التآكل الجلفاني بين الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم

سيؤدي التآكل الجلفاني إلى تآكل الألومنيوم بشكل تفضيلي عندما يكون متصلًا كهربائيًا بالفولاذ المقاوم للصدأ في بيئة موصلة؛ ويزداد هذا الخطر عندما يحتوي الإلكتروليت على كلوريدات، أو عندما تكون مساحة الألومنيوم صغيرة بالنسبة لمساحة الفولاذ المقاوم للصدأ، أو عندما توجد شقوق وطلاءات رديئة. يمكن أن يؤدي الاختيار السليم للمواد، والعزل الكهربائي، والطلاءات الواقية، والتصميم الدقيق للمفاصل، والالتزام بمعايير الاختبار المعترف بها إلى تقليل احتمالية حدوث ذلك وتكاليف الخدمة بشكل كبير.

الكيمياء الكهربائية الأساسية وراء التآكل الجلفاني

يحدث التآكل الجلفاني عندما يشكل معدنان غير متشابهين دائرة كهربية من خلال إلكتروليت. في هذه الدائرة، يصبح أحد الفلزين أنودًا ويفقد أيونات الفلزات، بينما يصبح الآخر مهبطًا ويظل محميًا. يعتمد اتجاه الهجوم على الإمكانات الكهروكيميائية النسبية لكل فلز في البيئة المعنية. عندما يتلامس الألومنيوم مع الفولاذ المقاوم للصدأ، عادةً ما يكون الألومنيوم عند جهد أكثر سالبًا؛ ومن ثَمَّ يصبح هو القطب الموجب ويتآكل. يعتمد تيار التآكل وفقدان الكتلة الناتج على فرق الجهد، وموصلية الإلكتروليت، ونسبة مساحة السطح المكشوفة للكاثود إلى الأنود.

حيث تظهر أزواج الفولاذ المقاوم للصدأ + الألومنيوم في الصناعة

تشمل الأزواج الشائعة ما يلي:

• معدات بحرية: تجهيزات هيكل من الألومنيوم مع تجهيزات أو مثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ.

• النقل: ألواح هيكل السيارة (ألومنيوم) وأقواس أو براغي غير قابلة للصدأ.

• الواجهات المعمارية: مكونات الحائط الساتر المصنوعة من الألومنيوم الموصولة بإطارات عناصر غير قابلة للصدأ.

• حاويات الإلكترونيات: علب من الألومنيوم مع موصلات غير قابلة للصدأ.

• المنصات البحرية ودعم الطاقة المتجددة.
  في كل حالة ترطيب بمياه البحر أو التكثيف أو أملاح إزالة الجليد يزيد من المخاطر. ولذلك يجب أن تتناول الإرشادات العملية البيئة ودورة التشغيل والإمكانات الجلفانية.

العوامل البيئية التي تغير ملامح الخطر

المحركات البيئية الرئيسية:

• كيمياء المنحل بالكهرباء: المحاليل الغنية بالكلوريد (مياه البحر، ملح إزالة الجليد) ترفع التوصيلية وتزيد من تيارات التآكل.

• درجة الحرارة: غالبًا ما تزيد درجة الحرارة المرتفعة من معدلات تفاعل التآكل وقد تغير الإمكانات النسبية.

• التهوية والتدفق: يؤثر تركيز الأكسجين ومعدل التدفق على تكوين أغشية الأكسيد الواقية على الألومنيوم وانهيارها؛ يمكن أن تؤدي الشقوق منخفضة الأكسجين إلى هجوم موضعي قوي.

• الأس الهيدروجيني والملوثات: تؤدي الظروف الحمضية أو القلوية إلى تغيير الإمكانات وتغيير مراحل السبائك المستقرة.

• وقت البلل: ينتج عن الفترات الأطول مع وجود الإلكتروليت المزيد من الضرر التراكمي.
  عند تقييم التصميم، قم بتحديد هذه المعايير بدلاً من الاعتماد على الاستدلال.

