CPT – krytyczna temperatura korozji wżerowej stali nierdzewnych i stopów niklu

CPT (Critical Pitting Temperature), czyli krytyczna temperatura korozji wżerowej, jest jednym z najważniejszych parametrów stosowanych do oceny odporności stali nierdzewnych, stali duplex, superduplex oraz stopów niklu na lokalną korozję w środowiskach zawierających chlorki. Określa temperaturę, powyżej której w określonych warunkach badania możliwe jest powstawanie i stabilny rozwój wżerów korozyjnych.

CPT jest szczególnie przydatna przy porównywaniu materiałów przeznaczonych do pracy w wodzie morskiej, solankach, instalacjach chemicznych, wymiennikach ciepła, instalacjach odsalania, przemyśle offshore oraz innych środowiskach, w których jednocześnie występują chlorki i podwyższona temperatura.

W przeciwieństwie do wskaźnika PREN, który jest obliczany na podstawie składu chemicznego materiału, CPT może być określana eksperymentalnie. Dzięki temu uwzględnia nie tylko skład stopu, lecz również – zależnie od sposobu przygotowania i badania próbki – wpływ mikrostruktury, obróbki cieplnej oraz stanu powierzchni.

Co oznacza CPT?

CPT jest temperaturą związaną z przejściem od stanu, w którym warstwa pasywna materiału może skutecznie ograniczać rozwój lokalnych uszkodzeń, do warunków sprzyjających powstawaniu stabilnych wżerów. Poniżej CPT lokalne zaburzenia warstwy pasywnej mogą ulegać repasywacji. Po przekroczeniu krytycznych warunków temperaturowych prawdopodobieństwo stabilnego rozwoju wżeru gwałtownie wzrasta.

Nie oznacza to jednak, że materiał posiada jedną absolutną wartość CPT obowiązującą w każdym środowisku. Wynik zależy między innymi od:

• stężenia jonów chlorkowych,
• pH roztworu,
• potencjału elektrochemicznego,
• metody badawczej,
• czasu ekspozycji,
• stanu i chropowatości powierzchni,
• mikrostruktury materiału,
• obróbki cieplnej,
• obecności wydzieleń i wtrąceń niemetalicznych,
• spawania i stanu strefy wpływu ciepła.

Dlatego wartości CPT podawane w literaturze należy zawsze interpretować razem z metodą oraz warunkami badania.

Dlaczego wzrost temperatury zwiększa ryzyko korozji wżerowej?

Odporność stali nierdzewnej na korozję wynika przede wszystkim z obecności cienkiej, bogatej w chrom warstwy pasywnej. W środowiskach zawierających chlorki warstwa ta może zostać lokalnie uszkodzona. Wzrost temperatury przyspiesza procesy elektrochemiczne i może utrudniać skuteczną repasywację uszkodzonych obszarów.

Po utworzeniu stabilnego wżeru jego wnętrze staje się lokalnym środowiskiem znacznie bardziej agresywnym niż otaczający roztwór. Następuje koncentracja chlorków, hydroliza jonów metalu oraz lokalne obniżenie pH. Powstaje mechanizm samopodtrzymujący, dzięki któremu niewielki początkowo wżer może rozwijać się w głąb materiału.

CPT a PREN – jaka jest różnica?

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) jest wskaźnikiem służącym do wstępnego porównywania odporności różnych stali i stopów na korozję wżerową. Najczęściej stosuje się zależność:

PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

Dla niektórych stopów i opracowań stosowane są również zmodyfikowane wzory uwzględniające między innymi wolfram. PREN wynika jednak przede wszystkim ze składu chemicznego. Nie jest temperaturą ani wynikiem bezpośredniego badania odporności korozyjnej.

CPT jest natomiast parametrem wyznaczanym w określonych warunkach badawczych. Z tego powodu materiały o podobnym PREN mogą wykazywać różne wartości CPT, szczególnie gdy różnią się mikrostrukturą, sposobem wytwarzania, obróbką cieplną lub stanem powierzchni.

