23452115 المبسط في تأكل المعادن

ماذا تعرف عن علم تأكل المعادن ؟

المبسط في تآكلالمعادن

إعداد /المهندس عبد الله محمدالمهدي

مقدمة تم إعداد هذا الكتيب بصورة مبسطة ليكون مدخل

للتعريف بأساسيات علم التآكل. فقد لوحظ في السنوات الخيرة القبال الشديد

علي معرفة علوم التآكل من قبل العديد من الشرائح

الغير متخصصة في التآكل و التي ترغب آن يكونلديها إلماما و لو بسيطا با لتأكل و علومه.

فقد آدت الخسائر المادية الناتجة عن التآكل و كذلك التكاليف الباهضة لعمليات الصيانة علي المستوي

الفردي و الصناعي إلى التجاه لللمام بأسباب المؤدية لهذه الخسائر و الطرق المتاحة للحفاظ علي

آمن و سلمة المعدات المنزلية أو الصناعية لتقليلعملية النفاق.

لذا رائينا آن نخرج هذا الكتيب بصورته المبسطة ليكون مدخل سهل لكل من له الرغبة في معرفة

التآكل و مسبباته و طرق الوقاية منه, حيث يشمل هذا الكتيب التعريف بعلم التآكل و أساسياته مع

أهمية دراسته و التعريف بأنواعه و الخسائر المباشرة و الغير مباشرة الناتجة عن التآكل و قد تم التركيز علي معدن الحديد نظرا لعموم استخدامه في

حياتنا العملية.

نأمل آن يكون هذا الجهد المتواضع لبنة صغيرة في صرح العلوم و الدراسات البحثية

في مجال التآكل و علومه المختلفة.

علم التآ كل

تآكل المعادن هو هدم أو فساد للمواد نتيجة لتفاعلها مع بيئتها أو هدم المواد بواسطة تفاعلت كيميائية أو كهر وكيميائية مع البيئة

المحيطة وقليل ما يكون الهدم ميكانيكيا.

أهمية دراسة التآكل دائما تتركز على ثلثة عوامل :رئيسية

2

الجوهري وهو العامل القتصادي ويشمل تخفيض:العامل الول •للخسائر الناتجة من عملية تآكل المواد .

وهو تحسين أو توفير السلمة للمعدات لن تأكل العامل الثاني :• المعادن قد يسبب عواقب عكسية والمثلة على ذلك الوعية المعدنية الواقعة تحتتأثير الضغوط ، الوعية للمواد ذات النشاط الشعاعي وغليات المياه وغيرها .

وهو حماية موارد المعادن لن المصدر العالمي العامل الثالث:• للمعادن يكون محدود وعملية هدر المعادن تشمل أيظا" فقدان كميات عالية من

المياه في عملية إنتاج وتصنيع المعادن .

البيئة تلعب دور كبير في تآكل المعادن ، عمليا كل البيئات تكون أكالة لحدا ما)Corrosiveوبعض المثلة على ذلك يكون الهواء الجوي والرطوبة ، والمياه (

العذبة ،و المقطرة والمياه المعدنية . وأغلفة الهواء الجوي للمدن الصناعية ، والبخار والغازات الخرى مثل غاز

الكلورين والمونيا ، كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت وغازات الوقود ،الحماض المعدنية ومثال لذلك حامض الهيدركلوريك والكبريتيك والحماض

العضوية مثل حامض السيتيك والفورميك والمذيبات العضوية والزيوت النباتية والنفطية والمنتجات الغذائية .

ومن الناحية الخرى تلف التآكل يسبب خسائر اقتصادية للدولة وكذلك مشاكل بيئيةسوي كانت هذه خسائر مباشرة أو غير مباشرة .