المتسلسلة الجلفانية وتأثير المساحة

تصنّف السلسلة الجلفانية المعادن حسب إمكاناتها الكهروكيميائية في بيئة معينة (عادةً ما تكون مياه البحر كمرجع مشترك). تكون سبائك الألومنيوم أكثر نشاطًا (أقل نبالة) من الفولاذ المقاوم للصدأ النموذجي؛ وينتج هذا الاختلاف جهدًا دافعا للتيار الجلفاني. يضاعف تأثير نسبة المساحة من الضرر: سيعاني أنود الألومنيوم الصغير المقترن بكاثود كبير من الفولاذ المقاوم للصدأ من كثافة تيار أعلى بكثير وتآكل أسرع من مساحة الألومنيوم الكبيرة المقترنة بمساحة صغيرة من الفولاذ المقاوم للصدأ. يجب على المهندسين تقييم كل من فرق الجهد ونسبة المساحة المكشوفة عند التنبؤ بالعمر الافتراضي.

أنماط الفشل العملية وأمثلة من العالم الحقيقي

المظاهر الشائعة:

• ترقيق موحد للألومنيوم بالقرب من نقاط التلامس مع مثبتات غير قابلة للصدأ.

• تآكل الشقوق عند الوصلات حيث تعمل الرطوبة المحتبسة على تكسير طبقات الأكسيد.

• التنقر والتقشير على الألواح عالية الإجهاد في البيئات البحرية.

• فك القفل بسبب تراكم منتجات التآكل أو فقدان المقطع العرضي.
  تُظهر دراسات الحالة في سجلات الصيانة البحرية وإجراءات التآكل المنشورة فشل تركيبات بدن الألومنيوم في غضون أشهر عند اقترانها بشكل غير صحيح بالتركيبات غير القابلة للصدأ في مناطق رذاذ مياه البحر العادية.

المعايير وطرق الاختبار وكيفية تفسير النتائج

يستخدم برنامج قوي للتحكم في التآكل معايير معترف بها لفحص المواد والطلاءات ومحاكاة ظروف الخدمة وقياس مدى قابلية التآكل.

المعايير والممارسات الرئيسية:

• ASTM G71 - اختبار التآكل الجلفاني في ظل ظروف معملية مضبوطة؛ يوفر بروتوكولات لقياس التيار الجلفاني والجهد بين المعادن المقترنة.

• أستم G1، G31، G46 - تحضير العينات واختبار الغمر وتقييم التآكل الناتج عن التنقر والتآكل الشقوق.

• ISO 8057 (2024) - الإجراءات الكهروكيميائية لتحديد معدلات التآكل الجلفاني في التجميعات ذات الطلاءات الواقية؛ ذات الصلة بمجموعات الألومنيوم المطلي/المقاوم للصدأ.

• تطوير السلسلة الجلفانية - توصي ASTM والهيئات الصناعية باشتقاق سلسلة جلفانية في ظل الظروف البيئية المحددة للتطبيق بدلاً من الاعتماد فقط على المخططات العامة.

قواعد التفسير:

• إجراء اختبارات في شوارد تمثيلية (تركيز الملح ودرجة الحرارة والتدفق).

• الإبلاغ عن كل من فرق الجهد وكثافة التيار الجلفاني.

• تضمين سيناريوهات نسبة المساحة التي تعكس التجمعات المحتملة.

• النظر في اختبارات التعرض طويل الأمد بدلاً من الفحص السريع فقط.

مبادئ التصميم لتجنب الهجوم الجلفاني

يقلل التصميم الجيد من التلامس الكهربائي، ويقلل من وصول الإلكتروليت، ويتجنب اقتران القطب السالب الصغير/القطب السالب الكبير.

القواعد العملية:

1. احتفظ بالمعادن المتشابهة مع بعضها البعض عندما يكون ذلك ممكناً.

2. إذا كان لا بد من استخدام المعادن المختلطة، ضع المعدن الأكثر نبلاً حيث يكون التعرض للإلكتروليت محدودًا، أو قم بزيادة مساحة الأنوديك لتقليل كثافة التيار.

3. قم بعزل الواجهات كهربائيًا باستخدام حواجز غير موصلة للكهرباء (حشيات، غسالات نايلون، أكمام بوليمر) عندما يسمح نقل الحمل.

4. تجنّب الشقوق التي تحبس الرطوبة؛ ووفر الصرف والتهوية.

5. استخدم الطلاء على سطح الألومنيوم المؤكسد الذي يوفر حماية متينة للحاجز؛ تأكد من استمرارية الطلاء تحت أدوات التثبيت.

6. استخدم أدوات التثبيت التي ثبت توافق معادنها وتشطيب سطحها مع سبيكة الألومنيوم المحددة في البيئة المستهدفة.
   تتوافق هذه المبادئ مع توصيات الصناعة المنشورة بشأن تقليل التلامس بين المعادن المختلفة في الممارسات البحرية والمعمارية.

تقنيات التخفيف من المخاطر

يسرد هذا القسم خيارات التخفيف وفوائده وحدوده وملاحظات التنفيذ.

المعالجات السطحية والطلاءات

• الطلاءات التحويلية (مثل الكرومات والبدائل غير الكروماتية): تحسين التصاق الطلاء وتوفير بعض الحماية القربانية للألومنيوم. ضمان الامتثال البيئي لقيود الكرومات.

• مواد أولية وطلاءات أولية عضوية وطلاء علوي:: تقلل أنظمة الإيبوكسي أو البولي يوريثان عالية الأداء من دخول الرطوبة. استمرارية الطلاء حول السحابات أمر بالغ الأهمية.

• الأنودة (للألومنيوم):: تزيد الأغشية الأنودية السميكة من خصائص الحاجز ولكنها قد تتطلب إحكام الإغلاق؛ يمكن أن يستمر تآكل الألومنيوم المؤكسد الذي يتم كشطه ميكانيكيًا بالقرب من نقاط التلامس غير القابل للصدأ.
  يجب التحقق من صحة اختيار الطلاء من خلال اختبارات الغمر والتآكل الدوري التي تجريها ASTM/ISO.

العزل الكهربائي

• غسالات النايلون أو PTFE، وأكمام البوليمر، والوصلات المملوءة بالراتنج:: غالبًا ما يحل العزل البسيط والمنخفض التكلفة مشكلة الاتصالات الثابتة.

• الحذر من التصميم:: يمكن أن يحبس العازل الرطوبة إذا لم يتم تفصيله بشكل صحيح؛ يفضل التصاميم التي تسمح بالتصريف.

خيارات السحابة

• استخدام أزواج قفل/سبيكة متوافقة:: قد يكون أداء بعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج أو الفولاذ المقاوم للصدأ عالي المولي) مختلفًا؛ وفي كثير من الحالات يقلل استخدام مثبتات سبائك الألومنيوم أو مثبتات الفولاذ المقاوم للصدأ المغلفة من المخاطر.

• استخدام غسالات/أنودات الزنك أو الألومنيوم المضحية في التركيبات البحرية حيث يكون العزل غير عملي.

الحماية الكاثودية والأنودات القربانية

• الأنودات القربانية (الزنك والألومنيوم والمغنيسيوم):: يشيع استخدامها على الهياكل والهياكل البحرية لحماية التجميعات الكبيرة. فعال عندما يكون حجمه وصيانته مناسبين.

• أنظمة التيار المتأثر:: مناسبة للمنشآت الكبيرة المدفونة أو المغمورة، ولكنها تتطلب المراقبة والصيانة.

نظافة التصميم والصيانة

• تجنب حبس الأملاح على الأسطح الأفقية.

• جدولة عمليات التفتيش التركيز على مجالات التثبيت والمفاصل.

• طلاءات اللمسات الأخيرة على الفور بعد التلف.

بالنسبة لجميع خيارات التخفيف، قم بتحديد المكاسب المتوقعة على مدى الحياة من خلال التجارب المختبرية أو الميدانية بدلاً من الاعتماد على القواعد العامة.

الفحص، والصيانة، والإصلاح، وتخطيط دورة الحياة

يجب أن تتضمن خطة دورة الحياة ما يلي:

• تسجيل حالة خط الأساس عند التركيب.

• عمليات التفتيش المجدولة التي تركز على الوصلات عالية الخطورة وتسجيل معدلات التآكل إن أمكن.

• التقييم غير المدمر للمثبتات والألواح الرقيقة (السماكة بالموجات فوق الصوتية، التيار الدوامي).

• بروتوكول الإصلاح: إزالة نواتج التآكل، والتحقق من سلامة الركيزة، واختيار مواد إصلاح متوافقة، وإعادة الطلاء باستخدام أنظمة معتمدة.

• معايير الاستبدال: عندما يؤدي فقدان مساحة المقطع العرضي إلى تقليل السعة الهيكلية إلى ما دون هوامش الأمان.

توثيق النتائج وتحديث معايير التصميم للمشاريع المستقبلية. غالباً ما تظهر البيانات التاريخية أن العلامات البصرية المبكرة بالقرب من الوصلات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ/الألومنيوم تنبئ بتدهور سريع في وقت لاحق.

جداول المقارنة

الجدول 1 - نطاقات الإمكانات الجلفانية النموذجية في مياه البحر (مختارة)

الجدول 2 - مصفوفة طريقة التخفيف

الجدول 3 - قائمة مراجعة اختيار أدوات التثبيت

الأسئلة المتداولة

السؤال 1: هل يمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم معًا في التطبيقات الخارجية؟
نعم، يمكن استخدامهما معًا عندما يتم تطبيق العزل أو الطلاء أو الحماية القربانية المحددة وعندما يتم تصميم التجميع لتجنب نسب مساحة الألومنيوم الصغيرة/الكبيرة غير القابل للصدأ والرطوبة المحتبسة.

س2: ما هي درجة الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر أماناً للاقتران مع الألومنيوم؟
لا توجد درجة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ مضمونة الأمان؛ فالاختيار يعتمد على البيئة والسبيكة. المفتاح هو التحكم في التلامس الكهربائي والوصول إلى الإلكتروليت بدلاً من الاعتماد فقط على كيمياء الفولاذ المقاوم للصدأ. اختبر الأزواج الفعلية في ظروف خدمة محاكاة.

س3: هل السحابات المطلية بالصدأ تحل المشكلة؟
يمكن أن يساعد الطلاء إذا كان يوفر حاجزًا عازلًا متينًا ودائمًا؛ ومع ذلك، قد يفشل الطلاء الرقيق أو التالف ويخلق مواقع تآكل مركزة. استخدم الطلاءات السميكة والمثبتة وتحقق من ذلك بالاختبار الدوري.

س4: هل سيوقف طلاء كلا المعدنين التآكل الجلفاني؟
يقلل الطلاء المستمر والسليم على كلا المعدنين من المخاطر بشكل كبير. تقلل الثقوب أو الحواف التالفة أو التغطية غير المكتملة حول السحابات من الحماية ويمكن أن تركز الهجوم.

س5: ما مدى أهمية نسبة المساحة؟
مهم للغاية. يمكن أن يتعرض أنود الألومنيوم الصغير المعرض لكاثود كبير غير قابل للصدأ لكثافة تيار عالية وفقدان سريع. حافظ على نسب المساحة المتحفظة وتصميمات الاختبار حيث لا يمكن تجنب التعرض العالي للكاثود/القطب الموجب.

س6: هل الألومنيوم المؤكسد آمن مع الفولاذ المقاوم للصدأ؟
تعمل الأنودة على تحسين مقاومة الحاجز. ومع ذلك، لا يزال التلف الميكانيكي أو المناطق المتآكلة بالقرب من نقاط التلامس غير القابل للصدأ تسمح بالعمل الجلفاني. استخدم مانع التسرب والعزل للوصلات الحرجة.

س7: هل غسالات البوليمر حل طويل الأجل؟
تكون فعالة عند تعرضها لأحمال يمكن التنبؤ بها وتكون العوامل الجوية محدودة. تحقق من مقاومة البوليمر للأشعة فوق البنفسجية والزحف والمقاومة الكيميائية للبوليمر في البيئة المقصودة. التصميم من أجل الصرف.

س8: هل يجب استخدام أنودات مضحية على الألومنيوم المعماري؟
تستخدم الأنودات القربانية عادةً في التطبيقات البحرية/المغمورة بدلاً من العناصر المعمارية المكشوفة. وبالنسبة للمباني، يفضل عادةً استخدام الطلاء والعزل.

س9: كيف يمكنني اختبار التجميع الخاص بي؟
اتبع طرق اختبار ASTM لاختبار الاقتران الجلفاني واختبار الغمر، وقم بإجراء دورات دورية للرش بالملح ودورات رطبة/جافة مطابقة لظروف الخدمة المتوقعة، وقياس التيارات الجلفانية وفقدان الكتلة.

Q10: من الذي يجب أن أستشيره بشأن الأنظمة المعقدة؟
يجب أن يتحقق مهندسو التآكل وأخصائيو الطلاء والمنظمات ذات الخبرة في دراسات التآكل البحري (المختبرات المستقلة وجمعيات التصنيف) من صحة التصميمات باستخدام الاختبارات القائمة على المعايير.

قائمة مراجعة التنفيذ للمهندسين

• قم بتعيين جميع نقاط التلامس المعدنية غير المتشابهة.

• تحديد التعرض البيئي (كيمياء الإلكتروليت، ووقت البلل، ودرجة الحرارة).

• احسب نسب مساحة الكاثود/القطب السالب/مساحة الأنود لأسوأ حالة تجميع.

• اختر الطلاءات ومواد العزل التي تتحمل ظروف الخدمة المحلية.

• قم بإجراء اختبارات ASTM/ISO التي تمثل دورات خدمة الإلكتروليت والدورات الحرارية.

• إنشاء فواصل زمنية للفحص بناءً على معدلات التآكل المتوقعة.

• تسجيل البيانات الميدانية، ثم تنقيح خيارات المواد لتكرار التصميم التالي.

الملخص الختامي

وعادةً ما يكون الألومنيوم هو العنصر المضحّي عندما يلامس الفولاذ المقاوم للصدأ في ظروف موصلة. يجب أن تشكل هذه الحقيقة الأساسية اختيار المواد وتفاصيل الوصلات وتخطيط الصيانة. يجب على المهندسين عدم الاعتماد على المخططات الجاهزة وحدها؛ وبدلاً من ذلك يجب عليهم اختيار ظروف الاختبار التي تحاكي التعرض الحقيقي، وتصميم العزل أو الطلاءات وجدولة برامج الفحص المناسبة للبيئة. عند تنفيذ هذه التدابير بشكل صحيح، تحول هذه التدابير اقترانًا محفوفًا بالمخاطر بطبيعته إلى تجميع موثوق وطويل العمر.

مراجع موثوقة

• الفولاذ المقاوم للصدأ في المياه: التآكل الجلفاني والوقاية منه - معهد النيكل (ورقة فنية)
• اختبارات ومعايير ASTM للتآكل - ASTM International
• السلسلة الجلفانية في مياه البحر كدالة لدرجة الحرارة - NACE/AMPP Proceedings
• ISO 8057 (2024) - تحديد معدل التآكل الجلفاني (النطاق والإجراءات) - ISO 8057 (2024) - ISO