لحام أنابيب النحاس-نيكل: خمس أخطاء تُدمِّر مقاومة التآكل (وكيفية تجنُّبها)

مقدمة

تفشل أنابيب النحاس-النيكل في خدمة مياه البحر لسببٍ واحدٍ أكثر من أي سببٍ آخر: اللحام. ونادرًا ما تكون المعدن الأصلي هو المشكلة. فالسبيكة نفسها — ٩٠/١٠ أو ٧٠/٣٠ نحاس-نيكل — مُصمَّمة لتكوين طبقة أكسيد واقية تتحمّل عقودًا من تدفُّق مياه البحر. لكن عملية اللحام تُدخل ثلاث مناطق دقيقة مختلفة التركيب في مادة كانت متجانسةً في الأصل: منطقة اللحام (WZ)، ومنطقة التأثر الحراري (HAZ)، والمعدن الأصلي غير المتأثر (BM). ولكل منطقة تركيب دقيق مختلف وإمكانية كهروكيميائية مختلفة. .

وهذا التباين هو المكان الذي يبدأ فيه التآكل.

أظهرت الدراسات مرارًا وتكرارًا أن منطقة التأثير الحراري (HAZ) تمتلك أدنى مقاومة للتآكل في وصلات اللحام النحاسية النيكلية، وذلك بسبب البنية الحبيبية الخشنة الناتجة عن حرارة اللحام. ووجدت دراسات أخرى أنه في ظل ظروف معينة، يمكن لمنطقة اللحام نفسها أن تتحول من كاثود محمي في البداية إلى أنود يتسارع تآكله، وهي المنطقة التي تسجل أعلى كثافة تيار تآكل بين المناطق الثلاث. .

السبيكة ليست المشكلة. بل اللحام هو المشكلة. وفيما يلي خمسة أخطاء تُضعف مقاومة التآكل في لحامات أنابيب النحاس والنيكل بشكل متكرر — إضافةً إلى الممارسات المحددة التي تمنع حدوثها.

الخطأ الأول: تجاوز درجة الحرارة الحرجة بين المرات.

لا تتطلب سبائك النحاس والنيكل تسخينًا مبدئيًّا، ما يؤدي بكثير من عمال اللحام إلى الاعتقاد بأن هذه السبائك تتحمل التغيرات الحرارية بسهولة. وهذا غير صحيح. فدرجة الحرارة بين المرات — أي درجة حرارة منطقة اللحام مباشرةً قبل إنجاز المرّة التالية — يجب التحكم بها ضمن نطاق ضيق جدًّا.

بالنسبة لسبائك النحاس والنيكل بنسبة ٩٠/١٠ و٧٠/٣٠، فإن أقصى درجة حرارة مسموح بها بين المرات هي 150°م (300°ف) في معظم مواصفات المشاريع، مع توصية إرشادات شركة أمازون ويب سيرفيسز عادةً بحد أقصى أكثر صرامة وهو 100°C بعض مراجع اللحام تقترح الحد من درجة حرارة المرور بين الطبقات إلى أقل من ٦٥°م (١٥٠°ف) لتقليل التلوث وتجنب التشقق الساخن.

يؤدي تجاوز هذا الحد إلى ثلاث نتائج، وكلها تُضعف مقاومة التآكل:

يُسبب تكبير حجم الحبيبات في المنطقة المتأثرة بالحرارة. المنطقة المتأثرة بالحرارة هي بالفعل الحلقة الأضعف في لحام النحاس-نيكل. وتسمح درجات الحرارة الأعلى بين الطبقات بنمو الحبيبات بشكل أكبر، ما يزيد من قابلية هذه المنطقة للتآكل الموضعي والتآكل الناتج عن الكائنات الدقيقة (MIC). وفي وجود بكتيريا اختزال الكبريتات (SRB)، يحدث التآكل بشكل تفضيلي في المنطقة المتأثرة بالحرارة، حيث ترفع الإجهادات المتبقية والهياكل الحبيبية المتغيرة من النشاط الأنودي. .

ويُعزِّز تكوُّن المسام. تزيد قابلية ذوبان الغازات في حوض اللحام المنصهر مع ارتفاع درجة الحرارة. وعند تبريد اللحام، تُطرَد هذه الغازات؛ وإذا كان معدل التبريد سريعًا جدًّا أو كان الحوض ساخنًا جدًّا، فإنها تعلق داخل المعدن على هيئة مسامية. وفي سبائك النحاس-النيكل، لا تُعتبر المسامية عيبًا تجميليًّا فحسب، بل إنها تُكوِّن شقوقًا يركد فيها ماء البحر وتبدأ عندها ظاهرة التآكل النقري.

وهو يُلحق الضرر بتكوين الفيلم الواقي. ويتكوَّن الفيلم الأكسيدي الواقي (Cu₂O المحتوي على نيكل وحديد) عبر تفاعلٍ خاضع للرقابة بين سطح السبيكة وماء البحر على مدى عدة أسابيع. أما اللحام الذي سُخِّن بشكل مفرط، فيمتلك كيمياء سطحية وبُنية دقيقة مختلفة عن تلك الموجودة في اللحام الذي أُجري عند درجة الحرارة الصحيحة، وقد يكون الفيلم الناتج عنه أرقَّ وأقل كثافةً وأقل فاعليةً في الحماية.

الوقاية:

• استخدم مقياس حرارة تماسّيًّا أو طباشيرًا مؤشرًا لدرجة الحرارة لقياس درجة حرارة المرور بين الطبقات قبل كل مرحلة لحام. ولا تعتمد على التقدير البصري.

• للحُفْرِ الرقيقة الجدار (≤٣ مم)، قد يبرد المفصل تلقائيًّا بين المرات. أما للأقسام السميكة، فيجب استخدام التبريد بالهواء القسري — ويُمنَع تمامًا التبريد بالماء.

• اعتماد نهج تقنية الخيط الواحد مع تقليل طول القوس إلى أدنى حدٍّ للتحكم في إدخال الحرارة وتجنب برك اللحام الواسعة والساخنة التي ترفع درجات حرارة منطقة التأثير الحراري.

الخطأ الثاني: عدم كفاية الغاز الحامِي من الخلف — المحفِّز الخفي للتآكل

وهذا أشد الأخطاء ضررًا في لحام أنابيب النحاس-النيكل، وهو غير مرئيٍّ للمُلَحِّم أثناء العملية.

عندما تتعرَّض السطح الداخلي لمفصل أنبوب النحاس-النيكل للهواء أثناء اللحام، فإن الحرارة تسبِّب أكسدة السطح الداخلي. والنتيجة هي طبقة من قشرة الأكسيد السوداء أو الزرقاء — والتي يصفها الملّاحون غالبًا بأنها ذات مظهر «مقشَّر» أو «محروق» — على جذر المفصل الداخلي. وهذه الطبقة المؤكسدة تختلف كيميائيًّا عن المعدن الأساسي المحيط بها، كما أنها أضعف ميكانيكيًّا.

تَكون عواقب التآكل شديدة. فالتخلّص غير الكافي من الغاز عند الجذر يؤدي إلى تشكُّل سطحٍ يمتلك جهداً كهروكيميائياً مختلفاً عن المعدن الأساسي المجاور. وفي أنظمة المياه البحرية، يُحدث هذا الفرق تآكلاً غلفانيّاً. ويصبح الجزء المؤكسد عند الجذر قطباً سالباً (أنوداً) فيتآكل بشكلٍ تفضيلي. وتتفاقم هذه المشكلة في أنظمة المياه البحرية التي يتعرّض فيها السطح الداخلي باستمرار لمحلول إلكتروليتي جارٍ: فبمجرد بدء التآكل عند الجذر، ينتشر على طول خط اللحام وينتهي به الأمر إلى اختراق الجدار بالكامل.

وتؤكّد الخبرة الصناعية المكتسبة مع أنابيب النحاس-نيكل هذه الظاهرة. فتسجّل منتديات اللحام أن السطح الداخلي يظهر عليه «علامات تقشّر، كأن طبقة من النحاس احترقت» في حال عدم استخدام غاز تغذية خلفي كافٍ — وهي مؤشر بصري مباشر على فقدان مقاومة التآكل. والممارسة الموصى بها هي الحفاظ على مستويات الأكسجين عند نحو ١٠٠ جزء في المليون (ppm) داخل الأنبوب أثناء اللحام، أو على الأقل التأكد من أن محتوى الأكسجين في الجانب الخلفي أقل من ٢٪ قبل بدء اللحام .

