إن سفن الضغط عناصر حاسمة في مجموعة واسعة من العمليات الصناعية، بما في ذلك تجهيز المواد الكيميائية، وتكرير النفط والغاز، وتوليد الطاقة، والتطبيقات الفضائية الجوية، وهذه الحاويات مصممة لحمل الغازات أو السوائل على ضغوط تختلف اختلافا كبيرا عن الضغط المحيطي، وسلامتها الهيكلية غير قابلة للتفاوض على السلامة التشغيلية، ومن بين أكثر التهديدات غموضا التي تهدد بضغط طول السفينة هو الاختراق المفاجئ للهيدروجين.

ما هو التعقب المُنتج للهيدروجين؟

إن التشقق الناجم عن الهيدروجين هو شكل من أشكال التدهور المادي حيث يخترق الهيدروجين الذريع الهيكل الجزئي للمعادن، مما يؤدي إلى بدء وتشجير الشقوق، خلافاً للزئبق الميكانيكي أو الفشل المفرط في الحمولة، فإن المادة الهيدروجينية غالباً ما تحدث في ظروف التشغيل العادية دون علامات إنذار واضحة، وتتطور هذه العملية عادة عندما تولد ذرات الهيدروجين على سطح المعدن من خلال ردود فعل التآكل أو الضغط العالي

The Science Behind Hydrogen Embrittlement

إن خلط الهيدروجين هو الآلية الأساسية التي تدفع إلى التشقق بفعل الهيدروجين، وهو ينطوي على تفاعل معقد بين انتشار الهيدروجين، والهياكل الدقيقة المادية، وميادين الإجهاد، ومن الضروري، من أجل إدراك كيف تتطور هذه العملية في سفن الضغط، دراسة الخطوات من دخول الهيدروجين إلى تكسير التكوين بمزيد من التفصيل.

مصادر الهيدروجين في ممر الضغط

ويمكن أن تدخل الهيدروجينات في نظام للضغط عبر مسارات متعددة، وفي كثير من البيئات الصناعية، تشكل ردود الفعل التآكل مصدراً رئيسياً، فعلى سبيل المثال، يؤدي التعرض ل سلفيد الهيدروجين الرطب في خدمة الغاز الصخري إلى توليد الهيدروجين الذرّي كمنتج ثانوي لعملية التآكل، وبالمثل، فإن الهجوم الهيدروجيني العالي التمرّب في وحدات التجهيز الهيدروجين يُحدث الهيدروجين مباشرة من غاز العمليات.

  • ردود الفعل الكيميائيـة الإلكترونية من نظم حماية الطرود العاملة بإمكانات مفرطة
  • عمليات اللحام، خاصة إذا كان الرطوبة موجودة في المعاطف الكهربائية أو الغازات الدامية
  • عمليات التنظيف المتعمد أثناء الصيانة التي تولد الهيدروجين على سطح المعدن
  • دفقة من خلال الجدار من مسارات العمليات المحتوية على الهيدروجين عند درجات الحرارة المرتفعة والضغوط

ويعد تحديد مصدر الهيدروجين خطوة أولى حاسمة في تشخيص المخاطر المحتملة للتصنيف الهيدروغرافي واختيار تدابير التخفيف الملائمة.

آليات التشخيص والتعقب

وتُنشر في الغلاف الجوي بعد التدرجات الحرارية، وتُنتج هذه المواد من أقل المناطق نمواً إلى مناطق متعددة من حيث المساحة، وتُحدث هذه المواد من حيث الحجم الجزيئية إلى مناطق متناهية الصغر (وتكون هذه المواد من أقلها هيدروجينات مائية) وتُحدث فيها الجسيمات المتراكمة بسرعة نسبياً حتى في درجات الحرارة المحيطة، غير أن السمات المصغرة للتوترات مثل الحدود القصوى للضغط.

