التآكل في الغازات وغازات العادم – تآكل المعادن والفولاذ في البيئات الغازية

يشمل تآكل الغازات وغازات المداخن عمليات تدمير المعادن التي تحدث عند ملامستها لغازات العمليات، ونواتج الاحتراق، ومكثفاتها. وتوجد هذه البيئات في الغلايات، والأفران الصناعية، والمبادلات الحرارية، ومحطات توليد الطاقة، ومحارق النفايات، وأنظمة العادم، والمداخن، والمنشآت الكيميائية والبتروكيميائية، وأنظمة استعادة الحرارة، وغيرها.
لا تعتمد شدة تفاعل الغاز مع المواد الكيميائية على تركيبه الكيميائي فحسب، بل إن درجة الحرارة، ومحتوى بخار الماء، والضغط، ووجود الأكسجين، ومركبات الكبريت والكلور، والغبار والرماد، واحتمالية تكوّن المكثفات، كلها عوامل حاسمة. لذا، قد يكون التآكل في الغازات وغازات العادم ناتجًا عن درجات حرارة عالية أو عن تآكل كيميائي كهربائي إذا تكوّنت مكثفات سائلة على سطح المعدن.

التآكل في الغازات والتآكل في درجات الحرارة العالية

لا ينبغي حصر التآكل في الغازات وغازات العادم بالتآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية فقط. ففي درجات الحرارة المرتفعة، يمكن للمعادن أن تتفاعل مباشرةً مع البيئة الغازية دون الحاجة إلى إلكتروليت سائل. وقد تحدث حينها تفاعلات كيميائية مثل الأكسدة والكبرتة، مما يؤدي إلى تكوين طبقات من نواتج التآكل.
مع ذلك، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الندى المناسبة، قد يتشكل التكثيف على السطح. وإذا ذابت مكونات غازات الاحتراق فيه، فقد تصبح البيئة الناتجة أكثر تآكلاً بكثير من الغاز الجاف نفسه. لذا، قد تحدث آليات تآكل مختلفة في المنشأة الواحدة، تبعًا للموقع ودرجة حرارة السطح.

أهم العوامل المؤثرة على التآكل في الغازات وغازات العادم

تآكل العادم

غازات العادم عبارة عن خليط من الغازات وبخار الماء، وغالبًا ما تحتوي على جزيئات صلبة. ويختلف تركيبها باختلاف نوع الوقود، وعملية الاحتراق، ودرجة الحرارة، وحجم الهواء، وأنظمة تنقية غازات العادم المستخدمة. بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون، وبخار الماء، والأكسجين، والنيتروجين، قد تحتوي أيضًا على مركبات الكبريت، وأكاسيد النيتروجين، ومركبات الكلور، ومكونات أخرى مشتقة من الوقود أو المادة المحترقة.
عند درجات الحرارة المرتفعة، قد تسود تفاعلات الغاز مع المعدن والترسيب. أما في الأجزاء الباردة من النظام، فيصبح التكثيف ذا أهمية خاصة. ولذلك، قد تختلف الظروف تمامًا في غرفة الاحتراق، والمسخن الفائق، والمقتصد، وقناة غازات الاحتراق، والمدخنة.

نقطة تكثف غاز العادم والتآكل

تحدد نقطة الندى درجة الحرارة التي يبدأ عندها أحد مكونات الغاز بالتكثف. في أبسط الحالات، ينطبق هذا على بخار الماء، ولكن في غازات العادم التي تحتوي على مركبات الكبريت، تُعد نقطة الندى الحمضية ذات أهمية خاصة.
إذا انخفضت درجة حرارة سطح المعدن عن درجة تكثيف المكونات المعنية، فقد تتشكل طبقة سائلة على السطح. ويمكن أن يؤدي ذوبان مكونات العادم الحمضية في هذه الطبقة إلى زيادة سريعة في التأثيرات البيئية الضارة. ولهذا السبب، لا تكفي درجة حرارة الغاز وحدها دائمًا، بل تُعد درجة حرارة سطح المعدن الفعلية مهمة أيضًا.

نقطة ندى الحمض والتآكل في درجات الحرارة المنخفضة

في غازات المداخن المحتوية على مركبات الكبريت، قد يتأكسد جزء من ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) إلى ثالث أكسيد الكبريت (SO₃). في وجود بخار الماء، قد يؤدي ذلك إلى تكوّن حمض الكبريتيك (H₂SO₄) وتكثفه على الأسطح الباردة. تُعد هذه الظاهرة أحد أسباب تآكل نقطة الندى الحمضية.
تحدث هذه المشكلة في الغلايات، وأجهزة توفير الطاقة، وسخانات الهواء، وقنوات غازات الاحتراق، والمداخن، وأنظمة استعادة الحرارة، وغيرها. وتُعد المناطق ذات درجات الحرارة السطحية المنخفضة محليًا معرضة للخطر بشكل خاص.
لا توجد نقطة تكثف حمضية موحدة لجميع غازات المداخن. فهي تعتمد على عوامل مثل محتوى بخار الماء، وثاني أكسيد الكبريت، والضغوط الجزئية للمكونات، وظروف التشغيل. لذا، يجب تحديد هذه القيمة لكل منشأة على حدة.

تآكل التكثيف

يحدث تآكل التكثيف عندما يتشكل مكثف سائل يحتوي على مكونات غازية مذابة على سطح معدني. ويُمكّن الإلكتروليت الناتج من تطور العمليات الكهروكيميائية التقليدية.
قد يحتوي المكثف على درجة حموضة منخفضة وكبريتات وكلوريدات ومركبات أخرى ضارة. في ظل هذه الظروف، قد يحدث تآكل عام، وتآكل نقري، وتآكل شقوقي، وفي ظل ظروف معينة، قد تحدث أشكال أخرى من التآكل الموضعي.
يُعدّ الترطيب والتجفيف الدوريان مهمين أيضاً. فمع تبخر الماء، تبقى الأملاح والمركبات الأخرى على السطح، وقد يكون تركيزها الموضعي أعلى بكثير من تركيز المكثف الأولي.

تأثير مركبات الكبريت

يؤثر الكبريت على المواد بشكل مختلف تبعًا لدرجة الحرارة وتركيب الغلاف الجوي. ففي درجات الحرارة المرتفعة، قد تتسبب البيئات التي تحتوي على مركبات الكبريت في كبرتة المعادن، أي تكوين الكبريتيدات. وغالبًا ما توفر طبقات الكبريتيدات حماية أقل بكثير من طبقات أكسيد الكروم المستقرة التي تتشكل على الفولاذ المقاوم للحرارة.
في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن لمركبات الكبريت أن تساهم في تكوين المكثفات الحمضية. لذلك، قد يكون وجود الكبريت مهماً لكل من التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية والتآكل الناتج عن التكثيف في درجات الحرارة المنخفضة.

تأثير الكلور والكلوريدات

يُعدّ الكلور عنصرًا شديد الخطورة في العديد من بيئات الاحتراق. قد تتواجد مركبات الكلور، على سبيل المثال، أثناء احتراق النفايات والكتلة الحيوية والوقود المحتوي على الكلور. عند درجات الحرارة العالية، يمكن أن تُشارك هذه المركبات في تفاعلات تؤدي إلى تسريع تدمير الطبقات الواقية على أسطح السبائك.
بمجرد حدوث التكثيف، يمكن أن يزيد وجود الكلوريدات من خطر التآكل الموضعي للفولاذ المقاوم للصدأ. لذلك، فإن البيئة التي تجمع بين الرطوبة والكلوريدات ودرجات الحرارة العالية ودورات التكثيف قد تكون أكثر قسوة بكثير مما هو متوقع من تحليل عامل واحد.

الأكسدة في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة العالية، يمكن للمعادن أن تتفاعل مباشرة مع الأكسجين الموجود في الغاز. وتعتمد مقاومة المادة بشكل كبير على نوع واستقرار طبقة الأكسيد المتكونة.
في الفولاذ المقاوم للحرارة، يلعب الكروم دورًا هامًا، إذ يُمكنه تكوين طبقة واقية من أكسيد الكروم (Cr₂O₃). وفي بعض السبائك عالية الحرارة، يلعب الألومنيوم أيضًا دورًا هامًا، مما يُتيح تكوين طبقة مستقرة للغاية من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃).
يجب أن تكون الطبقة الواقية مستقرة كيميائياً، وأن تلتصق جيداً بالركيزة، وأن تحافظ على تماسكها أثناء تغيرات درجة الحرارة. فالتسخين والتبريد المتكرر قد يُسببان إجهاداً وتشققات وانفصالاً في الطبقة الواقية، مما يُعرّض سطح المعدن الجديد.

الرواسب والرماد والتآكل تحت الرواسب

في أنظمة غازات المداخن، غالباً ما تكون الأسطح المعدنية مغطاة بالغبار والسخام والرماد ونواتج العمليات. ولا تقتصر هذه الرواسب على كونها مشكلة ميكانيكية فحسب، بل يمكنها أيضاً أن تحبس الرطوبة والمركبات الكيميائية الضارة، وأن تعيق انتقال الكتلة، وأن تخلق بيئات دقيقة محلية ذات تركيب يختلف اختلافاً كبيراً عن تيار الغاز الرئيسي.
عند درجات الحرارة المرتفعة، قد تُشكّل بعض مكونات الرواسب أطوارًا سائلة أو مخاليط ملحية منخفضة الانصهار، مما يُسرّع بشكل ملحوظ من تحلل المواد. وتكتسب هذه الظاهرة أهمية خاصة في الغلايات والمحارق وغيرها من المنشآت التي تعمل بوقود أو مواد خام تحتوي على الكبريت والكلور والصوديوم والبوتاسيوم ومكونات الرماد الأخرى.

التآكل الساخن

في بعض المنشآت ذات درجات الحرارة العالية، قد تتشكل الأملاح المنصهرة أو تترسب على سطح المعدن. ويمكن أن يؤدي وجودها إلى ما يُعرف بالتآكل الساخن. إذ يمكن للأملاح المنصهرة أن تُدمر طبقات الأكسيد الواقية وتُسبب تآكلاً سريعاً جداً للمادة.
تُعدّ هذه الظاهرة ذات أهمية خاصة في التوربينات الغازية، والغلايات، ومحطات الاحتراق، وغيرها من المعدات التي تتواجد فيها درجات حرارة عالية ورواسب تحتوي على أملاح مُؤذية في آنٍ واحد. ويجب اعتبار التآكل الساخن حالة خاصة من التدهور الناتج عن درجات الحرارة العالية، وليس التآكل الجوي العادي.

تأثير سرعة تدفق غاز العادم

يمكن أن تؤدي سرعة الغاز العالية ووجود الجسيمات الصلبة إلى إزالة طبقات نواتج التآكل ميكانيكيًا. وإذا ما تعرضت طبقة الأكسيد الواقية للتآكل باستمرار، فإن سطح المعدن يُعاد تعريضه للعوامل البيئية، مما يجعله أكثر عرضة للتفاعل معها بسرعة أكبر.
في ظل هذه الظروف، يمكن أن يحدث التآكل والتآكل الكيميائي في آن واحد. هذه الظاهرة، المعروفة بالتآكل الكيميائي، يمكن أن تؤدي إلى فقدان المواد بشكل أسرع بكثير من أي من العمليتين على حدة.

الفولاذ الكربوني في الغازات وغازات العادم

تُستخدم الفولاذات الكربونية بشكل شائع في أنظمة الاحتراق، لكن مقاومتها تعتمد بشدة على درجة الحرارة وإمكانية التكثيف. في الظروف الجافة وضمن نطاق درجة الحرارة المناسب، يمكنها العمل لفترات طويلة، لكن ملامستها للمكثفات الحمضية قد تُسبب تآكلاً شديداً.
في درجات الحرارة المرتفعة، يصبح التأكسد وتكوّن القشور من العوامل المُقيِّدة. لذلك، مع ارتفاع درجات الحرارة، تُستخدم سبائك الفولاذ، والفولاذ المقاوم للحرارة والزحف، وسبائك النيكل المناسبة.

الفولاذ المقاوم للصدأ في الغازات وغازات العادم

توفر الفولاذات المقاومة للصدأ مقاومة عالية في العديد من أنظمة الغاز وغازات المداخن، ولكن يجب مراعاة آلية التآكل السائدة عند اختيارها. فالنوع المناسب للمكثفات الرطبة المحتوية على الكلوريدات قد لا يكون بالضرورة الأمثل للاستخدام في درجات حرارة عالية جدًا.
في بيئة التكثيف، يُعدّ الكروم والموليبدينوم والنيكل، بالإضافة إلى مقاومة التآكل الموضعي، عناصر مهمة. أما في درجات الحرارة العالية، فتصبح قدرة السبيكة على تكوين طبقة واقية مستقرة ومتماسكة أمراً بالغ الأهمية.

الفولاذ المقاوم للحرارة والزحف

للاستخدام في درجات الحرارة العالية، تُستخدم أنواع من الفولاذ مصممة لمقاومة الأكسدة والخواص الميكانيكية. يُعزز المحتوى العالي من الكروم القدرة على تكوين طبقة واقية من أكسيد الكروم الثلاثي (Cr₂O₃)، بينما يُمكّن تركيب السبيكة المُختار بعناية من التشغيل في درجات حرارة أعلى بكثير من الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي 304L أو 316L.
مع ذلك، من المهم التمييز بين مقاومة الحرارة ومقاومة الزحف. فمقاومة الحرارة تصف في المقام الأول مقاومة المادة للتأثيرات الكيميائية للغازات عند درجات الحرارة العالية، بينما تشير مقاومة الزحف إلى القدرة على الحفاظ على الخصائص الميكانيكية المطلوبة أثناء التشغيل لفترات طويلة عند درجات حرارة عالية.

سبائك النيكل في البيئات الغازية

تُستخدم سبائك النيكل في المنشآت التي تتطلب ظروفًا قاسية، لا سيما درجات الحرارة العالية والبيئات الكيميائية. ويمكن لسبائك النيكل-كروم وسبائك النيكل-كروم-موليبدينوم المختارة بعناية أن تجمع بين مقاومة الأكسدة ومقاومة مختلف العوامل البيئية الضارة.
مع ذلك، لا توجد سبيكة نيكل واحدة مقاومة لجميع غازات العادم. فالمادة المصممة للبيئات المؤكسدة بشدة قد تتصرف بشكل مختلف في الأجواء التي تحتوي على مركبات الكبريت أو الكلور أو الأملاح المنصهرة. لذا، يجب تحليل تركيب الغاز والرواسب بدقة متناهية، تمامًا كما هو الحال مع درجة الحرارة.

اختيار إرشادي للمواد المستخدمة في بيئات الغاز والعادم

الجدول ذو طبيعة عامة. يجب أن يستند اختيار المواد إلى التركيب الفعلي لغاز العادم، ودرجة حرارة المعدن، وإمكانية التكثيف، ونوع الرواسب، والظروف الميكانيكية.

محطات حرق النفايات – بيئة شديدة العدوانية

تُعدّ محطات حرق النفايات من بين أكثر التطبيقات تطلبًا من حيث التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية. يختلف تركيب الوقود، وقد تحتوي غازات العادم والرواسب على الكلور والكبريت ومركبات المعادن القلوية. ويمكن أن يؤدي وجود درجات الحرارة العالية والرواسب والمركبات المؤكسدة مجتمعةً إلى تدهور سريع جدًا للمواد.
في مثل هذه المنشآت، يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار ليس فقط درجة حرارة الغاز، ولكن أيضًا درجة حرارة سطح الأنبوب، وتكوين الرواسب، وظروف الاحتراق المحلية، وإمكانية تكوين الملح المنصهر.

الغلايات والمبادلات الحرارية

في الغلايات والمبادلات الحرارية، يُعدّ الفرق بين درجة حرارة الغاز ودرجة حرارة المعدن بالغ الأهمية. إذ يمكن لغازات العادم الساخنة أن تتدفق حول سطح ذي درجة حرارة أقل بكثير بسبب وجود الوسط على الجانب الآخر من الجدار.
إذا انخفضت درجة حرارة السطح عن نقطة الندى المناسبة، فقد يبدأ التكثف. وعلى العكس، في الأجزاء الأكثر سخونة من الجهاز نفسه، قد تسود عملية الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. لذلك، يمكن أن يحتوي مبادل حراري واحد على عدة مناطق تآكل متميزة في آن واحد.

المداخن والمجاري

تُعدّ المداخن وقنوات الاحتراق عرضةً بشكل خاص للتآكل الناتج عن التكثيف، لا سيما أثناء بدء التشغيل والإيقاف والتشغيل عند الأحمال المنخفضة. ويمكن أن تؤدي تغيرات درجة حرارة غازات الاحتراق إلى تجاوز نقطة الندى، مما يتسبب في تبلل السطح بشكل دوري.
تُعدّ المناطق ذات العزل الضعيف، والجسور الحرارية، وأجزاء الهياكل التي تبرد بشدة بفعل الهواء المحيط، عوامل مهمة أيضاً. فقد تكون درجة حرارة السطح المحلية فيها أقل بكثير من بقية أجزاء المنشأة، مما يزيد من خطر التكثف.

كيفية الحد من التآكل في الغازات وغازات العادم؟

• تحديد التركيب الكامل للغازات وغازات العادم، وليس فقط درجة حرارتها.
• التحكم في درجة حرارة سطح العناصر المعدنية،
• يجب مراعاة نقطة تكثف الماء والحموضة.
• الحد من التكثيف الموضعي وتكوين المناطق الباردة في الهيكل،
• التحكم في محتوى الكبريت والكلور والمكونات الكيميائية الأخرى الضارة،
• الحد من ترسب الغبار والرماد والملح على أسطح التبادل الحراري،
• اختر المواد بشكل منفصل للمناطق ذات درجات الحرارة العالية ومناطق التكثيف،
• يجب مراعاة دورات التسخين والتبريد وإمكانية انفصال الترسبات الكلسية.
• تحليل سرعة التدفق ووجود الجسيمات المسببة للتآكل،
• يجب مراعاة ظروف بدء التشغيل والتوقف والحمل الجزئي.

كيفية اختيار المواد اللازمة للغازات وغازات العادم؟

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد تركيبة الغاز، ودرجات الحرارة الدنيا والقصوى، ودرجة حرارة سطح المعدن الفعلية. بعد ذلك، يتم تحديد احتمالية تكثف الماء أو الحمض، وتركيبة المكثف الناتج.
في المنشآت ذات درجات الحرارة العالية، ينبغي إجراء تحليلات إضافية لمحتوى الأكسجين والكبريت والكلور وبخار الماء، بالإضافة إلى تركيب الرماد والرواسب. كما تُعدّ تغيرات درجة الحرارة والحمل الميكانيكي ومقاومة الزحف المطلوبة للمادة من الاعتبارات المهمة.
قد يكون اختيار مادة ما بناءً على درجة حرارة تشغيلها القصوى فقط غير دقيق. فالمادة المقاومة للأكسدة في الهواء النظيف قد لا تُظهر بالضرورة نفس المتانة في غازات العادم التي تحتوي على الكلور أو الكبريت أو الرواسب الكيميائية.

يشمل التآكل في الغازات وغازات العادم مجموعة واسعة من العمليات التي تعتمد على تركيب الغلاف الجوي ودرجة الحرارة وإمكانية التكثيف. عند درجات الحرارة المرتفعة، قد تسود عمليات الأكسدة والكبرتة وغيرها من التفاعلات الغازية، بالإضافة إلى تأثير الرواسب. أما في المناطق الباردة، فيصبح تآكل التكثيف، بما في ذلك تآكل نقطة الندى الحمضية، ذا أهمية خاصة.
أكبر خطأ عند تقييم مثل هذه البيئة هو تحليل درجة حرارة الغاز فقط. من المهم أيضًا مراعاة درجة حرارة سطح المعدن، ونقطة الندى، وتركيب غاز العادم، ومحتوى الكبريت والكلور، ووجود الرواسب، وتدفق ودورات تشغيل المنشأةلا يمكن اختيار الفولاذ أو السبيكة المناسبة لظروف التشغيل إلا من خلال تحليل النظام بأكمله.

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

مواضيع ذات صلة

درجة حرارة التآكل النقطي الحرجة للفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل (CPT)
مؤشر مقاومة التآكل النقطي للفولاذ المقاوم للصدأ (PREN)
درجة حرارة التآكل الشقوقي الحرجة للفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل (CCT)