اختيار مادة الفولاذ المقاوم للصدأ لصناعة الأغذية والمشروبات

ترتبط معظم التحديات التي تواجه استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في صناعات الألبان وغيرها من الصناعات الغذائية بالمبادلات الحرارية والمياه السطحية الطبيعية مثل مياه الآبار. مثل مصانع الجعة، تستخدم معظم الصناعات المتعلقة بالأغذية في كثير من الأحيان الوسائط الساخنة التي يتم تسخينها بالبخار أو تبريدها بالماء، والتي ترتبط بالبسترة والتعقيم، وبالتالي غالبًا ما تواجه مشاكل مثل شقوق التآكل الإجهادي. بشكل عام، لا تؤدي معالجة الأغذية إلى تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي مثل AISI304 أو 316. ومع ذلك، فإن النطاق الواسع من طرق المعالجة في هذه الصناعة يؤدي إلى العديد من حالات فشل التآكل المختلفة. مثل:

• التآكل/التآكل في المبادلات الحرارية للحليب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.
• التآكل الموحد الناجم عن حمض اللاكتيك والأحماض العضوية الأخرى عند درجة حرارة عالية.
• التآكل الميكروبي الناجم عن المياه السطحية أو مياه الآبار.
• شقوق التآكل الإجهادي، وبشكل رئيسي "شقوق الكلوريد".
• التعب التآكل الناجم عن الاهتزاز.

 

بالنسبة للمبادلات الحرارية من النوع اللوحي في صناعة الألبان، تتم معالجة مصل اللبن والحليب والمياه المعالجة من خلال المبادلات الحرارية اللوحية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 1.4401، كما هو موضح في الجدول أدناه.

منتجات	درجة حرارة المدخل، ℃	درجة حرارة المخرج، ℃	ضغط
مصل اللبن	30	10	واسطة
لبن	7	30	عالي
المياه المعالجة	57	14	قليل

 

من أجل تجنب تسرب المواد الغذائية الملوثة، يتم الحفاظ على ضغط المياه المعالجة عند أدنى مستوى ممكن. يحدث التسرب عندما تصطدم الصفائح الرقيقة ببعضها البعض عند نقطة الضغط، وهو ما يحدث بسبب تشققات الكلال في المقطع العرضي الرقيق بعد تآكل وتآكل نقطة الضغط. أظهرت الدراسة المجهرية المعدنية للقسم عدم حدوث شرخ تآكل الإجهاد. نظرًا لأن الضغط المنخفض يقع على الجانب المائي للعملية، إلى جانب تقلبات الضغط واهتزازات تدفق السوائل، يحدث التآكل/التآكل على هذا الجانب. إن طريقة تجنب الاصطدام الفيزيائي للصفائح هي تغيير الضغط وتقلب الضغط أو زيادة التباعد بين الصفائح.

 

التآكل الميكروبي الناجم عن مياه الآبار

تستخدم صناعة المواد الغذائية عادة مياه الآبار. محتوى الحديد في مياه الآبار مرتفع جدًا، مما قد ينشط البكتيريا المرتبطة بالحديد ويسبب تآكلًا شديدًا. إحدى طرق معالجة المياه الشائعة الاستخدام هي إزالة الحديد من مياه الآبار لتحسين مذاق الطعام وتجنب تآكل معدات التعبئة والتغليف والمعالجة بعد التنظيف والشطف. تحتوي المياه السطحية ومياه الآبار أيضًا على عدد من أنواع الكائنات الحية الدقيقة التي تنشط في الظروف الهوائية واللاهوائية. تعمل البكتيريا الهوائية المرتبطة بالحديد على أكسدة أيونات الحديد، بينما تعمل البكتيريا اللاهوائية المرتبطة بالحديد على تقليل أيونات الحديد. يتم تصنيف هذين التفاعلين في النهاية على أنهما تآكل ميكروبي (MIC). قد تنشط الكائنات الحية الدقيقة الأخرى أيضًا في الماء مثل البكتيريا التي تقلل حمض الكبريتيك والبكتيريا المنتجة للحمض. في نفس الغشاء الحيوي، قد تكون البكتيريا الهوائية والبكتيريا اللاهوائية (أدناه) نشطة.

