پیشگیری از خوردگی زیر عایق

 

پیشگیری از خوردگی زیر عایق در  لوله های فلزی ، کانال ها و مخازن  Corrosion Under Insulation – CUI از مطالبی است که در مقالات و مطالعات علمی زیادی وجود دارد .
CUI یکی از نگرانی های مهم در مبحث سیستم عایق کاری حرارتی لوله های کربن استیل است که در محدوده دمایی ۰ تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد و لوله های استیل زنگ ناپذیر است که در محدوده دمایی ۶۰ تا ۱۲۰ درجه فارنهایت عمل می کنند . همچنین نگرانی خاص دیگری در مورد سیستم های دما متغیر وجود دارد زیرا بخش سرد این چرخه سبب تشکیل رطوبت درون سیستم عایق کاری شده و بخش گرم آن سرعت واکنش خوردگی زیر عایق را افزایش می دهد .
بعلاوه اینکه سیستم های دما متغیر در معرض انقباض و انبساط های متناوب هستند که می تواند به سیستم عایق کاری صدمات جدی وارد کند .
واحد تحقیق و توسعه گروه صنعتی لینکران در آزمایشگاه های تخصصی خود روزانه در تلاش است تا بر اساس استانداردهای موجود و تستها و آزمایشهای مختلف با تولید انواع عایق الاستومری به پیشرفت صنعت کشور کمک کند و به طور چشمگیری مشکلات خوردگی زیر عایق را رفع کند .
این مقاله به بررسی نکات اصلی در مورد خوردگی زیر عایق در لوله ها پرداخته و پس از ارائه مثال ها ، روش هایی را برای کاهش خطر CUI ارائه می دهد .

کلمات کلیدی:

خوردگی – عایق – خوردگی زیر عایق – سیستم عایق کاری

 

خوردگی

خوردگی زیر عایق می تواند برای انواع لوله های فلزی (آهن، مس، آلومینیوم، فولاد زنگ ناپذیر و …) رخ دهد . بطور خاص ، برخی از انواع فلزات سخت مانند کربن استیل (در دمای کاری ۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد) یا فولاد زنگ ناپذیر (در دمای کاری ۶۰ تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد) ممکن است بر اثر خوردگی زیر عایق دچار ترک شوند . زمانی که خوردگی زیر عایق رخ دهد می تواند سبب بروز مشکلات فراوانی گردد که رفع آنها بهایی سنگین دارد اما بایستی حتماً انجام شود . خوردگی زیر عایق می تواند برای سیستم های قرار گرفته در فضای باز یا بسته ، یا سیستم های سرد و گرم اتفاق بیافتد . اما بیشتر برای یونیت های خارجی سیستم های صنعتی که در فضای باز و در محدوده کاری ۳۲ تا ۲۵۰ درجه فارنهایت قرار می گیرند رخ می دهد .

لوله ها و مخازنی که در معرض تغییرات متناوب گرمایی و سرمایی هستند بطور خاص بیشتر در معرض خوردگی زیر عایق قرار دارند . تجهیزات فضای بسته کمتر در معرض خوردگی زیر عایق قرار دارند ، دلیل اصلی این مسأله وجود آب یا بخار آب کمتر در فضای بسته و محل قرار گیری این تجهیزات است . به هر حال ، همانطور که در مثال ها خواهیم دید ، امکان خوردگی زیر عایق تجهیزات فضای بسته نیز وجود دارد . مورد اخیر بخصوص در قسمت هایی که عایق الاستومریک مرطوب شده بیشتر امکانپذیر است .

تقطیر زمانی اتفاق می افتد که بخار آب موجود در هوا در شرایط سرمای مناسب به شکل قطرات آب بر روی سطوح ظاهر می شود ( دمای نقطه شبنم )

نتایج تقطیر عبارتند از :

• کاهش قابلیت عایق الاستومری در مواد سلول بسته ( افزایش فاکتور هدایت حرارتی )
• خوردگی زیر عایق CUI

و این موارد نتایج زیر را به بار می آورد :

• هدر رفتن انرژی
• افزایش نیاز به نگهداری
• افزایش هزینه ها

تقطیر چیست ؟

اگر رطوبت نسبی افزایش یابد و دمای محیط به نزدیک دمای نقطه شبنم برسد احتمال تقطیر بسیار قریب الوقوع خواهد شد . بنابراین لازم است برای جلوگیری از این مسأله ضخامت عایق الاستومری افزایش یابد . ضخامت عایق الاستومری باید طوری طراحی شود که دما تحت هیچ شرایطی در سطح عایق الاستومری از نقطه شبنم کمتر نشود . رطوبت نسبی ، نسبتی بین رطوبت مطلق و رطوبت حداکثر هوا در همان دماست .

 

 

دمای سطح عایق نبایستی کمتر از دمای نقطه شبنم باشد.

حداقل ضخامت عایق به منظور جلوگیری از تقطیر روی سطح به پارامترهای زیر بستگی دارد:

ϴ_a       = دمای محیط

ϴ_i        = دمای خط

ϴ_Tau   = دمای نقطه شبنم

ʎ        = هدایت حرارتی

h_i        = هدایت حرارتی

h_se     = هدایت حرارتی

D_e      = قطر خارجی

D_i      = قطر داخلی

 

انتشار ، بازتاب و انتقال

 

• انتشار یک جسم ، مقدار تشعشع منتشر شده از یک ماده را در قیاس با یک تشعشع دهنده گرمای ایده آل مشخص می کند .
• جذب و انتشار یک جسم همواره متناسب هستند .
• یک جسم مطلقاً سیاه ظرفیت جذب بیشتری دارد (%۱۰۰)
• سطوح با انتشار بالا بازتاب کمتری دارند .
• این به معنی کاهش ضخامت عایق الاستومری برای سیستم هایی است که دمای خط پایین تر از دمای محیط است .

h_r ~ ۴σƐ T_m^۳

که در آن T_m دمای محاسباتی است.

 

ضریب سطحی انتقال حرارت

ضریب سطحی انتقال حرارت سطح عایق الاستومری می تواند بر اساس موارد زیر دارای مقادیر بسیار متفاوتی باشد .

• سطح ( زبر/صاف بودن سطح عایق الاستومری )
• رنگ سطح ( سیاه/روشن بودن سطح عایق الاستومری )
• نوع سیال (مایع/گاز)
• سرعت جریان سیال
• دمای سطح عایق الاستومری
• دمای محیط
•                                                                                                          ضریب سطحی بالا (۹ W/m^۲.K)                                                                                                                    انتشار  Ɛ)= ۰.۹)                                                                                                            ضریب سطحی پایین (۵ W/m^۲.K)                                                                                                                        انتشار Ɛ)= ۰.۰۵)

 

 

ضریب سطحی تأثیر گذار بر دمای سطح عایق الاستومری

کنترل عبور بخار آب

مکانیسم عبور بخار آب از طریق انتشار مشابه مکانیسم انتقال حرارت است . بدین ترتیب نیروی محرکه فشار جزیی بخار آب است . فشار جزیی بخار آب در دمای پایین کمتر است . بر این اساس عبور بخار آب فقط در سیستم های سرمایشی مهم است .

 

انتشار بخار آب

بطور تجربی همه ی مواد ، بجز فلز و شیشه ، به رطوبت اجازه می دهند به درون عایق نفوذ کند . حتی با وجود اینکه فلز و شیشه مقاومت بسیار بالایی در برابر انتشار بخار آب دارند ، نقاط ضعفی مانند درزها ، منافذ ، اتصالات و همپوشانی ها وجود دارند که نباید از آنها غافل بود .

 

فاکتور مقاومت در برابر انتشار بخار آب (μ)

مقدار انتشار بخار آب ، که اختصاراً μ نامیده می شود ، نسبتی بین ضریب انتشار بخار آب موجود در هوا نسبت به همین ضریب در مصالح ساختمانی است . این فاکتور مشخص می کند که مقاومت مصالح ( به طور مثال عایق الاستومری ) در برابر انتشار بخار آب چند برابر بزرگتر از مقاومت ثابت لایه ای از هوا با همان ضخامت و در همان دماست .

 

انتشار بخار آب، معادله ضخامت لایه هوا (S_d)

مقدار S_d ضخامت یک لایه هوایی ثابت به متر است ، که مقاومت انتشار بخار آبی برابر با مقاومت مصالح ساختمانی با ضخامت S دارد .

[S_d=μ.S[m

نفوذ بخار آب

نفوذ بخار آب سبب تعیین مشخصات عایق الاستومری می شود .

عوامل اصلی بروز خوردگی زیر عایق

فلز

از آنجا که فلز و هوا همیشه حضور دارند ، عامل کنترل کننده CUI الکترولیت است یعنی رطوبتی که از درون سیستم عایقکاری عبور کرده و با لوله فلزی تماس حاصل می کند .

 

هوا (اکسیژن)

بدون رطوبت، خوردگی زیر عایق اتفاق نمی افتد . سیستم عایق الاستومری بایستی به شکلی طراحی و انتخاب شود تا ورود رطوبت به درون عایق الاستومریک را به حداقل ممکن برساند . انواع عایق الاستومریک با ضریب عبور کم بخار آب ، احتمالاً گزینه خوبی به منظور ممانعت از ورود بخار و رطوبت هستند .

 

الکترولیت (غالباً آب)

بیشتر انواع عایق الاستومری ، به خودی خود نمی توانند از بروز CUI جلوگیری کنند . در عوض ، سیستم های عایق الاستومری می توانند با جلوگیری از رسیدن رطوبت به لوله های فلزی از بروز خوردگی زیر عایق پیشگیری کنند . اغلب مواد عایق الاستومریک فاقد مقادیر کافی از مواد مهار کننده خوردگی زیر عایق هستند که بتواند بطور معنا داری جلوی خوردگی زیر عایق را بگیرد .

 

یون خورنده (شتاب دهنده)

وقتی خوردگی زیر عایق اتفاق افتد ، غالباً یک شتاب دهنده خوردگی (یا یون خورنده) دخیل است . بطور مثال هالوژن هایی مثل کلریدها خوردگی زیر عایق را تشدید می کنند . هرچند که واکنش اولیه معمولاً مقصر جلوه دادن عایق الاستومری است ، واقعیت این است که رطوبت راه خود را به درون سیستم باز کرده است و این بدین معنی است که سیستم بطور کامل آب بندی نشده است . بنابراین ، منشاء اصلی خوردگی زیر عایق به سادگی قابل تشخیص نبوده و ممکن است از منابع متعددی آغاز شده باشد که اغلب در فاصله زیادی از محل کشف خوردگی زیر عایق قرار دارند . ورود آب به درون سیستم عایق الاستومریک مقادیر وصف ناپذیری از یون های خورنده را ایجاد می کند که بسیار بیشتر از مقادیر یون های موجود در عایق الاستومری هستند . سایر هالوژن های خورنده بالقوه شامل فلورین، برومین و یدین هستند . سولفیدها با وجود اینکه پایه هالوژنی ندارند ، خورنده های بالقوه ای هستند .

 

مراحل پیشگیری

قدم اول به منظور پیشگیری از خوردگی زیر عایق اجرای دقیق و درست سیستم عایق کاری است . اطمینان از انتخاب عایق الاستومری مناسب و اجرای دقیق و صحیح سیستم عایق کاری و آب بندی کامل ، اهمیتی حیاتی در این خصوص دارد .

بعلاوه ، بایستی یک برنامه نگهداری منظم و ممتد شامل بررسی چشمی سیستم عایقکاری وجود داشته باشد تا صدمات را تشخیص دهد زیرا عایق الاستومریک صدمه دیده پتانسیل خوردگی زیر عایق را افزایش می دهد . بنابراین وجود یک برنامه نگهداری منظم کمک شایانی به کاهش هزینه های تعمیرات و جایگزینی می کند.

مشخصاً ، تعدادی از عوامل در ایجاد خوردگی زیر عایق دخالت دارند که مستقیماً ربطی به خود عایق الاستومری ندارند . بعلاوه، در برخی عملکردها خطر خوردگی زیر عایق بیشتر است : عملکرد در فضای باز ، و عملکرد در فضای بسته ای که دما بطور متناوب بین گرما و سرما در نوسان است .

 

پیشگیری از نفوذ رطوبت

اولین و اصلی ترین مرحله، پیشگیری از نفوذ رطوبت از طریق منافذ انواع سیستم عایق الاستومریک است که می تواند مانع از بروز خوردگی زیر عایق شود زیرا رطوبت جزو لاینفک خوردگی است . دقت کنید که عبارت مورد استفاده “منافذ سیستم عایق کاری “است ، یعنی اینکه فقط عایق الاستومری در این بین نقش ایفا نمی کند بلکه غلاف، مهار کننده های بخار و … نیز در این مورد مهم هستند.

مواد عایق الاستومری با جذب آب کم و عبور بخار ناچیز عموماً گزینه های خوبی به منظور جلوگیری از عبور رطوبت بدون استفاده از سایر سدهای مهار کننده نفوذ رطوبت هستند .

یک سیستم لوله کشی همچنین شامل اتصالات، بست های نگهدارنده، شیرآلات، تله های بخار و انواع نقاط ضعف دیگر است . آب بندی داخل سیستم در مقابل رطوبت ، تأثیر چندانی در مقابله با خوردگی زیر عایق ندارد . در حالت ایده آل ، اگر یک خط لوله سرمایشی مرطوب باشد ، نباید عمل نصب سیستم عایقکاری انجام شود تا از به دام افتادن رطوبت زیر عایق الاستومریک و بروز خوردگی زیر عایق جلوگیری شود .

 

 

نصب و اجرای صحیح سیستم

قابل قبول نیست که با اعتقاد به اینکه به هر حال کمی رطوبت برخی اوقات وارد سیستم عایقکاری می شود برخی نکات و اصول اولیه را نادیده بگیریم و به آنها بی توجه باشیم .

نصب و اجرای صحیح سیستم عایق کاری نیز به اندازه انتخاب متریال مهم است . یک نصب ضعیف و نادرست سبب می شود تا بهترین متریال هم نتواند به خوبی عمل کند . استفاده صحیح از مهار کننده ها و سدهای بخار می تواند صدمات ناشی از شکست های ایجاد شده در سیستم عایق کاری که ممکن است به رطوبت اجازه دهد تا بر روی سطح لوله بنشیند و باعث بروز خوردگی زیر عایق شود را کاهش دهد .

این باور نادرستی است که عایق الاستومریک به خودی خود از CUI پیشگیری می کند . بهتر است بگوییم عایق الاستومری به خودی خود فاقد مواد تشدید کننده و شتاب دهنده خوردگی زیر عایق است . عایق الاستومری بخشی از سیستم عایقکاری است که در برخی موارد می تواند نفوذ رطوبت و رسیدن آن به سطح لوله را کاهش داده یا از آن جلوگیری کند . اگر عایق الاستومریک به درستی نصب شود ، می تواند به پیشگیری از خوردگی زیر عایق کمک کند .

انواع عایق الاستومری وجود دارند که حاوی مقادیر کافی مواد مهار کننده خوردگی زیر عایق هستند . به هر حال ، ممکن است این نوع از عایق الاستومریک انتخاب اول و اصلی کارفرمایان و مهندسان نباشند . برای مثال، ممکن است سلول باز، فیبری یا گرانولار و فاقد مشخصات مهار کافی برای جلوگیری از نفوذ بخار آب باشند که مقبولیت آنها را برای کاربرد در سیستم سرمایشی یا چرخه های سرمایشی/گرمایشی کم می کند .

 

فاکتورهای کنترل کننده بخار

همچنین پوشش ها، ژل ها، فیلم ها و مواد دیگری وجود دارند که می توانند به عنوان مهارکننده های خوردگی زیر عایق یا سدهای رطوبتی به لوله اضافه شوند .

در انواع سیستم عایقکاری که در دمایی پایین تر از دمای محیط کار می کنند، یا کاربردهایی که رطوبت عضو ثابت آن است (مانند سکوهای نفتی دریایی یا نواحی با رطوبت بسیار بالا مانند سواحل و جزایر)، سیستم عایق کاری بایستی به شکلی طراحی شود که نفوذ رطوبت را به حداقل رسانده یا بطور کامل مهار کند تا باعث بروز خوردگی زیر عایق نشوند.

اگر فاکتورهای کنترل کننده بخار در یک سیستم عایق کاری صدمه ببیند و رطوبت به سیستم عایق کاری نفوذ کند ، سیستم آن را به دام انداخته و نرخ تبخیر را کاهش می دهد ، بنابراین باعث می شود که لوله فلزی بیشتر از زمانی که اصلاً فاقد عایق الاستومریک است ، مرطوب بماند . همین مسأله نیاز به طراحی قوی و خوب جهت نصب سیستم عایق کاری بدون درز و ایجاد یک سیستم مهار کننده بخار با کیفیت را برجسته تر می کند

 

عوامل تشدید کننده

اگر یون های خورنده در محیط طبیعی وجود دارند ، حتی در مقادیر کم ، در چرخه های مرطوب/خشک یا گرم/سرد ، پس از چند بار مواجهه با رطوبت ، خورنده ها در سیستم تجمع می کنند . جایی که آلودگی ، چربی ، روغن و سایر آلاینده ها در خلال پروسه عایق کاری وارد سیستم شده باشند ممکن است خوردگی رخ دهد. تجهیزات موجود در فضای بسته غالباً در معرض تماس با مواد پاک کننده هستند . تجهیزات روی بام به صورت بالقوه در معرض آب باران و آلاینده های موجود در هوا هستند .

تجهیزات فضای باز نزدیک به ساحل در معرض غبار اقیانوسی هستند . برخی از تجهیزات فضای باز در معرض غبار برج های خنک کننده هستند که می تواند حاوی انواع مواد شیمیایی محلول در آب باشد که CUI را تشدید می کنند .

تجهیزات مدفون در معرض آلاینده های محلول موجود زمین هستند . همانطور که قبلاً گفته شد ، کلید ورود رطوبت (به همراه آلاینده ها) می تواند نقاطی از سیستم باشد که آب بندی آنها مشکل است (مانند اتصالات، فلنج ها، بست ها، شیرآلات و …). استفاده از اتصالات کارخانه ای و بست های عایق دار به اطمینان از حصول آب بندی لازم کمک می کند .

استفاده از مهار کننده های بخار دارای کیفیت بالا ، با نفوذپذیری کم و دارای عملکرد پیوسته به منظور جلوگیری از نفوذ بخار به سیستم عایقکاری ورود رطوبت را حتی به ساختارهای پیچیده محدود می کند .

 

روش های جلوگیری و کاهش ورود رطوبت به سیستم عایق کاری

شروع کار با یک طراحی خوب سیستم عایق کاری و انتخاب مواد درست برای کاربری خاص

استفاده از عایق الاستومری ، غلاف و اتصالات کارخانه ای ، بست های عایق دار ، درزبندی ، اتصالات محکم و مهار کننده های بخار که کاملاً به عایق الاستومری چسبیده اند . اینها از ورود رطوبت و تجمع آن در نواحی پایین سیستم عایق کاری جلوگیری می کنند . همچنین، بایستی اطمینان حاصل شود که مهار کننده های بخار بطور کامل و بدون عیب و نقص مورد استفاده قرار گرفته اند و توسط غلاف محافظ پوشانده شده اند.

اجرای سیستم عایق کاری بدون هرگونه درز ، آسیب دیدگی و شکستگی که به بخار یا رطوبت اجازه ورود به سیستم عایق کاری و تماس با لوله فلزی را بدهد .

در موقعیت های بالقوه شدید خوردگی زیر عایق ، موسسه ملی مهندسان خوردگی آمریکا (NACE) استفاده از مهار کننده های خوردگی مانند :  پوشش ها، ژل ها و … را بر روی سطوح لوله های زیر عایق الاستومری به منظور افزایش سطح حفاظتی، توصیه می کند . در مورد انواع سیتسم عایق کاری که طراحی یا اجرای ضعیفی دارند یا صدمه دیده اند و رطوبت را به دام انداخته و عملاً سطح لوله را حتی بیشتر از زمانی که عایق الاستومری وجود نداشته باشد در معرض رطوبت قرار می دهند ، نگرانی بیشتری وجود دارد . به همین دلیل در مواردی که حفاظت در برابر افراد مهم است ، NACE غالباً هر جا که ممکن باشد استفاده از قفس سیمی را به عنوان سد فیزیکی جهت حفاظت از سیستم عایق کاری توصیه می کند . تقویت سیستم عایق کاری به مراتب بیش از تقویت عایق الاستومری به تنهایی در پیشگیری از CUI اهمیت دارد . از نظر NACE طراحی دقیق و صحیح نصب و نگهداری درست ، اجباری است .

بازرسی دوره ای و نگهداری سیستم عایق کاری همیشه لازم است و پیش از نصب سیستم بایستی برنامه ریزی شود . بازسازی سریع هرگونه صدمات وارد شده به سیستم عایق کاری پیش از آنکه تبدیل به مشکلی اساسی و بزرگ شود از مهم ترین نکات در پیشگیری از CUI است .

هندبوک ASHRAE تأکید دارد که: “خوردگی لوله های فلزی ، مخازن و تجهیزات زیر عایق الاستومری ، اگرچه عموماً توسط عایق الاستومری ایجاد نمی شود ، به صورت معناداری موضوعی است که باید در خلال طراحی هر سیستم عایق کاری مکانیکال مورد توجه قرار گیرد”.

درک اهمیت موضوع خوردگی زیر عایق ، پتانسیل های عامل آن و طراحی به منظور پیشگیری از آن صحیح ترین روش جهت کاهش CUI است .

 

 

مزایای انواع عایق الاستومری

انواع عایق الاستومریک سلول بسته مقاومت عالی در مقابل نفوذ بخار آب دارند .

عایق های PU و PIR در مقابل بخار آب نفوذ پذیر هستند ، و برای محافظت از آنها در برابر نفوذ رطوبت بایستی از مهار کننده ها استفاده شود .

وقتی یک سد بخار صدمه می بیند به آب اجازه می دهد تا وارد سیستم عایق کاری شود ، این مسأله عملکرد عایق الاستومریک را کاهش داده و می تواند سبب یخ زدگی و خوردگی زیر عایق شود .

در مورد انواع عایق الاستومری تجربه ثابت کرده است که میلیون ها سلول بسته در مقابل نفوذ آب مقاومت می کنند و نیازی به غلاف ندارند .

در مورد محصولات ساخته شده از الیاف معدنی به دلیل اینکه مقاوت در برابر نفوذ بخار آب بسیار پایین است (μ=۱) بایستی روی آنها با یک لایه بسیار محکم پوشش مقاوم در برابر نفوذ بخار آب پوشانده شود. نفوذ بخار آب به داخل سیستم عایقکاری باعث خوردگی زیر عایق می شود .

یک ماده سلول بسته قابل اعتماد بایستی از سیستم عایق کاری در مقابل نفوذ غیر مجاز رطوبت محافظت کند .

فشار جزیی هوای گرم (که حاوی رطوبت است) بیش از هوای سرد است و جریانی از سمت گرما به سمت سرما ایجاد می کند . یک مقدار μ زیاد امکان نفوذ رطوبت به درون سیستم عایقکاری را کاهش می دهد .

آب دارای ضریب هدایتی حرارتی ʎ برابر با ۰.۶۰۷ W/mK است که حدوداً ۱۵ تا ۱۷ برابر میانگین این ضریب در مواد عایق الاستومری است (ʎ در انواع عایق الاستومری سلول بسته حدود ۰.۰۳۳ W/mK است) . بنابراین نفوذ و تجمع آب در بدنه مواد عایق الاستومریک به شدت عملکرد مواد عایق الاستومری را کاهش داده و سبب افزایش هدایت حرارتی و در یک کلام سبب افزایش اتلاف انرژی و هزینه ها می شود .

 

خوردگی زیر عایق از مشکلات اصلی در هر سیستم عایق کاری است .
صاحبان صنعت، پیمانکاران ساختمانی ، مدیران پروژه ها و حتی نصابان عایق از مسئله خوردگی زیر عایق شکایت دارند. خوردگی زیر عایق موجب هزینه بالای تعمیرات و نگه داری و کاهش طول عمر و در نهایت فرسودگی و از کار افتادگی لوله ها می‌شود .
گروه صنعتی لینکران با طراحی و تولید انواع عایق الاستومری در ایران به مشکلاتی از قبیل خوردگی زیر عایق پایان داده است…

 

نویسنده : مهندس پدرام بداقی