بررسی بازدهی آند لوله ای تیتانیوم با پوشش MMO

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 .......

نویسنده: سرکار خانم آذر غلامی
کارشناس خدمات حفاظت از خوردگی شرکت ملی پخش فرآورده­ های نفتی ایران

تاريخ : نهم مهر 1397 ساعت 13:38   کد : 82

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.

 

نوع ماده

آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

سایز آند

قطر: 25 میلی­متر و :1000 میلی­متر

سطح مقطع آند

0.079 میلی­متر مربع

جریان خروجی آند

8 آمپر

چگالی جریان آند

100 آمپر بر متر مربع

طول عمر آند

20 سال

دانسیته بار آند

17520000 آمپر در ساعت بر متر مربع

عمر آند تسریع شده

350 ساعت

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.

 

مساحت پوشش

55 میلی متر مربع

جریان

2.75 آمپر

دانسیته جریان

50000 آمپر بر متر مربع

الکترولیت

1.0 مولار محلول H2SO4

دما

30+_ 5 درجه سانتی­گراد

ولتاژ اولیه سلول (قسمت بالا و وسط آند)

12.1 ولت

ولتاژ نهایی سلول (قسمت بالا و وسط آند)

20.1 ولت

ولتاژ اولیه سلول (قسمت پایین آند)

6.5 ولت

ولتاژ نهایی سلول (قسمت پایین آند)

10.5 ولت

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.

 

چگالی کلی بار

عمر تسریع شده (ساعت)

آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO

22900000

458

قسمت بالا آند

جریان خروجی در 20سال (آمپر)

عمر (سال)

10.3

25.8

       
جدول 3- عمر تسریع شده آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO- قسمت بالا آند

 

چگالی کلی بار

عمر تسریع شده (ساعت)

آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

22900000

458

قسمت وسط آند

جریان خروجی در 20سال (آمپر)

عمر (سال)

10.3

25.8

       
جدول 4- عمر تسریع شده آند لوله ­ای تیتانیوم با پوشش MMO- قسمت وسط آند

 

چگالی کلی بار

عمر تسریع شده (ساعت)

آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO

2305000

461

قسمت پلیین آند

جریان خروجی در 20سال (آمپر)

عمر (سال)

10.3

25.8

       
جدول 5- عمر تسریع شده آند لوله­ ای تیتانیوم با پوشش MMO- قسمت پایین آند

 

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

 

یکنواختی پوشش

ضخامت پوشش

87.9%

8.1 میکرومتر

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

 

یکنواختی پوشش

ضخامت پوشش

حداقل 85 %

حداقل 7 میکرومتر

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.

 

Ti

O

H

N

C

Fe

99.75%

0.13%

0.006%

0.01%

0.02%

0.08%

جدول 8- آنالیز شیمیایی زیرلایه تیتانیوم آند لوله ­ای مورد آزمایش

 

Ti

O

H

N

C

Fe

باقیمانده

ماکزیمم 0.18 %

ماکزیمم 0.015 %

 ماکزیمم 0.03 %

ماکزیمم 0.08 %

ماکزیمم 0.20 %

جدول 9- آنالیز شیمیایی زیرلایه مطابق با استاندارد ASTM B 338  Grade 1

 

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

 

استاندارد

نتیجه

تست

در شعاع 20 سانتی متری تحت زاویه ی 180 درجه هیچ گونه کنده شدن پوشش صورت نگیرد.

مورد قبول

خمش

بعد از قرار گرفتن در محلول H2SO4 15% به مدت 10ساعت هیچ گونه خوردگی مشاهده نشود.

مورد قبول

اسید

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.

 

 
 

 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد