بخشی از مقاله
مقدمه:
بیش از یک قرن است که نقش میکروارگانیسمها در خوردگی فلزات مورد توجه محققین قرار گرفته است؛ امـا علـیرغـم این زمان طولانی، هنوز نیز نقش آنها به درستی شناخته نشده است. خوردگی میکروبیولوژیک در صنایع نفت از اولین مـواردی است که توجه محققان را به خود جلب کرده است و تا مدتها، تنهـا مـورد عملـی تحقیـق روی MIC یـا خـوردگی تحـت اثـر میکروارگانیسمها((Microbially Influenced Corrosion محسوب میشده است. تمرکـز محققـان روی سـایر محیطهـا خصوصاً محیطهای دریایی سبب شناسایی بهتر MIC شد.
1 کارشناس ارشد میکروبیولوژی
1
Archvie of SID
خوردگی زیستی((Biocorrosion، خـوردگی میکروبـی (Microbial corrosion)، یـا خـوردگی تـاثیر پـذیر از عوامـل میکروبیولوژیک (MIC=Microbiologically influenced corrosion) میتواند بهعنـوان فراینـدی الکتروشـیمیایی تعریـف شود که در آن میکروارگانیسمها قادر به شروع، تسهیل یا تسریع واکنش خوردگی بدون تغییـر در طبیعـت الکتروشـیمیایی آن میباشند. محققان اعلام کردهاند که حدود 20-40 درصد از خسارات خوردگی، ناشی از خوردگی میکروبیولوژیک است. بنابراین میتوان این جنبه از خوردگی را مخربترین نوع خوردگی دانست.
میکروارگانیسمها قادرند بطور فعال محیط اطراف سطح فلز را تغییر داده تـا فراینـد خـوردگی را تسـهیل کننـد. دخالـت میکروبها در خوردگی به ندرت از طریق یک مکانیسم تنها و یا تنها توسط یک گونه از میکروارگانیسمها انجـام مـیشـود. ایـن میکروارگانیسمها می توانند در اکثر سیستمها با تبدیل و تغییر شرایط محیطی موجب بروز یـا تشـدید خـوردگی شـوند؛ بطـور مثال اثر خورنده میکروارگانیسمها در سیالات هیدرولیکی، قسمتمهای مختلف موتورکشتی ها و دیگر سیسـتمهای اسـتراتژیک کاملا به اثبات رسیده است.
خسارات خوردگی برآورد شده در کشورهای پیشرفته صنعتی حدود 2-4 درصد تولید ناخالص ملی (GNP) آنها میباشد ولی برای کشورهایی نظیر ایران که معمولا از روشهای پیشگیرانه خوردگی استفاده نمیکنند، در بسیاری از مـوارد خسـارتها و هزینه های ناشی از خوردگی در قالب خرجهای تعمیراتی نهفته است و میزان خسارات خوردگی میتوانـد تـا 5 درصـد تولیـد ناخالص ملی افزایش یابد که بر این اساس خسارت مستقیم خوردگی ایران در سال 1379 معادل 27500 میلیارد ریـال بـوده است.
خسارات مستقیم خوردگی در ایالات متحده، سالانه 276 میلیـارد دلار %3/1) تولیـد ناخـالص ملـی) و خسـارات سـالانه خوردگی در کشتی های آن کشور، 2/7 میلیارد دلار می باشد. ایالات متحده دارای 737 کشتی در دریاچه های بزرگ ( Great (lakes، 3368 کشتی در آبهای سرزمینی، 7014 کشتی اقیانوس پیما، 12/3 میلیون قایق تفریحی و 122 کشـتی گشـت زن در بنادر می باشد. از میزان خسارت خوردگی 2/7 میلیارد دلاری در صنایع کشتی رانی آمریکـا، 1/1 میلیـارد دلار مربـوط بـه ساخت کشتی های جدید، 810 میلیون دلار مربوط به هزینه های نگهداری و تعمیـرات و 790 میلیـون دلار خسـارت از کـار افتادگی در نتیجه خوردگی می باشد.
