جلوگیری از خوردگی کشتی و تاسیسات فراساحلی

بررسي عوامل تاثيرگذار درخوردگي و فناوريهاي نوين براي جلوگيري از آن در كشتي و تاسسيات فراساحلي

ابوذر اباذري
بي گمان يكي از هزينه هاي اساسي صنايع دريايي كشور كه بخش اعظم آن در برآورد خسارتهاي وارد شده سالانه پنهان مي ماند ، خسارتها و هزينه هاي خوردگي است. جلوگيري از خوردگي و هزينه هاي آشكار و پنهان آن با استفاده از روشهاي علمي و تخصصي موجب رشد و بالندگي زيادي در صنايع كشور مي گردد‌. بدنه كشتي گرچه با رنگهاي مخصوص و مقاوم پوشانده شده اما تشكيل پيلهاي كوچك در محيط مناسب آب دريا ميتواند به سرعت افزايش پيدا كند و با توليد جريان هاي زياد در اين محيط خورنده ،باعث خوردگي شديدي در بدنه شوند.اين معضل علاوه بر بدنه كشتي وتانكرهاي داخل آن در تمام سازه هاي دريايي مثل اسكله ها , سكوهاي نفتي و پتروشيمي و غيره نيز وجود دارد. هرچند در حال حاضر روشهاي غيرعلمي وغير تخصصي ( به صورت سنتي) براي جلوگيري از خوردگي استفاده مي شود ، اما متأسفانه روشهاي پيشرفته با دانش امروز هنور مورد توجه جدي قرار نگرفته است. اين مقاله در نظر دارد مروري بر روشهاي نوين جلوگيري از خوردگي كشتيها داشته باشد.
طراحي و نگهداري كشتي ها به دانش خوردگي و اطلاعاتي در زمينه مشخصات و طول عمر(عمر خستگي، كاربرد HTS(High Thermal Stability)) و عيبهاي وابسته به عمر تانكرهاي تك و دو بدنه و امكان بازرسي راحت و ساده (دسترسي آسان براي بازرسي و تعمير) و كيفيت ساخت و تجهيزات (كيفيت پرداخت، )و بار مخزن (فضاي خالي بالاي آب مخزن) احتياج دارد. فلزاتي كه انرژي بالاتري در فرايند توليدشان مصرف مي كنند براي خوردگي مستعدتر هستند و پتانسيل الكتريكي پايينتري دارند. پتانسيل الكتريكي چند فلز در شكل زیر نشان داده شده است.

انواع خوردگي كشتي و تاسسيات فراساحلي و عوامل تاثير گذار دو نوع خوردگي اتمسفري و مغروق (احاطه شده با آب دريا)در كشتي ها وجود دارد و سه عامل مهم لازم براي ايجاد اين خوردگي ها آب و مواد محلول و آلاينده در آب(مانند نمك) و اكسيژن مي باشند. خوردگي در ابتدا طبيعتش الكتروشيميايي مي باشد و با واكنش شيميايي همراه با عبور جريان الكتريسيته همراه است كه براي وقوع اين پديده بايد يك اختلاف پتانسيل الكتريكي بين سطوح مختلف لايه ها وجود داشته باشد.
فاكتورهاي اصلي تاثير گذار بر نرخ خوردگي
1-نفوذ 2 -دما 3 -هدايت 4 -نوع يونها 5-اسيدي و بازي بودن 6 -پتانسيل الكتروشيميايي
نفوذ و انتشار: فولاد برهنه بدون حفاظ تازه با نرخ بيشتري نسبت به فولاد پوشيده شده با لايه اي از زنگار، خورده مي شود از آنجاييكه انتشار واكنش دهنده ها از سطح فلز خيلي راحت تر مي باشد و نرخ خوردگي به سختي از طريق انتشار اكسيژن از آب به سطح فلزي كنترل مي شود و سطوح پوشيده با يك لايه مرطوب، هادي و نازك مانند انچه كه در مخازن بالاست اشغال شده است، سريعتر از سطوح مغروق خورده مي شود و همچنين سطوح بالاي مخازن بالاست و بالاي كف دو جداره جايي كه هوا به دام مي افتد تمايل به خوردگي بيشتر، نسبت به سطوح كاملا مغروق دارد كه اكسيژن قابل دسترس كمتري وجود دارد.
