مقاله نقش فلزپاشی در جلوگیری از تخریب سازه های فلزی

بخشی از مقاله

نقش فلزپاشی در جلوگیري از تخریب سازه هاي فلزي

خلاصه
از بزرگترین بحران هاي بوجود آمده در حوادث و بلایاي طبیعی، بحران انرژي (نیروگاه هاي تولید جریان برق، پالایشگاه ها، سکوهاي نفتی و غیره)و بحران ساختمان ها و سازه هاي ویژه (مانند سدها، پل ها و غیره) می باشد.

اصلی ترین راه کاهش بحران هاي اشاره شده، جلوگیري از تخریب ساختمان ها و سازه هاي مربوط می باشد. خوردگی عامل فساد فلزي بوده و باید جهت جلوگیري از تخریب سازه ها و ساختمان ها به آن توجه ویژه اي شود.
یکی از مباحث بسیار مهم که کمتر از یکصد سال است مورد توجه جدي دانشمندان و محققان قرار گرفته است، موضوع خوردگی، به ویژه خوردگی فلزات می باشد.
با انجام بررسی ها و تحقیقات بسیار که غالبا در طی 50 سال اخیر انجام شده، راه هاي مختلفی جهت مقابله با این پدیده یافت شده و پیشرفت هاي قابل ملاحظه اي نیز صورت گرفته است. محافظت آندي، محافظت کاتدي، متالایزینگ، رنگ هاي غنی از فلز و ... از روش هاي پرکاربرد در حال حاضر می باشد. اما متاسفانه در صنعت ساختمان و پل سازي در ایران غالبا از روش هاي چون رنگ زدن استفاده می گردد که داراي ضریب اطمینان کافی براي حفاظت در برابر خوردگی نمی باشد. خوردگی موجب فساد فلز گردیده و مسلما دیگر نتایج محاسبات مهندسین براي مقاومت سازه ها و قطعات قابل استناد نمی باشد. این مسئله منجر به بروز حوادث و حتی فجایع بسیار بزرگ در زمان بروز بلایا می گردد.
یکی از بهترین روش هاي کنترل خوردگی استفاده از روش متالایزینگ یا فلزپاشی1 می باشد. در این روش می توان سطح فلزات را با فلز مقاوم به خوردگی پوشش داد. این روش مزایاي بسیاري دارد که یکی از بزرگترین آن ها امکان ایجاد پوشش در محل می باشد. اگر قصد استفاده از روش هاي دیگر پوشش دهی فلزات وجود داشته باشد، باید الزاما قطعه به کارگاه یا کارخانه انتقال داده شود. فلزپاشی روشی است که هر روز کاربرد گسترده تري در صنایع مختلف پیدا کرده و در حال رشد چشمگیرانه اي می باشد.

فلزپاشی این امکان را فراهم می سازد تا پایه هاي پل هاي فلزي، ستون هاي فلزي ساختمان ها، سازه هاي نگهدارنده و اصلی در صنایع گوناگون را در مقابل خوردگی مقاوم نموده و خسارات را به حداقل رساند.

کلمات کلیدي: خوردگی، پوشش فلزات، فلزپاشی، متالایزینگ، بحران

______________________________________________________________________
.1 مقدمه
هر ساله بلایا در نقاط مختلف جهان تلفات قابل توجه جانی و مالی بر جاي می گذارند. در بین انواع بلایاي موجود، زلزله مهمترین علت بوجود آمدن بحران هاي عظیم در کشورهاي بلاخیز است. در این زمینه علل و عوامل مختلفی به عنوان منشا زلزله ها شناخته شدهاند که از جمله مهمترین این عوامل می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. واکنش هاي درون زمینی و حرکت صفحات تکتونیکی زمین2؛

2. فعالیت آتشفشان ها؛
3. آزمایش ها و انفجارهاي اتمی؛

4. ذخیره کردن آبهاي سطحی و شکسته شدن سد هاي عظیم آب؛

.5 فرو ریختن غارهاي زیر زمینی و غیره.

اما در میان عوامل فوق، نظریه حرکت صفحات تکتونیکی زمین در بین لرزه شناسان بیشترین مقبولیت را یافته است و در واقع عامل ایجاد حدود 95 درصد از زلزله هاي بزرگ در جهان به حساب می آید و به عبارت دیگر برخی از عوامل ایجاد زلزله، خود تابعی از این عامل هستند.

