التآكل البحري – تآكل الفولاذ والمعادن في مياه البحر

يُستخدم مصطلح التآكل البحري لوصف عمليات التآكل التي تحدث في البيئة البحرية، والتي تشمل كلاً من التلامس المباشر مع مياه البحر وتأثيرات الغلاف الجوي الساحلي، ورذاذ الملح، والمنطقة المدية، ومنطقة التناثر. وهو ليس آلية تآكل واحدة ومحددة. فمن بين أمور أخرى، يمكن أن تحدث في البيئة البحرية أنواع مختلفة من التآكل، مثل التآكل المنتظم، والتآكل النُقري، والتآكل الشقوقي، والتآكل الجلفاني، والتآكل التحاتي، والتآكل الميكروبي، وفي ظل ظروف مناسبة من حيث المادة ودرجة الحرارة والإجهاد، يمكن أن يحدث التآكل الإجهادي في آن واحد.
تُعدّ مياه البحر بيئةً بالغة الصعوبة بالنسبة لمواد البناء، وذلك لاحتوائها على نسبة عالية من الكلوريدات، وموصلية كهربائية جيدة، ووجود الأكسجين، والنشاط البيولوجي، واحتمالية تكوّن الرواسب والشقوق. كما تتحدد درجة قسوة هذه البيئة بعوامل أخرى، منها درجة الحرارة، ومعدل التدفق، ومستوى الأكسجين، والملوثات، وطريقة معالجة المياه بالكلور، وشكل المنشأة.

لماذا تسبب مياه البحر التآكل؟

يُعدّ ارتفاع نسبة أيونات الكلوريد (Cl⁻) أحد أهم العوامل المسؤولة عن تآكل مياه البحر. إذ يُمكن للكلوريدات أن تُزعزع استقرار الطبقة الواقية التي تُغطي سطح الفولاذ المقاوم للصدأ موضعياً، مما يؤدي إلى بدء التآكل النُقري والتآكل الشقوقي.
يُعدّ ماء البحر أيضًا إلكتروليتًا ذا موصلية عالية نسبيًا، مما يُسهّل العمليات الكهروكيميائية، بما في ذلك تكوين الخلايا الجلفانية بين المعادن المختلفة. لذا، فإنّ التلامس بين مادتين ذواتي جهد كهروكيميائي مختلف قد يؤدي إلى تسارع تآكل المادة التي تعمل كقطب موجب.
تُعد مياه البحر الطبيعية بيئة نشطة بيولوجيًا. ويمكن للأغشية الحيوية المتكونة على الأسطح أن تُغير الظروف الكهروكيميائية المحلية وتزيد من خطر التآكل الموضعي. لذلك، قد يختلف سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ في مياه البحر الطبيعية عن سلوكه في محاليل الكلوريد المخبرية البسيطة.

مناطق التآكل في البيئة البحرية

لا تتساوى حدة البيئة البحرية في جميع أنحاء الهيكل. فالمكون المغمور في الماء بشكل دائم يعمل في ظروف مختلفة عن المكون الموجود في منطقة المد والجزر، أو منطقة الرذاذ، أو الغلاف الجوي الساحلي.

منطقة	الخصائص البيئية	أهم مخاطر التآكل
جو البحر	رذاذ الملح، والرطوبة، والترطيب والتجفيف الدوري للسطح	التآكل الجوي، والتآكل الموضعي، والتآكل النُقري، والتآكل الشقوقي
منطقة الرش	التبلل المتكرر بمياه البحر، وتوفير الأكسجين بكثافة، والتجفيف الدوري، وتركيز الملح	تآكل شديد، وتآكل موضعي، وتآكل جلفاني
المنطقة المدية	التناوب بين غمر السطح وتعريضه	التآكل الموضعي، اختلافات الأكسجة، الغشاء الحيوي
الانغماس المستمر	التلامس المستمر مع مياه البحر والكلوريدات والأغشية الحيوية والرواسب	التآكل النقطي، والتآكل الشقوقي، والتآكل الجلفاني، والتآكل الميكروبي
الرواسب والشقوق	تبادل محدود للوسائط وتكوين بيئة محلية دقيقة	التآكل الشقوقي والموضعي

تآكل التنقر في مياه البحر

يُعدّ التآكل النُقري أحد أهمّ المخاطر التي تُهدّد الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في البيئات البحرية. إذ يُمكن أن تتضرر الطبقة الخاملة موضعياً بفعل الكلوريدات، تاركةً منطقةً صغيرةً نشطةً يُمكن أن يتطوّر فيها التآكل النُقري.
قد تتطور هذه العملية موضعياً مع فقدان ضئيل جداً للكتلة عبر المكون بأكمله. لذلك، يمكن أن تثقب حفرة عميقة مكوناً رقيق الجدران، حتى وإن بدا جزء كبير من السطح سليماً.
يعتمد خطر التآكل النقطي، من بين أمور أخرى، على نوع المادة ودرجة الحرارة وتركيز الكلوريد والجهد الكهروكيميائي وحالة السطح ووجود الرواسب والنشاط البيولوجي.

تآكل الشقوق في البيئات البحرية

يمكن أن يتطور التآكل الشقوقي تحت الحشيات، والغسالات، والترسبات، وفي الوصلات ذات الحواف، والوصلات الملولبة، والوصلات المتداخلة، وفي أماكن أخرى يصعب فيها تبادل المياه مع البيئة.
داخل الشق، يتغير التركيب الكيميائي للبيئة المحلية. يمكن أن يؤدي استهلاك الأكسجين، وهجرة الأيونات، وتحلل نواتج التآكل إلى زيادة حموضة المحلول وارتفاع تركيز الكلوريدات محليًا. تصبح الظروف داخل الشق أكثر قسوة بشكل ملحوظ من الظروف في الماء خارجه.
لهذا السبب، تُعدّ مقاومة المادة للتآكل الشقوقي ذات أهمية خاصة في المنشآت العاملة في مياه البحر. والمعيار المستخدم لمقارنة هذه المقاومة في المختبر هو درجة حرارة التآكل الشقوقي الحرجة (CCT).

التآكل الجلفاني في مياه البحر

تُعزز الموصلية الكهربائية العالية لمياه البحر التآكل الجلفاني. فإذا وُضع معدنان مختلفان على اتصال كهربائي وغُمرا في مياه البحر في آنٍ واحد، فقد تتشكل خلية جلفانية. ويصبح المعدن ذو الجهد الأكثر نشاطًا هو المصعد، مما يُسرّع من تآكله.
لا يقتصر الأمر على أهمية نوع المواد المستخدمة في عملية التوصيل، بل يشمل أيضاً نسبة مساحة سطح الكاثود إلى مساحة سطح الأنود. وتكون هذه النسبة غير مواتية بشكل خاص عند توصيل مساحة سطح صغيرة من مادة الأنود بمساحة سطح كبيرة من مادة أكثر نبلاً.
عند تصميم الهياكل البحرية، من الضروري تحليل جميع الروابط بين المواد المختلفة، والمثبتات، واللحامات، وإمكانية توصيل الهيكل كهربائياً بعناصر معدنية أخرى.

الحد الأدنى من التآكل الميكروبي والأغشية الحيوية

تستعمر الكائنات الدقيقة الأسطح المغمورة في مياه البحر الطبيعية، مكونةً أغشية حيوية. يمكن لهذه الأغشية أن تغير الظروف الكيميائية والكيميائية الكهربائية على سطح المعدن، مما يؤدي إلى اختلافات في مستوى الأكسجين، ويؤثر على الجهد الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ.
وبالتالي، يمكن للنشاط البيولوجي أن يزيد من قابلية بعض المواد للتآكل النُقري والتآكل الشقوقي. وتُعرف الظواهر المرتبطة بالنشاط الميكروبي بالتآكل المتأثر بالميكروبات (MIC).
يُعد خطر التآكل الميكروبي ذا أهمية خاصة في منشآت مياه البحر الطبيعية، عند معدلات التدفق المنخفضة، وأثناء عمليات الإغلاق، وفي المواقع التي تؤدي إلى تراكم الرواسب وتكوين الأغشية الحيوية.

تأثير تدفق مياه البحر

تؤثر سرعة التدفق على كل من الحد من مخاطر التآكل وتفاقمها. فالتدفق الكافي يمنع تراكم الرواسب وتطور بعض الظروف الموضعية التي تعزز التآكل. أما المياه الراكدة، من جهة أخرى، فتعزز تكوين الأغشية الحيوية والترسيب واختلال توازن الأكسجين الموضعي.
عند سرعات تدفق عالية جدًا، أو في حالة الاضطراب، أو بوجود جزيئات صلبة، قد يصبح التأثير الميكانيكي على السطح أكثر أهمية. في بعض الأنظمة، يؤدي ذلك إلى التآكل أو التآكل الناتج عن الاحتكاك. قد تكون انحناءات خطوط الأنابيب، والصمامات، والمضخات، والاختناقات، ومناطق التغيرات المفاجئة في اتجاه التدفق أكثر عرضة للخطر.

تأثير درجة الحرارة

تُعدّ درجة الحرارة من أهم العوامل المؤثرة على مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات الكلوريدية. فمع ارتفاع درجة الحرارة، قد تزداد قابلية المادة للتآكل النُقري والتآكل الشقوقي.
تعتمد عملية توصيف مقاومة المواد في المختبر على معايير مثل درجة حرارة التآكل النقطي الحرجة (CPT) ودرجة حرارة التآكل الشقوقي الحرجة (CCT). تُحدد هذه المعايير في ظل ظروف اختبار محددة، ولا ينبغي اعتبارها درجات حرارة تشغيل قصوى عامة للمواد في مياه البحر.

مقاومة البيئة البحرية

يُستخدم رقم مقاومة التنقر المكافئ (PREN) للمقارنة الأولية لمقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل النُقري. في شكله الشائع، بالنسبة للعديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، يُحسب هذا الرقم بناءً على محتوى الكروم والموليبدينوم والنيتروجين.

PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

يؤدي رفع نسبة الكروم والموليبدينوم والنيتروجين عادةً إلى تحسين مقاومة التآكل الموضعي في البيئات الكلوريدية. مع ذلك، فإن مؤشر PREN يعتمد على التركيب الكيميائي ولا يأخذ في الحسبان جميع العوامل التي تحدد أداء المادة في بيئة بحرية حقيقية.
لا يأخذ هذا المعيار في الحسبان هندسة الفجوة، وجودة السطح، واللحام، والأغشية الحيوية، وظروف التدفق، أو الجهد الكهروكيميائي المحدد، من بين عوامل أخرى. لذا، ينبغي اعتبار معيار PREN أداة مقارنة، وليس معيارًا قائمًا بذاته، للموافقة على استخدام مادة ما في مياه البحر.

الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك المستخدمة في البيئات البحرية

يعتمد اختيار المواد على نوع التعرض. فالمادة المناسبة لهيكل يقع في بيئة ساحلية قد لا تكون بالضرورة مناسبة للغمر المستمر في مياه البحر الطبيعية. كما تُعدّ الشقوق ودرجة الحرارة والكلورة والتدفق واحتمالية التلوث من الاعتبارات المهمة.

أشياء	مثال على وضع العلامات	خصائص الاستخدام في البيئة البحرية
304/304 لتر	1.4301 / 1.4307	مقاومة محدودة في البيئات عالية الكلوريد؛ ليست مادة نموذجية للتلامس الدائم مع مياه البحر
316/316 لتر	1.4401 / 1.4404	تُستخدم هذه المواد بكثرة في البيئات البحرية؛ ولكن عند غمرها بشكل دائم في مياه البحر، يزداد خطر التآكل النُقري والتآكل الشقوقي بشكل كبير.
904L	1.4539 / UNS N08904	يتميز هذا النوع بمقاومة أعلى للتآكل الموضعي مقارنةً بالنوع 316L، ولكن استخدامه في مياه البحر الطبيعية يتطلب تقييم ظروف محددة، لا سيما الفجوات ودرجة الحرارة.
دوبلكس 2205	1.4462 / UNS S32205	يتميز بمقاومة أعلى بكثير للتآكل الموضعي وتآكل الكلوريد مقارنةً بالفولاذ 316L؛ ويُستخدم في العديد من محطات معالجة المياه وتحلية المياه، ولكن لا ينبغي اعتباره مقاومًا بشكل مطلق لجميع ظروف مياه البحر الطبيعية.
شقة دوبلكس 2507	1.4410 / UNS S32750	مقاومة عالية جدًا للتنقر والتآكل الشقوقي؛ يستخدم على نطاق واسع في التطبيقات البحرية والبرية الصعبة
254 سمو	1.4547 / UNS S31254	فولاذ أوستنيتي عالي السبائك من النوع 6Mo يتميز بمقاومة عالية للتآكل الموضعي؛ يستخدم في بيئات الكلوريد القاسية ومياه البحر
سبيكة 926	1.4529 / UNS N08926	فولاذ أوستنيتي عالي السبائك من النوع 6Mo يتميز بمقاومة عالية للتنقر والتآكل الشقوقي في البيئات الكلوريدية
سبائك النيكل	مثال: سبيكة 625، C-276	يُستخدم في الظروف القاسية بشكل خاص عندما تكون مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ غير كافية؛ ويعتمد الاختيار على التركيب الكامل للوسط وظروف التشغيل.

يُبيّن الجدول الخصائص العامة لمجموعات المواد، ولا يُعدّ أساسًا قائمًا بذاته لاختيار المواد. في التركيب الفعلي، ينبغي مراعاة عوامل مثل درجة الحرارة، والأكسجة، والكلورة، ومعدل التدفق، واحتمالية وجود شقوق ورواسب، وحالة السطح، وبنية اللحام، والعمر التشغيلي المطلوب.

316L ومياه البحر – خطأ شائع في المواد

يرتبط الفولاذ 316L عادةً بالتطبيقات البحرية نظرًا لاحتوائه على الموليبدينوم ومقاومته العالية للتآكل الموضعي مقارنةً بالفولاذ من النوع 304. مع ذلك، لا يعني هذا أن الفولاذ 316L مادة مقاومة لمياه البحر بشكل عام.
يُمكن أن يُؤدي الفولاذ 316L أداءً جيدًا في العديد من التطبيقات الجوية ومع التعرض المعتدل للكلوريدات. ومع ذلك، قد يكون عرضةً للتآكل النُقري والتآكل الشقوقي عند غمره في مياه البحر الطبيعية لفترات طويلة. ويزداد هذا الخطر بشكل خاص في الشقوق، وتحت الرواسب، وفي الظروف المُلائمة للنشاط البيولوجي.
لذلك، فإن مصطلح "الفولاذ البحري" في الإشارة إلى 316L قد يكون مضللاً إذا لم يتم تحديد ظروف الخدمة الفعلية.

الوصلات المزدوجة والوصلات المزدوجة الفائقة في التطبيقات البحرية

تجمع الفولاذات المزدوجة بين بنيتي الفريت والأوستنيت، مما يوفر قوة ميكانيكية عالية ومقاومة جيدة لأنواع عديدة من التآكل في البيئات الكلوريدية. ويُظهر الفولاذ المزدوج 2205 مقاومة أعلى بكثير للتآكل الموضعي وتشققات الإجهاد الكلوريدي مقارنةً بالفولاذ الأوستنيتي القياسي 316L.
تُستخدم أنواع الفولاذ فائق الازدواج مثل 1.4410 / UNS S32750 في أكثر التطبيقات البحرية تطلبًا. يُوفر محتواها العالي من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين قيمة PREN عالية ومقاومة ممتازة للتنقر والتآكل الشقوقي.
يستخدم Superduplex في تطبيقات تشمل المنشآت البحرية، وأنظمة مياه البحر، والمبادلات الحرارية، وخطوط الأنابيب، وأنظمة الحماية من الحرائق، ومحطات تحلية المياه، وغيرها من الهياكل التي تعمل في بيئات عالية الكلوريد.

فولاذ 6Mo في مياه البحر

تُعدّ فولاذات 6Mo من أكثر أنواع الفولاذ الأوستنيتي مقاومةً للتآكل الموضعي، إذ تحتوي على ما يقارب 6% من الموليبدينوم ونسبة أعلى من الكروم والنيتروجين. ومن أمثلتها فولاذ 1.4547 / UNS S31254 وفولاذ 1.4529 / UNS N08926.
بالمقارنة مع الفولاذ 316L، تتميز هذه المواد بمقاومة أعلى بكثير للتنقر والتآكل الشقوقي. وهذا يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل منشآت مياه البحر، ومحطات تحلية المياه، والمبادلات الحرارية، والصناعات الكيميائية.

كلورة مياه البحر

تُستخدم عملية الكلورة في أنظمة مياه البحر للسيطرة على نمو الكائنات الحية والأغشية الحيوية. يمكن لهذه المعالجة أن تقلل من المشاكل البيولوجية، ولكنها تُغير أيضًا الخصائص الكهروكيميائية للبيئة.
يمكن للكلور وعوامل الأكسدة أن تزيد من الجهد الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ، مما قد يزيد، في ظروف معينة، من قابليته للتآكل النُقري والتآكل الشقوقي. لذا، عند اختيار مادة مناسبة لمياه البحر المعالجة بالكلور، ينبغي مراعاة طريقة إضافة عامل الأكسدة وتركيزه ودرجة حرارته ومدة التعرض له.

التآكل البحري وتأثير اللحام وحالة السطح

لا تضمن مقاومة المادة الأساسية نفس المقاومة للهيكل النهائي بأكمله. قد تتسبب عملية اللحام في تغييرات في البنية المجهرية، وتغير اللون بفعل الحرارة، وتغيرات موضعية في تركيب الطبقة السطحية.
يمكن أن يؤدي تغير لون اللحام وتلوث السطح إلى تقليل مقاومة التآكل الموضعي. لذلك، في الهياكل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والتي تتطلب دقة عالية، تُعد معايير اللحام المناسبة، ومادة الحشو الملائمة، والتنظيف الجيد للسطح بعد اللحام أمورًا ضرورية، بما في ذلك إزالة تغير اللون واستعادة حالة السطح المثلى.

كيفية تقليل مخاطر التآكل البحري؟

لا ينبغي أن تعتمد حماية المنشآت من التآكل في البيئة البحرية على استخدام مواد ذات نسبة عالية من السبائك فحسب، بل إن التصميم والتشغيل السليمين للمنشأة لا يقلان أهمية.

اختر المادة بناءً على نوع التعرض الفعلي، وليس فقط بناءً على مصطلح "البيئة البحرية".
الحد من الشقوق والأماكن التي تتراكم فيها الرواسب،
تجنب التوصيلات الجلفانية غير المرغوب فيها بين المعادن المختلفة،
ضمان التنفيذ السليم وتنظيف المفاصل،
التحكم في التدفق والحد من ركود المياه على المدى الطويل،
يجب مراعاة درجة الحرارة وطريقة تعقيم المياه بالكلور.
السيطرة على نمو الأغشية الحيوية والرواسب،
استخدم الطلاءات الواقية أو الحماية الكاثودية في الهياكل المناسبة،
يجب مراعاة احتمالية تركيز الكلوريد بسبب التبخر أو التجفيف أو تكوين الرواسب.

كيف نختار مادة مناسبة للبيئة البحرية؟

ينبغي أن تبدأ عملية اختيار المواد بتحديد ظروف التشغيل الفعلية: ما إذا كان المكون سيُستخدم في بيئة بحرية، أو منطقة رذاذ، أو منطقة مد وجزر، أو مغمورًا بشكل دائم. بعد ذلك، يجب مراعاة درجة الحرارة، والتدفق، والأكسجة، والكلورة، واحتمالية تكوّن الأغشية الحيوية والتلوث، ووجود الشقوق، والتلامس مع المواد الأخرى.
لا يمكن مقارنة درجات الفولاذ المتاحة إلا على هذا الأساس. يُعد اختبار PREN مؤشرًا أوليًا مفيدًا لمقاومة التآكل النُقري، بينما يوفر اختبارا CPT وCCT معلومات إضافية حول مقاومة المادة لبدء التآكل الموضعي في ظل ظروف اختبار محددة.
بالنسبة للهياكل البحرية الحرجة، ينبغي أن يستند اختيار المواد أيضًا إلى بيانات اختبار التآكل والخبرة التشغيلية ومتطلبات المعايير ذات الصلة وظروف التركيب المحددة.

ينتج التآكل البحري عن تفاعل متزامن لعدة عوامل: الكلوريدات، والأكسجين، ودرجة الحرارة، والتدفق، والأغشية الحيوية، والرواسب، والهندسة الهيكلية، وتلامس المواد المختلفة. في ظل هذه الظروف، يمكن أن تتطور أشكال مختلفة من التآكل، أبرزها التآكل النُقري، والتآكل الشقوقي، والتآكل الجلفاني، والتآكل الميكروبي.
لا يوجد نوع واحد من الفولاذ المقاوم للصدأ مناسب لجميع التطبيقات البحرية. قد يكون الفولاذ 316L مناسبًا للعديد من البيئات البحرية، ولكنه قد يكون عرضة للتآكل الموضعي عند غمره باستمرار في مياه البحر. أما للتطبيقات الأكثر تطلبًا، فتُستخدم أنواع الفولاذ المزدوج، والفولاذ المزدوج الفائق، والفولاذ الأوستنيتي عالي السبائك 6Mo، وسبائك النيكل المختارة بعناية.
إن أساس الاختيار الصحيح هو تحليل النظام بأكمله: المادة – مياه البحر – درجة الحرارة – التدفق – البناء – حالة السطح – طريقة التشغيل.

أنواع تآكل الفولاذ والمعادن

تآكل منتظم للصلب والمعادن
تآكل التنقر في الفولاذ المقاوم للصدأ
تآكل الشقوق في الفولاذ المقاوم للصدأ
تآكل بين حبيبات الفولاذ المقاوم للصدأ
تشقق التآكل الإجهادي
التآكل الجلفاني
التآكل الناتج عن التعرية
تآكل التجويف
إجهاد التآكل
تآكل الاحتكاك
التآكل الميكروبيولوجي
التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية

تقسيم التآكل حسب البيئة

التآكل البحري – تآكل الفولاذ والمعادن في مياه البحر
Korozja atmosferyczna
التآكل الأرضي
التآكل في المياه العذبة والصناعية
التآكل في البيئات الكلوريدية
التآكل في البيئات الحمضية
التآكل في البيئات القلوية
التآكل في الغازات وغازات العادم
التآكل في أنظمة الصرف الصحي
التآكل في البيئات الكيميائية والبتروكيميائية