اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ لخدمة تحلية المياه والمحلول الملحي

المتغيرات الثلاثة: الكلوريد ودرجة الحرارة والشقوق

يقاوم الفولاذ المقاوم للصدأ المياه المحتوية على الكلوريد بإبقاء طبقة رقيقة من أكسيد الكروم سليمة. تهاجم أيونات الكلوريد تلك الطبقة عند أضعف نقاطها، وما إن يبدأ التنقّر حتى تتحول الكيمياء داخل النقرة إلى حمضية وتغذّي نفسها بنفسها. ثلاثة أمور تقرر ما إذا كانت الطبقة ستصمد، ويجب اختيار الدرجة في مواجهتها الثلاثة معاً.

تركيز الكلوريد هو الأول. مياه البحر محلول كلوريد أصلاً؛ والمحلول الملحي الذي يغادر غشاء التناضح العكسي يحمل ملح التغذية في حجم أصغر، فيرتفع كلوريده كثيراً فوق مياه البحر التي جاء منها، والمحطات الحرارية تركّز بالطريقة نفسها في دوائر المحلول الملحي لديها. الدرجة المريحة عند المأخذ قد تكون هامشية في خط المركّز.

درجة الحرارة هي الثانية. لكل درجة فولاذ، في محلول كلوريد معيّن، درجة حرارة يبدأ فوقها التنقّر، وأخرى أدنى منها يبدأ فوقها التآكل الشقّي. المحطة على البحر الأحمر أو الخليج ترى تغذية دافئة معظم العام، والأعمال المعدنية الخارجية في صيف سعودي تبلغ درجات حرارة سطحية نحو 45 درجة مئوية، وهي ما يعمل عنده خط محلول ملحي غير معزول تحت الشمس.

الشقوق هي الثالثة، وهي التي تنساها المواصفات. تحت الحشية، خلف وجه الفلنجة، في جذر لحام غير كامل الاختراق أو تحت القشور، لا يستطيع الأكسجين الذي يرمّم الطبقة الخاملة الوصول إلى المعدن بينما يتركّز الكلوريد. يبدأ التآكل الشقّي عند درجات حرارة أدنى من تنقّر السطح المكشوف في الدرجة نفسها، ولذلك فإن الوصلة، لا الأنبوب، هي التي تحدد الدرجة. والمياه الراكدة تنتمي إلى هنا أيضاً: الوحدة المتوقفة للصيانة تترك محلولاً ملحياً في الأطراف الميتة بلا جريان.

PREN كأداة للفرز، وما الذي يغفله

يرتّب رقم مكافئ مقاومة التنقّر (PREN) الدرجات بحسب العناصر الثلاثة التي تقاوم هجوم الكلوريد: PREN = Cr + 3.3 Mo + 16 N، كلها بالنسبة الوزنية المئوية. تشغّل حاسبة PREN هذا التعبير في المحرك نفسه الذي تستخدمه صفحات المواد، وكل رقم في الجدول أدناه جاء منها.

الأرقام محسوبة من الحدود الدنيا للمواصفة في ASTM A240، وهي مواصفة المنتجات المسطحة التي تورَّد كل درجة بموجبها، لا من تحليل نموذجي. ذلك هو الأساس الآمن للاختيار: أدنى PREN يمكن أن تحمله صبّة وتظل معتمدة للدرجة. المثال المحلول في الحاسبة نفسها، تركيب دوبلكس من 22 Cr و3.2 Mo و0.18 N، يعطي 35.44 مقابل 34.14 التي تعطيها الحدود الدنيا للدرجة 2205. وحيث لا تضع المواصفة حداً أدنى للنيتروجين، كما في 316L و904L، يدخل النيتروجين صفراً.

لا يقول PREN شيئاً عن هندسة الشقوق أو درجة الحرارة أو الجريان، ولذلك قد ينجح الرقم نفسه في مسار مستقيم ملحوم ويفشل خلف حشية. إنه مؤشر للتركيب، لا للمعدن كما يُسلَّم: لحام دوبلكس بتوازن فرّيت خاطئ، أو سطح 316L تُرك عليه تلوّن حراري، يتآكل دون الرقم الذي بيع به. يفرز PREN المرشحين؛ والمتغيرات الثلاثة ومسار التصنيع هي التي تختار بينهم.

