفاده قرار می گیرد.

- خوردگی تنشی اسید پلی تیونیک (PASCC)

خوردگی بین دانه ای معمولا بر اثر برخورد اسید پلی تیونیک و مواد حساس شده ایجاد می شود و چنین شرایطی می تواند در برخی از تجهیزات پالایشگاه به خصوص در هنگامی خاموشی وجود داشته باشد. خوردگی PASCC به حضور ماده حساس شده، اکسیژن، آب، تنش کششی و پوسته های سولفید آهن نیاز دارد. اسید پلی تیونیک می تواند به سرعت در زمان خاموشی در اثر اندرکنش سولفید با رطوبت و اکسیژن تشکیل شود. گریدهای معمولی فولاد زنگ نزن مانند تیپ 304 و 316 و آلیاژ اینکولوی 800 می توانند در حین جوشکاری حساس شوند. پوسته های سولفیدی در حین کار و اکسیژن و آب نیز هنگام خاموشی به این سیستم اضافه می شوند. راه حل هایی که برای کنترل خوردگی PASCC شامل موارد زیر می شود:

      - پاکسازی نیتروژنی اجزا یا تجهیزاتی که در معرض اتمسفر قرار دارند.

      - خنثی کردن اسید با شستشوی آمونیاک یا سود.

     - استفاده از مواد پایدار شده برای ساخت مبدل های حرارتی. گزارش شده که حتی فولادهای زنگ نزن پایدار شده مانند 321 و 347 هم در معرض   خوردگی PASCC قرار می گیرند مگر آنکه به شکل مناسب تحت عملیات حرارتی قرار گیرند.

      - روش های مناسب برای غلبه بر این شکل خوردگی به خوبی در NACE RP-01-70 مطرح شده اند.

تست های آزمایشگاهی برای تعیین خوردگی تنشی فولاد زنگ نزن

حساسیت آلیاژ ها به خوردگی تنشی کلریدی با انجام تست آزمایشگاهی بر اساس 636 ASTM یا با مرتبط کردن نرخ گسترش ترک به شدت تنش در نوک ترک و خوردگی اسید پلی تیونیک در آزمایش خوردگی بر اساس ASTM G 35 انجام می گیرد.

- ارزیابی حساس شدن فولاد زنگ نزن آستنیتی به PASCC:

روش فعال کردن مجدد الکتروشیمیایی پتانسیوسینتیک می تواند در حین بازرسی برای ارزیابی درجه حساس شدن فولاد زنگ نزن آستنیتی در آب دما بالا مورد استفاده قرار گیرد.

روش های جلوگیری از خوردگی تنشی فولادهای زنگ نزن

از روش های معمولی برای غلبه بر خوردگی تنشی فولادهای زنگ نزن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- استفاده از مواد جایگزین که مقاومت بیشتری در برابر خوردگی تنشی کلریدی دارند. از نمونه های رایج آن می توان به تیپ 430 فریتی جدید، سوپر فریتی مانند E-Brite، Sea-Cure و غیره، فولاد دوپلکس زنگ نزن، تیتانیم و آلیاژهای آستنیتی با مقدار بالاتر نیکل اشاره کرد. فولادهای فریتی نسبت به خوردگی تنشی یا SCC ایمن بوده یا کمتر در معرض حمله خوردگی تنشی قرار می گیرند. می توان از تیپ های 304 و 316L که در معرض خوردگی تنشی قرار می گیرند نیز استفاده کرد به شرطی که احتیاط لازم انجام گرفته و یکی یا چند عامل ایجاد خوردگی تنشی که اغلب تنش باقی مانده، محیط کلریدی یا دما هستند، حذف شود.

2- استفاده از روش safe ending : در مبدل های حرارتی عمودی با استفاده از فرآیندی به نام safe ending بر خوردگی تنشی غلبه می شود. این فرآیند شامل استفاده از جوش سر به سر قطعات کوتاهی از مواد مقاوم به فولاد زنگ نزن آستنیتی در مناطقی است که در معرض خوردگی تنشی قرار دارند.

