خوردگی حرارتی ،حمله هیدروژنی

حرارت و خوردگی
آلیاژهایی که هر دو خواص دما بالا و مقاومت به خوردگی مناسب را دارند برای استفاده طولانی مدت در فرآیندهای دما بالا و محیط های آلوده به مواد خورنده ضروری هستند.
مکانیزم خوردگی در دمای بالا: بسیاری از خوردگی های دما بالا به دلیل تخریب پوسته سطحی رخ می دهد. ناخالصی های متداولی که شدت خوردگی دما بالا را افزایش می دهند شامل کربن، نیتروژن، هالوژن ها، گوگرد، خاکستر و نمک مذاب می شود. مکانیزم خوردگی در دمای بالا شامل مراحل زیر است:
1- کربوریزاسیون: که منجر به رسوب کاربیدهای داخلی و تردی می شود.
2- نیتریدیزاسیون: که منجر به رسوب داخلی نیتریدها و تردی می شود.
3- تشکیل هالیدهای فلزی فرار روی سطح
4- رسوب خاکستر داغ و تشکیل مناطق مذاب
5- خوردگی به دلیل حضور گوگرد در سیالات فرآیندی یا سولفیداسیون
تغییر ترکیب آلیاژ برای غلبه بر مشکلات خوردگی در دمای بالا با افزودن Cr، Ni، Si، Al و Mo به صورت جداگانه یا همزمان صورت می گیرد.
8- مقاومت به خوردگی
بسیاری از فلزات و آلیاژهای آن ها، غیر فلزات ماند پلاستیک، شیشه و گرافیت توسط هوا، آب یا محلول های آبی مورد حمله قرار می گیرند. تخریب فلزات و آلیاژ ها به این وسیله خوردگی نامیده می شود. از آنجایی که اکثر فرآیندهای تجاری به صورت پیوسته هستند، شکستن یا آسیب دیدن تجهیزات، مبدل های حرارتی، لوله ها و سایر اجزای سیستم به معنای تحمیل هزینه های سنگین خاموشی، تعمیرات و جایگزینی قطعات است. بنابراین ساخت قطعات برای مخازن تحت فشار مبدل های حرارتی باید به نحوی باشد که نرخ خوردگی مطلوبی در حین عمر کاری داشته باشند. نگرانی دیگر در مورد اتمسفر کاری این قطعات است.
انتخاب مواد برای مقابله با شرایط خورنده:
ترکیب های مرجح: درانتخاب آلیاژها همیشه ترکیب هایی از فلز و محیط خورنده وجود دارد که مقاومت در برابر خوردگی را با کمترین هزینه به حداکثر مقدار می رسانند. یک لیست جزئی از این ترکیبات در ادامه آورده شده است:
- فولادکربنی/ اسید سولفوریک غلیظ
- فولادهای زنگ نزن/ اسید نیتریک
- آلومینیم / اتمسفر غیر آلوده
- مس – نیکل / آب شور و آب دریا
- مونل 400 / اسید هیدروفلوئوریک
- هاستلوی / اسید هیدروکلریک داغ
- تیتانیم / محلول های اکسیدکننده قوی و داغ
- تانتالم / بسیاری از مواد شیمیایی
- فولادهای سوپرفریتی / آب دریا
ترکیب های ممنوع: برخی از ترکیب های فلز و محیط خورنده وجود دارند که بسیار مخرب هستند و باید از ایجاد این ترکیب ها جلوگیری کرد:
- آمونیاک و محلول های آمونیاکی / مس و آلیاژهای مس به جز مس – نیکل ها
- هالوژن ها و هالیدها / فولادهای زنگ نزن آستنیتی
- جیوه / آلومینیم و آلیازهای آن، مس و آلیاژهای آن، مونل
- گوگرد و سولفیدها (در دماهای بالا)/ نیکل و آلیاژهای نیکل
- سود سوزآور و سایر بازهای قوی / آلومینیم
مرجع داده های مواد: برای آگاهی از عملکرد یک ماده، مهندس مواد باید اطلاعاتی در مورد خوردگی مواد در محیط های مختلف داشته باشد. طیف وسیعی از اطلاعات خوردگی موجود است. موارد زیر از رایج ترین مراجع داده های خوردگی هستند:
1- اعطا کننده جواز فرآیند (Process Licensors)
2- کارخانجات و نیروگاه موجود و استفاده از تجربیات آن ها.
3- داده های تست واحد پایلوت و مانیتورنیگ خوردگی در کارخانه و نیروگاه.
4- نشریات فنی.
5- اطلاعاتی که توسط شرکت های صنعتی خصوصی (معمولا تامین کننده ها)جمع آوری شده اند که با درخواست شرکتها در اختیار آن ها قرار می گیرد مانند Inco Alloys، Allegheny Ludlum، Lukens Steels، US Steels، TIMET، RMI، TiTanium Company وغیره.
6- نشریات تجاری.
سایر مراجع برای کسب اطلاعات:
نشریات انجمن های فنی مانند انجمن ملی مهندسان خوردگی (NACE)، جامعه آمریکایی فلزات (ASTM)، انجمن آلومینیم (AA)، انجمن توسعه مس (CDA)، جامعه مهندسان خودرو و غیره.
انجمن های تخصصی مانند HTRI و HTFS
نشریات دولتی
تخریب های خوردگی:
حتی زمانی که مواد به دقت انتخاب شده و از روش های ممانعت از خوردگی استفاده می شود، برخی تخریب های غیر منتظره رخ می دهد و باید راهکاری برای این شرایط در نظر گرفته شود. تخریب های غیر منتظره از یکی از موارد زیر ناشی می شود:
1- ماده معیوب
2- طراحی نامناسب
3- شرایط کاری غیرعادی
4- تولید نامناسب و عدم بازرسی کافی
5- نگهداری نامناسب
9- حمله هیدروژنی

