الوقاية من التآكل الجلفاني: خلط المعادن المختلفة في المثبتات

التآكل الجلفاني هو عملية كهروكيميائية تحدث عندما يكون معدنان مختلفان في تلامس كهربائي بوجود إلكتروليت (ماء، رذاذ ملحي، رطوبة). المعدن الأقل نبلاً (الأكثر أنودية) يتآكل بمعدل متسارع، بينما المعدن الأكثر نبلاً (الكاثودي) يكون محمياً. المثبتات معرضة بشكل خاص لأن مساحة سطحها عادة ما تكون أصغر من المكونات التي تربطها - عندما تكون المثبتة هي الأنود في زوج جلفاني، يمكن أن تكون سرعة التآكل من 10 إلى 100 مرة من التآكل المنتظم.

السلسلة الجلفانية ترتب المعادن حسب جهد القطب في مياه البحر. مؤشر الأنود هو نسخة مبسطة ومعيارية (تُقاس بالفولت مقابل قطب الكالوميل في مياه البحر) يستخدمها مهندسو المثبتات لتقييم مخاطر التآكل ثنائي المعدن بسرعة. كلما كان الفرق في مؤشر الأنود بين معدنين متصلين أكبر، زاد خطر التآكل المتسارع.

يجب توافر ثلاثة شروط في وقت واحد: (1) معدنان بجهد قطب كهربائي مختلف، (2) استمرارية كهربائية بينهما، و(3) إلكتروليت موجود. أزل أياً منها ويتوقف التآكل.

بالنسبة لمهندسي المثبتات، فإن النتيجة بسيطة: قرارات اختيار المواد المتخذة في مرحلة التصميم تحدد ما إذا كان التجميع سيستمر لعقود أو سيفشل في غضون أشهر. خلط الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم بدون عزل، أو استخدام مثبتات من الفولاذ الكربوني مع تركيبات نحاسية، أو عبور مجموعات من السلسلة الجلفانية عرضياً هي الأسباب الرئيسية للفشل المبكر للمثبتات في التطبيقات البحرية والبناء وتوليد الطاقة.

الطريقة الأكثر موثوقية لمنع التآكل الجلفاني هي استخدام نفس المعدن للمثبت والمادة الأساسية، أو اختيار معادن قريبة جداً في مؤشر الأنود. عندما لا يكون هذا ممكناً (على سبيل المثال، عندما تكون هناك حاجة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ لمقاومة التآكل ولكن الركيزة من الفولاذ المجلفن)، تشمل استراتيجيات اختيار المواد اختيار المعدن الأكثر نبلاً كمثبت (المثبتات عادة ما تكون أسهل في الاستبدال من الهياكل الأساسية)، أو تحديد المعدن الأقل نبلاً عندما يمكن استبدال المثبت كضحية.

يلخص الدليل التالي في الجدول مجموعات المثبت-الركيزة الأكثر شيوعاً التي تم تقييمها حسب مؤشر الأنود. تتطلب فروق مؤشر الأنود الأكبر من 0.25 فولت تدابير حماية؛ تتطلب الفروق الأكبر من 0.50 فولت عزلاً فعلياً أو إعادة تصميم كاملة.

للبيئات البحرية وبيئات العمليات الكيميائية حيث وجود الكلوريد مستمر، يجب تجنب تركيبات الفولاذ المقاوم للصدأ مع ركيزة من الألومنيوم أو الفولاذ الكربوني أو عزلها تماماً، بغض النظر عن حساب مؤشر الأنود، لأن تآكل الحفر الناجم عن الكلوريد يمكن أن يبدأ عند جهود أقل من عتبة التآكل الجلفاني العامة.

عند تحديد المثبتات للمشاريع الدولية، تأكد من أن كلاً من المثبت والركيزة يتوافقان مع نفس عائلة معايير ISO أو ASTM - يجب دمج المثبتات المعتمدة لمعيار ASTM F593/F594 (الفولاذ المقاوم للصدأ) فقط مع الركائز التي تتوافق أيضاً مع معايير ASTM لتجنب فجوات إمكانية التتبع التي يمكن أن تؤثر على مسؤولية الضمان.

عندما يجب ربط المعادن المختلفة وكان فرق الجهد الأنوديك يتجاوز 0.25 فولت، فإن طرق العزل تكسر الدائرة الكهربائية وتمنع تدفق التيار الجلفاني. طرق العزل الأكثر شيوعاً هي الوراد غير الموصلة والأكمام والحشوات وأختام الحشوات ومركبات الحشوات. مواد العزل الأكثر استخداماً هي EPDM (إيثيلين بروبيلين ديين مونومر)، النيوبرين، النايلون، PTFE (بولي تترا فلورو إيثيلين، علامة تيفلون)، والميكا.

وراد وأكمام EPDM هي المعيار الصناعي لعزل مثبتات الفولاذ المقاوم للصدأ عن ركائز الألومنيوم أو الفولاذ المجلفن. EPDM مقاوم للأوزون والأشعة فوق البنفسجية والماء، ويعمل في نطاق درجة حرارة من -50 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية. وراد EPDM بسماكة 2-3 ملم كافية لكسر الاستمرارية الكهربائية في معظم التطبيقات.

أكمام النايلون شائعة للمثبتات الملولبة لأنها رخيصة وسهلة التركيب ومقاومة لمعظم المواد الكيميائية. ومع ذلك، يمتص النايلون الرطوبة بمرور الوقت ويمكن أن يتدهور تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما يجعله أقل ملاءمة للتطبيقات الخارجية أو المغمورة. توفر أكمام PTFE أفضل أداء لدرجة الحرارة (-200 درجة مئوية إلى +260 درجة مئوية) والمقاومة الكيميائية، لكنها أكثر تكلفة وأكثر صعوبة في التصنيع بتفاوتات دقيقة.

يتم تحقيق ختم الحشوات في الوصلات ذات الشفاه عادةً باستخدام حشوات مركبة مع إدخالات من الجرافيت أو ألياف الأراميد، أو حشوات مرنة مليئة بـ PTFE. لخدمة البخار، حشوات الجرافيت مع الإدخالات المعدنية هي المعيار. بغض النظر عن مادة الحشوة المختارة، يجب أن تكون سماكة الحشوة كافية لملء جميع المخالفات السطحية للشفاه والحفاظ على الاتصال تحت الحمل - عادة 1.5-3.0 ملم لشفاه الأنابيب القياسية.

البديل للعزل الميكانيكي هو تطبيق مركبات الحشوات أو مواد الختم على الخيوط وتحت رؤوس المثبتات. تملأ هذه المنتجات الفراغات المجهرية بين الأسطح المعدنية وتعطل الاستمرارية الكهربائية. غالباً ما تحتوي مركبات الحشوات المصممة للتطبيقات البحرية على جزيئات الزنك أو الألومنيوم لتوفير الحماية الكاثودية التضحية في الواجهة المعزولة.

توفر الطلاءات والتشطيبات دفاعاً آخر ضد التآكل الجلفاني، سواء من خلال العمل كحاجز بين المعادن، أو العمل كأنود تضحوي (مثل الزنك)، أو معادلة الجهد الكهروكيميائي للزوج. يعتمد اختيار الطلاء على المادة الأساسية والتطبيق والظروف البيئية.

طلاء الزنك هو الحماية الأكثر شيوعاً لمثبتات الفولاذ الكربوني. الزنك تضحوي للفولاذ - عند تعرضه للتآكل، يتآكل الزنك أولاً، مما يحمي الفولاذ الأساسي. الأنواع الرئيسية هي: الجلفنة بالغمس الساخن (HDG) وفقاً لمعيار ASTM F2329، بسماكة طلاء نموذجية 50-85 ميكرومتر؛ الطلاء الكهربائي بالزنك وفقاً لمعيار ASTM B633، بسماكة 5-25 ميكرومتر؛ وطلاءات رقائق الزنك وفقاً لمعيار ASTM F1941، بسماكة 5-15 ميكرومتر وبدون خطر الهشاشة بسبب الهيدروجين.

يتم تحديد طلاءات الزنك حسب نوع الخدمة والعمر التشغيلي المتوقع. للبيئات الخارجية أو البحرية، يوفر HDG بسماكة 85 ميكرومتر أو أكثر من 20 إلى 50 سنة من الخدمة قبل الصيانة الأولى. للبيئات الداخلية الجافة، الطلاء الكهربائي بالزنك بسماكة 8-12 ميكرومتر كافٍ. تجمع طلاءات رقائق الزنك (شائعة الاستخدام في مثبتات السيارات وتوربينات الرياح) بين المقاومة العالية للتآكل والغياب التام للهشاشة بسبب الهيدروجين، مما يجعلها مثالية للمثبتات عالية القوة (الدرجة 10.9 وما فوق).

يوفر طلاء PTFE أو Xylan على المثبتات احتكاكاً منخفضاً ومقاومة كيميائية، لكنه لا يوفر حماية جلفانية. هذه الطلاءات حاجزة وليست تضحوية - أي ضرر يلحق بالطلاء يترك المعدن الأساسي مكشوفاً. لذلك، يجب استخدام المثبتات المطلية بـ PTFE فقط في التطبيقات التي تم فيها التحكم في التوافقية الجلفانية بطرق أخرى.

بالنسبة لمثبتات الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات القاسية، تستعيد التخميل والتخميل (ASTM A967) طبقة أكسيد الكروم التي توفر مقاومة التآكل. التخميل ضروري بعد اللحام أو التصنيع أو المناولة، عندما قد تكون الطبقة الخاملة قد تلوثت أو تضررت.

عندما يكون الاقتران الجلفاني حتمياً وكان العمر التشغيلي المتوقع للهيكل أكثر من 25 سنة، فإن أنظمة الحماية الكاثودية (CP) هي الخيار الأكثر موثوقية. تستخدم CP الأنود التضحوي كتل الزنك أو المغنيسيوم المتصلة بالهيكل، والتي تتآكل في مكانها. تستخدم CP التيار المفروض مصدر طاقة خارجي لدفع التيار الواقي. يجب تصميم كلا النظامين وتشغيلهما من قبل مهندس تآكل معتمد، مع المراقبة الدورية واستبدال الأنودات وفقاً لبرنامج موثق.