التآكل في المنشآت و آثاره السلبية

إعداد الباحث :

المهندس . عوده محمد يوسف الأغا

 خان يونس

التآكل في المنشآت و آثاره السلبية

المقدمة

يعرف التآكل بأنه إفساد المادة أو خواصها نتيجة تفاعلها مع مؤثرات خارجية أو داخلية , أ, هو التلف الناتج عن تفاعل مادتين أو أكثر أو مكوناتهما في و جود وسط مساعد مثل الحرارة و الرطوبة  أو الأملاح .

و يحدث التآكل في المنشآت ببطء شديد وهدوء لكن الخسائر التي يسببها تفوق التصور , فمنها خسائر مادية و اقتصادية و منها صحية تتعلق بصحة الإنسان و تؤثر عليه مباشرة و البيئة المحيطة به .

فالمنشآت الصناعية و المباني الخدمية مثل المدارس و المستشفيات و محطات التوليد و أعمدة نقل الطاقة و الجسور  و الطرق و الموانئ و المطارات , تتأثر سلبا بحدوث التآكل في أجزائها مما يؤدي إلى قصر عمرها و الإقلال من فترة صلاحيتها و كفاءتها التشغيلية مما يزيد تكلفة صيانتها و تشغيلها , كما أن شبكات نقل و توزيع المياه و محطات الضخ و تخزين المياه تتعرض إلى التآكل سواء من داخل خطوط النقل  و التوزيع و ملحقاتها أو من خارج الخطوط  و الأجزاء الظاهرة و التي تتعرض لتغيرات مختلفة بيئية  و مناخية .

 فعندما يبدأ التآكل في المنشآت خاصة الصناعية سواء في المباني أو في خطوط الإنتاج , نلاحظ انخفاض في مستوى الإنتاج  و الجودة في المنتج , و أعطال مستمرة تؤدي إلى خسائر مرتفعة , و كذلك عندما يبدأ التشقق و التآكل في المنشآت الخدمية كالمدارس  أو الجامعات  و المستشفيات تصبح الأخطار تهدد الطلاب  و العاملين مثل انهيار بعض أجزاء المباني أو عدم صلاحية المكان لإتمام العملية التعليمية على أكمل وجه , و كذلك المنشآت الصحية كالمختبرات , و المستشفيات تصبح غير قادرة على احتضان المرضى للمعالجة حيث يتطلب الأمر أماكن غاية في النظافة  و التهوية  و التشميس و خالية من الشقوق  و مرافقها الصحية تعمل بحالة جيدة بدون أعطال  و لا عوائق , أيضا محطات توليد الكهرباء  و تحليه المياه و تنقيه مياه الصرف الصحي التي تتعرض لتأثيرات التآكل و ينتج عن ذلك أعطال مستمرة تقلل من صلاحيتها للتشغيل و تقلل من إنتاجيتها  , و المطارات أيضا تتعرض للتآكل سواء في مباني الخدمات أو مهابط الطائرات فتصبح غير قادرة على أداء مهمتها لان الأمر يتعلق بحياة المسافرين سواء القادمين أو المغادرين و العاملين فيها , و مثل مهابط الطائرات ينطبق الأمر على الطرق  و السكك  الحديدية و أبراج الاتصالات  و أبراج الطاقة و شبكات نقل و توزيع المياه و ملحقاتها , ففي شبكات نقل و توزيع المياه يتعلق الأمر بصحة الإنسان و صلاحية المياه للاستخدام الآدمي , بسبب التآكل في خطوط التوزيع حيث يتغير اللون و الطعم  و الرائحة لمياه الشرب  ,  و الأمر الأهم في شبكات توزيع المياه تغير نسبة الحموضة في الماء PH   تسبب تغيير صلاحية المياه و توفر بيئة مناسبة لحدوث تآكل ميكروبي MIC   الذي يزيد من حدوث اضطرابات معوية لمستخدمي المياه و فرصه لنقل الأمراض البكتريولوجية إلى جسم الإنسان أثناء استخدام المياه . ^{Ref . 1}

هذه الخسارة التي يسببها التآكل تكلف مبالغ باهظة سواء في الصيانة  أو الإصلاح  و الترميم  و تزيد من تكلفة التشغيل , و رغم أن التفكير في معالجة التآكل أو تجنب حدوثه بدأ مبكرا , إلا أن الجهود لازالت حثيثة  و متواصلة لوقاية المنشآت و إتباع أفضل السبل لتجنب حدوثه .

شكل 1

التآكل في حديد التسليح في الخرسانة

كيفية حدوث التآكل

لمعرفة كيفية حدوث التآكل , يتوجب علينا معرفة الأساسيات التي يستند عليها حدوثه و هي :

1.      و جوب توافر قطب / شحنة سالبة ( الآنود ). An Anoode

2.      وجوب توافر قطب / شحنة موجبة ( الكاثود ) .   A Cathode

3.      وسط محلول موصل ( الالكتروليت ) An Electrol             

4.      توفر حالة توصيل بين الآنود و الكاثود و ذلك لحدوث تفاعل كيميائي عند مرور تيار كهربي مهما كانت قليلة شحنته ,

و يحدث اتحاد للشحنة السالبة مع الأكسوجين و في هذا الحيز في أغلب الأحوال :

و ينتج جهد يقدر بـــ  - 0.85   ڨولت في الحالة الافتراضية ضد أو مقابل  cu_cuso₄  وهو الالكترود و بعد عملية التفاعل يقل الڨولت الافتراضي بحدود + 0.40  ڨولت و هذا التفاعل يحدث تيارا ساريا بحدود  1.25  أمبير .  ^{Ref . 2}

و يساعد في زيادة حدوث التفاعل أيضا و جود الكلوريدات و الأملاح و الكبريتات في التربة و المياه  و مواد البناء المستخدمة في العملية الإنشائية حيث تشارك الأملاح في مهاجمة أجزاء المنشأ خاصة حديد التسليح و يبدأ ذلك عند اتحاد مكونات الخلطة الخرسانية  و أثناء فترة التصلب و الترطيب curing  فيتكون و سطا مناسبا من الحموضة PH  تتمحور حول قضبان الحديد فيتأثر أو يصبح قادرا على الانحلال عندما تصبح درجة الحموضة PH  13 – 14  . ^{Ref . 3}

شكل ( 2 )

 طبيعة حدوث التآكل في المعادن

و تصبح ايونات الكلوريدات تهاجم الحديد و تسبب التآكل ببطء شديد يزداد بزيادة  و جود ثاني أكسيد الكربون  و تتحد مكونات الاسمنت  و الخطة مع الكالسيوم و البوتاسيوم و الصوديوم فتتكون الايدروكسيدات التي تذوب في الوسط الحمضي, و ثاني أكسيد الكربون المتكون في هذه العملية يتفاعل مع الايدروكسيدات أيضا  ويكون  الكربونات و الماء .إذا , نصل إلى  أن متاعب الخرسانة تزداد بوجود ثاني أكسيد الكربون أو اكاسيده و لكن أقل مما تسببه الكلوريدات و الأملاح المذابة في مكونات الخلطة ففي حال ملامسة ايونات  الكلوريدات السطح الخارجي لقضبان الحديد تحدث تأثيرات سلبية إضافية تسهم في الإقلال من تماسك الحديد مع الخرسانه و تضعف صلابتها و تزيد من درجة النفاذيه للخرسانة  Permeability فيتخلل ايون الكلوريد بين اجزاء الحصويات و يؤثر سلبا على مكوناتها , كما أن الحديد المنحل يتآكل عند اتحاد شحنة موجبة أثناء الانحلال الايوني متزامنا مع وجود ايون سالب في وسط الخرسانة  تاركه الاكسوجين , فعندما يزداد الاكسجين تقل نسبة التآكل و عند زيادة تركيز أيون الهيدروجين يزداد معدل التآكل بوجود وسط مساعد خاصة في حديد التسليح ferrous   و هو المادة التي تتأثر مباشرة بالظروف البيئية و المناخية المحيطة بالمنشأ و التي تضعف من متانتها و تقلل من صلاحيتها للتشغيل , و يتأثر الحديد سلبا بدرجة الحموضة PH   من 14 – 12   عند ذلك تنشط ايونات الكلوريدات فتهاجم الحديد من خلال اكاسيد الحديد :

و يتحول أيون الحديد في  وجود الكلوريدات الى حالة معقده نظرا لاختلاف المؤثرات الخارجية و التي ينتج عنها الصدأ RUST  :

و ينتج عن ذلك هيدروكسيد الحديد  , الذي يتحول الى بثور خارجية في الحديد :

يؤثر هذا الناتج على كلوريد الحديد المتواجد على سطح الحديد الخارجي مسببا تآكل موضعي يزداد بزيادة درجة الحموضة PH   بنسبه عالية فيتكون نتوءات و بثور بنية اللون تسمى الصدأ و هو التآكلالسائد .

شكل ( 3 ) : مخطط التآكل في المنشآت الخرسانية و المعدنية

أولا : التآكل في الخرسانه

الخرسانة هي الحجر الصناعي الناتج عن تصلب الخلطة المنتقاة من الرمل و الحصويات و المادة الرابطة و هي الاسمنت و الماء , و هي من أهم المواد الإنشائية لسهولة الحصول عليها و رخص تكلفتها و تحملها للظروف البيئية المختلفة و هذا الحجر الصناعي ناتج عن تفاعلات معقدة بين المكونات الرئيسية للاسمنت و الرمل و الحصويات التي تتكون في الغالب من المواد التالية  :

و أكاسيد اخرى مثل المغنيسيوم Mgo  و البوتاسيوم  K₂O  و أكسيد الصوديوم .

