مدل سازي و بررسي مقايسه اي خوردگي اتمسفري فولاد درشهرهاي
تهران و آبادان

احسان شفيعي1 ، عليرضا نصراصفهاني2* و محمد زينلي3
1 – دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
2- مربي، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي مالك اشتر اصفهان، اصفهان، ايران
3 – دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي مالك اشتر اصفهان، اصفهان، ايران
*Nasr_alireza@mut-es.ac.ir
(تاريخ دريافت: 09/02/1390، تاريخ پذيرش:15/04/1390)

چكيده
يكي از دقيق ترين و واقعي ترين روشهاي تعيين خوردگي اتمسفري تهيه نمونه هاي استاندارد از آلياژهاي مورد نظـر و نمونـه گـذاري در محـيط اسـت .
بطور كلي سه عامل رطوبت نسبي و سرعت رسوب يونهاي كلريـد و سـولفات موجـود در هـوا بـر خـوردگي اتمسـفري تـاثير بسـزايي دارد. بـر اسـاساستاندارد ايزو 9223 اگر طي يك سال عوامل فوق اندازه گيري شود، مي توان نسبت به تعيين كلاس خورندگي محيط اقدام كـرد . در ايـن تحقيـق در دو شهر تهران و آبادان نسبت به اندازه گيري پارامترهاي فوق بصورت ماهيانه در طول يك سال اقدام و همزمان در همان محل ها نمونه هايي از فـولادساده كربني بدون پوشش در معرض محيط قرار گرفت. سپس سرعت خوردگي فولاد به دو روش نمونه گذاري و اسـتفاده از اطلاعـات آب و هـوايياندازه گيري شد. سپس نتايج بدست آمده با معادله سينتيكي تجربي C=ktn مقايسه و مشخص شد كه مطابقت خوبي بين نتـايج تجربـي و معادلـه فـوقوجود دارد.

واژه هاي كليدي:
خوردگي اتمسفري فولاد، سرعت خوردگي، آلاينده هاي محيطي، زمان تر بودن، معادله سينتيكي تجربي