بدء العمل بالطرق البرية

إن عملية بدء التصدع في مركز التصحاح الصناعي العالي هي عادة عملية داخلية لا تحركها سطحيا، وتبدأ الرفوف في مواقع الإدراج أو غيرها من حالات التوقف المميت حيث تتراكم الهيدروجينات، وتعتمد المواد المحيطة بالضغط على الصعيد المحلي، وتنتج نماذج الكسر السطحي المتناهيج، وتنشأ هذه المادة عندما تكون الوصلات المتاخمة للثبات الدقيقة متصلة في كثير من الأحيان بضغط مكثف.

أنواع الأضرار الناجمة عن الهيدروجين في مضبوطات الضغط

وتتجلى الأضرار الناجمة عن الهيدروجين في عدة أشكال متمايزة، كل منها لديه آلياته الخاصة ومثوله، وفي حين أن التشقق الذي يسببه الهيدروجين هو أحد أكثر الأساليب شيوعا، فإن أساليب الضرر الأخرى ذات الصلة يمكن أن تؤثر أيضا على سفن الضغط ويجب فهمها لإجراء تقييم شامل للنزاهة.

التعقب المستخرج من الهيدروجين

كما أن المادة الكيميائية الثانوية، التي يشار إليها أيضاً بكسر الطوابق، تحدث في المقام الأول في فولاذ الكربون المنخفض السلسلة المعرضة لبيئة H2S الرطبة، وتتجه الشقوق عادة نحو الاتجاه المتجدد للطبق وتدفعها الهيدروجين في الشمول الممتد، ويمكن أن تحدث هذه المادة دون ضغط مطبق كبير، حيث أن الضغط الداخلي من الهيدروجين الجزيئي يكفي لبدء عمليات تفتيش مرئية واسعة النطاق.

التعقب المحفز للهيدروجين المصممة بالإجهاد

فشركة سوهاتش هي عبارة عن متغير للهايكل حيث تروج الشقوق للضغط على الإجهاد المطبق أو الإجهاد المتبقي، وبدلا من تتبع الطائرة المتداولة حصرا، يمكن أن تربط الشقوق التي تعمل على صغرها بالكمبيوتر الهوائي معا في كومة عمودية، مما يؤدي إلى شق طريق من خلال الجدران، ويرتبط نمط الضرر هذا بمستويات ضغط أعلى وقابلية أكبر للكسر في المطاطس.

Hydrogen Blistering

وفي بعض الحالات، يمكن أن ينتج تراكم الهيدروجين في مواقع الإدراج القريبة من السطح خلايا مرئية على جدار السفينة، وهذه البثورات تشكل عندما يُحدِث ضغط الهيدروجين المحاصر المستخرج من المعدن، مما يخلق ضربة على شكل القبة، وفي حين أن التزييف نفسه قد لا يُعرّض للخطر سلامة السفن، فإنه يشير إلى أن الهيدروجين يُنشر بنشاط في الفولاذ وأن التشقق تحت سطح الأرض قد يحدث أيضا.

هجوم الهيدروجين العالي التألق

وفي درجات حرارة مرتفعة - تتجاوز 200 درجة مئوية - يمكن أن ترد على الهرولة في البنية الدقيقة الفولاذية، مما يتسبب في حرق الغاز الميثان، كما أن جزيئات الميثان كبيرة جداً إلى حد بعيد بحيث تُنشر من المعدن، مما يؤدي إلى تلف داخلي وتخييط على طول الحدود القصوى، ويحد من قوة المواد وقابلية الحركة، وهو ما لا يُحتمل أن يُحدث في كثير من حالات التشهير السطحي.

العوامل المؤثرة في تعقب الهيدروجين

وتتوقف إمكانية تعرض سفينة ضغط للكسر الناجم عن الهيدروجين على التفاعل المعقد بين العوامل المادية والبيئية والتشغيلية، ويتيح فهم هذه المتغيرات للمهندسين تقييم المخاطر بدقة وتنفيذ استراتيجيات وقائية محددة الهدف.

