تشقق التآكل الإجهادي الناتج عن الكلوريد: لماذا يتشقق الفولاذ المقاوم للصدأ ٣١٦ل بينما يقاوم الصلب المزدوج

يحدث تصدّع التآكل الإجهادي الناتج عن الكلوريد، أو ما يُعرف اختصارًا بـ CSCC، عندما تجتمع ثلاث شروط في آنٍ واحد: إجهاد شدٍّ مستمر، ووجود أيونات الكلوريد، ودرجة حرارة تفوق نحو ٦٠ درجة مئوية. وفي ظل هذه الظروف، قد تتعرّض الدرجات القياسيّة الأوستنيتيّة مثل 304L و316L إلى تصدّعٍ مفاجئٍ وكارثيٍّ، رغم أن سطحها لا يظهر عليه سوى تآكل عامٍ ضئيلٍ جدًّا؛ أما الدرجات ذات البنية الثنائية (الديوبلكس) مثل 2205 و2507، والصلب المقاوم للصدأ ذي البنية الفريتية الكاملة، فهي تقاوم التصدّع بكفاءةٍ أعلى بكثير. والمُتغيّر الحاسم هنا هو البنية المجهرية: فالطور الأوستنيتي المتواصل في سبيكة 316L عُرضةٌ بطبيعتها لهذا النوع من التصدّع، بينما تُعيق البنية الثنائية (الديوبلكس) نمو الشقوق.

آلية الأرجل الثلاثة
يُوصَفُ تآكل التصدّع الناتج عن الإجهاد في وجود الكلوريدات (CSCC) غالبًا بأنه «كعَلَّاقةٌ ذات ثلاث أرجل»، ويسفر إزالة أي رجلٍ منها عن منع حدوث التصدّع. والرجل الأولى هي الإجهاد الشدّي، سواء كان ناتجًا عن حمل تشغيلي مطبَّق أو، وبشكلٍ أكثر شيوعًا، عن إجهادات متبقية تُثبَّت في المعدن أثناء اللحام أو الانحناء البارد أو عمليات التشكيل؛ إذ قد تقترب الإجهادات المتبقية القريبة من منطقة اللحام من حد الخضوع للمادة حتى في غياب أي حمل خارجي تمامًا. والرجل الثانية هي بيئة تحتوي على أملاح الكلوريد، والتي قد يكون الحد الأدنى لتركيزها المسبِّب للتآكل منخفضًا بشكلٍ مفاجئ، لأن أيونات الكلوريد تتراكم تحت الرواسب أو في الشقوق أو أسفل العزل الحراري مع تبخر الماء. والرجل الثالثة هي درجة الحرارة؛ إذ تزداد قابلية حدوث هذا النوع من التآكل ازديادًا حادًّا عند درجات حرارة تجاوزت ٦٠ درجة مئوية تقريبًا، ولذلك تُعد الأنابيب الساخنة وخطوط الأنابيب المشعَّة بالبخار والمعدات المغطَّاة بعزل حراري من المواقع الكلاسيكية لحدوث الفشل. وعند تواجد هذه العوامل الثلاثة معًا، تبدأ التشققات من الحفر أو العيوب السطحية وتنتشر على هيئة شبكات دقيقة متفرِّعة، غالبًا ما تكون عابرة للحبوب، وقد تخترق الجدار المعدني خلال أسابيع. وبما أن السطح يظهر عادةً تآكلًا عامًّا ضئيلًا جدًّا أو معدومًا، فإن تآكل التصدّع الناتج عن الإجهاد في وجود الكلوريدات لا يُعطي غالبًا أي إنذار مرئي قبل حدوث تسربٍ عبر الجدار أو انفجارٍ مفاجئ، وهذا ما يجعله خطيرًا للغاية في التطبيقات ذات الضغط.

لماذا تكون الدرجات الأوستنيتية عرضة للتشقق
تنبع قابلية 304L و316L للتشقق من تركيبهما الأوستنيتي الكامل ذي البنية المكعبة المركزية في الوجه، ومحتواهما من النيكل الذي يتراوح بين ٨ و١٢ في المئة تقريبًا. وتُظهر الخبرة والبيانات المختبرية أن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يكون أكثر عرضةً للتشقق التآكلي المسبب بالتوتر (CSCC) تحديدًا في هذا المدى المتوسط من النيكل، حيث ينهار الفيلم الوقائي محليًّا، ويجد الشق مسارًا أوستنيتيًّا غير منقطع يتبعه. وبما أن الطور الوحيد هو طور مستمر، فإن بدء الشق لا يواجه أي حاجزٍ معدنيٍّ يبطئ انتشاره، لذا تميل حالات الفشل إلى الحدوث بسرعةٍ كبيرةٍ مع إعطاء إنذارٍ ضئيلٍ جدًّا. أما الموليبدنوم الموجود في 316L فيحسّن مقاومة التآكل النقطي ويبطئ بدء التشقق بشكلٍ طفيفٍ، لكنه لا يغيّر القابلية الأوستنيتية الأساسية، ولذلك تظل 316L عرضةً للتشقق في بيئات الكلوريد الدافئة.

الجدول: السلوك النسبي للتشقق التآكلي المسبب بالتوتر

لماذا تقاوم الدرجات ذات البنية الثنائية التشقق
تُقاوِم فولاذات الستانلس ستيل ذات البنية الثنائية التآكل المُسبب بالشد في وجود الكلوريدات (CSCC) لأن نحو نصف تركيبها يتكون من الفريت، الذي يتميّز بهيكل بلوري مركزي الجسم (body-centered-cubic)، وهو في الأصل أكثر مقاومةً بكثيرٍ للتآكل الناتج عن الكلوريدات مقارنةً بالأوستنيت. وفي البنية المجهرية ثنائية الطور، فإن الشق الذي يبدأ في جزيرة أوستنيتية يصطدم سريعًا بحبية فريتية توقفه أو تنحّيه، وبالتالي لا توجد مسار انتشار مستمر للشق يُفضي إلى الفشل كما هو الحال في سبيكة 316L. كما أن انخفاض نسبة النيكل وارتفاع نسبتي الكروم والموليبديوم في السبائك ثنائية الطور يؤديان إلى تشكُّل غشاء سلبي أكثر استقرارًا. والنتيجة العملية هي قفزة كبيرة في درجة الحرارة وتركيز الكلوريدات اللذين يمكن تحملهما قبل أن يصبح التشقق خطرًا: فبينما قد تقتصر سبيكة 316L على درجات حرارة معتدلة عند استخدامها في بيئات تحتوي كلوريدات، فإن سبيكتي 2205 و2507 توسّعان نطاق التشغيل الآمن بشكل كبير، ولذلك تُعدّان الترقية القياسية المستخدمة في خطوط المياه البحرية الساخنة، والمياه شبه المالحة، وخطوط العمليات الصناعية التي تحتوي كلوريدات. ومع ذلك، فإن مقاومة السبائك ثنائية الطور ليست غير محدودة؛ إذ قد تتعرّض حتى هذه السبائك في النهاية للتشقق عند درجات حرارة مرتفعة جدًّا وتركيزات عالية جدًّا من الكلوريدات، لكن العتبة الحرارية ترتفع بمقدار عشرات الدرجات، وهي عادةً كافية لنقل التطبيق من نطاق الخطر الدائم للفشل إلى نطاق التشغيل الآمن.

شروط العتبة والتعرُّف على المخاطر
لا توجد عتبة واحدة عالمية، لكن توجيهات مفيدة موجودة. ففي الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من الدرجتين 304 و316، يزداد خطر التآكل المتشقق الناتج عن الإجهاد (CSCC) ازديادًا حادًّا عند درجات حرارة تجاوزت نحو ٦٠ درجة مئوية عندما يكون وجود أيونات الكلوريد والإجهاد الشدّي معًا؛ أما دون تلك الحرارة، فيُستخدم هذان النوعان عادةً في بيئات تحتوي على الكلوريدات بموثوقية مقبولة. ومن الحالات الخاصة المشهورة جدًّا تآكل ما تحت العزل، حيث تتسرب مياه الأمطار الحاملة لأيونات الكلوريد إلى طبقة العزل المحيطة بأنابيب ساخنة، ثم تتبخَّر هذه المياه، مركِّزةً أيونات الكلوريد عند سطح المعدن إلى مستويات تفوق تركيزها في السائل الأصلي بعدة مرات، ما يؤدي إلى تشقُّق الأنابيب التي كانت كيمياء العملية وحدها تصنِّفها آمنة. والخطوة الأولى لمنع الفشل هي التعرُّف على هذه الظروف: الأسطح الساخنة، والعزل، والشقوق الضيقة (التجويفات)، والتراكيز الناتجة عن التبخر، والإجهادات المتبقية من اللحام.

