تآكل تحت ترسبات المبرد
Thread Content
أرجو شرح مبدأ التآكل تحت ترسبات المبرد وأشكاله.
مقدمة عن التآكل تحت الرواسب
1. التعريف: التآكل تحت الرواسب (Under-deposit corrosion) هو التآكل الذي يحدث نتيجة وجود رواسب على سطح المعدن.
2. آلية التآكل: إنها صورة خاصة من أشكال التآكل الموضعي، حيث تحد شكل الجهاز الهندسي ومنتجات التآكل والرواسب من تدفق الوسط على سطح المعدن وانتشار المواد الكهربائية، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في التركيب الكيميائي للوسط داخل الفراغات المغلقة مقارنة بالوسط الخارجي. كما يحدث تغيير كبير في قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط داخل هذه الفراغات، مما يؤدي إلى التآكل في تلك الفراغات. بالإضافة إلى ذلك، ينخفض جهد الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي أيضًا إلى التآكل. ووفقًا لمبدأ التآكل، يمكن تقسيمه إلى نوعين: التآكل الحمضي والتآكل القلوي، وعادةً ما يكون التآكل الذي يحدث تحت الرواسب في أنظمة التبريد الدورية من نوع التآكل الحمضي. الترسب يعني عملية تراكم المواد التي تسبب الترسبات في مياه التبريد على سطح المعدن الموجود على جانب الماء، والأوساخ هي مجموعة من المواد الصلبة بما في ذلك رواسب المياه. من بين الأوساخ الشائعة: الطين والغبار وحبيبات الرمل، بالإضافة إلى منتجات التآكل. كما توجد كائنات عضوية طبيعية، وعادةً ما يكون هناك أيضًا شظايا، وألومينا، وفوسفات الألومنيوم، وفوسفات الحديد، بالإضافة إلى رواسب الأوساخ. أما أوساخ برج التبريد فهي تأتي من المصادر التالية: ① أوساخ ناتجة عن المياه المستخدمة في التبريد. ②من تلوث الهواء. ③الأوساخ الناتجة عن النظام نفسه. الكائنات الدقيقة هي كائنات صغيرة غالبًا ما لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، وأنواع الكائنات الدقيقة تشمل البكتيريا والطحالب والفطريات والطحالب الأولية. تتكاثر الكائنات الدقيقة بكثرة في أنظمة المياه المستخدمة في التبريد، مما يؤدي إلى تغيير لون المياه إلى اللون الأسود وظهور روائح كريهة. يؤدي تدمير البيئة إلى تكوّن كميات كبيرة من الطين، مما يقلل من كفاءة أبراج التبريد. كما يزيد ذلك من خسائر الضغط المائي، وتتراكم الفطريات على سطح المعادن، مما يسبب تآكلاً شديداً تحت الطبقات العازلة. كل هذه العوامل تؤدي إلى عدم قدرة نظام المياه المستخدم في التبريد على العمل بشكل آمن على المدى الطويل، مما يؤثر على الإنتاج ويسبب خسائر اقتصادية. لذلك، فإن خطر الكائنات الدقيقة وتآكل الرواسب مهمان بنفس القدر كخطر مياه التبريد، ومقارنةً بين الثلاثة، يجب أن يكون السيطرة على خطر الكائنات الدقيقة هي الأولوية القصوى. تشمل الكائنات الدقيقة في مياه التبريد الفطريات، وبكتيريا الكبريت، والبكتيريا المختزلة، والبكتيريا التي تستطيع العيش بشكل مستقل، والبكتيريا الغريبة، وبكتيريا الكبريت، وبكتيريا الحديد، وبكتيريا النيترات، بالإضافة إلى الطحالب. الطحالب هي نباتات خضراء منخفضة المستوى، لا تمتلك أجزاءً مثل السيقان والأوراق، ولذلك تُسمى أيضًا النباتات البدائية. الفرق الرئيسي بين الطحالب والبكتيريا هو أن الطحالب تحتوي على صبغات في الخلايا الخاصة بها، مما يسمح لها بإجراء عملية البناء الضوئي. تُنتج الكائنات الضوئية التي تعتمد على الضوء في تغذيتها المواد الغذائية، وفي أنظمة التبريد الدوراني، توجد ثلاث فئات رئيسية من الطحالب وهي الطحالب الخضراء الزرقاء والطحالب الخضراء والدياتومات. في خزانات التبريد الدوراني وأجزاء الأبراج الخاصة بالتبريد