بررسی علل تخریب و انسداد ناشی از خوردگی لوله های مسی حاوی گاز کلر در حضور رطوبت (مطالعه موردی)

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

سجاد بردبار ¹ , مصطفی علیزاده ² , مسعود ایرانمنش ³

1 - دانشجوی دکتری مهندسی مواد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران
2 - استادیار گروه فلزات، پژوهشکده مواد، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه صنعتی تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران
3 - استادیار، پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه صنعتی تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

تاریخ دریافت : 1396/02/22 تاریخ پذیرش : 1397/02/18 تاریخ انتشار : 1397/02/01

کلید واژه: خوردگی, کلر, مس, کلرزن گازی, اسید هیدروکلریک,

چکیده مقاله :

این تحقیق به بررسی علل و مکانیزم انسداد لوله‌های مسی مورد استفاده در سیستم‌های کلرزنی آب شرب پرداخته است. انسداد لوله‌های منتقل کننده گاز کلر باعث می‌شود، فرآیند گندزدایی آب به طور کامل انجام نگردد و ممکن است سلامت انسان در معرض خطر قرار گیرد. مطالعه جامع لوله‌های مسی تخریب شده در چندین ایستگاه تصفیه آب مشخص ساخت دلیل اصلی انسداد مکرر این لوله‌ها، پدیده خوردگی است. تحقیق پیش رو دلایل و همچنین مکانیزم انسداد مکرر این لوله‌ها را مورد مطالعه قرار داده است. به منظور تعیین علل و مکانیزم انسداد از روش پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شد. بررسی مکانیزم انسداد لوله مشخص ساخت، حضور ناخواسته رطوبت درون لوله در هنگام خارج از سرویس بودن سیستم، طی دو مرحله (تشکیل و رشد محصولات خوردگی) باعث انسداد لوله‌ها می‌گردد. حضور همزمان رطوبت و گاز کلر درون لوله باعث تشکیل الکترولیت خورنده (اسید هیدروکلریک) شده و شرایط را جهت خوردگی داخلی لوله‌ها فراهم می‌سازد. نتایج XRD حضور محصول خوردگی متخلخل و حجیم پاراتاسامیت (Cu₂(OH)₃Cl) را مشخص نمود. تصاویر SEM روشن ساخت با فراهم شدن محیط خورنده درون لوله و در نتیجه آن تشکیل محصولات خوردگی متخلخل و دارای ترک، باعث رشد سریع لایه محصولات خوردگی غیر محافظ می‌گردد. رشد رسوب محصولات خوردگی و تجمع تکه‌های جدا شده محصولات خوردگی در قسمت‌هایی از لوله باعث انسداد آن و در نتیجه عدم تزریق مقدار کافی گاز کلر به آب شرب می‌گردد.

چکیده انگلیسی:

This research report investigated investigates the causes and mechanisms of copper pipes clogging used in gas chlorination systems of drinking water. Clogging of the chlorine gas transmission pipes causes incomplete water disinfection process and may put the human health in dangerous. Comprehensive examinations of the destroyed copper pipes in some stations revealed that, the reason of frequent clogging of the pipes is corrosion phenomenon. The reasons and mechanism of the frequent clogging of the pipes were investigated in the present work. For this purpose, X-ray diffraction (XRD) analysis and scanning electron microscopy (SEM) were applied to deduce the reasons and mechanism of the frequent clogging. The investigations of pipe clogging mechanism revealed that, the unwanted presence of the water inside the pipe when the system is out of service lead to pipes clogging in two stages (formation and growth of corrosion products). The simultaneous presence of water and chlorine inside the pipes cause the formation of corrosive electrolyte (Hydrochloric acid) which provides corrosion conditions inside the pipes. The XRD results identified the presence of the porous and voluminous corrosion product of paratacamite (Cu₂(OH)₃Cl). The SEM images demonstrated by providing the corrosive environment inside the pipe and as result, formation of porous corrosion products cause the rapid growth of non-protective layer of corrosion products. The growth of corrosion products scale and aggregation of separated parts of corrosion products in some parts of the pipes led to pipes clogging and as result the incomplete injection of sufficient amount of chlorine in drinking water.

منابع و مأخذ:

1- Water Chlorination/ Chloramination Practices and Principles, AWWA Manual M20, American Water Works Association, 2^nd Ed., 2006.    

2- White’s handbook of chlorination and alternative disinfectants, Black & Veatch Corporation, John Wiley & Sons, 5^th Ed., 2010.

3- Chlorine in Drinking-water, World Health Organization, WHO/SDE/WSH/03.04/45, 2003.     

 

 

4- D. Wagner, W.R. Fischer, A.H.L. Chamberlain, J.N. Wardell, C.A.C. Sequeira, “Microbiologically Influenced Corrosion of copper in potable water installations – a European project review”, Materials and Corrosion, Vol. 48, pp. 311–321, 1997.    

5- D. Wagner, W. Fischer, H.H. Paradies, “Copper deterioration in a water distribution system of a county hospital in Germany caused by microbially influenced corrosion”, Materials and Corrosion, Vol. 43, pp. 496–502, 1992.

6- W. Fischer, H.H. Paradies, D. Wagner, I. Hänßel, “Copper deterioration in a water distribution system of a county hospital in Germany caused by microbially induced corrosion”, Materials and Corrosion, Vol. 43, pp. 56-62, 1992.

7- J.L. Otegui, P.G. Fazzini, “Root causes of fire in a solvent pipe at a petrochemical plant”, Engineering Failure Analysis, Vol. 16, pp. 1903–1911, 2009.      

8- A.A. Kislitsyn, “Numerical modeling of high-frequency electromagnetic heating of a dielectric plug clogging a pipe”, Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, Vol. 37, No. 3, 1996.

9- U. Klein, A. Zunkel, A. Eberle, “Breakdown of heat exchangers due to erosion corrosion and fretting caused by inappropriate operating conditions”, Engineering Failure Analysis, Vol. 43, pp. 271–280, 2014.    

10- J. Wang, M. Sickinger, V. Ciobota, M. Herrmann, H. Rasch, P. Rosch, J. Popp, K. Kusel, “Revealing the microbial community structure of clogging materials in dewatering wells differing in physico-chemical parameters in an open-cast mining area”, Water Research, Vol. 63, pp. 222-233, 2014.    

11- F. Larroque, M. Franceschi, “Impact of chemical clogging on de-watering well productivity: numerical assessment”, Environmental Earth Sciences, Vol. 64, pp. 119–131, 2011.   

12- D.E. Ralph, J.M. Stevenson, “The role of bacteria in well clogging”, Water Research, Vol. 29, No. 1, pp. 365-369, 1995.

13- J. Marek, M. Šimunkova, H. Parschov, “Clogging of the electrodeionization chamber, Desalination and Water Treatment”, pp. 1–5, 2014.

14- H. Song, S. Park, M. Choi, J.Y. Park, M. Kim, J. Jung, Y. Kim, “Examination of chemical and physical effects on sump screen clogging of containment materials used in Korean plants”, Annals of Nuclear Energy, Vol. 69, pp. 51–56, 2014.  

15- R. Sandrine, L. Cantrel, A. Yves, M. Jean-Marie, L. Marek, G. Dagmar, V. Yvan, S. Bela, “Precipitate formation contributing to sump screens clogging of a nuclear power plant during an accident”, Chemical engineering research and design, Vol. 86, pp. 633–639, 2008.       

16- M. M. Wanger, G. A. Fox, G. V. Wilson, “Pipeflow experiments to quantify pore-water pressure buildup due to pipe clogging”, ASABE Annual International Meeting Paper, 152156396, 2015.

17- ASTM B 88, Standard Specification for Seamless Copper Water Tube, ASTM International, 2003.   

18- E.E. Stansbury, R.A. Buchanan, Fundamentals of electrochemical corrosion, ASM International, Materials Park Ohio, 2000.    

19- R. Francis, The corrosion of copper and its alloys: a practical guide for engineers, NACE International,Texas, 2010.

20- X. Zhang, I.O. Wallinder, C. Leygraf, “Mechanistic studies of corrosion product flaking on copper and copper-based alloys in marine environments”, Corrosion Science, Vol. 85, pp. 15-25, 2014.