تآكل المعادن وطرق التزويد والحماية والتكسية : Corrosion in metals, methods of supply, protection and metal cladding

 تآكل المعادن وطرق التزويد والحماية والتكسية:

Corrosion in metals, methods of supply, protection and metal cladding

• ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• أولاً : التآكل فى المعدن :

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• التعريف:

1. التأكل هو تلف المعدن نتيجة تدهور فى خواصه الطبيعية أثر التفاعلات التى تحدث له فى التربة المحيطة.

2. التآكل هو تلف ( جزئي أو كلى ) يحدث للفلز أو السبيكة من حيث المظهر أو الأداء , بسبب التفاعل الذى يحدث بين الفلز أو السبيكة مع الأجواء المحيطة به سواء كانت غازية أو سائلة .

• مشكلة التآكل:

1. تحدث هذه الظاهرة في المنشآت خاصة البترولية كخطوط البترول والغاز و الخزانات و أبراج التقطير وغالباً يكون التآكل فى الصمامات ويحدث اجهادى شقي فى معظم الأحيان .

2. كما يحدث فى الكثير من القطاعات الأخرى الهامة , يحدث التآكل تلف شديد فى المنشآت مما ينتج عنه تكاليف ضخمة مباشرة وغير مباشرة :

• المباشرة :

انتهاء العمر الافتراضي للمعدة ( تلف كلى ). كلفة تكاليف عملية الحماية من التآكل مثل : زيادة التصميم : عملية الزيادة فى التصميم تكون متمثلة فى زيادة السمك عن الحد العادي وذلك لإطالة عمر المعدة للحماية من التآكل كما أن عملية الزيادة فى التصميم تؤدى إلى زيادة المكان المطلوب للمعدة و هذا فى حد ذاته يعتبر زيادة فى التكاليف . تعديل مواد التصنيع باستخدام مواد أكثر مقاومة للتآكل و أعلى تكلفة , تكاليف المواد المانعة للتآكل , تكاليف الحماية الكاثودية .

• الغير مباشرة :

1. نقص الانتاج : عمليات الاصلاح و التجديد التى تجرى للأجزاء المتآكلة من المعدات تحتاج إلى ايقاف المصنع أو الوحدة لمدة معينة حتى إذا كان سعر تلك الأجزاء صغيراً كما أن زيادة معدل التآكل يؤدى فى كثير من الأحيان إلى حدوث إيقاف اضطراري.

2. تقليل الكفاءة : تؤدى عمليات التآكل إلى تقليل كفاءة المعدات أو الخطوط و ذلك نتيجة تراكم نواتج التآكل حيث يؤدى ذلك فى بعض الأحيان إلى زيادة القوة المطلوبة لدفع السائل داخل الخطوط و كذلك تقليل الحيز اللازم لمرور السائل و يمكن أن يؤدى تراكم التآكل إلى تقليل الانتقال الحرارى من خلالها أو إنتاج منتجات معيبة .

3. التلوث بنواتج التآكل : بعض الصناعات مثل الصناعات الكيميائية أو صناعة الأغذية لا تسمح بتلوث منتجاتها بأكسيد المعدن و لتجنب هذا التلوث الناتج عن التآكل فإنه يتم تصنيع الأوعية و الخطوط من الصلب الذى لا يصدأ .

4. الفقد أو الخسارة العامة : التآكل يمكن أن يؤدى إلى حدوث خطورة على أرواح العاملين بالوحدة أو المصنع و هذه خسارة غير محسوبة فى التصميم و لكن يجب أن تؤخذ فى الاعتبار .

• التآكل و أسباب حدوثه و طرق مقاومتها:

1. التآكل هو رد فعل كهروكيميائية للمعادن المحاطة بمواد كيميائية من التربة أو ماء و هذه تشكل خلايا توصيل تولد الكهرباء نتيجة فرق الجهد الطبيعي بين المعادن و الذى ينتج عنه ذوبان المعدن الأكثر نشاطاً .

2. الانود ( المصعد - القطب الموجب ) : معدن له مستوى أعلى من الطاقة ( القيمة المطلقة لفرق الجهد ) أو ( فرق جهد قطبي Vأقل مع وضع الاشارة فى الاعتبار طبقاً لترتيبه فى السلسلة الكهروكيميائية ) و ينساب منه التيار خلال التربة و هو الجسم الذى يحدث له التآكل .

3. الكاثود ( المهبط - القطب السالب ) :- معدن له مستوى أقل من الطاقة ( القيمة المطلقة لفرق الجهد ) أو ( فرق جهد قطبي V أعلى مع وضع الاشارة فى الاعتبار طبقاً لترتيبه فى السلسلة الكهروكيميائية ) و ينساب منه التيار خلال سلك التوصيل و هو الجسم الذى يتم حمايته من التآكل .

4. الأيون : هو ذرة أو مجموعة ذرات تحمل شحنة كهربية موجبة أو سالبة فاذا كانت أيونات موجبة يقال انها عناصر موجبة التكهرب و اذا كانت ايونات سالبة يقال انها سالبة التكهرب .

5. الأيون الموجب : يتكون بفقد الكترونات من الذرات التى لها أنصاف أقطار كبيرة و تحتوى طبقاتها الخارجية على عدد قليل من الإلكترونات .

6. الأيون السالب : يتكون باكتساب الذرة للإلكترونات .

7. الوسط الالكتروليتى : هو الذى يسمح بمرور التيار خلاله من المصعد إلى المهبط ( من الانود إلى الكاثود ) و يكون تربة أو ماء .

8. الوصلة العازلة : هي وصلة أو رباط من مادة عازلة كهربائياً بين جزئين من الخط كي تمكننا من منع استمرار التوصيل الكهربي بينهما .

9. الموصل : هو جزء معدني أو كربوني ينساب فيه التيار الكهربي بواسطة حركة الالكترونات من الكاثود إلى الانود و هناك نوعان من الموصلات هما : الموصل الإلكتروني و هو المعدني ، و الموصل الأيوني و هو المحلول .

10. الخلية : هي دائرة كهربية كاملة تتضمن الكاثود و الانود و موضوعين فى وسط موصل و متصلين بموصل معدني .

11. قطب كبريتات النحاس :- هو قطب يتكون من قضيب من النحاس موضوع فى محلول مشبع من كبريتات النحاس و متصل بسلك لتوصيله بجهاز القياس و هو الأساس فى قياس فرق الجهد للمعادن بالإضافة إلى بعض الأقطاب الأخرى التى تستخدم فى ماء البحر و المعامل .

12. الاستقطاب :- هو التغير الذى يحدث فى جهد القطب نتيجة لانسياب التيار ( الحيود عن حالة الاتزان )

13. السلسلة الكهروكيميائية :- هي ترتيب المعادن المختلفة طبقاً للجهد الكهربائي الطبيعي لها من الأكبر

للأصغر أو هي ترتيب المعادن طبقاً " لمدى مقاومتها للتآكل فى ظروف معينة و كل معدن فى هذه السلسلة يكون مصعد ( ANODE ) للمعادن السابقة له فى السلسلة .

• أنوع التآكل : Type of corrosion

التآكل المنتظم , التآكل بين معدنين مختلفين , التآكل الموضعي أو الشقي , التآكل الاجهادى .. ملاحظة / التآكل فى الصمامات يحدث تأكل اجهادى و شقي فى معظم الأحيان .

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• ثانياً : تزويد المعادن:

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• التعريف :

إضافة طبقة أو عدة طبقات من المعدن . تغير إبعاد قطعة الشغلة أو تعويضها مما يكون قد فقد بالتآكل أتناء التشغيل الفعلي للمشغولة.

• الأهمية :

1. التزويد للمعدن جزء من عمليات الصيانة لضمان التشغيل , يتم التزويد بإضافة معدن ذات خواص مشابهة لمعدن الأصل بهدف التعويض والتجانس .

2. تكون بالأخص فى الدول التي تعانى من صعوبة تعويض قطع الغيار للمعادن المختلفة أو تكلفة استبدال قطع الغيار والتي تكون قد بلية بالتآكل ويصعب تعويضها , وبذلك يمكن أعادة تأهيل المعدن والأجزاء البالية عن طريق التزويد للأسطح المتأثر بالتآكل.

3. أعادة الاستفادة من المعدات التي بها مشاكل في الصيانة الميكانيكية , ومن الممكن تكرار العملية لمرات عديدة أم من ناحية إكساب الأسطح بخواص معينة غير متوفرة فى سطح المشغولة ، فهدا يمثل تحسين مقاومة التآكل والبلايان أو التحكم فى الأبعاد والحصول على خواص ميتالورجية معينة.

• الاستخدام:

الرش المعدني أو الرش الحراري . استخدام لحامات المونة ( اللحام بالسبائك الصهيرة الصلدة ). استخدام ماكينات Laser , SAW/SMAW/GMAW/OAW/OAC

• التطبيقات:

1. صيانة الفقد في المعادن المتأكلة , من أجل لها ضمان تشغليها بالكفاءة المطلوبة مرة آخري .

