التآكل الشقي في الفولاذ المقاوم للصدأ: الأسباب واختيار الدرجة والوقاية التصميمية

يُعَدُّ التآكل في الشقوق هجومًا موضعيًّا يحدث داخل فراغات مغلقة جدًّا بحيث لا يتسنَّى تجديد الأكسجين فيها، وغالبًا ما يبدأ عند تركيز أقل من الكلوريد ودرجة حرارة أقل مقارنةً بالتآكل النقطي على سطح مكشوف. وأفضل وسيلة دفاعٍ تتضمَّن استخدام درجة تحتوي على نسبة أعلى من الموليبدنوم مع تصميم خالٍ من الشقوق: اختر الدرجة 316L بدلًا من 304L في بيئات الكلوريد الخفيفة، وارتقِ إلى الدرجة ثنائية الطور 2205 أو الدرجة ثنائية الطور الفائقة 2507 في المياه البحرية أو المحاليل المالحة، وتجنب في التصميم إنشاء فراغات ضيِّقة تحت الحشوات أو الرواسب أو الترسبات التي تمنع إعادة تشكُّل الغشاء الوقائي. وفي أي نظام يحتوي على الكلوريد، فإن تحديد السبيكة والهندسة معًا يمنع حدوث أعطال أكثر بكثير مما تحقِّقه مجرد معايير اختيار السبيكة وحدها.

الآلية: نقص الأكسجين وتحمُّض الوسط
تُقاوِم الفولاذ المقاوم للصدأ التآكل لأن طبقة رقيقة من أكسيد سلبي غنية بالكروم تتجدَّد باستمرار في أي مكان يتواجد فيه الأكسجين. أما داخل الشقوق، فينقطع هذا التوريد. ويتصرَّف هذا الفراغ كخلية دقيقة جامدة: فالأكسجين المحبوس بداخله يُستهلك في الحفاظ على الطبقة السلبية ولا يمكن تعويضه بالانتشار من السائل المحيط. ويصبح المعدن داخل الشق موجب الاستقطاب (أنوديًّا) بالنسبة إلى السطح المكشوف بحرية في الخارج، الذي يبقى سالب الاستقطاب (كاثوديًّا) ومزودًا بالأكسجين بكفاءة.

وعندما تذوب المعادن داخل الفراغ، تتراكم أيونات المعدن الموجبة وتهاجر أيونات الكلوريد إلى الداخل لموازنة الشحنة. ثم تخضع هذه الكلوريدات المعدنية للتفاعل مع الماء (التحلل المائي)، مُنتِجةً حمض الهيدروكلوريك ومخفضةً درجة الحموضة المحلية إلى ما بين ١ و٢، حتى لو كانت درجة حموضة السائل المحيط قريبة من الحياد. ويؤدي هذا الجيب الحمضي الغني بالكلوريدات إلى تدمير الطبقة الواقية (الحالة غير التفاعلية) ويعزِّز الهجوم في حلقة ذاتية الاستدامة. والنتيجة هي اختراق عميق، غالبًا ما يكون خفيًّا، تحت جزء يبدو نظيفًا من الخارج، ولذلك تُعَدُّ التآكل الشقي سببًا رئيسيًّا لحدوث ثقوب غير متوقعة في الوصلات المزودة بأطراف مفلنجية وأختام.

CCT مقابل CPT: لماذا تخفض الفراغات العتبة الحرجة
يوجّه معياران مخبريان اختيار الدرجة. ويعتبر درجة الحرارة الحرجة لحدوث التآكل النقطي (CPT) هي أعلى درجة حرارة تبدأ عندها ظاهرة التآكل النقطي على سطح مكشوف في اختبار كلوريد الحديديك القياسي وفق المعيار ASTM G48. أما درجة الحرارة الحرجة لحدوث التآكل في الشقوق (CCT) فهي نفس العتبة، لكن مع وجود جهاز مُحدث للشقوق مثبت بإحكام على العينة. ولسبيكة معينة، تكون قيمة CCT دائمًا أقل بكثير من قيمة CPT، وغالبًا ما تكون أقل بـ ١٥–٢٥ درجة مئوية. وببساطة شديدة، يسمح الشق ببدء التآكل في ظروف لا يتعرّض فيها السطح المكشوف لنفس السبيكة لأي تآكل.

ويستند الترتيب المذكور أعلاه إلى رقم معادل مقاومة التآكل النقطي (PREN)، والذي يُحسب بالعلاقة: PREN = %Cr + ٣,٣ × %Mo + ١٦ × %N. وتؤدي إضافات الموليبدينوم والنيتروجين إلى رفع المقاومة بشكل حاد، لذا فإن محتوى الموليبدينوم يشكّل العامل العملي الرئيسي عند استخدام السبيكة في بيئات عرضة لتكوين الشقوق. وينبغي اعتبار قيم CPT المنشورة متفائلة جدًّا بالنسبة للأجزاء المزودة بأختام أو الملوثة، ويجب الاعتماد قدر الإمكان على البيانات المستندة إلى CCT.

مصدر الشقوق
الشقوق نادراً ما تكون مقصودة. والمصادر المعتادة لها تشمل أسطح تركيب الحشوات والحلقات الدائرية (O-rings)، والوصلات الملولبة، والحلقات الخلفية، واختراق اللحام غير الكامل، والفراغات بين الأنابيب ولوحات التجميع، والوصلات المتراكبة (lap joints)، و underside الأقفال والدعامات والدعم الأنبوبي. وبالمثل، فإن الشقوق التي تتكون أثناء التشغيل تكون ضارةً بنفس القدر: مثل الرواسب الكلسية والمعدنية، والأغشية الحيوية والتلوث البحري، والمواد الصلبة المستقرة في مناطق التدفق المنخفض أو الفروع الميتة. ويسلك التآكل تحت الرواسب أو تحت التلوث سلوكاً مطابقاً تماماً للتآكل في الشقوق الصناعية، حيث يركّز أيونات الكلوريد ويحرم المعدن من الأكسجين أسفل الرواسب.

كما تُحتسب بقايا التصنيع أيضاً. فجزيئات الحديد المُمسوحة بواسطة أدوات الفولاذ الكربوني، وتناثر اللحام، والتصبغ الحراري الناتج عن عملية اللحام، كلها توفر بيئةً يبدأ فيها التآكل. أما عمليتا التنظيف الحمضي (pickling) والتأبيل (passivation) بعد التصنيع فتقومان بإزالة الحديد الحر واستعادة الطبقة الساكنة الموحدة، مما يرفع مقاومة التآكل في الشقوق بشكلٍ قابل للقياس في ظروف الاستخدام الفعلي.

اختيار الدرجة حسب محتوى الموليبدنوم
أوضح طريقٍ لزيادة مقاومة التشققات هو زيادة محتوى الموليبدينوم، مع دعمٍ من النيتروجين في درجات الفولاذ المزدوج. ويعرض الجدول أدناه قيمَ درجة الحرارة الحرجة للتآكل التشققي التقريبية (CPT) على الأسطح المكشوفة وتصنيفًا نوعيًّا لمخاطر التشقق لتوجيه الاختيار؛ فاقرأها كإرشادات مقارنةٍ، وليس كحدود تصميمٍ لسائلٍ معين.

للماء المحيط ذي التركيز المنخفض من الكلوريدات، يُعدّ الصلب غير القابل للصدأ ٣٠٤إل عادةً كافيًا. وعند وجود الكلوريدات أو ارتفاع درجة الحرارة أو الوصلات المزودة بالحشوات، يصبح الصلب غير القابل للصدأ ٣١٦إل الخيار المنطقي الأساسي، بينما يشكّل ٣١٧إل تحسّنًا متواضعًا عليه. أما في بيئات مياه البحر والمياه المنتجة ودوائر محلول التبييض أو المحلول الملحي، فإن درجتي الدوبلكس ٢٢٠٥ وسوبر دوبلكس ٢٥٠٧ توفران هامش مقاومة لا تحقّقه الدرجات الأوستنيتية. وتوفّر شركة ون تشيانغ جميع هذه الدرجات على شكل أنابيب بدون لحام ومُلحَمة وفق المواصفات الأمريكية ASTM A312 وA213 وA269 وA790 وA928، مع شهادات فحص المواد وفق المعيار الأوروبي EN 10204 إما من النوع ٣.١ أو ٣.٢، ويمكن توفير التحقق من قيمة مؤشر مقاومة التآكل المُعزَّز (PREN) عند الطلب.

التصميم لتجنّب الفراغات
تُهدر التحسينات المُحقَّقة في السبائك إذا بقيت الهندسة تُسبِّب احتجاز السوائل الراكدة، لذا تبدأ الممارسة الجيدة منذ مرحلة الرسومات التصميمية. وَفَّر اللحامات الطرفية ذات الاختراق الكامل بدلًا من الفلنجات المزودة بالحشوات والوصلات المتداخلة كلما أمكن ذلك، وصقل سطح اللحامات جيدًا، وابتعد عن الحلقات الداعمة التي تترك فجوة عند الجذر. وامنح سطح الدعائم والملحقات السفلي ختمًا محكمًا أو قم بلحامه بشكل مستمر بدلًا من ترك فجوات متداخلة مثبتة فقط بنقاط لحام مؤقتة. وحدّد الحشوات والحلقات التوصيلية (O-rings) التي تُركب بشكل كامل، واستخدم أسطح الختم المُقاومة لتشكل الفجوات.

من الناحية التشغيلية، حافظ على ارتفاع معدل التدفق لمنع الترسيب، وأزل الأجزاء الميتة من النظام، وصمّم النظام بحيث يسمح بالتصريف الكامل لضمان عدم تركّز أيونات الكلوريد أثناء فترات التوقف. كما أن عمليات التنظيف لإزالة الترسبات والغشاء الحيوي تقطع هجمات التآكل تحت الرواسب، بينما تساعد عمليات الفحص الروتيني لأسطح الفلنجات وطرف الأنابيب ومناطق تلامس الدعائم في اكتشاف أي تلون مبكر قبل أن يؤدي إلى ثقوب. وفي الحالات التي لا يمكن فيها تجنّب الفجوة فعلًا، عوّض عن ذلك برفع درجة محتوى الموليبدنوم في المادة المستخدمة.

استنتاجات عملية
تآكل الشقوق قابل للتنبؤ به ويمكن منعه. تذكَّر أن الفراغات والرواسب والتلوث تُكوِّن خلايا حمضية فقيرة بالأكسجين تهاجم المعدن عند درجات حرارة أقل بكثير من الحدود القصوى لدرجة الحرارة على السطح المكشوف. رتِّب سبائك المواد المرشحة وفقًا لمحتواها من الموليبدينيوم وقيمة مؤشر مقاومة التآكل (PREN)، واستخدم بيانات نمط درجة حرارة التآكل الحرجة للشقوق (CCT) بدلًا من الاعتماد فقط على درجة حرارة التآكل الحرجة للبقع (CPT) في الأجزاء المثبتة بالحلقات الختمية، وصمِّم الوصلات والدعامات بحيث تسمح بتصريف السوائل بدلًا من احتجازها. فالدرجة المناسبة من الفولاذ المقاوم للصدأ، والتصميم الخالي من الشقوق، والتفعيل السطحي الصحيح بعد التصنيع، كلُّها معًا تمنحك أنابيب مقاومة للصدأ تدوم عقودًا في البيئات الغنية بالكلوريدات.

الأسئلة الشائعة
س: لماذا يبدأ تآكل الشقوق عند درجة حرارة أقل من تآكل البقع؟
ج: لأن الشق يمنع وصول الأكسجين اللازم لإصلاح الطبقة السطحية الوقائية، ويسمح بتراكم الكلوريدات والحمض داخل الفراغ، وبالتالي تبدأ عملية التآكل في ظروف أكثر اعتدالًا مقارنةً بتآكل البقع على السطح المكشوف، وهو ما يظهر في درجة حرارة التآكل الحرجة للشقوق (CCT) التي تكون أقل كثيرًا من درجة حرارة التآكل الحرجة للبقع (CPT).
س: هل يكفي الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 316L لوقف تآكل الشقوق في مياه البحر؟
أ: عادةً لا. وبما أن سبيكة 316ل تحتوي على حوالي ٢,١٪ من الموليبدينوم، فهي عرضة للهجوم التآكلي في المياه البحرية الدافئة أو تحت الحشوات أو الرواسب؛ أما السبائك المزدوجة ٢٢٠٥ أو السبائك المزدوجة الفائقة ٢٥٠٧ فتوفر الهامش اللازم من الموليبدينوم والنيتروجين لضمان الأداء الموثوق في المياه البحرية.

تحدث مع ون تشيانغ حول اختيار درجات السبائك المقاومة للتآكل التآكلي وتصميم أنابيب خالية من التآكل التآكلي: +٨٦ ٥٧٧ ٨٩٢٢ ٢٥٩٥ \/ https://www.chinawqsteel.com/