Jak wyznacza się CPT?

CPT można określać różnymi metodami laboratoryjnymi. Do najczęściej stosowanych należą badania zanurzeniowe oraz metody elektrochemiczne. Z tego względu przy porównywaniu danych CPT konieczne jest sprawdzenie, według jakiej procedury uzyskano wynik.

ASTM G150 – elektrochemiczne wyznaczanie CPT

ASTM G150 opisuje elektrochemiczną metodę wyznaczania krytycznej temperatury korozji wżerowej stali nierdzewnych. Próbka znajduje się w określonym elektrolicie chlorkowym i jest utrzymywana przy ustalonym potencjale, natomiast temperatura roztworu jest zwiększana w kontrolowany sposób. Rozwój stabilnej korozji wżerowej powoduje charakterystyczny wzrost gęstości prądu.

Metoda pozwala na stosunkowo precyzyjne porównywanie odporności materiałów, jednak otrzymanej temperatury nie należy traktować jako maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy materiału w dowolnej instalacji. Jest to wynik określonego, przyspieszonego badania laboratoryjnego.

ASTM G48 – badania w chlorku żelaza

Innym szeroko stosowanym sposobem oceny odporności na korozję lokalną są badania według ASTM G48. Wykorzystują one silnie agresywne środowisko chlorku żelaza(III). Poszczególne procedury normy mogą być wykorzystywane między innymi do oceny odporności na korozję wżerową i szczelinową oraz do wyznaczania temperatur krytycznych w odpowiednich procedurach badawczych.

Wyników uzyskanych według ASTM G48 i ASTM G150 nie należy automatycznie traktować jako równoważnych. Różne mechanizmy badania, środowiska oraz kryteria oceny mogą prowadzić do różnych wartości temperatury krytycznej.

Porównanie CPT dla wybranych stali nierdzewnych i stopów niklu

Wartość krytycznej temperatury korozji wżerowej CPT zależy nie tylko od gatunku materiału, ale również od zastosowanej metody badawczej, składu roztworu, przygotowania powierzchni oraz konkretnego wytopu. Z tego względu wartości uzyskanych różnymi metodami nie należy bezpośrednio ze sobą porównywać. Szczególnie istotna jest różnica pomiędzy badaniem zanurzeniowym ASTM G48 Method E w roztworze FeCl₃ a elektrochemicznym badaniem ASTM G150.

* Wartości orientacyjne lub zależne od odmiany produktu, przygotowania powierzchni i szczegółowej procedury badawczej. ** Dla Alloy 926 producent VDM podaje około 72°C w 10% roztworze FeCl₃·6H₂O; nie należy tej wartości utożsamiać bezpośrednio z wynikiem uzyskanym według ASTM G48 E. *** Dla stopów niklu klasy C-276 klasyczny wzór PREN opracowany dla stali nierdzewnych ma ograniczoną wartość porównawczą. **** W literaturze technicznej Nickel Institute dla Alloy C-276 podawana jest wartość CPT powyżej 100°C w 10% FeCl₃.

Zestawienie pokazuje wyraźną tendencję wzrostu CPT wraz ze zwiększaniem odporności materiału na korozję lokalną. Popularna stal 316L znajduje się na znacznie niższym poziomie niż stale wysokostopowe 904L, duplex 2205, superduplex 2507 oraz stale typu 6Mo. Szczególnie wysoką odporność wykazują 254 SMO, Alloy 926 oraz wysokostopowe materiały niklowe.

Jednocześnie tabela pokazuje, dlaczego podawanie wartości CPT bez określenia metody badania może prowadzić do błędnych wniosków. Dla 254 SMO typowa wartość CPT wynosi około 65°C według ASTM G48 Method E, natomiast w badaniu elektrochemicznym ASTM G150 może osiągać około 85–87°C. Nie oznacza to zmiany właściwości materiału – różnica wynika przede wszystkim z odmiennych warunków i metod badania.

