مدونة

لماذا تُعد مقاومة التآكل هي المعيار الحاسم لمسامير الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدمة في التطبيقات البحرية

التحدي الكهروكيميائي الناتج عن التعرض لمياه البحر

يُكسب محتوى الملح في مياه البحر خصائص تشبه الموصل القوي، مما يسرّع من تحلل المعادن من خلال تفاعلات كهروكيميائية. تتعرّض براغي الفولاذ المقاوم للصدأ لصراع مستمر مع طبقتها الواقية الخاصة، التي تمثل في الأساس طبقة رقيقة من أكسيد الكروم تمنع عادةً انتشار الصدأ بشكل متساوٍ على الأسطح. وتظهر المشاكل عندما تسمح الشقوق الصغيرة لأيونات الكلوريد بالاختراق، ما يؤدي إلى تكوين خلايا كهربائية صغيرة على سطح البرغي، وتحول جزئياً أجزاء منه إلى أقطاب موجبة مقارنة بالمناطق المحيطة. تُظهر بيانات الصناعة أن التآكل يحدث بسرعة أكبر بنحو 3 إلى 5 مرات في بيئات مياه البحر مقارنةً بظروف المياه العذبة العادية. وهذا يعني فقدانًا كبيرًا للمعدن في النقاط الضعيفة مثل خيوط البراغي وفي نقطة التقاء الرأس بالساق، ما يقلّص قدرة التحميل بنسبة تقارب 15 بالمئة كل عام في المناطق الساحلية المعرضة لحركة المد والجزر. بالنسبة للمهندسين العاملين في الهياكل البحرية، فإن الحفاظ على هذه الطبقات الواقية سليمة ليس مجرد مسألة اختيار مواد أفضل— بل يؤثر مباشرةً على ما إذا كانت الأنظمة بأكملها ستظل متماسكة تحت الضغط.

كيف تُحفز الكلوريدات التآكل النقرسي والتآكل في الشقوق في مسامير الفولاذ المقاوم للصدأ

تبدأ أيونات الكلوريد التآكل المحلي من خلال عملية ذاتية الاستدامة: تتراكم عند العيوب السطحية، وتحلل أكاسيد الكروم، وتُنتج بيئات حمضية ميكروسكوبية تؤدي إلى مزيد من تدهور الطبقة السلبية.

تتشكل الشقوق في أماكن مثل أسفل الغسالات أو بين الصواميل والبراغي حيث تصبح البيئة حمضية وغنية بالكلوريدات، مما يؤدي إلى تفاعلات تآكل ذاتية الاستدامة. يمكن للبراغي القياسية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 والتي تتعرض لمياه البحر الدافئة أن تتطور فيها حفر تنمو بمعدل يصل إلى ملليمتر واحد في السنة. تشير تقارير الصناعة إلى أن ما يقرب من نصف حالات فشل البراغي البحرية تبدأ فعليًا من هذا النوع الخفي من التآكل عند نقاط الاتصال. يساعد إضافة الموليبدنيم إلى السبيكة في مكافحة هذه المشكلة، لأنها تُكوّن مركبات موليبدات واقية تمنع دخول الكلوريدات وتحافظ على طبقة الحماية المعدنية سليمة لفترات أطول.

البراغي من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 مقابل 316: الأداء، والقيود، والتحقق العملي في التطبيقات البحرية

دور الموليبدنيم الحيوي في تثبيت الطبقة السلبية للبراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316

ما يُميز بالفعل مسامير الفولاذ المقاوم للصدأ 304 عن 316 هو وجود الموليبدنوم. فكلا النوعين يحتويان على حوالي 18٪ كروم ونسبة تتراوح بين 8 إلى 10٪ نيكل، ولكن ما يجعل الفرق هو وجود 2 إلى 3٪ من الموليبدنوم الموجود فقط في النوع 316. وعند التعرض للبيئات المالحة، يتفاعل هذا الموليبدنوم مع جزيئات الأكسجين ليكوّن مركبات لا تذوب تُعرف بالموليبدات. وهذه التركيبات الكيميائية الصغيرة تقوم أساسًا بسد الشقوق والعيوب الدقيقة في الطبقة الواقية من أكسيد الكروم على سطح المعدن. وبفضل هذه الحماية الإضافية، يمكن لمسامير النوع 316 أن تتحمل ضرر التآكل الناتج عن الكلوريدات بكمية تزيد بنحو ثلاث مرات مقارنة بالمسامير العادية من النوع 304 عند استخدامها بالقرب من المحيط. ولأي شخص يعمل بمعدات تتعرض باستمرار لمياه البحر، فإن استخدام درجة 316 ليس فقط خيارًا أفضل— بل يُعد أمرًا ضروريًا عمليًا إذا أردنا أن تدوم قطع المعدات لدينا لعدة مواسم دون مشاكل صدأ.

الأدلة الميدانية: مسامير من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بعد 8 سنوات في بيئات مد وجزر (ميناء روتردام)

قام الباحثون بدراسة ما حدث للمسامير المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ التي وُضعت في مناطق المد والجزر في ميناء روتردام على مدى ثماني سنوات. أظهرت المسامير من النوع 316L، والتي تحتوي على محتوى كربون أقل لتجنب المشكلات أثناء التصنيع، تلفًا ضئيلًا جدًا بسبب التآكل النقرسي (أقل من 0.1 مم عمقًا)، على الرغم من غمرها المستمر وتعرضها للهواء. في الوقت نفسه، عانت المسامير من النوع 304 القريبة من تآكل شقوق سيء في الأماكن التي تتلامس فيها مع الشواشيم، حيث فقدت أكثر من 0.8 مم من المادة في النقاط الخاضعة لإجهادات عالية. عند التفحص الدقيق، وجدنا علامات على تآكل بين الحبيبات في عينات 304، بينما لم نجد أي أثر لذلك في عينات 316L. ما يخبرنا به هذا أمر واضح تمامًا: الطبقة السلبية الأفضل في 316L توفر لها مزايا حقيقية على مر الزمن، خاصة عندما تتغير مستويات الأكسجين باستمرار مما يؤدي إلى تفاقم التآكل.

عندما لا يكون المعيار 316 كافيًا: مسامير فولاذ مقاوم للصدأ عالية الأداء للتطبيقات البحرية القصوى

مسامير من الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع الأوستنيتي الفائق (254 SMO، AL-6XN) والثنائي (2205، 2507) في محطات تحلية المياه والبنية التحتية تحت سطح البحر

عند التعامل مع بيئات قاسية للغاية مثل منشآت تحلية المياه، أو منصات النفط تحت الماء، أو مياه البحر الاستوائية الساخنة، غالباً ما تتجاوز مستويات الكلوريد والحرارة الحدود التي يمكن للصلب المقاوم للصدأ العادي من النوع 316 تحملها. وفي هذه الحالات، تصبح مشكلات مثل التآكل النقرسي والتآكل التشققي الناتج عن الإجهاد مصدر قلق جدي، ما لم ننتقل إلى سبائك ذات جودة أفضل. فعلى سبيل المثال، تحتوي الدرجات الفائقة الأوستنيتية مثل 254 SMO وAL-6XN على نسبة تتراوح بين 6 إلى 7.5 بالمئة من الموليبدنوم بالإضافة إلى النيتروجين، مما يمنحها أرقام معادل مقاومة التآكل النقرسي (PREN) تزيد عن 40. ما المقصود بذلك بالفعل؟ إن هذه المواد تعمل بكفاءة وموثوقية حتى عند تعرضها لتركيزات كلوريد تصل إلى 100,000 جزء في المليون ودرجات حرارة تفوق 60 درجة مئوية. أي ما يعادل ثلاثة أضعاف ما يستطيع الصلب 316 القياسي تحمله. أما السبائك ثنائية الطور مثل 2205 و2507 فتعمل بشكل مختلف من خلال الجمع بين هيكلي الأوستنيت والفريت. ويُكسب هذا المزيج المواد قوة أكبر ومقاومة أعلى للتآكل التشققي الناتج عن الإجهاد في التطبيقات العميقة تحت الماء. ومن الأمثلة الواقعية الجيدة ما حدث في بحر الشمال، حيث ظلت مسامير من نوع 2507 سليمة لمدة خمس عشرة سنة كاملة في ظروف منطقة الارتطام (splash zone). في حين بدأت الملحقات القياسية من نوع 316 في نفس البيئة تُظهر علامات الفشل بعد خمس سنوات فقط بسبب أضرار تآكل الشقوق التدريجية.

اختيار البراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المناسبة: إطار عملي لاتخاذ القرار للمهندسين البحريين

بالنسبة للمهندسين البحريين العاملين في مشاريع حقيقية، فإن الاعتماد على مواد عامة لم يعد كافيًا بعد الآن. فهم بحاجة إلى اتباع عملية قرار مناسبة تستند إلى الظروف الفعلية بدلاً من التخمين. دعونا نبدأ بتحديد مدى شدة البيئة. تُعدّ البراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مناسبة للمناطق المعرضة للهواء فقط، ولكن عندما تصبح الظروف أكثر رطوبة أو تتعرض لحركة المد والجزر، يجب على المهندسين النظر في خيارات مثل السبائك الثنائية الطور (Duplex) مثل 2205 أو 2507، لأنها تتحمل الكلوريدات بشكل أفضل بكثير. ثم يأتي بعد ذلك التحقق من قدرة المادة على تحمل الإجهاد. وتشير أبحاث معهد ASM الدولي الصادرة العام الماضي إلى أن السبائك الثنائية الطور تمتلك قوة تصل إلى ضعف القوة تقريبًا مقارنة بالبراغي العادية من نوع 316، مما يُحدث فرقًا كبيرًا عند التعامل مع الحركة المستمرة والاهتزازات. وأخيرًا، لا أحد يرغب في إنفاق المال مقدمًا دون معرفة ما سيتم توفيره لاحقًا. قد تكون البراغي الفائقة الأوستنيتية مثل 254 SMO أكثر تكلفة في البداية، لكنها تدوم لفترة أطول بكثير في البيئات القاسية مثل تلك الموجودة في منشآت التناضح العكسي، بحيث توفر معظم المشاريع حوالي 60٪ من تكاليف الاستبدال على المدى الطويل. يتضمن اتباع هذه الطريقة المكونة من ثلاث خطوات التأكد من أن كل شيء يعمل بموثوقية لسنوات، ويحافظ على انخفاض تكاليف الصيانة، ويمنع الأعطال المكلفة التي لا يريد أحد التعامل معها.