شیمی فیزیک و ترمودینامیک مواد
ترمودینامیک مواد
کاربرد ترمودینامیک برای مطالعهٔ جامدات (خصوصاً جامدات کریستالی) را ترمودینامیک مواد یا ترمودینامیک جامدات مینامند که یک ابزار کمی قدرتمند برای بررسی خواص مهم مواد است.
به عنوان مثال با کمک ترمودینامیک بدون الزام به دانستن جزئیات اتمی کریستالها میتوان ساختار آنها را کنترل کرد. در این حالت نیازی به هیچگونه پیشبینی مدل خاصی برای اتمها نیست و با استفاده از سه قانون ترمودینامیک و بکارگیری روشهای ریاضیاتی میتوان اکثر خواص ماکروسکوپیک را محاسبه کرد.
البته کاربرد ترمودینامیک کلاسیک برای مقاصد ترمودینامیک مواد ناکافی است. زیرا به دلیل عمومیت و سادگی ترمودینامیک کلاسیک، هیچ اطلاعاتی در مورد جزئیات روابط بین اتمها و نابجاییها در کریستال نمیتوان بدست آورد. برای بدست آوردن چنین اطلاعاتی باید از مکانیک آماری (ترمودینامیک آماری) استفاده کرد. شیمیفیزیک
شیمیفیزیک یا فیزیکشیمی پایهایترین شاخهٔ شیمی است. شاخهای که میتوان قانونگاه شیمی نامید. این علم دارای دانشمندان بنامی چون گیبس، هلمهوتز، آرنیوس، نرنست، شرودینگر و ... میباشد. این علم با فیزیک رابطهای نزدیک دارد. شیمیفیزیک دارای شاخههای زیر میباشد:
کاربردهای شیمیفیزیک
ارتباط شیمیفیزیک با سایر علوم، کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان میکند. به عنوان مثال، با مطالعه الکتروشیمی، به پایه و اساس پدیدههای طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و میتوان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیدههایی جلوگیری کرده و یا این پدیدهها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد. علاوه بر آن، کاربرد قوانین ترمودینامیک مانند نقطه یوتکتیک در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیدههای طبیعی مانند یخبندان بعد از بارش برف، بسیار مفید میباشد. با توجه به نبودن مرز بين قوانين فيزيك و تحولات شيميايي جايگاه خاص اين بخش از بخش از علم مشخص است.
واژگان شیمی فیزیک
enthalpy of formation: آنتالپی تشکیل برای یک ماده مرکب معین ، تغییر آنتالپی واکنشی که در آن ، یک مول ماده مرکب از پایدارترین شکلهای عناصر آن تشکیل می شود، آنتالپی تشکیل مینامند.
▪ Hess,lawقانون هس یا قانون جمعبندی ثابت گرما تغییر آنتالپی واکنش شیمیایی ، ثابت است، خواه واکنش در یک مرحله ، خواه در دو مرحله انجام گیرد.
▪ قانون نسبتهای معین یک ماده مرکب خالص ، عناصر یکسان با نسبتهای جرمی یکسان دارد. law of definite propotions
▪ قانون پایستاری جرم در جریان واکنش شیمیایی ، تغییر قابل توجهی نمیکند. Law of conservation of mass
▪ انرژی ظرفیت انجام دادن کار Energy
▪ دما درجه داغی یا سردی ، خاصیتی که جهت جریان یافتن خود به خود گرما را معین میکند. temperature
▪ ظرفیت گرمایی مقدار گرمای لازمی است که دمای جرم معینی را یک درجه سانتیگراد بالا میبرد. Heat capocity
▪ گرما شکلی از انرژی است که بهطور خودبخود از جسمی با دمای زیادتر به جسمی با دمای کمتر جریان مییابد. Heat
▪ گرماسنج دستگاهی که برای اندازه گیری گرمای انتقال یافته در واکنشهای شیمیایی و تغییرات فیزیکی بکار میرود. Calorimeter
▪ گرماشیمی مطالعه تغییرات انرژی که همراه با تغییرات شیمایی و فیزیکی است. thermochemistry
▪ گرمای ویژه مقدار گرمای لازمی که دمای ۱gr ماده خالص را یک درجه سانتیگراد بالا میبرد. specific heat
▪ مقیاس دمای سلسیوس یک مقیاس دمایی براساس تخصیص صفر درجه سانتیگراد به نقطه انجماد عادی آب و ْ۱۰۰ سانتیگراد به نقطه جوش عادی آب است. Celsius temperature scale
▪ مقیاس دمای فارنهایت نوعی مقیاس دمایی است که در آن ، نقطه انجماد عادی آب ، ْ۳۲فارنهایت و نقطه جوش عادی آب ْ۲۱۲فارنهایت است Fahrenheit temperature scale
▪ مقیاس دمای کلوین یک مقیاس دمایی براساس تخصیص ۲۷۳k به نقطه انجماد عادی آب و ۳۷۳k به نقطه جوش عادی آب Kelvin tempratire scale
▪ اصل عدم قطعیت تعیین همزمان موقعیت دقیق و حرکت یا تکانه (جرم در سرعت mv) دقیق یک الکترون ، ناممکن است. uncertainty principle
ت▪ ابش الکترومغناطیسی انرژی تابشی که با سرعت خاصی (سرعت نور ، c) حرکت میکند و میتوان آن را بهصورت موجی یا کوانتومی توصیف کرد. Electromagnetic radiation
▪ عدد کوانتومی اصلی عدد کوانتومی که پوسته انرژی الکترون مربوط را نشان میدهد. مقادیر n اعداد صحیح مثبت …و۳و۲و۱ است. main quantum number
▪ عدد کوانتومی فرعی عدد کوانتومی که نوع پوسته فرعی و شکل اوربیتال الکترونهای مربوط را تعیین میکند. Sub sidiary
▪ عدد کوانتومی مغناطیسی عدد کوانتومی که جهت گیری اوربیتال الکترونی را تعیین میکند. magnetic quantum number
▪ فوتون یک کوانتوم انرژی تابشی photon
کوانتوم مقدار کوچک و معین انرژی تابشی. نظریه پلانک براین اساس است که انرژی تابش ، در این مقادیر جذب یا نشر می شود. انرژی یک کوانتوم ، E ، مستقیما با فرکانس تابش ، v ، متناسب است و ثابت تناسب ، h ، ثابت پلانک است. quantum
▪ آنتالپی تصعید تغییر آنتالپی مربوط به فرآیندی که در آن ، یک جامد مستقیما به گاز تبدیل میشود. Enthalpy of sublimation
▪ چرخه بورن هابر روش تحلیلی برای تغییرات آنتالپی یک فرآیند. H∆ کل فرآیند را با جمع جبری مقادیر H∆ مجموعه مراحلی که به همان نوع تغییر میانجامد، برابر میگیرند. Born-Haber cycle
▪ اتمسفر واحد فشار که به صورت ۱۰۱۳۲۵Pa بیان میشود. atmosphere
▪ اصل آووگادرو حجمهای مساوی از تمام گازها ، در دما و فشار یکسان ، دارای عده مولکولهای مساویاند. Avogadro,s principle
▪ پاسکال واحد فشار در دستگاه SI و آن برابر با نیرویی است که یک نیوتن (یا ۱kg.m.s۲) بر سطح یک متر مربع وارد میکند. Pascal
▪ تور واحد فشار که همارز با فشاری است که ستونی از جیوه را در ارتفاع ۱mm نگه میدارد. یک تور برابر ۷۶۰.۱ اتمسفر است. torr
▪ توزیع ماکسول- بولتسمان نحوه توزیع انرژی جنبشی یا سرعت مولکولی بین مولکولهای یک گاز Maxwell- Bultzman
▪ ثابت گازهای ایدهآل ضریب تناسب در معادله حالت یک گار ایدهآل و یکی از مقادیر ۰.۰۸۲۰۵۶L.atm/K.md است. Ideal gas constant
▪ جذر میانگین مجذور سرعت جذر میانگین مجذور سرعتهای مولکولی root-mean-square speed
▪ حجم مولی استاندارد حجم یک مول از گاز در دما و فشار استاندار که ۲۲.۴۱۴L است. standard molecular volume
▪ دمای بحرانی دمایی است که بالاتر از آن ، هرچند هم که فشار زیاد شود، مایع شدن گاز ناهمگن است. Critical temprature
