CCT – Kritisk spaltekorrosionstemperatur for rustfrit stål og nikkellegeringer

Kritisk spaltetemperatur (CCT), eller kritisk spaltekorrosionstemperatur, er en parameter, der bruges til at vurdere modstanden af rustfrit stål, duplex- og superduplexstål samt nikkellegeringer over for initiering af spaltekorrosion under specifikke testforhold. Denne parameter er især vigtig i kloridholdige miljøer, fordi selv et materiale med høj modstandsdygtighed over for grubetæring kan opleve lokaliseret skade på spaltesteder.
Typiske områder med risiko for spaltekorrosion er under pakninger, skiver, aflejringer og forurenende stoffer, i flange- og overlapningssamlinger, under boltehoveder og hvor som helst der skabes et smalt rum, der begrænser den frie udveksling af opløsning med omgivelserne.
CCT er ikke en fysisk konstant for et materiale, og det er heller ikke den maksimalt tilladte driftstemperatur. Det er resultatet af en test udført i henhold til en specifik procedure. Derfor bør testmetoden, miljøet, overfladebehandlingen samt geometrien og trykket på det element, der skaber mellemrummet, altid tages i betragtning ved sammenligning af CCT-værdier.

Hvad betyder CCT?

Den kritiske spaltekorrosionstemperatur (CCT) definerer den laveste temperatur, hvor spaltekorrosionsinitiering observeres under betingelserne for en given testmetode, der opfylder de kriterier, der er specificeret i testproceduren. Jo højere CCT-værdien er opnået under sammenlignelige forhold, desto større er materialets modstandsdygtighed over for initiering af denne type korrosion.
Dette betyder dog ikke, at materialet er ubetinget modstandsdygtigt under CCT-værdien i alle installationer. Faktiske driftsforhold kan afvige betydeligt fra laboratorieforhold med hensyn til kloridkoncentration, pH, elektrokemisk potentiale, iltning, brudgeometri, strømning, sedimenter, mikroorganismer og eksponeringstid.

Hvorfor øger et mellemrum risikoen for korrosion?

Rustfrit stål og mange nikkellegeringer skyldes deres korrosionsbestandighed til et tyndt passivt lag, der dannes på overfladen. I et åbent miljø fremmer ilt og de passende kemiske forhold vedligeholdelsen og genopbygningen af dette lag. I en smal spalte kan situationen være helt anderledes.
Begrænset udveksling af opløsninger mellem bruddets indre og det omgivende miljø skaber et lokalt anderledes miljø. Efterhånden som processen skrider frem, kan der forekomme iltforbrug, kloridionkoncentration og pH-reduktion. Forholdene i bruddet bliver mere og mere aggressive og kan føre til tab af materialets passivitet.
Når en stabil proces begynder, kan der udvikles lokalt korrosion under en forsegling eller aflejring, mens den tilstødende, frit tilgængelige overflade af den samme komponent forbliver ubeskadiget. Derfor er spaltekorrosion særligt farlig – dens udvikling kan forblive usynlig i lang tid under en rutinemæssig inspektion af installationen.

CCT vs. CPT – hvad er forskellen?

CPT (kritisk grubetemperatur) beskriver den kritiske temperatur for initiering af grubetæring i en specifik test, mens Kritisk spaltetemperatur (CCT) refererer til initiering af korrosion i nærvær af et kunstigt skabt mellemrum. Begge parametre refererer til lokal korrosion, men beskriver ikke præcis det samme fænomen.
I praksis er CCT normalt lavere end CPT for det samme materiale, der testes i et sammenligneligt system. Dette skyldes, at sprækken skaber lokale forhold, der er mere aggressive end dem, der findes på materialets frit tilgængelige overflade.

Parameter	CPT	FTT
Fulde navn	Kritisk grubetemperatur	Kritisk spaltetemperatur
Type af korrosion	grubetæring	sprække
Indvielsessted	fri overflade	spalteområde
Enhed	° C	° C
Typisk afhængighed	normalt højere	normalt lavere
Praktisk betydning	overflademodstand mod grubedannelse	modstandsdygtighed i beskyttede områder, forbindelser og områder under sedimenter

Hvordan bestemmes CCT?