تركيب المواد والهياكل الدقيقة

ويؤدي كيميائي الفولاذ دوراً مهيمناً في مقاومة التحلل العالي التحلل، حيث إن انخفاض مستويات الكبريت والفوسفور مفيد، حيث أن هذه العناصر تشكل مواد من الكبريت والأكسيدات التي تستخدم كمواقع لمسح الهيدروجين، كما أن التحكم في شكل الإدراجات من خلال المعالجة بالجملة أو الإضافات الأرضية النادرة يزيد من إمكانية التعرض للارتداد، كما أن البنية الدقيقة تُعدّ مقاومة متحركة للخصّصّب.

تركيز الهيدروجين والضغط الجزئي

وتؤثر كمية الهيدروجين المتاحة للانتشار في الفولاذ تأثيرا مباشرا على شدة التشقق، وفي بيئات الهيدروجين الغازية، يتبع تركيز الهيدروجين الذري على سطح المعادن قانون سيفيرتس، الذي يتصل بالخصوبة الهيدروجينية للجذر المربع للضغط الجزئي للهيدروجين، حيث تؤدي الضغوط الجزئية العالية إلى زيادة توليد الهيدروجين في بيئات H2S الرطبة، فإن رد الفعل التآكلي يوفر ضغطا مستمرا على الهيدروجين.

الإجهاد المطبَّق والمتكرر

الضغط على الكبريت هو المحرك الرئيسي لشق الهيدروجين، فالضغط العالي على ارتفاع معدل انتشار الهيدروجين، وزيادة القوة المحركة لتشبيك الشقوق، وتخفيض تركيز الهيدروجين الحرج اللازم لاستهلال الشقوق، وكلتاهما طبقتا ضغوطاً من الضغط الداخلي والإجهادات المتبقية من الإلحام أو التكوين أو المعالجة الحرارية تسهم في حالة الإجهاد العام، والمفاصل المحصول محصول معرضة بشكل خاص لأنها تجمع بين ضغوط عالية على التصريف مع تغييرات في البنية التحتية الصغرى تزيد من القدرة على الهيدروجين.

الآثار المزمنة

ويؤثر التدرج على معدلات انتشار الهيدروجين، والارتفاع في السائل، وارتقاء الأقرباء، وارتفاع درجة حرارة التكتل الهيدروجيني، وارتفاع درجة الحرارة (بدون 50 درجة مئوية)، وبطء انتشار الهيدروجين، ولكن الهيدروجين المحاصر يمكن أن يسبب التشقق تحت ضغط مستمر، وعادة ما تحدث أعلى درجة من المخاطر بالنسبة للبيوتر الهيدروجينية في الفولاذ الكربوني في حدود 20 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية، حيث ترتفع معدلات التآكل ومتوسطة ومتوسطة.

الظروف البيئية

كما أن كيميائي البيئة الداخلية يؤثر تأثيراً كبيراً على معدلات شحن الهيدروجين، وفي النظم الكهرمائية، يمثل الهيدروجين عاملاً حاسماً: إذ تزيد الظروف الحمضية معدلات التآكل وتوليد الهيدروجين، كما أن وجود سموم الديوكسينات مثل الكبريتيد أو السيانيد أو مركبات الزرنيخ يمكن أن يعجل بدخول الهيدروجين عن طريق إعاقة إعادة تركيب الهيدروجين الذروي في غاز ثاني أكسيد الكربون مما يزيد من حدة الإجهاد.