▪ ضریب تراکم پذیری PV/RT که در آن ، P فشار گاز ، V حجم گاز ، R ثابت گازهای ایده آل و T دمای مطلق است. ضریب تراکم پذیری برای یک مول از گاز ایدهآل همواره برابر واحد است. Conversion factor
▪ فشار نیرویی است که بر واحد سطح وارد میشود. Pressure
▪ فشار بحرانی فشار لازم برای مایع شدن یک گاز در دمای بحرانی آن Critical pressure
▪ فشار جزیی فشاری که یک جزء از یک مخلوط گازی اگر به تنهایی در حجم مورد نظر میبود، اعمال میکرد. Partial pressure
▪ قانون آمونتون فشار یک گاز ، در حجم ثابت ، بهطور مستقیم با دما تغییر میکند. Amonton,s Law
▪ قانون بویل حجم یک گاز در دمای ثابت به نسبت عکس فشار تغییر میکند. Boyle ,s law
▪ قانون ترکیب حجمی گیلوساک حجم گازهای مصرف شده یا تولید شده در یک واکنش شیمیایی ، اگر در دما و فشار ثابت اندازه گیری شده باشند، با نسبتهای اعداد صحیح کوچک بیان میشود. Gay-Lussac,s low of combining
▪ قانون شارل حجم یک گاز ، در فشار ثابت ، بهطور مستقیم با دمای مطلق تغییر میکند. charles Law
▪ قانون فشارهای جزیی دالتون فشار کل مخلوطی از گازها برابر مجموع فشارهای جزیی هر یک از گازها است. Dalton,s Law of partial pressure
▪ قانون نفوذ گراهام سرعت نفوذ یک گاز با جذر چگالی یا جذر وزن مولکول آن گاز نسبت معکوس دارد. Graham,s Law of effusion
▪ کسر مولی نسبت تعداد مولهای یک جزء در یک مخلوط به تعداد کل مولها در آن مخلوط mole fraction
▪ مسافت آزاد میانگین فاصله میانگینی است که یک مولکول بین برخوردهای خود با سایر مولکولهای گاز طی میکند. mean free path
▪ معادله واندروالس معادله حالت گازها. نوعی از معادله حالت گاز ایدهآل که نیروهای جاذبه بین مولکولی و حجم اشغال شده توسط مولکولهای گاز را به حساب میآورد. Vander wool,s equation
▪ نظریه جنبشی گازها مدلی است در سطح مولکولی که میتوان آن را برای توضیح قوانین گازها بکار برد و معادله گاز ایده آل را بدست آورد. Kinetic theory of gases
▪ آنتالپی تبخیر انرژی لازم برای تبخیر مقدار معینی مایع (معمولا یک مول یا یک گرم) در دمای معین Enthalpy of vaprization
▪ آنتالپی تبلور تغییر آنتالپی در تبدیل مقدار معینی مایع (معمولا یک مول یا یک گرم) به جامد در دمای معین Enthalpy of crystllization
▪ آنتالپی ذوب انرژی لازم برای ذوب کردن مقدار معینی جامد (معمولا یک مول یا یک گرم) بر جامد در دمای معین Enthalpy of fusion
▪ آنتالپی میعان تغییر آنتالپی در تبدیل مقدار معینی گاز (معمولا یک مول یا یک گرم) در دمای معین Enthalpy of condenstion
▪ تبخیر فرآیند تبدیل مایع به گاز Vaporization
▪ تصعید فرآیند تبدیل مستقیم جامد به گاز بدون عبور از حالت مایع Sublimation
▪ تعادل شرایطی که در آن ، سرعت دو تمایل مخالف برابر میشوند. equilibrium
▪ فشار بخار فشار بخار در حالت تعادل با مایع خالص یا جامد خالص در دمای معین vapour pressure
▪ معادله کلازیوس- کلاپیرون معادله ای است که فشار بخار یک مایع در دو دمای مختلف را با یکدیگر و با آنتالپی تبخیر آن مایع مرتبط میسازد Clausius- Clapeyron equation
▪ نقطه انجماد دمایی که در آن ، فازهای جامد و مایع با یکدیگر در حال تعادلند. اگر فشار کل ، ۱atm باشد، این مقدار را انجماد عادی مینامیم. Solidify point
▪ نقطه جوش نقطه جوش یک مایع ، عبارت از دمایی است که در آن ، فشار بخار مایع با فشار بیرونی برابر میشود و نقطه جوش عادی یک مایع ، دمایی است که در آن ، فشار بخار مایع برابر ۱atm است. boiling point
▪ نقطه ذوب مراجعه کنید به نقطه انجماد melting point
▪ نقطه سه گانه دما و فشاری که در آن ، حالات جامد ، مایع و گاز یک ماده در عین حال با یکدیگر در حال تعادلاند. triple point
▪ آبپوشی فرایندی است که آن ، مولکولهای آب به سوی ذرات ماده حل شده جذب میشوند و آنها را احاطه میکنند. Hydration
▪ آزیوتروپ محلولی است که فشار بخار آن ، بالاتر یا پایینتر از فشار بخار هر یک از اجرای خالص است. اگر فشار بخار بالاتر باشد، آن محلول ، آزیوتروپ با نقطه جوش مینیمم و اگر پایینتر باشد، آزیوتروپ با نقطه جوش ماکزیمم است. Azeotrope
▪ آنتالپی آبپوشی تغییر آنتالپی مربوط به فرآیند آبپوشی یونهای گازی از مقدار معینی (معمولا یک مول) از یک ماده حل شده است. Enthalpy of hydration
▪ آنتالپی انحلال تغییر آنتالپی مربوط به فرآیند انحلال مقدار معینی (معمولا یک مول) از یک حل شونده در یک حلال است. مقدار این آنتالپی به دما و غلظت نهایی محلول بستگی دارد. Enthalpy of solution
▪ اسمز فرآیند عبور مولکولهای حلال از غشای نیمتراوایی است که دو محلول را از یکدیگر جدا میکند. جهت عبور این مولکولها به سوی محلول غلیظتر است. Osmosis
▪ اصل لوشاتلیه هر سیستم در حالت تعادل نسبت به تغییر شرایط ، عکسالعمل نشان داده، در جهت مقابله با آن عمل میکند. Le,chatelier,s priciple
▪ تقطیر جداسازی اجزای سازنده یک محلول با روش تبخیر و تراکم است. Distillation
▪ خواص غلظتی خواصی از یک محلول است که به غلظت ذرات ، نه به ماهیت این ذرات ، بستگی دارند. این خواص ، عبارتند از کاهش بخار ، نزول نقطه انجماد ، صعود نقطه جوش و فشار اسمزی Colligalive properties
▪ ضریب وانت- هوف عبارت از نسبت مقدار خاصیت غلظتی اندازه گیری شده یک محلول به مقدار محاسبه شده آن خاصیت است، به فرض اینکه ماده حل شده غیر الکترولیت باشد. Van,t Hoff factor
▪ قانون رایول فشار جزیی هر جزء از یک محلول ایده آل در بخار آن محلول برابر با حاصلضرب فشار بخار آن جزء به صورت خالص در کسر مولی آن جزء در محلول است. Rault,s Law
▪ قانون هنری وقتی که یک گاز در یک مایع بدون واکنش شیمیایی حل میشود، مقدار گاز حل شده در مقدار معینی از مایع با فشار جزیی آن گاز در بالای محلول نسبت مستقیم دارد. Hanry,s Law
▪ محلول ایده آل محلولی است که از قانون رایول پیروی میکند. یک محلول دو جزیی متشکل از B,A وقتی ایده آل است که در آن ، نیروهای بین مولکولی مولکولهای B,A و مولکولهای A,A و مولکولهای B,B اساسا یکسانند. Ideal solution
طراحی سیستم های آلی ضد خوردگی
یک پوششمقاوم در برابر خوردگی، اساساً بایستی در برابر اتمسفر خورنده مقاومت کرده و ازرسیدن آن به سطح سازه جلوگیری کند. طراحی یک پوشش ضد خوردگی موثر و مناسب ، کارپیچیده ایست که نیازمند علم وسیعی از جمله اصول خوردگی و ترکیب شیمیایی ساخت وتشکیل فیلم پوشش ضد خوردگی می باشد.