دما: نرخ انتشار و پخش به دما بستگي دارد، طوري كه فلزات در دماهاي بالا نسبت به دماهاي پايينتر، با نرخ خوردگي بيشتر خورده مي شوند كه به همين دليل، سطوح زير عرشه ها و مناطق متصل به موتورخانه يا بارهاي داغ زودتر خورده مي شوند؛ كه البته در تانكرهاي دو بدنه مدرن با مخازن بالاست كاملا تفكيك شده، مخازن خالي به عنوان يك عايق از دريا عمل مي كنند و بار موجود در آنها گرما را به مدت بيشتري حفظ مي كند طوري كه سمتي كه در مخازن بالاست بار وجود دارد سريعتر از مخازن تك بدنه خورده مي شود.

هدايت: براي وقوع پديده خوردگي بايد يك واسط هادي بين دو قسمت واكنش خوردگي وجود داشته باشد. خوردگي در آب تقطير شده اتفاق نمي افتد و نرخ خوردگي همزمان با افزايش هدايت ناشي از وجود يونهاي بيشتر در محلول، افزايش مي يابد. نرخ خوردگي فولاد در صنايع دريايي و كشتي سازي به يك مقدار ماكزيمم نزديك به ظرفيت يوني نرمال آب دريا مي رسد.
نوع يونها: بعضي انواع يونهاي موجود در آب دريا يا در محموله بارها خورنده تر از انواع ديگر ميباشند. يونهاي كلرايد و همچنين يونهاي شامل سولفات و سولفور معمولا مخربتر مي باشند كه مشكلات عمده اي را بوجود مي آورند مثلا يونهاي كلرايد خصوصيات حفاظتي هر زنگاري را با جلوگيري از تشكيل اكسيدهاي يكدست متراكم محافظت كننده، تخريب مي كنند و نيز يونهاي شامل سولفور در واكنشهاي توليد الكترون اضافي داخل خود زنگار وارد مي شوند. سولفور مي تواند از سيستم گاز خنثي و از بارهايي مثل نفت خام در مخازن كشتي هاي حمل اين بار سرچشمه بگيرد.
فاكتور كنترل نرخ خوردگي: pH در آب دريا با حدود pH 8، واكنشي كه تجزيه (انحلال) آهن را متوازن مي كند كاهش اكسيژن محلول براي تشكيل يونهاي هيدرواكسيد مي باشد و اگر pH به صفر افت كند(مفهوما اسيدي شود)، يونهاي هيدروژن اضافي حاضر مي توانند در واكنش كاتدي براي توليد هيدروژن درگير شوند. هيدروژن و يونهاي هيدروژن خيلي سريع انتشار مي يابند و باعث خوردگي سريعتر فولاد مي شوند و اگر pH تا 14 بالا رود (مفهوما بازي شود) هيدروكسيل اضافي وجود دارد و خوردگي متوقف مي شود ضمنا تاولهاي2 بسياري در مخازن بالاست پيدا مي شود، مخصوصا در كف دو جداره، كه به صورت افزاينده اي بازي هستند طوري كه فولاد زيرآنها خيلي روشن و درخشان است.
پتانسيل: هر فلز هنگامي كه در مايع هادي غوطه ور مي شود، يك پتانسيل الكتروشيميايي خاص را دارد. اين مفهوم نيمه پتانسيل ناميده مي شود زيرا مي تواند با مقايسه با مرجع شناخته شده ديگر اندازه گيري شود و اين الكترودهاي مرجع رايج، الكترود جيوه سفيد اشباع شده(SCE ،(كلرايد نقره/نقره و سولفات مس/مس مي باشد، البته پتانسيلي كه يك فلز دارد مي تواند با اتصال آن به فلز غير مشابه ديگر(با استفاده از آند فداشونده) يا با اعمال يك پتانسيل خارجي(حفاظت كاتدي جريان غوطه ور شده) تغيير كند كه همين مفهوم پايه اي براي روشهاي بازدارنده از خوردگي مي باشد.
