קורוזיות מאמצים וקורוזיות גימום בתעשייה
מאת: ד"ר דוד סטרוסביצקי
פורסם בירחון מכונות וגלים, ינואר 93
במאמר העוסק ב"חקירת כישלונות מכניים ככלי לשיפור האחזקה והתפעול" הצגנו את הקונספציה של חקר כשל. באופן מיוחד הדגשנו את הבעיה של הקושי בזיהוי-חד משמעי של גורם הכשל והצורך במיומנות מיוחדת לקביעתו. במאמר שלפנינו נעסוק באחד המנגנונים הקטלניים הפוגעים במכונות ובציוד - השיתוך (הקורוזיה).
רקע
שיתוך הינה אחת מהבעיות השכיחות והכואבות ביותר של כל הארצות המתועשות.
מיליארדי דולרים אובדים כתוצאה מנזקי שיתוך ברחבי העולם. לא נלאה בסטטיסטיקה המתארת את היקף הנזקים לתעשייה, אך עם זאת נזכיר כי האיגוד הלאומי למהנדסי קורוזיה בארה"ב (NACE) פרסם לאחרונה (1992) כי הפסדים הנגרמים למשק האמריקאי בגין נזקי שיתוך הם בהיקף של כ- 3.5% מהתל"ג. הנזקים עלו על 220 מיליארד דולר בארה"ב. האיגוד הסביר את הקף הנזקים בכך שלא מדובר רק בנזקים ישירים למערכות שהותקפו בשיתוך, אלא כוללות גם נזקים תוצאתיים, אבדן רווחים, אבדן ימי עבודה, נזקים אקלוגיים וכיו"ב. למעשה, בטיפול טכנולוגי נכון ניתן היה לחסוך לפחות כ- 33 מיליארד דולר (15%) מנזקים אלו.
קורוזיה מהי
לא נוכל במאמר זה לכסות את תופעות השיתוך בכל סוגי המתכות והאל-מתכות ולכן נתמקד בחומרים ברזליים הנפוצים ביותר בתעשייה ובכלל זה פלב"מ (פלדה בלתי מחלידה). אם כי המופע, בכל הקשור למתכות ברזליות, מוכר למדי, הרי שתהליך השיתוך עצמו הינו תהליך מורכב מבחינה כימית ומטלורגית ותלוי בתנאי הסביבה כמו טמפרטורה, למשל. מורכבות זו גרמה לכך שהעוסקים בתחום השיתוך הגדירו מנגנוני כשל משניים שהגורם להם מובהק ביחס להגדרה הכללית. הסטטיסטיקה המתייחסת למיון משני זה קובעת שכ- 25% עד 40% מהכישלונות בשיתוך מתרחשים במנגנון שיתוך-מאמצים (Stress Corrosion Cracking), עוד 10% מתרחשות במנגנון שיתוך-גימום (Pitting Corrosion) והשאר מתרחשים במנגנוני שיתוך אחרים.
שיתוך גימום
זוהי התקפה מקומית על פני השטח המאופיינת ע"י גומות חצי כדוריות שקוטרן עולה על עומקן. בתחתיתה של כל גומה כזו מתרחש תהליך פעיל של קורוזיה אשר מעמיק את הגומה עד אשר בנסיבות מסוימות נוצרים פילוח וחדירה דרך כל עובי החתך של הפריט המותקף.
שיתוך מאמצים
זהו תהליך המשלב השפעה של מאמצים מכניים גבוהים וסביבה משתכת כלפי המתכת. בשונה משיתוך גימום, מנגנון זה יכול להתפתח הן על מתכת במצב פסיבי, כמו פלב"מ, והן בתמיסה ניטרלית. עם זאת, שיתוך מאמצים הוא מופע המחייב תנאי סביבה וטמפרטורה ייחודיים בהשוואה לשיתוך גימום אשר מתפתח בתנאים כלליים יותר.
הסכנה במנגנוני שיתוך אלה הוא הקצב המהיר של חדירת הגומות או התקדמות הסדק - במקרים מסוימים נמדד קצב התקדמות העולה על 10 מ"מ לשעה, אשר נסתיים בנקבים בדופן המערכת או המתקן. כמובן, תופעה זו מסוכנת במיוחד לצנרת ולציוד בעלי אופי דופן דקה, אך גם ציוד בעל דופן עבה עלול להיפגע.
ייחודיותם של מנגנונים אלא בכך שקשה מאוד לאתר פגמים הנוצרים כתוצאה מהם בבדיקה חזותית בשלבי ההיווצרות הראשוניים. יתירה מזו, עם היווצרותם קצב התפתחותם והתקדמותם כה מהיר - מסדר גודל של ימים ולעיתים אף שעות - עד כי לא ניתן לעצור את התהליך. במקרים רבים, איזור הסידוק מכוסה לעיתים במשקעים המסתירים את הסידוק ומונעים זיהוי חזותי של התופעה ולעיתים התפתחות תחמוצת באזור הסידוק מסתירה את הסידוק גם מאמצעי גילוי בשיטות לא הורסות. למשל, בשיטה האולטרסונית – כאשר השטח הנבדק גדול מאוד נוצרות שתי בעיות: הראשונה - סריקה מדגמית עלולה להחמיץ נקודות בהם השטח המכיל גימום וסידוק והשנייה - הקושי בעיבוד אותות המתקבלים מאזורי גימום, עקב העדר בסיס נתונים מתאים. לצורך מדידה מדויקת של גאומטריית הגימום או הסידוק בשיטה האולטרסונית, לא יועילו - לא הכנה מדוקדקת של הדגם ולא מתנד בעל דיוק גבוה. במילים אחרות, לאחר שנוצר מוקד הגימום או מקור הסידוק קשה מאוד לגלותם או לנקוט באמצעי מניעה כלשהם.
