خوردگی سایشی

خوردگی سایشی نوعی از خوردگی تسریع شده فلز است که در اثر حرکت نسبی بین محیط­‌های خورنده و سطوح فلزی ایجاد می­‌شود. محیط خورنده می­‌تواند یکی از موارد زیر باشد:

• مایعات، به عنوان مثال آب یا محلول‌های حاوی سوسپانسیون­‌ها؛
• مواد آلی، یا گازها یا بخار مانند مایع ژئوترمال.

در فرآیند خوردگی سایشی سطح فلز در اثر سایش مکانیکی یا هیدرولیکی یا سایش ناشی از جریان محیط آسیب می­‌بیند. در خوردگی سایشی، سطح فلز توسط محصولات خوردگی پوشانده نمی­‌شود. اما در ظاهر با شیارها، امواج، سوراخ‌های گرد یا دره‌ها مشخص می­‌شود و معمولاً الگوی جهت داری را نشان می­‌دهد.

تخریب‌های ناشی از خوردگی:

در بسیاری از موارد، تخریب های ناشی از خوردگی سایشی در زمان نسبتاً کوتاهی رخ می­‌دهد و گاهی اوقات غیرمنتظره هستند. زیرا آزمایش­‌های خوردگی قبلی در شرایط استاتیک انجام شده‌اند، یا اینکه اثرات سایش در نظر گرفته نشده‌اند. اکثر فلزات و آلیاژهای آن‌ها مستعد به آسیب خوردگی ناشی از سایش هستند.

فلزات در چه صورتی مستعد خوردگی سایشی هستند؟

فلزاتی که برای پاسیو شدن به تشکیل یک لایه سطحی نیاز دارند، نیز مستعد خوردگی سایشی هستند. زیرا اگر لایه سطحی آسیب ببیند، فلز یا آلیاژ فلزی با سرعت بالایی مورد حمله قرار می­‌گیرد. افزایش سرعت معمولاً منجر به افزایش خوردگی سایشی می‌شود.

خوردگی سایشی می­‌تواند در تجهیزات مورد استفاده در یک محیط ژئوترمال که در معرض سیال متحرک قرار دارد از جمله سیستم‌های لوله کشی، به ویژه زانویی و سه راهی، پمپ‌ها، دریچه‌ها، پروانه­‌ها، دمنده­‌ها، لوله­‌های مبدل حرارتی، کندانسورها، نازل‌ها و پره‌های توربین ایجاد شود. این نوع خوردگی همچنین می‌تواند ناشی از impingement باشد.

وقوع خوردگی سایشی در توربین:

این خوردگی می­‌تواند در پره­‌های توربین بخار در توربین‌های ژئوترمال به ویژه در انتهای خروجی یا بخار مرطوب توربین رخ دهد. علاوه بر این­، شکل دیگر خوردگی سایشی، تخریب کاویتاسیون است. این بواسطه تشکیل و فروپاشی حباب های بخار در مایع در نزدیکی سطح فلز ایجاد می­‌شود. این نوع تخریب در تجهیزاتی رخ می‌دهد که در آن جریان و تغییرات فشار مایع با سرعت بالا مواجه می­‌شوند.

این شرایط می‌­تواند برای مثال در چاه­‌ها و تجهیزات ژئوترمال رخ دهد. هنگامی که آب با کاهش فشار شروع به جوشیدن می­‌کند، کاویتاسیون می­‌تواند در چاه‌های ژئوترمال رخ دهد. زیرا تشکیل شدن حباب‌های بخار (حاوی گازهای محلول) و ترکیدن در سطح فلز با سرعت زیاد منجر به آسیب کاویتاسیون، یعنی ایجاد حفرات شود.

خوردگی سایشی طیف گسترده‌ای از فرایندهای خوردگی القا شده توسط جریان را در بر می­‌گیرد. مایعات ساینده می‌توانند به لایه های محافظ خوردگی آسیب برسانند و قطعات کوچکی از آن را جدا کنند.

به عنوان مثال، لوله فولاد کربنی که آب را حمل می­‌کند معمولاً توسط یک فیلم اکسیدی از خوردگی محافظت می‌شود. نرخ­‌ها معمولاً کمتر از 1 میلی متر در سال (یا mpy400) است.