حمله هیدروژنی

یک مکانیزم تخریب است که در مورد فولادهای کربنی و کم آلیاژ که در معرض هیدروژن در دماهای 200 تا 243 درجه سانتی گراد قرار می گیرند رخ می دهد. در دمای اتاق نیز هیدروژن تحت فشار نمی تواند در سیلندرهای فولادی نگهداری شود. در دماهای بالا هیدروژن در فولاد حل شده و می تواند با اتم های کربن واکنش داده و طبق واکنش زیر تشکیل گاز متان دهد:
2H2+FeC→ CH4+Fe
در دماها یا فشارهای بالا؛ هیدروژن می تواند با کرین که به صورت بین نشین در محلول جامد قرار دارد واکنش داده و منجر به دکربوریزاسیون شود. این کار منجر به ناپایدار شدن کاربیدها و تشکیل حباب های متان در مرزدانه ها می شود. از آنجایی که متان نمی تواند در فولاد نفوذ کرده و خارج شود، تجمع آن موجب شکافتگی و تاول شده و در نتیجه داکتیلیته را کاهش می دهد که در نهایت منجر به تخریب می شود. پایداری ترکیب کاربید، مرفولوژی و توزیع مناسب آن ها برای کاهش این مشکل مفید است.
جلوگیری از حمله هیدروژنی
تنها راه عملی برای جلوگیری از حمله هیدروژنی استفاده از فولادها بر اساس تجریبات کارخانه ها است. قوانین زیر بر حمله هیدروژنی حاکم هستند:
عناصر آلیاژی تشکیل دهنده کاربید مانندکروم و مولیبدن، یا عناصر آلیاژی پایدار کننده کاربید مانند کروم، تیتانیم و وانادیم، مقاومت فولاد را در برابر حمله هیدروزنی افزایش می دهند. مولیبدن در این زمینه چهار برابر موثر تر از کروم است. وانادیم به عنوان یک استحکام دهنده قوی در فولادهای کم آلیاژ برای رسوب CV استفاده می شود که در برابر حمله هیدروژنی مقاوم است.
تمام فولادهای زنگ نزن آستنیتی در برابر حمله هیدروژنی در دمای بالا مقاومت می کنند زیرا مقدار کروم درترکیب آن ها بالاست. در نتیجه برای جلوگیری از خوردگی داخل مخازن فولاد کم آلیاژ را با فولاد زنگ نزن می پوشانند.
مناطق HAZ یکی از مناطق مستعد در برابر حمله هیدروژنی هستند.
جلوگیری از حمله هیدروژنی با نمودارهای نلسون: حمله هیدروژنی معمولا در انتخاب فولادها برای تجهیزات پالایشگاهی نقش مهمی را بازی می کند. از حمله هیدروژنی به فولاد می توان با محدود کردن دما، فشار جزئی و ترکیب آلیاژها که در نمودارهای نلسون مطرح شده، جلوگیری کرد. نمودارهای نلسون در سراسر جهان برای انتخاب مواد پالایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند. این نمودار ها بر اساس تجارب طولانی مدت در پالایشگاه ها بدست آمده است. این نمودار ها به طور متاوب توسط زیر مجموعه API که تخصص مهندسی مواد و بازرسی را دارد، مورد بازبینی قرار می گیرد و در این مورد باید به API 941 رجوع کرد.
بخشی از نمودارهای نلسون به صورت شماتیک در شکل نمایش داده شده است. کاربیدهای کروم، مولیبدن نسبت به کاربیدهای آهن تمایل کمتری به واکنش دارند، بنابراین فولادهای کروم-مولیبدن نسبت به فولادهای کربنی مقاومت بیشتری در برابر حمله هیدروژنی دارند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی در تمامی دماها و فشارهای هیدروژن در برابر حمله هیدروژنی مقاومند.

10-قابلیت ساخت
قابلیت ساخت شامل سهولت شکل دهی، ماشین کاری، جوشکاری و سایر فرآیندهای اتصال فلزات و عملیات حرارتی ثانویه می شود. تمامی کارگاه ها از نظر فنی توانایی استفاده از مواد مورد نظر را ندارند. بنابراین مصرف کننده باید از ظرفیت های سازنده خود مطلع باشد. به علاوه روش های ساخت پیشرفته به روش های پیشرفته تری برای بازرسی و اطمینان از کیفیت ساخت نیاز دارند.