تعطي صفحة الحاسبة نقاطاً مرجعية شائعة نحو 24 للدرجة 316 و35 للدرجة 2205 وفوق 40 للسوبر دوبلكس. تلك أرقام تركيب نموذجي وتقع فوق الحدود الدنيا في الجدول لأن الصبّة الحقيقية تحمل أكثر مما تطلبه المواصفة. وعندما تطلب مواصفة PREN بقيمة 40 أو أكثر، يجب أن ينص أمر الشراء على ذلك وأن تُظهره شهادة المصنع، لأن الحد الأدنى للدرجة 2507 لا يبلغه.

أين لا يزال 316L يعمل في محطة تحلية المياه

يستحق 316L مكانه حيث يكون الكلوريد عند مستوى مياه البحر أو دونه، ودرجة الحرارة محيطة، والهندسة مفتوحة. في الممارسة الصناعية هذا هو جانب المأخذ، أي المصافي والمرشّحات الشبكية وأنابيب المعالجة الأولية منخفضة الضغط وأغلفة مرشّحات الخراطيش، وجانب مياه المنتج، حيث الكلوريد جزء يسير من التغذية. إنه درجة مبنى المعالجة الأولية.

حدوده هي تلك التي يعرفها المهندس الساحلي أصلاً من لماذا يتبقّع 304 ويتنقّر قرب الساحل السعودي: 316L هو 304 مع الموليبدينوم، الذي ينقل PREN من 17.5 إلى 22.6 ويشتري هامشاً حقيقياً في مياه البحر المفتوحة عند درجة الحرارة المحيطة، لكنه ليس هامشاً ينجو في محلول ملحي دافئ تحت حشية. يبيّن 304 مقابل 316 من الفولاذ المقاوم للصدأ تلك الفجوة؛ أما الفجوة بين 316L ودرجات الدوبلكس فهي تغيّر من رتبة مختلفة.

ثلاث عادات تبقي 316L حيث ينتمي. صرّف أطرافه الميتة ونقاطه المنخفضة عند التوقف حتى لا يجلس أبداً في محلول ملحي راكد. حدّد لحامات كاملة الاختراق ولا وصلات مبرغلة في أي خط مركّز مبلّل، حتى لا تكون هناك شقوق يفشل فيها. وقم بالتخليل الحمضي والتخميل بعد اللحام، حتى تستعيد المنطقة المتلوّنة حرارياً بجوار كل لحام طبقتها؛ فلحام 316L المتروك بتلوّنه هو أول مكان تتنقّر فيه المحطة.

الحرف L مهم. الكربون بحد أقصى 0.03 % في ASTM A240 يمنع تكوّن كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أثناء اللحام. أما 316 العادي فلا يقدّم أي ميزة تجاه الكلوريد؛ فعند الحد الأدنى للمواصفة يُحسب كلاهما إلى 22.6 نفسها.

الدوبلكس 2205 أو السوبر دوبلكس 2507: الخطوة وما تشتريه

الدوبلكس 2205 هو حيث تستقر معظم مواصفات أنابيب مياه البحر والتناضح العكسي عالي الضغط في الممارسة الصناعية، والسبب في الجدول: 22 % كروم كحد أدنى و3 % موليبدينوم وحد أدنى للنيتروجين 0.14 ترفع PREN إلى 34.14، أي مرة ونصف رقم 316L. كما تمنح البنية المختلطة من الفرّيت والأوستنيت الدوبلكس حد خضوع أعلى بكثير من الدرجات الأوستنيتية، وهو ما يأخذه المصممون غالباً كتوفير في سماكة الجدار؛ وذلك القرار يعود إلى كود الضغط. تورَّد أنابيب الدوبلكس بموجب ASTM A790، والأنابيب الأوستنيتية بموجب ASTM A312، والصفائح والألواح لكلتا العائلتين بموجب ASTM A240 أو EN 10088-2. وفي سجل المواد الرئيسي تقع الدرجات الأوستنيتية عند 8000 كجم/م³ ودرجات الدوبلكس عند 7800 كجم/م³.

