การกัดกร่อนใต้คราบสกปรกของเครื่องทำความเย็น

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการกัดกร่อนใต้ชั้นสะสมตะกอน
1. คำจำกัดความ: การกัดกร่อนใต้ชั้นสะสมตะกอน (under-deposit corrosion) คือการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวโลหะจากชั้นสะสมตะกอนต่างๆ
2. กลไกการกัดกร่อน: เป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนเฉพาะจุด โดยกลไกนี้เกิดจากผลกระทบของรูปร่างทางเรขาคณิตของอุปกรณ์ รวมถึงผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อนและชั้นสะสมตะกอน ซึ่งทำให้การไหลของสารในพื้นผิวโลหะและการแพร่กระจายของสื่อไฟฟ้าถูกจำกัด ส่งผลให้ส่วนที่ถูกอุดตันมีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างจากส่วนอื่นๆ อย่างมาก นอกจากนี้ ค่า pH ของสารในบริเวณนั้นก็เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ซึ่งก่อให้เกิดการกัดกร่อนแบบเซลล์ที่ถูกอุดตัน (Occurrence cell corrosion) และทำให้ศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าลดลง ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนของเซลล์ไฟฟ้านั้นเอง ตามหลักการกัดกร่อน สามารถแบ่งออกเป็นการกัดกร่อนด้วยกรดและการกัดกร่อนด้วยด่าง โดยทั่วไปแล้ว การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นใต้คราบสกปรกในระบบระบายความร้อนแบบวนจะเป็นการกัดกร่อนด้วยกรด การเกิดคราบหินปูน หมายถึงกระบวนการที่ส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดคราบหินปูนในน้ำที่ใช้ในการระบายความร้อน ไปจับตัวบนพื้นผิวโลหะด้านน้ำ ส่วนคราบสกปรกนั้น ก็คือกลุ่มของสารแข็งต่างๆ รวมถึงคราบหินปูนด้วย สิ่งสกปรกที่พบได้บ่อย ได้แก่ ตะกอนโคลนและฝุ่นผง ผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน สิ่งมีชีวิตที่เป็นสารอินทรีย์ตามธรรมชาติ รวมถึงเศษซากต่างๆ เช่น อะลูมิเนียมออกไซด์ อะลูมิเนียมฟอสเฟต ไอรอนฟอสเฟต และสิ่งสกปรกอื่นๆ ส่วนสิ่งสกปรกในหอระบายความร้อนนั้นมาจากแหล่งต่างๆ ดังนี้: ① สิ่งสกปรกที่มาจากน้ำที่ใช้เติมเข้าไป ②มาจากมลพิษในอากาศ ③คราบสกปรกที่เกิดขึ้นจากระบบเอง จุลินทรีย์คือสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กซึ่งมักมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า โดยจุลินทรีย์มีหลายประเภท เช่น แบคทีเรีย สาหร่าย เชื้อรา และโปรโตซัว จุลินทรีย์จะเพิ่มจำนวนอย่างมากในระบบน้ำที่ใช้ในการทำความเย็น ซึ่งจะทำให้น้ำมีสีดำและมีกลิ่นเหม็น การทำลายสิ่งแวดล้อมนั้น จะก่อให้เกิดโคลนจำนวนมาก ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพในการทำความเย็นของหอระบายความร้อนลดลง นอกจากนี้ ยังทำให้ความสูญเสียพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่วนเชื้อราที่เกาะอยู่บนพื้นผิวโลหะก็จะก่อให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรง ปัจจัยเหล่านี้ล้วนส่งผลให้ระบบน้ำที่ใช้ในการทำความเย็นไม่สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยในระยะยาว ส่งผลกระทบต่อการผลิตและก่อให้เกิดความเสียหายทางเศรษฐกิจ ดังนั้น อันตรายจากจุลินทรีย์และการกัดกร่อนของคราบสนิมจึงมีความสำคัญเท่ากันกับอันตรายที่เกิดจากน้ำที่ใช้ในการระบายความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว การควบคุมอันตรายจากจุลินทรีย์จึงควรเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก จุลินทรีย์ในน้ำที่ใช้สำหรับการทำความเย็นมีดังนี้: เชื้อรา แบคทีเรียซัลเฟต แบคทีเรียที่สามารถลดสารต่างๆ ได้ แบคทีเรียที่สามารถสังเคราะห์อาหารได้ด้วยตนเอง แบคทีเรียประเภทอื่นๆ แบคทีเรียกำมะถัน แบคทีเรียเหล็ก แบคทีเรียที่สามารถเปลี่ยนสารไนเตรตให้เป็นสารอื่นได้ และสาหร่าย โดยสาหร่ายเป็นพืชสีเขียวชนิดหนึ่งที่มีระดับการพัฒนาต่ำ ไม่มีการแบ่งส่วนของลำต้นและใบ ดังนั้นจึงเรียกว่าพืชชนิดพื้นฐาน ความแตกต่างหลักระหว่างสาหร่ายกับเชื้อราคือ สาหร่ายมีคลอโรพลาสต์ซึ่งสามารถใช้ในการสังเคราะห์แสงได้ สิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างสารอาหารได้เองคือสิ่งมีชีวิตที่ใช้แสงในการสังเคราะห์อาหาร ในระบบน้ำที่ใช้ในการระบายความร้อน มักจะพบสาหร่ายสามประเภท ได้แก่ สาหร่ายสีน้ำเงิน-เขียว สาหร่ายสีเขียว และสาหร่ายซิลิกา สาหร่ายเหล่านี้จะเติบโตและขยายพันธุ์ในบริเวณที่มีแสงส่องถึงภายในถังน้ำที่ใช้ในการระบายความร้อน จากนั้นเมื่อสาหร่ายเหล่านี้ตายลง ก็จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของตะกอนที่เกิดขึ้นในระบบน้ำ ส่วนการกัดกร่อนของโลหะนั้นเกิดจากปฏิกิริยาทางอิเล็กโทรเคมี นอกจากนี้ การกัดกร่อนจากกรดก็เกิดจากปฏิกิริยา H+ + 2e- → H2 ส่วนผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อนก็คือเกลือที่ละลายน้ำได้ และการสลายตัวของเกลือเหล่านี้ก็จะทำให้สภาพของสารละลายมีความเป็นกรดมากขึ้น ซึ่งจะเร่งให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะมากขึ้นอีก การกัดกร่อนของโลหะบนพื้นผิวโดยน้ำนั้น เกิดจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีเป็นหลัก ในเซลล์การกัดกร่อน ปฏิกิริยาที่ขั้วลบคือการลดออกซิเจน ส่วนโลหะในบริเวณที่ถูกปิดกั้นอยู่ใต้คราบสกปรกจะทำหน้าที่เป็นขั้วบวก และปฏิกิริยาที่ขั้วบวกก็คือการละลายของเหล็กนั่นเอง ปฏิกิริยาการกัดกร่อนของเหล็กคาร์บอนในน้ำมีดังนี้: ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนด: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ ส่วนเหล็กในรูปไอออน Fe²⁺ จะทำปฏิกิริยากับน้ำได้ว่า Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)₂ + H⁺ ซึ่งทำให้ค่า pH ของสารในบริเวณใต้คราบสกปรกลดลง และส่งผลให้การกัดกร่อนเกิดขึ้นเร็วขึ้น ปฏิกิริยาที่ขั้วลบ: O2 + 2H2O + 4e⁻ = 4OH⁻ ดังนั้น การกัดกร่อนใต้สะเก็ดโลหะจึงเกิดจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีของโลหะเอง ซึ่งมีผลให้เกิดการกัดกร่อนเร็วขึ้น กลไกทางอิเล็กโทรเคมีของการกัดกร่อนแบบจุดและการกัดกร่อนในช่องว่างนั้นมีลักษณะคล้ายคลึงกัน ตะกอนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวสำหรับการถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้น มักจะมีความหนาแน่น ความหนา และองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่สม่ำเสมอ การมีตะกอนที่ไม่สม่ำเสมอเช่นนี้จะทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอทางด้านไฟฟ้าเคมีบนพื้นผิวโลหะ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาการกัดกร่อนทางเคมีได้ง่าย นอกจากนี้ ตะกอนยังทำให้สารที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อนในน้ำ เช่น H+, OH-, Cl-, Mg2+, S2- เป็นต้น มารวมตัวกันที่พื้นผิวโลหะใต้ตะกอน และก่อให้เกิดปฏิกิริยาการกัดกร่อน ผลลัพธ์คือโลหะในบริเวณนั้นจะเสียหายและบางลง และการกัดกร่อนอาจรุนแรงถึงขั้นทำให้แผ่นเหล็กของอุปกรณ์เสียหาย จนทำให้อุปกรณ์รั่วไหลได้ ผลการวิจัยที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่า การเกิดการกัดกร่อนใต้คราบสกปรกนั้นจำเป็นต้องมีเงื่อนไขและระยะเวลาในการเกิดขึ้น โดยเงื่อนไขหลักคือต้องมีไอออนที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อน รวมถึงสารออกซิไดซ์อยู่ในสื่อด้วย บริเวณที่เกิดการกัดกร่อนจากการอุดตันของแบตเตอรี่มีขนาดเล็กมาก ทำให้สารไอออนิกภายในบริเวณนั้นไม่สามารถแลกเปลี่ยนหรือแพร่กระจายกับสารในสภาพแวดล้อมภายนอกได้ ภายในแบตเตอรี่ที่ถูกอุดตันนั้น เนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้า ทำให้เกิดการสลายตัวของไอออนโลหะ ส่งผลให้ความเข้มข้นของ H+ เพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้สภาพของสารในบริเวณที่เกิดการกัดกร่อนมีความเป็นกรดมากขึ้น และยิ่งเพิ่มแรงผลักดันให้เกิดปฏิกิริยาการกัดกร่อนมากขึ้นไปอีก สิ่งปนเปื้อนต่างๆ เช่น MnS ในโลหะ ข้อบกพร่องบนพื้นผิว สนิมที่เกิดจากการรีดโลหะ และสิ่งที่เกาะอยู่บนพื้นผิว (โดยเฉพาะซัลไฟด์ที่มีโครงสร้างไม่แข็งแรง) สื่อกลางที่อยู่นิ่ง ไอออน Cl‑ ในสื่อกลาง และอุณหภูมิที่สูง ล้วนเป็นปัจจัยที่กระตุ้นให้เกิดการอุดตันของแบตเตอรี่ ส่วนการมีอยู่ของออกซิเจนจะทำให้อัตราการกัดกร่อนเพิ่มขึ้น 1–2 ระดับ แรงโน้มถ่วงทำให้รูที่อยู่บริเวณก้นภาชนะมีอัตราการขยายตัวสูงกว่ารูที่อยู่บนพื้นผิวแนวตั้งหรือพื้นผิวที่หันลงมา ดังนั้นก้นภาชนะจึงเป็นส่วนแรกที่เกิดรอยรั่ว ซัลไฟด์ที่อยู่ในสื่อต่างๆ จะก่อให้เกิดชั้นซัลไฟด์ที่มีความหนาพอสมควรบนพื้นผิวของเหล็ก ซึ่งชั้นนี้จะช่วยรักษาความชื้นไว้ในบริเวณที่เกิดการอุดตัน และขัดขวางไม่ให้สื่อต่างๆ แพร่ออกไปข้างนอก ส่งผลให้เกิดการอุดตันของแบตเตอรี่ได้เร็วขึ้น และทำให้เกิดการกัดกร่อนได้เร็วขึ้นเช่นกัน โดยปกติแล้ว การอุดตันดังกล่าวจะสามารถทำให้แผ่นเหล็กที่มีความหนา 3 มม. เกิดรูได้ภายในเวลา 3–24 เดือน นอกจากนี้ พื้นผิวที่เรียบและสะอาดยังช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการอุดตันในแบตเตอรี่ได้อีกด้วย หากเกิดการอุดตันขึ้น ก็สามารถใช้วิธีการทำความสะอาดพื้นผิวเพื่อชะลอกระบวนการกัดกร่อนได้ 3. ผลเสีย ในกระบวนการผลิตปิโตรเคมีและไฟฟ้าจากพลังงานความร้อน ปัญหาการเกิดตะกอนบนเครื่องทำความเย็นถือเป็นปัญหาที่พบได้บ่อย การเกิดตะกอนจะทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์ลดลง และส่งผลให้กำลังการผลิตของอุปกรณ์ลดลงด้วย ； เพิ่มแรงต้านการไหลของสื่อกลาง ทำให้ค่าพลังงานที่ใช้ในอุปกรณ์ขนส่งเพิ่มขึ้น ชั้นสกปรกยังสามารถก่อให้เกิดการกัดกร่อนใต้ชั้นสกปรกของอุปกรณ์ได้อีกด้วย ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง ； ในกรณีที่รุนแรง อาจทำให้อุปกรณ์อุดตัน ส่งผลต่อการผลิตที่ราบรื่นของเครื่องจักร และอาจนำไปสู่การหยุดการผลิตได้ ในปัจจุบัน วิธีการกำจัดตะกรันในเครื่องทำความเย็นนั้น ส่วนใหญ่จะใช้วิธีหยุดเครื่องเพื่อทำความสะอาดเป็นระยะๆ (ไม่ว่าจะเป็นการทำความสะอาดด้วยสารเคมีหรือการใช้แรงดันสูง) นี่เป็นวิธีแก้ไขปัญหาในภายหลังเท่านั้น ไม่สามารถแก้ไขปัญหาเรื่องประสิทธิภาพที่ลดลง หรือการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นใต้คราบสกปรก ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเครื่องทำความเย็นได้ สิ่งสกปรกต่างๆ เช่น โคลนที่ติดมาด้วย มักจะไปสะสมกันจนเกิดคราบสกปรก ซึ่งก่อให้เกิดการกัดกร่อนใต้คราบสกปรกนั้น ยิ่งความเข้มข้นของออกซิเจนในสารละลายสูงเท่าไร ความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างน้ำกับคราบสกปรกก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบก็จะยิ่งสูงขึ้นด้วย ส่งผลให้เหล็กมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนเมื่อมีปฏิกิริยากับออกซิเจนมากขึ้น ยิ่งชั้นสกปรกหนาเท่าไร ก็ยิ่งเกิดการกัดกร่อนใต้ชั้นสกปรกได้ง่ายขึ้น และจะลุกลามไปเรื่อยๆ จนถึงขั้นทำให้เกิดรูได้