: الخسائر المباشرة الخسائر المباشرة تشمل على تكاليف استبدال التركيبات أو القطع المتآكلة مثل أنابيب

التكثيف وخطوط النابيب والسطح المعدنية و غيرها . كذلك تشمل العمالة التي تنجز العمل وكذلك تكاليف استخدام معادن مقاومة للتآكل

والسبائك المعدنية والمواد الكيميائية كموانع التآكل . والدراسات الولية تشير أن تكلفة التآكل في المنشآت النفطية والصناعية في

في العام . ( مجلة المشعل ) د.ل500,000,000الجماهيرية ل تقل عن

الخسائر الغير مباشرة: انهيار المعادن أو تلفها في بعض الحيان تسبب مشللاكل غيللر متوقعللة و الللتي تحتاج تكلفة مالية للتحكم فيها أو لتفاديها ومن المثلة على ذلك الخسائر الغير مباشرة

كالتي :

3

التوقف المفاجئ :• انهيار المعادن الغير متوقعة في المحطات يمكن أن تسبب توقف مفاجئ للمحطة مما يتطلب اقاف المحطة لتصليح العطل وفي هذه الحالة التكلفة الجمالية سللتكون الجللزء

المتآكل بالضافة لتكلفة النتاج المفقود .

:النتاج فقد• فقدان إنتاج الزيت الخام والغاز أو المياه من الممكن أن يحدث و يستمر من خلل

أنبوب متآكل حتى تتم عملية إصلح النبوب المتآكل و تسرب الغاز ممكن أن يدخلفي أساسيات المبني مسببا في انفجار .

:النتاج تلوث• القيمة التجارية في معظم الحالت للنتاج تكون في علقة مباشرة مع درجة نقاوته

وجودته. وأي كميللات صللغيرة مللن منتجللات التآكللل الللتي تسللمح بللدخول أيونللات المعللدن إلللى

المحلول ، من الممكن أن تسبب تحلل أو تغير كيميائي في النتاج .

التأثيرات على السلمة :• عملية النقل والتعامللل مللع المللواد الخطللرة مثللل الغللازات السللامة والحمللاض القويللة والمواد ذات النشاط الشللعاعي تحتللاج إلللى اسللتخدام مللواد إنشللائية( معللدن مصللفح )

للتخفيض أو التقليل من تلف المعدن المتآكل .

المعدات المتآكلة جدا في محطات النتاج أو السطح المعدنية:المظهر •سوف تترك انطباعا سيئا على المشاهد .

لذلك هناك مبالغ مالية تصرف على طلء السلليارات واختيللار المعللادن الغاليللة الثمللن مثللل الفللولذ واللمونيللوم لسللتخدامها للسللطح الخارجيللة و تغليللف الحللواجز فللي

المباني .

أساسيات تآكل المعادن:

اختيار المواد التركيبية يعتمد على عدة عوامل متضمنة مقاومته للتآكل كما ذكرناسابقا ،ومقاومة التآكل تعتبر من أهم العوامل كما هو موضح في الرسم التي :

.هذه هي العوامل تؤثر في اختيار أي مواد هندسية

4

التآكل مقاومة

)1شكل رقم (

المقاومة التآكلية أو المقاومة الكيميائية لي مادة تعتمد على عدة عوامل . إنها تكون دراسة كاملة وشاملة تحتاج للمعرفة في عدة مجالت علمية كما هو

) (التي : 2موضح في الشكل رقم

الديناميكا الحرارية والكهروكيميائية من أهم العوامللفهم طبيعة التآكل .

5

التكلفة

القوة

التصنيع قابلية

المواد وفرة

المواد

المظهر

كهر وكيميائية

الحرارية الديناميكا والفيزيائية الكيميائية الخواص

للتآكل مقاومة

التعدين

مثل : إذا سألنا سؤال : هل التآكل يحدث لي نظام ؟

: يعتمد على الديناميكية الحرارية للنظام ( دراسة التوازن الجواب يكون الكهروكيميائي ،فرق الجهد القطبي ، التزان الكيميائي ).

السؤال الثاني سيكون : إذا كان النظام له ميول للتآكل ، وإذا كان ذلك , فكم ستكون معدل سرعة تآكله ؟

الجواب يكون : يعتمد على معدل حركية انتقال اللكترونات ( دراسة حركية معدل تفاعل التآكل متحكم فيها عن طريق النظام ).

