بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش، یک سالن صنعتی فولادی طرح شده، تحت بررسی خوردگی در طی زمان قرار گرفت و بر اساس شرایط محیطی قرارگیری سالن، تغییرات در ظرفیت مقاومتی آن بدست آورده شد. خوردگی فولاد یا اصطلاحا زنگزدگی از اولین معایبی است که برای سازههای فولادی برمیشمرند؛ خاصیتی که در حضور اکسیژن و رطوبت قد علم کرده و سبب تأثیر منفی بر ظرفیت سازههای فولادی میگردد. تاکنون روشهای مختلفی چون حفاظت کاتدی، حفاظت آندی، پوششهای آلی و معدنی و گالوانیزه کردن بطور عملی بکار گرفته شدهاند و حتی استفاده از فناوریهای نو همچون نانو در دستور کار قرار گرفته است.
در عین حال، میتوان طرحهایی در نحوهی اتصالات ارائه داد که بدون صرف هزینهی حفاظت، از تجمع رطوبت و غبار در نواحی حساس المانهای فولادی جلوگیری کند. با وجود همهی این موارد، در طی سالیان گذشته، سازههای فولادی مختلفی ساخته شدهاند که در آنها نکات حفاظتی و استانداردهای طراحی رعایت نشده است. برای چنین سازههایی، پارامترهایی مانند سرعت فرآیند خوردگی از اهمیت ویژهای برخوردار گشتهاند.
بنابراین کنترل خوردگی هم در سازههای در دست طراحی و هم در سازههای اجرا شده نمود پیدا خواهد کرد. در این مقاله خواهیم دید که تأثیر خوردگی فولاد در سالنهای صنعتی در بلند مدت، مخصوصا در محیطهای خوردنده، قابل چشمپوشی نخواهد بود؛ موضوعی که اهمیت کنترل خوردگی را نشان میدهد. برای این منظور یک سالن صنعتی طرح شده تحت خوردگی در طی زمان قرار گرفت و تغییرات در ظرفیت خمشی و جابجایی قائم یک عضو از سالن که در معرض خوردگی بیشتری قرار داشت، در شرایط محیطی مشخص و در بلند مدت، مورد کنکاش واقع شد.
1. مقدمه
در این مقاله، یک سالن صنعتی فولادی، طرح شده بر اساس آخرین ویرایش آئیننامه بارگذاری و فولاد ایران، تحت تأثیر خوردگی در طی زمان قرار گرفت. هدف از ارائهی این پژوهش بیان این موضوع است که خوردگی در یک سازهی صنعتی حفاظت نشده، با توجه به شرایط محیطی آن، تا چه مقدار میتواند خطرساز باشد و تا چه میزان در کاهش مقاومت آن موثر است. بنابراین، در ابتدا جهت فهم بهتر موضوع، بطور مختصر روشهای مختلف حفاظت فولاد در برابر خوردگی مطرح میشود. بررسی تأثیر خوردگی در یک سازهی صنعتی حفاظت نشده قسمت اصلی این پژوهش را به خود اختصاص خواهد داد. در انتها نیز، با این هدف که هزینههای کنترل خوردگی کاهش یابد، ایدههایی برای نحوه طراحی اتصالات جهت حفاظت در برابر خوردگی ارائه میگردد.
سالنها و بطور کلی سازههای صنعتی، از جمله سازههایی محسوب میشوند که برخلاف ساختمانهای مسکونی و ادارات از حافظت کافی در برابر تأثیرات محیطی همچون خوردگی در امان نیستند. خوردگی عبارت است از عمل یا فرآیند خورده شدن بطور تدریجی- مانند پوسیده شدن- که با یک واکنش شیمیایی همراه است. فلزات، سرامیکها، پلیمرها و یا حتی دندانهایمان از جمله موادی هستند که تحت تأثیر این پدیده قرار میگیرند. بسیاری از مهندسان خوردگی، این فرآیند را به اکسید شدن فلزات در اثر واکنشهای شیمیایی و یا الکتروشیمیایی نسبت میدهند. مرسومترین مثال از خوردگی فلزات، واکنشی است که در حضور اکسیژن و آب روی میدهد. زنگ زدن فولاد ناشی از در معرض قرار گرفتن آن در برابر اکسیژن و رطوبت موجود در هوا، نمونهای معروف از خوردگی الکتروشیمیایی است. در این فرآیند، فولاد با آب یا اکسیژن واکنش داده و اکسید آهن تولید میشود که نهایتا میتواند سبب خرابی در فولاد گردد.
خوردگی در سازههای فولادی به طور عمده یک فرآیند الکتروشیمیایی مبتنی بر قانون الکترولیز »فارادی« محسوب میشود. طی این فرآیند، بخشهایی از اقلام فلزی به آند و بخشهایی نیز به کاتد تبدیل میشوند و با برقرار شدن جریان الکتریسیته بین این بخشها از طریق یک رسانه همچون رطوبت که نقش الکترولیت را دارد، یک پیل خورندگی تشکیل شده و خوردگی آغاز میشود. [2] تا زمانی که این اختلاف پتانسیل وجود دارد، خوردگی نیز ادامه خواهد یافت. این فرآیند به طور مختصر بر اساس مرجع [3] برای فلز فولاد در شکل 1 نمایش داده شده است.
شکل :1 فرآیند خوردگی در یک فولاد در حضور رطوبت و اکسیژن
خوردگی یک مشکل هزینهبر در سرتاسر دنیا محسوب میشود. بنا بر مطالعاتی که توسط »ادارهی بزرگراه فدرال ایالات متحده« یا «FHWA1» صورت گرفته است، هزینهی مستقیم سالانه خوردگی در ایالات متحدهی امریکا 276 میلیارد دلار معادل 3/1 درصد تولید ناخالص ملی میباشد. مطالعات هزینهی خوردگی در کشورهای دیگری از جمله انگلستان، ژاپن، استرالیا و کویت انجام شده است. بر اساس تمام مطالعاتی که این کشورها در این زمینه انجام دادهاند، هزینهی سالانهی کل خوردگی به طور تقریبی ما بین 1 تا 5 درصد تولید ناخالص ملی کشور خود محسوب میشوند.
در عین حال خوردگی میتواند به طور غیرمستقیم در افزایش هزینهها تأثیرگذار باشد. به طور مثال در 12 دسامبر 1999 غرق شدن یک تانکر در سواحل فرانسه به علت پدیدهی خوردگی، تقریبا 19000 تن نفت سنگین وارد دریا شد که معادل با کل نفت موجود در سال 1998 در کل دنیا بود. [1] بنابراین بررسی این پدیده بر سازههای صنعتی، مخصوصا سازههایی که در سواحل قرار دارند، از اهمیت ویژهای برخوردار میگردند.
2. عوامل موثر بر خوردگی
در هر فرآیند خوردگی سه عامل اصلی به شرح زیر مشارکت دارند:
- آنچه خورده میشود؛ مانند اجزای فولادی سازه و اتصالات
- مواد خورنده؛ در واقع آنچه که سبب تولید اسید میشود، مانند کربندیاکسید
- عوامل زمینهساز خورندگی؛ مانند رطوبت، اکسیژن، عدمیکنواختی و آلودگی 2]و[3
رطوبت و اکسیژن از عوامل لاینفک خوردگی هستند و همانطور که در تعریف شکل 1 نشان داده شد، عدم حضور یکی از آنها سبب متوقف شدن خوردگی میشود.
همچنین عدمیکنواختی مانند ناخالصیهای موجود در یک فلز، اتصال دو فلز متفاوت به هم، تفاوت در پراکندگی اکسیژن و حتی تفاوت در تنشهای موجود در عضو از عوامل زمینهساز در این پدیده میباشند. همان طور که ملاحظه میشود، علل متعددی در پدید آوردن غیریکنواختی موثرند که حذف بعضی از آنها، نظیر توزیع غیریکنواخت تنش در نقاط مختلف سازه، غیرممکن و حذف برخی دیگر، نظیر حذف ناخالصیهای فولاد، فقط با هزینههای گزاف امکانپذیر است. پس از بین بردن کامل خوردگی در سازههای فولادی عملا غیرممکن است.
در دستهبندی دیگری، محیطهای خورنده بدین شکل تقسیمبندی شدهاند: - 1 - هوا و رطوبت؛ - 2 - آب تازه، مقطر، حاوی نمک و دریا؛ - 3 - هوای محیطهای طبیعی، شهری، دریایی و صنعتی؛ - 4 - گازهایی نظیر کلرین؛ - 5 - آمونیوم؛ - 6 - سولفات هیدروژن؛ - 7 - دیاکسید سولفور و اکسیدهای نیتروژن؛ - 8 - گازهای سوخت؛ - 9 - اسیدها؛ - 10 - بازها و - 11 - خاک
3. انواع روشهای کنترل خوردگی
مرسومترین روشها در کنترل خوردگی فولاد، حفاظت کاتدی، پوششها و کاربرد مواد و آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی است. در روش حفاظت کاتدی - CP - 1 از آندهای فداشونده و فعال مانند روی و آلومینیوم استفاده میشود. بدین ترتیب بجای فولاد، آند فداشونده خورده خواهد شد. روش دیگر در حفاظت کاتدی، استفاده از تزریق جریان - ICCP - 2 است که در آن از منبع جریانی مانند باتری، همراه با یک آند کمکی از جنس آهن یا گرافیت بهره گرفته میشود. در واقع با این کار اختلاف پتانسیل که عامل غیریکنواختی در خوردگی است، از بین میرود.
پوششها نیز به نوعی همان روشهای غیرفعال در مقابله با خوردگیاند. [2] بطور خلاصه این روش، موارد زیر را شامل میشود:
- پوششهای آلی: رنگها، لاکها، لعابها، لاستیکها، پوششهای قیری
- پوششهای معدنی: لعاب شیشهای، پوشش سیمانی، پوششهای فسفاته، اکسیدی و کروماته
- گالوانیزه کردن قطعات فولادی
- پوشاندن قطعهی فولادی با بتن
- بزرگتر گرفتن سطح مقطع قطعات فولادی
- پوششهای فلزی: پوششهای نجیب یا کاتدی - نیکل، نقره، مس، سرب، کروم - و پوششهای فداشونده یا آندی - روی، آلومینیم، کادمیم -
فولادهای ضد زنگ نیز به عنوان آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی کاربرد فراوانی، مخصوصا در سازههای در معرض رطوبت زیاد، دارند. فناوری نانو نیز از جمله تکنولوژیهای جدیدی است که در کاهش خوردگی فولاد ساختمانی کمک شایانی میکند.
از جمله تأثیرات شگرف آن بر فولاد ساختمانی، ایجاد خصوصیتهایی چون استحکام بالا در عین سبکی، مقاومت به خوردگی، فرمپذیری مناسب و قابلیت جوشکاری میباشد. فولادهای Sanduk Nauoflex و MMFX2 دو نمونه از فولادهایی هستند که در این زمینه به مرحلهی اجرا رسیدهاند. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش خوب آنها میتواند باعث کاهش هزینههای ساخت و نگهداری گردد. 5]،6و[7 شکل 2 بکارگیری فولاد MMFX2 در ساخت پل روی آب که در معرض رطوبت بیشتری قرار دارد را نشان میدهد.
شکل :2 استفاده از فولاد MMFX 2 در ساخت پل
نانوپوششهای تیتانیوم یکی دیگر از محصولات این فناوری جهت بهبود خواص فولاد، به خصوص افزایش مقاومت در برابر خوردگی میباشد. فلز تیتانیوم، فلزی سخت به محکمی فولاد و در عین حال مقاومت به خوردگی آن شبیه به پلاتین و دو برابر آلومنیوم میباشد .[8] همچنین با توجه به خاصیت خودمحافظی تیتانیوم، با اکسید یا نیترید کردن تیتانیوم میتوانیم به مقاومت در برابر خوردگی بالایی برسیم، به طوری که از پوششهای اکسید و نیترید تیتانیوم به عنوان پوششهای مقاوم - محافظ - در برابر خوردگی به طور گسترده استفاده میشود.
4. انواع خوردگی در سازههای فلزی
اصولا خوردگی در المانهای فلزی به دو صورت کلی و موضعی روی میدهد. خوردگی کلی معمولترین نوع خوردگی است که در آن تمام سطح فلز و یا حداقل بیشتر سطح آن که در معرض مواد خورنده قرار دارد، تقریبا بطور یکسان، خورده میشود. [5] این نوع خوردگی زمانی خطرناکتر است که سطوح تحت تأثیر مواد خورنده، به دلیل شکل مقطع قطعات سازهی فولادی، غیر قابل رؤیت و غیر قابل دسترسی است