المواد القابلة للاشتعال وامتيازاتها

ولا تستجيب جميع المواد للهيدروجين بنفس الطريقة، فالكربون والفولاذ ذو الطوابق المنخفضة - وهو أفرع العمل من بناء السفن الضغطية - هي أكثر المواد دراسة وأكثرها تعرضاً للإصابة بالهيدروكسي في ظروف معينة، كما أن الفولاذ العالي الوطأة الذي يزيد عن ٥٥٠ من الفولاذ )٨٠ كسي( معرض بشكل خاص لأن ارتفاع قدرتهم على مقاومة تقلبات المنتجات يجعلها أكثر حساسية من الهيدروجين.

فكل ما يُستخدم من الفولاذات غير المحتوية على الصمامات، هو أن جميع المواد الصلبة غير الثابتة (السلسلة 300) ذات قدرة عالية على الصمود والوزن المنخفض، مما يجعلها أكثر مقاومة للمرض الشديد في درجات الحرارة المتوسطة، ولكن يمكن أن تكون قابلة للاختزال بالهيدروجينات بضغوط عالية الخلق أو عندما تكون ذات قدرة عالية على الصنع().

تقنيات كشف ورصد

ويتطلب الكشف عن التصدع المسبب للهيدروجين قبل أن يؤدي إلى الفشل مزيجا من أساليب الامتحانات غير المدمرة وتكنولوجيات الرصد المستمرة، لأن مركز معلومات الصحة كثيرا ما يبادر إلى العمل داخليا ويمكن أن يكون غير مرئي على السطح الخارجي، فالاعتماد على التفتيش البصري وحده غير كاف.

أساليب الاختبار غير التدميرية

والاختبارات الفوق الصوتية هي أكثر التقنيات استخداماً لكشف التهاب الكبد الوبائي في سفن الضغط، وباستخدام موجة الرف أو أجهزة الضبط التدريجي، يمكن للمفتشين أن يحددوا سمات التفكيك الداخلي التي تتسم بها أجهزة التفكيك ذات الترددات العالية، غير أن التمييز بين أجهزة التفكيك ذات السمة الداخلية يتطلب خبرة ومعايرة دقيقة.

أجهزة رصد الهيدروجين

ويُعد الرصد الاستباقي للدخل الهيدروجيني إنذارا مبكرا بالظروف التي يمكن أن تؤدي إلى التشقق، إذ تشير أجهزة استشعار التدفق الهيدروجيني، مثل أجهزة الاستشعار الكهروكيميائي أو أجهزة الاستشعار الحرارية، إلى قياس المعدل الذي تنتشر فيه الهيدروجين عبر الجدار، وتشير الزيادة في تدفق الهيدروجين إلى أن البيئة الداخلية ترسم الصلب بصورة أكثر عدائية، مما يتيح للمشغلين تكييف ظروف التركيز الخارجية قبل إلحاق الضرر بالجدار(ج).

استراتيجيات الوقاية والتخفيف

ويتطلب منع التصدع الناجم عن الهيدروجين نهجاً منهجياً يعالج اختيار المواد وتصميمها وتصنيعها وتشغيلها وصيانتها، ولا يكفي أي تدبير مضاد واحد؛ وتعتمد الحماية الفعالة على مستويات متعددة من الدفاع.

اختيار المواد ومعالجة المواد الخطرة

أما المواد التي تُختار بمقاومة ثابتة للمرض الحلقي السداسي في بيئة الخدمات المقصودة فهي أهم خطوة وقائية، وبالنسبة لسفن الضغط على الفولاذ الكربوني في خدمة الصوف، تحدد الفولاذ المقاومة للبيوتادايين السداسيين بمحتوى الكبريت الخاضعة للرقابة (أي أقل من 0.002 في المائة)، ومراقبة شكل الإدراج، والحد من القدرة على التحمل بدرجة كبيرة، وتُنتج عن ذلك تكييف أو تخفيف الضغطات الحرارية المخففة.

