كيف تتفاعل التآكل والصدمات والحرارة في تطبيقات ألواح التآكل الواقعية

الـ لوحة التآكل الثلثي: لماذا تؤدي التآكل والصدمات والحرارة معًا إلى التسارع التآزري للفشل

التعرض المتزامن في أنظمة مناولة المواد السائبة

تواجه ألواح التآكل في أماكن مثل مداخل أفران الأسمنت ونقاط انتقال الناقلات في المناجم ثلاث مشكلات رئيسية في آنٍ واحد. أولًا، هناك الاحتكاك المستمر من الجسيمات الكاشطة، ثم الصدمات المتكررة التي تُضعف البنية المادية، وكل ذلك أثناء التعرض لدرجات حرارة تتجاوز 650 درجة مئوية. وعندما تتضافر هذه العوامل بدل أن تعمل بشكل منفصل، فإنها تُحدث ضررًا أشد من مجرد البلى الطبيعي. فعلى سبيل المثال، دورة الحرارة: مع تمدد المعادن وانكماشها نتيجة تغير درجات الحرارة، تنغرس جسيمات كاشطة صغيرة بشكل أعمق داخل الأسطح، ما يجعل كل صدمة جديدة أكثر تدميرًا. تشير أبحاث من قطاع الأسمنت إلى أن الآلات التي تعمل تحت هذه الضغوط المركبة تتعرض للتلف بسرعة تصل إلى ثلاثة أضعاف تقريبًا مقارنة بالتنبؤات الناتجة عن النماذج القياسية. ويترتب على هذا المعدل المتسارع من الأعطال عواقب فعلية على جداول الصيانة والتكاليف التشغيلية في الصناعات الثقيلة.

أبعد من النماذج التراكمية: قياس تسارع البلى التآزري

إن التقييمات التقليدية للتحمل تقلل من تقدير مخاطر الفشل من خلال معالجة التآكل والصدمات والحرارة كمتغيرات مستقلة. ويُظهر البيانات الواقعية وجود تفاعلات تراكمية:

• إن الانخفاض الحراري عند درجات حرارة تزيد عن 400°م يقلل من صلابة الفولاذ بنسبة 35%، مما يسرع من فقدان المادة الناتج عن الاحتكاك بالجسيمات
• تتسبب الكسور الناتجة عن الصدمات بتكوين حفر مجهرية تحتجز المواد المسببة للتآكل، ما يؤدي إلى إنشاء مناطق محلية للتآكل
• يؤدي التسخين والتبريد الدوري إلى انتشار الشقوق الناتجة عن الإجهادات التي بدأتها الضربات الميكانيكية
  هذا التآزر يفسر سبب استمرار صفائح التآكل المقاومة للتآكل والتي تم اشتقاقها عمليًا لمدة 14 شهرًا فقط في أحواض التبريد المسننة، على الرغم من التنبؤات المخبرية البالغة 24 شهرًا. وتحتاج الحلول إلى تصاميم متعددة الطبقات تجمع بين أسطح غنية بالكربيد لمقاومة التآكل وطبقات أساسية مستقرة حراريًا تحافظ على المطيلية.

استجابة مادة صفيحة التآكل: التدهور المجهرى تحت إجهادات مشتركة

تفكك الكربيد وانعكاس الأوستنيت تحت دورة حرارية-صدمية

التغيرات المستمرة في درجات الحرارة ذهابًا وإيابًا تُحدث أضرارًا جسيمة على البنية المجهرية لألواح التآكل مع مرور الوقت. عندما تمر المكونات بهذه الدورات من التسخين والتبريد، يبدأ الصدمة الحرارية في تكوين شقوق صغيرة حول الكاربيدات الأساسية في المادة. وما يحدث لاحقًا يكون ضارًا أيضًا؛ حيث تنتشر هذه الشقوق المجهرية عند التعرض للصدمات، مما يؤدي إلى تكسير تلك الكاربيدات الهشة إلى قطع صغيرة. وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع درجة الحرارة لأكثر من 400 درجة مئوية تقريبًا يسبب مشاكل لهيكل المصفوفة المارتنزية، ما يجعلها تفقد نحو 15 نقطة على مقياس صلادة روكويل. وعند دمج هذين العاملين معًا، نحصل على مناطق تتآكل بشكل أسرع بكثير. تشير الاختبارات الواقعية إلى أن الأجزاء المعرضة لهذا النوع من التأثير الحراري تتآكل بسرعة تزيد بنسبة ثلثيْن تقريبًا مقارنة بتلك التي تعاني من التآكل العادي فقط.

مقايضات الصلادة: الحفاظ على سلامة السطح مقابل متانة الطبقة الأساسية

لا يزال إيجاد التوازن الصحيح بين مستويات الصلادة يمثل تحديًا كبيرًا للمهندسين العاملين في مجال المواد الخاصة بالألواح المقاومة للتآكل التي يجب أن تكون طويلة الأمد. عندما تتجاوز صلادة السطح 550 هف (HV)، فإن ذلك يمنع حدوث التخريم الاحتكاكي، ولكن هذا يأتي بثمن. حيث تصبح المادة أكثر هشاشة، وبالتالي عند اصطدام القوى الصدمية، فإنها تميل إلى نشر الشقوق عبر السطح المص hard حتى تصل إلى المادة الأساسية. من ناحية أخرى، تتعامل المواد ذات صلادة الطبقة الأساسية أقل من 350 هف مع الصدمات بشكل أفضل لأنها قادرة على امتصاص جزء من الصدمة، لكن هذه الأسطح الأقل صلابة تتآكل بسرعة أكبر بسبب الاحتكاك. تُظهر الاختبارات العملية أن النطاق المثالي يتراوح حول 480 إلى 520 هف لصلادة السطح مقترنًا بنحو 40 إلى 45 جول من متانة الصدمة حسب اختبار شاربي في الطبقة الأساسية. يُشكل هذا النطاق الأمثل ما نسميه منطقة ذات خصائص مزدوجة، والتي تمنع تقشّر السطح (التقشّر أو spalling) وتمنع أيضًا التغيرات الشكلية الدائمة (التشوه البلاستيكي). يؤدي تجاوز هذا النطاق نحو مناطق أكثر صلادة إلى تقليل مقاومة الصدمات بنحو النصف تقريبًا، مما يجعل النظام بأكمله أقل مقاومة للتآكل مع مرور الوقت.

البيئات الصناعية عالية الخطورة لفشل ألواح التآكل

مداخل مجاري الفرن الأسمنتي: تآزر الحرارة والتآكل الذي يؤدي إلى 68% من الأعطال المبكرة

مُدخلات الأفران الإسمنتية تُعد من أكثر المواقع صعوبة في عمليات التشغيل بالمصنع. غالباً ما تتجاوز درجات الحرارة هنا 800 درجة مئوية، بينما تصطدم المواد الخام بالأسطح بسرعات هائلة. ماذا يحدث؟ في الأساس، تذيب الحرارة الطبقة الواقية على ألواح التآكل، مما يؤدي إلى تآكلها بشكل أسرع بكثير من المعتاد. وفقاً لبعض التقارير الصناعية، ينجم نحو ثلثي حالات فشل المكونات المبكرة عن هذه المشكلة تحديداً، ما يعني الحاجة إلى استبدال القطع مرتين أكثر من المعتاد عندما تتضافر هاتان العاملتان بدلاً من عمل كل منهما على حدة. ولا تسهم الدورات الحرارية في تحسين الأمور أيضاً. إذ يتمدد المكون وي contracting بشكل متكرر تحت تغيرات درجات الحرارة، ما يؤدي إلى ظهور شقوق دقيقة تنتشر مع مرور الوقت. لمجابهة هذا التدمير الكلي، يلجأ العديد من المشغلين إلى سبائك قائمة على الكروم تحتوي على كاربيدات مستقرة. تظل هذه المواد صلبة حتى عند ارتفاع درجة الحرارة، ولكن هناك دائماً توازن دقيق صعب بين اختيار مادة لا تتأكسد بسرعة كبيرة، وبين مادة يمكنها تحمل الصدمات دون أن تنكسر.

أطباق التبريد المُجمَّعة: حلول تغليف طبقي لمقاومة متعددة الآليات

تتعرض أطباق تبريد المُجمَّع لتأثيرات متزامنة من سقوط الكتل المُجمَّعة (حوالي 50 مم عند 700°م)، والتآكل أثناء النقل، والتغيرات الحرارية السريعة. وغالبًا ما تفشل الألواح المقاومة للتآكل ذات الطبقة الواحدة خلال أشهر بسبب انتشار الشقوق الناتجة عن الصدمة الحرارية. وتستخدم الحلول المتقدمة تقنية التغليف الطبقي:

• طبقة عازلة ماصة للصدمات بسمك 6–8 مم (350–400 HB) تمتاز بشدة عالية في مقاومة الكسر
• عازل حراري وسيط يقلل انتقال الحرارة إلى الطبقة الأساسية
• طبقة وظيفية علوية (60+ HRC) تحتوي على كربيد كرومي كثيف يقاوم التآكل
  يمتد عمر الخدمة باستخدام هذا النهج الطبقي بمقدار 2.3 مرة من خلال تضييق نطاق التآكل على الأسطح القابلة للاستبدال ومنع الانفصال الطبقي. ويُراعى في التصميم الاختلاف في التمدد الحراري بين الطبقات، وهو أمر بالغ الأهمية في المناطق التي تتجاوز فيها الفروق الحرارية 400°م/دقيقة أثناء دورات نقل المواد.

أسئلة شائعة

ما هو التآزر بين التآكل والصدمات والحرارة في ألواح التآكل؟
عندما تجتمع عوامل التآكل والصدمات والحرارة، فإنها تُسرّع من فشل لوحات التآكل بشكل أسرع مما لو كانت تعمل بشكل منفصل. وتتفاقم آثار التآكل التراكمية لتزيد من تدهور المادة وتقليل عمر لوحات التآكل.
كيف تؤثر التغيرات الحرارية على لوحات التآكل؟
تسبب التغيرات الحرارية تمدد وانكماش لوحات التآكل، مما يؤدي إلى تشققات حول كربيدات الأساسية وضعف البنية المارتنزيتية، وبالتالي زيادة معدل التآكل عند التعرض للصدمات.
لماذا يُعد إيجاد التوازن المناسب في الصلابة أمرًا مهمًا بالنسبة لوحات التآكل؟
يضمن التوازن في صلابة لوحات التآكل الحفاظ على سلامة السطح ضد التآكل والحفاظ على مرونة الطبقة الأساسية ضد الصدمات. إذ يؤدي الإفراط في التصلب إلى تقليل مقاومة الصدمات، بينما يؤدي نقص التصلب إلى زيادة التآكل الناتج عن الاحتكاك.
ما المواد المستخدمة في مداخل أفران الأسمنت لمكافحة التآكل والحرارة؟
تُستخدم مواد مثل سبائك الكروم التي تحتوي على كربيدات مستقرة في مداخل أفران الأسمنت لأنها تقاوم الأكسدة ويمكنها تحمل درجات الحرارة العالية دون الانكسار.