معمولاً حفاظت از اجسام در برابر خوردگی، توسط پوششهای آلی انجام می شود. این پوششها با توجه به فاکتور های مشخص از جمله خود سازه، جنس سازه، طول عمر سازه،شرایط فرآیندی و سرویس ، شرایط جوی و غیره متغیر می باشند و تفاوت آنها می تواند درنوع رزین، پیگمنت، ضخامت لایه ها، تعداد لایه ها و... باشد. حال با توجه به مسائلفوق در طراحی یک سیستم ضد خوردگی ، موارد فراوانی بایستی مد نظر قرارگیرد.
سیستم رنگ : به تعدادی از لایه های رنگ که هر کدام نقش مشخص درمحافظت از سطح فلز جسم را دارند، گویند. سیستم رنگ از بخشهای ذیل تشکیل می شود .
-1آستریPrimer
-2میانهIntermediate
-3رویهTop Coat Finishnt
-آستری ها :
آستر یک اصطلاح عمومی است که به همه رنگهای ضد خوردگیاتلاق می شود و یکی از مهمترین اجزاء یک سیستم رنگ می باشد. اهداف اولیه یک رنگآستری به شرح ذیل می باشد :
-1چسبندگی (اتصال قوی به جسم)
-2پیوستگی یا چسبندگی (بسیار قویداخلی)
-3خنثی بودن (مقاومت بالا در برابر خوردگی و مواد شیمیایی)
-4چسبندگی بین لایه ای (چسبندگی قوی به لایهمیانی)
-5انعطاف پذیریمناسب
از آنجا که رنگ آستری،پایه ای برای لایه های دیگر سیستم رنگ محسوب می شود، بایستی چسبندگی خوبی به رویسطح جسم داشته باشد. اگر سیستم رنگ از نوع بازدارندهباشد، رنگ آستری بایستی دارای پیگمنت های بازدارنده بوده تا بتواندبا غیر فعال کردنسطح ، میل فلز را نسبت به خوردگی کاهشدهد تا چسبندگی آن بر جسم افزایش یابد. به علاوه این آستری بایستی با رطوبت والکترولیت ورودی از سطح سیستم واکنش دهد تا بتواند بصورت کاتدی از فلز محافظت کند. این دسته رنگها دارای دانسیته یا جرم حجمی بالا می باشد و علت سنگینی آنها، وجودپیگمنت های فلزی است. این رنگها دارای براقیت پایین هستند و دانه بندی و گرایند اینرنگها بالاست تا بتواند سطحی زبر جهت چسبندگی خوب لایه میانی به وجودآورد.
-رنگهای میانه :
لایه دوم سیستم رنگ می باشد که معمولاً با ضخامت بالااعمال می شود. ضخامت بالای آن کمک می کند تا از نفوذ آب یا هر عامل خورنده دیگرجلوگیری کند. اهداف مورد نظر که بایستی رنگ میانه، آنها را برآورده سازد به شرح زیراست :
-ضخامتبالا
-مقاومت بالایشیمیایی
-مقاومت در برابرانتقال رطوبت یا بخار آب
-افزایش مقاومت الکتریکی رنگ
-چسبندگی خوب به رنگ آستری و رنگرویه
این رنگها نیمه مات بوده ودارای دانسیته پایین تر ، دانه بندی یا گرایند پایین تر و مقدار رزین بیشتر نسبت بهآستریها می باشند.
-رنگهای رویه :
آخرین لایه رنگ در یک سیستم رنگ آمیزی می باشد و اهدافعمل آنها به شرح زیر است :
-1به عنوان یک لایه مقاوم و سیلر برای سیستمرنگ
-2لایه مقاوم اولیهدر برابر محیط
-3مقاومت در برابرمواد شیمیایی، آب و شرایط جوی
-4ایجاد سطح سخت و مقاوم در برابر سایش و ضربه
-5به وجود آمدن ظاهر خوب و زیبا
رنگهای رویه دارای دانسیته پایین، نیمه براق یا براقهستند، دارای میزان کمتری دانه بندی در انواع رنگها می باشند تا سطح صاف و صیقلیایجاد کنند. مقاوم در برابر اشعه UV آفتاب، تغییر رنگ وشرایط نامساعد جوی می باشند.
فاکتور های موثر در طراحی یک سیستم آلی ضد خوردگی :
-شرایط آب و هوایمنطقه ؛ که در بر گیرنده وضعیت منطقه از نظر رطوبت، گرما و سرما، آلودگی شیمیایی میباشد.
-جنس سازه یا جسممورد نظر ؛ جنس و آلیاژ سازه جهت طراحی سیستم رنگ بسیار مهم بوده و تاثیر بسزایی درنوع رنگ اعمالی بر روی آن ، به خصوص رنگ آستری را دارا می باشد.
-موقعیت سازه درمنطقه ؛ محل قرار گرفتن سازه، تماس با آب شور، شناور یا غرق در آب بودن ، برای مثالپوشش داخل مخازنی که حاوی مواد شیمیایی، حلال ها، آب شور، آب شرب یا نفت خام میباشد، چه از نظر نوع رنگ یا تعداد لایه ها، ضخامت هر لایه، نحوه آماده سازی و کیفیتآماده سازی و غیره.
-شرایط عملیاتی یاService؛ این شرایط در طراحی سیستم ضد خوردگی برای هرسازه بسیار حائز اهمیت است. از آن جمله می توان به بالا یا پایین بودن دما، نوساندما، نوع مواد در تماس با سازه، احتمال وجود صدمات مکانیکی از جمله ضربه و سایش برروی سازه و بسیاری از فاکتورهای دیگر اشاره کرد.
اطلاعاتیکه پس از طراحی سیستم رنگ بایستی به همراه آنارائه شوند.
-1تعداد لایه هایرنگ، شماره های رنگ مربوط به کمپانی مورد نظر، ضخامتهای خشک و تر مورد نظر، دانسیتهرنگ در صورت دو جزئی یا سه جزئی بودن رنگ، زمان خشک شدن سطحی و عمقی تینر مربوط بههر رنگ، زمان مورد نظر بین لایه های رنگ و ...
-2حداقل درجه آماده سازی سطح مورد نظر بر حسب معیاراستاندارد مشخص مانندNACE.SSPC . ISO و غیره، ساینده مورد نیاز و سایز ساینده، فشار مورد نظر جهت عملآماده سازی سطح، در صورتی که آماده سازی، بلاستینگ باشد.
-3دستورالعمل آماده کردن رنگ جهت اعمال، از جمله نسبتاختلاط درصد تینر، میکس و همزن.
-4روشهای پیشنهادی جهت اعمال رنگ، نوع پاشش، دستگاه مورد نظر جهت پاششرنگ، فشار ورودی، فشار مورد نظر در دهانه نازل، نوع نازل پاششو...
-5خصوصیات رنگمربوطه و یا سایر نکات لازم
-6پیشگیری های مربوط به ایمنی، خطر در حین آماده سازی سطح، ابزار،تجهیزات، فشار، مواد و گرد و غبار و ....
-7خطر حریق احتمالی ناشی از رنگ وحلالها
-8تجهیزات محافظتیافراد
خوردگی و راه های مقابله با آن
مقدمهاي در موردخوردگي
بر طبق آمارهاي وال استريت جورنال (11 سپتامبر 1981) هزينة خوردگيدر صنعت نفت و گاز آمريكا حدود 2 بيليون دلار بوده است و مدام اين هزينهها در حالافزايش هستند. خوردگي پلها، هزينههاي خوردگي در اتومبيلها در حد بيليونها دلاراست. خوردگي در همه جا وجود دارد، در داخل و خارج از منزل، در جاده، در دريا، دركارخانه و در وسائل هوا – فضا.
كل هزينةسالانة سيلها، گردبادها، آتشسوزيها، رعد و برقها و زمين لرزهها كمتر از هزينةخوردگي ميباشند.