خوردگي ميكروبيولوژي : بررسي بعضي انواع تانكرهاي دو بدنه اوليه، خوردگي اضافي در كف مخزنهاي بار را نشان مي دهد كه در آنجا اغلب لجن سياه رنگ با بوي سولفيد هيدروژن پيدا مي شود. اين لجنها وجود سولفات كاهش دهنده باكتري4 را مشخص مي كند. اين باكتري يك استانه فعاليت، بالاي c35 دارد كه به همين دليل در تانكرهاي تك بدنه آب دريا معمولا فولاد را تا زير اين دما خنك مي كنند و به همين دليل مشكل خاصي پديد نمي آيد. اين خوردگي معمولا به صورت حفره هاي موضعي ديده مي شود كه با يك فرآورده متشكل از تركيبات آهني پر مي شود لذا طراحي مخزنها بايد طوري باشد كه نبايد فضايي براي انباشته شدن آب راكد و لجن وجود داشته باشد.
راههاي نوين بازدارندگي از خوردگي با توجه به نكات مطرح شده نهايتا مي توان دو روش را براي كنترل خوردگي در كشتي ها پيشنهاد داد: تغيير محيط خورنده (بازدارنده ها- حفاظت كاتدي)
جلوگيري و ممانعت از محيط خورنده (پوشش‌ها)
بازدارنده ها بازدارنده هاي خوردگي در نواحي بكار برده مي شوند كه محلول الكتروليت از يك كميت قابل كنترل و معلوم است. در كشتي ها اين بازدارنده ها در تجهيزات (ديگ بخارها، مخازن و لوله ها استفاده مي شود) دو نوع بازدارنده آندي و كاتدي وجود دارد كه بازدارنده هاي آندي با مهاجرت به آند و واكنش براي تشكيل نمكهايي كه به عنوان مانع محافظ عمل مي كنند، كاربرد دارند، مثالهايي از اين نمونه كروماتها، نيتريتها، فسفاتها و روغنهاي حل شدني مي باشند. بازدارنده هاي كاتدي به كاتد مهاجرت مي كنند و يا ازجذب اكسيژن يا تغيير شكل هيدروژن جلوگيري به عمل مي آورند. مثالهايي از اين نمونه تركيبات نمكي از منزيم، روي، نيكل يا آرسنيك مي باشد.
حفاظت كاتدي: اين روش را اولين بار ميشاديل فارادي و هيومفري ديوي و همكارش براي محافظت كشتي ها در مقابل خوردگي در 1824 پيشنهاد دادند كه ورقهاي محافظ فلزروي به بدنه‌هاي پوشش دار مسي شناورهاي دريايي براي كاهش خوردگي مس اتصال پيدا كرده اند (اولين شناور محافظت شده در اين راستا سامارانگ9 بود). اصل حفاظت كاتدي، تبديل همه آندها به كاتد با پلاريزه كردن آنها به پتانسيل الكتريكي يكسان به عنوان كاتد، ميباشد. دو روش در اين راستا وجود دارد كه اولي آندهاي فدا شونده و دومي كاربرد جريان الكتريكي خارجي مي باشد.
آند فدا شونده: در اين روش ماده با پتانسيل پايين در تماس الكتريكي با سطح فلزي قرار مي گيرد كه بايد محافظت شود سپس ماده با پتانسيل پايين آند مي شود و خورده مي شود، مواد رايج بكار برده شده منزيم، روي و آلومينيوم مي باشند.
رنگها :
رنگها مخلوطي از مواد خام زيادي هستند كه اجزاي اصلي شامل موارد زير مي باشد:
1.رنگ پايه ها (واژه‌هاي ديگر شامل هستند: حامل(ناقل)، واسط، رزين، تشكيل دهنده فيلم، پليمر )
2.رنگدانه يا رنگدانه يار
3.حلال
دو مورد اول، پوسته رنگ خشك نهايي را شكل مي دهند و حلال فقط براي ساده كردن كاربرد و تشكيل فيلم اوليه مي باشد، اين حلال، پوسته رنگ را از طريق تبخير ترك مي دهد و بنابراين مي تواند يك فراورده زائد هزينه بر در نظر گرفته شود. رنگ پايه ها رنگ پايه ها(يا رزين) پوسته هاي تشكيل دهنده اجزاي رنگ ميباشند كه تعيين كننده ويژگيهاي پوشش، هم از لحاظ فيزيكي و هم شيميايي مي باشند. رنگها معمولا بعد از اجزاي تشكيل دهنده رنگ پايه هايشان نامگذاري مي شوند. (مثلا رنگهاي اپوكسي، رنگهاي مركب از كلر رزين6، رنگهاي آلكاليد)
رنگ پايه ها به دو كلاس طبقه بندي مي شوند:
1-قابل تغيير :در پوششهاي قابل تغيير يك واكنش شيميايي وجود دارد
2-غير قابل تغيي2 :در پوششهاي غير قابل تغيير واكنش شيميايي وجود ندارد ، فقط حلال وجود ندارد.