التي تتعرض لأشعة الشمس، تنمو هذه الطحالب وتتكاثر، ثم تموت وتصبح جزءًا من الرواسب في نظام التبريد الدوراني. أما التآكل الناتج عن المعادن فهو ناتج عن التآكل الكهروكيميائي الذي يحدث بفعل تأثير التحفيز الذاتي، أما التآكل الناتج عن الأحماض فهو ناتج عن عملية إزالة الشحنة من الهيدروجين (2H++2e→H2). ومنتجات التآكل هي في الأساس أملاح قابلة للذوبان، وتؤدي هضم هذه الأملاح إلى زيادة حموضة الوسط، مما يسرع من تآكل المعادن. يكون تآكل سطح المعادن بفعل الماء في الغالب تآكلاً كهروكيميائياً، حيث يكون التفاعل الكاثودي في خلية التآكل هو اختزال الأكسجين، أما المعدن في المنطقة المغلقة تحت الرواسب فيكون القطب الموجب، ويكون التفاعل الأنودي فيه هو ذوبان الحديد. تكون ردة الفعل التآكلية للفولاذ الكربوني في الماء كالتالي:
ردة الفعل الأنودية: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
يحدث تحلل أيونات الحديد ثنائي التكافؤ: Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)₂ + H⁺
مما يؤدي إلى انخفاض قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط الموجود تحت الرواسب، وبالتالي يتسارع التآكل. التفاعل الكاثودي: O2 + 2H2O + 4e⁻ = 4OH⁻. إذًا، فإن التآكل الذي يحدث تحت طبقة الترسبات المعدنية يعود إلى وجود تأثير تحفيزي كهروكيميائي في الخامة نفسها، مما يسرع من وتيرة التآكل. الآلية الكهروكيميائية للتآكل النقطي والتآكل في الشقوق مشابهة لذلك. يكون تركيز وسمك والتركيب الكيميائي للرواسب التي تتكون على أسطح نقل الحرارة في أجهزة تبادل الحرارة غير موحد عادةً، ويؤدي هذا الغطاء غير المتجانس من الرواسب إلى عدم تجانس كهروكيميائي على سطح المعدن، مما يسهل حدوث تفاعلات التآكل الكيميائي. كما أن الرواسب تؤدي إلى تراكم بعض مكونات التآكل في الماء مثل H+، OH-، Cl-، Mg2+، S2-، إلخ، تحت سطح المعدن، مما يسبب تفاعلات التآكل الكيميائي. ونتيجة لذلك، يتعرض جزء من المعدن للتلف ويصبح أرق، وقد يصل التآكل إلى درجة اختراق صفائح المعدن، مما يؤدي إلى تسرب السائل من الجهاز. تشير نتائج الدراسات السابقة إلى أن تكوّن التآكل تحت الرواسب يتطلب ظروفًا معينة وفترة زمنية للتكوّن، والشروط الأساسية هي وجود أيونات مسببة للتآكل في الوسط بالإضافة إلى مواد مؤكسدة. منطقة التآكل الناتجة عن انسداد البطارية صغيرة جدًا، ومن الصعب على الإلكتروليت الموجود في هذه المنطقة أن يتدفق أو ينتشر مع المواد الموجودة في البيئة المحيطة. في داخل البطارية المسدودة، ونتيجة لحدوث تفاعلات الأنود، يؤدي تحلل أيونات المعادن إلى زيادة نشاط الأيونات H+، مما يؤدي إلى تحمض الوسط في منطقة التآكل بشكل أكبر، وبالتالي يزيد من قوة تفاعلات التآكل. تساهم شوائب مثل MnS في المعادن، وعيوب السطح، وطبقة الأكسدة الناتجة عن عملية الدرفلة، بالإضافة إلى المواد الملتصقة بالسطح (خاصة الكبريتيدات غير المتماسكة)، والوسط الثابت، وأيونات Cl- في الوسط، وارتفاع درجة الحرارة، في تعزيز تكوّن وتطور انسداد الخلايا. كما أن وجود الأكسجين يزيد من سرعة حدوث التآكل الثقبي بمقدار 1 إلى 2 رتبة أس. يؤدي تأثير الجاذبية إلى أن تتطور الثقوب الموجودة في قاع الوعاء بسرعة أكبر بكثير من الثقوب الموجودة على السطح العمودي والسطح السفلي، مما يؤدي إلى تشقق قاع الوعاء أولاً. يؤدي تكوّن أغشية كبريتيدية غير متماسكة بسماكة معينة على سطح الفولاذ نتيجة وجود الكبريتيدات في الوسط، إلى الحفاظ على الرطوبة في المنطقة المسدودة، كما يعيق انتشار المواد في هذه المنطقة، مما يسرع من تكوّن الخلايا المسدودة وتطور التآكل. وعادةً، يمكن لهذه الخلايا المسدودة أن تتسبب في تآكل الصفيحة الفولاذية بسماكة 3 مم خلال فترة تتراوح بين 3 إلى 24 شهرًا. كما أن السطح الملساء والنظيفة تساعد في منع تكوّن انسدادات داخل البطارية، وعند حدوث هذه الانسدادات، يمكن استخدام طرق تنظيف السطح لإبطاء عملية التآكل. ٣. المخاطر: في عمليات إنتاج البتروكيماويات والطاقة الحرارية، يعتبر تراكم الرواسب في أجهزة التبريد من المشاكل الشائعة. فتراكم الرواسب يؤدي إلى انخفاض كفاءة نقل الحرارة في الأجهزة، مما يقلل من قدرتها على الإنتاج ； زيادة مقاومة تدفق الوسط، مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة في أجهزة النقل. يمكن أن يتسبب طبقة الرواسب أيضًا في تآكل الأجهزة تحتها، مما يقلل من عمرها الافتراضي ； في الحالات الشديدة، يؤدي ذلك إلى انسداد المعدات، مما يؤثر على استمرارية الإنتاج بشكل سلس، وقد يؤدي حتى إلى توقف العمليات التصنيعية. في الوقت الحالي، يتم التعامل مع ترسبات التبريد بشكل أساسي من خلال إيقاف التشغيل بشكل دوري لأغراض التنظيف (التنظيف الكيميائي أو التنظيف بالضغط العالي). إنها طريقة للتعامل مع المشاكل بعد حدوثها، ولا يمكنها حل مشاكل انخفاض الكفاءة الناتج عن تراكم الرواسب أثناء تشغيل الخزان، بالإضافة إلى مشاكل التآكل التي تحدث تحت هذه الرواسب. يسهل ترسب الشوائب مثل الطين الموجودة في المحلول، مما يؤدي إلى تكون الرواسب. وكلما زادت تركيز الأكسجين في المحلول، زاد الفرق في التركيز بين الماء والرواسب، وبالتالي يزداد الفرق في الجهد الكهربائي بين القطبين. وهذا يجعل الحديد أكثر عرضة للتفاعل مع الأكسجين وحدوث التآكل. كلما كان طبقة الرواسب أكثر سمكًا، كان من الأسهل حدوث تآكل تحتها، ويستمر هذا التآكل إلى الداخل حتى يؤدي إلى حدوث ثقوب.
1. التعريف: التآكل تحت الرواسب (Under-deposit corrosion) هو التآكل الذي يحدث نتيجة وجود رواسب على سطح المعدن.
2. آلية التآكل: إنها صورة خاصة من أشكال التآكل الموضعي، حيث تحد شكل الجهاز الهندسي ومنتجات التآكل والرواسب من تدفق الوسط على سطح المعدن وانتشار المواد الكهربائية، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في التركيب الكيميائي للوسط داخل الفراغات المغلقة مقارنة بالوسط الخارجي. كما يحدث تغيير كبير في قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط داخل هذه الفراغات، مما يؤدي إلى التآكل في تلك الفراغات. بالإضافة إلى ذلك، ينخفض جهد الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي أيضًا إلى التآكل. ووفقًا لمبدأ التآكل، يمكن تقسيمه إلى نوعين: التآكل الحمضي والتآكل القلوي، وعادةً ما يكون التآكل الذي يحدث تحت الرواسب في أنظمة التبريد الدورية من نوع التآكل الحمضي. الترسب يعني عملية تراكم المواد التي تسبب الترسبات في مياه التبريد على سطح المعدن الموجود على جانب الماء، والأوساخ هي مجموعة من المواد الصلبة بما في ذلك رواسب المياه. من بين الأوساخ الشائعة: الطين والغبار وحبيبات الرمل، بالإضافة إلى منتجات التآكل. كما توجد كائنات عضوية طبيعية، وعادةً ما يكون هناك أيضًا شظايا، وألومينا، وفوسفات الألومنيوم، وفوسفات الحديد، بالإضافة إلى رواسب الأوساخ. أما أوساخ برج التبريد فهي تأتي من المصادر التالية: ① أوساخ ناتجة عن المياه المستخدمة في التبريد. ②من تلوث الهواء. ③الأوساخ الناتجة عن النظام نفسه. الكائنات الدقيقة هي كائنات صغيرة غالبًا ما لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، وأنواع الكائنات الدقيقة تشمل البكتيريا والطحالب والفطريات والطحالب الأولية. تتكاثر الكائنات الدقيقة بكثرة في أنظمة المياه المستخدمة في التبريد، مما يؤدي إلى تغيير لون المياه إلى اللون الأسود وظهور روائح كريهة. يؤدي تدمير البيئة إلى تكوّن كميات كبيرة من الطين، مما يقلل من كفاءة أبراج التبريد. كما يزيد ذلك من خسائر الضغط المائي، وتتراكم الفطريات على سطح المعادن، مما يسبب تآكلاً شديداً تحت الطبقات العازلة. كل هذه العوامل تؤدي إلى عدم قدرة نظام المياه المستخدم في التبريد على العمل بشكل آمن على المدى الطويل، مما يؤثر على الإنتاج ويسبب خسائر اقتصادية. لذلك، فإن خطر الكائنات الدقيقة وتآكل الرواسب مهمان بنفس القدر كخطر مياه التبريد، ومقارنةً بين الثلاثة، يجب أن يكون السيطرة على خطر الكائنات الدقيقة هي الأولوية القصوى. تشمل الكائنات الدقيقة في مياه التبريد الفطريات، وبكتيريا الكبريت، والبكتيريا المختزلة، والبكتيريا التي تستطيع العيش بشكل مستقل، والبكتيريا الغريبة، وبكتيريا الكبريت، وبكتيريا الحديد، وبكتيريا النيترات، بالإضافة إلى الطحالب. الطحالب هي نباتات خضراء منخفضة المستوى، لا تمتلك أجزاءً مثل السيقان والأوراق، ولذلك تُسمى أيضًا النباتات البدائية. الفرق الرئيسي بين الطحالب والبكتيريا هو أن الطحالب تحتوي على صبغات في الخلايا الخاصة بها، مما يسمح لها بإجراء عملية البناء الضوئي. تُنتج الكائنات الضوئية التي تعتمد على الضوء في تغذيتها المواد الغذائية، وفي أنظمة التبريد الدوراني، توجد ثلاث فئات رئيسية من الطحالب وهي الطحالب الخضراء الزرقاء والطحالب الخضراء والدياتومات. في خزانات التبريد الدوراني وأجزاء الأبراج الخاصة بالتبريد التي تتعرض لأشعة الشمس، تنمو هذه الطحالب وتتكاثر، ثم تموت وتصبح جزءًا من الرواسب في نظام التبريد الدوراني. أما التآكل الناتج عن المعادن فهو ناتج عن التآكل الكهروكيميائي الذي يحدث بفعل تأثير التحفيز الذاتي، أما التآكل الناتج عن الأحماض فهو ناتج عن عملية إزالة الشحنة من الهيدروجين (2H++2e→H2). ومنتجات التآكل هي في الأساس أملاح قابلة للذوبان، وتؤدي هضم هذه الأملاح إلى زيادة حموضة الوسط، مما يسرع من تآكل المعادن. يكون تآكل سطح المعادن بفعل الماء في الغالب تآكلاً كهروكيميائياً، حيث يكون التفاعل الكاثودي في خلية التآكل هو اختزال الأكسجين، أما المعدن في المنطقة المغلقة تحت الرواسب فيكون القطب الموجب، ويكون التفاعل الأنودي فيه هو ذوبان الحديد. تكون ردة الفعل التآكلية للفولاذ الكربوني في الماء كالتالي:
ردة الفعل الأنودية: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
يحدث تحلل أيونات الحديد ثنائي التكافؤ: Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)₂ + H⁺
مما يؤدي إلى انخفاض قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط الموجود تحت الرواسب، وبالتالي يتسارع التآكل. التفاعل الكاثودي: O2 + 2H2O + 4e⁻ = 4OH⁻. إذًا، فإن التآكل الذي يحدث تحت طبقة الترسبات المعدنية يعود إلى وجود تأثير تحفيزي كهروكيميائي في الخامة نفسها، مما يسرع من وتيرة التآكل. الآلية الكهروكيميائية للتآكل النقطي والتآكل في الشقوق مشابهة لذلك. يكون تركيز وسمك والتركيب الكيميائي للرواسب التي تتكون على أسطح نقل الحرارة في أجهزة تبادل الحرارة غير موحد عادةً، ويؤدي هذا الغطاء غير المتجانس من الرواسب إلى عدم تجانس كهروكيميائي على سطح المعدن، مما يسهل حدوث تفاعلات التآكل الكيميائي. كما أن الرواسب تؤدي إلى تراكم بعض مكونات التآكل في الماء مثل H+، OH-، Cl-، Mg2+، S2-، إلخ، تحت سطح المعدن، مما يسبب تفاعلات التآكل الكيميائي. ونتيجة لذلك، يتعرض جزء من المعدن للتلف ويصبح أرق، وقد يصل التآكل إلى درجة اختراق صفائح المعدن، مما يؤدي إلى تسرب السائل من الجهاز. تشير نتائج الدراسات السابقة إلى أن تكوّن التآكل تحت الرواسب يتطلب ظروفًا معينة وفترة زمنية للتكوّن، والشروط الأساسية هي وجود أيونات مسببة للتآكل في الوسط بالإضافة إلى مواد مؤكسدة. منطقة التآكل الناتجة عن انسداد البطارية صغيرة جدًا، ومن الصعب على الإلكتروليت الموجود في هذه المنطقة أن يتدفق أو ينتشر مع المواد الموجودة في البيئة المحيطة. في داخل البطارية المسدودة، ونتيجة لحدوث تفاعلات الأنود، يؤدي تحلل أيونات المعادن إلى زيادة نشاط الأيونات H+، مما يؤدي إلى تحمض الوسط في منطقة التآكل بشكل أكبر، وبالتالي يزيد من قوة تفاعلات التآكل. تساهم شوائب مثل MnS في المعادن، وعيوب السطح، وطبقة الأكسدة الناتجة عن عملية الدرفلة، بالإضافة إلى المواد الملتصقة بالسطح (خاصة الكبريتيدات غير المتماسكة)، والوسط الثابت، وأيونات Cl- في الوسط، وارتفاع درجة الحرارة، في تعزيز تكوّن وتطور انسداد الخلايا. كما أن وجود الأكسجين يزيد من سرعة حدوث التآكل الثقبي بمقدار 1 إلى 2 رتبة أس. يؤدي تأثير الجاذبية إلى أن تتطور الثقوب الموجودة في قاع الوعاء بسرعة أكبر بكثير من الثقوب الموجودة على السطح العمودي والسطح السفلي، مما يؤدي إلى تشقق قاع الوعاء أولاً. يؤدي تكوّن أغشية كبريتيدية غير متماسكة بسماكة معينة على سطح الفولاذ نتيجة وجود الكبريتيدات في الوسط، إلى الحفاظ على الرطوبة في المنطقة المسدودة، كما يعيق انتشار المواد في هذه المنطقة، مما يسرع من تكوّن الخلايا المسدودة وتطور التآكل. وعادةً، يمكن لهذه الخلايا المسدودة أن تتسبب في تآكل الصفيحة الفولاذية بسماكة 3 مم خلال فترة تتراوح بين 3 إلى 24 شهرًا. كما أن السطح الملساء والنظيفة تساعد في منع تكوّن انسدادات داخل البطارية، وعند حدوث هذه الانسدادات، يمكن استخدام طرق تنظيف السطح لإبطاء عملية التآكل. ٣. المخاطر: في عمليات إنتاج البتروكيماويات والطاقة الحرارية، يعتبر تراكم الرواسب في أجهزة التبريد من المشاكل الشائعة. فتراكم الرواسب يؤدي إلى انخفاض كفاءة نقل الحرارة في الأجهزة، مما يقلل من قدرتها على الإنتاج ； زيادة مقاومة تدفق الوسط، مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة في أجهزة النقل. يمكن أن يتسبب طبقة الرواسب أيضًا في تآكل الأجهزة تحتها، مما يقلل من عمرها الافتراضي ； في الحالات الشديدة، يؤدي ذلك إلى انسداد المعدات، مما يؤثر على استمرارية الإنتاج بشكل سلس، وقد يؤدي حتى إلى توقف العمليات التصنيعية. في الوقت الحالي، يتم التعامل مع ترسبات التبريد بشكل أساسي من خلال إيقاف التشغيل بشكل دوري لأغراض التنظيف (التنظيف الكيميائي أو التنظيف بالضغط العالي). إنها طريقة للتعامل مع المشاكل بعد حدوثها، ولا يمكنها حل مشاكل انخفاض الكفاءة الناتج عن تراكم الرواسب أثناء تشغيل الخزان، بالإضافة إلى مشاكل التآكل التي تحدث تحت هذه الرواسب. يسهل ترسب الشوائب مثل الطين الموجودة في المحلول، مما يؤدي إلى تكون الرواسب. وكلما زادت تركيز الأكسجين في المحلول، زاد الفرق في التركيز بين الماء والرواسب، وبالتالي يزداد الفرق في الجهد الكهربائي بين القطبين. وهذا يجعل الحديد أكثر عرضة للتفاعل مع الأكسجين وحدوث التآكل. كلما كان طبقة الرواسب أكثر سمكًا، كان من الأسهل حدوث تآكل تحتها، ويستمر هذا التآكل إلى الداخل حتى يؤدي إلى حدوث ثقوب.