En af de primære standarder, der anvendes til laboratorieevaluering af modstandsdygtighed over for grubetæring og spaltekorrosion, er ASTM G48 . Denne standard anvender et stærkt oxiderende kloridmiljø indeholdende jern(III)klorid og omfatter flere separate testmetoder.

I den nuværende ASTM G48 anvendes metode C og E til at bestemme den kritiske punktkorrosionstemperatur, mens metode D og F anvendes til at bestemme den kritiske spaltekorrosionstemperatur. Metode D er beregnet til at bestemme CCT for nikkelbaserede legeringer og kromholdige legeringer, mens metode F anvendes til at bestemme CCT for rustfrit stål.

ASTM G48	Undersøgelsestype
Metode A	test af modstandsdygtighed over for grubetæring i jern(III)klorid
Metode B	Spaltkorrosionsbestandighedstest i jern(III)klorid
Metode C	CPT-bestemmelse af nikkelbaserede legeringer og legeringer indeholdende krom
Metode D	bestemmelse af CCT af nikkelbaserede legeringer og legeringer indeholdende krom
Metode E	CPT-bestemmelse af rustfrit stål
Metode F	bestemmelse af CCT for rustfrit stål

I CCT-testning fastgøres elementer, der skaber kontrollerede revner, til prøveoverfladen. Dette er vigtigt, fordi revnegeometrien og klemkraften påvirker forholdene mellem prøveoverfladen og det revnedannende element. Derfor bør værdier opnået ved hjælp af forskellige procedurer, klemkræfter eller revnedannende elementer ikke ukritisk sammenlignes.

Sammenligning af CCT for udvalgte rustfrie ståltyper og nikkellegeringer

Værdierne nedenfor viser omfanget af forskellene mellem materialer, men bør kun fortolkes i forbindelse med testmetoden. Særligt veldokumenterede sammenligningsdata er tilgængelige for test i en forsuret 6% FeCl₃-opløsning og ASTM G48-procedurer. Forskelle mellem kilder for den samme kvalitet kan blandt andet skyldes forskellige procedurer, overfladebehandling, sprækkedannelse og specifik smeltesammensætning.

materiale	EN / UNS	CCT [°C]	Betingelser/metode
316L	1.4404 / S31603	0	syrnet med 6% FeCl₃, ASTM G48
904L	1.4539 / N08904	ca. 10–15*	FeCl₃, værdier afhængigt af testproceduren
Duplex 2205	1.4462 / S32205	ca. 20*	FeCl₃, sammenligningsværdier
Super Duplex 2507	1.4410 / S32750	ca. 50*	FeCl₃, sammenligningsværdier
254 SMO	1.4547 / S31254	30-35	syrnet med 6% FeCl₃ / ASTM G48; resultatet afhænger af den anvendte procedure
Legering 625	2.4856 / N06625	25–45**	ASTM G48; området viser effekten af proceduren og hvordan mellemrummet skabes
Legering C-276	2.4819 / N10276	42,5–55**	ASTM G48 / syrnet med 6% FeCl₃; afhængigt af proceduren

* Disse værdier er beregnet til at illustrere forskelle mellem stålgrupper; de bør ikke betragtes som garanterede egenskaber for et specifikt produkt. ** For nikkellegeringer viser forskellene mellem offentliggjorte værdier tydeligt virkningen af den specifikke testprocedure. For eksempel gav Alleimas data for ASTM G48 Metode D/Metode F forskellige værdier afhængigt af den metode, der blev brugt til at skabe og tryksætte revnen.
Sammenligningen afslører et meget vigtigt mønster. Det populære 316L-stål har relativt lav modstand mod spaltekorrosion i aggressive kloridtests. Med stigende indhold af krom, molybdæn og nitrogen kan denne modstand stige betydeligt. 6Mo-stål, superduplex-stål og passende udvalgte nikkellegeringer er blandt de materialer med betydeligt større modstand mod lokal korrosion.

Hvorfor er CCT normalt lavere end CPT?