حذف فیلم توسط عوامل ساینده باعث افزایش نرخ خوردگی تا مرتبه 10 میلی متر در سال (mpy400)  می‌شود. علاوه بر آن هر گونه فرسایش فلز زیرین رخ می‌­دهد. اعتقاد بر این است که آسیب به فیلم محافظ به دلیل نیروهای مکانیکی ناشی از سیال یا جامد یا انحلال افزایش یافته ناشی از جریان است.

این عملکرد ترکیبی سایش و خوردگی به عنوان خوردگی سایشی  شناخته می­‌شود.

نیروهای مکانیکی که توسط آنها سایش رخ می­‌دهد را می­‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1. جریان آشفته، تنش برشی متغیر و ضربه­‌های فشار
2. تأثیر قطرات مایع معلق در جریان گاز با سرعت بالا
3. تأثیر حباب‌های گاز معلق در جریان مایع
4. فروپاشی شدید حباب­‌های بخار، حفره
5. تاثیر ذرات جامد معلق

پنج منبع نیروی مکانیکی ذکر شد را می‌توان در صنایع نفت و گاز به وفور یافت. گرچه، بیشتر خوردگی های سایشی تشخیص داده شده در صنعت نفت و گاز ناشی از تاثیر ذرات جامد معلق بر روی لوله ها، چک ولو‌ها، و چند راهی هاست.

برای درک مکانیزم‌ها و پارامترهای دخیل در خوردگی سایشی، تمایز بین سایش، خوردگی و خوردگی سایشی بسیار مهم است.

خوردگی سایشی ناشی از برهم کنش بین الکتروشیمیایی (خوردگی) و فرایندهای مکانیکی (سایش) است.

محققان در بسیاری از مطالعات تأکید می کنند که پیچیدگی مطالعه پدیده  خوردگی سایشی به دلیل هم افزایی بین سایش و خوردگی بوجود می‌آید. این اثر هم افزایی منجر به از دست دادن میزان بیشتری از فلز می‌شود نسبت به اثرات ترکیبی سایش و خوردگی که به طور جداگانه عمل می‌کنند.

هنگام خوردگیCO₂، اسکیل کربنات آهن (FeCO₃) می‌تواند روی سطح فولاد، در نتیجه خوردگی تحت شرایط محیطی خاص دما، pH، جریان سرعت و غلظت گونه­‌ها، مانند آهن (⁺Fe²) و کربنات CO₃رسوب کند.

اسکیل کربنات آهن یک محصول خوردگی محافظ است و اگر سطح فولاد را به طور کامل بپوشاند به مقادیر می‌تواند خوردگی را کاهش دهد.

با این حال، حضور ذرات شن و ماسه در محیط سیال می­‌توانند اسکیل حفاظت کننده را از طریق ماسه بردارد و به نرخ خوردگی اجازه دهد که به مقادیر بالای خوردگی فلز بدون پوشش بازگردد.

وقتی شرایط تشکیل اسکیل فراهم است، تمایل به تشکیل رسوب و همچنین حذف آن با سایش توسط ماسه وجود دارد. بنابراین، یک اثر هم افزایی شدید بین خوردگی و سایش وجود دارد. شکل بالا یک تصویر کلی از مکانیسم خوردگی سایشی را نشان می دهد.

تحت شرایط تشکیل اسکیل سه رژیم گسترده در فرسایش ذرات جامد تعریف شده است:

1. غالب بودن زیر لایه یا بستر
2. اسکیل اصلاح شده
3. غالب بودن اسکیل

 این که کدام یک از این سه رژیم  بتواند  فرآیند خوردگی سایشی را کنترل کند به پویایی ذرات (تأثیر انرژی یا زاویه)، بار ذرات و میزان تشکیل اسکیل بستگی دارد.

 اثر غالب بستر زمانی اعمال می‌شود که میزان تلفات فلز با سایش زیرلایه کنترل شود.

رژیم اسکیل غالب زمانی تشکیل می‌شود که ضربات ذرات باعث به شکستگی‌های موضعی منجر شود و خردایش اسکلی منجر شود. مکانیزم جدایش اسکیل می‌تواند توسط سایش ترد و داکتیل صورت گیرد. این امر بستگی به نوع ذرات و اسکیل تشکیل شده دارد.