در حالی که در گذشته مشکلات میکروبی در صنایع دریایی غالباً از نظر منشا به سوخت تقطیـری((distillate fuel و
روانکارها محدود میشده است، اخیراً نواحی حمله به سوختهای باقیمانده((residual fuels، خن، مخزن تعـادل و حتـی آب نوشیدنی گسترش یافته است. متخصصین، فاکتورهای زیر را که موجب افزایش هزینه میشود ذکر کردهاند:
-1 مدیریت ضعیف کشتی و پرسنل کم تجربه، ترکیبی کشنده برای برنامه نگهداری دقیق و منظم ایجاد میکنند.
-2 استفاده نا مناسب تجاری از کشتی که منجر به از کار افتادن آن میشود و یا اعزامهای نوبـهای، دورههـای کمـون(رشـد)
طولانی و غیر مختل را برای میکروارگانیسمهای فرصت طلب مهیا میکند.
-3 وضع قوانین آلودگی دریایی تحت آیین نامه MARPOL 73/78 که پمپ کردن آب خن را محدود مـیکنـد، بـه بـاقی ماندن آب راکد در خن برای مدت زمان بیشتری منجر شده است.
-4 محدودیتهای زیست محیطی در مورد عدم استفاده از مواد شیمیایی زیست کش(بیوسید) سمی درون خنهـا و سـوختها، مشکلات مرتبط با آلودگی میکروبی را حادتر میکند.
-5 کمبود دانش در مورد عواملی که باعث آلودگی میکروبی میشوند و تشخیص درست مشکلات کاربری.
-6 نقص در طراحی مخازن، خنها و سیستمهای لوله که شکل و ترکیب آنها باید برای زهکشی مناسـب آب و تیمـار بعـدی مناسب باشد.
علاوه بر در نظر گرفتن این عوامل، راهکارهای تشخیص، ارزیابی، رفع و کنترل هجوم میکروبـی بایـد تـدوین شـوند.
برای این منظور لازم است که عامل هرگونه خوردگی در کشتی و تجهیزات آن تعیین شود. آلودگی و رشد میکروبی مـیتوانـد اثر مهمی روی کارایی موثر و ایمن کشتی داشته باشد. در بسیاری از موارد، مشکلاتی که اساسـاً طبیعـت میکروبـی دارنـد، بـه
2
Archvie of SID
عنوان مشکل میکروبی شناسایی نمیشوند؛ بویژه وقتی که آلودگی میکروبی تنها بخشی از مشـکلات ایجـاد شـده را بـه عهـده داشته باشد.
-2 میکروارگانیسمهای موثر در خوردگی:
فرآیند خوردگی میکروبی یک پدیده معروف است و جمعیتهای کم میکروارگانیسمهـا بصـورت کـاملاً طبیعـی وجـود دارند. این میکروارگانیسمها شامل باکتریها، مخمرها و کپکها، به راحتی در مقادیر آلودگی کم تحمل میشوند و تنها در مواقعی که تعداد آنها در محیط زیستشان کنترل نشود، رشد سریعی کرده و نتیجه آن هجوم میکروبی میباشد. در ضمن باید به خاطر داشت که میکروبها ارگانیسمهای زنده هستند و رشد آنها وابسته به حضور آب، مواد غذایی، گرما و اکسیژن( و یا گـاهی اوقـات فقدان آن) درون محیط میباشد.
آب، نیاز اساسی برای تکثیر میکروبی است و استفاده از افزودنیهایی مانند ضد یخ گلیکول به سوخت، موجب کاهش رطوبت نسبی(فعالیت آب-(Water activity شده و آب کمتری برای رشد میکروبی در دسترس قرار میگیرد. گرچه برخـی محققین ذکر کردهاند که میزان %1 آب برای رشد خوب میکروبی لازم است، اما یک لایه نازک آب روی سطح مخزن یـا چنـد میکرولیتر درون سوخت کافی است تا اجازه رشد به میکروارگانیسم و متابولیسم سلولی بدهد که به محـض شـروع، نتیجـه آن تولید آب بیشتر است و بدین ترتیب چرخه ادامه مییابد.
هیدروکربنها و افزودنیهای شیمیایی در سوخت و روانکارها بهعنوان منابع غذایی برای میکروارگانیسمها عمل میکننـد و مواد حل شده در آب در دسترس آنها، تکمیل کننده احتیاجات تغذیهای میکروبها میباشد. در کشتیهای باربر، مقادیر کمی از بار قبلی از جمله کود، اوره و احتمالاً شکر ممکن است مواد غذایی را به جیره میکروبها اضافه کند. بعلاوه غلظتهـای کـم اغلـب زیست کشها، تسهیل کننده رشد میباشند نه بازدارنده رشد. در ضمن چنانکه در چرخه زیست مشاهده میشود، میکروبهـای مرده مورد استفاده تغذیه ای سایر میکروبهای زنده قرار میگیرند. به هر حال، شرایط ایدهآل برای رشد میکروبی بهطور طبیعی در عمل اتفاق نمیافتد. رشد نسبتاً سریعی که میتواند در آزمایشگاه طی یک هفته اتفاق افتد، احتمالاً در شرایط درون کشـتی چندین ماه طول خواهد کشید. خوردگی شدید، اگر اتفاق بیفتد، برای چندین هفتـه پـس از رشـد مسـلم و آشـکار میکروبـی
ملاحظه خواهد شد.
C C
میکروارگانیسمها طیف دمایی بین ْ15 تا ْ35 را برای رشد ترجیح میدهند و از اینرو موتورخانههای گرم بسـتر رشـد ایدهآلی را فراهم میکند.
از نظر نیاز و توانایی رشد در حضور اکسیژن، باکتریها به سه دسته تقسیم میشوند: باکتریهای هوازی که اکسیژن را برای اکسیده کردن غذایشان مصرف میکنند؛ باکتریهای بیهوازی که نمیتوانند اکسیژن را تحمل کنند و باکتریهای اختیاری که در حضور یا عدم حضور اکسیژن زنده می مانند. یک سویه بیهوازی که باکتریهای احیـا کننـده سـولفات( Sulfate Reducing (Bacteria-SRB نامیده میشوند، اثر شدیدی در خوردگی دارند و سولفیدهای خورنده تولید می کنند. این باکتریها در کلیه خاکها و آبهای آلوده بهوفور یافت میشوند؛ از عمق 70 متری خاک گرفته تا آب دریاها. این باکتریها میتوانند در PH بین 5 تا
10 و حتی بالاتر از 100 درجه سانتیگراد زنده مانده و طاقت بیاورند. بهترین شرایط PH برای باکتریهای احیاکننـده سـولفات
PH=7 میباشد.
باکتری احیاکننده سولفات قادر است به منظور تأمین انرژی فعالیت بیولوژیکی خود در یک محـیط الکترولیتـی عـاری از اکسیژن، شرایط احیاء رادیکال سولفات (SO4) و تبدیل آن به یون سولفید(-(S2را مهیا سازد. تولید یونهای سـولفید در کنـار یونهای آهن (Fe2+) موجود در محیط که حاصل واکنش آندی است، باعث تشکیل سولفید آهن (FeS) سیاه رنگ مـیشـود.
این رنگ سیاه در ضایعات خورده شده و محصولات خوردگی مشاهده میشود. حتی تصور میشود کـه رنـگ آب دریـای سـیاه نتیجه فعالیت این باکتریها باشد. ترکیبات سولفیدی ایجاد شده توسط این باکتریها که بر روی سطوح راسب میشوند، نسبت به فولاد در وضعیت کاتدی قرار گرفته و نهایتاً خوردگی فولاد را تسریع میکنند.
3
Archvie of SID
میکروبهای خورنده تلاطم زیاد را دوست ندارند و ترجیح میدهند که سیستم سوخت و روانکار به صـورت سـاکن باشـند.
کشتیهای از کار افتاده یا کشتیهای در حال تعمیرات دورهای، نسبت به حمله میکروبـی از همـه حساسـتر هسـتند. هرگونـه تجمع یا چکه آب، شرایط محیطی مورد نیاز برای تکثیر میکروارگانیسمها را کامل میکنـد، چـرا کـه آنهـا در فـاز آب زنـدگی میکنند اما از مواد غذایی فاز سوخت یا روغن تغذیه میشوند.
باکتریها گروه متنوعی از ارگانیسمهای ساده تک سلولی با شکلهای میلهای، کروی یا مارپیچی با انـدازه متوسـط 1 تـا 5
میکرومتر میباشند. بسیاری از باکتریها بطور فعال متحرک هستند و میتوانند در سرتا سـر محـیط مـایع بـا اسـتفاده از زوائـد شلاق مانند یا فلاژلوم حرکت کنند. آنها قادر به تکثیر غیر جنسی هستند و توسط تقسیم دوتایی که گاهی کمتر از 20 دقیقـه طول میکشد تکثیر میشوند. خیلی از گونهها مقادیر فراوانی از مواد لعابی چسبناک خارج سلولی((Slime ترشح میکنند کـه به اتصال آنها به سطوح و محافظت کلونی در برابر تغییرات محیطی و از جمله مقاومت در برابر نفوذ بیوسیدها کمک مـیکنـد.
مخمرها، تک سلولی، تخم مرغی یا کروی شکل هستند و حدود 5 میکرومتر طـول دارنـد. برخـی از آنهـا قـادر بـه رشـد روی هیدروکربنها هستند. کپکها(قارچها)، چند سلولی با دیواره محکم کیتینی هستند و معمولاً به فرم رشـتههـای منشـعب رشـد میکنند تا اینکه مجموعه میسلیومی ضخیم و محکم و در هم پیچیده تشکیل میدهند. کپکها ترکیبات کربنـی خیلـی اکسـید شده، بویژه ترکیبات با وزن ملکولی پایین از قبیل اسیدهای آلی تولید میکنند که میتواند توسط دیگر میکروبها استفاده شود.
در مخازن ذخیره سوخت هواپیما که از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شدهاند، قارچ Hormoconis resinae مـیتوانـد مشـکل عمدهای باشد که عامل خوردگی و/یا نفوذ به Lining مخزن است. خطوط هوایی از این امر آگاه بوده و آزمایشـهای مـنظم را متقبل شدهاند. بهطور کلی میکروارگانیسمهایی که غالباً در صنایع دریایی شناسایی میشوند، گونههای تجزیـه و فاسـد کننـده هیدروکربن و گونههای خورنده میباشند که در شکل 1 مشاهده میشوند.
مشکلات عملیاتی ناشی از آلودگی میکروبی ممکن است به خاطر ورود هیـدروکربنها و آب دریـا ، آلـودگی قبـل از سـوار شدن به کشتی، مخلوطی از هر دو یا در نتیجه روشهای ضعیف کاربری در کشتی میباشد.
4
Archvie of SID
آب اقیانوسها معمولاً حاوی کمتر از 103 باکتری در هر میلیلیتر میباشد و حتی SRB در آن نادر است، اما آب دریـا در محدوده بنادر و خلیجها که در آن سابقه نشت روغن، تخلیه مخزن روغن و فاضلاب بـه دریـا وجـود دارد، حـاوی بـیش از 103
باکتری در هر میلیلیتر از جمله تجزیه کنندگان هیدروکربن و تعداد زیادی SRB میباشد. بعلاوه آلـوده کننـدههـای حـاوی فسفر و نیتروژن حاصل از کودهای کشاورزی، بازدارندههای خوردگی و افزودنیهای روغن این اطمینان را حاصل مـیکنـد کـه مواد غذایی کافی برای تغذیه SRB موجود هستند.
