Metal malzemeler çok sayıda endüstriyel sektör ve günlük yaşamda çeşitli tesis ve ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, metal korozyon her zaman hizmet yaşamlarını ve güvenliklerini etkileyen önemli bir faktör olmuştur. Metal korozyonuna neden olan birçok faktör arasında, klorür iyonu korozyonu özellikle belirgindir ve endüstriyel üretim ve altyapı bakımına ciddi bir zorluk oluşturmaktadır.
Klorür iyonları deniz suyu, toprak, endüstriyel atık su ve bazı spesifik kimyasal üretim ortamlarında yaygın olarak bulunur. Metal malzemeler üzerindeki aşındırıcı etkileri sadece metal yapılara zarar vermekle kalmaz, aynı zamanda güvenlik kazalarına ve önemli ekonomik kayıplara da yol açabilir. Bu nedenle, çeşitli tesislerin güvenli ve istikrarlı çalışmasını sağlamak için mekanizmaların, etkileyen faktörlerin ve klorür iyonu korozyonu için etkili koruyucu önlemlerin derin bir anlaşılması çok önemlidir.
Klorür iyonu korozyonunun kimyasal reaksiyon mekanizması: mikroskobik dünyanın "korozyon kodu"
Klorür iyonları (Cl⁻) korozyon sürecinde son derece aktif bir rol oynar. Çelik gibi yaygın metaller için, korozyon reaksiyonu tipik olarak metal yüzey üzerinde anodik oksidasyon ile başlar. Anodik bölgede, demir atomları (Fe), çözeltiye giren ve Fe - 2 e⁻ → Fe²⁺ reaksiyonunu oluşturan demir iyonları (Fe²⁺) oluşturmak için elektronları kaybeder. Katot bölgesinde, çözeltide çözünmüş oksijen varlığı nedeniyle, bir oksijen indirgeme reaksiyonu meydana gelir: o₂ + 2 h₂o + 4 e⁻ → 4oh⁻. Çözeltide klorür iyonları mevcut olduğunda durum daha karmaşık hale gelir.
Klorür iyonları küçük bir yarıçapa, yüksek aktiviteye ve güçlü nüfuz eden güce sahiptir. Normalde daha fazla oksidasyonu önleyen metal yüzeyde oluşan pasif filmi yok edebilirler. Klorür iyonları, pasif filmin yüzeyinde adsorbe ederek metal iyonları ile çözünür kompleksler oluşturur. Bu, pasif filmin lokalize çözülmesine, taze metal yüzeyinin açığa çıkmasına ve anodik çözünme sürecini hızlandırmaya neden olur. Örneğin, paslanmaz çelikte, krom (CR) yüzeyde yoğun bir cr₂o₃ pasif film oluşturur ve metalin dış ortamla temas etmesini önler.
Bununla birlikte, klorür iyonları mevcut olduğunda, pasif filmi yok eden ve paslanmaz çelikte korozyonun çukurlaştırılması gibi lokalize korozyon fenomenlerini indükleyen Cr Crcl'le karmaşık bir [CRCL₆] ³⁻ oluştururlar. Mikroskobik bir perspektiften bakıldığında, klorür iyonlarının varlığı, metal yüzeyi üzerinde elektrokimyasal dengeyi değiştirerek korozyon reaksiyonunu hızlandırır. Bu, klorür iyonu korozyonunun çekirdek kimyasal reaksiyon mekanizmasıdır.
Yaygın klorür iyonu korozyonu türleri: Çok yönlü "korozyon katili" nin Wreeing Havoc
(İ) Çukurlaşma: metal yüzeydeki "görünmez bomba"
Gözenek korozyonu olarak da bilinen çukur, yaygın ve gizli bir klorür iyonu korozyonudur. Klorür iyonları içeren bir çözeltide, klorür iyonları, pasif filmdeki veya diğer faktörlerdeki kusurlar nedeniyle metal yüzeyinin bazı lokalize alanlarında pasif filmi tercihen adsorbe edin ve yok edin. Pasif film yerel olarak yok edildikten sonra, küçük bir anot oluşurken, çevredeki, daha büyük, sağlam pasif film alanı katot haline gelir ve korozyon mikro bükülme oluşturur.
Anot alanı katot alanından çok daha küçük olduğundan, anodik akım yoğunluğu çok yüksektir, bu da korozyonun bu küçük alana hızla derinlemesine nüfuz etmesine neden olur ve küçük gözenekler oluşturur. Bu gözeneklerin başlangıçta tespit edilmesi zor olabilir, ancak zamanla yavaş yavaş derinleşir ve genişlerler, sonunda metale nüfuz eder ve metal yapının gücünü ciddi şekilde etkiler. Örneğin, bir deniz ortamındaki bir geminin gövdesi, yüksek konsantrasyonlarda klorür iyonlarının çukur korozyonunu kolayca tetikleyebileceği deniz suyu ile uzun süreli temasa maruz kalır. Çukur korozyonu meydana geldikten sonra, gövde içindeki göze çarpmayan alanlarda gelişmeye devam edebilir. Keşfedildiğinde, geminin güvenli navigasyonu için zaten bir tehdit oluşturabilir.
(İi) Crevice korozyonu: gizli "erozyon sürücüsü"
Crevice korozyonu tipik olarak contalarda, cıvatalarda ve perçinlerde bulunanlar gibi metal-metal veya metal-nonmetal eklemlerde meydana gelir. Klorür iyonları içeren bir çözelti bu yarıklara girdiğinde, çözeltinin çatlaklar içindeki kısıtlı akışı nedeniyle oksijen ikmal edilmesi zordur ve bir oksijen konsantrasyon hücresi oluşturur. Krevies içindeki oksijen eksikliği olan alanlar, metal çözülmesine neden olan anot olarak hareket ederken, çatlakların dışındaki oksijen açısından zengin alanlar katot görevi görür.
Aynı zamanda, klorür iyonları çatlaklar içinde birikir ve korozyon sürecini daha da hızlandırır. Crevice korozyonu, çatlakların içinde ve çevresinde konsantre korozyon ile karakterizedir. Korozyon ürünleri biriktikçe, yarıklar içindeki medya ortamı giderek daha düşmanca hale gelir ve korozyon oranını hızlandırır. Bazı endüstriyel ekipmanların flanş eklemleri zayıf bir şekilde kapatılmışsa, klorür iyonları içeren proses sıvıları boşluklara kolayca girebilir, bu da çatlak korozyonuna neden olabilir ve ekipman sızıntısına yol açabilir.
(İii) Stres korozyonu çatlaması: "iç ve dış saldırılar" altında metal çökme
Stres korozyonu çatlaması, klorür iyonu korozyonu ve gerilme stresinin kombine etkilerinden kaynaklanır. Çekme stresi altında, metalin iç kristal yapısı bozulur, çıkık yoğunluğunu artırır ve metal yüzeyinin enerji durumunu yükseltir, korozyona daha duyarlı hale getirir. Çevrede klorür iyonları mevcut olduğunda, tercihen metal yüzey üzerindeki kusurlar veya stres konsantrasyonları üzerinde adsorbe ederler, pasif filmi yok eder ve çukur veya çatlak korozyonunu indükler.
Korozyon ilerledikçe, korozyon çukurları veya çatlak uçları gerilme stresi altında genişlemeye devam ederek sonuçta metalin ani kırılmasına yol açar. Bu tip korozyon oldukça yıkıcıdır ve genellikle belirgin bir uyarı olmadan meydana gelir. Örneğin, petrokimya endüstrisinde, yüksek basınçlı boru hatları, taşındıkları ortam klorür iyonları içeriyorsa ve boru hatları kurulum stresi veya iç basınçtan gerilme stresine tabi tutulursa stres korozyon çatlamasına eğilimlidir. Boru hattı yırtıldıktan sonra ciddi güvenlik kazalarına neden olabilir.
Klorür iyonu korozyonunu etkileyen temel faktörler: korozyon derecesinin "kontrol düğmesi"
(İ) Klorür iyonu konsantrasyonu: korozyonun "hızlandırıcısı"
Klorür iyonu konsantrasyonu, korozyonu etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Genel olarak, bir çözeltideki klorür iyonu konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, metal korozyon oranı o kadar hızlı olur. Klorür iyonu konsantrasyonu arttıkça, daha fazla klorür iyonu metal yüzeyindeki pasivasyon filmini yok etmeye katılabilir. Ayrıca, korozyon mikro hücrelerinde, yüksek klorür iyonu konsantrasyonları anodik çözünme reaksiyonunun itici kuvvetini arttırır.
Örneğin, deniz suyunda, klorür iyonu içeriği yaklaşık 19.000 mg/L'dir, tatlı sudan çok daha yüksektir. Bu, deniz ortamlarındaki metal yapıları korozyona daha duyarlı hale getirir. Araştırmalar, klorür iyonu çözeltilerindeki karbon çeliği için, klorür iyonu konsantrasyonunun 100 mg/L'den 1.000 mg/L'ye çıkarılmasının korozyon oranını birkaç kat artırabileceğini göstermiştir.
Klor-alkali ve kağıt endüstrileri gibi bazı endüstriyel işlemlerde, üretim sırasında üretilen atık su, yüksek konsantrasyonlarda klorür iyonu içerir. Doğrudan tedavi olmadan boşaltılırsa, çevredeki metal altyapısı için ciddi bir korozyon tehdidi oluşturur.
(İi) Çözüm pH: asit-baz ortamlarının "korozyon dengesi"
Bir çözeltinin pH'ı ayrıca klorür iyonu korozyonunu da önemli ölçüde etkiler. Asidik bir ortamda, yüksek hidrojen iyonları (H⁺) konsantrasyonu metalin anodik çözünmesini teşvik eder ve pasivasyon filmine klorür iyonu hasarını kolaylaştırır.
Düşük bir pH'da, metal yüzeyindeki korozyon ürünleri, etkili bir koruyucu film oluşturamayan, böylece korozyon işlemini hızlandırarak çözünür tuzlar olarak mevcut olabilir. Örneğin, pH 4-5 olan klorür iyon çözeltilerinde, çelik korozyon oranı nötr ortamlardan önemli ölçüde daha yüksektir. Alkalin ortamlarında, metal yüzey üzerinde hidroksit çökeltileri oluşabilir, bu da bir dereceye kadar klorür iyonlarının metal ve yavaş korozyona temas etmesini önleyebilir.
Bununla birlikte, alkalinite çok güçlü olduğunda, alüminyum gibi bazı metaller alkalin korozyon yaşayabilir. Klorür iyonu çözeltilerindeki çoğu metal için, klorür iyonu korozyonu en nötr ila hafif asidik ortamlarda belirgindir.
(İii) Sıcaklık: Kimyasal reaksiyonların "katalizörü"
Artan sıcaklık kimyasal reaksiyonların hızını hızlandırır ve klorür iyonu korozyonu bir istisna değildir. Sıcaklık arttıkça, çözeltideki iyonların difüzyon oranı hızlanır ve korozyon reaksiyon kinetiğini metal yüzeydeki hızlandırır. Bir yandan, artan sıcaklık metal atomlarının aktivitesini arttırır, bu da onları elektronları kaybetme ve anodik oksidasyon geçirme olasılığını artırır. Öte yandan, klorür iyonları da yüksek sıcaklıklarda pasivasyon filmine zarar verme yeteneklerini arttırır.
Örneğin, kimyasal üretimde, yüksek sıcaklık süreçlerinde kullanılan ekipman, klorür iyonları içeren ortamlara maruz kaldığında korozyon oranında önemli bir artış yaşayabilir. Araştırma verileri, sulu klorür içeren çözeltilerdeki karbon çeliği için korozyon oranının sıcaklıktaki her 10 derece artış için% 20-% 30 artabileceğini göstermektedir.
Bununla birlikte, sıcaklık belirli bir seviyeye yükseldiğinde, çözelti içindeki çözünmüş oksijen içeriği azalabilir, bu da katodun oksijen emme korozyon reaksiyonunu etkiler ve korozyon oranı üzerinde karmaşık bir etkiye neden olur.
Klorür iyonu korozyonu önleme stratejileri: korozyona karşı sağlam bir kalkan
(İ) Malzeme Seçimi: Kaynakta güçlü bir savunma oluşturmak
Uygun klorür dirençli malzemelerin seçilmesi korozyonu önlemek için önemli bir önlemdir. Yüksek korozyon direnci gerektiren ortamlar için paslanmaz çelik ve nikel bazlı alaşımlar gibi malzemeler kullanılabilir. Farklı paslanmaz çelik türleri, klorür iyonu korozyonuna karşı değişen bir dirence sahiptir. Örneğin, 316L paslanmaz çeliğe molibden (Mo) ilavesi, klorür iyonları tarafından korozyona karşı direncini arttırır.
Hastelloy gibi nikel bazlı alaşımlar, alaşım bileşimlerinin özellikleri nedeniyle, yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçlı ve klorür iyonları içeren yüksek aşındırıcı ortamlarda mükemmel korozyon direnci sergiler. Deniz mühendisliği alanında, bazı temel yapısal bileşenler, deniz suyu korozyonuna etkili bir şekilde direnen nikel bazlı alaşımlar kullanılarak üretilir.
Ayrıca, spesifik kullanım ortamına bağlı olarak, metal malzemeler, malzemenin mikro yapısını optimize etmek ve klorür iyonu korozyonuna karşı direncini artırmak için krom (CR), molibden (MO) ve azot (N) gibi elemanlar eklemek için alaşımlanabilir.
Klorür iyonları nötr bir ortamda oda sıcaklığında titanyum için son derece aşındırıcıdır ve titanyum yüzeyinde oluşan oksit film, klorür iyonu saldırısına etkili bir şekilde direnir. Titanyum, öncelikle aşağıdaki mekanizmalardan dolayı çoğu klorür içeren ortamda mükemmel korozyon direnci sergiler:
Pasivasyon filmi koruması: Titanyum, havada kendiliğinden yoğun bir oksit film (TIO₂) oluşturur ve klorür iyonlarının substratla temas etmesini etkili bir şekilde bloke eder. Özellikle ıslak klor gazı veya nötr klorür çözeltilerinde stabildir.
Kimyasal inertlik: Titanyum, nötr asit ve alkali koşulları altında klorür iyonları ile neredeyse reaktif değildir. Sadece yüksek reaktif ortamlarda (yüksek sıcaklıklar ve düşük su içeriği gibi) titanyum tetraklorür oluşturur ve korozyona neden olur.
(İi) Kaplama Koruması: Metallerin "koruyucu giysiler" ile korunması
Kaplama koruması yaygın olarak kullanılan bir korozyon koruma yöntemidir. Epoksi reçine boyaları ve poliüretan boyalar gibi organik kaplamalar, metal yüzey üzerinde bir yalıtım tabakası oluşturur ve klorür iyonları ve metal arasında doğrudan teması önler. Kaplama kalınlığı, yapışma ve bütünlük etkili koruma için çok önemlidir. Kaplama işlemi sırasında, metal yüzeyinin temiz olduğundan ve kaplamanın düzgün ve yoğun olduğundan emin olun, pin delikleri ve kabarcıklar gibi kusurlardan kaçının.
Bazı sert korozif ortamlar için, çinko veya alüminyum uygulayanlar gibi termal sprey kaplamalar da kullanılabilir. Bu kaplamalar, ana metali korumak için bu metallerin kurban anodik korumasını kullanır. Örneğin, açık deniz yağ platformlarının çelik yapılarında, termal püskürtülmüş alüminyum kaplamaları organik sızdırmazlık maddesi kaplamalarıyla birleştiren kompozit bir koruyucu sistem, çelik yapıların servis ömrünü etkili bir şekilde genişletebilir.
(İii) Korozyon inhibitörlerinin uygulanması: korozyon reaksiyonlarının "inhibitörleri"
Korozyon inhibitörleri, metallerin korozyon oranını azaltmak için korozif ortama eklenen maddelerdir. Klorür içeren çözeltilerde, korozyonu inhibe etmek için bazı korozyon inhibitörleri kullanılabilir. Kromatlar ve nitritler gibi inorganik korozyon inhibitörleri, metal yüzeyde pasifleştirici bir film oluşturarak korozyonu önler. Ancak, toksisiteleri kullanımlarını sınırlar.
İmidazolinler ve aminler gibi organik korozyon inhibitörleri, metal yüzeylere adsorbe ederek korozyon reaksiyonunun yük dağılımını ve aktivasyon enerjisini değiştirerek korozyon sürecini inhibe eder. Korozyon inhibitörlerinin seçimi ve konsantrasyonu, optimum koruma sağlamak için spesifik aşındırıcı ortama ve metal malzemeye göre optimize edilmelidir. Bazı endüstriyel dolaşımdaki soğutma su sistemlerinde, uygun miktarda korozyon inhibitörü eklenmesi, borular ve ekipmanlar üzerindeki klorür iyonu korozyonunu etkili bir şekilde kontrol edebilir.
Gelecekte, malzeme bilimi ve yüzey mühendisliği gibi alanların sürekli gelişimi ile, karmaşık korozif ortamlarda metal malzemelerin hizmet ömrünü daha da genişleterek klorür iyonu korozyon korumasına daha ileri teknolojilerin ve yöntemlerin uygulanacağına inanıyoruz.