خوردگی حفره‌ای فولادهای زنگ‌نزن - علل، مکانیسم، PREN، CPT و پیشگیری

دانلود توضیحات به صورت پی دی اف

خوردگی حفره‌ای یکی از خطرناک‌ترین انواع خوردگی موضعی فولادهای ضد زنگ، فولادهای دوپلکس، فولادهای سوپردوپلکس و آلیاژهای نیکل است. برخلاف خوردگی یکنواخت، این نوع خوردگی باعث از بین رفتن یکنواخت مواد در کل سطح نمی‌شود، بلکه به صورت موضعی توسعه می‌یابد و باعث ایجاد فرورفتگی‌هایی می‌شود که به عنوان خوردگی موضعی شناخته می‌شوند. گودال‌های خوردگی.
نقص حفره‌ای ممکن است به صورت یک سوراخ کوچک قابل مشاهده در سطح ظاهر شود، در حالی که آسیب بسیار بزرگتری در زیر آن ایجاد می‌شود. این می‌تواند باعث شود که یک قطعه سالم به نظر برسد، حتی اگر ضخامت موضعی آن به طور قابل توجهی کاهش یافته باشد. در موارد شدید، این می‌تواند منجر به سوراخ شدن لوله‌ها، مخازن، مبدل‌های حرارتی و سایر اجزای سیستم شود.
مهمترین ویژگی خوردگی حفره‌ای، احتمال آسیب بسیار عمیق و موضعی با از دست دادن جرم نسبتاً کمی از کل قطعه است.

خوردگی حفره‌ای چیست؟

خوردگی حفره‌ای که به آن خوردگی حفره‌ای نیز می‌گویند خوردگی حفره ای، نوعی خوردگی موضعی است که عمدتاً در فلزات و آلیاژهایی که توسط یک لایه غیرفعال محافظت می‌شوند، رخ می‌دهد.
در مورد فولادهای ضد زنگ، مقاومت در برابر خوردگی ناشی از وجود یک لایه بسیار نازک از اکسیدهای غنی از کروم روی سطح است. این لایه فلز را از محیط جدا می‌کند و می‌تواند تحت شرایط مناسب خود را اصلاح کند.
با این حال، اگر لایه غیرفعال به صورت موضعی ضعیف یا سوراخ شود، انحلال موضعی فلز می‌تواند آغاز شود. از این نظر، موارد زیر به ویژه خطرناک هستند: یون‌های کلرید Cl^-.

خطر خوردگی حفره‌ای در کجا وجود دارد؟

خوردگی حفره‌ای می‌تواند در محیط‌هایی شامل موارد زیر رخ دهد:

• آب دریا،
• آب شور،
• شورابه‌های تکنولوژیکی،
• کلرید سدیم و کلسیم،
• آب‌های فرآوری شده حاوی کلریدها،
• آب استخر،
• ضدعفونی‌کننده‌ها و مواد شوینده حاوی کلریدها،
• رسوبات نمک مرطوب،
• هالیدهای دیگر.

خوردگی حفره‌ای چگونه رخ می‌دهد؟

ایجاد حفره یک فرآیند الکتروشیمیایی است. می‌توان آن را به چند مرحله ساده کرد.

۱. تضعیف لایه غیرفعال

لایه غیرفعال می‌تواند به صورت موضعی توسط موارد زیر تضعیف شود:

• یون‌های کلرید،
• آخال‌های غیرفلزی،
• آسیب مکانیکی،
• خراش‌ها،
• آلودگی سطحی،
• مقیاس،
• تغییر رنگ ناشی از جوشکاری،
• آماده‌سازی نامناسب سطح،
• ناهمگنی‌های ریزساختاری موضعی.

۲. شکست غیرفعال‌سازی موضعی

هنگامی که لایه غیرفعال به صورت موضعی آسیب می‌بیند، فلز در معرض آن شروع به حل شدن می‌کند. این ناحیه به آند تبدیل می‌شود، در حالی که بخش زیادی از سطح باقی مانده غیرفعال باقی می‌ماند و به صورت کاتدی رفتار می‌کند.
یک آرایش نامطلوب ایجاد می‌شود: یک سطح آندی بسیار کوچک با یک سطح کاتدی بزرگ برهمکنش می‌کند. در نتیجه، سرعت انحلال موضعی فلز می‌تواند بسیار بالا باشد.

۳. اسیدی شدن فضای داخلی گودال

با حل شدن فلز، یون‌های فلزی درون گودال تشکیل می‌شوند. واکنش‌های هیدرولیز رخ داده باعث کاهش pH می‌شوند.
بنابراین محیط داخل گودال اسیدی‌تر از محیط اطراف سطح فولاد می‌شود.

۴. افزایش غلظت کلرید

یون‌های کلرید به داخل گودال در حال توسعه مهاجرت می‌کنند و باعث افزایش بیشتر خورندگی محیط درون گودال می‌شوند.
یک راه حل محلی با موارد زیر ایجاد می‌شود:

• غلظت بالای کلرید،
• pH پایین،
• دسترسی محدود به اکسیژن،
• شرایطی که بازسازی لایه غیرفعال را دشوار می‌کند.

۵. توسعه خودپایدار حفره‌دار شدن

پس از رسیدن به شرایط مناسب، این فرآیند می‌تواند خودکاتالیزوری شود. این بدان معناست که واکنش‌های رخ داده در داخل گودال باعث تخریب بیشتر محیط زیست و تسریع خوردگی می‌شوند.

نمودار فرآیند:

کلریدها و تضعیف لایه غیرفعال
↓
انحلال موضعی فلز
↓
افزایش غلظت یون فلزی
↓
افت pH
↓
هجوم یون‌های کلر^-
↓
مشکل در پسیواسیون مجدد
↓
توسعه بیشتر حفره‌دار شدن

چرا کلریدها اینقدر خطرناک هستند؟

یون‌های کلرید از جمله مهمترین عواملی هستند که باعث تخریب موضعی لایه غیرفعال فولادهای زنگ نزن می‌شوند.
با این حال، صرف وجود کلریدها به معنای وقوع خوردگی نیست. این خطر همچنین به موارد زیر بستگی دارد:

• غلظت کلرید،
• دما،
• pH برابر
• پتانسیل الکتروشیمیایی،
• وجود عوامل اکسید کننده،
• نوع ماده،
• وضعیت سطح،
• ساختار عنصر،
• مدت زمان قرارگیری در معرض بیماری.

بنابراین، بیان اینکه یک فولاد معین "مقاوم در برابر کلرید" است بدون مشخص کردن دما و غلظت محیط، ساده‌انگاری بیش از حد است.

تأثیر دما بر خوردگی حفره‌ای

دما یکی از مهمترین پارامترهای مؤثر بر خطر شروع حفره دار شدن است.
با افزایش دما، مقاومت یک لایه غیرفعال در برابر شکست در محیط کلریدی معمولاً کاهش می‌یابد. ماده‌ای که می‌تواند بدون ایجاد حفره در محلول معین در دمای 20 درجه سانتیگراد عمل کند، ممکن است این مقاومت را در دمای 60 یا 80 درجه سانتیگراد حفظ نکند.
این رابطه هنگام تعیین استفاده می‌شود CPT - دمای بحرانی حفره دار شدن.

CPT - دمای بحرانی خوردگی حفره‌ای

CPT دمای بحرانی خوردگی حفره‌ای است که تحت شرایط آزمایش خاص تعیین می‌شود.
هرچه مقدار CPT بالاتر باشد، مقاومت ماده در برابر شروع حفره‌دار شدن در محیط آزمایش مورد استفاده بیشتر است.
با این حال، CPT یک ثابت مادی مطلق نیست. نتیجه، از جمله موارد دیگر، به روش آزمایش، ترکیب محلول، شرایط سطح، هندسه نمونه و روش آماده‌سازی نمونه بستگی دارد.

اطلاعات بیشتر در مورد CPT

اثر pH

کاهش pH می‌تواند خطر خوردگی حفره‌ای را افزایش دهد، به خصوص در محیط‌های حاوی کلرید.
ترکیبی از:
غلظت بالای کلرید + دمای بالا + pH پایین.
در چنین شرایطی، فولادهای آستنیتی استاندارد ممکن است کافی نباشند و فولادهای سوپرآستنیتی دوپلکس، سوپردوپلکس، 6Mo یا آلیاژهای نیکل ممکن است لازم باشند.

مقاومت در برابر خوردگی PREN و حفره دار شدن

برای مقایسه اولیه مقاومت فولادهای ضد زنگ در برابر خوردگی حفره‌ای، از شاخص PREN - عدد معادل مقاومت حفره‌ای - استفاده می‌شود.
رایج‌ترین معادله مورد استفاده عبارت است از:
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
هرچه مقدار PREN بالاتر باشد، مقاومت فولاد در برابر شروع خوردگی حفره‌ای در محیط‌های کلریدی معمولاً بیشتر است.

PREN باید به عنوان یک پارامتر مقایسه‌ای در نظر گرفته شود. این پارامتر مستقیماً کیفیت سطح، جوش‌ها، ریزساختار، هندسه اجزا یا شرایط عملیاتی واقعی را در نظر نمی‌گیرد.
اطلاعات بیشتر در مورد PREN

مقایسه مقاومت گونه‌های منتخب

مقادیر PREN ارائه شده صرفاً جهت اطلاع هستند. مقدار واقعی به ترکیب شیمیایی مذاب خاص و روش محاسبه مورد استفاده بستگی دارد.

چرا فولاد 316L ممکن است دچار خوردگی حفره‌ای شود؟

فولاد AISI 316L اغلب به عنوان فولادی با مقاومت افزایش یافته در برابر محیط‌های کلریدی توصیف می‌شود. این امر در درجه اول به دلیل افزودن مولیبدن است.
با این حال، این به معنای مقاومت کامل در برابر آب دریا یا هر محیطی حاوی کلرید نیست.
خطر خوردگی حفره‌ای در فولاد 316L به دلایل زیر افزایش می‌یابد:

• دمای بالا،
• غلظت بالای کلرید،
• تبخیر آب و غلظت نمک،
• رکود رسانه،
• شهرک‌ها،
• شکاف‌ها،
• جوش‌های تمیز نشده
• آلودگی سطحی با ذرات آهن.

خوردگی حفره‌ای و خوردگی شکافی

خوردگی حفره‌ای و خوردگی شکافی اشکالی از خوردگی موضعی هستند، اما پدیده‌های یکسانی نیستند.

CCT - دمای خوردگی شکاف بحرانی

CCT - دمای بحرانی شکاف دمای بحرانی برای وقوع خوردگی شیاری در شرایط آزمایش خاص است.
مانند CPT، CCT نیز باید صرفاً در رابطه با روش آزمایش مورد استفاده تفسیر شود.

تأثیر شرایط سطح

شرایط سطحی فولاد تأثیر قابل توجهی بر مقاومت در برابر شروع حفره دار شدن دارد.
خطر، از جمله موارد دیگر، به دلایل زیر افزایش می‌یابد:

• خراش‌های عمیق،
• باقیمانده رسوب،
• تغییر رنگ حرارتی،
• آلودگی با ذرات فولاد کربنی،
• بقایای مواد ساینده،
• زبری سطح بالا،
• جوش‌هایی که به طور نامناسب تمیز شده‌اند.

یک سطح صاف، تمیز و به درستی آماده شده معمولاً مقاومت بیشتری در برابر شروع خوردگی موضعی نشان می‌دهد.

خوردگی حفره‌ای پس از جوشکاری

جوشکاری می‌تواند به صورت موضعی مقاومت خوردگی فولاد ضد زنگ را کاهش دهد، اگر فرآیند به طور نادرست انجام یا تکمیل شود.
از اهمیت ویژه ای برخوردارند:

• منطقه متاثر از گرما،
• تغییر رنگ ناشی از جوشکاری،
• رسوب اکسید،
• تغییرات ریزساختاری،
• مطالب اضافی نامناسب،
• محافظت نادرست با گاز،
• عدم تمیزکاری مناسب سطح پس از جوشکاری.

انتخاب یک گرید فولاد با مقاومت بالا به تنهایی، در صورتی که جوش‌ها و سطح به طور نادرست ساخته شده باشند، مقاومت سازه نهایی را تضمین نمی‌کند.

ASTM G48 - آزمایش خوردگی حفره‌ای و شیاری

یکی از رایج‌ترین استانداردهای مورد استفاده برای آزمایش آزمایشگاهی مقاومت فولادهای زنگ‌نزن و آلیاژهای مرتبط در برابر خوردگی حفره‌ای و شیاری، ... ASTM G48.
این استاندارد شش روش آزمایش با استفاده از محلول‌های خورنده کلرید فریک را پوشش می‌دهد.

آزمایش‌های ASTM G48 در درجه اول برای مقایسه دوام مواد در شرایط آزمایشگاهی خاص در نظر گرفته شده‌اند. نتایج نباید به عنوان پیش‌بینی مستقیم دوام مواد در هر نصب واقعی در نظر گرفته شوند.

ASTM G150

دمای بحرانی خوردگی حفره‌ای نیز برای تعیین ... استفاده می‌شود. ASTM G150.
این یک روش الکتروشیمیایی با استفاده از محلول کلرید سدیم و پتانسیل کنترل شده است. نتایج CPT به دست آمده با استفاده از ASTM G150 ممکن است با نتایج به دست آمده با استفاده از ASTM G48 متفاوت باشد.
بنابراین، مقادیر CPT تعیین‌شده توسط روش‌های مختلف آزمایش نباید مستقیماً با هم مقایسه شوند.

تفاوت‌های PREN، CPT و CCT

خوردگی حفره‌ای اغلب در کجا رخ می‌دهد؟

چگونه خطر خوردگی حفره‌ای را کاهش دهیم؟

انتخاب گونه مناسب

درجه فولاد باید بر اساس غلظت واقعی کلرید، دما، pH و سایر اجزای محیط انتخاب شود. اصطلاح "فولاد ضد زنگ" به معنای سطح مقاومت یکسان برای همه درجه‌ها نیست.

کنترل دما

هنگام انتخاب یک ماده، مهم است که نه تنها دمای عملیاتی معمول، بلکه حداکثر دماهای رخ داده در هنگام راه‌اندازی، تمیز کردن و از کار افتادن را نیز در نظر بگیرید.

کنترل غلظت کلرید

احتمال افزایش موضعی غلظت نمک به دلیل:

• تبخیر آب،
• خشک کردن سطح،
• رکود رسانه،
• گرمایش موضعی،
• تشکیل سپرده ها.

رفع رکود

طراحی نصب باید فضاهای مرده و مکان‌هایی را که ممکن است مواد خورنده در آنها باقی بمانند، محدود کند.

محدود کردن شکاف‌ها

اتصالات و هندسه‌هایی که باعث ایجاد شکاف‌های تنگ در زیر واشرها، واشرها و رسوبات می‌شوند، باید به حداقل برسند.

جوشکاری صحیح

باید از مواد پرکننده صحیح، پارامترهای جوشکاری و محافظ گاز مناسب استفاده شود.

تمیز کردن سطوح پس از جوشکاری

تغییر رنگ حرارتی و پوسته پوسته شدن باید با استفاده از روش‌های مناسب حذف شوند. بسته به کاربرد، اسیدشویی و غیرفعال‌سازی از جمله روش‌های مورد استفاده هستند.

جلوگیری از آلودگی فولاد کربنی

ابزارها و مواد ساینده مورد استفاده برای فولاد کربنی نباید بدون بازرسی قبلی روی فولاد ضد زنگ استفاده شوند.

تمیز کردن منظم

حذف رسوبات، احتمال ایجاد مناطق محلی با غلظت کلرید افزایش یافته و اکسیژن کاهش یافته را کاهش می‌دهد.

مهمترین عوامل موثر بر خوردگی حفره ای

چگونه یک ماده برای خوردگی حفره‌ای انتخاب کنیم؟

در محیط‌های با خورندگی ملایم، فولادهای آستنیتی استاندارد مانند 304L یا 316L ممکن است کافی باشند.
در غلظت‌های بالاتر کلرید و دماهای بالاتر، از موادی با محتوای کروم، مولیبدن و نیتروژن بالاتر استفاده می‌شود، به عنوان مثال:

• ۹۰۴ لیتر / ۱.۴۵۳۹
• دوبلکس ۲۲۰۵ / ۱.۴۴۶۲،
• سوپردوبلکس ۲۵۰۷ / ۱.۴۴۱۰،
• ۲۵۴ SMO / ۱.۴۵۴۷،
• آلیاژ ۹۲۶ / ۱.۴۵۲۹،
• AL-6XN / UNS N08367.

آلیاژهای نیکل نیز در محیط‌های بسیار خورنده استفاده می‌شوند، از جمله آلیاژ ۶۲۵، آلیاژ ۸۲۵، آلیاژ C-276، آلیاژ ۲۲ و آلیاژ ۵۹.
با این حال، این بدان معنا نیست که ماده‌ای با PREN بالاتر به طور خودکار در هر محیطی بهتر است. PREN در درجه اول حساسیت به حمله موضعی مربوط به غیرفعال شدن و کلریدها را توصیف می‌کند، اما تمام مکانیسم‌های خوردگی یا اثرات همه اجزای شیمیایی را در نظر نمی‌گیرد.

جمع

خوردگی حفره‌ای نوعی خوردگی موضعی است که می‌تواند منجر به سوراخ شدن سریع یک قطعه، علیرغم از دست دادن مقدار کمی از مواد، شود.
مهمترین عواملی که در ایجاد حفره‌های ریز نقش دارند عبارتند از:

• کلریدها،
• دمای بالا،
• pH پایین،
• رسوبات و رکود محیط کشت،
• شکاف‌های ساختمانی،
• سطح آسیب دیده یا آلوده،
• جوش‌های نادرست ساخته و تمیز شده‌اند.

مقاومت گریدهای مختلف را می‌توان در ابتدا با استفاده از شاخص PREN مقایسه کرد، در حالی که مقاومت آزمایشگاهی در برابر شروع خوردگی موضعی، از جمله موارد دیگر، توسط CPT و CCT و همچنین آزمایش‌های مطابق با ASTM G48 و ASTM G150 تعیین می‌شود.
انتخاب صحیح مواد باید با در نظر گرفتن PREN، دما، میزان کلرید، pH، ترکیب شیمیایی محیط، وضعیت سطح، جوشکاری و طراحی نصب انجام شود.

خوردگی می‌تواند از طریق مکانیسم‌های مختلفی، بسته به جنس، محیط و شرایط عملیاتی، رخ دهد. در مورد انواع دیگر خوردگی اطلاعات کسب کنید:

انواع خوردگی فولاد و فلزات

خوردگی یکنواخت فولاد و فلزات
خوردگی حفره‌ای فولادهای زنگ‌نزن
خوردگی شیاری فولادهای زنگ نزن
خوردگی بین دانه‌ای فولاد ضد زنگ
ترک خوردگی تنشی SCC
خوردگی گالوانیک
خوردگی فرسایشی
خوردگی کاویتاسیون
خستگی خوردگی
خوردگی سایشی
خوردگی میکروبیولوژیکی MIC
خوردگی در دمای بالا

تقسیم‌بندی خوردگی بر اساس محیط

خوردگی دریایی - خوردگی فولاد و فلزات در آب دریا
خوردگی اتمسفری
خوردگی زمین
خوردگی در آب شیرین و صنعتی
خوردگی در محیط‌های کلریدی
خوردگی در محیط‌های اسیدی
خوردگی در محیط‌های قلیایی
خوردگی در گازها و گازهای خروجی
خوردگی در سیستم‌های فاضلاب و پساب
خوردگی در محیط‌های شیمیایی و پتروشیمی

مباحث مرتبط

CPT - دمای بحرانی خوردگی حفره‌ای فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای نیکل
PREN - شاخص مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای برای فولاد ضد زنگ
CCT - دمای بحرانی خوردگی شکافی فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای نیکل