1- مقدمه
فرايندهاي خوردگي اتمسفري به واسطه تخريب بسياري از سـازههــا و وســايل از اهميــت بســزايي برخــوردار اســت. از جملــه فاكتورهاي تأثير گذار بـر نـوع خـوردگي مـي تـوان بـه رطوبـتنسبي، دما، تركيبات سـولفوري، نمـك هـاي اتمسـفري و ديگـرآلاينده ها اشاره نمود [1]. مطالعات جهاني نشان داده شـده اسـتكه حدود % 4-2 توليد ناخالص ملي هر كشور صرف هزينه هاي خوردگي مي گردد كه % 25-20 آن را مي توان با به كـارگيريروش هاي مناسـب كنتـرل خـوردگي كـاهش داد. از ايـن ميـزانخوردگي اتمسـفري سـهم عمـده اي را بـه خـود اختصـاص دادهاست [2-3].
ميزان مهاجم بودن محيط را مي توان به دو طريـق بررسـي كـرد،يكي با اسـتفاده از انـدازه گيـري اطلاعـات اقليمـي و ديگـري بـا
ان دازه گي ري ن رخ خ وردگي فل زات ق رار گرفت ه درمح يط. فرايندهاي خوردگي اتمسفري توسط بسياري از دانشمندان مورد بررسي و آناليز قرار گرفتـه اسـت و در جهـت پـيش بينـي ميـزانتخريب فلزات مدل هـاي رياضـي بسـياري ارائـه شـده اسـت، بـهصورت تخميني معادلاتي كه نـرخ خـوردگي فلـزات بـر حسـبشرايط محيط را بيان مي كنند، را مي تـوان جهـت تخمـين طـولعمر مفيد سازه هاي فلزي و در نتيجه برآورد هزينه هاي ناشـي ازخوردگي، مورد استفاده قرار داد [4-5].
هرچند خوردگي اتمسفري به عوامل متعددي وابسته است امـا تنهـاتعداد كمي از آنها بر حسب زمان قابل اندازه گيـري هسـتند كـه ازآن جمله مي توان به نرخ رسوب آلاينده ها، زمان نمونه گـذاري ومدت زمان خيس بودن اشاره كرد. از طرف ديگر عواملي همچـوننرخ رسوب ذرات معلق در هوا (گـرد و غبـار و … )، شـدت تـابشخورشيد و سيكل مرطوب و خشك شـدن سـطحي فلـزات نيـز درنرخ خوردگي اتمسفري مؤثر هستند ولي به دليل وجود پارامترهاي بسياري كه در اين مورد قابل ارزيابي هستند مدل هاي رياضي ارائه شده عمـدتاً سـاده بـوده و حـاوي برخـي از عوامـل بسـيار مهـم درسرعت خوردگي اتمسفري هستند [6].
در كشورهايي نظير ايران، به دليل استفاده گسترده از انواع فولاد، اهميت بررسـي خـوردگي اتمسـفري در محـيط هـاي گونـاگونبسيار مشهود است. در اين تحقيق به بررسي مقايسه اي خوردگي اتمسفري فولاد در دو منطقه اندازه گيري واقع در شهرهاي تهران و آب ادان پرداخت ه ش ده اس ت . در اي ن راس تا ن رخ خ وردگياتمسفري، مدت زمان خيس بودن و ميزان رسوب آلاينده ها، بـهصورت مشـخصSO2 و كلريـد، بـراي مـدت يـك سـال نمونـهگذاري جهت تعيين كلاس خورندگي محيط، براي هر دو منطقه تعيين گرديد.
2- مواد و روش تحقيق
جهت بررسي مقايسـه اي اطلاعـات دو منطقـه ، بـراي انـدازه گيـريكميت هاي متفاوت از روش هـاي يكسـاني اسـتفاده شـد. شـكل 1 مح ل ق رار گي ري دو منطق ه را روي نقش ه اي ران نش ان م ي ده د، همچن ين اي ن من اطق ب راي راحت ي مراح ل بع دي ش ماره گ ذاري شده اند.

شكل (1): موقعيت مكاني دو منطقه نمونه گذاري در ايران

در ابتدا 30 نمونه به شكل هاي مسطح و فنري براي هر منطقـه بـهصورت يكسان آماده شد. نمونه هـاي مسـطح داراي سـطح 2mm 100×150 و ضخامت mm 3 بودند، در حالي كـه بـراي سـاختنمونه هـاي فنـري از مفتـول هـايي بـه طـول 1 متـر و قطـرmm 3
استفاده شـد . بـر اسـاس اسـتانداردASTM G1-03 ، قبـل از قـرارگيري نمونه ها در محـيط بـه منظـور از بـين رفـتن آلاينـده هـايسطحي و محصولات خوردگي، نمونه ها مورد اسيد شويي قـرارگرفتند [7]. بر همين اساس نمونه ها براي مدت زمان هاي كوتـاه(5 تا 10 ثانيه) در اسيدي كه در جدول (1) به آن اشاره شد، قرار گرفتند و پس از آن با آب شستشو شدند و در بعضي موارد براي از بين بردن لايه هاي اكسيدي چسبنده سطحي از يك بـرس نـرماستفاده شد. پس از انجـام مراحـل فـوق نمونـه هـا در بسـته هـاينايلوني براي نصب در محيط به محل هاي مورد نظر انتقال يافتند. پ س از ق رار دادن نمون ه ه ا در مح يط ب راي م دت زم ان ه اي مشخص، در هر مرحلـه تعـدادي از آنهـا برداشـته شـده و جهـتانجام عمليات وزن سنجي، تحت اسيدشويي مجدد قرار گرفتنـد .
در هر مرحله پـس از گذشـت زمـاني مشـخص بـراي هـر نمونـه،ميزان كاهش وزن نمونه ها نسبت به زمان شستشو ثابت مـي شـد.
در صورت ادامه شستشو زيرلايه ها خورده شده و ميـزان كـاهشوزن به صورت فزاينده اي افزايش مي يابد كـه البتـه غيـر واقعـيهستند. در نهايت مدت زمان كل شستشو از ضرب زمـان شستشـودر هر مرحلـه در تعـداد مراحـل شستشـو بدسـت آمـد. همچنـينجهت جلوگيري از ايجاد خوردگي گـالوانيكي بـين نمونـه هـا و پايه هاي آلومينيومي از يـك سـري پايـه هـاي پلاسـتيكي جهـتنسبت نمونه ها بر روي ميز ها استفاده شد.

