بررسی خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان

خوردگی یکی از مهم‌ترین مشکلاتی است که در صنایع مختلف، به ویژه در صنعت خودرو و زیرساخت‌های فلزی، با آن مواجه هستیم. یکی از انواع خاص خوردگی که کمتر شناخته شده اما بسیار مضر است، خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان می‌باشد. در این مقاله جامع، به بررسی کامل این پدیده، چگونگی وقوع، عوامل موثر، روش‌های تشخیص و راهکارهای پیشگیری و ترمیم آن خواهیم پرداخت.

خوردگی چیست و انواع آن

خوردگی فرایند تخریب فلزات به واسطه واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط اطراف است. این فرایند باعث از بین رفتن خواص مکانیکی و عملکردی فلزات می‌گردد. خوردگی انواع مختلفی دارد مانند خوردگی یکنواخت، موضعی، شکاف‌زایی، تنشی و ... که هر کدام با مکانیسم و شرایط ویژه‌ای اتفاق می‌افتند.

خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان

یکی از انواع خاص خوردگی الکتروشیمیایی است که به دلیل وجود جریان‌های الکتریکی ناخواسته در داخل یا روی سطح فلز ایجاد می‌شود. این جریان‌ها که به عنوان جریان‌های سرگردان شناخته می‌شوند، معمولاً از منابع خارجی مانند خطوط انتقال نیرو، تجهیزات الکتریکی یا تجهیزات زیرساختی نشات می‌گیرند ولی می‌توانند مسیر خود را از طریق سازه‌های فلزی هم طی کنند که منجر به خوردگی آن‌ها می‌شود.

مکانیزم خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان

خوردگی الکتروشیمیایی بر اساس تشکیل سلول‌های الکتروشیمیایی اتفاق می‌افتد. در حالت جریان‌های سرگردان، جریان الکتریکی با منبع خارجی وارد فلز می‌شود و در بعضی نقاط فلز به عنوان آند (محل از دست دادن الکترون) و در نقاط دیگر به عنوان کاتد (محل دریافت الکترون) عمل می‌کند.

• منطقه آندی: فلز در این مناطق خوردگی می‌شود و از دست رفتن فلز رخ می‌دهد.
• منطقه کاتدی: واکنش‌های کاهش صورت می‌گیرد و خوردگی رخ نمی‌دهد.

جریان سرگردان باعث می‌شود که فلز در نواحی آند به طور غیرطبیعی خورده شود. این نوع خوردگی معمولاً ناگهانی، موضعی و سریع‌تر از خوردگی عادی است. جریان‌هایی که از خاک‌ها یا ساختارهای فلزی عبور می‌کنند، باعث ایجاد پتانسیل‌های متفاوت شده و خوردگی شدید در نقاط خاصی را القا می‌کنند.

اصول الکتروشیمیایی و اثر جریان‌های سرگردان

با فرض فعالیت فلز در محیط آبی یا خاکی مرطوب، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه از فلز یا بین فلز و یک فلز دیگر، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. این جریان‌ها از محل با پتانسیل بالاتر به پایین‌تر جریان می‌یابند. انتقال یون‌ها و جریان الکترون موجب خوردگی مناطق آند می‌شود.

عوامل موثر در ایجاد و شدت خوردگی جریان‌های سرگردان

برای درک بهتر این نوع خوردگی لازم است عوامل مؤثر بر آن را بشناسیم:

1. شرایط محیطی

• رطوبت و نوع خاک: هدایت الکتریکی خاک و میزان رطوبت آن تاثیر مستقیم بر جریان‌های سرگردان دارد. خاک‌های نمکی یا مرطوب جریان بیشتری را عبور می‌دهند.
• ترکیبات شیمیایی محیط: وجود یون‌های کلراید و سولفات باعث افزایش سرعت خوردگی می‌شوند.

2. منابع جریان‌های سرگردان

• خطوط انتقال برق: جریان‌های نشت از خطوط فشار قوی که از نزدیکی سازه‌ها عبور می‌کنند.
• راه‌آهن برقی: مسیرهای بازگشت جریان موتورهای الکتریکی و ترمزها.
• ساختارهای فلزی مجاور: تجهیزات مخابرات، لوله‌های زیرزمینی و کابل‌های برق.

3. ساختار و جنس فلز

• نوع فولاد یا آلیاژ فلز تاثیر بسزایی در مقاومت خوردگی دارد.
• وجود پوشش‌های محافظ مانند رنگ یا گالوانیزه بودن فلز.
• طراحی سازه، نقاط اتصال، جوش‌ها و پیچیدگی‌های هندسی که جریان‌ها را هدایت می‌کنند.

