
لماذا تتعطل الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، المشهورة بمتانتها، في بعض الأحيان في ظل ظروف التآكل؟ تبحث هذه المقالة في الأسباب الجذرية للتشقق الناتج عن التآكل في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، مع التركيز على عوامل مثل التركيب الكيميائي والظروف البيئية. سيتعرّف القراء على الآليات الكامنة وراء هذه الأعطال ويكتشفون التدابير الوقائية الفعّالة لضمان طول عمر أنظمة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ.
وبفضل مقاومته البارزة للتآكل، يجد الفولاذ المقاوم للصدأ 304 استخدامًا واسعًا في المعدات والأجزاء التي تتطلب خصائص شاملة جيدة، مثل قابلية التشكيل ومقاومة التآكل. ويُستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك المعدات الكيميائية وأوعية الضغط وغيرها.
قراءة ذات صلة: درجات الفولاذ المقاوم للصدأ
يربط أنبوب حمض الكبريتيك في مصنع الأسمدة مخرج (0.82 ميجا باسكال) من مضخة حمض الكبريتيك بالمفاعل.
يبلغ معدل تدفق المضخة 14 م3/ساعة، ورأس 63 م، وتركيز حمض الكبريتيك 93.51 تيرابايت 3 تيرابايت، وتعمل في درجة حرارة عادية.
تم استبدال خط الأنابيب في عام 2016، ولكن بعد عامين من الاستخدام، كان هناك تسرب سائل عند لحام أنبوب التفريغ عند مدخل المضخة ومخرجها، وكذلك عند شفة العنق العالية عند واجهة مقياس الضغط.
عند تنظيف واختبار اختراق جدار الأنبوب، تم اكتشاف شقوق (راجع الشكل 1).
استنادًا إلى البيانات الأصلية، فإن الأنبوب الفولاذي مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 304، وقطره DN50، وسمك جداره 3.5 مم.
بعد اللحام، تم إجراء اختبار الاختراق، وكانت النتيجة مرضية.
عند قطع الأنبوب الفولاذي وأخذ عينات منه، تم اكتشاف أن التسرب يقع في منطقة اللحام حيث تم العثور على شقوق.
الشكل 1 موضع التكسير وشكل أنبوب حامض الكبريتيك
لتحديد سبب التصدع الناتج عن التآكل ومنع خطر تكراره، تهدف هذه المقالة إلى تحليل التركيب الكيميائي والميكروسكوب المعدني والمجهر الإلكتروني الماسح لأنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ الفاشل. من خلال القيام بذلك، يمكننا تحديد السبب الجذري للفشل واقتراح تدابير وقائية فعالة.
يتم استخدام مطياف القراءة المباشرة ARL-4460 للكشف عن التركيب الكيميائي للمعدن الأساسي ولحام أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ، بغرض تحديد ما إذا كان يتوافق مع المتطلبات القياسية.
يرجى قطع عينة من نقطة اختراق السائل كما هو موضح في الشكل 1ج. يجب أن تشمل العينة المعدن الأساسي واللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. بعد ذلك، قم بإجراء الطحن المسبق والطحن الخشن والطحن الناعم والصقل على العينة.
بعد ذلك، استخدم مجهر أوليمبوس-GX51 لرصد أي غير معدنية الشوائب الموجودة في العينة. بعد ذلك، حُفر العينة بمحلول مائي من حمض كلوريد الهيدروكلوريك كلوريد الحديديك. وأخيراً، لاحظ بنية العينة تحت المجهر المعدني كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2 عينة ميتالوغرافي
باستخدام الكماشة الهيدروليكية، قم بتمزيق العينة على طول الشق، ثم قم بمسح ومراقبة سطح الشق باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح الضوئي للانبعاث الحراري للانبعاث الحراري من هيتاشي S-3400. بعد ذلك، قم بإجراء تحليل طيف الطاقة باستخدام مطياف الطاقة EDAX.
يعرض الجدول 1 التركيب الكيميائي للمعدن الأساسي ولحام أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ.
كما هو مبين في الجدول 1، فإن التركيب الكيميائي لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ التي اشترتها الشركة أقل من المعيار لكل من المعدن الأساسي ومعدن اللحام. ومع ذلك، فإن محتوى العناصر الأخرى يفي بالمتطلبات القياسية.
الكروم (Cr) هو العنصر الأساسي المقاوم للتآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ. عندما يكون محتوى الكروم منخفضًا، تنخفض مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل.
الجدول 1 التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ مواد الأنابيب (الكسر الكتلي (%)
العنصر | C | سي | من | P | S | كر | ني |
GB/T4237-2015 | ≤0.07 | ≤0.75 | ≤2.00 | ≤0.045 | ≤0.030 | 17.50~19.50 | 8.0~10.5 |
المعدن الأساسي | 0.07 | 0.39 | 0.99 | 0.033 | 0.011 | 17.36 | 10.14 |
حبة اللحام | 0.07 | 0.40 | 1.00 | 0.030 | 0.013 | 16.85 | 10.03 |
في البداية، خضعت العينة لـ التلميع الميكانيكي، ولوحظ توزيع الشوائب غير المعدنية تحت المجهر دون حفر.
عند الملاحظة، تبين وجود عدد قليل من الشوائب غير المعدنية، ولكن كانت هناك شوائب مفردة كبيرة الحجم، مصنفة على أنها Ds2 (راجع الشكل 3أ).
يمكن أن يؤدي وجود شوائب غير معدنية إلى تعطيل استمرارية المصفوفة وتقليل خواصها الميكانيكية وزيادة قابليتها للتصدع.
يمكن أن تقلل الشوائب غير المعدنية أيضًا من سُمك الطبقة السالبة (طبقة الأكسيد) المتكونة على سطح الركيزة الفولاذية المقاومة للصدأ، مما يؤدي إلى تآكل الوصلة بين الشوائب والركيزة أولًا. بعد ذلك، يمكن أن يمتد التآكل الموضعي في الوصلة البينية إلى الركيزة، مما يؤدي إلى التآكل النقر.
علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي وجود شوائب غير معدنية إلى تعزيز التقصف الحبيبي الحدودي و التآكل بين الخلايا الحبيبيةمما يقلل من مقاومة المادة للتآكل.
الشكل 3 البنية المجهرية لكسر العينة بعد التآكل
خضعت العينة المصقولة للحفر الكيميائي، ولوحظت بنيتها باستخدام مجهر تصوير المعادن.
يوضح الشكل 3ب الصورة المجهرية للمعدن الأساسي للعينة. البنية أحادية الطور الأوستينيت (مع التوائم)، مع عدم وجود تشوهات في حدود الحبيبات. ويبلغ متوسط حجم حبيبات المعدن الدرجة 7.
يعرض الشكل 3 (ج) البنية المجهرية لـ منطقة الاندماج (اللحام الأيسر، المنطقة المتأثرة بالحرارة على اليمين). تُظهر هذه المنطقة بنية طبيعية واندماجًا جيدًا وعدم وجود تشققات أو مسام أو غير ذلك عيوب اللحام.
لوحظت البنية المجهرية المعدنية بالقرب من الشق (منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة)، كما هو موضح في الشكل 3d. تظهر الشقوق المجهرية الموزعة على طول حدود الحبيبات بوضوح، مع وجود كربيد من حبيبات الشبكة Cr، مما يشكل منطقة فقيرة بالكروم، كما هو موضح في الشكل 4.
ينتج عن محتوى الكروم (جزء الكتلة) الأكبر من 12% تأثير تخميل واضح، مما يحسن بشكل كبير من مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ. يؤدي محتوى الكروم الأقل من 12% إلى تدمير حالة التخميل، مما يتسبب في انخفاض في الإمكانات، وتبقى حالة التخميل في البلورة، مما يشكل خلية جلفانية صغيرة مع أنود صغير (منطقة فقيرة بالكروم في منطقة حدود الحبيبات) وكاثود كبير (مصفوفة). يؤدي ذلك إلى تسريع تآكل حدود الحبيبات.
درجة حرارة ترسيب Cr23C6 الكربيد هو 450-850 ℃، وهو نطاق درجة حرارة التحسس للتآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ المقاوم للصدأ، والمعروف أيضًا بنطاق درجة الحرارة الخطرة.
تُظهر السمات المورفولوجية المذكورة أعلاه أن هناك تحسسًا في هذه المنطقة بعد اللحام، مما يؤدي إلى تآكل بين الخلايا الحبيبية في المنطقة المتأثرة بالحرارة في اللحام وتقليل مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية للمنطقة المتأثرة بالحرارة من الفولاذ المقاوم للصدأ. وهذا أحد أسباب تشقق أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ.
وضع عينة الكسر المعالجة في المجهر الإلكتروني الماسح لإجراء المراقبة والتحليل المجهري باستخدام التصوير الإلكتروني الثانوي.
كما هو موضح في الشكل 4، من الواضح أن الكسر غير متساوٍ مع وجود العديد من نواتج التآكل والشقوق الموزعة في نمط شجيري.
تُظهر التشققات سمات ثانوية وقد اخترقت مصفوفة المادة، مما يشير إلى التصدع الإجهادي كسبب للفشل في أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 304.
يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بتوصيل حراري منخفض، ويولد اللحام الإجهاد المتبقي بسبب ارتفاع درجات الحرارة.
تتسارع التشققات الدقيقة للتآكل في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ تحت الإجهاد المتبقيمما يؤدي إلى التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي.
الشكل 4 ملاحظة SEM لمورفولوجيا الكسر
استُخدم مطياف الطاقة لتحليل نواتج التآكل على سطح الكسر في أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ. يعرض الشكل 5 نتائج تحليل طيف الطاقة.
من طيف ذروة الحيود، يتضح أن محتوى الكلور مرتفع بشكل استثنائي، مما يشير إلى أن أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ يتعرض لبيئة تآكل تحتوي على الكلور.
يتم تخزين الأنابيب الفولاذية المتشققة لمصنع الأسمدة في مكان مفتوح في الهواء الطلق.
يقع موقع المصنع في المنطقة الساحلية، على بعد 1.1 كم فقط من الساحل، وهي بيئة جوية بحرية نموذجية.
خلال فترات ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة المرتفعة، تتبخر مياه البحر بكميات كبيرة، مما ينتج عنه ضباب ملحي ينتج عنه تركيز عالٍ من أيونات الكلوريد في الهواء.
يتم امتصاص الماء الذي يحتوي على أيونات الكلوريد على الجدار الخارجي لأنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يشكل وسطًا أكّالًا يؤدي إلى تآكل أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ باستمرار.
يُشكّل الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بشكل طبيعي طبقة تخميل كثيفة (طبقة أكسيد) على سطحه في بيئة جوية عادية.
تعمل طبقة التخميل هذه على عزل الغلاف الجوي عن التلامس المباشر مع سطح الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل والحماية.
حتى في حالة تلف الفيلم السلبي، يمكن تجديده وإصلاحه في الوقت المناسب.
ومع ذلك، فإن أيونات الكلوريد تدمر بسهولة طبقة تخميل الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، مما يؤدي إلى تكوين حفر أو حفر على السطح وتسريع تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ.
لا يمكن أن يُعزى تآكل أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ في هذه الحالة إلى عامل واحد. بل هو ناتج عن عمل مشترك لعوامل متعددة.
(1) يمكن أن تتسبب الشوائب غير المعدنية في إتلاف سلامة الطبقة السلبية على السطح المعدني، مما يقلل من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل. ولذلك، من المهم التحكم الصارم في الشوائب غير المعدنية تحت المستوى 1.5.
(2) يقلل المحتوى المنخفض من الكروم في المعدن الأساسي ومعدن اللحام من انضغاط طبقة الكروم السلبية على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ. لتحسين جودة الأنابيب الفولاذية ومواد اللحام، يجب اختبار المكونات الواردة بدقة للتأكد من أن اللحام التركيب المعدني ليس أضعف من المعدن الأساسي.
أثناء عملية اللحام، يجب التحكم في معلمات اللحام بدقة، ويجب أن تكون مدخلات حرارة اللحام صغيرة قدر الإمكان لمنع التحسس، والذي يمكن أن يتسبب في ترسب الكروم على طول حدود الحبيبات وتوليد الكروم23C6مما يؤدي إلى التآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ المقاوم للصدأ.
(3) يقع مصنع الأسمدة الكيماوية في بيئة جوية بحرية، حيث يؤدي المحتوى العالي من أيونات الكلوريد في الهواء ودرجة الحرارة والرطوبة المناسبة إلى تسريع التآكل. ويتسبب ذلك في تلف طبقة الأكسيد على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ بسهولة، مما يؤدي إلى التآكل الكهروكيميائي.
تتمدد التشققات الدقيقة للتآكل بسرعة تحت تأثير الإجهاد المتبقي، مما يؤدي إلى التشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي.
لذلك، من الضروري التحكم بصرامة في بيئة هواء الموقع وعزل بيئة الضباب الملحي (على سبيل المثال، عن طريق الطلاء أو إضافة طبقة واقية) لمنع الضرر الناتج عن أيونات الكلوريد.