التآكل مسبباته وأضراره

يعرف بإنحلال المعدن بسبب تفاعله مع الوسط الذي يتعرض له أو بأي سبب غير السبب الميكانيكي أو يعرف أحياناً بأنه العملية العكسيةلإستخلاص المعدن من خاماته وهناك نوع آخر في الفشل السطحي سببه ميكانيكي يدعى Wear والذي ينتج بسبب الاحتكاك بين سطح المعدن والجهود الخارجية .

والأمثلة عديدة منها صدأ هيكل السيارة وتأكل الأنابيب المدفونة في التربة وهناك أمثلة أخرى تآكل أجزاء معدنية عديدة تتعرض إلى أوساط صناعية مثل الأحماض والقواعد والمياه المالحة وما إلى غير ذلك .
الاضرار

1. تغير الخواص الميكانيكية : يؤدي التأكل إلى فقدان الوزن بسبب انحلال المعدن بالتالي إلى تغير أبعاده ، لذلك تعطى في الغالب بعض السماحات للتأكل ( Corrosion Allowance ) عند وجوده وعند التصميم وتكون هذه السماحات أكبر سمكاً في الأوساط التييكون فيها معدلات التآكل عالية منها في الأوساط التي يكون فيها معدلات التآكل منخفضة . ولتغير أبعاد القطعة المعدنية بسبب التآكل تأثير في الخواص الميكانيكية ،حيث تقل قابليتها لتحمل الأحمال الخارجية ، أي تزداد قابليتهاا للتشويه اللدن (Plastic Deformation ) والتشويه المرن Elastic Deformation .

إن إستخدام المعدن في أوساط مساعدة على التآكل يودي إلى انخفاض قيم العديد من الخواصالميكانيكية وخصوصاً مقاومة المعدن للكلال Fatigue Strength ونشوء ال Cracks التي تؤدي إلى حصول الكسر الهش السريع Fast Fracture .

2. المظهر : يتأثر مظهر المعدن بدرجة كبيرة عند إصابته بالتآكل حيث يظهر بمظهر سيىء لذا يجب استخدام معادن مقاومة للتآكل الجوي مثل الألمنيوم أوالفولاذ المقاوم للصدأ بلاً من الفولاذ الكربوني ، كمواد بناْ ظاهرية مثل مقاطع الشبابيك وخصوصاً في واجهات الأبنية الخارجية ويعزى المظهر الحسن لهذه الموادإلى مقاومتها للتآكل الجوي أما المعدن ذات المقاومة الضعيفة للتآكل فإنها تطلىبأنواع الطلاء المختلفة لتحسين مظهرها من خلال الحد من تآكلها .

3. الأضرارالإقتصادية بسبب الإجراءات الوقائية : إن الأضرار الإقتصادية الناتجة عن التأكلعديدة ومهمة ، حيث يسبب هذا الفشل في كثير من الأحيان توقف المصانع عن العمل توقفغير مبرمج ، وما يوافق ذلك من كلف إقتصادية إضافية غير متوقعة . كذلك فإن حصولالتآكل يؤدي إلى ارتفاع كلف الصيانة الدورية حيث يتطلب في كثير من الحالات تبديلالجزء المعدني التالف بجزء جديد آخر .وبهذا الخصوص يكون بالامكان أحياناً توفير بعضالمبالغ عند اختيار مادة معدنية ذات مقاومة تآكل أعلى لتصنيع هذا الجزء التالف . وتتوفر العديد من الأمثلة التي تشير إلى أن اختيار مادة عالية التكاليف نسبياً ،ولكنها ذات مقاومة جيدة للتأكل من الناحية الإقتصادية أفضل من استخدام مادة معينةأرخص ثمناً ولنها تتعرض للتلف السريع بسبب التأكل ، مما يتطلب عندئذ تغييره بصورةدورية وفي كلتا الحالتين يلاحظ بأن التآكل يسبب أضراراً إقتصادية بسبب زيادةالتكاليف . كما أن الإجراءات الوقائية للحد من التآكل تدخل ضمن كلف التشغيل والصيانة .
4. تلوث المنتجات : إن نواتج التأكل تؤدي إلى تغيير الطبيعة الكيميائية للوسط ، أيتلوثه وفي الغالب يكون ذلك غير مرغوب فيه حيث أن المتطلبات التجارية هي الحصول علىمنتج نقي ذي مواصفات محددة وخالي من التلوث .والأمثلة على ذلك عديدة منها تلوثالمنتجات الغذائية المعلبة بسبب حصول درجة بسيطة في التآكل في العلبة التي تحفظفيها تلك المادة الغذائية . وعلى ضوء ذلك فإن عمر القطعة المعدنية أو الجهاز ليس هوالعامل الأساسي في تحديد فترة الفشل ، فمثلا من الممكن في بعض الأحوال أن نستخدملغرض ما الفولاذ الإعتيادي ولفترة زمنية طويلة بدون وصول التأكل إلى درجة كبيرة ومعنجد أن استخدام مواد أعلى كلفة مثل الفولاذ المقاوم للصدأهو الأكثر شيوعاً ، ذلكلأن الفولاذ الإعتيادي يلوث المنتوج بعدإستخدامه لفترة وجيزة نسبياً بسبب تآكلهخلال هذ الفترة حتى ولو بدرجة بسيطة وعندئذ لا يكون صالحاً للإستعمال .