Forskellen mellem CPT og CCT stammer primært fra de specifikke kemiske forhold, der skabes i revnen. På en åben overflade forbliver materialet i kontakt med det omgivende miljø, hvorimod udvekslingen af opløsninger inden i revnen er begrænset.
Iltkoncentrationen kan falde, kloridkoncentrationen kan stige, og det lokale miljø kan blive surt. Som følge heraf kan det passive lag miste stabilitet ved temperaturer lavere end dem, der er nødvendige for at initiere stabil grubedannelse på den frie overflade.
For eksempel viser Haynes-data opnået i forsuret 6% FeCl₃ for 316L en CPT på ca. 15°C og en CCT på ca. 0°C, for 254 SMO henholdsvis ca. 60°C og 30°C, for legering 625 ca. 100°C og 40°C, og for legering C-276 ca. 150°C og 55°C. Dette viser, at meget høj modstandsdygtighed over for grubetæring ikke automatisk betyder lige så høj modstandsdygtighed over for spaltekorrosion.

Effekten af spaltegeometri på korrosion

Ikke alle revner udgør den samme risiko. Dens bredde, dybde, forholdet mellem revnens indre og ydre overfladeareal og graden af begrænset væskeudveksling er alle faktorer, der har betydning.
I praksis kan farlige forhold omfatte:

pakninger under flange,
under skiver og skruehoveder,
i overlappende forbindelser,
under mineralforekomster og procesprodukter,
under biofilm og biologiske forurenende stoffer,
på steder, hvor metalelementer kommer i kontakt med plast eller elastomerer,
i utilstrækkeligt rengjorte konstruktionsfuger.

Af denne grund kan en konstruktions modstandsdygtighed over for spaltekorrosion ikke vurderes udelukkende baseret på stålkvalitet. Samlingens design, udførelse og overfladens renhed er lige så vigtige.

Indflydelsen af kemisk sammensætning på CCT

chrom er primært ansvarlig for dannelsen og stabiliteten af det passive lag. molybdæn forbedrer modstandsdygtigheden over for lokal korrosion i kloridmiljøer betydeligt, mens nitrogen er et særligt vigtigt legeringstilsætningsstof i duplex-, superduplex- og højtlegerede austenitiske stål.
Det høje indhold af disse elementer er en af grundene til den betydeligt større modstandsdygtighed hos 6Mo- og superduplexstål sammenlignet med standard 304L- og 316L-stål. Den kemiske sammensætning alene fortæller dog ikke hele historien. Den faktiske modstandsdygtighed påvirkes også af mikrostruktur, intermetallisk faseudfældning, varmebehandling, svejsning og overfladetilstand.

CCT og PREN

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) er et nyttigt værktøj til indledende sammenligning af legeringsmodstand med lokaliseret korrosion i kloridmiljøer. For rustfrit stål anvendes ofte følgende forhold:

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N

En stigning i PREN er normalt forbundet med en stigning i modstanden mod grubetæring og spaltekorrosion, men CCT kan ikke beregnes direkte ud fra PREN-værdier. PREN er primært baseret på kemisk sammensætning, mens CCT-resultater også afhænger af mikrostruktur, overfladefinish og detaljerede testforhold.
For højtlegerede nikkelmaterialer anvendes modificerede ligninger også til at tage højde for andre elementer, herunder wolfram. Derfor kræver sammenligning af den klassiske PREN for rustfrit stål med værdier beregnet for nikkellegeringer forsigtighed.

Indflydelse af overflade og svejsning på CCT

Overfladebehandling kan have betydelig indflydelse på resultaterne af test af spaltekorrosionsbestandighed. Ruhed, glødeskaller, misfarvning af svejsninger, jernforurening og bearbejdningsrester kan skabe områder, der er egnede til lokal korrosion.
ASTM G48 bemærker, at overfladebehandling kan påvirke testresultaterne betydeligt. Det betyder, at værdier opnået for slebne eller ætsede laboratorieprøver ikke altid nøjagtigt afspejler den faktiske komponents ydeevne.
Svejsning kan også ændre materialets mikrostruktur og den lokale kemiske sammensætning af overfladelaget. Dette er især vigtigt i duplex- og superduplexstål, hvor ukorrekt termisk cykling kan føre til ugunstige ændringer i faseligevægt eller dannelse af udfældninger, der reducerer korrosionsbestandigheden.
Efter svejsning er det også vigtigt at fjerne oxider og varmemisfarvning korrekt og, hvor det er nødvendigt, at udføre passende bejdsning og passivering.