جدول (1): محلول شيميايي شستشو براي از بين بردن محصولات خوردگي
دما محلول
25⁰c 1 Lit. HCl+ 20 gr Sb2O3+ 50 gr SnCl2

تركيب شيميايي فولادهاي مورد استفاده در جدول(2) نشان داده شده است. تمامي نمونه هـاي بدسـت آمـده از هـر مرحلـه نمونـهگذاري مـورد وزن سـنجي قـرار گرفتـه و از روي اخـتلاف وزنبدست آمده سرعت خوردگي براي هر بازه زماني براي دو منطقه بدست آمد و بر اساس سرعت خـوردگي بدسـت آمـده، كـلاسخوردگي واقعي فولاد در هر دو محيط تعيين شد.

جدول (2): تركيب شيميايي نمونه هاي فولادي (%Wt)
C Cu Mn S P Si Al Fe
0.27 0.048 0.17 0.01 0.01 0.008 0.065 99.54

مدل سازي و بررسي مقايسه اي خوردگي اتمسفري فولاد در شهرهاي تهران و آبادان 33
جهـت انـدازه گيـري نـرخ رسـوب دي اكسـيد گـوگرد از روشصفحات قليايي استفاده شد. در اين روش ابتدا صـفحات بـا ابعـاد3mm 3×100×150 در محلول gr/lit 70 سديم كربنات قرار داده شدند و پس از اشباع كامل به مدت يك ساعت در يـك آون بـادماي 100 درجه سانتي گراد قرار داده شـدند . پـس از آن از هـرسه نمونه يكي به عنوان نمونه خام در آزمايشگاه نگهـداري شـدهو م ابقي جه ت نص ب ب ه من اطق نمون ه گ ذاري منتق ل ش د. از آنجايي كه اسـتفا ده از محلـول تـورين بـراي انـدازه گيـري نـرخرسوب دي اكسيد گـوگرد از دقـت بـالايي برخـوردار نيسـت ازدستگاه فتومتركه بر اساس نورسنجي عمل مي كند، استفاده شـد . لازم به ذكر است كه در اين روش ميزان 4SO موجود در محلول اندازه گيري شده و با حفظ نسـبت اسـتوكيومتري ميـزان رسـوب2SO بدست آمد.
جهت اندازه گيري نرخ رسوب يون كلر نيـز از روش تيتراسـيون(حجم سنجي) استفاده شد. بدين ترتيب با داشتن اطلاعات آب و هوايي مانند دما و رطوبت نسبي و همچنـين نـرخ رسـوب كلـر ودي اكسيد گوگرد، تخمين كـلاس خـوردگي محـيط بـر اسـاسشرايط اقليمي ميسر شد.
براي پيش بيني مدل رياضي از اطلاعات حاصل از نمونه گـذارياستفاده شد. بر اين اساس تغييرات كـاهش وزن بـر حسـب زمـانتوسط رابطه تجربي(1) بصورت زير بيان مي شود:
C = K tn تاون فريد و زوكولا در سال 1982 با استفاده از آناليز رگراسيون خطي، اطلاعات حاصـل از نمونـه گـذاري را بـر فـرمLog-Log رابطه (1) تطبيق دادند و رابطه (2) را بدست آوردند [8] :
Log C = Log K + n Log t كه در اين رابطـهK بيـانگر كـاهش وزن در سـال اول وn شـيبنمودار Log-Log مي باشدكه هر دو پارامتر به نوع فلـز و شـرايطاقليمي وابسته اند. سرعت خوردگي در طي سـال اول نـه تنهـا درتعي ين ك لاس خورن دگي مح يط م ؤثر اس ت، بلك ه پ يش بين ي سرعت خوردگي در مدت زمان هاي طـولاني نيـز حـائز اهميـتمي باشد و از آنجايي كه دقـت ايـن معادلـه در پـيش بينـي رفتـارخوردگي اتمسفري طولاني مدت فلزات توسط محققـين زيـادياعلام شده است [9-11]، در اين راستا در اين تحقيق سـعي شـدهاست تا با استناد بـه اطلاعـات بدسـت آمـده از يـك سـال نمونـهگذاري به پيش بيني رفتار خوردگي اتمسـفري مـاده در طـولانيمدت پرداخته شود.

