گزارش کارآموزی واحد مهندسی خوردگی خطوط لوله و مخابرات نفت تهران

مقدمه:

خوردگی تأسیسات صنعتی یکی از زمینه‌هایی است که مورد توجه خاص دانش‌پژوهان قرار دارد. در گزارش حاضر سعی شده که اطلاعاتی در مورد روشها، تجربیات دستگاهها و لوازم مورد نیاز همراه با تئوریهای اصول خوردگی  چگونگی آزمایشها، اندازه‌گیریها، ذکر شود.

ابتدا بهتر است که مفهوم نسبتاً صریحی از خوردگی داشته باشیم تا بتوانیم با روشی بیشتری در مرد طرق مبارزه با آن بحث نمائیم ، خوردگی تعاریف مختلفی دارد. این تعاریف هر کدام در مواردی صحت دارند و هر کدام فقط گوشه‌ای از مطلب را بیان می‌کند ما برای هدفی که در پیش داریم، در مورد یک لوله مدفون شده در خاک، خوردگی را یک پدیده الکتروشیمیایی تعریف کرده و وجود اکسیژن را برای ادامه خوردگی ضروری محسوب می‌نماییم. با قبول این مزیت به بیان شرایطی می‌پردازیم که با واقع شدن آنها یک سل خوردگی می‌تواند فعالیت داشته باشد:

1-  یک کاتد و یک آند باید وجود داشته باشد.

2- بین آند و کاتد اختلاف پتانسیل برقرار باشد.

3- یک رابط فلزی بین آند و کاتد وجود داشته باشد.

4- آند و کاتد در یک الکترولیت هادی باشند ، بدین معنی که مقداری از مولکولهای آب به صورت یون درآمده باشد،

حال برای یک لوله مدفون شده، کاتد که خود لوله است و آند بیشتر سیلیکون آیرن (silicon Iron) استفاده می‌شود. (شرط 1). برای برقراری اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد از قوانین و یکسوکننده استفاده می‌شود. (شرط 1 (شرط 2) برای رابط فلزی خود لوله به صورت رابط فلزی عمل می‌کند و شرط چهارم با توجه به رطوبت خاک فراهم می‌شود.

اختلاف پتانسیل موجود بین آند و کاتد باعث بوجود آمدن جریان الکترونی از طرف آند به کاتد در مدار فلزی بین آند و کاتد خواهد گردید. در آند فلز با از دست دادن الکترون، تولید یون آهن با بار مثبت خواهد کرد که با OH موجود در آن حوالی تولید هیدروکسید دو ظرفیتی آهن به فرمول  خواهد کرد. که با یک مرحله اکسید شدن به صورت زنگ آهن  در خواهد آمد.

در ناحیه کاتدی تعداد الکترون اضافی از طرف آند تأمین شده است، این الکترونها با یونهای مثبت هیدروژن محیط، تولید گاز  می‌کنند که به صورت لایه در اطراف کاتد در خواهد آمد و به قشر پلاریزاسیون موسوم است، با این تبدیل هیدروژن اتمی به هیدروژن گازی مقداری یون  اضافی در ناحیه کاتدی بوجود خواهد آمد که سبب افزایش خاصیت بازی ناحیه کاتدی می‌شود.

چند  نکته:

1- جهت جریان الکتریسیته (خلاف جهت حرکت الکترونها) در مدار  فلزی از کاتد به آند خواهد بود.

2- جهت جریان در داخل الکترولیت از آند به کاتد خواهد بود.

3- خوردگی فلز در آند یعنی  قطبی که جریان از آن به طرف الکترولیت خارج می‌شود اتفاق می‌افتد.

4- فلزی که جریان از محیط اطراف دریافت می‌کند خورده نمی‌شود.

مقدار کاهش وزن فلز با شدت جریان خوردگی متناسب خواهد بود. یک آمپر جریان مستقیم که از فولاد به طرف خاک خارج می‌شود، می‌تواند سالانه حدود بیست پوند فولاد را بخورد. البته در مسائل مربوط به خوردگی خط لوله به ندرت با شدت جریان‌های بالا روبرو خواهیم شد و معمولاً شدت جریانها در حدود چند میلی آمپر خواهند بود. ولی باید توجه کرد که حتی یک میلی آمپر در طول سال اگر فقط از هفت نقطه لوله خارج شود، می‌تواند باعث ایجاد هفت عدد سوراخ به قطر  اینچ روی یک لوله دو اینچی با ضخامت استاندارد گردد. البته این نکته که تعداد نقاط خروج جریان به چند نقطه محدود نگردد، بسیار حائز اهمیت است و بهتر آن است که جریان در سطح بیشتری توزیع شود تا آنکه قدرت نفوذی آن در لوله کاهش یابد.

تأثیر مقاومت در شدت جریان خوردگی:

مقاومت ظاهری مدار شامل دو قسمت خواهد بود:  مقاومت اهلی اجزاء مدار و مقاومت ناشی از لایه پلاریزاسیون در کاتد. هر چه مقاومت کمتر باشد، شدت جریان بیشتر بوده و در نتیجه کاهش وزن زیادتری حاصل خواهد. مقاومت الکترولیت عبارت خواهد بود از مقاومت الکتریکی خاک یا آب که می‌تواند بشدت متغیر باشد. برای یک الکترولیت با مقاومت الکتریکی معین سطح آند و کاتد فاکتور مهمی خواهد بود. هر چه این سطح کوچکتر باشد، مقاومت زیادی در مدار ایجاد می‌شود. بعضی مواقع محصولات خوردگی نیز می‌تواند مقاومت قابل ملاحظه‌ای در مدار ایجاد کنند ولی این مقاومت در مورد فولاد چندان نخواهد بود.

لایه پلاریزاسیون در کنترل مقدار جریان خوردگی نقش اسامی دارد به طوری که این لایه به صورت یک لایه ‌ عایق عمل کرده و ممکن است افت ولتاژ در این لایه با اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد برابر گشته و جریان خوردگی را به سمت صفر سوق دهد.

 از گفته‌های بالا می‌توان به این نکته پی برد که این لایه پلاریزاسیون می‌تواند بخوبی از خورده شدن لوله جلوگیری نماید اما اغلب مواردی وجود دارند که سبب از بین رفتن این لایه می‌شوند مانند لوله ای که در درون  آب قرار داشته باشد که در این مورد جریان آب سبب از بین رفتن این لایه هیدروژنی می‌گردد. یا می‌توانند عامل شیمیایی باشد همانند حضور اکسیژن در الکترولیت که با هیدروژن ترکیب شده سبب از بین رفتن لایه پلاریزاسیون می‌گردد و با همچنین در خاکهای میکروبی ، باکتریهای بخصوصی می‌توانند باشند که سبب از رفتن این لایه گردند.

حال در اینجا سؤالی مطرح می شود که نقاط آندی و کاتدی در یک لوله زیرزمینی چگونه بوجود می‌آیند. شرایطی وجود دارد که به تشکیل نقاط آندی و کاتدی منجر می‌شوند که با آگاهی یافتن از این شرایط می‌توان در مرحله طراحی و نصب این لوله‌ها اقداماتی را انجام داد که منجر به خنثی کردن این شرایط و نگهداری بیشتر لوله شود.

هر فلزی که داخل الکترولیتی قرار دارد، پتانسیلی نسبت به آن الکترولیت پیدا خواهد کرد که با الکترود مرجع به سادگی می‌توان اختلاف پتانسیل را مورد محاسبه قرار داد.

در عمل ما بیشتر از الکترود مرجع مس- سولفات مس استفاده می‌کنیم، که در جدول زیر پتانسیل بعضی از فلزات در خاک خنثی یا آب در مقایسه با الکترود و مرجع مس- سولفات مس آورده شده که در این جدول از بالا به پایین بر خاصیت کاتدی فلزات افزوده می‌شود.

پتانسیل

فلز

75/1-

1/1-

05/1-

8/0- تا 5/0-

5/0- تا 2/0-

2/0-

2/0-

منیزیم خالص  تجاری

روی

آلیاژ آلومینیوم

آهن (تمیز و براق)

آهن (زنگ زده)

آهن در سیمان

چدن سیلیس دار

در بعضی مواقع ممکن است خوردگی در اثر تغییر در ترکیب شیمیایی خاک رخ دهد چون در عمل در بعضی موارد ممکن است که ترکیب شیمیایی خاک از نقطه‌ای به نقطه ‌ دیگر تغییر کند که این علل نیز سبب خوردگی خواهد شد. چرا که اختلاف پتانسیل پین دو قسمت لوله واقع در این دو محیط مختلف حاصل شده و سبب تشکیل یک پیل می‌شود. که در این حالت قسمتی از لوله کاتد و قسمت دیگری از همان لوله آند خواهد شد که آند خورده شده و عمر کوتاه‌تری خواهد داشت. یک نوع پیل دیگر ممکن است در اثر تفاوت غلظت هوای موجود در اطراف لوله بوجود آید که این نوع خوردگی در گروه مهمترین پیلها و خوردگی‌ها قرار داشته باشد. بعنوان مثال برای این مورد می‌توان لوله‌ای را ذکر کرد که قسمتی از آن در خاک و قسمت دیگران از زیر یک جاده آسفالت عبور کرده باشد که در این صورت نواحی از لوله که از زیر جاده ‌آسفالت عبور کرده باشد که در این صورت نواحی از لوله که در زیر جاده آسفالت قرار دارد، نفوذ اکسیژن به محیط اطراف لوله  مشکل تر است لذا بین این منطقه از لوله و مناطق دورتر یک پیل غلظتی هوایی تشکیل می‌شود و منجر به خوردگی شدید لوله زیر ناحیه ‌ آسفالت می‌گردد. همچنین است در مورد لوله‌ای که از زیر نهری عبور  کرده باشد که در آن صورت درباره قسمت از لوله که در زیر نهر قرار دارد آندی شده و خوردگی بیشتری خواهد داشت.

یک نوع دیگری از خوردگی زمانی می‌تواند اتفاق افتد که یک لوله فولادی کهنه با قسمت جدیدی تعویض شود. در این صورت پتانسیل دو لوله نسبت به هم متفاوت خواهد شد، (به علت وجود محصولات خوردگی بر روی نقاط لوله ‌ کهنه)، در نتیجه یک پیل خوردگی تشکیل شده  و منطقه لوله جدید نسبت به لوله کهنه و قدیمی خوردگی بیشتری خواهد داشت و زودتر از لوله ‌قدیمی سوراخ می‌گردد. به همین علت باید دقت شود تا در حین عملیات کندن زمین ، نوک ابزار به لوله برخورد نکند، زیرا اگر این برخورد اتفاق افتد، سبب خراشیده شدن لوله شده و در نتیجه سطح تازه ‌ فولاد را در تماس با هوا و سطح قدیمی لوله قرار می‌دهد و سبب خوردگی شدید سطح خراشیده شده و سوراخ شدن آن قسمت خواهد شد.

همچنین است در مورد پوسته‌های اکسیدی ناشی از نورد لوله‌های فولادی که هر گاه یک لوله فولادی به همراه پوسته‌های اکسیدی حاصله از عملیات فورد در خاک دفن شود نقاط مربوط به پوسته های اکسیدی کاتد و نقاط فولاد بدون پوسته آند خواهند شد و در نقاط لوله که عاری از پوسته‌های اکسیدی هستند خورندگی شدیدی اتفاق خواهد افتاد .

همان‌طور که قبلاً نیز اشاره شده نسبت سطوح آندی و کاتدی در تعیین میزان خوردگی بسیار مؤثر است. اگر سطح قسمت آندی ما نسبت به قسمت کاتدی کم باشد شدت جریان خروجی در واحد سطح از آند زیاد بوده و باعث خوردگی شدید آند شده و چون شدت جریان دریافت شده توسط کاتد که دارای سطح بزرگی است، کم است، عمل پلاریزاسیون خیلی به کندی صورت می‌گیرد و نتیجتاً پیل خوردگی به صورت فعال ادامه خواهد داشت. در حالیکه در شرایطی که سطح آند بزرگ است شدت جریان خروجی آن در واحد سطح کم بوده و سرعت خوردگی نسبتاً کم خواهد بود و چون سطح کاتد کوچک است ، شدت جریان دریافتی آن زیاد بوده و بزودی پلاریزه شده و باعث کم شدن شدت جریان خوردگی می‌شود.

حال با توجه به نکاتی که در قبل ذکر شد و همچنین با شناخت عواملی که منجر به خوردگی یک لوله می‌شوند می‌توان روشهای مقابله را تعیین نمود. که روشهای اصلی مقابله با خوردگی لوله عبارتند از:

1- استفاده از پوششها

2- حفاظت کاتدی

از پوشش انتظار می‌رود که به صورت یک قشر پیوسته و عایق الکتریکی سطح لوله را پوشانیده و نتیجتاً مقاومت زیادی در مدار خوردگی ایجاد نماید به طوری که  شدت جریان خوردگی کاهش داده شود.

سیستم حفاظت کاتدی هم به طور ساده عبارتست  از اعمال یک جریان مستقیم از یک منبع خارجی که در جهت مخالف خروج جریان از نواحی آندی عمل می‌کند. با اعمال این جریان تمام ساختمان فلزی از محیط اطراف جریان دریافت کرده و به یک کاتد بزرگ تبدیل خواهد شد.

که حال به توضیح این روشها پرداخته می‌شود:

پوششها:

این تصور منطقی است که با پوشش کردن لوله می‌توان از خوردگی آن جلوگیری کرد ولی این نوع حفاظت وقتی کامل می‌شود که :

 1- پوشش مصرفی عایق الکتریکی خوبی باشد.

2- در هنگام پوشش کردن بدون پاره شدن بتواند روی لوله اعمال شده و با مرور زمان نیز مقاوم و پا بر جا باشد.

3- در هنگام نصب، محلی بدون پوشش روی لوله باقی نماند.

اما حقیقت این است که ما هیچگاه پوشش بدون عیب نخواهیم داشت و ایرادهایی که پوششها می‌توانند داشته باشند به طور مختصر عبارتند از:

1- در رفتن قسمتی از لوله از زیر ماشین پوشش دهنده.

2- ترک خوردن پوشش ناشی از نشتهای حرارتی یا مکانیکی بیش از تحمل

3- خراش ناشی از حمل و نقل لوله پوشش داده شده.

4- نفوذ سنگهای تیز در هنگام پر کردن کانال لوله.

5- تأثیر حلالهای موجود در محیط لوله که از نشتیها و غیره بوجود آمده‌اند.

6- نفوذ ریشه‌های گیاهی موجود در خاک  در اطراف لوله.

7- تأثیر بعضی از باکتریهای موجود در خاک

یک مثال که اهمیت سالم بودن پوشش را نشان می‌دهد: یک لوله پوشش داده شده دارای خراشی در پوشش خود در منطقه‌ای که از زیر یک نهر عبور می‌کند می‌‌باشد. در این نقطه سطح عاری از پوشش لوله به یک آند کوچک و بقیه لوله به یک کاتد بزرگ تبدیل خواهد شد، که در نتیجه آن خوردگی شدید می‌تواند در آن نقطه اتفاق افتاده و منجر به سوراخ شدن لوله شود، حتی زودتر از موعدی که لوله اصلاً پوشش نداشت. البته این مثال نباید به این صورت تلقی شود که گذاشتن لوله بدون پوشش در زمین بهتر از لوله ‌ پوشش شده است زیرا که جریان کل خوردگی در صورت وجود پوشش کاهش پیدا خواهد کرد و از مقدار خوردگی به مراتب کاسته خواهد شد و بدین ترتیب فقط نقاط محدودی باقی خواهند ماند که باید از آنها حفاظت نمود و همین بهترین تأئید و توجیه برای اعمال حفاظت کاتدی می‌باشد. پس بهترین حالت عبارتست از بهترین پوشش توام با حفاظت کاتدی که به عنوان مهمترین و اساسی‌ترین دفاع در برابر خوردگی استفاده می‌گردد. در انتخاب پوشش باید دقت کافی به عمل آید که هر گاه مقاومت الکتریکی پوشش در بدو امر خوب بوده و با مرور زمان از مقاومت آن کاسته شود ممکن است سیستم حفاظت اولیه اگر چه قبلاً کافی بود، دیگر جوابگو نباشد و اعمال حفاظت کاتدی مجدد مستلزم هزینه بوده و هدف اصلی را که اعمال اقتصادی‌ترین سیستم حفاظتی است، از بین خواهد برد.

اعمال پوشش:

روشهای مناسب برای اعمال پوشش حائز اهمیت است چرا که ممکن است یک پوشش خوب و مرغوب در نتیجه نصب نامناسب دارای خواص مطلوب نشده و مشکلات زیادی را برای نگهداری لوله پدید آورد. به همین دلیل به طور مختصر به شرح روشهای استاندارد اعمال پوشش می‌پردازیم:

1- سطح لوله خوب تمیز شود، روغن، چربی و گریس موجود در سطح لوله با حلالهای مناسبی پاک شده و سپس مورد سندبلاست قرار گیرد.

2- اعمال زیر پوشش (primer) . که برای ایجاد یک چسبندگی قوی بین لوله و پوشش اصلی لازم است که زیر پوشش مناسبی روی سطح لوله تمیز و خشک شده اعمال گردد. کارکردن در شرایط بارانی و در هوای یخبندان غلط است زیرا حتی یک قشر بسیار نازک از رطوبت هم، باعث تخریب پوشش در مراحل بعدی می‌شود. پوشش را باید بعد از خشک شدن زیر پوشش اعمال نمود به خصوص در پوششهایی که توام با حرارت اعمال می شوند، در غیر اینصورت عمل حرارت موجب تبخیر حلالهای موجود در زیر پوشش شده و باعث ایجاد حفره‌های گاز بین زیر پوشش و پوشش اصلی می‌شوند که نتیجه یک پوشش نامرغوب و کم مقاومت است.

3- اعمال پوشش: سطح تمیز و زیر پوشش داده شده لوله مطابق توصیه سازنده پوشش داده می شود.

4- نگهداری مناسب مواد پوشش و دقت در حمل و نقل آنها.

5- دقت در محل لوله به کانال و دقتی در نصب و در مرحله پر کردن خاک اطراف اگر چه بعد از قرار گرفتن لوله در کانال بازرسی انجام گرفته و ایرادات پوشش تعمیر خواهند شد، ولی یک پوشش پیوسته بهتر و مقاوم‌تر از یک پوشش وصله و پینه شده خواهد بود. معمولاً در نقاطی از بستر لوله خاک نرم یا ماسه عاری از سنگهای تیز ریخته شده و لوله با احتیاط در بستر پایین آورده می‌شود.

6- پیروی کامل از مشخصات اعمال پوشش و کنترل دقیق در تمام مراحل

7- بازرسی از انجام مناسب کارها بعد از اتمام هر مرحله و در طول هر مرحله.