المفهوم الكهروكيميائي للتآكل:

تآكل المعادن في المحاليل اللكتروليتية ( في ملمسة التربة الرطبة أو المياه ) تكونأساسا تفاعل كهر وكيميائي .

التفاعل التآكلي عادة يشمل مساحات مصعديه ( المصاعد) التي عندها ينحل سطح المعدن و يحدث التآكل، والمساحات المهبطية ( المهابط) حيث يحدث فعل الختزال

وعادتا ل يحصل التآكل في هذه المنطقة . والتيار الكهربائي في الخلية يمر من المصعد إلي المهبط في المحلول اللكتروليتي

ومن المهبط إلى المصعد في المعادن . وأي عملية تفاعل كيميائي تشمل تفاعل المعادن مع البيئة تقاس عن طريق الطاقة

) السالبة هي الفضل ميول∆ G) وقيمة( G∆الحرة المتغيرة ويرمز لها بالرمز(للتفاعل في العمليات الكيميائية كما هو موضح في المعادلت التية :

(i) MG+H2O(1)=1/2O2(g) MG(OH)2(s) G=-142.600 cal.

CU+H2O(1)=1/2O2(g) CU(OH)2(s) G=-28.600 cal. (ii(

AU+3/2H2O(1)=3/2O2(g) AU(OH)2(s) G= +15.700cal. (iii(

) له ميول عالي للتآكل في البيئة المائية المحتوية علي∆ G توضح لنا (∆ Gوقيم أكسجين و يليه النحاس و الذهب في المعادلة الخيرة ل يمتلك ميول عالي للتآكل .

وميول المعادن للتآكل يمكن أن يعبر عنه بمصطلح القوة الدافعة الكهربية لخلياالتآكل .

حيث أن طاقة اللكترون تقاس بوحدات :

VOLTS * COULOMBS (Joules(

القوة الدافعة الكهربية بالفولت كالتي:E. M.F بالجول و∆ Gوالعلقة بين ∆G = - n F E

:حيث n: رقم أو عدد اللكترونات الموجودة في التفاعل

6

F ) كولومبوس (ك) : 96,500 الفارادي (

تآكل الحديد:

حيث أن اهتمامنا الرئيسي هو عملية تآكل الحديد المستخدم كمعدن في العديد من المحطات والمصانع الموجودة في البيئة (مع الرطوبة و الماء و التربة ) وتفاعلت

التآكل الكهروكيميائية للحديد ستكون كالتي : إذا أخذنا قطعة من الحديد ووضعناها في محلول يحتوي علي الهيدروجين الموجب

)+H)² ) , نجد أن الحديد سوف يميل للذهاب إلي المحلول و غاز الهيدروجين H( سوف يترسب علي سطح الحديد , حدوث تفاعلت علي سطح المعدن تعرف

بتفاعلت المهبط و المصعد و معظم هذه التفاعلت قد تكتب علي الشكل التالي :

Fe++ + H2 + 2 H Fe+

وهذا التفاعل قد ينقسم إلي تفاعلين منفصلين :كالتي

بالنسبة للمهابط :•

Fe+++2e Fe + 2H+

بالنسبة للمصاعد :•

H2 2H+ + 2e

و اللكترونات تنتقل في المعادن من المهبط إلي المصعد بينما التيار الكهربائي يمرمباشرة من المصعد إلي المهبط

H+ H+ Fe ++

سطح المعدن )3(شكل رقم

البيئة / المحلول اللكتروليتي e- e -

معدن الحديد عادة في جميع عمليات التآكل ،التفاعل المصعدي هو تأكسد المعدن ليوناته معطيا

إلكترونات .

7

مثال : M Mn++ ne

من ناحية أخري هناك سيكون تفاعل مهبطي لستهلك اللكترونات المنتجة

بواسطة المعدن في عملية تفاعل الختزال . وأكثر التفاعلت المهبطية شيوعا و المتكررة لتأكل المعادن هي التفاعلت المنتجة

للهيدروجين .