التكتل الواقية والمزلاجات

وتخلق عمليات التصفيق أو التصفيق الداخلية حاجزاً يحد من دخول الهيدروجين إلى سطح الصلب، وتصبح المعاطف النثرية فعالة في خدمة منخفضة الحرارة حيث تظل غير سليمة ومجانية من العطلات، وفي بيئات عالية الحرارة أو ملتوية، تؤدي عمليات التنظيف بالفلفلفلفل من الصلب غير المحتوي على بصمامات، إلى زيادة الحماية القوية.

المراقبة البيئية

إن إدارة البيئة الداخلية للتقليل من توليد الهيدروجين هو نهج التخفيف المباشر، ففي خدمة H2S الرطبة، يؤدي الحفاظ على الهيدروجين فوق السادسة من خلال الحقن الكيميائي أو مراقبة العمليات إلى خفض معدلات التآكل وشحن الهيدروجين، كما أن إزالة السم الكاسيدي مثل السيانيد أو الزرنيخ من النظام يحد من دخول الهيدروجين، وفي وحدات التجهيز الهيدروجيني، فإن التحكم في الضغط الجزئي ودرجات الحرارة في حدود التصميم يحول دون نشوء ظروف من شأنها حماية الهيدروجين الضارة العالية.

التصميم والممارسات التشغيلية

إن تصميم سفن الضغط لتقليل تركيزات الإجهاد إلى أدنى حد يقلل من قوة الدافعة لتصدع الهيدروجين، إذ أن مواقد التكتل والتحول التدريجي والأشعة السخية في الأنف والضغوط الأقل تلويثاً، كما أن الحد من دورات الضغط التشغيلي وتجنب التحولات الحرارية السريعة يمكن أن يقلل من الحملات الدهنية التي يمكن أن تعجل النمو في الشقوق، وبالنسبة للسفن القائمة، فإن التدابير التنفيذية مثل الحد من الضغط أو درجة الحرارة أثناء الظروف المضطربة قد تقلل من معدلاً من معدلاً

التفتيش والصيانة

ومن الضروري إجراء عمليات تفتيش منتظمة باستخدام أساليب ملائمة في مجال الإدارة الوطنية لشؤون الطاقة لكشف حالة التصحُّر قبل أن يُعرِّض للخطر السلامة، وينبغي أن يستند تواتر ونطاق عمليات التفتيش إلى تقييم للمخاطر يُعتبر شدة الهيدروجين، وقابلية المواد للتحليل، وتاريخ الخدمة، وعندما يُكتشف أنَّ هذا التصنيف، فإنَّ تقييمات اللياقة مقابل الخدمة لكل نظام من المواد الكيميائية الموحَّدة 1-579-1/الموسم المصغرة المتوسطة الأجل يمكن أن تحدد ما إذا كان يمكن أن تستمرَّة في التشغيل مع الضرر، وما هي تدابير الإصلاح أو تدابير الإصلاح أو التخفيف اللازمة.

معايير الصناعة وأفضل الممارسات

وتُقدم عدة معايير صناعية إرشادات لإدارة مخاطر التصدعات الناجمة عن الهيدروجين في سفن الضغط، كما ينشر المعهد الأمريكي للبترول 571 من نظام API RP 571، الذي يصف آليات الضرر التي تؤثر على المعدات الثابتة، بما في ذلك HIC، و SOHIC، وHTHA.NACE MR0175/ISO 15156، ويضع معايير لاختيار المواد لبيئة الخدمة الحامضة.

خاتمة

فعملية التشقق التي تقوم بها الهيدروجين لا تزال تشكل أحد أخطر التهديدات التي تتعرض لها سلامة السفن في الصناعات التي تعالج البيئات الغنية بالهيدروجين، وآلية الفشل هي آلية فرعية، وغالبا ما تكون متطورة داخليا دون إنذار واضح، ومع ذلك فإن نتائج عملية التصدع عبر الجدران يمكن أن تكون كارثية، وفهم دقيق للكيفية دخول الهيدروجين إلى صلب الهيكل الصغير، وتراكم المواد في مواقع داخلية لضبط الضغط