در حقيقت اگر خوردگي وجود نداشت، اقتصاد جوامع مختلف بشدت تغييرميكرد. اگرچه خوردگي اجتنابناپذير است، ولي هزينة آنرا ميتوان كاهش داد. مثلاًيك آند ارزان قيمت منيزيم ميتواند عمر تانك آب گرم خانگي را دو برابر كند. انتخابصحيح مواد و طراحي خوب، هزينههاي خوردگي را كاهش ميدهد. يك برنامة صحيح تعميرات ونگهداري رنگ چندين برابر مخارجش را صرفهجوئي ميكند.
با توجه به نكاتي كه گفته شد اهميت بسياربالاي خوردگي و راههاي پيشگيري از خوردگي معلوم ميشود كه اين كار بر عهدة مهندسيخوردگي است. در مهندسي خوردگي، خوردگي چنين تعريف ميشود: تخريب يا فاسد شدن يكماده در اثر واكنش با محيطي كه در آن قرار دارد.
اين تعريف شامل فلزات و غيرفلزات ميشود. (مهندسي خوردگي، صص 6و7)
هر جامعهاي كهبه مفهوم خوردگي پي ببرد، افراد آن جامعه كامل، بالغ و متفكر خواهند بود و آن جامعهچنان پيشرفت خواهد كرد كه ميتوان گفت در بعد ديگري از زمان هستند.
هزينه هاي خوردگي
تخمين هزينه هايسالانة خوردگي در ايالات متحده بين 8 بيليون دلار تا 126 بيليون دلار مي باشد. بهرترتيب، خوردگي زيان اقتصا دي عظيمي است و براي كاهش دادن به كارهاي زيادي مي توانانجام داد. اگر اين نكات را در نظر بگيريم كه هر جا فلز و مواد ديگر مورد استفادهقرار مي گيرند خوردگي با درجه وشدتهاي متفاوتي واقع مي گردد، اين رقمهاي بزرگ دلاريچندان غير منتظره نخواهد بود.
در حقيقت اگر خوردگيوجود نداشت اقتصاد جامعة ما بشدت تغيير مي كرد. مثلاً اتومبيلها، كشتيها، خطوط لولهزير زميني و وسايل خانگي احتياج به پوشش نداشتند، صنايع فولاد زنگ نزن از بين ميرفتند و مس فقط براي مقاصد الكتريكي بكار مي رفت. اكثر كارخانجات و محصولاتي كه ازفلز ساخته مي شدند از فولاد يا چدن ساخته ميشدند.
اگرچه خوردگي اجتناب ناپذير است، ولي هزينة آنرا به مقدار زيادي ميتوان كاهش داد. مثلاً يك آند ارزان قيمت منيزيم مي تواند عمر تانك آب گرم خانگي را دو برابر كند. شستشوي اتومبيل براي زدودن نمكهاي كه براي يخ بندان روي جاده مي پاشند مفيد است. انتخاب صحيح مواد و طراحي خوب، هزينه هاي خوردگي را كاهش ميدهد. يك برنامه صحيحتعميرات و نگهداري رنگ چندين برابر مخارجش را صرفه جويي ميكند. اينجاست كه مهندسيخوردگي وارد صحنه مي شود و مي تواند موثر باشد – ماموريت اصلي او مبارزه با خوردگياست. جدا از مخارج مستقيم دلاري، خوردگي يك مشكل جدي است زيرا به طور روشني باعثتمام شدن منابع طبيعي ما مي گردد. مثلاً فولاد از سنگ آهن بدست مي آيد، ميزان توليدداخلي سنگ آهن پر عياركه مستقيماً قابل استفاده باشند بشدت كاهش يافته است. توسعةصنعتي سريع بسياري از كشورها نشان مي دهد كه رقابت و قيمت منابع فلزي افزايش خواهديافت. ايالات متحده ديگر مصرف كنندة اصلي منابع معدني نيست.
مهندسي خوردگي
مهندسي خوردگي كاربردانش وفن يا هنر جلوگيري ياكنترل خسارت ناشي از خوردگي به روش اقتصادي و مطمئنميباشد. براي اينكه مهندس خوردگي به خوبي از عهده وظايف خود برآيد، بايستي با اصولخوردگي و عمليات مبارزه با آن، خواص شيميايي، متالورژيكي، فيزيكي و مكانيكي مواد،آزمايشات خوردگي، ماهيت محيط هاي خورنده، قيمت مواد اوليه، نحوه ساخت و توليدكامپيوتر و طراحي قطعات آشنا باشد. او همچنين بايستي خصوصيات معمول يك مهندس كهعبارت است از : توانائي ارتباط برقرار كردن با ديگران، صداقتتوانايي تفكر و تجزيهتحليل كردن، آگاهي عميق از اهميت خطرات در عمل، عقل سليم يا شعور، منظم و مرتببودن، و مهمتر از همه احساس عميق و صحيح مسائل اقتصادي را دارا باشد. در حل مسائلخوردگي بايستي روشي را انتخاب نمايد كه بيشترين بهره را داشتهباشد.
مقالات زير كاربردهاي تكنولوژي كامپيوتر درمهندسي خوردگي را نشان مي دهد:
ماشينهاي متفكر(هوشمصنوعي) در ژورنال مهندسي شيمي، سپتامبر 1981، صفحات 45-51 به بررسي مثالهاي متعدددر مورد پيش بيني خوردگي توام با تنش پرداخته است. همچنين از ديگر كاربرهايتكنولوژي كامپيوتر در خوردگي مي توان به مقالات زير اشاره كرد.
S.N. Smith and F.E. Rizzo, Computer Assisted Corrosion
Engineering, Materials Performans, 19:21 – 23(oct 1980)
C. Edeleanu, the Efect of the Microprissors on Corrosion
Technology, Materials Performance, 22:82 – 83 (Oct 1983)
در گذشته تعدادنسبتاًكمي از مهندسين با آموزش رسمي در خوردگي وجود داشتند. اكثراً افرادي دركه اينرشته كار مي كردند داراي زمينه هاي شيمي، برق يا متالوژي بودند. خوشبختانه اينوضعيت امروزه تغيير كرده است.
از فقط 3 دانشگاه در 1946، امروزه 65 دانشگاه در ايالات متحده دروس رسمي در زمينه خوردگي ارائه مي كنند. مفهوم اينها آن است كه امروزه صدها مهندس در صحنه وجود دارند كه درس رسمي در اينزمينة خوردگي گذرانده اند. در گذشته، و حتي امروزه، خوردگي را به عنوان "معضلي" كهبايستي آنرا تحمل كرد در نظر مي گيرند. غفلت علت بسياري از انهدام هاي زودرس، غيرمنتظره و گران مي باشد- غفلت بوسيلة افرادي كه بايستي اطلاعات بهتري داشته باشند. بطور مثال، دو فروشندة آنده هاي قرباني شونده، سيستم هاي خود راحفاظت آندي مينامند! در حقيقت اين سيستم حفاظت كاتدي است كه كاملاً متفاوتاست.
تعريف خوردگي
خوردگي را تخريب يا فاسد شدن يك ماده در اثر واكنش با محيطي كه در آنقرار دارد تعريف مي كنند. بعضي ها اصرار دارند كه اين تعريف بايستي محدود به فلزاتباشد، ولي غالباً مهندس خوردگيبايستي براي حل يك مسئله هم فلزات و هم غير فلزات رادر نظر بگيرد. سراميكها، پلاستيكها، لاستيك و مواد غير فلزي ديگر نيز منظور شدهاند. مثلاً، تخريب رنگ ولاستيك بوسيله نور وخورشيد يا مواد شيميايي، خورده شدنجدارة كورة فولاد سازي، و خورده شدن يك فلز جامد بوسيله مذاب يك فلز ديگر تماماًخوردگي ناميده مي شوند. خوردگي مي تواند سريع ياكندصورت گيرد. فولاد زنگ نزدن درحالت حساس شده به وسيله اسيد پلي تيونيك ظرف چند ساعت بشدت خورده مي شود. ريلهايراه آهن معمولاً به آهستگي زنگ مي زنند- ولي سرعت زنگ زدن آنقدر نيست كه بر كاراييآنها در سالهاي زياد اثري بگذارد. ستون آهني معروف دهلي در هندوستان حدود 2000 سالپيش ساخته شده و هنوز به خوبي روز اول است. ارتفاع آن 32 فوت است.