H2 2e- + 2H+

) : حامض ( الكسجين اختزال

2H2O 4e- + 4H+ O2+

) :قاعدي ( الكسجين اختزال

4OH- 4e- + H2O 2 O2+

انحلل المعادن (إنتاج اللكترون )عملية المصعد :•

اللكترون) .(استهلك انتقال اللكترونعملية المهبط :•حركة اللكترون في المعدن (الموصلية ).•

حركة اليون في المحلول (الموصلية اللكترونية ).•

:أنواع وأشكال التآكل

)Uniform attack corrosion:( التآكل المنتظم

وهو الشكل الكثر شيوعا للتآكل وهو عادة يتميز بتفاعل كيميائي أو كهر وكيميائيحيث أنه يعمل علي التآكل بانتظام فوق السطح العريضة ويغطي مساحة كبيرة .

والتآكل المنتظم يمكن الحد منه أو منعه بواسطة :

8

اختيار المواد المناسبة •مواد مانعة كيميائية • حماية مهبطيه•

) Galvanic corrosion( : التآكل الجلفاني

عند وجود معدنين مع اختلف فرق الجهد بينهما موضوعان في محلول موصل وهذاالختلف في فرق الجهد ينتج إلكترون يتدفق بينهما .

المعدن الكثر نشاطا (القل مقاومة ) يكون المصعد والقل نشاطا(الكثر مقاومة)يكون المهبط .

)Pitting corrosion :(التآكل النقري

وهو الذي ينتج عنه ثقوب في المعدن.

)Erosion corrosion:(التآكل النجرافي

وهو الزيادة في معدل التآكل المنتظم بسبب زيادة الحركة النسبية بين السائل الكالوسطح المعدن.

)Stress corrosion :(التآكل أل جهادي

يحدث نتيجة لتأثير القوة الحركية الساكنة للمركب والبيئة الكالة المحيطة بالمعدن.

Microbial ):(الكائنات الحية ( التآكل الميكروبي

corrosion(

عملية تآكل المعدن في هذه الحالة تحدث مباشرة أو غير مباشرة نتيجة لنشاط الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في البيئة مثل التربة والمياه الطبيعية ومياه البحار و

).sulfur-oxidizing bacteriaالنفط الطبيعي وأفضل مثال علي ذلك (

)Underground or soil corrosion :(التآكل تحت التربة

أن ظروف التآكل لي معدن مغمور تحت الرض يختلف علي معدلت واسعةوكثيرة بالنسبة لحجم التربة

أهم العوامل التآكلية للتربة :ومن

حمضياتها .• درجة التهوية. •

9

درجة الرطوبة ونسبة الملح .•الموصلية اللكترونية.•نسبة البكتيريا والميكروبات العضوية .•حجم حبيبات التربة.•

ومن الواضح أن تآكل التربة هي عملية كهر وكيميائية .

التحكم في التآكل ):Corrosion Control(

ضرر التآكل يمكن تجنبه بالكامل تحت ظروف مثالية فقط مع أن تطبيق هذه الظروف مستحيل و يمكن تقليل التآكل إلي حد بعيد ونظرا لن أنواع التآكل عديدة

جدا والظروف التي يحدث تحتها التآكل متغيرة للغاية وليس من المدهش عدة طرقأو خليط من الطرق (الطلء+ حماية الكاثود) وتستخدم بمثالية مع مشاكل التآكل .

ا للتحكم في التآكل :الطرق الكثر شيوع

: الحماية بواسطة تصميم مناسب الختيار المناسب للمواد لي بيئة أكالة جزئيا و استشارة مهندس التآكل ، خلل

فترة التصميم و هي من أحسن الوسائل للتحكم و حتى تمنع التآكل.

علي سبيل المثال : تجنب التصاق معدن غير متشابه في وجود محلول أكال مثل في نظام خزانات

الحديد المجلفنة المزودة للمياه في وجود أنابيب نحاسية لن التفاعل التجلفن سيحدثبين النحاس و الزنك (محدث تيار كهربائي ).

المعدن خصائص تحسين :الشوائب في المعدن تسبب تغير الخواص التي تقلل من مقاومة التآكل للمعدن . الزيادة في كل من القوة و المتانة و مقاومة التآكل للمعادن التجارية ويستحسن

تصفحهم بواسطة عناصر ملئمة .

المهبطية الحماية : وهي طريقة لمنع أو تقليل من تآكل المعادن بواسطة دفع إلكترونات في البيئة

التركيبية للمعدن المراد حمايته . وفي جميع الخليا المتآكلة فقط في المصعد بينما تحدث تفاعلت مختلفة في المهبط

أي المادة التي ل تنحل في المحلول والمحمية من التآكل وإذا البنية أو التركيبية

10

للمعدن غمرت في الماء يكون المهبط مما يجعل السطح يسحب التيار مناللكترون و الحماية المهبطية ممكن الحصول عليها بإحدى الطريقتين :

:للمصعد الجلفنة نظام باستخدام• تستخدم معادن نشطة أو مصاعد مساعدة , كهربيا موصلة للمعللدن المللراد حمللايته. اختلف فرق الجهد بين المصعد والتركيبية المعدنية كما أشير إليها بموقعها النسبي فللي السلسلللة الكهروكيميائيللة , تسللبب فللي تللدفق التيللار الكهربللائي شللحنة (+) فللي المحلول من المصعد إلى تركيب بنية المعدن وبهذا يكون السطح بالكامللل أو يصللبح

المهبط .

أسلك كهربائية تربط مصاعد الحماية بالنبوب

:التيار دفع نظام•• هو عبارة عن المصعد غير مجلفن مع مصدر كهربائي

)D.Cمستمر ( لكي يدفع التيار من

المصعد إلى المهبط .

أساسيات الحماية المهبطية بواسطة دفع التيار :

11

مصاعد حماية قربالنبوب

أنبوب مدفون تحت الرض

تيار (+) من المصعد إلىالنبوب

)4شكل رقم (

- + محول كهربائي مصعد تيار كهربائي

خزان

)5(رقم شكل

استخدام الموانع الكيميائية:

مانع الكيميائي للتآكل يمكن أن يعرف كمادة عندما تضاف في كميات صغيرة لبيئةأكالة مائية حيث تكون فاعليا تقلل من معدل التآكل للمعدن .

الموانع الكيميائية تكون مواد عضوية أو غير عضوية أو التي تذوب في الوسطالكال وله القدرة على تكوين طبقة حماية سوى كانت عند المصعد أو المهبط .

مثل كرومات، فوسفات ، أو أيونات أخرى : ( موانع كيميائية مصعديه• للعناصر النتقالية محتوية على كمية أوكسجين عالية ) هذه المركبات تمتص

على سطح المعدن مكونه جدار واقي أو حاجز وبها يقلل معدل التآكل .

12

مستويالرض

( مثال على ذلك المينات ، مركبات النتروجين : موانع كيميائية مهبطيه•)Hetrocyclicالتفاعل) تكون قادرة على المتصاص عند سطح المعدن وتقلل

المهبطي .

ل : مثا 2H + 2e- H2

الواقية استخدام الغلفة ) : Protective coatings (

تكون تقريبا من اقدم الطرق الكثر شيوعا في منع عملية التآكل . السطح المغطاة أو المغلف عازل المعدن الذي تحته من البيئة الكالة ، الغلفةالواقية تكون أغلفة عضوية مثل الطلء أو غير عضوية مثل الغلفة المعدنية .

Corrosion monitoring: ( مراقبة عملية التآكل•(

الشكل التي يلخص التقنيككات المتككوفرة لمراقبككة عمليككة التآكككلفي المحطات تحت التشغيل .

13

بروب الهيدروجينالكشف النظري

قياسات السمك

كوبون فقدانثقوب مراقبةالوزن

مراقبة معدلالتآكل

) 6شكل رقم (

14

بروب المقاومة قياسات فرق جهد الكهربائية

المعدات

قياسات الستقطاب

الخطي