3- اگر فضای مرده ای وجود داشته باشد (چاه هوایی) که در آن کلریدها در اثر تر و خشک شدن مداوم تجمع کنند آنگاه لوله در معرض خوردگی تنشی قرار خواهد گرفت. این مشکل می تواند با تهویه هوا در منطقه مرده یا فلود کردن تمام سطح لوله برطرف شود.

4- لوله های بی متالیک

جلوگیری از خوردگی تنشی در راکتورهای آب جوش

خوردگی تنشی بین دانه ای یا (IGSCC) در مناطق نزدیک جوش های حلقوی در سیستم های لوله کشی زنگ نزن یک مشکل جدی در راکتور های آب جوش (BWR) است. راه حل های برای برطرف کردن مشکل راکتورهای آب جوش برای محافظت در برابر مایع درونی و ملحقات به شکل زیر است:

1- راه حل های مرتبط با مواد: هدف راه حل های مرتبط با مواد عبارت است از جلوگیری از تماس میان ماده حساس شده و مایع سرد کننده راکتور آب جوش شامل:

- استفاده از فولادهای زنگ نزن گرید هسته ای یا NG که مقدار کربن و نیتروژن آن ها کنترل شده است و در حین جوشکاری حساس نمی شود.

- عملیات حرارتی حل سازی (SHT). به گونه ای که SHT پس از عملیات جوشکاری، کاربیدهای مرزدانه و غلظت کروم در مرز دانه را به حالت عادی باز گرداند.

- استفاده از روکش های مقاوم به خوردگی. مشاهدات فرکتوگرافی برای بررسی مقاومت IGSCC فلزات جوش دوپلکس، پایه ای برای استفاده از روکش های مقاوم به خوردگی را ایجاد کرده اند که در این حالت سطح داخلی لوله در مجاورت جوش حلقوی با فلز جوش روکش شود.

2- راه حل های مرتبط با تنش:

هدف این کار جلوگیری از IGSCC با قرار دادن ماده حساس شده سطح داخلی منطقه HAZ در معرض تنش های فشاری بزرگ است.

3-  استفاده از جوشکاری گرماگیر (heat-sink)

4- استفاده از فرآیند هایی که تنش حرارتی و تنش مکانیکی را بهبود می دهند.

5- کنترل محیط

راه حلی به نام کنترل شیمیایی هیدروژن آب (HWC) نیز استفاده می شود که شامل کاهش پتانسیل الکتروشیمیایی فولاد زنگ نزن در سیستم گردش آب راکتور آب جوش به مقادیر زیر 230- میلی ولت نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن با استفاده از تزریق هیدروژن به آب ورودی است. به همین دلیل هم به این روش شیمی هیدروژن آب یا hydrogen water chemistry می گویند.

خوردگی بین دانه ای فولاد زنگ نزن

حساس شدن فولادهای زنگ نزن با درصد کربن بیش از 0.05 درصد در بازه دمایی 500 تا 900 درجه سانتی گراد هنگامی که در معرض دمای بالا مانند جوشکاری (خوردگی جوش)، عملیات حرارتی یا لحیم کاری قرار می گیرند، رخ می دهد.

شدت حساس شدن به متغیر های فرآیند جوشکاری و ضخامت ورق بستگی دارد زیرا این پارامترها زمان و محدوده دمای بحرانی را مشخص می کنند. محدوده دمای حساس شدن به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده که در آن منحنی ها زمان لازم برای رسوب کاربید ها را در فولاد هایی با درصد کربن متفاوت، مشخص می کنند.

فاکتورهای موثر بر خوردگی جوش

فاکتورهای اصلی برای تعیین حساسیت فولاد زنگ نزن آستنیتی به شکل زیر هستند:

1- ترکیب و ریزساختار فلز: مهم ترین فاکتور ترکیبی که حساسیت به خوردگی را تعیین می کند، درصد کربن است. افزایش درصد کربن اثر مخربی دارد، حضور فریت برای مقاومت به خوردگی جوش مفید بوده اما اندازه دانه بزرگ مخرب است.

2- تاریخچه حرارتی: حساسیت معمولا به ماکزیمم زمانی که فولاد در بازه دمایی 550 تا 850 سانتی گراد می گذراند، بستگی دارد.

3- تنش های داخلی یا خارجی که در اثر تغییر شکل های گذشته، جوشکاری یا بارهای کاری ایجاد شده اند.