لكن بايستي توجه شود كه اين ستون آهني عموماً در شرايط جوي خشك قرارداشته است. خوردگي فلزات را مي توان بر عكس متالوژي استخراجي در نظر گرفت. درمتالوژي استخراجي در نظر گرفت. در متالوژي استخراجي، هدف عمدتاً بدست آوردن فلزازسنگ معدن و تصفيه يا آلياژسازي آن براي مصارف مختلف مي باشد. اكثر سنگ معدنهاي آهنحاوي اكسيد هاي آهن هستند و زنگ زدن فولاد به وسيله آب واكسيژن منجر به تشكيل اكسيدآهن هيدارته مي گردد. اگرچه اكثر فلزات موقعي كه خورده ميشوند تشكيل اكسيدهايشان رامي دهند ولي لغت زنگ زدن فقط در مورد آهن و فولاد بكار مي رود. بنابراين ميگوئيمفلزات غير آهني خورده مي شوند و نمي گوييم زنگ مي زنند. محيطهاي خورنده عملاً كليهمحيطها خورنده هستند، لكن قدرت خوردگي آنها متفاوت است. مثالهايي در اين موردعبارتند : از هوا و رطوبت، آبهاي تازه، مقطر، نمكدار، و معدني، آتمسفرهاي روستائي،شهري، و صنعتي، بخار و گازهاي ديگر مثل كلر، آكونياك، سولفور هيدروژن، دياكسيدگوگرد، و گازهاي سوختني، اسيد هاي معدني مثل اسيد كلريدريك، سولفوريك، ونيتريك، اسيدهاي آلي مثل اسيد نفتنيك، استيك، و فرميك، قليائي ها، خاكها، حلالها،روغن نباتي و نفتي، و انواع و اقسام محصولات غذائي. بطور كلي مواد "معدني" خورندهتر از مواد " آلي" مي باشند. مثلاً خوردگي در صنايع نفت بيشتر در اثر كلرور سديم،گوگرد، اسيد سولفوريك و كلريدريك و آب است تا بخاطر روغن، نفت و بنزين. كاربر درجهحرارتها و فشارهاي بالا در صنايع شيميايي باعث امكان پذير شدن فرايند جديد يا بهبودفرايند قديمي شده است، به عنوان مثال راندمان بالاتر، سرعت، توليد بيشتر، يا تقليلقيمت تمام شده. اين مطلمب هم چنين در مورد توليد انرژي از جمله انرژي هسته اي،صنايع فضائي و تعداد بسيار زيادي از روشها و فرايند ها صادق است. درجه حرارتها وفشارهاي بالاتر معمولاً باعث ايجاد شرايط خوردگي شديدتري مي گردند. بسياري ازفرايند ها و عمليات متداول امروزه بدون استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگي غيرممكن يا غير اقتصادي ميباشد.
تخریب فلزات با عوامل غیر خوردگی
فلزات در اثراصطکاک ، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب میشوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظرما نیست.
فرایند خودبهخودی و فرایند غیرخودبهخودی
خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی درجهتی پیش میرود که به حالت پایدار برسد. البتهM+nمیتواند به حالتهایمختلف گونههای فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم،زنگ میزند که یک نوع خوردگی و پدیدهای خودبهخودی است. انواع مواد هیدروکسیدی واکسیدی نیز میتوانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس دراثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیدهای خودبهخودی است، اشکال مختلف آن ظاهرمیشود.
بندرت میتوان فلز را بصورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلببصورت ترکیب درکانیو بصورت کلریدها و سولفیدها و غیرهیافت میشوند و ما آنها را بازیابی میکنیم. به عبارت دیگر ، با استفاده ازروشهای مختلف ، فلزات را از آن ترکیبات خارج میکنند. یکی از این روشها ، روشاحیای فلزات است. بعنوان مثال ، برای بازیابی مس از ترکیبات آن ، فلز را بصورتسولفات مس از ترکیبات آن خارج میکنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را باروشهای شیمیایی تبدیل به اکسید آلومینیوم میکنند و سپس با روشهای الکترولیزمیتوانند آن را احیا کنند.
برای تمام این روشها ، نیاز به صرف انرژی استکه یک روش و فرایند غیرخودبهخودی است و یک فرایند غیرخودبهخودی هزینه و موادویژهای نیاز دارد. از طرف دیگر ، هر فرایند غیر خودبهخودی درصدد است که به حالتاولیه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبهخودی است. پس فلزاتاستخراج شده میل دارند به ذات اصلی خود باز گردند.
در جامعه منابع فلزاتمحدود است و مسیر برگشت طوری نیست که دوباره آنها را بازگرداند. وقتی فلزی را دراسید حل میکنیم و یا در و پنجره دچار خوردگی میشوند، دیگر قابل بازیابی نیستند. پس خوردگی یک پدیده مضر و ضربه زننده به اقتصاد است.
جنبههای اقتصادی فرایندخوردگی
برآوردی که در مورد ضررهای خوردگی انجام گرفته، نشانمیدهد سالانه هزینه تحمیل شده از سوی خوردگی ، بالغ بر 5 میلیارد دلار است. بیشترین ضررهای خوردگی ، هزینههایی است که برای جلوگیری از خوردگی تحمیلمیشود.
پوششهای رنگها و جلاها
سادهترین راه مبارزه با خوردگی ، اعمال یک لایهرنگاست. با استفاده از رنگها بصورتآستر و رویه ، میتوان ارتباط فلزات را با محیط تا اندازهای قطع کرد و در نتیجهموجب محافظت تاسیسات فلزی شد. به روشهای سادهای میتوان رنگها را بروی فلزات ثابتکرد که میتوانروش پاششیرا نام برد. به کمک روشهای رنگدهی ، میتوانضخامت معینی از رنگها را روی تاسیسات فلزی قرار داد.
آخرین پدیده در صنایعرنگ سازی ساخت ر الکترواستاتیک است که به میدان الکتریکی پاسخ میدهند و به اینترتیب میتوان از پراکندگی و تلف شدن رنگ جلوگیری کرد.
پوششهای فسفاتی و کروماتی
این پوششها کهپوششهایتبدیلینامیده میشوند، پوششهایی هستند که از خود فلز ایجاد میشوند. فسفاتها و کروماتها نامحلولاند. با استفاده از محلولهای معینی مثل اسید سولفوریکبا مقدار معینی از نمکهای فسفات ، قسمت سطحی قطعات فلزی را تبدیل به فسفات یاکرومات آن فلز میکنند و در نتیجه ، به سطح قطعه فلز چسبیده و بعنوان پوششهایمحافظ در محیطهای خنثی میتوانند کارایی داشته باشند.
این پوششها بیشتر بهاین دلیل فراهم میشوند که از روی آنها بتوان پوششهای رنگ را بر روی قطعات فلزیبکار برد. پس پوششهای فسفاتی ، کروماتی ، بعنوان آستر نیز در قطعات صنعتیمیتوانند عمل کنند؛ چرا که وجود این پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکمترمیسازد. رنگ کم و بیش دارای تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمیتواند ازخوردگی جلوگیری کند.
پوششهای اکسید فلزات
اکسید برخی فلزات بر روی خود فلزات ، از خوردگی جلوگیریمیکند. بعنوان مثال ، میتوان تحت عوامل کنترل شده ، لایهای از اکسید آلومینیومبر روی آلومینیوم نشاند. اکسید آلومینیوم رنگ خوبی دارد و اکسید آن به سطح فلزمیچسبد و باعث میشود که اتمسفر به آن اثر نکرده و مقاومت خوبی در مقابلخوردگی داشته باشد. همچنین اکسید آلومینیوم رنگپذیر است و میتوان با الکترولیز وغوطهوری ، آن را رنگ کرد. اکسید آلومینیوم دارای تخلخل و حفرههای شش وجهی است کهبا الکترولیز ، رنگ در این حفرهها قرار میگیرد.
همچنین با پدیدهالکترولیز ، آهن را به اکسید آهنسیاه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبدیلمیکنند که مقاوم در برابر خوردگی است که به آن "سیاهکاری آهن یا فولاد" میگویند که در قطعات یدکی ماشین دیده میشود.