4. شرایط الکتریکی

• شدت جریان سرگردان (آمپر) و مدت زمان قرارگیری در معرض جریان.
• تغییرات پتانسیل و مقدار ناپایداری جریان.

تشخیص خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان

تشخیص صحیح این نوع خوردگی برای جلوگیری از سوانح و خسارات مالی بسیار حائز اهمیت است. معمول‌ترین روش‌ها:

بازرسی چشمی و آزمون‌های غیرمخرب (NDT)

• مشاهده نقاط موضعی و ناگهانی خورده شده که معمولاً عمیق و سوراخ مانند هستند.
• استفاده از اولتراسونیک، رادیوگرافی و مغناطیسی برای بررسی ضخامت و ترک‌ها.

اندازه‌گیری جریان‌های سرگردان

• استفاده از تجهیزات مخصوص مثل گالوانومتر و کلمپ‌های جریان AC/DC برای ثبت جریان عبوری.
• ایجاد نقشه پتانسیل سطح سازه (سورفیس پتانسیومتری) برای شناسایی مناطق فعال خوردگی.

تحلیل شیمیایی و الکتروشیمیایی

• نمونه‌برداری از خوردگی و بررسی ترکیبات جوش خورده.
• اندازه‌گیری نرخ خوردگی با روش‌های الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون.

ملاحظات مهندسی و راهکارهای پیشگیری

خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان به‌صورت بنیادی از طریق حذف یا کاهش جریان‌های نامطلوب قابل کنترل است. برخی اقدامات شامل:

1. مهندسی پسیو کردن و حفاظت کاتدی

• استفاده از پوشش‌های ضد خوردگی مانند رنگ‌های اپوکسی و پلی‌یورتان.
• طراحی سیستم‌های حفاظت کاتدی (CP) برای اعمال جریان برعکس به مناطق آسیب‌دیده.
• نصب آندهای فدا شونده یا آندهای تزریقی (Impressed Current Anode) برای کاهش پتانسیل خوردگی.

2. مسیرهای جریان و زمین‌کردن صحیح

• بهبود سیستم زمین و شبکه اتصال تجهیزات برای کاهش اختلاف پتانسیل و انتقال جریان‌های سرگردان.
• حذف یا ایزوله کردن مسیرهای فلزی که جریان‌های زائد را از سازه عبور می‌دهند.

3. نظارت و نگهداری دوره‌ای

• برنامه‌ریزی بازرسی منظم برای تشخیص زودهنگام نشانه‌های خوردگی.
• کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری جریان‌های سرگردان.

4. انتخاب مواد مناسب

• استفاده از آلیاژهای مقاوم به خوردگی و مهندسی سطح پیشرفته مانند پوشش‌های نانو.

مثال‌های واقعی و مطالعات موردی

مثال 1: خوردگی جریان سرگردان در لوله‌های دفن شده نفت

در یک پروژه انتقال نفت زیرزمینی، مشاهده گردید که چند نقطه طولانی از لوله‌ها به دلیل عبور جریان نشت شده از خطوط برق فشار قوی نزدیک، دچار خوردگی موضعی شدید شده‌اند. پس از نصب سیستم حفاظت کاتدی و اصلاح مسیر زمین، میزان خوردگی تا 80٪ کاهش یافته است.

مثال 2: خوردگی در سازه‌های فولادی پل‌ها

پل‌های فلزی با تماس با خطوط جریان برق شهری به دلیل داشتن مسیرهای فلزی تو در تو، در برخی مناطق نقاط خوردگی موضعی داشتند. با اجرای عایق‌بندی و نصب حفاظت کاتدی، این مشکل کنترل گردید.

نتیجه‌گیری

خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان یک پدیده پیچیده و مخرب است که به دلیل وجود جریان‌های الکتریکی ناخواسته در سازه‌های فلزی رخ می‌دهد. شناخت مکانیزم، عوامل مؤثر، روش‌های تشخیص و اصول مهندسی مقابله با این نوع خوردگی، برای حفظ عمر مفید سازه‌ها و افزایش ایمنی آنها ضروری است. با اتخاذ رویکردهای صحیح در طراحی، پایش و حفاظت می‌توان به طور چشمگیری خسارات ناشی از این پدیده را کاهش داد.

منابع و مراجع

• ASM International. Corrosion: Understanding the Basics.
• Uhlig, H. H., & Revie, R. W. (2008). Corrosion and Corrosion Control.
• National Association of Corrosion Engineers (NACE). Standards and Practices on Stray Current Corrosion.
• Automotive Corrosion Engineering, J. R. Scully (2019).