בנסיבות אלו הדרך היחידה למנוע תופעות אלו היא ע"י בחירת חומרים מתאימים כבר בשלב התכנון של המערכת או המכונה.
במבט ראשון נראות מסקנות אלו מגוחכות למדי - נושא השיתוך ככלל ונושא שיתוך-גימום ושיתוך-מאמצים בפרט נחקרים זה כ- 100 שנה, אלפי מאמרים ומחקרים נכתבו בנושא ובכל זאת מניעת נזקים במאמצים טכנולוגיים איננה אפשרית, הכיצד?
ובכן, כאמור, זהו מבט ראשון בלבד ומבט שטחי. בפועל, למרות עבודות המחקר הרבות שנערכו בתחום, עדיין רב הנסתר על הנגלה באשר למנגנוני השיתוך והתהליכים המעורבים בהתהוותה בתנאי סביבה משתכים ובתנאים המתפתחים ע"י השיתוך עצמו.
אי-הבהירות נובעת בעיקר מההתפתחות הטכנולוגית – מצד אחד, נדרשים מוצרים ומכונות לתנאי סביבה חדשים אשר תנאי השיתוך בהם טרם נחקרו דיים ומצד שני תנאי הסביבה עצמם הופכים קיצוניים יותר (טמפרטורה גבוהה, לחות, גזים וכיו"ב) יותר.
נדגים את האמור לעיל באירוע נזק שהתרחש במפעל כימי בבריה"מ לשעבר. במפעל ייצרו חומר בשם מלאנין אנהידריד ובכור שבו יוצר החומר ארע נזק במחליף חום המיוצר מפלב"מ מסוג 18Cr10Ni במנגנון שיתוך-גימום. הגימום התהווה על צינורות המתקן עד כדי ניקובם. התופעה הייתה משונה מכיוון שהשיתוך התהווה בתנאי סביבה בלתי מקובלים לשיתוך - סביבה גזית, טמפרטורה של 350°C, בהעדר מים ובהעדר יסודות תוקפניים.
על מנת לאפיין את הגורם לשיתוך היה צריך לאתר את מקור המים ומקור היונים אשר גרמו לגימום. סריקה במערכת גילתה בחומר המשמש כמאיץ-הכימי (קטליסט) עקבות של יוני כלור (Cl) ומים אשר נספגו בשלב ההכנה של חומר הגלם. הצטברות המים התמקדה במשטחי המגע בין חלקיקי חומר המאיץ והדופן הפנימית של הצינורות. נוכחות יוני כלור נבעה מתגובה חלקית בשלב סילוק הכלורידים באמצעות חימום והיא גרמה עם עליית הטמפרטורה בתחום שבין 100°C ל- 200°C להתהוות שיתוך-גימום.
חשוב לציין שבשלב ההרצה של ניסויי ההיתכנות של הפרויקט (PILOT) לייצור החומר לא זוהתה תופעת גימום-שיתוך בצנרת מכיוון שהמאיץ הוכן בכמויות קטנות ובאופן זהיר ביותר, כך שהיה נקי ממים או יוני-כלור. מאידך, מאחר ובשלב הייצור, לא נערכה מדידה של ריכוז הכלור בתהליך, לא אותרה הבעיה במועד.
דוגמא נוספת לכשלון רחב היקף במנגנון שיתוך הינו נזק שהתרחש במפעל לייצור "דיפנלולפרופן" מייד עם הפעלתו. המפעל, המהווה אחד הגדולים מסוגו באירופה, שבת שלושה ימים לאחר הפעלתו. מוקד הנזק נמצא באזור שבין משפך הזנת החומר וצנרת ההנקה למכונה וכתוצאה מכך יותר מ- 5 קילומטר (!!!) של צנרת פלב"מ 316, ציוד עיבוד העשוי מבפלב"מ 304 ו- 316, מיכלי פנול וכיו"ב ניזוקו. מנגנון הנזק במקרה זה נקבע כשיתוך-מאמצים גבוהים לאורך תפרי הריתוך של החלקים השונים.
מסקנת הבדיקה הייתה, אם כן, כי תכנון בלתי מושלם גרם להתהוות תנאי תפעול חריגים מול חומר הגלם, מכיוון שהמתכננים אמנם בחרו בפלב"מ אשר אינו רגיש לפנול, אך הם לא לקחו בחשבון סביבה המכילה יוני כלור. בהחלט ניתן היה למנוע את התופעה באמצעות הגדרה נכונה של חומרים, או שימוש בצנרת ללא תפרים, או ביצוע ניסויי היתכנות מתאימים, או התקנת גלאי יונים לאורך המערכת.