پوششهایگالوانیزه
گالوانیزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهنو فولاد با روی است. گالوانیزه ، بطرق مختلف انجام میگیرد که یکی از این طرق ،آبکاری با برق است. در آبکاری با برق ، قطعهای که میخواهیم گالوانیزه کنیم، کاتدالکترولیز را تشکیل میدهد و فلز روی در آند قرار میگیرد. یکی دیگر از روشهایگالوانیزه ، استفاده از فلز مذاب یا روی مذاب است. روی دارای نقطه ذوب پایینیاست.
در گالوانیزه با روی مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرارمیدهند و با استفاده از غوطهور سازی فلز در روی مذاب ، لایهای از روی در سطحفلز تشکیل میشود که به این پدیده ، غوطهوری داغ (Hot dip galvanizing) میگویند. لولههای گالوانیزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشی منازل و آبرسانی و ... مورد استفاده قرار میگیرند.
پوششهای قلع
قلع از فلزاتی است که ذاتا براحتی اکسید میشود و از طریق ایجاد اکسیددر مقابل اتمسفر مقاوم میشود و در محیطهای بسیار خورنده مثل اسیدها و نمکها و ... بخوبی پایداری میکند. به همین دلیل در موارد حساس که خوردگی قابل کنترل نیست، ازقطعات قلع یا پوششهای قلع استفاده میشود. مصرف زیاد این نوع پوششها ، در صنعتکنسروسازی میباشد که بر روی ظروف آهنی این پوششها را قرار میدهند.
پوششهای کادمیوم
این پوششها بر رویفولاد از طریق آبگیری انجام میگیرد. معمولا پیچ و مهرههای فولادی با این فلز ،روکش داده میشوند.
فولاد زنگنزن
این نوع فولاد ، جزو فلزات بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و درصنایع شیرآلات مورد استفاده قرار میگیرد. این نوع فولاد ، آلیاژ فولاد با کروممیباشد و گاهی نیکل نیز به این آلیاژ اضافه میشود.
مهار خوردگی در سیستم های سه فازی چاهها و لوله های گاز
خوردگي يكياز مشكلات عمده در صنايع نفت و گاز به شمار مي آيد كه سالانه مبالغ هنگفتي، به خوداختصاص مي دهد. وقفه در توليد، زيان هنگفتي چه از نظر توليد هيدروكربن و چه از نظرهزينه تعميرات در پي خواهد داشت. بنابراين سلامت تجهيزات در طول عمر مفيد آن ها يكمسأله اساسي به نظر مي رسد. استفاده از بازدارنده هاي خوردگي سال هاست كه به عنوانيكي از روش هاي كارآمد در صنايع نفت و گاز به كار گرفته مي شود.بازدارنده ماده اياست كه به تعداد كم به سيستم افزوده مي شود تا واكنش شيميايي را كند يا متوقفكند. بازدارنده هاي مورداستفاده در صنايع نفت و گاز معمولا از نوع تشكيل دهنده لايهسطحي(film former) هستند. اين بازدارنده ها با سطح فلز واكنش مستقيم ندارند و با ايجاد لايه محافظي از موادآلي قطبي برروي سطح فلز، سبب بازدارندگيمي شوند. لايه مولكولي اوليه ممكن است پيوندهاي قوي از طريق تبادلبار الكتريكي با سطح برقرار كند و به صورت شيميايي جذب شود، اما لايه هاي بعدي ازطريق پيوندهاي ضعيف فيزيكي جذب لايه اول مي شوند. وجود گروه هاي بلند هيدروكربني،در مولكول هاي اين بازدارنده يك سد فيزيكي در برابر ذرات خورنده به وجود مي آورد. كاركرد ديگر بازدارنده ها، كاهش قابل ملاحظه جريان الكتريكي از طريق افزايش مقاومتاهمي مي باشد.
درسال هاي اخير استفاده از روش جديد تثبيتpHدر سيستم هاي مختلفگاز مطرح شده است و براي اولين بار در ايران و در پارس جنوبي فاز دو و سه توسط شركتتوتال (TOTAL FINA ELF) مورد استفاده قرار گرفته است. اساس روشتثبيتpHاستفاده از گليكول مي باشد. گليكول به منظور جلوگيري از هيدراتهشدن به سيستم افزوده مي شود. تثبيت كننده به گليكول غيراشباع افزوده مي شود. اينتثبيت كننده مي تواند آلي يا معدني باشد. اين مواد مقدارpHرا بالا مي برند وسبب تشكيل رسوبات محافظ مي شوند.افزايشpHدر همه نقاط لوله تايك مقدار موردنظر باعث تشكيل يك لايه محافظ و پايدار كربنات آهن يا سولفيد آهن ميشود كه مي توان سطوح داخلي خطوط لوله را در برابر خوردگي محافظتكند. تثبيت كننده در ساحلهمراه با گليكول بازيابي مي شود و دوباره به سمت سكو(PLATFORM) فرستاده ميشود.بعد از آن مقدار كمي افزودني براي پايدار كردن سيستم و حصول محافظت كامل كافياست. در اين مقاله روش هاي مختلف پيش گيري و روش جديد تثبيتpHتشريح مي شود. يادآور ي مي نمايد كه در تدوين اين مقاله آقايان سعيد نعمتي (كارشناس برنامه ريزيمجتمع گاز پارس جنوبي)، دكتر سيروس جوادپور و دكتر عباس علي نظربلند (استاداندانشكده مهندس دانشگاه شيراز) مؤلف را ياري كرده اند.
• روش هاي كنترل خوردگي
خوردگيدر صنايع گاز به يكي از روش هاي زير كنترل مي شود:
• آلياژهاي مقاوم به خوردگي
• بازدارنده هاي خوردگي
• روش تثبيت
• آلياژهاي مقاوم به خوردگي
استفاده ازآلياژ مقاوم به خوردگي در خطوط لوله به هيچ صورت مقرون به صرفه نمي باشد. عليالخصوص در مورد لوله هاي طويل و بزرگ كه مشكلات جوش و اتصالات نيز وجود دارد. اينروش فقط در موارد خاص در خطوط لوله انتقال گاز به كار مي رود.براي كنترل خوردگيداخلي خطوط لوله از جنس فولاد كربني در يك سيستم چند فازي دو روش ديگر را مي توانبه كار برد.
• بازدارنده هاي خوردگي
از جمله راه هايكاهش خوردگي استفاده از بازدارنده هاي خوردگي است. بازدارنده ماده اي است كه بهمقدار كم به سيستم افزوده مي شود تا واكنش شيميايي را كند يا متوقف كند. وقتي يكبازدارنده خوردگي به محيط خورنده اضافه مي شود سرعت خوردگي را كاهش مي دهد يا بهصفر مي رساند.اولين بار يك بازدارنده معدني به آرسنيت سديم براي بازدارندگيفولادهاي كربني در چاه هاي نفت مورد استفاده قرار گرفت تا از خوردگيCO2جلوگيري كند، اما به دليل پايين بودن بازده، رضايت بخش نبود، درنتيجه ساير بازدارنده ها مورد استفاده قرار گرفتند.در سال هاي 1945 تا 1950 خواصعالي تركيبات قطبي با زنجيره هاي بلند كشف شد. اين كشف روند آزمايش هاي مربوط بهبازدارنده هاي آلي مورد استفاده در چاه ها و لوله هاي نفت و گاز را دگرگون ساخت.اينبازدارنده ها از طريق ايجاد يك لايه محافظ سطحي مانع از نزديك شدن ذرات خورنده بهسطح فلز مي شوند. به اين نوع بازدارنده ها لايه ساز يا تشكيل دهنده سطحي (filmforming) مي گويند كهاغلب پايه آميني دارند.
• خصوصياتبازدارنده هاي خوردگي
خصوصياتي ازبازدارنده هايي كه بر عملكرد و كارآيي آن ها تأثير مي گذارند شامل موارد زير است:
1-سازگاري با ديگر مواد شيميايي: از آن جايي كه در سيستم هاي گازي ممكن استدو يا چند ماده شيميايي مورد استفاده قرار گيرد، لذا بازدارنده نبايد باعث اثراتجانبي بر روي آن ها شود (براي مثال مواد ضد كف و ضد امولسيون به همراه بازدارندههاي خوردگي در صنايع گاز به كار رود).
2-كارايي در شرايط تنش برشي بالا: گاهياوقات خروج از گاز چاه يا خطوط لوله تنش برشي بالايي به وجود مي آورد، به همين دليلمقاومت فيلم محافظ در برابر تنش برشي از اهميت فراواني برخوردار است و بايستي موردبررسي قرار گيرد.
3-پايداري در برابر دما و فشار بالا: محدوده دما و فشار درچاه ها و مخازن گاز و لوله ها بالاست و بازدارنده بايد بتواند اين دما و فشار راتحمل كند و در اين شرايط پايداري و كارايي خود را از دست ندهد.
4-پايداري فيلممحافظ با گذشت زمان: اين فاكتور،تعيين كننده روش اعمال بازدارنده و مقدار آن ميباشد.
5-تشكيل امولسيون: تشكيل امولسيون يكي از بزرگترين مشكلات بازدارنده هاينفت و گاز مي باشد. بازدارنده هاي لايه ساز شامل مولكول هاي فعال سطحي هستند وتشكيل امولسيون را تشديد مي كنند.
6-حلاليت بازدارنده: بيشتر روش هاي اعمالبازدارنده ها شامل رقيق كردن بازدارنده با يك حلال مناسب آلي يا آبي مي باشد.
7-سميت: به كار بردن بازدارنده ها نبايد محيط زيست را دچار آلودگيكند.
روش هاي اعمالبازدارنده ها:
•روشناپيوسته
•روش پيوسته
•روشSqueeze
• روشناپيوسته در مخازن گازي به دو صورت انجام مي گيرد:
الف- روشShort Batch: در اين روش مواد بازدارنده خوردگي در يك حلال مناسب (آلي يا آبي) حل و با شدت مشخص به داخل لوله مغزي پمپ مي شود.محلول بازدارنده در بالاي لوله مغزييك پيستون تشكيل مي دهد.
ب-روشFull TubingDisplacement: در اينروش چاه بسته مي شود و محلول بازدارنده رقيق شده با حلال مناسب تزريق مي گردد ومعمولا به همراه سيال مناسبي مثل گازوئيل يا گاز نيتروژن جا به جا مي شود و به طرفپايين مي رود. پايين رفتن ستوني محلول باعث آغشته شدن كل سطح مي شود. اين روش نسبتبه روش قبل كم هزينه تر است.
• روشپيوسته
مهمترين عامل در تعيين و انتخاب روش تزريق نوعتكميل چاه مي باشد. در زير به چند نوع تكميل چاه اشاره مي شود: الف-Dual Completion: در اين نوع تكميل، دو لوله مغزي به صورت موازييا متحدالمركز در چاه رانده مي شود كه لوله با قطر كمتر به منظور تزريق بازدارندهخوردگي استفاده مي شود. سرعت تزريق ماده به گونه اي درنظر گرفته مي شود كه ازبازگشت محلول بازدارنده به سمت بالا جلوگيري شود.
ب-Capillary or Small Bore Tubing: در نوع تكميل چاه يك لولهبا قطر كم به موازات لوله مغزي در فضاي بين لوله مغزي و ديواره رانده مي شود كهتزريق بازدارنده از اين مسير انجام مي گيرد.
ج-Side Pocket Mandrel Valve: در اين نوع تكميل فضاي بينلوله مغزي و ديواره كهannulusناميده مي شود، از بازدارنده پر مي شود درحالتيكه فشار برروي ستون مايع از فشار لوله مغزي بيشتر شود بازدارنده به داخل لوله مغزيتزريق مي گردد. از معايب اين روش طولاني بودن زمان ماند بازدارنده در فضاي بينديواره و لوله مغزي مي باشد.
د-Low Cost Completion:در اين نوع تكميل فضاي بين ديواره و لوله مغزيتوسط پمپ سر چاه از بازدارنده پر مي شود و از طريق سوراخ هاي روي لوله مغزي كه كميبالاتر ازPackerوجود دارد، محلول به داخل لوله مغزي تزريق مي گردد. در اين نوعتكميل، بازدارنده بايد از پايداري حرارتي بالايي برخوردار باشد.
هـ-Packerless Completion: در اين نوع تكميل چاهPackerوجود ندارد و در نتيجه فضاي حلقوي به لوله چاه ارتباط دارد و تزريقاز محل سرچاه به داخل فضاي حلقوي و در نهايت در لوله مغزي صورت مي گيرد. پايداريحرارتي بازدارنده با توجه به زمان ماند طولاني و مشكلات عملياتي در پمپ هاي تزريقاز مشكلات اين نوع تكميل مي باشد.
روشSqueeze:
دراين روش پس از بستن چاه،محلول بازدارنده با فشار از طريق لوله مغزي به درون چهاپمپاژ مي شود. هدف اين است كه محلول بازدارنده به درون خلل و فرج سازند نفوذ كند. اين روش در چاه هاي با نوع تكميل مختلف مي تواند استفاده شود. دوره هاي تزريق بستگيبه نوع بازدارنده، طبيعت سازند و سرعت توليد دارد. چاه پس از عمليات تزريق در مدارتوليد قرار مي گيرد. در ابتدا غلظت بازدارنده در گاز توليدي زياد است و در همينفاصله زماني است كه فيلم محافظ روي سطح تشكيل مي شود. پس از مدتي غلظت بازدارندهكاهش مي يابد بنابراين در ادامه توليد فيلم محافظ تقويت و ترميم مي شود.
روش تثبيتpH
تاريخچه روش تثبيتpH
تكنيكتثبيتpHدر دهه هفتاد ميلادي از يك مشاهده ساده سرچشمه گرفت. در آن سال هامشاهده شد كه درواحدهاي دهيدارته سازي گاز گليكول را به كار مي برند، به ندرتخوردگي چشمگيري مشاهده مي شود. علت اين امرpHبالاي آن واحدهابود. به نحوي كه لايه هاي تشكيل شده سطوح را محافظت مي كردند. مطالعات و آزمايش هايبعدي نشان دادند كه مي توان اين روش را جايگزين استفاده از بازدارنده هاي خوردگيكرد. در راستاي برنامه هاي تحقيقاتي، اين روش براي اولين بار در سن جورجيو درايتاليا مورد استفاده قرار گرفت. گاز اين ميدان شيرين (فاقدH2Sو فقط شامل (CO2بود. اين روش در ميدان مذكور با موفقيت روبه رو شد.در دهه هشتادميلادي اين روش در ميدان هاي گاز شيرين به صورت روش مكمل مورد استفاده قرار گرفت. در دهه نود نياز به پرداختن به اين روش به عنوان يك تكنيك ديده مي شد. بنابراين دركنفرانس بين المللي انستيو خوردگي موسوم بهNACEشركت هاي بزرگنفتي شاملTOTAL FINA, STATOLLت,AGIP BPت,SHELLوELFيك پروژه تحقيقاتي را در انستيو انرژي نروژ(IFE) راه اندازي كردند. اولين فاز اين پروژه اثبات كارايي تثبيتpHبه عنوان يك روشكنترل خوردگي در خطوط لوله چند فازي گاز شيرين بود. براساس اين نتايج و هم چنينآزمايش هاي مختلف، استفاده از بازدارنده هاي خوردگي در سيستم هاي شيرين (فاقدH2S) كاملا منحل اعلام شد. در دهه هشتاد و نود ميلادي، شركت توتالTOTAL ,FINA, ELFتعداد زيادي از ميدان ها را در نروژ و هلند با به كاربردن روشتثبيتpHمحافظت كرد. روش تثبيتpHامروزه كاملا شناختهشده است و براي سيستم هاي گاز شيرين كه در آن ها گليكول مصرف مي شود، به كار ميرود.كاربرد اين روش براي سيستم هاي ترش، نسبتا جديد مي باشد. در سال 1998 آزمايشهاي كيفي انجام شده توسط شركت توتال درIFEروش تثبيتpHرا براي دو خط لوله گاز 105 كيلومتري 32 اينچي دريايي در پارس جنوبي در ايرانانتخاب كرد. اين خطوط يك سال است كه راه اندازي شده اند.
