خوردگی دما بالا نقش مهمی در انتخاب مواد، به ویژه در صنعت تولید برق ایفا می‌کند. تقاضا برای ماشین آلات جهت کار در دماهای بالا برای دستیابی به راندمان بیشتر موتور، همراه با قرار گرفتن مداوم در معرض محیط ‌های تهاجمی و تنش‌ های بالا، به این معنی است که مواد فراتر از محدودیت‌ های طراحی اولیه خود به‌کار گرفته می ‌شوند.

با ما همراه باشید تا با مفهوم خوردگی دما بالا بیشتر آشنا شوید.

خوردگی دما بالا چیست

خوردگی دما بالا یک حمله شیمیایی از گازها، نمک ‌های جامد یا فلزات مذاب است که معمولا در دمای بالاتر از 750 درجه فارنهایت (400 درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد.

انواع مختلف خوردگی در دمای بالا

انواع مختلف خوردگی در دمای بالا عبارتند از:

کربوریزاسیون

زمانی که کربن با کروم پیوند می ‌خورد، کربوریزاسیون اتفاق می افتد. کربوریزاسیون در مرزهای دانه رخ می دهد و باعث خوردگی می شود و سطوح فلزی را شکننده‌تر می‌ نماید. همچنین مقاومت فلز در برابر اکسیداسیون را کاهش داده و راه را برای خوردگی بیشتر هموار می ‌نماید.

نیتریداسیون

فلزاتی که در دمای بالا در معرض آمونیاک یا محیط ‌های پر از نیتروژن قرار می‌ گیرند در معرض خطر نیتریداسیون هستند. این واکنش باعث تشکیل یک فلز سخت و شکننده خواهد شد.

اکسیداسیون

اکسیداسیون

اکسیداسیون واکنشی است که بین اکسیژن و فلز اتفاق می‌افتد.

اکسیداسیون به معنای از دست رفتن الکترون می باشد و به این صورت است که یک اتم الکترون های خود را از دست می دهد. تعدادی از عناصر، الکترون ها را به سادگی از دیگران می گیرند و به همین دلیل اکسید می شوند. برای نمونه می توان به فلزاتی مانند منیزیم، سدیم و آهن اشاره داشت.

سولفیداسیون

سولفیداسیون به دلیل وجود گوگرد ایجاد می شود. گوگرد اغلب در نفت خام ناخالص وجود دارد و خطوط لوله را در معرض خطر بیشتری قرار می‌دهد. سولفیداسیون باعث نازک شدن دیواره ‌های خط لوله می شود و حتی می ‌تواند منجر به شکستگی در خطوط لوله و همچنین باعث نشت و پارگی بیشتر آن‌ها شود.

فلز مذاب

هنگامی که از فلزات مایع برای انتقال حرارت استفاده می شود، مواد آلاینده می‌توانند با فلز مذاب تماس پیدا کنند و همین باعث خوردگی می شود. تنها راه واقعی برای جلوگیری از این خوردگی، دانش عمیق در مورد چگونگی واکنش فلزات مذاب با مواد خاص در سیستم مهار است.

هالوژن

خوردگی هالوژن زمانی اتفاق می افتد که فلزات در دمای بالا با گاز هالوژن واکنش نشان می ‌دهند. این واکنش می‌ تواند باعث ایجاد هالیدهای فلزی روی سطح قطعه شود و مشکلات جدی برای بسیاری از فلزات ایجاد کند.

در دماهای بالا، فلزات می ‌توانند مستقیم با اتمسفر گازی واکنش نشان دهند. توالی‌ های واکنش الکتروشیمیایی باقی می ‌مانند و به عنوان مکانیسم اساسی خوردگی دمای بالا عمل می‌کنند.

ویژگی‌ های فیلم‌ های اکسیدی با دمای بالا، مانند پایداری ترمودینامیکی، ساختار نقص یونی و مورفولوژی دقیق، نقش مهمی در تعیین مقاومت اکسیداسیون یک فلز یا آلیاژ در یک محیط خاص دارند.

از نظر صنعتی، خوردگی دما بالا یک مسئله مهم است. هر جزء که در یک محیط غیر خنثی در معرض دمای بالا قرار گیرد به‌طور بالقوه در معرض خطر است که این یک مشکل گسترده در صنایع مختلفی می باشد.

از جمله صنایعی که در معرض خوردگی هستند

صنایع در معرض خوردگی
  • تولید برق (سوخت هسته‌ ای و فسیلی)
  • توربین‌های هوافضا و گاز
  • عملیات حرارتی
  • فرآوری مواد معدنی و متالوژی
  • پردازش شیمیایی
  • پالایش و پتروشیمی
  • خودرو
  • خمیر و کاغذ
  • سوزاندن زباله

خوردگی دمای بالا به عنوان خوردگی خشک یا پوسته پوسته شدن نیز شناخته می شود.

به‌طور‌ کلی خوردگی دما بالا نوعی مکانیزم خوردگی است که می‌ تواند در توربین‌ های گاز، موتورهای دیزل، کوره‌ ها یا سایر ماشین‌آلاتی که در تماس با گاز داغ حاوی آلاینده‌ های خاص هستند، رخ دهد.

گاهی اوقات سوخت حاوی ترکیبات وانادیوم یا سولفات است که با داشتن نقطه ذوب پایین می‌ تواند در حین احتراق ترکیباتی را تشکیل دهد. تقریبا تمام فلزات، آلیاژها و … در دماهای بالا اکسید و خورده می ‌شوند.

در محیط ها و دماهای مختلف، متغیرهای زیر متفاوت عمل می کنند:

  1. ماهیت محصولات خوردگی
  2. میزان خوردگی
  3. سازوکار خوردگی

اکسیداسیون تا حد زیادی رایج‌ترین شکل خوردگی دمای بالا است. تقریبا تمام فلزات و آلیاژهای مفید بالاتر از دمای مشخصی اکسید می ‌شوند که منجر به از دست دادن مواد و تغییرات در خواص فیزیکی آن ها می شود.

حمله گازی، به اکسیژن محدود نمی شود، بلکه گازهای حاوی گوگرد، اکسیدهای کربن و بسیاری از گازهای دیگر، هر کدام به روش‌های مختلف به فلزات حمله کرده و باعث خوردگی آن ها می شوند.

همچنین خوردگی دما بالا تنها به فاز گازی محدود نمی شود به عنوان مثال در فاز مایع، نمک ‌های مذاب چالش ‌های منحصربه‌ فردی ایجاد کرده‌ و باعث خوردگی می ‌شوند.

در دمای پایین و رطوبت کم، واکنش‌های سطحی ممکن است ناچیز یا غیرقابل توجه باشند. اما با افزایش دما، در بیشتر موارد، سرعت واکنش نیز افزایش می‌یابد، به این معنی که مقاومت در برابر خوردگی یک آلیاژ از اهمیت بالایی برخوردار می شود.

بسیاری از محیط‌ های صنعتی حاوی چندین آلاینده خورنده هستند که می‌توانند در طول عملیات دمای بالا، نمک مذاب یا رسوبات خاکستر را روی سطوح فلزی بر جای بگذارند و نقش مهمی در مکانیسم خوردگی ایفا کنند.

خوردگی دما بالا به 2 شکل رخ می دهد

در حالت کلی خوردگی داغ به 2 صورت اتفاق می افتد:

  1. خوردگی داغ دمای بالا یا نوع اول (HTHC)
  2. خوردگی داغ دما پایین یا نوع دوم (lTHC)

برای بیان وجه تمایز این دو مدل خوردگی می توان به تفاوت در محدوده دمایی آن ها اشاره کرد و از اشتراکات این دو نوع خوردگی اینکه هر دو جریان نمک مذاب پوسته اکسیدی محافظ بر سطح آلیاژ را می شکنند و باعث خوردگی در آلیاژ می شوند.

عکس زیر محدوده دمایی خوردگی دما بالا نوع اول و نوع دوم را نشان می دهد.

نمودار خوردگی اول و خوردگی دوم

خوردگی داغ دما بالا یا نوع اول (HTHC)

این خوردگی در دمای 800 تا 900 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد.
مهمترین عامل در این خوردگی نمک مذاب Na2SO4 می باشد. نمک مذاب بر سطح آلیاژ تشکیل شده و باعث خرابی آن می گردد. واکنش زیر نشان دهنده نحوه ایجاد این نمک می باشد.

NaCl (aq) → Na + Cl
Na + S (fuel) → Na2SO4

همانطور که مشاهده می کنید به خاطر جدا شدن سدیم، کلر در سیستم باقی می ماند و با نفوذ به مرزدانه های آلیاژ فلزی منجر به خوردگی مرزدانه می گردد.

گوگرد هم با انجام واکنش با سدیم و تشکیل نمک، به درون پوشش آلیاژ نفوذ کرده و در ترکیب با آلیاژهایی مثل تیتانیوم، آلومینیوم، کروم و نیکل منجر به ایجاد ترکیبات سولفیدی می شود که باعث خالی شدن پوشش از این عناصر می شود.

