تحليل اختيار فلنج 304 لتآكل الكلوريدات في محطات معالجة المياه

السيناريو: ثقب شفة حوض التطهير بعد 3 سنوات

في إحدى محطات معالجة مياه الشرب، استُخدمت شفة من فولاذ 304 مقاوم للصدأ (اختيار المواد لمقاومة تآكل الشفات) وبراغي في خط الأنابيب الخارجي لحوض التطهير. تركيز Cl⁻ في المياه الخام كان 150 ملغ/ل، وارتفع بعد إضافة الكلور إلى نحو 300 ملغ/ل، مع وجود كلور حر بتركيز 1.5 ملغ/ل. وصلت درجة حرارة المياه في الصيف إلى 35 °C كحد أقصى. بعد 3 سنوات، ظهرت على سطح الختم للشفة عدة حفر نخر نقطي (أعمقها نحو 2 ملم)، كما ظهر نخر نقطي في منطقة خيوط البراغي، مما أدى إلى تسرب عند الحشية. عند مقارنة الوضع بمصفوفة التآكل، يقع وضع Cl⁻ 300 ملغ/ل و 35 °C في المنطقة الحدودية لفولاذ 304، وإلى ذلك أضاف الكلور الحر ذو الخاصية المؤكسدة القوية إلى تسريع تلف الغشاء الواقي. وكانت خطة التصحيح تتمثل في استبدال جميع الشفات بفولاذ 316L والبراغي بدرجة A4-80، ولم تحدث أي مشكلات خلال 5 سنوات بعد الاستبدال.

بعد قراءة هذا المقال، ستعرف كيفية اختيار مادة الشفة بناءً على تركيز أيونات الكلوريد ودرجة الحرارة، وستتمكن من تقرير ما إذا كانت شفات 304 الحالية بحاجة إلى ترقية.

لماذا يخشى فولاذ 304 مقاوم للصدأ من أيونات الكلوريد

يعتمد مقاومة فولاذ 304 للتآكل على طبقة رقيقة جداً من أكسيد الكروم الواقي (Cr₂O₃) بسمك 3-5 نم يغطي السطح. يتميز أيون الكلوريد (Cl⁻) بصغر نصف قطره (1.81 Å) وقوة اختراقه، فتلتقط بشكل انتقائي النقاط الضعيفة في الغشاء الواقي (مثل الشوائب والحدود الحبيبية)، وتحل محل ذرات الأكسجين لتشكيل كلوريد كرومي قابل للذوبان (CrCl₃)، مما يسبب ذوباناً موضعياً للغشاء الواقي وتكوّن حفر النخر. إن البيئة الصغرى داخل حفرة النخر (تركيز عالٍ من Cl⁻، pH منخفض، نقص في الأكسجين) تحفز تفاعل تآكل ذاتي التسارع.

تأثير تسارع درجة الحرارة: كلما ارتفعت الحرارة بمقدار 10 °C، يتزايد معدل بدء النخر النقطي بأضعاف. تبلغ درجة حرارة بدء التآكل النقطي الحرجة (CPT) لفولاذ 304 نحو 15-20 °C (في محلول كلوريد الحديديك 6%). عندما تتجاوز درجة حرارة المياه الحاوية على Cl⁻ 20 °C، يرتفع خطر النخر النقطي بشكل حاد.

مصفوفة التآكل: تركيز Cl⁻ × درجة الحرارة

تعليمات استخدام المصفوفة: حدد صف تركيز Cl⁻ في المياه وعمود أعلى درجة حرارة تشغيل، فالتقاطع يوضح المادة الموصى بها. يعني “⚠️ حدودي” أن فولاذ 304 يصلح للاستخدام لكن يجب تقصير دورة الفحص (يُنصح بفحص النخر النقطي كل ربع سنة). إذا كانت المياه تحتوي أيضاً على كبريتات (SO₄²⁻ ＞ 200 ملغ/ل)، انقل التقييم عموداً واحداً إلى اليمين (رقّي المادة درجة واحدة).

المياه النموذجية واختيار المواد في وحدات محطة معالجة المياه

تدابير علاجية لتمديد عمر فولاذ 304

إذا كان المشروع يستخدم فولاذ 304 ولا يمكن استبداله حالياً، فإن التدابير التالية تؤخر حدوث النخر النقطي:

① إعادة التمرير (Passivation): نقع سطح الشفة في محلول حمض النيتريك 20% أو حمض الستريك 5% لمدة 30 دقيقة، لإذابة ملوثات الحديد على السطح وإعادة بناء غشاء واقٍ كثيف. إجراء هذه العملية مرة في السنة يؤخر بدء النخر النقطي بسنوات.

② إزالة الفجوات: تُعدّ فجوات الشفة من المناطق شائعة حدوث النخر النقطي (يتركز Cl⁻ داخل الفجوات). طلاء سطح الختم للشفة بشحم مانع تسرب من PTFE يملأ الفجوات الدقيقة ويقلل من تآكل الفجوات بفعالية.

③ الحماية الكاثودية: تركيب أنود تضحية من سبيكة الزنك بالقرب من الشفة؛ فالزنك يتآكل أولاً ويحمي الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن لقطعة زنك بوزن 1 كغ حماية نحو 2 م² من سطح الفولاذ المقاوم للصدأ لمدة 2-3 سنوات. يُراجع متطلبات الحماية الكاثودية في معيار UFC 3-190-06.

الخلاصة

• المزيج بين تركيز أيونات الكلوريد ودرجة الحرارة يحدد مدى ملاءمة استخدام شفات 304، ويمكن للمصفوفة إعطاء حكم سريع.
• إذا كان الوضع في المنطقة الحدودية أو في منطقة أعلى خطورة، فإن الترقية إلى 316/316L أو الفولاذ مزدوج الطور يُعدّ خياراً موثوقاً.

الخطوات التالية

عند الشراء أو اختيار المواد، يُرجى إعداد المعطيات التالية:

1. تركيز أيونات الكلوريد في المياه (ملغ/ل) ووجود الكلور الحر أو الكبريتات.
2. أعلى درجة حرارة تشغيل (°C) ومدى تذبذبها.
3. أبعاد الشفة، درجة الضغط، وطريقة الربط (مثل الحاجة إلى تدابير إزالة الفجوات).
4. العمر المتوقع ومتطلبات دورة الصيانة.

لمزيد من النقاط المتعلقة بالاختيار والشراء، راجع دليل الشراء والاستلام.