هر بلا بوجود آورنده بحران هاي گوناگون می باشد که وسعت و شدت آن ها تحت شرایطی زیاد، کم و حتی حذف می شود: بحران انتقال مصدومین ، بحران اسکان، بحران انتقال نیرو، بحران ساختمان هاي ویژه، بحران انرژي و غیره. از بحران هاي بوجود آمده که بسیار مهم بوده و عدم توجه به آنها می تواند موجب بروز فجایع انسانی و زیست محیطی گردد بحران انرژي ناشی از آسیب به نیروگاه هاي تولید جریان برق، پالایشگاه ها و سکوهاي نفتی و همچنین بحران ساختمان ها و سازه هاي ویژه (که در صورت آسیب پتانسیل آسیب رسانی بالایی دارند) مانند سدها، پل ها و نیروگاه هاي اتمی می باشد.

لذا مسئله حائز اهمیت تلاش در جهت جلوگیري از تخریب سازه ها و آسیب به تاسیسات موارد مذکور با استفاده از روش هاي چون جانمایی مناسب، استفاده از مصالح مقاوم و مقاوم سازي و غیره می باشد. اما براي سازه هاي فلزي یکی از نکات اصلی جلوگیري از فساد فلز می باشد.

هدف از نگارش این مقاله، معرفی روش فلزپاشی به عنوان یک روش پوشش دهی فلزات و به کار بردن آن در خصوص پوشش دهی سازه هاي فلزي می باشد. این امر موجب کاهش بسیار زیاد سرعت خوردگی شده و جلوي فساد سازه را می گیرد.

.2 سازه هاي فلزي1

به یک ساختار معماري یا مهندسی که مجزا از دیگر ساختارها قابل تشخیص باشد، سازه یا ابنیه فنی می گویند. سازه ها را می توان از دیدگاه هاي مختلف تقسیم بندي نمود. یکی از این دیدگاه ها از تقسیم سازه از نظر ماندگاري می باشد؛ سازه ممکن است دائمی باشد مانند ساختمان ها، پل ها، سدها، دکل هاي برق و می تواند موقتی باشد مانند چادرهاي نمایشگاهی، دکل هاي تبلیغاتی و داربست هاي فلزي.

بخش عظیمی از سازه هاي موجود در جهان را سازه هاي فلزي تشکیل می دهند. سازه هاي فلزي داراي مزایاي گوناگونی می باشند که می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
-1 مقاومت زیاد؛

-2 خواص یکنواخت؛
-3 دوام؛
-4 خاصیت ارتجاعی؛
-5 شکل پذیري؛
-6 پیوستگی مصالح؛

-7 تقویت پذیري و امکان مقاوم سازي؛
-8 شرایط آسان ساخت و نصب؛
-9 دور ریزي مصالح کمتر؛

-10 وزن کمتر؛
-11 فضاي مورد نیاز کمتر.
البته نمی توان فقط مزایاي مربوط به سازه هاي فلزي را درنظر گرفت، این سازه هاي داراي معایبی هستند که کاربرد آن ها را محدود می کند. مواردي از قبیل:

١Metal Structures -

-1 ضعف در دماي زیاد؛

-2 خوردگی و فساد فلز در مقابل عوامل خارجی؛
-3 تمایل قطعات فشاري به کمانش؛

-4 اتصالات نامناسب (بر اثر عواملی چون عدم استفاده از تجهیزات مناسب، مهارت ناکافی، نبود نظارت و ...).

سازه هاي فلزي براي کاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. از رایج ترین کاربردهاي سازه هاي فلزي می توان به ساختمان ها، سازه هاي نگهدارنده صنعتی، سکوهاي نفتی، پالایشگاه ها، نیروگاه ها و پل ها اشاره نمود.

سازه هاي مذکور در صورت آسیب دیدن در زلزله یا بلاي دیگر می توانند آفریننده یک فاجعه انسانی باشند که الزاما باید اقدامات مقاوم سازي براي آن ها صورت بگیرد. قطع سیستم انتقال سوخت، قطع شبکه آبرسانی و برق رسانی، آتش سوزي، آلودگی منابع آب آشامیدنی، انتشار گازهاي سمی از جمله پیامدهاي آسیب دیدن کارخانه ها، پالایشگاه ها، نیروگاه ها و غیره می باشد. تخریب پل ها نیز موجب قطع راه ارتباطی شده که بوجود آورنده معضلاتی چون مشکل در امر امدادرسانی به حادثه دیدگان، محدودیت استفاده از راه هاي آبی، کاهش سرعت ترمیم شبکه هاي انتقال سوخت و نیرو و آب و مخابرات در زمان بروز بلا خواهد شد. موارد ذکر شده جدا از ایجاد مشکلات اقتصادي و سیاسی می باشد.
محاسبات مهندسی صورت گرفته براي این سازه ها بر مبناي نیروهاي وارده بوده و با احتساب یک ضریب اطمینان مناسب می باشد. نکته اي که متاسفانه هنوز مورد توجه قرار نگرفته است میزان خوردگی مصالح بکار رفته در سازه است. مصالح گوناگون به تناسب تحت تاثیر پدیده خوردگی قرار می گیرند. اصلی ترین پارامتر پدیده خوردگی محیط می باشد.