نتايج و بحث
نرخ رسوب آلاينده ها
جدول (3) نرخ رسوب ميانگين آلاينده ها را براي يك سال نمونه گذاري براي هر دو منطقه نشان مي دهد. همانطور كه انتظار مي رود با توجه به بيشتر بودن مصرف سوخت هاي فسيلي در منطقه 2 (تهران) نرخ رسوب آلاينده هاي سولفوري در اين شهر بيشتر بوده و در محدوده 1‐mg m‐2 day 4/5 – 5/2 تغيير مي كند. با توجه به اطلاعات بدست آمده و بر اساس استاندارد ISO 9223 هر دو محيط در كلاس 0P قرار مي گيرند.
جدول (3): ميانگين نرخ رسوب آلاينده هاي اتمسفري
دوره نمونه
گذاري شماره
منطقه SO2 (mg m-2 d-1) Cl-
(mg m-2 d-1)
1 1 0.44 45.4
2 1 1.53 35.6
3 1 0.63 19.8
4 1 0.68 18.32
5 1 0.61 18.01
6 1 0.51 14
1 2 5.4 .633
2 2 5.08 32.94
3 2 3.17 22.75
4 2 2.5 17
5 2 3.81 19.18
6 2 4.71 16.07

همچنين با توجه به نزديكي بيشتر منطقه 1 (آبادان) به دريا انتظار مي رود كه نرخ رسوب كلر در اين منطقه بيشتر باشد كه اين ميزان به ترتيب براي آبادان و تهران 1-mg m-2 day 1/25 و 04/24 بدست آمد. تغييرات نرخ رسوب آلاينده هاي كلريدي و سولفوري را نسبت به زمان مي توان به اثر شويندگي باران، سرعت باد، جهت باد و ميزا ن رطوبت نسبي، نسبت داد [4-12].
مدت زمان خيس بودن
از آنجايي كه تعريف ارائه شده در استاندارد ISO 9223 براي پارامتر مدت زمان خيس بودن، در بر گيرنده اثرات متقابل رطوبت نسبي، ميزان آلاينده ها و نوع فلز نمي باشد، پس همه جنبه هاي اقليمي محيط را در بر نگرفته و تنها اطلاعاتي تقريبي از شرايط محيطي را در اختيار قرار مي دهد [13]. با توجه به اينكه اين پارامتر به طور مستقيم بيان كننده مدت زمان ممكن براي انجام فرايندهاي الكتروشيميايي خوردگي مي باشد، در ميزان كاهش وزن نمونه ها بسيار اثرگذار مي باشد. بنابراين هرچند كه نرخ رسوب دي اكسيد سولفور (2SO) در منطقه 1 كمتر از منطقه 2 برآورد شده است، به علت بيشتر بودن ميزان مدت زمان خيس بودن در منطقه 1، انتظار مي رود نرخ خوردگي در منطقه 1 بيشتر از منطقه 2 باشد. جدول(4) كلاس و مقادير مدت زمان خيس بودن را براي هر دو منطقه نشان مي دهد.
جدول (4): اطلاعات زمان خيس بودن
شماره منطقه زمان خيس بودن (ساعت در سال) كلاس
1 590 τ3
2 360 τ3