-3 سیستمهایی که به آلودگی میکروبی دچار میشوند:
-1-3 سوختها:
سوختها منابع کربنی فراوانی برای رشد میکروبی دارند اما در مواد تغذیهای غیر آلی از قبیل نیتروژن، فسفر و پتاسیم فقیر هستند. این عناصر اغلب فاکتور محدود کننده تجزیه میکروبی سوخت هستند و باید از طریق منابع خارجی از جملـه آب آلوده باقیمانده در مخزن ذخیره ساحلی پس از شستشو، افزودنیهای سوخت یا ورود آب از خـارج بـه داخـل سیسـتم تـامین شوند. آب در مخازن در صورتی که سیستم زهکشی یا زدایش آب وجود نداشته باشد و یا جاهایی که زهکش((drain در پایین ترین سطح در مخزن قرار ندارد، جمع میشود. مخازن در موتورخانه یا دیگر مکانهای گرم و مخازنی که سوخت دوباره برگشت شده از انژکتور را دریافت میکند، برای رشد و تکثیر میکروبها ایدهآل هستند. مخـازن دوکفـی((double bottom بـه علـت دمای کمتر، کمتر در معرض تکثیر میکروبی هستند. اولین نشانه های آلودگی میکروبی سوخت عبارتند از گرفتگی فیلترها، کم رسیدن و یکدست نبودن جریان سوخت، متغیر شدن فشار احتراق و افزایش نرخ سـایش رینگهـای پیسـتون و دیـواره داخلـی سیلندر و فولینگ انژکتور. شکل زیر تصویر میکروسکوپی گیر افتادن میکروارگانیسمها در خلل و فرج فیلترها را نشان می دهد که باعث کاهش کارایی فیلتر و بلوکه کردن آنها می شود.
شکل:2 میکروبها توسط سوراخهای ریز فیلتر گیر افتاده و قابلیت
مسدود کردن آن را دارند
آلودگی میکروبی سوخت بصورت ایجاد کدورت در سوخت و ایجاد لجن خاکستری/قهوهای در سطح مشترک آب/سوخت ظاهر میشود و در موارد آلودگی شدید و طولانی مدت، خوردگی ممکن است اتفاق بیفتد. این امر ممکن است به علت فعالیت
SRB باشد که به کمبود اکسیژن و از اینرو راکد بودن سوخت نیازمند است. باکتریهای احیا کننده سولفات، سولفید هیدروژن خورنده تولید میکنند که میتواند در سوخت حل شود. بعلاوه این باکتریها فرآیند خوردگی موضعی را توسط حملـه مسـتقیم سولفیدی و دپلاریزاسیون سطح فولاد انجام میدهند و موجب حفره دار شدن و حتی سوراخ شدن کامل ته مخـزن مـیشـوند.
اغلب میکروبها، بویژه کپکها، اسیدهای آلی تولید میکنند. این اسیدها که توسط حمله اکسیداتیو به سوخت تولیـد مـیشـوند،
pH فاز را کاهش خواهند داد و در خوردگی شرکت میکنند، بویژه در مورد مس، آلومینیوم و آلیاژهای آنها از جمله برنز.
5
Archvie of SID
-2-3روغنهای روانکار:
هزاران نوع میکروب وجود دارند، اما تنها تعداد کمی از آنها قادر به رشد در روغنهـای روانسـاز در دماهـای عملیـاتی بـالا میباشند. در صورت کارکرد صحیح دستگاهها، دمای گرمکن تصفیه کننده و در حداقل نگهداشتن میزان آب بعلاوه اینکه روغن روانکار از نظر تغذیهای دچار نقصان است، از رشد میکروبی جلوگیری خواهد شد. اما اگر آلودگی شدید سیستم روغنهای روانکار رخ دهد، این مکانیسم خود کنترلی نسبت به جلوگیری از تکثیر میکروبی ناتوان خواهد بود. خوشـبختانه نشـانههـای آلـودگی میکروبی سریعاً به وجود نمیآید و به مهندس کشتی اجازه اجرای برنامههای اصلاحی آلودگی زدایی فیزیکی و/یـا شـیمیایی را میدهد.