فان سرعة تفاعل هذه الاكاسيد هي التي تحدد سرعة تصلب الخلطة أما دور الاكاسيد الفعالة مثل اكاسيد السيليسيوم الذي يتفاعل مع هيدروكسيد الكالسيوم  Ca( OH )_{2 ­}التي تتشكل من سيليكات الكالسيوم الثلاثية التي تتصلب و ترفع درجة مقاومة الاسمنت للتآكل و في نفس الوقت يحدث تفاعل الكربنة بين هيدروكسيد الكالسيوم و غاز ثاني اكسيد الكربون من الهواء الجوي و بخار الماء كما يلي :

تتبلور كربونات  الكالسيوم بسرعة أكبر .^{Ref. 4}

شكل (4 ) التأثيرات البيئية و المناخية التي تزيد من التآكل

أسباب حدوث التآكل في الخرسانة

تعود الأسباب التي تزيد من حدوث التآكل في المنشآت الخرسانية إلى :

1. عدم كفاية الدراسة الأولية في التصميم الإنشائي للمنشأة , و عدم إتباع المواصفات القياسية لتصميم و تنفيذ الخرسانة المسلحة خصوصا في حساب الاحمال المعرض لها المبنى و عدم اختيار نظام انشائي لنقل الاحمال بطريقة صحيحة أو على الاقل من نسبة حديد التسليح , و اهمال الظروف المحيطة بالمنشأ , مثل منسوب المياه الجوفية ووجود الأملاح في التربة .
2. اهمال في طريقة التنفيذ في كامل أجزاء المنشأ مثل تصميم الخلطات الخرسانية و عدم استعمال المعدات الصحيحة في خلط و صب و دك الخلطة الخرسانية و قلة كفاءة الشده الخشبية و إهمال اختبار الجودةللخرسانة مثل slump test   و قلة كفاءة الشدة الخشبية أو فكها قبل و صول مقاومة الخرسانة إلى مستوى مناسب و إهمال معالجة فواصل الصب أو اهمال الغطاء الخرساني المناسب حسب أجزاء المنشأ .
3. قصور و اهمال في مكونات الخرسانة مثل استعمال حصويات خير متدرجة و تحتوي على أملاح و مواد عضوية  , و استعمال اسمنت غير معروف المصدر منتهي الصلاحية , ثم استعمال مياه غير صالحة للخلطات أو وجود المياه في براميل بها زيوت و شحوم و مواد عضوية .
4. إهمال في عزل الماء و الرطوبة حيث إن الإهمال في الأسطح و دورات المياه و الاساسات عند ارتفاع  منسوب المياه الجوفية ثم احتوائها على نسبة عالية من الكلوريدات او الاملاح الضارة التى تتسرب بواسطة الخاصية الشعرية إلى داخل الخرسانة ثم تصل الى حديد التسليح فيتسبب تآكل بدرجة عالية و عدم تماسك الغطاء الخرساني في المنشأ خاصة في الاساسات .

شكل  ( 5 ) تآكل بفعل الخاصية الشعرية

5. هناك مؤثرات تؤثر سلبا على المنشأ لم تؤخذ في الحسبان عند التصميم مثل وجود الغازات الضارة الموجودة بكثرة في الاجواء الصناعية او تلف الارضيات من جراء استخدام المواد الكيماوية في المختبرات و مصانع الاسمدة و البتروكيماويات , او تعرض المنشا للزلازل و الاهتزاز الارضي نتيجة لوجود المنشأ بالقرب من محطة و خطوط السكك الحديدية
6. الصب في درجات الحرارة العالية يؤدي إلى تشقق في الخرسانة و تكوين فجوات هوائية داخل الخرسانة .^{Ref. 5}

شكل  ( 6 )  صب الخرسانة في درجات الحرارة العالية  يضعف الخرسانة و يزيد من التشقق

ثانيا : التآكل في المنشآت المعدنية

·        التآكل في خزانات و خطوط نقل و توزيع المياه و آثاره السلبية على مياه الشرب

 يعتبر التآكل في خزانات و خطوط نقل و توزيع المياه من أهم المشكلات التي تؤرق المهندسين و العاملين في حقل التشغيل و توزيع و نقل و تخزين المياه , حيث أن هذه المشكلة أصبحت عالمية و ملحة تتطلب البحث عن حلول جذرية لخفض نسبة الخسائر في المنشآت التي تتعرض لمختلف المؤثرات . و عملية التآكل هذه تحدث في أجزاء المنشآت و تزداد ببطء شديد ثم تبدأ بنهش الأجزاء المختلفة , مثل صعود الكره أعلى الجبل ثم تدحرجها عكسيا إلى أسفل , و هو ما ينتج عنه تصدع مفاجئ و خسائر كبيرة .

