أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المقاومة للتآكل

في برنامج منتجاتنا نقدم لعملائنا فئتين من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ التي تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل الفولاذ المقاوم للصدأ

أوستنيتي-فريتية الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج تتميز بخصائصها الميكانيكية الممتازة، وخاصةً خصائصها الميكانيكية العالية التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي المقاومة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات البحرية وفي الصناعة الكيميائية. كما أن مقاومتها الممتازة للتآكل تمكنها من تحمل وسط الكلوريد، خاصةً في ظل الظروف الميكانيكية الإجهاد. وهذا يجعلها تتفوق على الفولاذ الأوستنيتي في كثير من الحالات.

فئة الأوستنيتي مقاومة للتآكل تشمل أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ في المقام الأول المواد ذات السبائك العالية (مثل النيكل والكروم والموليبدينوم). وهي مقاومة لأنواع مختلفة من التآكل الناجم عن التأثيرات الكيميائية الرطبة، ولا تزال قادرة على الحفاظ على مصفوفة مكعبة ذات وجه أوستنيتي متمركزة في الوسط. وهذا يخلق مجموعة من الفولاذ المقاوم للصدأ متعدد الاستخدامات.

على الرغم من أن أحد الأسباب الرئيسية لاستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ هو مقاومة التآكلإلا أنها في الواقع تعاني من أنواع معينة من التآكل في بعض البيئات ويجب توخي الحذر لاختيار الدرجة المناسبة للاستخدام. التآكل يمكن أن يسبب مجموعة متنوعة من المشاكل، اعتمادًا على التطبيقات: ثقب مثل الخزانات والأنابيب، مما يسمح بتسرب السوائل أو الغازات,

فقدان القوة حيث يكون المقطع العرضي الهيكلية يقلل التآكل من تآكل الأعضاء، مما يؤدي إلى فقدان قوة الهيكل والفشل اللاحق. تدهور المظهر، حيث يمكن أن تؤدي نواتج التآكل أو الحفر إلى الانتقاص من المظهر الخارجي المزخرف.

أخيرًا، يمكن أن ينتج عن التآكل ترسبات قشرية أو صدأ يمكن أن يلوث المواد التي يتم التعامل معها؛ وينطبق هذا بشكل خاص في حالة معدات معالجة الأغذية.

يمكن تصنيف تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ على أنه واحد من:

• التآكل العام
• التآكل الناجم عن التأليب
• تآكل الشقوق
• التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي
• الكبريتيد التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي
• التآكل بين الخلايا الحبيبية
• التآكل الجلفاني
• تآكل التلامس

التآكل العام

التآكل حيث يكون هناك إزالة عامة منتظمة للمادة، عن طريق الذوبان، على سبيل المثال عند استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في المصنع الكيميائي لاحتوائه على أحماض قوية. يعتمد التصميم في هذه الحالة على البيانات المنشورة للتنبؤ بعمر المكون.

تسرد البيانات المنشورة إزالة المعدن على مدار عام. يتم نشر جداول المقاومة لمختلف المواد الكيميائية من قبل منظمات مختلفة وتتوفر مجموعة كبيرة جدًا من الرسوم البيانية والقوائم والتوصيات والأوراق الفنية من خلال مصنعي وموردي الفولاذ المقاوم للصدأ.

التآكل الناجم عن التأليب

في ظل ظروف معينة، لا سيما تلك التي تنطوي على تركيزات عالية من الكلوريدات (مثل كلوريد الصوديوم في مياه البحر)، ودرجات حرارة مرتفعة بشكل معتدل، وتتفاقم بسبب انخفاض درجة الحموضة (أي الظروف الحمضية)، يمكن أن يحدث تآكل موضعي للغاية مما يؤدي إلى ثقب الأنابيب والتجهيزات وما إلى ذلك. لا يتعلق هذا الأمر ببيانات التآكل المنشورة حيث أنه تآكل موضعي وشديد للغاية يمكن أن يخترق المقطع العرضي للمكون. تعتبر الدرجات الغنية بالكروم، وخاصةً الموليبدينوم والنيتروجين أكثر مقاومة للتآكل الناتج عن التنقر.

الرقم المكافئ لمقاومة التأليب (PREN)

وُجد أن الرقم المكافئ لمقاومة التنقر (PREN) يعطي مؤشرًا جيدًا لمقاومة التنقر للفولاذ المقاوم للصدأ. ويمكن حساب الرقم المعادل لمقاومة التأليب على النحو التالي:

PREN = %TCr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

أحد الأسباب التي تجعل التآكل الناجم عن التآكل شديد الخطورة هو أنه بمجرد بدء الحفرة يكون هناك ميل قوي لاستمرارها في النمو، على الرغم من أن غالبية الفولاذ المحيط بها لا يزال غير متأثر.