2. طريقة لحماية التآكل , حماية التآكل عمومًا موثوقة جدًا وفعالة من حيث التكلفة , بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحسين معايير العملية التشغيلية للمعادن المختلفة في مختلف التطبيقات الهامة.

• المعادن التزويد المستخدمة:

1. أسلاك مغلفة أو مجوفة وبها حشوة . مواد على شكل بودرة أو مسحوق .

2. كل معدن أو سبيكة للتزويد له ظروف تشغيل خاصة به. معدن فلز أو سبيكة على شكل معين ولها صلادة خاصة وذلك لمقاومة التآكل.

3. السبيكة يكون بها نسب من عناصر أخري مثل المنجنيز والسيليكون والكروم أو غير ذلك , غالباً في وجود وسيط كيميائي.

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• ثالثاً : طرق المختلفة لحماية المعادن بالتغطية السطحية:

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• التغطية بالتغليف:

يمكن تقسيم أنواع التغليف للمواسير المدفونة كما يلى ( البيتومين . شرائط البلاستيك . شرائط قطران الفحم . البولي ايثلين ( عالي – منخفض ) الكثافة .

• التغطية بالدهانات :

1. زجاج السيراميك ( الأغطية الغير معدنية الغير عضوية ) . الأغطية العضوية ( الورنيشات – اللاكيهات – البويات المانعة للتآكل ) .

2. يتم التغطية باستخدام الفرشاة للطلاء , باستخدام الرش بالمسدس , باستخدام الغمر فى المحاليل الكيميائية المراد طلاء المعدن بها .

3. قبل إجراء عملية التغليف يجب تجهيز السطح جيدا عن طريق تنظيفه و تلميعه بالطرق اليدوية باستخدام فرشة أو صنفرة أو بالطريقة الميكانيكية وهى الطريقة الأكثر انتشاراً فى تنظيف سطح الماسورة باستخدام كرات صغيرة من الصلب قطر ( 1 ملم ) أو رمل ناعم باندفاع كبير عن طريق ضغط الهواء ثم يتم تنظيفها من الأتربة أو الشحومات باستخدام المذيبات الكيميائية , كما يتم تنظيف السطح كيميائياً بالتخليل عن طريق غمس الألواح فى أحواض بها حامض , ويمكن التنظيف أيضاً الكترو كيميائياً بجعل اللوح المراد تنظيفه أنود داخل دائرة كهربائية كاملة .

• التغليف المعدني ( الجلفنة ) :

1. هي طريقة معروفة و أثبتت جدارتها للتغطية و الوقاية الخارجية للسطوح فى حالات الرطوبة العالية و فى الوقاية من العوامل الجوية و فى الإنشاءات البحرية.

2. ولكنها عديمة الجدوى فى الحماية الداخلية و تتم الجلفنة بالغمر فى مصهور فلز الزنك و الجلفنة تعتمد فى المقام الأول على أن الزنك يحتل مكاناً متقدماً فى ترتيب الفلزات بالنسبة لجهد القطب القياسي ويلاحظ وجود مسام مجهرية فى بعض الحالات تسبب خلق خلايا مجهرية بين المعدن .

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• رابعاً : الكسوة المعدنية :

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

• التسطيح :

هو عملية ترسيب أحد المعادن أو السبائك على آخر (معدن أساس أو ركيزة) لتحسين خصائص مقاومته للتآكل مثل مقاومة التآكل أو التآكل أو الاحتكاك أو لتحقيق تحكم الأبعاد واحتياجات الميتالورجيا ( علم المعادن )

• أنواع التسطيح :

أنواع مختلفة مثل ، التكسية ، الصلابة ، البناء ، غير ذلك , لتحقيق مقاومة التآكل ( للتآكل الكيميائي ) ، ومقاومة التآكل ( للبلى الجسدي ) ، والتحكم في الأبعاد ( لإعادة بناء المكونات البالية ) ، واحتياجات الميتالورجيا على التوالي.

• تعريف التكسيه :

1. هي حماية عنصر أو مركب من المعدن , من خلال تشكيل طبقة من معدن ثاني على سطحه الخارجي.

2. إضافة مواد إضافية على سطح المشغولة بقصد إكساب الأسطح خواص معينة لا تتوفر في سطح المشغولة الأصلي.

• أهمية التكسيه :

حماية معدن الأصل من العوامل الجوية أو البحرية أو العمليات الميكانيكية والكيميائية بإضافة معدن أو مواد ذات خصائص فنية وميكانيكية مناسبة لمعدن الأصل .

• طرق الاستخدام:

تتم عمليات الكسوة المعدنية عن طريق استخدام تقنيات مثل لحام الانتشار أو لحام الليزر أو غير ذلك , يتم انتاج الكسوة عن طريق ضغط المادة أو طلاء المادة أو تكوين خطوط تزويد , أو بعض العمليات الأخرى , عادة ما يتراوح سمك الكسوة بين 2٪ و 5٪ من إجمالي سماكة الصفيحة المعدنية أو اللوحة الاساس.

• كسوة الليزر :

1. عادة ما يكون ذا طبيعة معدنية ، ويتم حقنه في النظام عن طريق الفوهات المحورية أو الجانبية.

2. يتسبب تفاعل تيار المسحوق المعدني والليزر في حدوث الانصهار ، ويُعرف باسم تجمع الذوبان .

3. يودع هذا على الركيزة , تحريك الركيزة يسمح للسباحة الذائبة بالتصلب ، وبالتالي ينتج عنه مسار من المعدن الصلب.

4. هذا هو الأسلوب الأكثر شيوعًا ، ولكن بعض العمليات تتضمن تحريك مجموعة الليزر / الفوهة فوق ركيزة ثابتة لإنتاج مسارات صلبة.

5. يتم توجيه حركة الركيزة بواسطة نظام CAD الذي يقوم بتحريف الأجسام الصلبة في مجموعة من المسارات ، مما ينتج عنه الجزء المطلوب في نهاية المسار.

• التطبيقات:

1. مقاومة للتآكل الموضعي مثل التأريض ، التآكل الشقوق ، التآكل الحبيبي ، والتكسير الناتج عن التآكل.

2. في بعض عمليات إنتاج السفن والصناعة الكيماويات والورق وتكرير البترول ومحطات الطاقة النووية وغير ذلك كثير.

3. كسوة أعمدة الدوران وغيرها من الصناعات , إضافة حماية لمعدن الأصل عن طريق خواص المعدن أو معدن متجانس مع معدن الأصل ( القشرة الخارجية ).

4. من بين التطبيقات الرئيسية تكسيه الألمنيوم في صناعة الطائرات ، وتغليف الرصاص والكادميوم للكابلات ، والألواح المغلفة بالرصاص للتطبيقات المعمارية والأنابيب المبثوقة المركبة للمبادلات الحرارية.

• معدن الكسوة المعدنية:

1. الكسوة عادة ما تكون سبيكة من أجل الليونة ووزن أقل.

2. نوع من المسحوق المعدني يستخدم عن طريق استخدام الحرارة أو الضغط.

3. يستخدم طبقة سميكة من بعض المعادن مثل ( الكروم والنيكل ) أو الالمنيوم.

4. نوع من الطلاء الواقي حيث يتم ربط المواد الواقية مثل المسحوق المعدني أو الرقائق .

• جودة معدن التكسية:

1. تعتمد درجة الجودة المطلوبة على نوع الاستخدام وظروف التشغيل التي سيتعرض لها الجزء المراد تكسيته , أذ يتطلب الامر غالباً أن يكون معدن التكسية خالي من الشروخ أو الثقوب أو الفجوات .

2. على الرغم من أن الميزة الرئيسية للتكسيه هي إنشاء سطح مقاوم للتآكل منخفض التكلفة ، إلا أنه يجمع أيضًا بين مادة ذات قوة عالية مثل الفولاذ السبائكي منخفض الدعم مع مواد مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ. ومع ذلك كقاعدة عامة لا يتم حساب قوة مادة الكسوة في تصميم المكون.

• التجهيز والاعداد للتكسيه:

نظافة سطح المعدن بطرق جيدة . أن يكون السطح أملس عن طريق التشغيل على الماكينات. تتم معالجة أسطح المعادن على عدة مراحل كالتالي :

• المرحلة الأولى:

إزالة المواد العضوية مثل ( الزيوت و الشحوم ) حيث يجب أن يتم قبل التغطية و قبل التنظيف الهوائي و قبل

التخمير الكيميائي فى الأحماض , يتم ذلك عن طريق مذيبات مثل الكحول ومواد والصابون أو

• المرحلة الثانية:

إزالة الطبقات الرقيقة و الصدأ مثل : طبقة رقيقة من القشور . طبقة رقيقة من الصدأ . منتجات التآكل عن طريق الطرق الميكانيكية مثل الصنفرة بالفرشاة السلك و التجليخ و الكشط . ماكينة الرمالة . بواسطة الصقل ( التلميع ) أو حرارة لهب الاكسي استلين أو الطرق الكيميائية.

• المرحلة الثالثة:

تجهيز و تنظيف الأسطح و تتم باستخدام الرمالة حتى يصل لدرجة نظافة ناعمة تسمى sa21/2 , ثم عمل اختبار للتغليف وقياس واختبار قوة التلاصق قبل مرحلة التغليف النهائي.

• أنواع عمليات التكسية السطحية:

اختيار عملية التسطيح أو التكسية , يعتمد اختيار عملية التسطيح على مادة الركيزة ، ونوع وطبيعة الإيداع المطلوب ، ومعدل الإنتاج ، وحجم وشكل المكون الذي سيتم عرضه ، وظروف الخدمة التي سيتم وضعها وتوافر المعدات ويستخدم الوقود الغازي والقوس المعدني للعديد من التطبيقات ,

1. الكلاد: Cladding

يقصد بها التكسية بطبقة سميكة نسبياً من معدن أو سبيكة تختلف عن معدن الأصل , مثل تكسيه الصلب قليل الكربون أو السبائكي بطبقة من سبيكة مقاومة للتآكل لحماية سطح المعدن الاصل .

- طريقة تشغيل الكلاد. بإستخدام قوس MIG أو SAW على أن تكون مقاومة لأنواع التآكل , يستخدم لذلك الإلكترودات من الصلب المقاوم للصدأ , أو سبائك النيكل أو الفضة أو النحاس .

2. انتاج سطح مصلد:

الصلادة اللازمة لمقاومة التآكل الميكانيكي أو البلايا ن ومقاومة الزحف تحت الأحمال المعرض لها السطح عند درجات الحرارية العالية , وكذلك مقاومة الصدمات المتكررة.

تتم التكسية بطبقة التصليد ( يدوي , نصف آلي , آلي ) بإستخدام قوس SMAW أو OAW/OAC

- طريقة الإنتاج. يجرى هذا النوع من التكسية لغرض إكساب سطح المشغولات صلادة , مواد التكسية على شكل أعواد عارية أو مكسوة في صورة ملفات سلكية أو مسحوق معدني , يمكن تقسيم خواص تصلد ومقاومة البري للكسوة السطحية كما يلي :

- التصلد شامل أو جزئي أو مقاوم للحرارة المرتفعة , مقاوم الاحمال والحرارة المرتفعة.

- مقاومة الصدم : مقاومة الصدمات المتكررة , مقاومة التشرخ تحت الصدمات , مع أخذ التصلد بالتشكيل على البارد في الاعتبار .

- مقاومة فعل درجات الحرارة : مقاومة التطبيع , الاحتفاظ بمقاومة الاجهادات في درجات الحرارة المرتفعة , مقاومة التأكسد بالغازات الساخنة.

- مقاومة التأكل , خواص الاحتكاك معامل الاحتكاك , تكوين اغشية سطحية , التزلق , التلدين , ويكون العمل على : زيادة المقاومة للتآكل والبري , سهولة استخدام السبائك المقاومة للبري , استخدام

طبقة كسوة تسندها طبقة متينة تحتها لتتحمل الاحمال الواقعة عليها.

3. زيادة الإبعاد:

يقصد بها زيادة الابعاد أو تغيير الشكل للشغلة , يتم ذلك عن طريق اجراء اللحام بنفس معدن الشغلة .

يعنى تغير سمك أو شكل جزاء من المشغولة باللحام وتكون الإضافة المستخدمة مساوية في الغالب تركبها بتركيب المعدن الأصلي.

4. البطانة بسبيكة خاصة :

يقصد بها التبطين بسبيكة مختلفة عن معدن الاصل , من أجل العزل أو الحماية أو معالجة حرارية .التكسية السطحية بسبيكة خاصة لأغراض ميتالورجية يجرى هدا النوع من التكسية لغرض التحكم بالتكوين الميتالورجيا والأطوار الميتالورجيا فى سطح المشغولة .

• المتغيرات الأساسية أو ما يأخذ في الاعتبار لعمليات التكسية السطحية:

1. شدة التيار ( الامبير ) . نوع القطبية المستخدمة.

2. مقدار حماية قوس اللحام . نوع وقطر الالكترود ومادة الحشو , نوع الحماية.

3. تباعد درزات اللحام والثغرة الهوائية . سرعة التقدم , وضع اللحام , زاوية العمل.

4. أن تغطي التكسية عادتا المساحة المطلوبة سواء كانت التكسية طبقة أو أكثر .

5. تأثير عناصر السبائك والنسب الخاصة بها , والمعالجات الحرارية للشغلة , مدي التغير في التركيبة الكيميائية والميكانيكية.

• ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ إعداد / بدرالدين أحمد