CCT og pakninger og flangeforbindelser

Flangesamlinger er et af de klassiske steder for spaltekorrosion. Mellemrummet mellem metallet og pakningen kan fange elektrolyt og begrænse dens udveksling med miljøet. Lignende forhold kan forekomme under skiver, fastgørelseselementer og i metal-til-plast-samlinger.
Derfor er det vigtigt at overveje ikke kun selve materialets modstandsdygtighed, men også strukturens geometri, når man designer systemer, der opererer i havvand, saltlage eller andre medier, der indeholder klorider. At begrænse antallet af sprækker, tillade væskedræning, eliminere aflejringer og vælge passende tætninger kan være lige så vigtigt som at vælge en højere stålkvalitet.

Bestemmer CCT den maksimale driftstemperatur for et materiale?

Nej. CCT er en kritisk temperatur bestemt i en specifik laboratorietest og bør ikke betragtes som en direkte grænse for sikker driftstemperatur.
ASTM G48 er en accelereret test, der primært er designet til at sammenligne materialers modstandsdygtighed over for initiering af lokal korrosion i et meget aggressivt kloridmiljø. Standarden understreger, at disse test ikke direkte kan bestemme materialeadfærd i ikke-kloridmiljøer eller hastigheden af yderligere lokal korrosionsudbredelse.
For eksempel kan et materiale med en specifik CCT i en laboratorie-FeCl₃-opløsning opføre sig helt anderledes i havvand, fortyndet NaCl-opløsning eller et reelt procesmedium. Dets opførsel vil blive bestemt samtidigt af temperatur, kloridkoncentration, pH, potentiale, strømning, sedimenter, brudgeometri og eksponeringstid.

CCT i praktisk materialevalg

Når man designer udstyr, der er udsat for klorider, er det værd at analysere CCT sammen med andre materialeparametre og informationer. Af særlig betydning er:

materialets type og faktiske kemiske sammensætning
PREN,
CPT og CCT bestemt ved en sammenlignelig metode,
kloridkoncentration,
driftstemperatur,
pH og elektrokemisk potentiale i miljøet,
tilstedeværelse af tætninger, overlappende samlinger og aflejringer,
overfladetilstand,
svejseteknologi og efterbehandling af svejsning,
mulighed for rengøring og inspektion af elementet under drift.

I strukturer med adskillige sprækker er CPT-analyse alene muligvis ikke tilstrækkelig. I sådanne tilfælde kan CCT være en mere krævende og praktisk relevant sammenligningsparameter.

Hvordan reducerer man risikoen for spaltekorrosion?

Den mest effektive beskyttelse afhænger ikke udelukkende af brugen af i stigende grad legerede materialer. Korrekt design af enheden er også afgørende. Smalle mellemrum bør elimineres, når det er muligt, overlapningssamlinger bør udskiftes med korrekt svejsede samlinger, væske- og sedimentfælder bør undgås, og overflader bør være lette at rengøre.
I særligt aggressive miljøer kan superduplex-stål, 6Mo austenitisk stål eller passende nikkellegeringer være nødvendige. Det endelige valg bør dog baseres på en analyse af faktiske driftsforhold, ikke udelukkende på en enkelt PREN-, CPT- eller CCT-værdi.
CCT – Kritisk spaltetemperatur – er den kritiske spaltekorrosionsinitieringstemperatur bestemt under definerede testbetingelser. Denne parameter er særligt vigtig i systemer, der opererer i kloridmiljøer og indeholder pakninger, flanger, overlapninger, aflejringer eller andre spaltedannende områder.
CCT er normalt lavere end CPT, fordi der kan udvikles et meget mere aggressivt lokalt miljø i spalten end på materialets frie overflade. Derfor garanterer høj modstandsdygtighed over for grubetæring ikke lige så høj modstandsdygtighed over for spaltkorrosion.
Ved sammenligning af materialer bør metoden, hvormed CCT blev bestemt, altid verificeres. Værdier opnået fra forskellige procedurer bør ikke betragtes som direkte ækvivalente, og CCT alene bør ikke fortolkes som materialets maksimalt tilladte driftstemperatur.