شکل– 1 قسمتی از یک سازه فلزي که دچار خوردگی خیلی شدید شده است

خوردگی در محیط هاي مختلف متفاوت است که جدول 1 میزان خوردگی را بر مبناي دو عامل شرایط جوي و منطقه جغرافیایی نشان می دهد. همانطور که در جدول 1 مشاهده می شود مصالح در نواحی ساحلی و صنعتی که دربرگیرنده مهم ترین سازه هاي فلزي تاسیساتی می باشند داراي خوردگی شدید و خیلی شدید می باشند. پس باید اقداماتی در خصوص کنترل خوردگی صورت گیرد.

جدول - 1 تاثیر شرایط جوي مختلف و منطقه جغرافیایی بر خوردگی

مناطق معتدل مناطق سردسیر مناطق گرمسیر خشک مناطق گرمسیر مرطوب
ناحیه تمیز و روستایی خوردگی ملایم خوردگی ملایم خوردگی ملایم خوردگی شدید
خوردگی ملایم خوردگی ملایم خوردگی ملایم خوردگی شدید
ناحیه شهري و غیر ساحلی
خوردگی شدید خوردگی شدید خوردگی شدید خوردگی خیلی شدید
ناحیه صنعتی
ناحیه ساحلی خوردگی خیلی شدید خوردگی شدید - خوردگی خیلی شدید

.3 خوردگی1

Uخوردگی عبارت است از انهدام، فساد و یا تغییر و دگرگونی در خواص و مشخصات مواد (عموما فلزات)، به علت واکنش آن ها با محیط اطراف.[1]

خوردگی بحثی است که U در یکصد سال اخیر مورد توجه جدي دانشمندان و محققان قرار گرفته و به منظور روشن ساختن و توجیه و تفهیم مکانیسم هاي انواع مختلف خوردگی، تحقیقات و بررسی هاي وسیع، جدي و مستمر، مخصوصا در 50 سال گذشته و همگام با پیشرفت هاي سریع صنایع گوناگون صورت پذیرفته است.

Uکلیه محیط ها تا حدودي خورنده می باشند، مثلا هوا، رطوبت، آب ها، محیط هاي آلوده و صنعتی،گازها، اسیدها، قلیاها، خاك ها، حلال ها، روغن ها، محصولات غذایی و غیره. باید خاطر نشان ساخت که برخی محیط ها و در شرایط خاصی خورنده تر از دیگري می باشند. البته در مواردي نیز استثنا وجود دارد. وجود این پدیده و اثرات زیان بخش و ناگوار آن تقریبا در همه جا مشاهده می شود؛ از جمله در ساختمان ها، لوازم خانگی، وسائط نقلیه
(زمینی، دریایی، هوایی)، تاسیسات شهري، تاسیسات بندري و دریایی، واحدهاي صنعتی و غیره.[1]
Uباید دانست که انهدام هاي ناشی از عوامل صرفا فیزیکی یا مکانیکی، خوردگی نامیده نمی شوند؛ مواردي از قبیل سائیدگی، فرسودگی، خستگی، خراشیدگی و غیره. لیکن در برخی حالات ممکن است پروسه هاي خوردگی همراه و همزمان با این قبیل تخریب ها باشد که در این صورت با عناوینی نظیر خوردگی سائیدگی، خوردگی خستگی، خوردگی خراشیدگی، خوردگی تنشی و غیره تشریح می شود.
خوردگی در حفرات، اتصالات، خراش ها، سائیدگی ها و زدگی هاي سطوح بیشتر از نقاط دیگر می باشد.
غالبا خوردگی از این نقاط شروع و روند رو به رشدي را می پیماید که می تواند منجر به فساد کامل گردد. در آن صورت دیگر مصالح به کار رفته تغییر ماهیت داده و عملا نمی توان نتایج محاسبات مهندسی را براي آن ها صادق دانست، زیرا یک ماده جدید تشکیل شده است. پس نیروهاي کمتر هم می توانند موجب آسیب و یا حتی تخریب سازه شوند. زلزله از عوامل ایجاد کننده تکانه هاي شدید در یک سازه می باشد. با توجه به اینکه مصالح سازه بر اثر خوردگی و فساد دیگر مقاومت سابق را ندارند، پس احتمال تخریب آن در زلزله هاي با شدت کمتر نیز دور از انتظار نمی باشد.
اگر خوردگی صورت گرفته در محل هاي اتصالات، تکیه گاه ها و دیگر نقاط بحرانی روي دهد، در هنگام بروز زلزله تخریب بیشتري روي خواهد داد (شکل .(1