الوقاية:

• استخدم جهاز مراقبة تنقية الغاز أثناء اللحام. لا تقدّر جودة التنقية استنادًا إلى زمن تدفق الغاز وحده. ويُعتبر جهاز مراقبة الأكسجين الذي يقيس حتى ١٠ أجزاء في التريليون المعيار القياسي للمفاصل الحرجة.

• نقّي باستخدام أرجون نقاوة ٩٩,٩٪ أو نيتروجين إلى أن يصبح محتوى الأكسجين أقل من العتبة المحددة قبل إشعال القوس. وشغّل غاز التنقية حتى يحدث ما يقارب ٦ تغييرات حجمية داخل قسم الأنبوب .

• احفظ تدفق غاز التنقية خلال أثناء اللحام — وليس فقط قبله. ويجب أن يستمر غاز التنقية حتى يبرد الجزء الجذري إلى ما دون عتبة التأكسد.

• استخدام حلقات شريط الألومنيوم أو فيلم غاز تنقية قابل للذوبان في الماء لاحتواء غاز التنقية في منطقة الوصلة بدلًا من تنقية طول الأنبوب بالكامل. وهذا يقلل من استهلاك الغاز ويحسّن اتساق عملية التنقية .

• مناسب ل درع مُتَبِع مُثبَّت على قاطعة اللحام لحماية السطح العلوي للجذر أثناء تبريده .

الخطأ الثالث: استخدام سلك حشو غير مناسب

لحام النحاس-النيكل أمرٌ غير مألوفٍ لأن سلك الحشو القياسي لا لا يتطابق مع تركيب المعدن الأساسي. وهذا ليس خطأً — بل هو متعمَّد.

سلك الحشو الصحيح لعملية لحام Cu-Ni بنسبة ٩٠/١٠ هو ERCuNi (فئة ERCuNi وفق معيار AWS A5.7)، والذي يحتوي على نحو ٦٥٪ نحاس و٣٠–٣٢٪ نيكل و ٠٫٢٠–٠٫٥٠٪ تيتانيوم يؤدي التيتانيوم وظيفةً حاسمةً: فهو يعمل كعامل إزالة للأكسجين، ويمنع تكوُّن المسام ويقضي على احتمال حدوث هشاشة ناتجة عن الأكسجين في معدن اللحام أو المنطقة المتأثرة حراريًّا. .

عندما يستخدم اللحامون أو مصنّعو الهياكل مادة حشو «مطابقة» بنسبة ٩٠/١٠ — أو ما هو أسوأ من ذلك، يستخدمون مادة حشو نيكلية مثل ERNiCu-7 — فإن أداء اللحام المقاوم للتآكل يتغيَّر. وتُعدّ مادة ERNiCu-7 (تحتوي على ٦٥٪ نيكل و٢٧٪ نحاس) مادة حشو صالحة لبعض تطبيقات لحام سبائك النحاس-النيكل، وتُستخدم عادةً في الوصلات بين المعادن غير المتجانسة، لكنها تُنتج رواسب لحام ذات جهد كهروكيميائي مختلف عن مادة ERCuNi. وفي التطبيقات التي تتعرَّض فيها اللحامات لمياه البحر — حيث يتعرَّض اللحام للبيئة نفسها التي يتعرَّض لها المعدن الأساسي — فإن استخدام مادة الحشو غير المناسبة قد يُنشئ زوجًا غلفانيًّا داخل المفصل نفسه.

من الجهة المقابلة، يظهر معدن اللحام المُحضَّر بمادة ERCuNi غالبًا أفضل تكوين طبقة رقيقة ومقاومة تآكل أفضل من تلك الموجودة في المنطقة المتأثرة حراريًّا، ويرجع ذلك بالضبط إلى أن ارتفاع نسبة النيكل في مادة الحشو يعزِّز تشكُّل طبقة أكسيد واقية أكثر فعالية. وهذا سببٌ من الأسباب التي تجعل منطقة التأثير الحراري (HAZ)، وليس معدن اللحام، الموضع النموذجي للفشل في وصلات النحاس-النيكل الملحومة بشكلٍ صحيح.

الوقاية:

• تحديد المواصفات ERCuNi (AWS A5.7) كمعدن حشو لجميع لحامات أنابيب النحاس-النيكل المستخدمة في بيئات مياه البحر. ويجب إدراج تصنيف AWS في إجراءات لحام الإنتاج (WPS).

• في اللحامات الحرجة، تحقَّق من شهادة معدن الحشو للتأكد من أن محتوى التيتانيوم يقع ضمن النطاق ٠,٢٠–٠,٥٠٪.