استراتيجيات الوقاية
يتم منع الهجمات الفعّالة عن طريق استهداف ساق أو أكثر من آلية التآكل. وأكثر التدابير موثوقيةً هي رفع الدرجة: أي استبدال السبيكة 316L بسبيكتَي 2205 أو 2507، إذ يُزيل ذلك القابلية المعدنية للتآكل بدلًا من مجرد إدارة البيئة المحيطة، وهي الحل القياسي للاستخدام في بيئات الكلوريد الحارة. أما في الحالات التي تكون فيها درجة السبيكة ثابتة، فإن خفض الإجهاد الشدّي يساعد: فالتخمير الحلولي بعد اللحام أو معالجة إزالة الإجهاد تقلّل من الإجهادات المتبقية، كما أن التعديلات التصميمية التي تجنّب تركيزات الإجهاد تخفّف من القوة الدافعة للتآكل. أما المسار الثالث فهو التحكم في البيئة المحيطة، وذلك بالحفاظ على انخفاض تركيز أيونات الكلوريد على السطح، والقضاء على الشقوق والمناطق الراكدة التي تتراكم فيها الكلوريدات، واختيار أنظمة العزل والطلاءات التي تطرد الماء، والحفاظ على درجة الحرارة دون العتبة التي تصبح عندها المادة عرضة للتآكل. وتفصيلات التصنيع مهمةٌ أيضًا، لأن وجود الحديد المدمج، وتناثر اللحام، والأسطح الخشنة تشكّل مواقع بدء التآكل؛ أما المعالجة بالتفتيت (Passivation) والتنظيف الحمضي (Pickling) بعد التصنيع فهي تعيد تكوين غشاء سلبي نظيف ومتجانس، وتزيل الحديد الحر الذي قد يُحفِّز تكوّن الحفر والتشققات. ويؤكّد التحقق من المادة المسلَّمة عبر تحديد هويتها الإيجابي (PMI)، وتحليل تركيبها الكيميائي، واختباراتها الميكانيكية واختبارات مقاومتها للتآكل، أن الأنبوب المركّب فعليًّا هو بالفعل السبيكة المقاومة المحددة في المواصفات. وبجمع الدرجة المناسبة مع الإجهاد المُدار والبيئة المُنظَّمة، يتحوّل التآكل المتشقق الناتج عن الكلوريد المُجهَّز (CSCC) من خطرٍ غير متوقعٍ إلى وضع فشلٍ مفهوم جيدًا ويمكن تجنّبه.

الأسئلة الشائعة
س: عند أي درجة حرارة تصبح سبيكة 316L عرضةً لتشقق التآكل الناتج عن الإجهاد في وجود الكلوريدات؟
ج: يزداد الخطر بشكل حاد فوق حوالي ٦٠ درجة مئوية عندما تكون الكلوريدات والإجهاد الشدّي موجودين معًا؛ أما دون هذه الدرجة، فتُستخدم السبائك الأوستنيتية على نطاق واسع في التطبيقات التي تتضمّن الكلوريدات.
س: لماذا تقاوم السبائك الثنائية (دوبلكس) التشقق أفضل من سبيكة 316L؟
ج: إن تركيبها المجهرى يتكون من نحو نصف فيريت، الذي يمتلك مقاومة ذاتية لتشقق الكلوريدات، كما أنه يقطع المسار الأوستنيتي المتواصل الذي يسمح بانتشار الشقوق في سبيكة 316L.

هل تواجه خطر تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد في وجود الكلوريدات؟ انتقل إلى أنابيب الدوبلكس أو السوبر دوبلكس من شركة تشيجيانغ ونكيانغ للفولاذ المقاوم للصدأ المحدودة. الهاتف: +٨٦ ٥٧٧ ٨٩٢٢ ٢٥٩٥ \/ https://www.chinawqsteel.com/