.4 کنترل از خوردگی

Uامروزه هزینه سالانه خوردگی به اضافه هزینه حفاظت در کشورهاي پیشرفته صنعتی در حدود 3/5 تا 5

درصد درآمد ناخالص ملی آن کشورها می باشد. [2]
خوردگی بدلایل مختلف بوجود آمده و سرعت پیشرفت آن نیز تابع شرایط گوناگونی می باشد که شناخت آن ها تاثیر بسزایی در کنترل این پدیده خواهد داشت. حرارت، فشار، سایش، ناخالصی، تشکیل پیل گالوانیکی و غیره از پارامترهاي موثر بر سرعت و شدت خوردگی می باشند.

تحقیقات مختلف و وسیعی را در خصوص کنترل خوردگی انجام شده است.U مهمترین و معمول ترین روش هاي کنترل خوردگی عبارتند از:

ب U حفاظت کاتدي؛
ب U حفاظت آندي؛

ب U مواد کند کننده؛

ب U پوشش ها؛
ب Uانتخاب مواد مناسب؛

١Corrosion -

ب U طراحی مناسب. [U1]

از راه هاي پیشنهادي مقابله با پدیده خوردگی، ایجاد یک پوشش محافظ بر روي قطعه مورد نظر است. این راه حل تحت عنوان پوشش هاي سطحی معرفی می شود.

پوشش هاي سطحی را می توان با روش هاي گوناگون بر روي سطوح فلزي اعمال نمود. در حال حاضر روش هایی مانند گالوانیزه گرم که از قرن ها پیش مورد کاربرد بوده است تا روش هایی چون پوشش سطح با نانو ذرات که امروزه دانشمندان موفق به دستیابی به آن شده اند، مورد استفاده قرار می گیرد. عاملی که موجب گشته است تا روش هاي مختلف براي ایجاد پوشش سطحی به کار گرفته شود، بحث قابلیت ها و ویژگی هاي هر یک از این روش ها می باشد. مسائل مربوط به شرایط اقتصادي، ایمنی، زمان عملیات، عمر پوشش، مهارت مورد نیاز، نوع پوشش و غیره باعث شد تا دانشمندان در پی یافتن روش هاي دیگري نیز براي اعمال پوشش هاي سطحی باشند. همچنین فرضیه ها و تئوري هایی اینک ارائه شده اند که محققان و دانشمندان در تلاشند تا این موارد را کاربردي و عملیاتی کنند.
در خصوص پوشش ها باید ذکر شود که پوشش ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم نمود، پوشش هاي فلزي ( مانند استفاده از آبکاري، متالایزینگ و غیره) و پوشش هاي غیر فلزي (مانند استفاده از رنگ و لاك و غیره) و
پوشش هاي مرکب (مانند استفاده از رنگ هاي غنی از فلز).

یکی از روش هاي مناسب ایجاد پوشش هاي سطحی براي جلوگیري از خوردگی روش متالایزینگ یا فلزپاشی می باشد. هر روزه کاربرد این روش در صنعت افزایش می یابد، اما مزایا و قابلیت هاي منحصر به فرد موجب می شود تا بتوان آن را در خصوص مقاوم سازي سازه هاي فلزي نیز به کار برد.

در ایران جهت مقاوم سازي سازه هاي فلزي در مقابل خوردگی غالبا از رنگ استفاده می نمایند. هر چند رنگ هاي صنعتی مختلف تولید شده است، اما نداشتن شناخت کافی از انواع رنگ ها، کاربرد و اعمال نامناسب بر روي سطح موجب می شود تا رنگ در زمانی کمتر از عمر واقعی خود دچار دچار فساد گردیده، پوسته یا طبله شده و دیگر به عنوان یک محافظ عمل ننماید.

البته براي قسمت هاي مختلف سازه هاي آبی مانند سکوهاي نفتی مطابق استانداردهاي از پیش تعیین شده جهت حفاظت در برابر خوردگی استفاده می شود. رعایت این استانداردها توسط شرکت هاي سازنده لازم الاجرا می باشد. به طور مثال در قسمت هاي مغروق و گل ولاي سازه هاي آبی غالبا از سیستم هاي حفاظت کاتدي و یا از ترکیب پوشش و حفاظت کاتدي استفاده می شود.