همان طور که در  بالا شرح داده، ابتدا برای اعمال پوشش باید روی لوله پرایمر (Primer) اعمال شود که این primer رزین  است که متناسب با نوع پوشش سرد ما خواهد بود و همچنین حاوی مقداری پودر فلزات اکتیواست که به عنوان محافظ کاتدی عمل می‌کنند سپس بعد از خشک شدن primer یک نوار اولیه ‌ مشکی رنگ بر روی primer اعمال می‌شود که این نوار چسبندگی خوبی دارد و می‌تواند خیلی خوب به لوله بچسبد، به همین دلیل است که این نوار اعمال می‌شود و سپس بر روی آن یک لایه نوار سفید رنگ اعمال خواهد شد که این نوارهای سفید رنگ مقاومت به ضربه خوبی دارند  و در اثر تماس با سنگها تیزه و غیره دیرتر دچار تخریب خواهند شد و در حقیقت این نوار سفید رنگ به عنوان حفاظی برای نوار مشکی  عمل می‌کند و سبب طولانی شدن عمر پوشش می گردد.

ذکر این نکته ضروری است که معمولاً Primer و پوشش اصلی باید از یک کارخانه خریداری شوند که از همه جهات با هم مطابقت داشته باشند.

همچنین باید ذکر شود که در لوله‌های نفتی  مدفون در خاک بیشتر از %90 خوردگی لوله‌ها مربوط به خوردگی خارجی است که با انتخاب یک پوشش و روش اعمال مناسب آن، می توان بیش‌ از 90% کار حفاظت را انجام داد.

Holiday Datector : این روش برای ایراد یابی ‌پوشش مورد استفاده قرار می‌گیرد، بدین صورت که در این روش بین لوله و یک الکترود ولتاژ زیادی اعمال می‌شود هر گاه نقطه‌ای از پوشش خراشیده شده باشد، جریانی بین الکترود و لوله در آن نقطه بوجود خواهد آمد. این جرقه یک سیستم خبر دهنده را تحریک نموده و به اپراتور می‌فهماند که ایرادی در پوشش حاصل شده است. در این روش تجربه و دقت اپراتور بسیار مهم است و ولتاژ مناسبی باید بسته به نوع پوشش انتخاب شود.

انواع پوششها:

1- Enamel که به دو صورت عمده Asphalt, Coal Tar و در حالت گرم اعمال می‌شوند به همین سبب به آنها پوششهای گرم می‌گویند. با این نوع پوششها یک پوشش بیرونی جهت اعمال مقاومت مکانیکی با کار گرفته می شود ضخامت یک لایه از این پوشش حدود  اینچ می‌‌باشد. این پوششها از قطران زغال سنگ و ذوب آهن بدست می‌آمدند و این پوششها به علت دارا بودن گوگرد سمی هستند و مدتهاست که از رده خارج شده‌اند و مورد استفاده قرار نمی‌گیرند نحوه اعمال این پوشش‌ها به صورت زیر بود:

نوار فایبر گلاس ( قیر ( نوار ترموپلاست ( قیر

2- انواع مواد مومی که شبیه پوشش اول با یک پوشش بیرونی جهت افزایش مقاومت مکانیکی اعمال می شود.

3- گریسها معمولاً به طور دستی و با دستکش روی لوله مالیده می‌شوند و سپس توسط یک لایه پوشش بیرونی مجهز به یک ورقه عایق پوشیده می‌شود.

4- پوششهای مایع که به طور سرد اعمال می‌شوند این نوع پوششها با تبخیر حلال و یا توسط یک ماده ‌ شیمیایی سفت می‌شوند، این نوع پوشش از یک حلال باضافه آسفالت که ممکن است مشتق نفتی و یا آسفالت طبیعی باشد، که خاصیت عایق بودنش بیشتر است و یا حلال باضافه قیر زغال تشکیل شده است. به این نوع نیز پوشش بیرونی جهت افزایش مقاومت مکانیکی اعمال می گردد. معمولاً عمل در چند لایه توام با پوشش بیرونی در هر مرحله و با رعایت فاصله   زمانی معین بین دو لایه اجرا می گردد. ضخامت این نوع پوششها حدود 20 هزارم اینچ می‌باشد.