• لا تُستبدَل أسماء ERNiCu-7 أو ERNi-1 ما لم يسمح إجراء لحام الإنتاج (WPS) صراحةً باستخدامها في تكوين وصلة معين.

• احفظ سلك الحشو في عبوته الأصلية واحمِه من التلوث الجوي. فسلك الحشو من سبيكة النحاس-النيكل عُرضةٌ لامتصاص الرطوبة، مما يسهم في ظهور المسامية.

الخطأ الرابع: إهمال تنظيف السطح قبل اللحام وإزالة طبقة التلوّن الحراري بعد اللحام

تتأثر سبيكة النحاس-النيكل تأثُّرًا بالغًا بالتلوث السطحي. فالزيوت والشحوم والرطوبة وأغشية الأكسيد الموجودة على الأسطح المتلامسة أو على سلك الحشو تنتقل مباشرةً إلى بركة اللحام، مُولِّدةً مساميةً وشوائبَ تشكِّل مواقعَ بدء التآكل.

وبشكلٍ أكثر خطورةً، فإن تلوّن حراري الطبقة التي تتكون على سطح اللحام والمنطقة المجاورة له بعد عملية اللحام ليست مجرد عيب تجميلي. بل هي طبقة أكسيد تختلف كيميائيًّا عن الغشاء الواقي الذي تشكِّله السبيكة تلقائيًّا أثناء التشغيل. وللمنطقة المتأثرة بالحرارة جهد كهروكيميائي مختلف عن المعدن الأساسي النظيف، وبالتالي فهي تتآكل بشكل أولي في مياه البحر.

وتؤكِّد تحليلات فشل المرفقين الملحومين من سبيكة النحاس-نيكل B10 هذه الحقيقة: فالمناطق القريبة من خط اللحام في المرفق — حيث يبرز التدعيم اللحمي داخل مسار التدفق، وفيها تكون ظاهرة التلوُّن الحراري أكثر احتمالًا — تُصنَّف مناطق حرجة عُرضة للتآكل الناتج عن التآكل الميكانيكي. .

الوقاية:

• نظِّف منطقة الوصل — أي سطح المجرى والـ ٢٠ مم على كل جانب — باستخدام وسيلة كاشطة ميكانيكية (مثل قماش سكوتش-برايت أو فرشاة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ)، ثم امسحها بمذيب مثل الأسيتون أو الإيزوبروبانول. وافعل ذلك مباشرةً قبل اللحام، وليس قبل ساعات من بدء العملية.

• اقصِّ طرف سلك الحشو قبل الاستخدام لتفادي نقل الشوائب المؤكسدة إلى الجذر. .

• وبعد إتمام اللحام، أزل جميع آثار التلوُّن الحراري من غطاء اللحام ومنطقة التأثير الحراري باستخدام معجون إزالة الأكاسيد أو التنظيف الكهربائي أو الطرق الميكانيكية المعتمدة للنحاس-النيكل. لا تترك طبقة التلوّن الناتجة عن الحرارة في مكانها وافترض أنها ستكتسب مقاومة للتآكل تلقائيًّا أثناء التشغيل؛ فلن يحدث ذلك.

• لأجزاء أنابيب الداخلية، تأكَّد من أن سطح الجذر يظهر بلون معدني لامع (وليس أسودًا أو أزرق)، بعد عملية التخلّص من الهواء. وإذا كان سطح الجذر ملوَّنًا، فإن هذا الوصل غير مقبول للاستخدام في بيئات المياه البحرية.

الخطأ الخامس: اعتماد إجراء لحام غير مؤهل أو غياب الفحص بعد اللحام

إن لحام النحاس-النيكل لا يخضع لنفس قوالب إجراءات اللحام العامة المستخدمة في الفولاذ الكربوني أو الفولاذ المقاوم للصدأ. بل يتطلّب هذا السبيكة تأهيل إجراء لحام خاص يُراعي خصائصها الفريدة: التوصيل الحراري العالي (الذي يؤثر في متطلبات إدخال الحرارة)، والقابلية العالية للتشقق الساخن الناتج عن الشوائب المنخفضة درجة الانصهار، والتشقق الناتج عن انخفاض المطاوعة ضمن مدى درجات الحرارة من ١٤٧٠ إلى ٢٠١٠ فهرنهايت. .