و رغم البحث عن الحلول المناسبة لتجنب حدوث التآكل بدأ متأخرا , إلا أن   نتائج الابحاث التي تمت في هذا الحقل أدت إلى نتائج ايجابية تمكنت من إطالة عمر المنشآت , و منها خزانات المياه و خطوط نقل و توزيع المياه و تحسين أدائها و تشغيلها و حمايتها بصورة دائمة و من ثم الانتفاع بأقصى قدر منها و تجنب تلف أجزائها أو حدوث أخطار مفاجئة تلغي الدور الرئيسي للمنشأ .

و رغم ان  التآكل في المواد المصنعة منها خزانات و خطوط نقل و توزيع المياه خاصة المعدنية منها هي ظاهرة طبيعية معقدة , إلا أنها تؤثر سلبا على صلاحية المياه و نسبة الحموضة فيها بسبب و جود الاملاح و الاكاسيد المذابة في الماء , أثناء عملية انتاج و تخزين ثم نقل المياه إلى الاستهلاك , و يزيد من تلك التأثيرات السلبية حدوث الطاقة الناتجة عن ضخ المياه في شبكات التوزيع حيث تتولد هذه الطاقة من الملامسة  و الاحتكاك بحواف و جوانب خطوط المياه خاصة عند الوصلات المختلفة مثل الاكواع و المحابس بكافة أشكالها , و حدوث الطاقة في هذا الوسط يولد أبخرة مائية و تيار كهروكيميائي  Electrochemical current  يزيد من حدوث التآكل خاصة في خطوط المياه المصنوعة من الحديد و أنواعه المختلفة بنسب متفاوته :

1. الحديد الزهر                       Cast Iron
2. الحديد المطاوع             Wrought Iron
3. الحديد المجلفن           Galvanized Iron
4. الحديد الصلب المرن         Ductile Iron
5. الحديد الفولاذي الصلب   Stainless  Steel

و لمعرفة الحالة الطبيعية للحديد و كيفية حدوث التآكل فيه عن غيره من المعادن بسهولة نعود الى مكونات هذا المعدن , حيث أنه خليط من خام الحديد و الكربون بنسب متفاوتة و تزداد صلابة الحديد و تقل حسب هذه النسبة نتيجة اختلاط و تأثر هذه المكونات ببعضها  , إذا في هذه الحالة يتوفر المعدن بحالتين هما مادة الحديد نفسها الخالصة ثم مادة الحديد مع الكربون وهي ما تسمى كربيد الحديد  " Fe₃c  " الناتجة من تفاعل الحديد مع الكربون , و يتوزع كربيد الحديد هذا بشكل شرائح ميكروسكوبية دقيقة جدا بداخل معدن الحديد أو مكونات أخرى, و تتمايز مكونات هذه المادة حسب تجانس كمية الكربيد بها لكي تحدد مدى صلابة الحديد ¹ , ومن ثم تحديد مواصفاته و صلاحيته

للاستعمال في أي منشأ حيث يتم تسخينه أو تبريده حسب الحاجة للسيطرة على نسبة الكربون فيها , و هي التي تحدد خواص الحديد الميكانيكية و التشغيلية و درجة الصلابة , و يؤخذ في الاعتبار مقاومة هذه المادة للتآكل عند الدراسة الاولية للمنشأ .

لهذا السبب يدخل الكربون في خواص الكثير من من المعادن و يحدد مميزاتها و مواصفاتها سواء كانت سبائك حديد فقط أو خليط ممن مواد مضافة إلى خام الحديد فتكون اما متجانسة أو غير متجانسة , حتى تكتسب الصلابة المطلوبة للتشغيل كيفما يراد بها .

كيفية حدوث التآكل في خطوط نقل و توزيع المياه :

عند ضخ المياه في شبكات التوزيع و حدوث الطاقة الناتجة عن الاحتكاك المباشر أثناء التشغيل , يتولد في هذا الوسط أبخرة مائية و تيار كهروكيميائي  و تحدث دورة كهربائية كاملة تمر بثلاثة مراحل :

أولا  : الأنود Anode  

و هو الجزء البارز من المعدن الذي يتآكل و تتم فيه عملية التحول الكيميائي الى أيونات سالبة و موجبة positively charged ions  , و هذا الفقد من الايونات يترك آثارا مختلفة تكون النتيجة :

تسمى هذه العملية الاكسدة Oxidation   و هي التي تسبب خسارة في الالكترونات لأن ايون الحديد يتحول إلى حالة الذوبان , اما الالكترونان الاثنين الاخران يتحولان إلى صلب المادة نفسها بدون خسارة , فهذا الفقد من الايونات يكون المؤثر الفاعل في بداية عملية التآكل .