چکیده

مسئله خوردگی فلزات در صنعت به خصوص در مورد تجهیزاتی که در تماس با خاک و آب هستند، موجب تحمیل هزینه­ های سنگین بر صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز می­باشد و لازم است تمهیدات لازم جهت کنترل خوردگی صورت گیرد. یکی از موثرترین روش­های کنترل خوردگی حفاظت کاتدیک می­باشد. آندهای اکسید فلزی مختلط جدترین نوع آندهای مورد استفاده در سیستم­های حفاظت کاتدیک با اعمال جریان می­باشند، به علت ویژگی­های منحصر به فرد از جمله طول عمر بالا، وزن پایین، جریان خروجی بالا، قابلیت حمل آسان، پایداری ابعادی و قابلیت اطمینان این آندها کاربرد وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده اند. در این تحقیق آزمون تسریع شده بر روی آند لوله­ای تیتانیوم با پوشش MMOبه منظور تعیین طول عمر و کیفیت آندها صورت گرفته است.

واژه‌های کلیدی:  آندهای MMO، حفاظت کاتدی، طول عمر

1ـ مقدمه

آندهای اکسید فلزی مختلط برای استفاده در محیط­های کلر دار شامل پوشش ترکیبی اکسیدهای زینترشده بر روی زیرلایه خالص تیتانیوم می­باشند. این آندها به شکل­های مختلفی مانند لوله­ای, ورقه­ای, توری و غیره ساخته می­شوند. از ویژگی منحصر به فرد این آندها به این مورد اشاره کرد که این آند­ها در مدت زمان طول عمرشان از نظر ابعاد دچار تغییر نخواهند شد و بدون تغییر باقی خواهند ماند. [1].

از خواص این آندها می توان به مقاومت الکتریکی پایین, مقاومت در برابر اسیدها, مقاوت به خوردگی, طول عمر زیاد, خواص مکانیکی خوب و پایداری ابعادی اشاره کرد که سبب شده از این آندها به جای آندهای تیتانیوم پلاتینیزه استفاده شود[2].

2ـ مواد و روش تحقیق

جهت انجام آزمایش سه نمونه از قسمت­های بالا، وسط و پایین آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO به سطح 55 میلی­متر مربع آماده شد و مطابق با استاندارد NACE TM0108 با عنوان Testing of Catalyzed Titanium Anode for Use in Soil or Natural Waters تحت آزمایش قرار گرفت.

برای حداقل طول عمر طراحی  20 سال برای آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO حداکثر دانسیته جریان آند در پترولیوم کک یا آب شیرین 100 آمپر بر متر مربع است در نتیجه مقدار دانسیته بار آند 17520000 آمپر در ساعت بر متر مربع محاسبه شد.

در این آزمایش عامل تسریع شده (Accelerated Factor)، دانسیته جریان آند است که به میزان 50000 آمپر بر متر مربع افزایش داده شد و خروجی جریان از نمونه­ها 75/2 آمپر در نظر گرفته شد. با توجه به دانسیته بار آند، مدت آزمایش 5/14 روز است (350 ساعت) که با حداقل طول عمر 20 سال برابری می­کند. در جدول 1 پارامترهای آزمون تسریع شده آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO  و شکل 1 سلول­های اندازه گیری دانسیته جریان خروجی آندهای لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO نشان داده شده است. در این تست اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد (تیتانیوم) ثبت شده و زمان اتمام پایان عمر آند با افزایش اختلاف پتانسیل مشخص می­شود.

جدول 1-  پارامترهای آزمون تسریع شده آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

شکل1- سلول­های اندازه گیری دانسیته جریان خروجی آندهای لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

خرابی آند با جهش سریع در ولتاژ سل نمایان می­شود و زمان خرابی آند وقتی ثبت می­شود که ولتاژ سل نسبت به مقدار اولیه آن، بیش از 4 ولت افزایش یابد. (ولتاژ اولیه سل یک ساعت پس از شروع آزمایش ثبت می­شود.)

در ادامه ضخامت و یکنواختی پوشش نمونه آند لوله ­ای MMO مورد بررسی قرار گرفت که بایستی با استاندارد IGS-M-TP-22(0) مطابقت ­کند که نشان ­دهد این آند برای حداقل طول عمر 20 سال مناسب است که برای این منظور از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد. (حداقل ضخامت و یکنواختی پوشش آند لوله­ای MMO مطابق با استاندارد IGS-M-TP-22(0)  باید به ترتیب 7 میکرومتر و 85 % باشد.). آنالیز شیمیایی زیر لایه تیتانیوم  آند لوله ­ای MMO , تست­های خمش و اسید آند لوله­ ای MMO انجام شد که  آنالیر شیمیایی زیر لایه تیتانیوم بایستی با استاندارد ASTM B 338  Grade 1 و تست­های خمش و اسید آند لوله­ ای MMO با استاندارد IGS-M-TP-22(0)   مطابقت کند.