5. فقدان السلامة : يؤدي التآكل أحياناً أو في كثير من الأحيان إلى حصول كوارث إذا لمتتخذ الإجراءات الواقائية الكفيلة بإيقافه أو الحد منه فمثلاً التعامل مع الموادالخطرة مثل الغازات السامة وحامض الهيدروفلوريك والأحماض المركزة مثل حامضالكبريتيك والنيتريك والمواد القابلة اللإشتعال والمواد المشعة والمواد الكيميائيةفي درجات حرارة عالية وعند ضغط عالي يتطلب إستعمال مواد معدنية معينة لا تتأكلبدرجة كبيرة في مثل هذه الظروف . فمثلاً قد يؤدي حصول تأكل إجهادي Stress Corrosion في الجدار المعدني الذي يفصل الوقود عن المؤكسدات في الصاروخ إلى الخلطالمبكر بين هذين الوسطين وبالتالي إلى خسارة إقتصادية وبشرية ، وفي كثير من الأحيانيؤدي حصول تآكل في جزء معدني صغير إلى انهيا أوسقوط منشأ كامل ، وقد تسبب نواتجالتآكل أحياناً إلى تحول مواد غير مضرة إلى مواد متفجرة .

وفي هذا المجال هناك العديد من اعتبارات السلامة الصحية مثل تلوث ماء الشرب بسبب تآكل الأنابيب أوخزانات المياه وكذلك يلعب التآكل دوراً مهماً ورئيسياً في اختيار نوع الموادالمعدنية التي تصنع منها الأجزاء المعدنية التي تستخدم داخل جسم الإنسان مثل مفاصل الورك Hip Joints والصفائح الطبية وصمامات القلب وغير ذلك .

هناك عدةطرق معروفة للحد من التآكل يتم اختيارها بناء على معطيات ..ومن المعروف إن هذخ العملية تبدأ قبل وأثناء عملية التصنيع للآلات والمعدات:

أتي على بعضها على عجالة

التركيب الكيميائي للمادة الخام

سلامة المادةالخام من العيوب الفيزيائية
اختيار المواد المناسبة (material selection)

المعالجة الحرارية بعد التصنيع
وللحد من التآكل بعدالتصنيع هناك العديد من الطرق

أولها طريقة النقل والحفظ والتخزين التي لايولي الكثيرون أهمية لها...

أما طرق الحد من التآكل بعد التصنيع كثيرة لكنالشائع منها نوعان رئيسيان...يتفرع منهما عشرات الطرق/

الطلاء ومنه (coating lining plating etc)
الحماية الكاثودية ولها عدة طرق....نختلفباختلاف العملية نفسها أو اختلاف مصدر الطاقة الذي يمد المعدنبالاليكترونات..