عند استخدام مياه الآبار لمعالجة الخضار المعلبة (تغسل وتبرد بعد البسترة). حيث لا يتدفق الماء لفترة طويلة، فإن الأنابيب المصنعة 316L سوف تتسرب خلال ستة أشهر بسبب ارتفاع درجة حرارة الماء. مياه البئر نفسها باردة (أقل من 10 درجات مئوية)، ولكن يمكن أن ترتفع بسهولة إلى 30 درجة مئوية في الصيف إذا ظلت ثابتة في الأنبوب لفترة طويلة من الزمن. بالمقارنة مع الليجيونيلا، تتشكل الأغشية الحيوية المسببة للتآكل بمعدلات نشاط أعلى عند درجات حرارة أعلى.

 

تأليب التآكل الناجم عن التطهير والتعقيم بالكلور

يستخدم هيبوكلوريت الصوديوم بشكل شائع في تنظيف وتعقيم معدات الفولاذ المقاوم للصدأ. إذا كان تركيز هيبوكلوريت الصوديوم مرتفعًا جدًا أو كان وقت التنظيف والتطهير طويلًا جدًا، فإن هيبوكلوريت الصوديوم سوف يسبب تآكلًا خطيرًا للفولاذ المقاوم للصدأ، خاصة عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 25 درجة مئوية.

 

كسر التآكل الإجهاد

هناك خطر حدوث كسر في التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد عند درجات حرارة أعلى من 60 درجة مئوية. ومع زيادة التشوه البارد وإجهاد الشد ومحتوى الكلوريد، يزداد الخطر. بالمقارنة مع الأنابيب المشوهة على البارد دون التلدين، فإن الأنابيب الملدنة غير حساسة لكسر التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد. يعتبر الجزء الخارجي من الأنابيب الفولاذية الملحومة ذات التماس المستقيم المستخدمة في صناعة الألبان أكثر حساسية للكلوريد، وذلك بسبب ضغوط الشد في القسم الناتجة عن الانحناء أثناء عملية التصنيع. وفي تطبيقات أخرى، قد تكون المبادلات الحرارية الأنبوبية مسؤولة عن التكسير الناتج عن تآكل الكلوريد. من المرجح أن تتطور شقوق إجهاد الكلوريد على جانب واحد من القشرة إذا تجاوزت درجة الحرارة 60 درجة مئوية. إن AISI 304 و 316 حساسان لهذه المشكلة وهناك خطر حدوث كسر في التآكل الإجهادي عند استخدامها في مبخرات السكر حيث يمكن للفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد استخدامها بدلا من ذلك. لقد تم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد AISI 441 على نطاق واسع في صناعة السكر، وخاصة AISI 439. وفي الاستخدام العملي، تم تطوير اختيار الأنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 والفولاذ المقاوم للصدأ 439. 304 الفولاذ المقاوم للصدأ للأنابيب الأقصر و 439 للأنابيب الأطول.

الفولاذ المقاوم للصدأ 304: يمكن اختيار الفولاذ عندما يكون طول الأنبوب أقل من 3 أمتار. معامل التمدد الحراري 304 الفولاذ المقاوم للصدأ هو 1.8×10-2mm/m°C، وهو أكبر بكثير من الفولاذ الكربوني. عندما يكون الوعاء عند درجة حرارة عالية، يكون الضغط الحراري للأنبوب مرتفعًا. لقد تم تلدين الأنابيب الفولاذية المقاومة للصدأ AISI 304 بعد اللحام المستقيم في المصنع.

الفولاذ المقاوم للصدأ 439: ASTM439 عبارة عن فولاذ مقاوم للصدأ من الحديد المثبت بالتيتانيوم (17% ~ 19%Cr) يستخدم للمبخرات أو الملفات التي يصل طولها إلى 5 أمتار. يكون خطر الكسر الناتج عن التآكل الإجهادي أكبر عندما يكون طول الأنبوب أكثر من 7 أمتار، ويكون تركيز الكلوريد مرتفعًا، وتكون درجة التشوه البارد عالية. لا يحدث أي كسر للتآكل الإجهادي في الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد مثل AISI 439. من أجل تجنب تآكل الشقوق، إذا سمحت مقاومة التآكل والظروف الصحية، عادةً ما يستخدم الأشخاص المبادل الحراري بقشرة عبارة عن لوح فولاذي كربوني سميك والجدار الداخلي بسمك رقيق أنابيب الصلب AISI439. بهذه الطريقة، يمكن أن يوفر الفولاذ الكربوني الحماية الكاثودية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ذات الجدران الرقيقة، ويمكن أن يقلل من تكلفة التصميم والإنتاج ويطيل عمر الخدمة.