.5U فلزپاشی

Uفلزپاشی براي اولین بار توسط شوپ (زوریخ سوئیس) در سال 1882 تا 1889 میلادي مورد بحث قرار گرفت.[5] اولین کار شوپ با پاشیدن گرد گرم شده فلز انجام گرفت. چند سال بعد تفنگ سیمی ابداع گردید که نمونه اولیه تفنگ هاي فلزپاشی امروزي است.[3] پیشرفت هاي سریع در مورد تجهیزات پاشش حرارتی از سال 1980

میلادي به بعد بود.[5] در سال هاي اخیر فرآیند گرماپاشی براي پاشیدن فلزات با نقطه ذوب زیاد و سرامیک ها به صورت گرد ابداع شده است. [3]

فلزپاشی شامل فرآیندهایی می شود که در آن ها روي سطح آماده شده یک قطعه، ذرات ریز مذاب یا گداخته فلز پاشیده می شوند. سطوح پایه گداخته نمی گردد. در اثر انرژي حرارتی و جنبشی ذرات، این ذرات به سطح فلز و ذرات بعدي متصل می شوند. مکانیزم اصلی اتصال، قفل شدن فیزیکی ذرات و سطح در یکدیگر می باشد.

مکانیزم هاي دیگري که در اتصال دخیل هستند عبارتند از جوش خوردگی سطوح، فرآیندهاي شیمیایی و متالورژیکی (نفوذ، ترکیب و تشکیل فازهاي جدید) و چسبندگی فیزیکی و شیمیایی. بدین ترتیب لایه ها پشت سر هم پوشش داده می شوند و یک ساختار لایه اي ایجاد می کنند.

.5-1 آماده سازي سطوح

Uدر ابتدا باید آلودگی هاي سطحی مانند روغن، گریس و دیگر آلودگی هاي قابل حل مانند نمک ها، به وسیله چربی زدایی پاك شده و سپس با آب تازه آبکشی و در نهایت خشک شوند. این آلودگی ها اگر پاك نشوند، آلودگی هایی را در سطح حتی بعد از ماسه زنی نیز بر جاي می گذارند که تاثیر مخربی بر چسبندگی و کارایی سیستم پوششی نهایی بر جاي خواهد گذاشت. در تجهیزات پاششی که قابلیت بازیافت ذرات نیز وجود دارد، حضور این مواد مضر، باعث آلوده شدن ذرات پاششی نیز می شود. عیوب سطحی مانند اسپاترهاي جوش، شکاف ها و لبه هاي تیز نیز باید قبل از تمیز کاري پاششی برداشته و یا ترمیم شوند.[4]

Uبهترین آماده سازي براي سطوح فولادي، استفاده از تمیز کاري پاششی براي زدودن پوسته هاي اکسیدي، زنگ و به وجود آوردن یک پروفایل (زبري) سطح مناسب براي اعمال یک سیستم پوششی می باشد.[4] مزایاي پاشش مواد ساینده براي پوسته زدایی و ایجاد سطح زبر عبارت است از:

U .1 سطح نهایی یکنواخت و تمیز می باشد؛
U .2 فرآیند سریع است؛
U .3 مواد شیمیایی وجود ندارند که اگر در خلل و فرج باقی بمانند، مضر باشند؛
U .4 قطعات ترد نمی شوند.
Uاز بین مواد ساینده، امروزه گلوله هاي فلزي و مواد ساینده آلومینیومی به میزان زیادي جایگزین گلوله هاي سیلیسی خطرناك شده اند. گلوله هاي فولادي سطحی یکنواخت ایجاد می کنند و عمدتا براي برطرف کردن تنش به کار می روند.[2]

Uسه نوع تجهیزات ماسه زنی که امروزه در صنعت کاربرد دارند عبارتند از:
• U ماشین هاي ماسه زنی فشاري؛

• U ماشین هاي ماسه زنی مکشی؛

• U تجهیزات ماسه زنی گریز از مرکز.[3]

شکل - 2 انجام عملیات ماسه زنی

لذا باید در ابتدا نسبت به آماده سازي سطوح اقدام نمود. همانطور که بیان گردید تمیزکاري پاششی اصلی ترین فرآیند آماده سازي سطح براي انجام عملیات فلزپاشی می باشد. تجهیزات ماسه زنی قابل حمل بوده و می توان آن ها را به پاي کار آورد. این قابلیت امکان آماده سازي سطوح را در محل فراهم می کند.