الحماية الكاثودية

الحمايةالكاثودية اجراء يتم اتباعه لحمايةالهياكل المعدنية الحديدية والانابيب من التآكلجراء تعرض سطوحها الى تماس مع التربة او مع الماء.

تتآكل السطوح الحديدية للهياكل المعدنية والانابيب والمعداتالحديدية عموما عند تماس سطوحها بالتربة او الماء نتيجة لحدوث تفاعلات كيمياويةمصحوبة بسريان الالكترونات لذا يمكن القول بأن عمليةالتآكل هي عملية كهروكيمياوية تؤدي بالنتيجة الى فقدان اجزاء من معدن الحديدوبالتالي تآكل السطح المعرض للتربة او الماء او حتى المعرض للجو الرطب حيث تتكون خلية كلفانية.

الخلية الكلفانية

لو قمنا بغمس قطبين من معدنينمختلفين مثل الزنك و النحاس مثلا في محلول موصل للكهرباء وربطنا بينهما بسلك فأنهيتولد عن ذلك تيار كهربائي يسري من الزنك الى النحاس داخل المحلول ويكمل دورته خلالالسلك الواصل بينهما. تعرف هذه الخلية الكهربائية باسم خلية كلفاني نسبة الىمكتشفها العالم الإيطالي كلفاني. يسمى القطب الذي يخرج منه التيار الى المحلول "أنود"، ويسمى القطب الذي يستقبل التيار "كاثود"، ويترتب على سريان التيار فيالخلية حدوث تأكل على الأنود بينما يبقى الكاثود سليما ويترسب على سطحه طبقة خفيفةمن الهيدروجين لو بقيت على سطحه لأحدثت استقطابا في الخلية تتلاشى معه شدة التيارفي الخلية ومن ثم تتوقف عملية التآكل ولكن تحدث عند الكاثود تفاعلات كيمياوية تمنعمثل هذا الاستقطاب فيستمر سريان التيار في الخلية وتستمر عملية التآكل. تتوقف عمليةالتآكل على الأنود على ثلاثة عوامل: • نوع مادة الأنود. • شدة التيار. • المدة التييستمر فيها سريان التيار. مثلا – يتآكل الحديد بمعدل (9) كيلو غرام إذا سرى منهأمبير واحد لمدة عام.
كيف يحدث التآكل؟

ان المسبب للتآكل هو تكون خلايا للتآكل Corrosion Cells تنتج عن وجود فرق جهد كهربائيبين المناطق المختلفة للسطح المعدني. ان تكون هذا الفرق بالجهد يمكن ان يحدث لعدةاسباب منها: _ أختلاف خواص المعدن في مناطق مختلفة من الهيكل المعدني او خطوطالانابيب مثلا. - أختلاف خواص وتجانس التربة التي هي في تماس مع الهيكل المعدنيوهذا يظهر بوضوح في حالة خطوط الانابيب ذات المسارات الطويلة. - أختلاف نسبة وجودالاكسجين في أماكن مختلفة من التربة وهذا يظهر في معابر الطرق والشوارع لخطوطالانابيب مقارنة بمسار الانبوب خارجها.

وصف عملية التآكل

• يكون سريان الالكترونات من Cathodic Area الى Anodic Area من خلال التربة او الماء الحيط بالهيكل المعدني, ان اتجاه التيار الكهربائي يكون منالمنطقة الانودية الى المنطقة الكاثودية خلال التربة او المحيط المائي (المحلول).

• الالكترونات التي تتولد نتيجة فقدان ذرات الحديد للاكترنات وتحويلها الى ايونالحديد الموجب.

• تتحد ايونات الحديد مع ايونات OH لينتج Ferric Hydroxide Fe(OH)3 وهو الصدأ الاعتيادي Rust.

• الاللكترونات الواصلة عبر المعدن الىالكاثود تتحد مع آيونات الهيدروجين الذي يتحرر عند الكاثود.

يلاحظ ان الحديد يتمفقدانه من سطح الانود حيث يتحول باستمرار الى صدأ بينما ولايحدث ذلك على سطحالكاثود.


كيف يمنع التآكل



يمكن منع حدوث التآكل ان جعلنا سطح العدنبكامله كاثودآ بالنسبة لمحيطه ومن هنا جاءت تسمية الحماية الكاثودية.

طرق مكافحة التآكل
كل طرق مكافحة التآكل ترتكز على منع تسرب التيار الكهربائي منالمنشآت الى ما يحيط بها من تربة أو ماء وفيما يلي الأساليب المتبعة لتحقيق ذلك:

• استخدام التغليف الجيد وتشمل الصبغ وهو عبارة عن عازل كهربائي يفصل بينالمعدن و البيئة من حوله، من الخصائص الأساسية التي يجب أن تتوفر في التغليف الجيدهو أن يكون متواصلا وذو مقاومية عالية وجيد الالتصاق بالمعدن ولا يتأثر بالحرارةوأن تبلغ نفاذيته الى الدرجة التي لا تسمح بعبور الرطوبة من خلاله. وقد يكون علىشكل أشرطة لاصقة أو بي في سي ملبس في المصنع وتتميز بفاعلية عالية.


• استخداممانع للتفاعل الكيمياوي (Inhibitor) وهي مادة كيمياوية تضاف الى السوائل فتمنعالتآكل على جدار الوعاء الذي يحتويها لأنها تحول دون حدوث التفاعلات الكيمياوية عندالأنود أو الكاثود أو كليهما وتوقف بالتالي مفعول خلايا التآكل كما أنها تترك طبقةخفيفة عازلة على جدار الوعاء. يضاف مانع التفاعل الكيمياوي الى السوائل بتركيز معيندوريا ويمكن استعمال هذا الأسلوب في آبار الحفر و المراجل ومنظومات المياه.

• استخدام مواد مقاومة للتآكل يعني ذلك اختيار المادة التي تقاوم التآكل في بيئةمعينة على أن تكون ملائمة للظروف التشغيلية ومن المواد التي تستعمل لهذا الغرض هيالكروم والنيكل و والرصاص والقصدير والبلاستك و المطاط والسيراميك والكونكريتوالألياف الزجاجية.

• معالجة المحيط (Environment Treatment) يقصد بهذا إحداثتغيرات في تركيب المحيط الملاصق للمعادن تمنع أو تقلل من التآكل عليها. أن التميزبين مانع التفاعل و معالجة المحيط غير واضح فوجود بيكاربونات الكالسيوم في الماءيرسب على جدار الوعاء الذي يحتويه طبقة من كربونات الكالسيوم تفصل بين الوعاءوالماء فتحميه من التآكل ولكن بيكاربونات الكالسيوم لا تصنف في عداد مانعات التآكل. من الوسائل التي تستخدم في معالجة المحيط هو التخلص من الأوكسجين والرطوبة والأملاحالمذابة والتحكم في درجة تركيز أيونات الهيدروجين.


• اعتماد التصميم الجيد وهوما يتحاشى أو يقلل من احتمال حدوث خلايا تآكل ويسهل تطبيق وسائل مكافحة التآكل علىالمنشئات أو الكشف عليها. من الأمور التي يجب الحرص عليها تجنب الاتصال المباشر بينمعدنين مختلفين وعدم وجود مصائد لتجمع الماء أو الغازات أو الهواء والتقليل ما أمكن من وجود الأجزاء المضغوطة.

• استخدام الحماية الكاثودية حيث أن التآكل فيالمعادن يقع في المنطقة الأنودية نتيجة تفريغ التيار الكهربائي منها الى البيئة منحولها مع بقاء المنطقة الكاثودية سليمة وخالية من التآكل. من الواضح أذن أن عمليةالتآكل تتوقف إذا أصبحت جميع أجزاء المعدن كاثودية ويمكن تحقيق ذلك باستخدام تياركهربائي من مصدر خارجي يسري باتجاه مضاد لتيار خلايا التآكل وبكثافة كافية لتجعل منسطح المعدن بأكمله كاثودآ يستقيل التيار الكهربائي من البيئة التي حوله بدل أنيفرغه إليها ومن هنا جاء اصطلاح الحماية الكاثودية.
منظومات الحماية الكاثودية
يمكن تصنيف منظومات الحماية الكاثودية من حيث اسلوب عملهاالى نوعين رئيسين:

أ‌- منظومات الحماية باستخدام أقطاب التضحية Sacrificial Anodes يعتمد هذا الأسلوب على الفعالية الكلفانية Galvanic Action بينالمعدن المراد حمايته وأقطاب التضحية المستخدمة, حيث تستخدم أقطاب تضحية من معادنتأتي في مقدمة السلسلة الكهروكيميائية مقارنة بالمعدن المراد حمايته أي أنها ذاتجهد طبيعي أكثر سلبا More Negative مقارنة بجهد المعدن المراد حمايته فعلى سبيلالمثال يمكن حماية الحديد باستخدام أي من المغنيسيوم Mg أو الألمنيوم Al أو الزنك Zn. تجدر الإشارة هنا إلى أن الحديد Fe واستناد إلى نفس المبدأ سوف يتعرض الىالتآكل في حالة ربطه إلى النحاس بدون استخدام منظومة حماية كاثودية كما هو الحالعند استخدام شبكات الاتصال الأرضي من النحاس. يستخدم هذا النوع من المنظومات فيحالة الحاجة لحماية جيدة لأنابيب ذات مساحة سطحية محدودة أو لغرض الحماية منتأثيرات التداخل عند وجود هياكل معدنية قريبة من السطوح المراد حمايتها, أو في حالةتوفر مصدر للطاقة الكهربائية, أو في حالة الحماية الوقتية خلال مرحلة التشييد, وكذلك في بعض حالات حماية الأسطح الداخلية للخزانات و الأوعية, إلا أن من سلبياتهذا الأسلوب من الحماية هو محدودية عمرها التشغيلي مما يتطلب استبدال الأقطاب فيفترات متقاربة أضافه إلى صعوبة السيطرة على مستوى الحماية.


أنوداتالتضحيةمادة الأنودفرق الجهد القياسي عند درجة 25 ْمالمغنيسيوم (Mg)-2.37الألمنيوم (Al)-1.66الزنك (Zn)-0.763الحديد(Fe)-0.44النحاس (Cu)+0.34

ب‌- منظومات الحماية باستخدام التيار القسري Impressed Current تأتي التسمية من كون تيار الحماية مسلط من مصدر خارجي وتتكونالمنظومة عادة من الأجزاء التالية: - مصدر تيار مستمر Dc Source - أقطاب تضحية (أنودات) - كابلات وأسلاك للربط مع ملحقاتها

يستخدم عادة مصدر تيار مستمر مننوع محولة/معدلة Transformer/Rectifier عند توفر مصدر قريب للتغذية بالطاقةالكهربائية وهو المفضل لهذا الأسلوب من الحماية لاسباب تشغيلية واقتصادية, وفي حالةعدم توفر ذلك يمكن استخدام مولدات كهرباء حرارية Thermo generators عند توفر غازكوقود لتشغيلها أو استخدام منظومات تعمل بالطاقة الشمسية Solar Powered Systems كمايمكن استخدام مولدات تعمل بطاقة الرياح أو استخدام مولدات كهربائية (ديزل). أماأقطاب التضحية فهي عادة تكون من حديد – سليكون FeSi أو الكرافايت. يتطلب استخدامالحماية الكاثودية من النوع القسري في حالة الحاجة لحماية خطوط الأنابيب وقواعدالخزانات ذات الأسطح الكبيرة والتي تتطلب تيار حماية عالي ولفترات طويلة تمتد علىمدى عمر المنشآت التي تعود إليها (20 سنة فأكثر). تتوفر في هذه المنظومات إمكانيةالسيطرة على الحماية ومراقبتها المستمرة.
اعتبارات تصميميه لمنظومةحماية
عند تصميم منظومة حماية كاثودية يتطلب الأخذ بنظر الاعتبار النقاطالرئيسية التالية: • نوع المنشأ والمعدن المطلوب حمايته. • المساحة السطحية للمنشأالمطلوب حمايته من التآكل. • نوع التغليف المستخدم في تغطية السطح المطلوب حمايته. • المقاومة النوعية للتربة أو المحيط الذي يشكل وسط التآكل. العوامل أعلاه مجتمعةسوف تؤدي للتوصل إلى نتائج أولية لتقديرات كثافة تيار الحماية المطلوب (أمبير/ متر2) وبالتالي إلى تقديرات التيار الكلية.

الحوض الأرضي لمنظومة الحماية من نوع ذات التيار القسري
تحوي الأحواض الأرضية علىالانودات ومن الانودات الشائعة الاستخدام هي انودات حديد/سليكون FeSi والذي يبلغمعدل استهلاكه من 0.1 لغاية 0.5 كغم/أمبير/سنة وهناك كذلك انودات من نوع الجرافيتوالتي يبلغ استهلاكها من 0.1 لغاية 2 كغم/أمبير/سنة. بعد تحديد كثافة التيارالمطلوب لتوفير الحماية وبمعرفة المساحة السطحية للمعدن المراد حمايته وعمرالمنظومة المفترض بالسنوات يمكن حساب الوزن الكلي للانودات التي يتطلب استخدامهاوبالتالي احتساب أعدادها حسب وزن الأنود الواحد. تدفن الانودات عادة في مسحوق منالفحم الحجري لتقليل مقاومة التماس بين الانودات والتربة وبالتالي تقليل جهدالدائرة الكهربائية لدفع تيار الحماية وتقليل استهلاك الانودات. طريقة دفن الانوداتتعتمد على طبيعة المنطقة والمقاومة النوعية للتربة, فأن كانت المقاومة النوعيةواطئة ومستوى المياه عالي يمكن استخدام أحواض أرضية سطحية Shallow Ground Beds وتدفن الانودات أفقيا على أعماق قليلة 2-3 متر بينما يتطلب دفن الانودات عموديا علىأعماق اكبر Vertical Ground Beds بهدف الوصول إلى طبقات التربة واطئة المقاومة. أمافي المناطق ذات المقاومة النوعية المرتفعة جدا والتي تكون اكثر من 50 اوم.متر ولغرضالوصول إلى الطبقات السفلى ذات المقاومة النوعية الواطئة يتطلب الامر حفر أحواضأرضية عميقة Deep Wells حيث يمكن أن يكون العمق 30 متر فاكثر. توصل الانودات بسلككهربائي إلي مصدر الطاقة الكهربائية (مصدر التيار), بينما توصل كافة الانودات فيمابينها على التوازي.

أما بالنسبة لحساب التآكل أو بالأحرى سرعة التآكل فهناك طريقتان:

الأولى باستخدام ما يسمى ب potentiostat وهو جهاز يسلط فرق جهد عاىالعينة المراد حساب التآكل لها ويرسم منحنيا بين فرق الجهد والتيار والذي بدورهيستخدم لحساب سرعة التآكل عن طريق Tafel slopes ..

والطريقة الثانية هي عن طريق حساب "فقدانالوزن" weight loss وهي كالتالي:

- يتم اخذ قطعة معدنية من نفس المعدن الذي نرغببقياس سرعة تآكله وننطفها من الشحوم بغسلها بالأسيتون ثم نجففها جيدا ونزنها ونسجل الوزن

- يتم تعريض المعدن للوسط الذي نريد قياس التآكل فيه في المختبر ونوفر لهنفس الظروف وذلك لمدة طويلة من الزمن

- بعد مضي فترة طويلة على التعريض نغسلالقطعة بالماء ونفركها بقطعة مطاطية حتى تزول آثار التآكل ثم نجففها ونزنها ويكونهذا هو الفقدان في الوزن w. ثم نطبق المعادلة:


r= 87.6*W/D*A*T
r سرعة التآكل محسوبة ب ملم/سنة

w الوزن المفقود بالميليغرام

D الكثافة بالغرام/سم3
A المساحة المعرضة للتآكل (مساحة القطعة كلها اذا تم غمسها بالكامل) محسوبة ب سم2

T الزمن بالساعات