لا يُؤهِّل إجراء لحام مكتوب (WPS) طوّر لسبيكة النحاس-النيكل بنسبة ٩٠/١٠ على نطاق سماكة واحدة أو في وضع لحام واحد تلقائيًّا لتطبيقه على نطاق سماكة آخر أو وضع لحام آخر. فمحتوى النيكل ومحتوى الحديد ومحتوى التيتانيوم في معدن الحشو يؤثّر كلّها في قابلية التصدّع، كما أن معاملات اللحام المناسبة لسبيكة ٩٠/١٠ قد لا تكون مناسبةً لسبيكة ٧٠/٣٠.

ولا تظهر عواقب عدم كفاية الأهلية بشكلٍ فوري. فقد تمرّ الوصلات الملحومة بفحص بصري وحتى باختبار الأشعة السينية، ومع ذلك تحتوي على عيوب كامنة — مثل انعدام الاختراق الكامل عند الجذر، أو غياب الانصهار عند جدران المفصل، أو التشقق المجهرية في المنطقة المتأثرة حراريًّا (HAZ) — والتي لا تظهر إلا على شكل تسريبات بعد أشهر من التعرّض لمياه البحر. وقد وجدت إحدى الدراسات الاستقصائية أن التسريبات في وصلات أنابيب النحاس-النيكل كانت ناجمة عن انعدام الاختراق الكامل عند الجذر، ما أنشأ حفرةً عملت كمُركّز للإجهاد وموقع لبدء التشقق التعبوي.

الوقاية:

• أَؤهِّل إجراء لحام مكتوب (WPS) وفقًا لـ القسم IX من ASME أو وفق المعيار المشروع المعمول به، وذلك باستخدام عيّنات اختبار تطابق سماكة الإنتاج وتكوين المفصل.

• تأهيل اللحامين خصوصًا للنحاس-النيكل. اللحام المعتمد للصلب المقاوم للصدأ أو الصلب الكربوني لا يُعتبر مؤهلًا تلقائيًّا للنحاس-النيكل.

• يؤدي فحص إشعاعي بنسبة ١٠٠٪ (RT) على جميع لحامات التماس في التطبيقات التي تستخدم ماء البحر. وللمفاصل الحرجة، يُكمَّل الفحص الإشعاعي بـ اختبار التخلل الصبغي (PT) فحص بصري من جانب الجذر قبل إنجاز الطبقة السطحية.

• للأنابيب الملحومة، يُجرى فحص بصري من جانب الجذر بعد عملية التفريغ — إما باستخدام المنظار البصري أو بالرؤية المباشرة حيثما تسمح إمكانية الوصول. ويُرفض الجذر الملون بلون غير طبيعي.

• تضمين اختبار فerroxyl أو اختبار مكافئ للتحقق من مقاومة التآكل على عينة لحام من كل دفعة إنتاج، وبخاصة في المشاريع التي يكون فيها خطر تآكل منطقة التأثير الحراري (HAZ) مرتفعًا.

قائمة مرجعية عملية للحام

المعلومات الرئيسية

منطقة التأثير الحراري هي نقطة ضعفك. يجب اتخاذ كل قرار لحام — مثل مقدار الحرارة المُدخلة، ودرجة حرارة ما بين المرات، وسلك الحشو — بهدف تقليل تدهور منطقة التأثير الحراري. وتتميَّز هذه المنطقة بأدنى مقاومة للتآكل بين المناطق الثلاث بسبب تكبير حبيبات البلورات الناجم عن حرارة اللحام.

التفريغ من الجهة الخلفية إلزاميٌّ لا جدال فيه. الجذر المؤكسد هو موقع تآكلٍ على وشك الفشل. راقب مستويات الأكسجين بدقة. ولا تعتمد على التقدير.

سلك الحشو القياسي هو ERCuNi وليس ERNiCu-7. التيتانيوم الموجود في سلك الحشو ERCuNi له سببٌ وجيهٌ. استخدمه.

يجب إزالة طبقة التلوّن الحراري. هذا ليس لأغراض تجميلية. بل هو مادة مختلفة لها سلوك مختلف تجاه التآكل.

اعتماد إجراءات مؤهلة خصيصًا للنحاس-النيكل. قوالب إجراءات اللحام العامة لن تُعطي نتائج موثوقة. فمادة النحاس-النيكل لها آليات تشقق خاصة بها، وسلوك حراري خاص بها، ومتطلبات خاصة بمعادن الحشو.