این فعالیت تا آنجا ادامه دارد که باعث تخریب لایه اکسیدی شده و ترکیبات خورنده به درون آلیاژ نفوذ می کنند و از آن به بعد فرایند اکسیداسیون و خوردگی دما بالا با سرعت زیادتری ادامه پیدا می کند.

خوردگی دما بالا نوع اول

خوردگی داغ دما پایین یا نوع دوم (lTHC)

این خوردگی به شکل حفره های ریز بر سطح قطعه مشخص می شود.

خوردگی نوع دوم به طور تقریبی در دمای 650 تا 800 درجه رخ می دهد.
در این مورد به طور معمول نمک مذاب لایه های محافظ را شکسته و در ترکیب نهایی مناطق تهی از عناصر آلیاژی دیده می شود.

در این شیوه برعکس مورد اول نشانه ای از حضور ذرات سولفیدی یا خوردگی مرزدانه ای وجود ندارد و خوردگی به شکل حفره های ریز دیده می شود. برای رخداد خوردگی نوع دوم باید فشار جزئی گاز داغ SO3 در محیط زیاد باشد.

در شکل زیر یک نمونه از خوردگی مدل دوم در تجهیزات با دمای زیاد در یک کشتی، که به خاطر رسوب نمک های دریایی اتفاق افتاده است را ملاحظه می کنید.

خوردگی نوع دوم

روش ‌های پیشگیری از خوردگی در دمای بالا

بدون کنترل کردن دمایی که فلزات در معرض آن قرار می‌ گیرند، راه‌های کمی برای جلوگیری از ایجاد خوردگی دما بالا وجود دارد. بهتر است بدانید که چه فلزاتی می‌ توانند در برابر گرمای زیاد مقاومت کنند و چه فلزاتی در برابر گرمای زیاد آسیب پذیر هستند و بر اساس آن برنامه‌ ریزی کنید.

به عنوان مثال، با دانستن اینکه فولاد ضدزنگ چقدر در برابر خوردگی هالوژن حساس است، بهتر است استفاده از فولاد ضدزنگ را در داخل و یا اطراف مناطقی که به‌طور بالقوه در معرض گاز هالوژن هستند حذف کنید.

روش های پیشگیری از خوردگی در دمای بالا

بهترین راه برای جلوگیری از شکل‌ های مختلف خوردگی، استفاده از نظر کارشناسان و بررسی منظم تأسیسات برای یافتن راه‌های بهبود و پیشگیری از خوردگی و شناسایی مناطق آسیب پذیر است تا از ایجاد مشکلات جدی پیشگیری کنید.

دو راه جلوگیری از خوردگی

  • حفاظت کاتدی: حفاظت کاتدی تقریبا یکی از بهترین راه‌ها برای جلوگیری از هر نوع خوردگی است.
  • طراحی سیستم: طراحی سیستم حفاظت کاتدیک قادر است طراحی کامل سیستم، ساخت نظارت بر سیستم و آزمایش‌ های سفارشی را ارائه دهد که مطابق با بهترین شیوه‌ های انجمن ملی مهندسین خوردگی (NACE) است.

جمع بندی

تخریب مواد در دماهای بالا، به دلیل از دست دادن خواص مکانیکی و همچنین برهم‌کنش شیمیایی فلز با محیط صورت می گیرد. این برهم‌کنش شیمیایی بیشتر به اکسیداسیون، سولفیداسیون و خوردگی دما بالا تقسیم می شود.

اکسیداسیون درحالی ‌منجر به تشکیل اکسید می شود که در صورت رشد سریع اکسید می‌ تواند مضر باشد، با این حال، اگر مقیاس تشکیل شده چسبنده، نازک و آهسته باشد، از فلز پایه یا آلیاژ محافظت می‌کند.

سوالات متداول

خوردگی دما بالا چیست

خوردگی دما بالا یک حمله شیمیایی از گازها، نمک ‌های جامد یا فلزات مذاب است که معمولا در دمای بالاتر از 750 درجه فارنهایت (400 درجه سانتی‌گراد) رخ می‌دهد.

انواع مختلف خوردگی در دمای بالا

خوردگی داغ انواع مختلفی دارد که شامل: کربوریزاسیون، نیتریداسیون، اکسیداسیون،سولفیداسیون و … می باشد. توضیحات بیشتر در متن مقاله.

خوردگی دما بالا در چند شکل اتفاق می افتد

خوردگی داغ دما بالا یا نوع اول (HTHC)، خوردگی داغ دما پایین یا نوع دوم (lTHC). توضیحات بیشتر در متن مقاله.

2 راه جلوگیری از خوردگی

حفاظت کاتدی و طراحی سیستم. توضیحات تکمیلی در خصوص هر کدام در متن مقاله.