• جنبه هاي تئوري حفاظت و كنترل
مكانيزم كلي تثبيتpHبراساس به كار بردنيك باز قوي به عنوان تثبيت كننده براي افزايشpHدر همه نقاط لوله ميباشد. رسيدن به اين هدف به كمك طيف وسيعي از مواد شيميايي بازي چه از نوع آلي (MDEA, MBTNa) و چه از نوع معدني (NaCO3, NaOH, KOH) ميسر مي شود.اين بازها اسيديتهحاصل از گازهاي اسيدي راH2S, CO2كاهش مي دهند. درنتيجه اسيديته سيال در اثر توليد آنيون هاي بي كربنات و بي سولفيد كاهش مي يابد. دراثر افزايش مقدار بي كربنات و بي سولفيد، محصولات خوردگي درpHموردنظر بر روي سطحفلز شكلمي گيرند و يك حفاظتپايدار در برابر ذرات خورنده به وجود مي آورند.
• فاكتورهاي كليدي محافظت در سيستم هاي شيرين
اولين تحقيقات در موردكارايي اين روش بر روي سيستم هاي شيرين انجام گرفت.هدف اين برنامه بررسي كاراييانواع تثبيت كننده هاي آلي و معدني شامل اندازه گيري خوردگي در حلقه جريان (Flow Loop) و سلول شيشه اي (glass cell) و هم چنين بررسي دقيق خصوصياتلايه هاي خوردگي تشكيل شده برروي سطح فلز بود. زيرا اين لايه ها فاكتورهاي كليدي درمهار خوردگي هستند. نتايج اين تحقيقات در زير آمده است.
-كارايي روش تثبيتpHبستگي به محافظت لايه هاي محصولات خوردگي دارد.
-در شرايط شيرين لايه محصول خوردگي كربنات آهن ميباشد. مقدار محافظت اين لايه و زمان لازم براي دستيابي به محافظت كامل، به دوپارامتر زير بستگي دارد:
# pHمحل موردنظر (بستگي به فشار جزييCO2وغلظت تثبيت كننده دارد)
#دما: سريع ترين تشكيل لايه محافظ در بالاترين دما صورت مي گيرد و طولاني ترين زمان برايتشكيل لايه محافظ در دماي كمتر از 40 درجه سانتي گرادمي باشد.
-ديگر پارامترها، مثل شرايط اوليهسطح فلز و مقدار آهن حل شده در سيال به عنوان فاكتورهاي ثانويه معرفي شده اند. وبرسينتيك تشكيل لايه ها اثر گذارند.
-pHمحل برابر با 6.5محافظت را در شرايط شيرين به طور كامل تضمينمي كند.
-تثبيتكننده هاي آلي و معدني كارايي يكساني را از نقطه نظر خوردگيايجادمي كنند هر دو آنيونهاي بي كربنات و كربنات مي سازند و انتخاب آن ها براساس شرايط محيطي، در دسترس بودنو ايمني مي باشد.
فاكتورهاي كليدي محافظت در سيستم هاي ترش :
اساس روش تثبيتpHدر محيط هاي حاويH2S (محيط هاي ترش) مشابه با محيط هاي شيرين (فاقد(H2Sمي باشد. اما تفاوت هاي اساسي زير را بايد درنظر گرفت:
-در محيط هاي ترش هم مشابه محيط هاي شيرين تشكيللايه محافظ محصولات خوردگي اساس محافظت مي باشد.
-به دليل حلاليت بسيار كمسولفيد آهن، در مقايسه با كربنات آهن، (هزار برابر كمتر) لايه سولفيد آهن محافظتبهتري نسبت به كربنات آهن دارد و به محض اين كه مقاديرH2Sبه ميزان لازمبرسد، لايه سولفيد آهن تشكيل مي شود. سولفيد آهن بسته بهpHو دما، در انواع شكلهاي كريستالي (مكنويت، پيروتيت و پيريت) تشكيل مي شود. اين سولفيد ها درpHمشخص، قابليت حفاظت مختلفي دارند.
-با توجهبه تأثير دما كمترين محافظت در محدوده 60 تا 70 درجه سانتي گراد وجود دارد. در ايندما و درpHهاي كم، تمايل به حفره دار شدن در فولاد ديده مي شود بنابراين كنترلpHدر اين دما حياتي است. درpHبرابر با 60 تا 70 درجه سانتي گراد (بحراني تريندما) هيچ تمايلي به خوردگي ديده نمي شد و لايه هاي سولفيد آهن هم بيشترين حفاظت رادر همينpHداشتند.
-همانطور كه انتظار مي رود، سرعت جريان سيال تأثيري بر كيفيت محافظت در كل طول لولهندارد.
• پايش خوردگي در روش تثبيتpH
پايشخوردگي (CorrosionMonitoring) از طريقبررسي مداومpHصورت مي گيرد. مقدارpHنبايد كمتر از حدموردنظر باشد. در صورت مناسب بودن مقدارpHمي توان از محافظتدر كل خط لوله اطمينان حاصل كرد. با استفاده از پروبpHمي توان مقدارpHرا بررسي كرد. اين راه حل فوق العاده است. زيرا پايش به صورت اتوماتيك انجام ميگيرد. اما كاربرد اين پروپ ها در سيستم هاي ترش توصيه نمي شود. بنابراين شركتتوتالpHمحيط را از طريق بررسي آب گليكول دار در شرايط آزمايشگاهي (فشارbar 1گازCO2 ) ارزيابي مي كند.
pHمخلوطMEGو آب از طريق معادله زير محاسبه مي شود.
pH=K+Log[pHstab]-Log(p*%CO2+%H2S)
Kثابت جدايش است كه به مقدار گليكول بستگيدارد.
Pفشار كل گاز
[pHstab] غلظت تثبت كننده با واحد مول بر ليتر در اندازهگيري در شرايط آزمايشگاهي مذكور معادله به اين صورت تغيير مي كند.
pH=(1bar CO2)=K+Log(pHstab)
سپسمقادير به دست آمده در آزمايشگاه از طريق معادله زير بهpHمحيط تبديل مي شود.
pH=(1bar CO2)-Log(P*(%CO2+%H2S)
هم چنينپايش خوردگي با استفاده از كوپن ها و پروب هاي الكتريكي در موقعيت ساعت شش در وروديو خروجي خطوط انجام مي گيرد.
• نتيجه گيري
روش تزريق بازدارندهبه عنوان يكي از روش هاي كنترل خوردگي از ديرباز در صنايع گاز مورد استفاده قرار ميگرفته است. در زير به مقايسه اين روش با روش تثبيتpHمي پردازيم:
•در شرايطي كهMEGدر سيستم به كار نمي رود و مشكلات هيدارته شدنوجود ندارد، استفاده از يك تثبيت كنندهpHو بازيابي آن درانتهاي خط لوله مقرون به صرف نمي باشد.
•اطمينان ازمحافظت خط لوله در روش تثبتpHنسبت به تزريق بازدارنده بيشتر است، زيرا مقدارpHدر كل خط لوله در حد تشكيل محصولات خوردگي مي باشد.
•در موارديكه چاه هاي گاز دريايي هستند، تزريق بازدارنده برروي سكو نيازمند افرادي براي تعميرو نگه داري پمپ هاي تزريق مي باشد. در صورتي كه در روش تثبيتpHسكو بدون سكنه رهامي شود و عمليات از ساحل كنترل مي شود.
•در روشتثبيتpHدر تجهيزات بازيابيMEG، مقادير زيادي نمكو رسوب كربناتي به وجود مي آيد كه بايستي با استفاده از مواد ضد رسوب در اينتجهيزات آنها را كنترل كرد.
•كنترل منظمpHدر خطوط لوله و بررسي مقادير گازهاي اسيدي، در روش تثبيتpHضروري است در حاليكه در تزريق بازدارنده نيازي به اين كار نيست.
•ايجاد كف،تشكيل امولسيون و تجزيه حرارتي بازدارنده ها و بررسي كنترل كيفيت آن ها، قسمت عمدهفعاليت هاي آزمايشگاه هاي هر ميدان است كه در روش تثبيتpHبه طور كامل حذف ميشود. انتخاب يك روش مناسب كنترل خوردگي، بستگي به شرايط محيطي و نكات مذكور دارد وبا توجه به آزمايش هاي مختلف انجام مي گيرد.