رنگ پايه هاي قابل تغيير در مرحله اول، حلال از پوسته با تبخير برداشته مي شود و خشكي پوسته با لمس كردن مشخص مي شود و در مرحله دوم، پوسته به طور تدريجي از نظر شيميايي با واكنش‌هايي پيچيده مي شود: 1 -واكنش با اكسيژن اتمسفري ، كه به عنوان اكسيژن شناخته مي شود 2 – واكنش با عامل سختگر3 شيميايي 3 -واكنش با آب كه به صورت رطوبت در اتمسفر وجود دارد 4 -گرماي مصنوعي 5 -بازيافت كننده تشعشعي(مثلا، ماورا بنفش).
رنگ پايه هاي غير قابل تغيير: در اين رنگ پايه ها محلولهاي ساده از رزين‌ها يا پليمرهاي گوناگون در حلالهاي مناسب حل مي شوند و خشك كردن با تبخير حلال مي باشد و تغییر شیمیایی وجود ندارد. انواع كلي از اين رنگ پايه ها شامل رزين كلرايد، وينيل، قيري و سلولوزي ميباشد.
رنگدانه ها و رنگدانه يارها:
رنگدانه ها و رنگدانه يارها به شكل پودرهاي ريز استفاده مي شوند كه به شكل رنگ پايه هاي با اندازه هاي ذرات گوناگون پراكنده مي شوند. اين
مواد به انواع زير تقسيم مي شوند:
1.رنگدانه هاي ضد خوردگي
2.رنگدانه هاي محافظ
3.رنگدانه هاي رنگاميزي
4.رنگدانه يارها
در رنگدانه هاي ضد خوردگي، اين مواد با استفاده از ابزار شيميايي و الكتروشيميايي از خوردگي فلزات جلوگيري مي كنند (بازدارنده شيميايي). مثل سرب قرمز و روي و فسفات روي و كرومات روي. در رنگدانه هاي محافظ، اين مواد قابليت نفوذ در پوسته رنگ را با ايجاد مسير نفوذ پيچاپيچ كاهش مي دهند مثل آلومينيوم و اكسيد اهن ميكاسئوس.
در رنگدانه هاي رنگاميزي، اين رنگدانه ها باعث رنگ دائمي مي شوند، مثل دي اكسيد تيتانيوم سفيد رنگ و اكسيد آهن، زرد، قرمز، سياه رنگدانه يارها: اين مواد ويژگيهاي پوسته را بهبود مي بخشند (مثلا سختي) اين مواد مانند سيليكا كريستالين و باوكسيت مي‌باشد.
حلالها: حلالها در رنگها اصولا براي ساده سازي كاربرد مورد استفاده قرار مي گيرند و وظيفه آنها حل كردن رنگ پايه ها و كاهش ويسكوزيته رنگ روي سطحي است كه براي روشهاي گوناگون كاربرد، مناسب مي باشد، یعنی بعد از كاربرد، حلالها تبخير مي شوند و به همين دليل آنها مواد اتلافي هزينه بري مي باشند.
نكته قابل توجه در مورد انواع رنگهاي گوناگون براي بخشهاي مغروق شده اين است كه همه انواع رنگها براي كاربرد در بخشهاي دائمي يا جزئي مغروق مناسب نمي باشند مثلا آلكيدها و البته بعضي انواع رنگها از ديگر رنگها براي مغروقيت دائمي يا جزئي بهتر مي باشند.
نتيجه‌گيري عوامل مختلفي مانند نفوذ و دما و هدايت و نوع يونها و …. در تسريع خوردگي كشتي موثر مي باشد و در اين راستا روشهايي مانند بازدارنده ها و حفاظت كاتدي(جريان مغروق شده و آند فدا شونده) و تاثير پوششها پيشنهاد مي شود كه خود پوششها با انواع رنگدانه هاي مختلف مي تواند مانع از نفوذ مواد لازم براي وقوع خوردگي روي فلز مورد نظر مي شود و در آخر بهترين پوششها براي نقاط مختلف كشتي اعم از دك و مخازن بالاست و … پيشنهاد مي شود.