CPT należy więc traktować jako parametr porównawczy odnoszący się do konkretnej procedury badawczej, a nie jako bezwzględną maksymalną temperaturę bezpiecznej eksploatacji materiału.

Wpływ chromu, molibdenu i azotu na CPT

Chrom (Cr) odpowiada przede wszystkim za zdolność stali nierdzewnej do tworzenia warstwy pasywnej. Zwiększenie zawartości chromu generalnie poprawia stabilność tej warstwy i odporność korozyjną.

Molibden (Mo) odgrywa szczególnie ważną rolę w odporności na korozję lokalną w środowiskach chlorkowych. Z tego powodu stal 316L zawierająca molibden wykazuje wyraźnie większą odporność na korozję wżerową niż 304L, natomiast stale 6Mo osiągają znacznie wyższy poziom odporności.

Azot (N) silnie zwiększa odporność na korozję wżerową i jest szczególnie istotnym składnikiem nowoczesnych stali duplex, superduplex i wysokostopowych stali austenitycznych.

Wpływ stanu powierzchni na CPT

Stan powierzchni może istotnie zmieniać wynik badania CPT. Powierzchnia po szlifowaniu, polerowaniu, trawieniu lub elektropolerowaniu może zachowywać się inaczej niż powierzchnia po walcowaniu, obróbce mechanicznej lub spawaniu.

Znaczenie mogą mieć między innymi chropowatość, zanieczyszczenia żelazem, pozostałości tlenków, zgorzelina cieplna, przebarwienia spawalnicze oraz lokalne uszkodzenia warstwy pasywnej. Dlatego porównując wartości CPT z różnych źródeł, należy sprawdzić również sposób przygotowania powierzchni próbek.

Wpływ spawania na CPT

Spawanie może lokalnie obniżyć odporność na korozję wżerową. Dotyczy to zarówno samego metalu spoiny, jak i strefy wpływu ciepła. Wysoka temperatura może powodować zmiany mikrostrukturalne, lokalne różnice składu fazowego oraz powstawanie wydzieleń wpływających na odporność korozyjną.

Szczególnego znaczenia nabiera to w stalach duplex i superduplex, w których odpowiedni udział ferrytu i austenitu jest istotny dla uzyskania zakładanych właściwości. Nieprawidłowo dobrane parametry spawania mogą prowadzić do pogorszenia odporności lokalnej mimo wysokiego nominalnego PREN materiału podstawowego.

Istotne jest również prawidłowe usunięcie przebarwień spawalniczych i tlenków oraz, zależnie od zastosowania, przeprowadzenie trawienia i pasywacji powierzchni.

CPT a CCT – dwie różne temperatury krytyczne

Oprócz CPT stosuje się również pojęcie CCT (Critical Crevice Temperature), czyli krytycznej temperatury korozji szczelinowej.

Korozja szczelinowa może rozwijać się w bardziej niekorzystnych lokalnych warunkach niż klasyczna korozja wżerowa. Z tego powodu dla tego samego materiału wartość CCT jest zazwyczaj niższa od CPT. Ma to duże znaczenie praktyczne w konstrukcjach zawierających połączenia kołnierzowe, uszczelki, zakładki, gwinty oraz inne miejsca tworzące wąskie szczeliny.

Czy CPT określa maksymalną temperaturę pracy stali?

Nie. Jest to jedno z najważniejszych ograniczeń interpretacji CPT. Krytyczna temperatura korozji wżerowej wyznaczona laboratoryjnie nie jest równoznaczna z maksymalną bezpieczną temperaturą eksploatacji materiału.