نرخ خوردگي
با توجه به تعريف ارائه شده در استاندارد ISO 9223 [6] يكي از روش هاي تعيين كلاس خورندگي محيط برآورد سرعت خوردگي در آن محيط براي مدت يك سال مي باشد. اين استاندارد كلاس خورندگي محيط را توسط پارامتر C تقسيم بندي كرده و به ترتيب پارامترهاي 1C4 ،C3 ،C2 ،C و 5C را به سرعت هاي خوردگي خيلي كم، كم، متوسط، زياد و خيلي زياد نسبت مي دهد. با توجه به جدول(5) مشهود است كه در حالت كلي با افزايش زمان نمونه گذاري سرعت خوردگي نمونه ها كاهش مي يابد و در مقايسه ب ا منطقه 2، منطقه 1 مقادير بيشتري را به خود اختصاص مي دهد.

جدول (5): ميزان سرعت خوردگي و كلاس بندي خورندگي محيط
شماره دوره نوع نمونه شمارهسايت سرعت
خوردگي كلاس
1 مسطح 1 319.5 C3
2 مسطح 1 218 C3
3 مسطح 1 20.3.4 C3
4 مسطح 1 155 C2
5 مسطح 1 131 C2
6 مسطح 1 124 C2
1 فنر 1 52.59 C4
2 فنر 1 35.45 C3
3 فنر 1 25.4 C3
4 فنر 1 23.88 C2
5 فنر 1 20.23 C2
6 فنر 1 18.8 C2
1 مسطح 2 27.7 C2
2 مسطح 2 16.68 C2
3 مسطح 2 14.61 C2
4 مسطح 2 11.267 C2
5 مسطح 2 9.98 C1
6 مسطح 2 8.28 C1
1 فنر 2 23.74 C2
2 فنر 2 21.06 C2
3 فنر 2 18.246 C2
4 فنر 2 13.548 C2
5 فنر 2 8.808 C1
6 فنر 2 7.535 C1
* سرعت خوردگي براي نمونه هاي مسطح بر حسب (1-gr.m-2.year) و براي نمونه هاي فنري بر حسب (1-μm.year) گزارش شده است.

3-4- مطالعات سينتيكي خوردگي جهت مدل سازي تغييرات سرعت خوردگي نسبت به زمان از رابطه سينتيكي(1) براي هر دو منطقه استفاده شد. با رسم سرعت هاي خوردگي نسبت به زمان در مختصات Log-Log ضرايب تصحيح (2r) نسبتاً بالايي بدست آمد. شكل(2) ميزان انطباق اطلاعات بدست آمده از نمونه گذاري را نسبت به خط راست
مدل سازي و بررسي مقايسه اي خوردگي اتمسفري فولاد در شهرهاي تهران و آبادان 35
نشان مي دهد. همچنين مقادير بدست آمده براي k ،n و 2r در جدول (6) نشان داده شده است.

شكل (2): نمودارهاي لگاريتمي كاهش وزن نمونه هاي فولادي (2-g.m) به صورت تابعي از زمان، اندازه گيري شده در آبادان (a) و تهران (b).

جدول (6): پارامترهاي سينتيكي k و n و ضريب تصحيح 2r براي نمونه هاي فولادي
شماره سايت مقدار‘n’ “K” مقدار r2
1 0.386 39.5 (g m-2 month-0.39) 0.9381
2 0.5768 2.06 (g m-2 month-0.58) 0.9817

با توجه به اينكه در مختصات Log-Log نقاط بدست آمده براي هر دو سايت نزديكي زيادي با خط راست دارند پس استفاده از معادله سينتيكي براي پيش بيني رفتار خوردگي فولاد در هر دو منطقه بلامانع به نظر مي رسد. روابط تحليلي بدست آمده براي سايت هاي آبادان و تهران جهت پيش بيني طولاني مدت خوردگي اتمسفري به صورت زير مي باشند :
Δm = 39.5 (g.m‐2.month‐0.39).t0.39

0.58Δm = 2.06 (g.m‐2.month‐0.58).t همانطور كه انتظار مي رفت، بيشتر بودن مدت زمان خيس بودن در منطقه 1 منجر به فرايندهاي خوردگي الكتروشيميايي با سينتيك سريع تري مي شود. همچنين به علت بيشتر بودن سرعت خوردگي در مراحل اوليه نمونه گذاري در منطقه 1 انتظار مي رود كه ميزان كاهش وزن طولاني مدت براي منطقه 1 نسبت به منطقه 2 وابستگي كمتري نسبت به زمان داشته باشد. به عبارت ديگر با افزايش زمان، تغييرات كمتري در كاهش وزن نمونه ها حاصل مي شود.