يمكن تقييم ميل فولاذ معين للهجوم عن طريق التآكل بالتأليب في المختبر. تم وضع عدد من الاختبارات القياسية، وأكثرها شيوعًا هو الاختبار الوارد في ASTM G48. يمكن رسم رسم بياني يوضح درجة الحرارة التي من المحتمل أن يحدث عندها التآكل النقر، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. درجة الحرارة التي من المحتمل أن يحدث عندها التآكل التنقر

يعتمد هذا على اختبار مختبر كلوريد الحديديك القياسي، ولكنه يتنبأ بالنتائج في العديد من ظروف الخدمة.

تآكل الشقوق

وتعتمد مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل على وجود طبقة أكسيد واقية على سطحه، ولكن من الممكن في ظل ظروف معينة أن تتكسر طبقة الأكسيد هذه، على سبيل المثال في الأحماض المختزلة، أو في بعض أنواع الاحتراق حيث يكون الجو مختزلاً. كما يمكن أن تكون المناطق التي يمكن أن تتكسر فيها طبقة الأكسيد في بعض الأحيان نتيجة لطريقة تصميم المكونات، على سبيل المثال تحت الحشيات، أو في الزوايا الحادة المعاد إدخالها أو المرتبطة باختراق اللحام غير المكتمل أو الأسطح المتداخلة. هذه كلها يمكن أن تشكل شقوقًا يمكن أن تعزز التآكل. ولكي تعمل كموقع للتآكل، يجب أن يكون الشق بعرض كافٍ للسماح بدخول التآكل، ولكن يجب أن يكون ضيقًا بما فيه الكفاية لضمان بقاء التآكل راكدًا. وبناءً على ذلك، يحدث التآكل الشقوق عادةً في الفجوات التي يبلغ عرضها بضعة ميكرومترات، ولا توجد في الأخاديد أو الشقوق التي يمكن أن تدور فيها المادة المتآكلة. يمكن التغلب على هذه المشكلة في كثير من الأحيان من خلال الاهتمام بتصميم المكوِّن، وخاصةً لتجنب تكوين الشقوق أو على الأقل إبقائها مفتوحة قدر الإمكان. إن التآكل الشقوق هو آلية مشابهة جدًا للتآكل النقر؛ فالسبائك المقاومة لأحدهما تكون مقاومة لكليهما بشكل عام. يمكن النظر إلى التآكل الشقوق على أنه شكل أكثر حدة من التآكل النقر حيث يحدث في درجات حرارة أقل بكثير من التآكل النقر.

التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC)

تحت التأثيرات المشتركة للإجهاد وبعض البيئات المسببة للتآكل يمكن أن يتعرض الفولاذ المقاوم للصدأ لهذا الشكل السريع والحاد للغاية من التآكل. يجب أن تكون الضغوطات ناتجة عن الشد ويمكن أن تنتج عن الأحمال المطبقة أثناء الخدمة، أو الضغوطات التي تنشأ عن نوع التجميع مثل تداخل المسامير في الثقوب، أو من الضغوطات المتبقية الناتجة عن طريقة التصنيع مثل الشغل على البارد. البيئة الأكثر ضررًا هي محلول الكلوريدات في الماء مثل مياه البحر، خاصةً في درجات الحرارة المرتفعة. ونتيجة لذلك فإن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ محدود في حمل المياه الساخنة (فوق حوالي 50 درجة مئوية) التي تحتوي حتى على كميات ضئيلة من الكلوريدات (أكثر من بضعة أجزاء في المليون). هذا النوع من التآكل ينطبق فقط على مجموعة الفولاذ الأوستنيتي ويرتبط بمحتوى النيكل. الصف 316 ليس أكثر مقاومة للتآكل السطحي SCC من الصف 304. الفولاذ المزدوج غير القابل للصدأ أكثر مقاومة للتكلس الجليدي المانع للصدأ من الدرجات الأوستنيتي، حيث تكون الدرجة 2205 محصنة تقريبًا في درجات حرارة تصل إلى حوالي 150 درجة مئوية، والدرجات المزدوجة الفائقة أكثر مقاومة مرة أخرى. لا تعاني الدرجات الحديدية عمومًا من هذه المشكلة على الإطلاق.

في بعض الحالات وجد أنه من الممكن في بعض الحالات تحسين مقاومة التكلس الباطني المجلفن عن طريق تطبيق إجهاد ضاغط على المكون المعرض للخطر؛ ويمكن القيام بذلك عن طريق الصقل بالخردق على السطح على سبيل المثال. البديل الآخر هو ضمان خلو المنتج من إجهادات الشد عن طريق التلدين كعملية نهائية. كانت هذه الحلول للمشكلة ناجحة في بعض الحالات، ولكن يجب تقييمها بعناية فائقة، حيث قد يكون من الصعب جدًا ضمان عدم وجود إجهادات شد متبقية أو مطبقة.

من وجهة نظر عملية، قد تكون الرتبة 304 مناسبة في ظروف معينة. على سبيل المثال، يتم استخدام الرتبة 304 في الماء الذي يحتوي على 100 - 300 جزء في المليون من الكلوريدات في درجات حرارة معتدلة. قد تكون محاولة وضع حدود خطرة لأن الظروف الرطبة/الجافة يمكن أن تركز الكلوريدات وتزيد من احتمالية التشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي. يبلغ محتوى الكلوريد في مياه البحر حوالي 2% (20,000 جزء في المليون). وتوجد مياه البحر فوق 50 درجة مئوية في تطبيقات مثل المبادلات الحرارية لمحطات الطاقة الساحلية.

في الآونة الأخيرة كان هناك عدد قليل من حالات فشل التآكل الإجهادي للكلوريد في درجات حرارة أقل مما كان يُعتقد سابقًا. وقد حدثت هذه الحالات في الجو الدافئ الرطب فوق أحواض السباحة الداخلية المعالجة بالكلور حيث تستخدم تركيبات الفولاذ المقاوم للصدأ (درجة 316 بشكل عام) في كثير من الأحيان لتعليق عناصر مثل أنابيب التهوية. وقد شملت درجات حرارة منخفضة تصل إلى 30 إلى 40 درجة مئوية. كانت هناك أيضًا حالات فشل بسبب التآكل الإجهادي في درجات حرارة أعلى مع مستويات كلوريد منخفضة تصل إلى 10 جزء في المليون. هذه المشكلة الخطيرة للغاية ليست مفهومة بالكامل حتى الآن.

تكسير إجهاد التآكل الكبريتيدي (SSC)

من الأهمية بمكان بالنسبة للعديد من المستخدمين في صناعة النفط والغاز مقاومة المواد للتشقق الإجهادي الكبريتيدي الناتج عن التآكل الكبريتي. لم يتم تحديد آلية تآكل إجهاد الكبريتيد الإجهادي بشكل لا لبس فيه ولكنها تنطوي على العمل المشترك للكلوريد وكبريتيد الهيدروجين، وتتطلب وجود إجهاد الشد ولها علاقة غير خطية مع درجة الحرارة.

العوامل الثلاثة الرئيسية هي مستوى الإجهاد والبيئة ودرجة الحرارة.

مستوى الإجهاد

يمكن في بعض الأحيان تحديد إجهاد العتبة في بعض الأحيان لكل مجموعة من المواد - البيئة. تظهر بعض البيانات المنشورة انخفاضًا مستمرًا في إجهاد العتبة مع زيادة مستويات H2S. للحماية من SSC مواصفات NACE MR0175 الخاصة بالبيئات الكبريتيدية تحد من الصلابة القصوى للدرجات الأوستنيتية الشائعة إلى 22HRC.

البيئة

العوامل الرئيسية هي الكلوريد وكبريتيد الهيدروجين والأس الهيدروجيني. ويوجد تآزر بين هذه التأثيرات، مع وجود تأثير مثبط على ما يبدو للكبريتيد عند مستويات H2S العالية.

درجة الحرارة

مع زيادة درجة الحرارة، تزداد مساهمة الكلوريد ولكن تأثير الهيدروجين يقل بسبب زيادة حركته في مصفوفة الفريت. والنتيجة الصافية هي أقصى قابلية للتأثر في المنطقة 60-100 درجة مئوية. كما تم تحديد عدد من العوامل الثانوية، بما في ذلك كمية الفريت وحالة السطح ووجود شغل بارد وصبغة حرارية في اللحامات.

التآكل بين الخلايا الحبيبية

التآكل بين الخلايا الحبيبية هو شكل من أشكال التآكل السريع والموضعي نسبيًا المرتبط ببنية مجهرية معيبة تُعرف باسم ترسيب الكربيد. عندما يتم تعريض الفولاذ الأوستنيتي لفترة من الوقت في نطاق 425 إلى 850 درجة مئوية تقريباً، أو عندما يتم تسخين الفولاذ إلى درجات حرارة أعلى والسماح له بالتبريد خلال نطاق درجة الحرارة هذا بمعدل بطيء نسبياً (كما يحدث بعد اللحام أو التبريد بالهواء بعد التلدين)، يتحد الكروم والكربون في الفولاذ لتشكيل جزيئات كربيد الكروم على طول حدود الحبيبات في جميع أنحاء الفولاذ. يستنفد تكوين جسيمات الكربيد هذه في حدود الحبيبات المعدن المحيط من الكروم ويقلل من مقاومته للتآكل، مما يسمح للصلب بالتآكل بشكل تفضيلي على طول حدود الحبيبات. ويُقال إن الفولاذ في هذه الحالة "حساس".

وتجدر الإشارة إلى أن ترسيب الكربيدات يعتمد على محتوى الكربون ودرجة الحرارة والوقت عند درجة الحرارة. ويبلغ نطاق درجة الحرارة الأكثر حرجًا حوالي 700 درجة مئوية، حيث يترسب الكربيدات في حوالي دقيقتين في الفولاذ الكربوني 0.06%، في حين أن الفولاذ الكربوني 0.02% محصن فعليًا من هذه المشكلة.

من الممكن استصلاح الصلب الذي يعاني من ترسيب الكربيدات عن طريق تسخينه فوق 1000 درجة مئوية، متبوعًا بالتبريد بالماء للاحتفاظ بالكربون والكروم في محلول وبالتالي منع تكون الكربيدات. معظم الهياكل التي يتم لحامها أو تسخينها لا يمكن إعطاؤها هذا المعالجة الحرارية ولذلك تم تصميم درجات خاصة من الفولاذ لتجنب هذه المشكلة. وهذه الدرجات هي الدرجات المستقرة 321 (مثبتة بالتيتانيوم) و 347 (مثبتة بالنيوبيوم). تيتانيوم والنيوبيوم لكل منهما انجذاب للكربون أعلى بكثير من الكروم، وبالتالي تتشكل كربيدات التيتانيوم وكربيدات النيوبيوم وكربيدات التنتالوم بدلاً من كربيدات الكروم، مما يترك الكروم في المحلول ويضمن مقاومة التآكل الكاملة.

هناك طريقة أخرى تستخدم للتغلب على التآكل بين الخلايا الحبيبية وهي استخدام درجات الكربون المنخفضة للغاية مثل الدرجات 316L و 304L؛ تحتوي هذه على مستويات منخفضة للغاية من الكربون (أقل من 0.03% بشكل عام) وبالتالي فهي أكثر مقاومة إلى حد كبير لترسيب الكربيد.

لا تسبب العديد من البيئات التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ الحساس، على سبيل المثال، حمض الأسيتيك الجليدي في درجة حرارة الغرفة، ومحلول الملح القلوي مثل كربونات الصوديوم، ومياه الشرب ومعظم المسطحات الداخلية للمياه العذبة. بالنسبة لمثل هذه البيئات، لن يكون من الضروري القلق بشأن التحسس. كما لا توجد مشكلة بشكل عام في الضوء المقياس الفولاذ لأنه عادةً ما يبرد بسرعة كبيرة بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة عالية.

كما أن وجود كربيدات حدود الحبيبات ليس ضارًا لقوة الفولاذ المقاوم للصدأ في درجات الحرارة العالية. وغالبًا ما تحتوي الدرجات المصممة خصيصًا لهذه التطبيقات على محتويات عالية من الكربون عن قصد لأن ذلك يزيد من قوتها في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف. هذه هي المتغيرات "H" مثل الدرجات 304H, 316H, 321H و 347Hوأيضًا 310. كل هذه تحتوي على محتويات الكربون عمدًا في النطاق الذي سيحدث فيه الترسيب.

التآكل الجلفاني

نظرًا لأن التآكل هو عملية كهروكيميائية تتضمن تدفق تيار كهربائي، يمكن أن يتولد التآكل عن طريق التأثير الجلفاني الذي ينشأ من تلامس معادن غير متشابهة في إلكتروليت (الإلكتروليت هو سائل موصل للكهرباء). في الواقع هناك ثلاثة شروط مطلوبة لحدوث التآكل الجلفاني؛ يجب أن يكون المعدنان منفصلين على نطاق واسع في السلسلة الجلفانية (انظر الشكل 2)، ويجب أن يكونا على تلامس كهربائي ويجب أن يكون سطحاهما متصلين بسائل موصل للكهرباء. إن إزالة أي من هذه الشروط الثلاثة سيمنع التآكل الجلفاني.

الشكل 2. السلسلة الجلفانية للمعادن في مياه البحر المتدفقة.

ومن ثم فإن الوسيلة الواضحة للوقاية هي تجنب التركيبات المعدنية المختلطة. وكثيراً ما لا يكون ذلك عملياً، ولكن يمكن أن تكون الوقاية أيضاً عن طريق إزالة التلامس الكهربائي - ويمكن تحقيق ذلك باستخدام غسالات أو أكمام بلاستيكية أو مطاطية، أو عن طريق ضمان عدم وجود الإلكتروليت مثل تحسين التصريف أو استخدام أغطية واقية. يعتمد هذا التأثير أيضًا على المساحات النسبية للمعادن غير المتشابهة. إذا كانت مساحة المادة الأقل نبلاً (المادة الأنودية، باتجاه اليمين في الشكل 2) كبيرة مقارنةً بمساحة المادة الأكثر نبلاً (الكاثودية) فإن التأثير التآكلي يقل إلى حد كبير، وقد يصبح في الواقع لا يُذكر. وعلى العكس من ذلك، فإن تلامس مساحة كبيرة من المعدن النبيل مع مساحة صغيرة من المعدن الأقل نبلاً سيسرع من معدل التآكل الجلفاني. على سبيل المثال، من الشائع ربط صفائح الألومنيوم بمسامير من الفولاذ المقاوم للصدأ، ولكن من المحتمل أن تتآكل مسامير الألومنيوم في مساحة كبيرة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسرعة.

تآكل التلامس

يجمع هذا التآكل بين عناصر التنقر والشقوق والتآكل الجلفاني، ويحدث عندما تُترك جزيئات صغيرة من المواد الغريبة، وخاصة الفولاذ الكربوني، على الفولاذ المقاوم للصدأ السطح. ويبدأ الهجوم كخلية جلفانية - تكون جسيمات المادة الغريبة أنودية وبالتالي من المحتمل أن تتآكل بسرعة، ولكن في الحالات الشديدة قد تتكون حفرة أيضًا في الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن أن يستمر التآكل الحفري من هذه النقطة. السبب الأكثر انتشارًا هو الحطام الناتج عن الطحن القريب من الفولاذ الكربوني أو استخدام أدوات ملوثة بالفولاذ الكربوني. ولهذا السبب فإن بعض المصنّعين لديهم ورش عمل مخصصة للفولاذ المقاوم للصدأ حيث يتم تجنب ملامسة الفولاذ الكربوني تمامًا.

يجب أن تكون جميع الورش والمستودعات التي تتعامل مع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ أو تخزنها على دراية بهذه المشكلة المحتملة، وأن تتخذ الاحتياطات اللازمة لمنعها. يمكن استخدام شرائط بلاستيكية أو خشبية أو سجاد واقية لمنع التلامس بين أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ورفوف التخزين المصنوعة من الفولاذ الكربوني. تشمل معدات المناولة الأخرى التي يجب حمايتها أذرع الرفع الشوكية وتجهيزات رفع الرافعات. وغالبًا ما وُجد أن الرافعات القماشية النظيفة بديل مفيد.

التخميل والتخليل

إذا أصبح الفولاذ المقاوم للصدأ ملوثًا بحطام الفولاذ الكربوني فيمكن إزالته عن طريق التخميل بحمض النيتريك المخفف أو التخليل بمزيج من أحماض الهيدروفلوريك والنتريك.

اختيار مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل
اختبار فحص المعادن - اختبار فحص المعادن
تقرير اختبار فحص المعادن
التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي (SCCC)
التشقق الناتج عن إجهاد التآكل بالكلوريد
تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ
تآكل الأنابيب
عملية التآكل
الطلاءات السطحية للتآكل
مواد مقاومة للتآكل
التآكل ثنائي المعدن.التآكل الجلفاني
التآكل بين الخلايا الحبيبية
التآكل بين الخلايا الحبيبية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ
أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المقاومة للتآكل
مقاومة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل
مقاومة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ لمياه البحر
آلية التآكل في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ
اختبار التآكل بين الخلايا الحبيبية ASTM A262 اختبار التآكل بين الحبيبات IGC
طرق الاختبار القياسية ASTM E112 لتحديد متوسط حجم الحبيبات
طرق تقليل التشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي بالكلوريد إلى الحد الأدنى