Rzeczywista odporność elementu zależy od składu środowiska, stężenia chlorków, pH, natlenienia, przepływu medium, potencjału elektrochemicznego, obecności osadów i szczelin, naprężeń, temperatury oraz czasu ekspozycji. CPT jest więc przede wszystkim parametrem porównawczym umożliwiającym ocenę względnej odporności materiałów w określonych warunkach.

Dlaczego wartości CPT podawane przez różne źródła mogą się różnić?

W literaturze technicznej można znaleźć różne wartości CPT dla tego samego gatunku stali. Nie musi to oznaczać błędu. Różnice mogą wynikać z zastosowania innych metod badawczych, różnych roztworów testowych, przygotowania powierzchni, składu konkretnego wytopu, szybkości zwiększania temperatury oraz przyjętego kryterium inicjacji stabilnej korozji wżerowej.

Z tego względu porównywanie dwóch wartości CPT ma największy sens wtedy, gdy zostały wyznaczone tą samą metodą i w porównywalnych warunkach badania.

CPT w praktycznym doborze materiału

W zastosowaniach narażonych na działanie chlorków dobór materiału wyłącznie na podstawie określenia „stal nierdzewna” jest niewystarczający. Różnica pomiędzy popularną stalą 304L lub 316L a stalami 6Mo lub superduplex może być bardzo duża.

Przy doborze materiału warto analizować równocześnie:

• gatunek i rzeczywisty skład chemiczny,
• PREN,
• dostępne wyniki CPT i CCT,
• stężenie chlorków,
• temperaturę roboczą,
• pH środowiska,
• obecność szczelin i osadów,
• warunki przepływu medium,
• stan powierzchni,
• technologię spawania i obróbkę po spawaniu.

PREN może być bardzo dobrym pierwszym narzędziem do selekcji materiałów, natomiast CPT dostarcza dodatkowej informacji o ich zachowaniu w warunkach sprzyjających korozji wżerowej.

CPT – Critical Pitting Temperature – jest krytyczną temperaturą korozji wżerowej wyznaczaną dla określonych warunków badania. Parametr ten jest szczególnie przydatny do porównywania stali nierdzewnych, duplex, superduplex i wysokostopowych materiałów przeznaczonych do pracy w środowiskach chlorkowych.

CPT nie należy utożsamiać ani z PREN, ani z maksymalną dopuszczalną temperaturą eksploatacji materiału. PREN opisuje potencjalną odporność wynikającą przede wszystkim ze składu chemicznego, natomiast wynik CPT może uwzględniać rzeczywiste zachowanie konkretnego materiału, jego mikrostrukturę i stan powierzchni w określonej procedurze badawczej.

W zastosowaniach o wysokim ryzyku korozji lokalnej najbardziej wiarygodna ocena powinna więc uwzględniać jednocześnie skład chemiczny, PREN, wyniki badań CPT i CCT oraz rzeczywiste warunki pracy instalacji.

Rodzaje korozji stali i metali

Korozja równomierna stali i metali
Korozja wżerowa stali nierdzewnych
Korozja szczelinowa stali nierdzewnych
Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnej
Korozja naprężeniowa SCC
Korozja galwaniczna
Korozja erozyjna
Korozja kawitacyjna
Korozja zmęczeniowa
Korozja cierna
Korozja mikrobiologiczna MIC
Korozja wysokotemperaturowa

Podział korozji ze względu na środowisko

Korozja morska – korozja stali i metali w wodzie morskiej
Korozja atmosferyczna
Korozja gruntowa
Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej
Korozja w środowiskach chlorkowych
Korozja w środowiskach kwaśnych
Korozja w środowiskach alkalicznych
Korozja w gazach i spalinach
Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych
Korozja w środowiskach chemicznych i petrochemicznych

Tematy powiązane

CPT – krytyczna temperatura korozji wżerowej stali nierdzewnych i stopów niklu
PREN – wskaźnik odporności na korozję wżerową stali nierdzewnej
CCT – krytyczna temperatura korozji szczelinowej stali nierdzewnych i stopów niklu