4- محیط: فولاد زنگ نزن حساس شده، هنگامی که در معرض محیط خورنده قرار گیرد دچار خوردگی فرا دانه ای می شود. تمام محیط ها منجر به خوردگی جوش نمی شوند. خوردگی جوش تنها در 3 نوع محیط موجب تخریب می شود:

- محیط های اکسید کننده ضعیف

- محیط هایی با اکسید کنندگی متوسط

- محیط های به شدت اکسید کننده

ریسک خوردگی جوش در محیط هایی با خورندگی متوسط بالاست.

روش های غلبه بر خوردگی جوش در فولاد زنگ نزن

از روش های مناسب برای غلبه بر خوردگی جوش در فولاد زنگ نزن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- برای دست یابی به مقاومت به خوردگی به خصوص در ورق های ضخیم، باید روی قطعات جوش شده عملیات حرارتی و کوئنچینگ انجام داد.

2- برای حل مشکل حساس شدن در مبدل های حرارتی با دمای پایین باید از فولادهایی با درصد کربن بسیار کم یا فولادهای پایدار شده مانند تیپ 321 (که با Ti پایدار شده) و تیپ 347 (پایدار شده با نیوبیوم) استفاده کرد. تیتانیم و نیوبیوم تمایل بیشتری برای تشکیل کاربید نسبت به کروم دارند و بنابراین از رسوب Cr23C6 جلوگیری می کنند.

مقادیر افزودن این عناصر به فولادهای زنگ نزن بیش از مقادیر استوکیومتری است و معمولا مقادیر مورد نیاز تیتانیم و نیتروژن به صورت زیر محاسبه می شوند:

Ti = 5(C + N)% و Nb = 8(C + N)%

هنگامی که فولاد برای مدت زمان طولانی در محدوده دمایی 425 تا 800 درجه سانتی گراد قرار می گیرد باید از فولادهای پایدار شده استفاده کرد.

3 - کاهش حرارت ورودی (کمتر از 3 کیلوژول بر میلی متر) و حفظ دمای بین پاس ها در حدود 175 درجه سانتی گراد است.

4 - فیلر ها و الکترود ها نیز باید برای فولادهای با کربن ناچیز پایدار شده باشند.

5 - افزایش مقدار نیکل و کروم فیلر برای جبران کاهش آرک.

باید توجه داشت که فیلر هایی که با تیتانیم پایدار شده اند را نباید در جوشکاری قوس آرگون به کار برد، زیرا تیتانیم در این شرایط تبخیر شده و اثر خود را به عنوان یک پایدار دهنده کاهش می دهد.

اگرچه مشکل خوردگی بین دانه ای با استفاده از گریدهای کم کربن یا گرید های پایدار شده برطرف می شود اما این فولادها مشکلاتی نیز دارند:

1- فولادهایی با درصد کربن کم استحکام کمتری نسبت به گریدهای پایدار شده دارند.

2- گریدهای پایدار شده نسبت به ترک گرم حساس بوده و نسبت به گریدهای پایدار نشده به کنترل بیشتر فریت نیاز دارند.

3- گریدهای پایدار شده نسبت به رسوب محلی کاربیدها در منطقه باریکی از HAZ منجر به خوردگی میان دانه ای می شود، حساس هستند. این نوع خوردگی به خوردگی شیار چاقو معروف است.

خوردگی شیار چاقو

در حین جوشکاری فولادهای پایدار شده تیپ 321 و 347، ناحیه HAZ تا دمایی بالاتر از 1150 درجه سانتی گراد گرم می شود و این دما می تواند منجر به حل شدن جزئی TiC و NbC شود. در این حالت کربن در ناحیه باریکی در مجاورت جوش وارد ساختار شده و می تواند در دمای حساس شدن به کاربید کروم تبدیل شود. این ناحیه حساس تنها به اندازه چند دانه ضخامت دارد و می تواند یک ناحیه در معرض خوردگی بین دانه ای تشکیل دهد و در نتیجه به آن خوردگی شیار چاقو گفته می شود. فولادهایی که با نیوبیوم پایدار شده اند نسبت به فولادهای پایدار شده با تیتانیم از مقاومت بیشتری به خوردگی شیار چاقو برخوردارند.

در هر دو نوع، عملیات حرارتی حل سازی در دمای بالاو کوئنچ کردن نمی تواند به طور کافی خواص اصلی را باز گرداند. خوردگی شیار چاقو یا خوردگی جوش در موارد زیر تفاوت دارد:

1- خوردگی شیار چاقو در یک منطقه باریک نزدیک محل جوشکاری در فلز ایجاد می شود اما خوردگی جوش در فاصله قابل ملاحظه ای نسبت به جوش ایجاد می شود.

2- خوردگی شیار چاقو در فولادهای پایدار شده رخ می هد.

3- سابقه حرارتی فلز نیز متفاوت است.

می توان از خوردگی شیار چاقو با استفاده از انتخاب مناسب پارامتر های جوشکاری و استفاده از عملیات حرارتی پایدار کردن اجتناب کرد. بنابراین معمولا از فولادهای کم کربن به جای گرید های پایدار شده استفاده می شود.

پیش بینی خوردگی بین دانه ای با استفاده از تست های آزمایشگاهی

دو تست آزمایشگاهی برای پیش بینی خوردگی میان دانه ای مورد استفاده قرار می گیرند. که در ادامه مطرح شده اند.

1- تست مستقیم: تست مستقیم رضایت بخش ترین راه برای ارزیابی ریسک تخریب جوش در یک محیط است. روش تست ASTM که با قرار دادن ماده در معرض محیط خورنده، حساسیت آن را در یک محیط خورنده نمایش می دهد در جدول زیر آمده است.

تست استاندارد ASTM برای حساسیت به خوردگی بین دانه ای در فولادهای زنگ نزن
روش تست ASTM توصیف
A262، روش های A، B، C، E، F روش استاندارد برای شناسایی حساسیت به خوردگی بین دانه ای در فولاد زنگ نزن آستنیتی
G28، روش های A، B روش استانداردبرای شناسایی حساسیت به خوردگی در آلیاژهای ریختگی، پر نیکل و کروم دار
A763T روش های W، X، Y، Z روش استاندارد برای شناسایی حساسیت به خوردگی بین دانه ای فولاد زنگ نزن فریتی

2- روش تست پتانسیومتری: در این تکنیک یک نمونه جوش پولیش شده را در معرض یک الکترولیت مناسب در پتانسیل ثابت قرار می دهند که می تواند در محدوده پسیو یا خوردگی قرار گیرد. روش پتانسیو استاتیک نسبت به روش های معمولی تست برتری هایی دارد که تعیین کمی ریسک تخریب جوش را ممکن کرده و داده هایی مربوط به بازه ای از شرایط کاری را به دست می دهد.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Heat Exchanger Design Handbook 2nd edition, Kuppan Thulukkanam, CRC Press, 2013

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

Corrosion Protection Mechanisms of stainless steel
برچسب ها: زنگ نزنمبدل حرارتیفولاد زنگ نزنخوردگیفولاد
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان اصفهان 97
بیست و یکمین نمایشگاه تخصصی ساختمان اصفهان 97   عنوا ...بیشتر
نمایشگاه صنعت ساختمان البرز 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان البرز 97   عنوان: نمایشگ ...بیشتر
اولین نمایشگاه تخصصی سونا و جکوزی قزوین 97
نمایشگاه تخصصی سونا، استخر و جکوزی قزوین 97   عنوان: ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97
هفدهمین نمایشگاه تخصصی ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97   ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی همدان 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان،آسانسور، درب و پنجره، تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گر ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97
نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97   عنوان: نم ...بیشتر
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنندج 97
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنن ...بیشتر
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز شهر آفتاب تهران 97
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز تهران 97   عنوان: ...بیشتر
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97   عنو ...بیشتر
نمایشگاه تخصصی لوازم و تجهیزات خانه و آشپزخانه، حمام، سونا و استخر اصفهان 97
نمایشگاه تخصصی لوازم و تجهیزات خانه و آشپزخانه، حمام، سونا و استخر اصفهان 97 ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات پزشکی، دندان پزشکی، دارویی و آزمایشگاهی تبریز 97
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات پزشکی، دندان پزشکی، دارویی و آزمایشگاهی تبری ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر