مقدمه

در بسیاری از کاربردهای فنی و مهندسی، شناخت چگونگی تاثیر و مکانیزم عمل هیدروژن دارای اهمیت خاصی است. هیدروژن اتمی تولید شده از طریق واکنش کاتدی به داخل فلزات نفوذ کرده و باعث ترک دار شدن و شکست آن ها می شود. حضور هیدروژن در فولاد بر ویژگی های مکانیکی آن اثر گذاشته و به طور کلی باعث کاهش چکش خواری شده و میل به ایجاد شکنندگی ترد و ایجاد ترک را در فلز بالا می برد. هیدروژن باعث کاهش توان بارگذاری فلز می گردد، اگر چه این پدیده در فولادهای کربنی و کم آلیاژ شایع است، اما فلزات و آلیاژهای زیادی نسبت به هیدروژن حساس اند. خسارات هیدروژنی یک اصطلاح کلی است بر خسارت مکانیکی وارد شده به فلز در اثر وجود یا واکنش با هیدروژن دلالت دارد. هیدروژن به صورت های مختلف باعث شکست فلزات و خسارات هیدروژنی می گردد که شامل موارد زیر است:

1. تاول زدن هیدروژنی
2. تردی هیدرونی
3. زدایش کربن
4. حمله ی هیدروژنی

به اختصار شرح هر یک از آسیب های هیروژنی در زیر آورده شده است.

تاول زدن هیدروژنی

تاول زدن ناشی از نفوذ هیدروژن به داخل فلز است که، معمولا نتیجه ی این واقعه، تغییر شکل موضعی به صورت تاول روی فلز است. تاول زدن هیدروژنی در موارد خاص باعث انهدام فلز می گردد.

هیدروژن اتمی از نظر ابعادی بسیار کوچک است و به راحتی در داخل فلزات نفوذ می کند و حتی نفوذ آن در دمای پایین هم مورد توجه است. منبع هیدروژن می تواند از خوردگی در اسیدها، اسیدشویی و عملیات تمیز سازی، آبکاری با جریان الکتریکی و… باشد. فرض کنید محیطی داریم که حاوی یون هیدروژن است و این یون های هیدروژن که قابلیت نفوذ بالایی دارند می توانند روی سطح فلز به هیدروژن احیا شوند. حال اگر داخل فلز حفره ای به صورت عیب وجود داشته باشد، یک اتم هیدروژن می تواند وارد حفره شده و تشکیل هیدروژن مولکولی بدهد.

وقتی هیدروژن اتمی به هیدروژن مولکولی تبدیل شد، دیگر نمی تواند از حفره خارج شود و به طور مداوم این عمل تکرار می شود. گاز هیدروژن در داخل حفره به وجود می آید و فشار داخل حفره افزایش می یابد، این فشار می تواند تا جایی بالا برود که فلز را تخریب نماید. گاز می تواند فشار مازادی بالغ بر 300 اتمسفر تولید کند که فلز را کشیده و تاول هایی در سطح ایجاد می کند. بنابراین تولید هیدروژن مولکولی در داخل فولاد فشار زیادی در آن منطقه ایجاد می کند که در نهایت منجر به تاول زدن یا تخریب فولاد و خسارات هیدروژنی می شود.

تردی هیدروژن

همان طور که اشاره شد هیدروژن اتمی تنها عنصری است که می تواند به درون فلز یا فولاد نفوذ کند، ولی هیدروژن مولکولی این امکان را ندارد. تردی هیدروژنی که یکی از انواع خسارات هیدروژنی می باشد، سبب شکنندگی و کاهش انعطاف پذیری و استحکام فلز می شود که اغلب در تنش های فولاد دار اتفاق می افتد.

قابلیت انحلال و نفوذ پذیری هیدروژن با کاهش دما به شدت کاهش می یابد. بنابراین هنگامی که یک مقطع بزرگ فولادی دارای هیدروژن، از دمای بالا تا دمای محیط، سرد شود هیدروژن در فولاد نفوذ کرده و به صورت گاز باقی می ماند. فشار گاز هیدروژن اغلب برای ایجاد ترک داخلی کافی است.

در محیط های آبی و طی واکنش های خوردگی ممکن است هیدروژن در سطح فلز به وجود آید. قسمتی از هیدروژن های اتمی در سطح فلز با هم ترکیب شده و تولید گاز هیدروژن می کند که وارد محیط می گردد، ولی قسمت دیگری از هیدروژن های اتمی به درون فلز نفوذ کرده و در صورتی که فلز تحت تنش های کششی باشد، تردی هیدروژنی اتفاق می افتد.

ترک هایی که در اثر تردی هیدروژنی به وجود می آیند ممکن است مرزدانه ای یا بین دانه ای باشند و تشخیص این که ترک خوردگی تنشی اتفاق افتاده یا تردی هیدروژنی، بسیار دشوار است.

حضور مواد مختلف شیمیایی در محیط، تاثیر زیادی بر روی تردی هیدروژنی دارد. به عنوان مثال کرومات سدیم باعث کند شدن جذب یا نفوذ هیدروژن می شود در حالی که وجود سیلیکات سدیم باعث افزایش جذب هیدروژن می گردد.

نکته: تاول هیدروژنی و تردی هیدروژنی معمولا در دمای محیط رخ می دهند و بسیار مشابه یکدیگرند. در فولادهایی با استحکام کم، تاول هیدروژنی و در فولادهایی با استحکام بالا، تردی هیدروژنی شایع تر است.

زدایش کربن

زدایش کربن موجود در فولاد، اغلب در اثر تماس هیدروژن مرطوب با فلز در درجه حرارت بالا صورت می گیرد و در اثر پیدایش این پدیده، استحکام کششی فولاد کاهش می یابد.

در اغلب موارد گاز هیدروژن همراه با بخار آب است که می تواند طبق واکنش زیر باعث زدایش کربن از فولاد گردد.

CFe+H2O→H2+CO

کربن موجود در فولاد با بخار آب وارد واکنش شده و تولید هیدروژن و مونوکسید کربن می کند. سرعت و پیش روی این واکنش بستگی به فعالیت کربن موجود در آلیاژ و نیز نسبت بخار آب، مونوکسید کربن و هیدروژن موجود در محیط دارد.

هر گاه فولادها در درجه حرارت بالا در معرض هیدروژن قرار گیرند، واکنش زیر صورت می گیرد.

CFe+2H2O→CH4+O2

در این حالت کربن موجود در فولاد در اثر واکنش با آب، تولید متان می نماید. از آن جایی که هیدروژن اتمی به سهولت و سرعت در فولادها نفوذ می کند بنابراین در نقاط داخلی فلز، ایجاد ترک خوردگی می نماید. با اضافه کردن عنصر کروم و مولیبدن به فولادها، می توان مقاومت آن ها را در برابر زدایش کربن و ترک خوردگی افزایش داد.

حمله ی هیدروژنی

منظور از این نوع خوردگی، واکنش بین هیدروژن و یکی از عناصر آلیاژی یا اجزای تشکیل دهنده ی فلز در درجه حرارت بالا است.

روش های جلوگیری از خسارات هیدروژنی

تاول زدن در اثر هیدروژن را می توان با استفاده از یک یا چند روش زیر کاهش داد:

1. استفاده از فولاد تمیز: فولادهای قابی دارای حفره های زیادی می باشند بنابراین جایگزین نمودن آن ها با فولادهای کشته که عاری از حفره هستتند، مقاومت در برابر تاول هیدروژنی افزایش خواهد یافت.
2. استفاده از پوشش ها: برای جلوگیری از تاول زدن در اثر هیدروژن، از پوشش های فلزی، معدنی و آلی استفاده می شود.
3. استفاده از مواد بازدارنده: بازدارنده ها می توانند سبب کاهش سرعت خوردگی و سرعت احیا یون هیدروژن و در نتیجه جلوگیری از تاول هیدروژنی شوند.
4. خارج کردن مواد مضر (تولید کننده های هیدروژن): تاول هیدروژنی اغلب در محیط های خورنده ای که شامل مواد مضری برای تولید هیدروژن مانند سولفیدها، ترکیبات آرسنیک، سیانیدها و… هستند اتفاق می افتد و به ندرت در محیط های اسیدی خالص رخ می دهد. بنابراین در عملیات پالایش نفت این گونه مواد مضر وجود داشته و باعث تاول هیدروژنی می شوند.
5. تغییر آلیاژ: فولادهای نیکل دار و آلیاژهای با پایه نیکل کم تر در برابر نفوذ هیدروژن مقاوم تر بوده و اغلب از این آلیاژها برای جلوگیری از تاول هیدروژنی استفاده می کنند.

تردی هیدروژنی را می توان با به کارگیری یکی از چند روش زیر کاهش داد:

1. استفاده از مواد بازدارنده: اغلب تردی هیدروژنی در عملیات اسیدشویی که خوردگی باعث آزاد شدن هیدروژن می گردد، اتفاق می افتد. بنابراین با استفاده دقیق از بازدارنده ها می توان خوردگی فلز را در مرحله ی اسیدشویی کم کرد و در نتیجه نفوذ هیدروژن به داخل فلز نیز کاهش می یابد.
2. عمل پخت: برای خارج ساختن هیدروژن از فولاد می توان از عمل پخت استفاده نمود. برای فولاد معمولا سه ساعت پخت در درجه حرارت پایین 175 درجه سانتی گراد کافی است.
3. تغییر آلیاژ: فولادهایی با استحکام بالا نسبت به تردی هیدوژنی حساس ترند. بنابراین با افزودن عنصر نیکل یا مولبیدن به فولادها می توان حساسیت آن ها را در برابر تردی هیدروژنی کاهش داد.
4. جوشکاری صحیح: اگر تردی هیدروژنی در عملیات جوشکاری به وجود آید، باید در جوشکاری ها از الکترودهای مرغوب و مناسب استفاده شود. دقت شود که خشک نگه داشتن محل و اطراف جوش در عملیات جوشکاری مهم است. زیرا آب و بخار آب عامل اصلی ایجاد هیدروژن است.