3ـ نتایج و بحث

آند MMO استفاده شده از نوع لوله­ ای می­باشد و جهت انجام آزمایش سه نمونه از قسمت­های بالا، وسط و پایین آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO مورد مطالعه قرار گرفت، در جدول شماره 2 شرایط انجام تست آورده شده و  شکل شماره 2 مربوط به مقطع آند لوله ای تیتانیوم با پوشش MMO است که در این تصویر مقطع تیتانیومی و پوشش MMO کاملاً چسبیده به آن مشاهده می­شود.

جدول2- شرایط انجام آزمون تسریع شده آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

شکل 2- تصویر SEM از مقطع آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

همان­طور که ذکر شد یکی از پارامترهای مهم در این آزمایش اندازه گیری عمر آند می­باشد که در جدول 3 عمر قسمت بالایی، جدول 4 عمر قسمت میانی و جدول 5  عمر قمست پایینی آند لوله ای تیتانیوم با پوشش MMO  آمده است.  در نمونه­های مورد آزمایش در قسمت­های بالا و وسط بعد از گذشت 458 ساعت و نمونه مورد آزمایش در قسمت پایین بعد از گذشت 461 ساعت پایان عمر آندها مشاهده و همان­طور که در جداول نشان داده شده آندها برای حداقل طول عمر طراحی 20 سال مناسب است.

جهت بررسی ضخامت و یکنواختی پوشش نمونه آند لوله ­ای MMO از میکورسکوپ الکترونی روبشی بهره گرفته شد. همان­طور که در تصاویر شکل 3 و جدول 6 نتیجه حاصل از بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی مشاهده می­شود، با استاندارد IGS-M-TP-22(0)  (جدول7)، مطابقت می­کند.

شکل 3- تصویر SEM از ضخامت پوشش آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO

جدول 6- اندازه گیری ضخامت پوشش آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO

جدول 7-  ضخامت پوشش مطابق با استاندارد IGS-M-TP-22(0)

جهت بررسی آنالیز شیمیایی از دستگاه استفاده شد. همان­طور که جدول8 نتیجه حاصل از آنالیز نمونه آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO مشاهده می­شود، با استاندارد ASTM B 338  Grade 1 (جدول9)، مطابقت می­کند.

جهت بررسی تست خمش و اسید مطابق با استاندارد IGS-M-TP-22(0)  صورت گرفت و نتیجه تست اسید این بود که بعد از قرار گرفتن قسمتی از آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO در محلول H2SO4 15% به مدت 10ساعت هیچ گونه خوردگی مشاهده نگردید. با انجام تست خمش هیچ گونه کنده شدن پوشش در شعاع 20 سانتی متری تحت زاویه ی 180 درجه مشاهده نشد.

الف                                                                                                                           ب

شکل 4- الف) تست اسید          ب) آند لوله ­ای آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO بعد از قرار گرفتن در محلول H2SO4 15%  به مدت 10ساعت

جدول 10-  نتایج حاصل از تست اسید و خمش آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO

4- نتیجه‌گیری

1. معیار خرابی در نمونه­های مورد آزمایش در قسمت­های بالا و وسط بعد از گذشت 458 ساعت و نمونه مورد آزمایش در قسمت پایین بعد از گذشت 461 ساعت مشاهده گردید و نشان می­دهد که این آند برای حداقل طول عمر طراحی 20 سال مناسب است.
2. ضخامت و یکنواختی پوشش آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO به ترتیب1/8 میکرومتر و 9/87 % بود که با استانداردIGS-M-TP-22(0)  مطابقت می­کند.
3. آنالیز شیمیایی صورت گرفته روی آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO  با استاندارد ASTM B 338  Grade 1 و تست خمش و اسید صورت گرفته بر روی نمونه­ها با استانداردIGS-M-TP-22(0)  مطابقت می­کند.

برای دانلود نسخه PDFمقاله کلیک کنید

5- مراجع

1) Roberge  P.R,” Handbook  of Corrosion Engineering” McGraw-Hill, 1999.

2) P. C. S. Hayfield, Development of the Noble Metal/Oxide Coated Titanium Electrode Part I: The beginning of the story, Platinium Metals Rev., 42, (l), 27-33, 1998.

3) NACE Standard – TM0108-2008, Testing of Catalyzed Titanium Anodes for Use in Soils or Natural Waters, NACE International, 2008.

4) IGS Standard-IGS-M-TP-22(0), Mixed Metal Oxide (MMO) Coated Titanium Anode, Iranian Gas Standards, July 2010.

5) ASTM B 338  Grade 1.