विभिन्न वातावरणों में संक्षारण – धातुओं और इस्पात का पर्यावरणीय संक्षारण

पर्यावरणीय संक्षारण में धातुओं और मिश्र धातुओं की वे क्षरण प्रक्रियाएं शामिल हैं जो वायुमंडल, समुद्री जल, ताजे पानी, मिट्टी और क्लोराइड, अम्ल और क्षारीय वातावरण जैसी पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रभाव में होती हैं। धातु का संक्षारण न केवल सामग्री के प्रकार पर बल्कि उस वातावरण पर भी निर्भर करता है जिसमें वह कार्य करती है। एक ही प्रकार का इस्पात सामान्य वायुमंडलीय परिस्थितियों में कई वर्षों तक उच्च प्रतिरोध बनाए रख सकता है, लेकिन क्लोराइड, अम्ल, उच्च तापमान या निक्षेप वाले वातावरण में, इसमें तीव्र स्थानीय या सामान्य संक्षारण हो सकता है। संक्षारक वातावरण, अन्य बातों के अलावा, स्टेनलेस स्टील की निष्क्रिय परत की स्थिरता, विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर और गड्ढे, दरार, गैल्वेनिक, माइक्रोबियल (एमआईसी) और तनाव संक्षारण दरार (एससीसी) की संभावना को निर्धारित करता है। इसलिए, सही सामग्री का चयन करने के लिए न केवल इस्पात के प्रकार और उसकी रासायनिक संरचना का विश्लेषण आवश्यक है, बल्कि वास्तविक परिचालन परिस्थितियों का भी विश्लेषण आवश्यक है।

संक्षारक वातावरण और संक्षारण तंत्र

समुद्री संक्षारण, वायुमंडलीय संक्षारण, मृदा संक्षारण या जल में संक्षारण जैसे शब्द मुख्य रूप से वर्णन करते हैं संक्षारण वातावरणइन्हें पिटिंग, क्रेविस, गैल्वेनिक या इंटरग्रेनुलर संक्षारण जैसी विनाश की प्रक्रियाओं या रूपों के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए।
एक ही वातावरण में कई संक्षारण तंत्र एक साथ मौजूद हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, समुद्री जल में क्लोराइड की उपस्थिति स्टेनलेस स्टील के पिटिंग और क्रेविस संक्षारण को बढ़ावा दे सकती है, भिन्न धातुओं के संपर्क से गैल्वेनिक संक्षारण हो सकता है, बायोफिल्म माइक्रोबियल संक्षारण (एमआईसी) के विकास में योगदान कर सकती है, और तनाव, तापमान और क्लोराइड वातावरण का उपयुक्त संयोजन तनाव संक्षारण दरार (एससीसी) को जन्म दे सकता है।

पर्यावरण	सबसे महत्वपूर्ण कारक	संक्षारण के संभावित रूप
समुद्री	क्लोराइड, तापमान, ऑक्सीजनबायोफिल्म, तलछट, प्रवाह	गड्ढे, दरार, गैल्वेनिक, एमआईसी, क्षरणकारी, एससीसी
वायुमंडलीय	नमी, गीला होने का समय, लवण, अशुद्धियाँ, तापमान	सामान्य, स्थानीय, गड्ढे, दरार, गैल्वेनिक
मैदान	आर्द्रता, लवण, पीएच, ऑक्सीजन, सूक्ष्मजीव, आवारा धाराएँ	सामान्य, स्थानीय, गड्ढेदार, एमआईसी, आवारा धारा संक्षारण
ताज़ा और औद्योगिक जल	क्लोराइड, कठोरता, पीएच, ऑक्सीजन, तापमान, तलछट, रासायनिक योजक	गड्ढे, दरार, गैल्वेनिक, एमआईसी, क्षरणकारी
क्लोराइड	Cl⁻ सांद्रता, तापमान, pH, विभव, अंतराल	गड्ढे, दरार, एससीसी
खट्टा	अम्ल का प्रकार, सांद्रता, तापमान, अशुद्धियाँ, रेडॉक्स विभव	संक्षारण के सामान्य और, परिस्थितियों के आधार पर, स्थानीय रूप।
क्षारीय	क्षार का प्रकार, सांद्रता, तापमान, अशुद्धियाँ	सामान्य, स्थानीय, विशिष्ट परिस्थितियों में तनाव संक्षारण दरार

समुद्री वातावरण में संक्षारण

समुद्री वातावरण कई संरचनात्मक सामग्रियों के लिए सबसे चुनौतीपूर्ण परिचालन वातावरणों में से एक है। समुद्री जल में क्लोराइड की महत्वपूर्ण मात्रा होती है, जो स्टेनलेस स्टील की निष्क्रिय परत को अस्थिर कर सकती है और गड्ढेदार और दरार संक्षारण के विकास को बढ़ावा दे सकती है।

हालांकि, समुद्री संरचनाओं में संक्षारण की स्थितियाँ एक समान नहीं होतीं। पानी में स्थायी रूप से डूबी रहने वाली सामग्रियाँ ज्वारीय क्षेत्र और तटीय वातावरण में अलग-अलग तरह से व्यवहार करती हैं। तापमान, पानी की गति, ऑक्सीजन की मात्रा, जैव-परत, तलछट और अन्य धातुओं के संपर्क का भी इसमें योगदान होता है।
अधिक चुनौतीपूर्ण समुद्री अनुप्रयोगों में, मानक ऑस्टेनिटिक स्टील, डुप्लेक्स और सुपरडुप्लेक्स स्टील के बजाय, 6Mo प्रकार के उच्च-मिश्र धातु ऑस्टेनिटिक स्टील और उपयुक्त रूप से चयनित निकल मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाता है।

वायुमंडलीय संक्षारण

वायुमंडल के संपर्क में आने वाली धातु की सतहों और उन पर बनने वाली नमी की परत पर वायुमंडलीय संक्षारण होता है। इस प्रक्रिया की तीव्रता मुख्य रूप से सतह के गीलेपन की अवधि, आर्द्रता, तापमान और लवणों तथा संदूषकों की उपस्थिति पर निर्भर करती है।
कम प्रदूषण वाला ग्रामीण वातावरण आमतौर पर औद्योगिक या तटीय वातावरण की तुलना में कहीं कम हानिकारक होता है। समुद्र के पास, नमक की फुहार क्लोराइड का योगदान करती है, जबकि औद्योगिक वातावरण में, सल्फर यौगिक और अन्य प्रदूषक अतिरिक्त भूमिका निभा सकते हैं।
धूल, नमक और अन्य प्रदूषक नमी को रोक सकते हैं और जंग लगने के लिए अनुकूल परिस्थितियाँ उत्पन्न कर सकते हैं। इसलिए, सतह की स्थिति, प्राकृतिक जल निकासी की सुविधा देने वाला डिज़ाइन और नियमित सफाई, घटकों की टिकाऊपन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकती है।

भू-जंग

जमीन एक अत्यंत जटिल और विषम वातावरण है। भूमिगत संरचनाओं का क्षरण आर्द्रता, मिट्टी की रासायनिक संरचना, क्लोराइड और सल्फेट की मात्रा, पीएच, विद्युत चालकता, ऑक्सीजन की उपलब्धता, सूक्ष्मजीवों की गतिविधि और आवारा धाराओं की उपस्थिति जैसे कारकों से प्रभावित होता है।
मिट्टी की विविधता के कारण एक ही घटक की सतह पर विद्युत रासायनिक स्थितियों में स्थानीय भिन्नताएँ हो सकती हैं। पाइपलाइनों, टैंकों, भूमिगत संरचनाओं और विभिन्न प्रकार की मिट्टी के बीच संक्रमण बिंदुओं पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए।
भूमिगत संरचनाओं के लिए, सामग्री का चयन सुरक्षा का केवल एक पहलू है। संरचना और परिस्थितियों के आधार पर, उपयुक्त कोटिंग, कैथोडिक सुरक्षा और आवारा धारा नियंत्रण का भी उपयोग किया जाता है।

ताजे और औद्योगिक जल में संक्षारण

"पानी" शब्द किसी एक संक्षारक वातावरण का वर्णन नहीं करता है। पीने का पानी, नदी का पानी, कुएं का पानी, शीतलन जल, बॉयलर का पानी और प्रक्रिया जल रासायनिक संरचना और संक्षारकता में काफी भिन्न हो सकते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में क्लोराइड की मात्रा, पीएच, तापमान, ऑक्सीकरण, कठोरता, चालकता, तलछट की उपस्थिति और अवरोधकों, जैवनाशकों और अन्य तकनीकी योजकों की उपस्थिति शामिल हैं। प्रवाह की स्थितियाँ भी महत्वपूर्ण हैं। ठहराव से तलछट, जैव-परत और स्थानीय ऑक्सीकरण अंतर का निर्माण हो सकता है, जबकि कुछ परिस्थितियों में बहुत अधिक प्रवाह दर से अपरदन और क्षरणकारी संक्षारण का खतरा बढ़ सकता है।
स्टेनलेस स्टील के मामले में, क्लोराइड पर विशेष ध्यान देना चाहिए। जैसे-जैसे इनकी सांद्रता और तापमान बढ़ता है, स्थानीय संक्षारण का खतरा भी बढ़ता जाता है, और सामग्री की पिटिंग और क्रेविस संक्षारण के प्रति प्रतिरोधक क्षमता, साथ ही PREN, CPT और CCT जैसे पैरामीटर भी तेजी से महत्वपूर्ण हो जाते हैं।

क्लोराइड वातावरण में संक्षारण

स्टेनलेस स्टील के उपयोग को सीमित करने वाले प्रमुख कारकों में क्लोराइड भी शामिल हैं। ये निष्क्रिय परत को स्थानीय रूप से अस्थिर कर सकते हैं और गड्ढेदार और दरार संक्षारण की शुरुआत कर सकते हैं। उपयुक्त परिस्थितियों में, क्लोराइड तनाव संक्षारण दरार (एससीसी) में भी योगदान दे सकते हैं।
जोखिम का आकलन केवल क्लोराइड सांद्रता के आधार पर नहीं किया जा सकता। तापमान, पीएच, विद्युत रासायनिक विभव, दरारों और तलछटों की उपस्थिति और सतह की स्थिति सभी महत्वपूर्ण कारक हैं। इसलिए, किसी विशिष्ट प्रजाति के लिए अनुमेय क्लोराइड सांद्रता एक सार्वभौमिक मान नहीं है जो सभी परिस्थितियों में लागू हो।
क्लोराइड वातावरण में स्टेनलेस स्टील की स्थानीय संक्षारण प्रतिरोधकता मुख्य रूप से क्रोमियम, मोलिब्डेनम और नाइट्रोजन की उपयुक्त मात्रा के साथ बढ़ती है। प्रारंभिक सामग्री तुलना के लिए PREN सूचकांक का उपयोग किया जाता है, जबकि स्थानीय संक्षारण आरंभ के लिए प्रयोगशाला प्रतिरोध को CPT और CCT का उपयोग करके अतिरिक्त रूप से निर्धारित किया जा सकता है।

अम्लीय वातावरण में संक्षारण

यदि पदार्थ की निष्क्रिय परत दी गई परिस्थितियों में स्थिर नहीं है, तो अम्लीय वातावरण तीव्र संक्षारण का कारण बन सकता है। हालांकि, कोई एक सर्वव्यापी "अम्ल प्रतिरोध" नहीं है। पदार्थ का व्यवहार अम्ल के प्रकार, उसकी सांद्रता, तापमान, ऑक्सीजन और अन्य ऑक्सीकारक पदार्थों की उपस्थिति, तथा क्लोराइड आयनों सहित संदूषकों पर निर्भर करता है।
सल्फ्यूरिक, हाइड्रोक्लोरिक, फॉस्फोरिक, नाइट्रिक, एसिटिक और फॉर्मिक अम्ल अलग-अलग संक्षारक वातावरण बनाते हैं। एक अम्ल के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी पदार्थ जरूरी नहीं कि दूसरे अम्ल के प्रति भी समान प्रतिरोध प्रदर्शित करे। हाइड्रोक्लोरिक अम्ल कई स्टेनलेस स्टील के लिए विशेष रूप से हानिकारक होता है क्योंकि इसमें अम्लीय वातावरण के साथ-साथ क्लोराइड की उच्च सक्रियता भी होती है।
अम्लीय वातावरण में उपयोग के लिए सामग्री का चयन करते समय, विशिष्ट प्रणाली पर विचार करना आवश्यक है: सामग्री – अम्ल – सांद्रता – तापमान – संदूषक। व्यवहार में, समसंक्षारण आरेखों का उपयोग, अन्य बातों के अलावा, दिए गए माध्यम के तापमान और सांद्रता के आधार पर संक्षारण दर निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

क्षारीय वातावरण में संक्षारण

कई स्टेनलेस स्टील मध्यम क्षारीय वातावरण के प्रति अच्छा प्रतिरोध प्रदर्शित करते हैं, लेकिन अत्यधिक सांद्रता वाले क्षार, विशेष रूप से उच्च तापमान पर, हानिकारक हो सकते हैं। क्षार का प्रकार, उसकी सांद्रता, तापमान और अन्य अशुद्धियों की उपस्थिति महत्वपूर्ण कारक हैं।

उदाहरण के लिए, सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH), जिसका उपयोग कई रासायनिक प्रक्रियाओं में किया जाता है। सांद्रता और तापमान के आधार पर, गलत तरीके से चुनी गई सामग्री में तीव्र संक्षारण या तनाव-संक्षारण दरारों के कुछ रूप विकसित हो सकते हैं। अम्लीय वातावरण की तरह, प्रतिरोध का आकलन केवल "क्षारीय वातावरण" शब्द के आधार पर नहीं, बल्कि विशिष्ट प्रक्रिया स्थितियों के आधार पर किया जाना चाहिए।

गैसों और निकास गैसों में संक्षारण

गैसीय वातावरण और निकास गैसें नमी और संघनन की उपस्थिति में और उच्च तापमान पर धातुओं के क्षरण का कारण बन सकती हैं। वातावरण की आक्रामकता तापमान, जल वाष्प, ऑक्सीजन, सल्फर यौगिकों, क्लोरीन और अन्य गैसीय घटकों की मात्रा और धातु की सतह पर उनके संघनन की संभावना जैसे कारकों द्वारा निर्धारित होती है। वे क्षेत्र जहां सतह का तापमान ओस बिंदु से नीचे गिर जाता है और घुलित दहन उत्पादों वाला संघनन बनता है, विशेष रूप से खतरनाक हो सकते हैं। परिस्थितियों के आधार पर, सामान्य, स्थानीय, संघनन और उच्च तापमान क्षरण हो सकता है। सामग्री का चयन करते समय गैस की संरचना, परिचालन तापमान और घटक के सतह तापमान, तीनों बातों का ध्यान रखना आवश्यक है।

सीवेज और सीवर प्रणालियों में जंग लगना

सीवेज और सीवेज प्रणालियाँ एक जटिल संक्षारक वातावरण बनाती हैं, जहाँ क्लोराइड, सल्फेट, सल्फाइड, कार्बनिक यौगिक, परिवर्तनशील pH, तलछट और सूक्ष्मजीव एक साथ मौजूद हो सकते हैं। अवायवीय परिस्थितियों में सूक्ष्मजीव संक्षारण (MIC) और हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S) के निर्माण की संभावना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। सीवेज के ऊपर के स्थानों में, H₂S जैविक प्रक्रियाओं द्वारा ऑक्सीकृत होकर ऐसे यौगिक बना सकता है जो अत्यधिक अम्लीय वातावरण उत्पन्न करते हैं, जो सीवेज अवसंरचना के कंक्रीट और धातु घटकों के लिए एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण समस्या है। स्थिर माध्यम, तलछट, बायोफिल्म और ऑक्सीकरण में अंतर स्थानीय संक्षारण को और बढ़ावा दे सकते हैं। सामग्री का चयन करते समय वास्तविक अपशिष्ट जल संरचना, तापमान, pH, क्लोराइड, सल्फर यौगिक, प्रवाह की स्थिति और सूक्ष्मजीवविज्ञानी गतिविधि को ध्यान में रखना चाहिए।

रासायनिक और पेट्रोकेमिकल वातावरण में संक्षारण

रासायनिक और पेट्रोकेमिकल संयंत्र सबसे विविध संक्षारक वातावरणों में से हैं। सामग्री अम्ल, क्षार, क्लोराइड, हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S), कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂), सल्फर यौगिक, विलायक, प्रक्रिया जल और कई रसायनों के मिश्रण के संपर्क में आ सकती है। ये स्थितियाँ सामान्य और स्थानीय संक्षारण, तनाव संक्षारण दरार (SCC), निक्षेपों के नीचे संक्षारण और अन्य प्रक्रिया-निर्भर तंत्रों को जन्म दे सकती हैं। सामग्री का प्रतिरोध न केवल माध्यम की रासायनिक संरचना पर निर्भर करता है, बल्कि इसकी सांद्रता, तापमान, दबाव, जल की मात्रा, प्रवाह, संदूषकों और संरचना के भीतर तनाव पर भी निर्भर करता है। अधिक आक्रामक वातावरणों में, मानक स्टेनलेस स्टील के अलावा, डुप्लेक्स और सुपरडुप्लेक्स स्टील, उच्च-मिश्र धातु ऑस्टेनिटिक स्टील और उपयुक्त रूप से चयनित निकल मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाता है। सामग्री का चयन हमेशा वास्तविक प्रक्रिया स्थितियों के आधार पर किया जाना चाहिए, क्योंकि "रासायनिक वातावरण" या "पेट्रोकेमिकल" जैसे सामान्य शब्द संक्षारण जोखिम का एक ही आकलन करने की अनुमति नहीं देते हैं।

पर्यावरण की आक्रामकता को निर्धारित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारक

पर्यावरण के प्रकार की परवाह किए बिना, कई ऐसे पैरामीटर हैं जो संक्षारण प्रक्रियाओं के क्रम पर विशेष रूप से मजबूत प्रभाव डालते हैं:

तापमान तापमान में वृद्धि अक्सर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करती है और स्थानीय संक्षारण के प्रति प्रतिरोध को कम कर सकती है।
pH – यह निष्क्रिय परत की स्थिरता और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के क्रम को प्रभावित करता है।
क्लोराइड और अन्य हैलाइड स्टेनलेस स्टील के स्थानीय क्षरण को शुरू करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से हैं।
ऑक्सीजन और अन्य ऑक्सीकारक – विद्युतरासायनिक क्षमता और निष्क्रिय परत को बनाए रखने की क्षमता को प्रभावित करता है।
मध्यम प्रवाह – इससे द्रव्यमान स्थानांतरण में सुधार हो सकता है, लेकिन उच्च गति पर और कणों की उपस्थिति में यह क्षरण संक्षारण के जोखिम को भी बढ़ा सकता है।
तलछट और दरारें – ऐसे स्थानीय वातावरण बनाएं जो मुख्य माध्यम से भिन्न हों और दरार संक्षारण को बढ़ावा दें।
सूक्ष्मजीवों – बायोफिल्म और माइक्रोबायोलॉजिकल गतिविधि स्थानीय विद्युत रासायनिक स्थितियों और एमआईसी विकास को प्रभावित कर सकती है।
विभिन्न धातुओं का संपर्क इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति में, यह गैल्वेनिक सेल के निर्माण का कारण बन सकता है।
तनाव – किसी विशेष वातावरण के साथ मिलकर यह तनाव संक्षारण दरार (एससीसी) का कारण बन सकता है।

संक्षारक वातावरण के लिए सामग्री का चयन

ऐसा कोई एक स्टेनलेस स्टील ग्रेड नहीं है जो सभी वातावरणों के लिए सर्वोत्तम हो। लोकप्रिय 304L और 316L स्टेनलेस स्टील कई प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन गर्म क्लोराइड वातावरण, समुद्री जल, प्रबल अम्लों या दरार संक्षारण के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील संरचनाओं में इनका प्रतिरोध अपर्याप्त हो सकता है।

पर्यावरण की आक्रामकता बढ़ने के साथ-साथ, 904L जैसे उच्च मिश्रधातु इस्पात, डुप्लेक्स और सुपरडुप्लेक्स इस्पात, 1.4547 और 1.4529 जैसे 6Mo ऑस्टेनिटिक इस्पात और उपयुक्त रूप से चयनित निकल मिश्रधातुओं का उपयोग किया जाता है। हालांकि, उच्च मिश्रधातु स्तर का होना यह स्वतः ही सुनिश्चित नहीं करता कि वह सामग्री हर वातावरण में सर्वोत्तम समाधान होगी।

चयन करते समय माध्यम की रासायनिक संरचना, तापमान, पीएच, क्लोराइड सांद्रता, प्रवाह की स्थिति, दरारों और तलछट की उपस्थिति, तनाव, निर्माण तकनीक और अपेक्षित परिचालन समय को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

पर्यावरण और सामग्री दोनों का एक साथ विश्लेषण किया जाना चाहिए।

संक्षारण प्रतिरोध एक ऐसा गुण नहीं है जिसे "संक्षारण-प्रतिरोधी इस्पात" जैसे एक शब्द से पर्याप्त रूप से वर्णित किया जा सके। कोई पदार्थ विशिष्ट वातावरण और परिचालन स्थितियों के आधार पर संक्षारण के प्रति प्रतिरोधी या संवेदनशील हो सकता है।

इसलिए, किसी भी संयंत्र का डिज़ाइन तैयार करते समय, संपूर्ण प्रणाली का विश्लेषण करना आवश्यक है: सामग्री – वातावरण – तापमान – डिज़ाइन – निर्माण विधि – परिचालन स्थितियाँ । केवल इसी दृष्टिकोण से संक्षारण के जोखिम का उचित आकलन और आवश्यक स्थायित्व वाली सामग्रियों का चयन संभव हो पाता है।

विभिन्न वातावरणों में धातुओं का क्षरण

प्रत्येक संक्षारक वातावरण के लिए अलग-अलग विश्लेषण की आवश्यकता होती है। निम्नलिखित शोधपत्रों में निम्नलिखित स्थितियों के लिए संक्षारण तंत्र, जोखिम कारक और सामग्री चयन सिद्धांतों का विस्तृत विवरण दिया गया है:

परिचालन वातावरण धातुओं और मिश्र धातुओं की स्थायित्वता निर्धारित करने वाले मूलभूत कारकों में से एक है। वायुमंडल, मिट्टी, समुद्री जल, औद्योगिक जल, क्लोराइड, अम्ल और क्षार पूरी तरह से अलग-अलग संक्षारक परिस्थितियाँ उत्पन्न कर सकते हैं और विभिन्न प्रकार के पदार्थ क्षरण तंत्रों को सक्रिय कर सकते हैं।
इसलिए, सामग्री के प्रकार की जानकारी मात्र से उसकी मजबूती का आकलन करना पर्याप्त नहीं है। उचित चयन के लिए वास्तविक परिचालन स्थितियों का निर्धारण और संभावित संक्षारण प्रक्रियाओं की पहचान करना आवश्यक है। सामग्री और पर्यावरण दोनों के ज्ञान के संयोजन से ही किसी संरचना के संक्षारण प्रतिरोध का सही आकलन संभव है।

इस्पात और धातुओं के संक्षारण के प्रकार