الخطوة إلى السوبر دوبلكس 2507 خطوة في كل عنصر: 24 % كروم و3 % موليبدينوم و0.24 % نيتروجين، لـ PREN يبلغ 37.74 عند الحدود الدنيا وفوق 40 في صبّة نموذجية. تلك هي الدرجة لخطوط المركّز ورجيع المحلول الملحي، ولمياه البحر الدافئة، وللوحدات عالية الضغط على تغذية دافئة حيث سيعمل 2205 عند حدّه الشقّي. فئة تآكله في سجل المواد الرئيسي هي النطاق الأعلى، ويشاركه فيه السوبر دوبلكس S32760، وهو متغيّر يحوي النحاس والتنغستن يُستخدم في المواضع نفسها.

ثمن الخطوة ليس المادة وحدها. تحتاج درجتا الدوبلكس كلتاهما إلى ضبط أشد في الورشة: مدخل حراري ضمن نافذة، ودرجة حرارة بين التمريرات تحت المراقبة، ومعدن حشو يُختار للحفاظ على حصة الأوستنيت في معدن اللحام مرتفعة. متى لُحمتا بإجراء مؤهَّل للدرجة، تسلكان كما يقول الجدول؛ ومتى لُحمتا كما يُلحم الفولاذ الكربوني، فلا. وحجة دورة الحياة في الفولاذ الكربوني مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ للأعمال الإنشائية في الخليج تنطبق بقوة أكبر في محطة لا تستطيع تحمّل فتح خط محلول ملحي للإصلاح: الدرجة تُشترى مرة واحدة والتوقف يُدفع ثمنه في كل مرة.

اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة والسطح بعد التصنيع

يتآكل الفولاذ المقاوم للصدأ عند أضعف نقطة فيه، وبعد التصنيع تكون تلك النقطة في الغالب اللحام أو السطح المجاور له. يمكن للمنطقة المتأثرة بالحرارة في الدرجة الأوستنيتية أن تفقد الكروم إلى الكربيدات إذا كان الكربون مرتفعاً جداً، وهو ما تمنعه درجات L. ويمكن للمنطقة المتأثرة بالحرارة في الدوبلكس أن تذهب بعيداً نحو الفرّيت إذا بردت بسرعة مفرطة، أو أن تكوّن أطواراً بين‑فلزية إذا بقيت ساخنة طويلاً، وكلاهما يُنزل مقاومتها للتنقّر دون المعدن الأصلي. وفي كل الدرجات يترك اللحام أكسيداً متلوّناً حرارياً فقيراً بالكروم تحته، إضافة إلى أي حديد التُقط من عدد الفولاذ الكربوني.

العلاجات إجرائية. إجراءات لحام مؤهَّلة للدرجة والوصلة. اختراق كامل في كل ما يبلّله المحلول الملحي، لأن فجوة الجذر شق. غاز حماية خلفي على جذر لحام الأنبوب حتى لا يتأكسد السطح الداخلي، وهو الذي يراه المحلول الملحي. ثم التخليل الحمضي والتخميل بعد اكتمال التصنيع، حتى يُزال التلوّن الحراري والحديد المطمور وتتشكل الطبقة الخاملة من جديد. ورشة اللحام والتصنيع التي تعمل الفولاذ المقاوم للصدأ يومياً تعامل هذا كروتين؛ والمواصفة تجعله عقداً.

شريط تثبيت من الفولاذ الكربوني على أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ يكوّن ازدواجاً جلفانياً في مياه البحر؛ ويغطي التآكل الجلفاني بين الألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ الآلية، والجواب هنا هو إبقاء المواد المبلّلة ضمن عائلة واحدة وعزل ما عداها.

أين تقف هداية

تعمل هداية للصناعات المعدنية من ثلاث مدن وعشرة مواقع وثلاثة مصانع في المملكة العربية السعودية، بفروع في جدة والرياض والدمام؛ وقد بدأت المجموعة عام 1976. تحمل صفحات المواد لـ 316L و2205 و2507 و904L التركيب الكيميائي والمواصفات التي تورَّد كل درجة بموجبها. ويصنّع قسم الهندسة الصناعية أنابيب الضغط وأوعية الضغط وحزم السكيد بهذه الدرجات؛ وصفحة المياه وتحلية المياه هي نقطة الدخول، وصفحة الجودة تبيّن كيف يرافق تقرير اختبار المصنع التسليم عندما تطلبه المواصفة.