4- نتيجه گيري
نـرخ رسـوب دي اكسـيد س ولفور در محـدوده (mg.m-2.day-1) 53/1 – 44/0 و (mg.m-2.day-1) 4/5 – 5/2 بــــــ ه ترتيب براي مناطق 1 و 2 مطابق انتظار تغيير مي كند.
مقادير ميانگين نرخ رسوب كلر به ترتيـب 1/25 و 04/24 (mg.m-2.day-1) براي مناطق آبادان و تهران بدست آمد. • با توجه بـه اهميـت پـارامتر مـدت زمـان خـيس بـودن درحداكثر زمان ممكن بـراي انجـام واكـنش هـاي الكتروشـيميايي،سرعت خوردگي اتمسفري در منطقه 1 بيشتر از منطقه 2 بـرآوردشده است.
در حالت كلـي بـا افـزايش زمـان نمونـه گـذاري سـرعتخوردگي براي تمام نمونه ها كاهش مي يابد.

5- مراجع
M. Natesan, G. Venkatachari, W N Palanis, “kinetics of atmospheric corrosion of mild steel, zinc, galvanized iron and aluminum at 10 exposure stations in India”, Corrosion Science, Vol. 48, p. 3584, 2006.

N. Xu, C. Zhao, C. Ding, C. Zhang, R. Li, Q. Zhong, “laboratory observation of dew formation at an early stage of atmospheric corrosion of metals”, Corrosion Science, Vol. 44, p. 168, 2002.

R. Bhaskaran, N. Palaniswamy, N. S. Rengaswamy, M. Jayachandran, ASM Hand Book [M], Vol. 13, ASM
International Metals Park, p. 619, Ohio, 2005.

A. R. Mendoza, F. Corvo, “Outdoor and indoor atmospheric corrosion of non-ferrous metals”, Corrosion Science, Vol. 42, p. 1123, 2000.

J. Morales, F. Diaz, J. Hernandez, S. Gonzales, V. Cano, “Atmospheric corrosion in subtropical areas: statistic study of the corrosion of zinc plates exposed to several atmospheres in the province of Santa Cruz de Tenerife”, Corrosion Science,Vol. 49, p. 526, 2007.

ISO/ WD 9223. “Corrosion of metals and alloys, corrosivity of atmospheres”, Classification, 1992.

ASTM G1-03, “Standard Practice for preparing, cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens”, 2003.

ASTM G16-95, “Standard guide for applying statistics to analysis of Corrosion Data”, reapproved 1999.

ASTM G101-01, “standard guide for estimating the atmospheric corrosion resistance of low alloy steels”,1997.

S. Feliu, M. Morcillo, J. S. Feliu, “The prediction of atmospheric corrosion from meteorological and pollution parameters”, Corrosion Science, Vol. 34, p. 415, 1993.

J. J. S. Rodrigues, F. Javier Hernandez, J. E. G. Gonzalez, “The effect of environmental and meteorological variables on atmospheric corrosion of carbon steel, copper, zinc and aluminum in a limited geographic zone with different types of environment” , Corrosion science, Vol. 45, p.
799, 2003.

I. T. E. Fonseca, R. Picciochi, M. H. Mendonca, A. C. Ramos, “The atmospheric corrosion of copper at two sites in Portugal: a comparative study”, Corrosion Science, vol.
46, p. 548, 2004.

C. Corvo, T. Perez, Y. martin, J. Reyes, L. R. Dzib, J. Gonzalez, A. Castaneda, “Time of wetness in tropical climate: consideration on the estimation of TOW according to ISO 9223 standard”, Corrosion Science, Vol.
50, p. 206, 2008.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید