التآكل في بيئات مختلفة – التآكل البيئي للمعادن والصلب

يشمل التآكل البيئي عمليات تدهور المعادن والسبائك التي تحدث تحت تأثير الظروف البيئية، مثل الغلاف الجوي، ومياه البحر، والمياه العذبة، والتربة، والبيئات الغنية بالكلوريدات، والأحماض، والقلويات. ولا يعتمد تآكل المعادن على نوع المادة فحسب، بل يعتمد أيضًا على البيئة التي تعمل فيها. فقد تحافظ نفس درجة الفولاذ على مقاومة عالية لسنوات عديدة في ظروف جوية معتدلة، ولكن في بيئات تحتوي على الكلوريدات، أو الأحماض، أو درجات حرارة مرتفعة، أو رواسب، قد تتعرض لتآكل موضعي أو عام شديد. وتحدد البيئة المسببة للتآكل، من بين أمور أخرى، استقرار الطبقة الخاملة للفولاذ المقاوم للصدأ، ومعدل التفاعلات الكهروكيميائية، واحتمالية حدوث التنقر، والتآكل الشقوقي، والتآكل الجلفاني، والتآكل الميكروبي، وتشققات التآكل الإجهادي. لذا، يتطلب اختيار المادة المناسبة تحليلًا ليس فقط لدرجة الفولاذ وتركيبها الكيميائي، بل أيضًا لظروف التشغيل الفعلية.

البيئة المسببة للتآكل وآلية التآكل

تصف مصطلحات مثل التآكل البحري، والتآكل الجوي، وتآكل التربة، أو التآكل في الماء، في المقام الأول بيئة التآكللا ينبغي الخلط بينها وبين آليات أو أشكال التدمير مثل التآكل النقطي، أو التآكل الشقوقي، أو التآكل الجلفاني، أو التآكل بين الحبيبات.
يمكن أن تتعايش عدة آليات للتآكل في بيئة واحدة. على سبيل المثال، يمكن أن يعزز وجود الكلوريدات في مياه البحر التآكل النقطي والتآكل الشقوقي للفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن أن يتسبب التلامس بين المعادن المختلفة في التآكل الجلفاني، ويمكن أن تساهم الأغشية الحيوية في تطور التآكل الميكروبي (MIC)، ويمكن أن يؤدي المزيج المناسب من الإجهاد ودرجة الحرارة وبيئة الكلوريد إلى تشقق التآكل الإجهادي (SCC).

بيئة	أهم العوامل	أشكال التآكل المحتملة
البحرية	الكلوريدات، درجة الحرارة، أكسجين، غشاء حيوي، رواسب، تدفق	التآكل النُقري، التآكل الشقوقي، التآكل الجلفاني، التآكل الميكروبي، التآكل التآكلي، التآكل الناتج عن الإجهاد
الغلاف الجوي	الرطوبة، وقت التبلل، الأملاح، الشوائب، درجة الحرارة	عام، موضعي، تنقير، شق، جلفاني
أرضي	الرطوبة، الأملاح، الرقم الهيدروجيني، الأكسجين، الكائنات الدقيقة، التيارات الشاردة	التآكل العام، والتآكل الموضعي، والتآكل النُقري، والتآكل الميكروبي، والتآكل الناتج عن التيارات الشاردة
المياه العذبة والمياه الصناعية	الكلوريدات، العسر، الرقم الهيدروجيني، الأكسجين، درجة الحرارة، الرواسب، الإضافات الكيميائية	التآكل النُقري، التآكل الشقوقي، التآكل الجلفاني، التآكل الميكروبي، التآكل
كلوريد	تركيز أيونات الكلوريد، درجة الحرارة، الرقم الهيدروجيني، الجهد الكهربائي، الفجوات	التنقر، الشقوق، التآكل الإجهادي
حامِض	نوع الحمض، التركيز، درجة الحرارة، الشوائب، جهد الأكسدة والاختزال	أشكال عامة، وتبعاً للظروف، أشكال محلية من التآكل
قلوي	نوع القاعدة، التركيز، درجة الحرارة، الشوائب	تشقق التآكل الإجهادي العام والموضعي في ظل ظروف محددة

التآكل في البيئة البحرية

تُعدّ البيئة البحرية من أكثر بيئات التشغيل قسوةً بالنسبة للعديد من المواد الإنشائية. إذ تحتوي مياه البحر على كميات كبيرة من الكلوريدات، التي قد تُزعزع استقرار الطبقة الواقية للفولاذ المقاوم للصدأ وتُعزز حدوث التآكل النُقري والتآكل الشقوقي.

مع ذلك، لا تكون ظروف التآكل متجانسة في جميع أنحاء المنشأة البحرية. فالمواد المغمورة في الماء بشكل دائم تتصرف بشكل مختلف، سواء في منطقة المد والجزر أو في منطقة رذاذ الماء أو الغلاف الجوي الساحلي. كما تلعب درجة الحرارة وسرعة المياه والأكسجة والأغشية الحيوية والرواسب والتلامس مع المعادن الأخرى دورًا في ذلك.
في التطبيقات البحرية الأكثر تطلبًا، بدلاً من الفولاذ الأوستنيتي القياسي، والفولاذ المزدوج والفولاذ المزدوج الفائق، يتم استخدام الفولاذ الأوستنيتي عالي السبائك من النوع 6Mo وسبائك النيكل المختارة بشكل مناسب.

Korozja atmosferyczna

يحدث التآكل الجوي على الأسطح المعدنية المعرضة للهواء الجوي وطبقة الرطوبة المتكونة عليها. وتعتمد شدة هذه العملية بشكل أساسي على مدة ترطيب السطح، والرطوبة، ودرجة الحرارة، ووجود الأملاح والملوثات.
عادةً ما يكون الجو الريفي ذو المستويات المنخفضة من التلوث أقل حدة بكثير من الجو الصناعي أو الساحلي. ففي المناطق القريبة من البحر، يساهم رذاذ الملح في زيادة تركيز الكلوريدات، بينما في البيئات الصناعية، قد تلعب مركبات الكبريت وغيرها من الملوثات دورًا إضافيًا.
يمكن للغبار والملح والملوثات الأخرى أن تحتفظ بالرطوبة وتخلق ظروفًا موضعية مواتية للتآكل. لذلك، فإن حالة السطح، وتصميمه الذي يسمح بالتنظيف الطبيعي، والتنظيف الدوري، كلها عوامل تؤثر بشكل كبير على متانة المكونات.

التآكل الأرضي

تُعدّ الأرض بيئة شديدة التعقيد وغير متجانسة. ويتأثر تآكل المنشآت تحت الأرض بعوامل مثل الرطوبة، والتركيب الكيميائي للتربة، ومحتوى الكلوريد والكبريتات، ودرجة الحموضة، والتوصيل الكهربائي، وتوافر الأكسجين، والنشاط الميكروبي، ووجود التيارات الشاردة.
قد يؤدي عدم تجانس التربة إلى اختلافات موضعية في الظروف الكهروكيميائية على سطح المكون نفسه. وينبغي إيلاء اهتمام خاص للأنابيب والخزانات والمنشآت تحت الأرض ونقاط الانتقال بين أنواع التربة المختلفة.
بالنسبة للهياكل المدفونة، يُعد اختيار المواد عنصراً واحداً فقط من عناصر الحماية. وبحسب نوع الهيكل والظروف، تُستخدم أيضاً الطلاءات المناسبة، والحماية الكاثودية، والتحكم في التيارات الشاردة.

التآكل في المياه العذبة والصناعية

لا يصف مصطلح "الماء" بيئة واحدة قابلة للتآكل. فمياه الشرب، ومياه الأنهار، ومياه الآبار، ومياه التبريد، ومياه الغلايات، ومياه العمليات الصناعية، قد تختلف اختلافاً كبيراً في تركيبها الكيميائي ودرجة تآكلها.
تشمل أهم المعايير محتوى الكلوريد، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والأكسجة، والصلابة، والتوصيل الكهربائي، ووجود الرواسب، ووجود المثبطات، والمبيدات الحيوية، وغيرها من الإضافات التقنية. كما أن ظروف التدفق مهمة أيضاً. فالركود قد يعزز تكوين الرواسب، والأغشية الحيوية، واختلافات الأكسجة الموضعية، بينما قد تؤدي معدلات التدفق العالية جداً في ظل ظروف معينة إلى زيادة خطر التآكل والتآكل الناتج عن الاحتكاك.
في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ، ينبغي إيلاء اهتمام خاص للكلوريدات. فمع ازدياد تركيزها وارتفاع درجة حرارتها، يزداد خطر التآكل الموضعي، وتصبح مقاومة المادة للتنقر والتآكل الشقوقي، بالإضافة إلى معايير مثل PREN وCPT وCCT، ذات أهمية متزايدة.

التآكل في البيئات الكلوريدية

تُعدّ الكلوريدات من أهم العوامل التي تحدّ من استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ. فهي قادرة على زعزعة استقرار الطبقة الخاملة موضعياً، مما يؤدي إلى بدء التآكل النُقري والتآكل الشقوقي. وفي ظل ظروف معينة، قد تُساهم الكلوريدات أيضاً في حدوث تشققات التآكل الإجهادي.
لا يمكن تقييم المخاطر بالاعتماد فقط على تركيز الكلوريد. فدرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والجهد الكهروكيميائي، ووجود الشقوق والرواسب، وحالة السطح، كلها عوامل مهمة. لذا، فإن تركيز الكلوريد المسموح به لنوع معين ليس قيمة واحدة موحدة تنطبق على جميع الظروف.
تزداد مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل الموضعي في البيئات الكلوريدية بشكل أساسي مع زيادة محتوى الكروم والموليبدينوم والنيتروجين. يُستخدم مؤشر PREN للمقارنة الأولية للمواد، بينما يمكن تحديد مقاومة بدء التآكل الموضعي في المختبر باستخدام اختبارات CPT وCCT.

التآكل في البيئات الحمضية

يمكن أن تتسبب البيئات الحمضية في تآكل عام شديد إذا لم تكن الطبقة الواقية للمادة مستقرة في ظل الظروف السائدة. ومع ذلك، لا توجد مقاومة واحدة شاملة للأحماض. يعتمد سلوك المادة على نوع الحمض وتركيزه ودرجة الحرارة ووجود الأكسجين وعوامل مؤكسدة أخرى، بالإضافة إلى الملوثات، بما في ذلك أيونات الكلوريد.
تُنتج الأحماض الكبريتية والهيدروكلورية والفوسفورية والنيتريك والأسيتيك والفورميك بيئات تآكل مختلفة. قد لا تُظهر مادة شديدة المقاومة لحمضٍ ما مقاومة مماثلة لحمضٍ آخر. يُعد حمض الهيدروكلوريك شديد التآكل للعديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، لأنه يجمع بين بيئة حمضية ونشاط عالٍ لأيونات الكلوريد.
عند اختيار مادة للاستخدام في البيئات الحمضية، من الضروري مراعاة النظام المحدد: المادة، الحمض، التركيز، درجة الحرارة، والملوثات. عمليًا، تُستخدم مخططات التآكل المتساوي، من بين أمور أخرى، لتحديد معدل التآكل تبعًا لدرجة حرارة وتركيز الوسط المعني.

التآكل في البيئات القلوية

تتميز العديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة جيدة للبيئات القلوية المعتدلة، إلا أن القلويات عالية التركيز، وخاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، قد تكون ضارة. ويُعد نوع القلوي وتركيزه ودرجة الحرارة ووجود شوائب إضافية من العوامل المهمة.

ومن الأمثلة على ذلك هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، المستخدم في العديد من العمليات الكيميائية. وبحسب التركيز ودرجة الحرارة، قد تكون المادة المختارة بشكل غير مناسب عرضة للتآكل المتسارع أو لأنواع معينة من تشقق التآكل الإجهادي. وكما هو الحال في البيئات الحمضية، ينبغي أن يستند تقييم المقاومة إلى ظروف العملية المحددة، وليس مجرد مصطلح "البيئة القلوية".

التآكل في الغازات وغازات العادم

يمكن أن تتسبب البيئات الغازية وغازات العادم في تآكل المعادن، سواءً بوجود الرطوبة والمكثفات أو عند درجات حرارة مرتفعة. وتتحدد شدة تأثير البيئة بعوامل مثل درجة الحرارة، ومحتوى بخار الماء، والأكسجين، ومركبات الكبريت، والكلور، ومكونات غازية أخرى، واحتمالية تكثفها على سطح المعدن. وتُعدّ المناطق التي تنخفض فيها درجة حرارة السطح إلى ما دون نقطة الندى، ويتشكل فيها مكثف يحتوي على نواتج احتراق ذائبة، خطيرةً للغاية. وبحسب الظروف، قد يحدث تآكل عام، أو موضعي، أو ناتج عن التكثف، أو تآكل عند درجات حرارة عالية. ويتطلب اختيار المواد مراعاة كل من تركيب الغاز، ودرجة حرارة التشغيل، ودرجة حرارة سطح المكون.

التآكل في أنظمة الصرف الصحي

تُشكّل مياه الصرف الصحي وشبكاتها بيئةً معقدةً مُسبّبةً للتآكل، حيث تتعايش فيها الكلوريدات والكبريتات والكبريتيدات والمركبات العضوية ودرجات الحموضة المتغيرة والرواسب والكائنات الدقيقة. ومن الأهمية بمكان احتمالية التآكل الميكروبي وتكوّن كبريتيد الهيدروجين (H₂S) في الظروف اللاهوائية. في الفراغات فوق مياه الصرف الصحي، يمكن أن يتأكسد كبريتيد الهيدروجين بفعل العمليات البيولوجية إلى مركبات تُكوّن بيئةً شديدة الحموضة، وهو ما يُمثّل مشكلةً بالغة الأهمية للمكونات الخرسانية والمعدنية في البنية التحتية للصرف الصحي. كما يُمكن أن تُساهم المواد الراكدة والرواسب والأغشية الحيوية والاختلافات في الأكسجين في زيادة التآكل الموضعي. لذا، ينبغي أن يُراعي اختيار المواد التركيب الفعلي لمياه الصرف الصحي ودرجة حرارتها ودرجة حموضتها ومستويات الكلوريدات ومركبات الكبريت وظروف التدفق والنشاط الميكروبيولوجي.

التآكل في البيئات الكيميائية والبتروكيميائية

تُعدّ المنشآت الكيميائية والبتروكيميائية من بين أكثر البيئات المُسببة للتآكل تنوعًا. قد تتلامس المواد مع الأحماض والقواعد والكلوريدات وكبريتيد الهيدروجين (H₂S) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) ومركبات الكبريت والمذيبات ومياه العمليات ومخاليط من العديد من المواد الكيميائية. يمكن أن تؤدي هذه الظروف إلى تآكل عام وموضعي، وتشققات التآكل الإجهادي (SCC)، والتآكل تحت الرواسب، وآليات أخرى تعتمد على العملية. لا تتحدد مقاومة المواد بالتركيب الكيميائي للوسط فحسب، بل أيضًا بتركيزه ودرجة حرارته وضغطه ومحتواه المائي وتدفقه والملوثات والإجهادات داخل الهيكل. في البيئات الأكثر قسوة، تُستخدم أنواع من الفولاذ المزدوج والفولاذ المزدوج الفائق، والفولاذ الأوستنيتي عالي السبائك، وسبائك النيكل المختارة بعناية، بالإضافة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي. يجب أن يستند اختيار المواد دائمًا إلى ظروف العملية الفعلية، حيث إن المصطلحات العامة "بيئة كيميائية" أو "بتروكيميائية" لا تسمح بتقييم موحد لمخاطر التآكل.

أهم العوامل التي تحدد مدى عدوانية البيئة

بغض النظر عن نوع البيئة، هناك العديد من المعايير التي لها تأثير قوي بشكل خاص على مسار عمليات التآكل:

درجة الحرارة - غالباً ما تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تسريع التفاعلات الكهروكيميائية وقد تقلل من مقاومة التآكل الموضعي.
pH – يؤثر على استقرار الطبقة الخاملة ومسار التفاعلات الكهروكيميائية،
الكلوريدات والهاليدات الأخرى – تُعد من بين أهم العوامل التي تُسبب التآكل الموضعي للفولاذ المقاوم للصدأ،
الأكسجين والمؤكسدات الأخرى - تؤثر على الجهد الكهروكيميائي والقدرة على الحفاظ على طبقة خاملة،
تدفق متوسط قد يحسن ذلك من انتقال الكتلة، ولكن عند السرعات العالية وفي وجود الجسيمات، قد يزيد أيضًا من خطر التآكل الناتج عن التعرية.
الرواسب والشقوق – خلق بيئات محلية تختلف عن الوسط الرئيسي وتعزز تآكل الشقوق،
الكائنات الحية الدقيقة قد يؤثر الغشاء الحيوي والنشاط الميكروبيولوجي على الظروف الكهروكيميائية المحلية وتطور الميكروبيوم الميكروبي.
تلامس المعادن المختلفة – في وجود محلول إلكتروليتي، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تكوين خلية جلفانية،
ضغط - بالاشتراك مع بيئة معينة يمكن أن يؤدي إلى تشقق التآكل الإجهادي (SCC).

اختيار المواد للبيئات المسببة للتآكل

لا يوجد نوع واحد من الفولاذ المقاوم للصدأ يُعدّ الأفضل لجميع البيئات. يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ 304L و316L الشائعان مناسبين لمجموعة واسعة من التطبيقات، ولكن قد تكون مقاومتهما غير كافية في البيئات الدافئة الغنية بالكلوريدات، أو مياه البحر، أو الأحماض القوية، أو الهياكل المعرضة بشكل خاص للتآكل الشقوقي.

مع ازدياد التأثيرات البيئية الضارة، تُستخدم أنواع من الفولاذ عالي السبائك مثل 904L، والفولاذ المزدوج، والفولاذ فائق المزدوج، والفولاذ الأوستنيتي 6Mo مثل 1.4547 و1.4529، بالإضافة إلى سبائك النيكل المختارة بعناية. ومع ذلك، فإن ارتفاع مستوى السبائك لا يعني بالضرورة أن المادة ستكون الحل الأمثل في جميع البيئات.

ينبغي أن يأخذ الاختيار في الاعتبار التركيب الكيميائي للوسط، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، وتركيز الكلوريد، وظروف التدفق، ووجود الشقوق والرواسب، والإجهادات، وتقنية البناء، ووقت التشغيل المتوقع.

يجب تحليل البيئة والمادة معًا

إن مقاومة التآكل ليست خاصية يمكن وصفها بشكل كافٍ بمصطلح واحد مثل "الفولاذ المقاوم للتآكل". فالمادة إما أن تكون مقاومة للتآكل أو عرضة له تبعاً لبيئة معينة وظروف تشغيل محددة.

لذا، عند تصميم أي منشأة، من الضروري تحليل النظام بأكمله: المواد، والبيئة، ودرجة الحرارة، والتصميم، وطريقة البناء، وظروف التشغيل . هذا النهج وحده هو الذي يسمح بتقييم دقيق لمخاطر التآكل واختيار المواد ذات المتانة المطلوبة.

تآكل المعادن في بيئات مختلفة

تتطلب كل بيئة تآكل تحليلاً منفصلاً. تقدم الأوراق البحثية التالية وصفاً تفصيلياً لآليات التآكل، وعوامل الخطر، ومبادئ اختيار المواد في ظل الظروف التالية:

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

تُعدّ بيئة التشغيل من العوامل الأساسية التي تحدد متانة المعادن والسبائك. فالغلاف الجوي والتربة ومياه البحر والمياه الصناعية والكلوريدات والأحماض والقواعد يمكن أن تخلق ظروف تآكل مختلفة تماماً وتؤدي إلى آليات تدهور مختلفة للمواد.
لذا، فإن معرفة نوع المادة وحدها لا تكفي لتقييم متانتها. يتطلب الاختيار الأمثل تحديد ظروف التشغيل الفعلية وتحديد آليات التآكل المحتملة. ولا يمكن تقييم مقاومة التآكل للمنشأة تقييماً صحيحاً إلا من خلال الجمع بين معرفة المادة والبيئة المحيطة بها.

أنواع تآكل الفولاذ والمعادن

يمكن أن يحدث التآكل عبر آليات مختلفة، وذلك تبعاً للمادة والبيئة وظروف التشغيل. انظر أيضاً أنواع التآكل الأخرى:
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