孔食耐性指数 – PREN

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PREN指数とは何ですか？

PREN（孔食抵抗相当値） は、ステンレス鋼やその他の耐食性合金の耐食性を比較するために使用される指標です。 孔食特に塩化物を含む環境において。
孔食 は、最も危険な局部腐食形態の1つです。 均一腐食 表面全体に均一な材料損失が生じるわけではありません。攻撃は小さな領域に集中し、そこで不動態皮膜に局所的な損傷が発生します。その結果生じるピットは材料の深部まで進行し、部品の貫通につながる可能性がありますが、全体的な質量損失は比較的小さくなります。
ピット形成に特に重要な要因は 塩化物イオン Cl⁻したがって、この問題は、化学、石油化学、海洋、食品、エネルギー産業、および海水、塩水、塩化物を含む溶液を扱う設備において、特に重要である。
PRENを使用すると、鋼材の化学組成に基づいて、異なる鋼種のこの種の腐食に対する潜在的な耐性を簡単に比較できます。

PRENはどのように計算されるのですか？

最もよく使われる公式の一つは次のとおりです。
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
ここで：

• Cr – クロム含有量 [重量％]、
• Mo – モリブデン含有量 [重量％]
• N – 窒素含有量 [重量％]

タングステンを含む合金の場合、拡張形も使用されます。
PREN = %Cr + 3,3 × (%Mo + 0,5 × %W) + 16 × %N
gdzie W これはタングステンの質量パーセント含有量です。
Cr、Mo、W、Nを考慮に入れるこの方法は、とりわけ石油・ガス産業向けの材料選定に用いられる規格で採用されている。
ただし、PRENの計算式には技術文献にいくつかのバリエーションが存在することに留意することが重要です。例えば、窒素に割り当てられる係数の値は異なる場合があります。したがって、異なる情報源からのPREN値を比較する際には、必ず計算に使用された式を確認してください。

クロム、モリブデン、窒素はなぜPRENに影響を与えるのでしょうか？

PREN方程式では、個々の要素に異なる重みが割り当てられています。これは偶然ではなく、局部腐食が発生しやすい環境下における鋼材の挙動に対する各要素の影響に基づいています。

クロム – Cr

クロムは、ステンレス鋼の耐食性を担う基本元素である。
十分なクロム含有量があれば、材料表面に非常に薄く緻密な不動態皮膜が形成される。この皮膜は金属を環境から隔て、環境条件が許せば軽微な損傷後でも自己再生することができる。
PREN方程式では、クロムの影響は係数で考慮された。 1.

モリブデン – Mo

モリブデンは、塩化物を含む環境における局部腐食に対する耐性を高める上で特に重要な役割を果たす。
古典的なPREN方程式では、その寄与は 3,3これは、孔食の形成と進行に対する耐性に及ぼすその影響がいかに重要であるかを示している。
したがって、モリブデンを含むAISI 316L鋼は、どちらも一般的なオーステナイト系ステンレス鋼であるにもかかわらず、一般的にAISI 304Lよりも孔食に対する耐性が高い。

窒素 – N

PREN方程式において、窒素は非常に重要な要素として考慮されています。
16 × %N
これは、窒素含有量が比較的わずかに増加するだけでも、計算されるPREN値が著しく上昇する可能性があることを意味する。
窒素の重要性は特に現代において明らかである 二相ステンレス鋼および超二相ステンレス鋼 そして高合金オーステナイト鋼。

タングステン – W

タングステンは一部の高合金材料にも含まれています。拡張PREN方程式では、モリブデンとともにタングステンの寄与も考慮されます。
Mo + 0,5W
これは、このモデルでは、1%のWがPRENに及ぼす影響は、1%のMoが及ぼす影響の約半分であることを意味する。

PREN計算例

鋼材に含まれる成分を仮定しましょう。

• Cr = 22,0%
• Mo = 3,2%
• N = 0,18%

PRENは以下のように計算されます。
PREN = 22,0 + (3,3 × 3,2) + (16 × 0,18)
つまり：
PREN = 22,0 + 10,56 + 2,88
PREN = 35,44
したがって、この材料の計算上のPREN値は約 35,4.
例えば、2番目の合金のPRENが25である場合、同等の材料および表面状態であれば、PRENが35,4の合金の方が塩化物環境における孔食に対する耐性が高いと予想される。
しかし、これはあらゆる使用条件下で腐食に強いという意味ではない。

PREN値の解釈方法

基本原理は単純だ。
PREN値が高いほど、塩化物環境における孔食に対する材料の耐性が高くなることが期待されます。
しかし、PRENは耐性の絶対的な尺度ではなく、比較指標として扱うべきである。

これらの制限値はあくまで目安です。PRENは、特定の用途に合わせて鋼材を自動的に分類できる万能な尺度ではありません。

PRENの人気ステンレススチールグループ

化学組成の違いにより、個々の材料グループ間でPREN値に大きな差が生じる。

AISI 304 / 304L

18Cr-8Ni鋼はモリブデンをほとんど含まないため、PREN値は比較的低く、通常は以下の値になります。
PREN ≈ 18～20
これらの鋼材は非常に広く使用されているが、塩化物含有量の多い環境では、孔食に対する耐性が不十分となる可能性がある。

AISI 316 / 316L – 1.4401 / 1.4404

約2～2,5％のモリブデンを添加することで、局部腐食に対する耐性が著しく向上する。
典型的な値はおおよそ以下の範​​囲です。
PREN ≈ 23～27
モリブデンの存在は、多くの塩化物環境において316Lが304Lよりも優れている主な理由の一つである。

二重 1.4462 / UNS S31803 / S32205

二相鋼は通常、約22%のクロム、約3%のモリブデン、そして増加した窒素含有量を含んでいる。
その結果、彼らは以下のことを達成します。
PREN ≈ 32～36
これにより、従来の304L鋼や316L鋼よりも、孔食に対する耐性が大幅に向上します。

スーパーデュプレックス 1.4410 / UNS S32750

約25%のCr含有量、MoおよびN含有量の増加により、PREN値は通常以下を超える。
PREN ≥ 40
このグループの材料は、海洋設備、海水を使用するシステム、化学工業など、特に腐食性の高い塩化物環境で使用される。

6Mo型オーステナイト鋼

このグループには、モリブデンを約6%含有する高合金オーステナイト鋼が含まれます。例えば、1.4547、1.4529、またはUNS N08367グレードなどです。
Cr、Mo、Nの含有量が高いため、PRENを超える可能性があります 40これにより、局部腐食に対する非常に高い耐性が確保されます。

PREN ≥ 40 – なぜこの値が重要なのでしょうか？

値 40 印刷 これは、非常に厳しい環境で使用される材料を分類する際の一般的な技術的限界値です。
例えば、石油・ガス業界で使用される分類では、6Mo材料はPREN値が40以上で、公称Mo含有量が約6%の鋼材として定義されています。二相25Cr鋼の場合、PREN値は約40～45の範囲となります。
しかし、これは次のことを意味するものではありません。
PREN = 39 – この材料は耐性がありません。
PREN = 40 – この材料は耐摩耗性に優れています。
そのような突然の物理的な境界は存在しない。
40という値は、主に分類および設計上の有用な基準となる。

PRENと孔食

鋼材表面の不動態化が局所的に破壊された箇所にピットが形成される。
塩化物が存在すると、このプロセスは自己持続的になる可能性がある。発生中のピット内部では、局所的な環境の化学組成が変化し、pHが低下し、溶液の腐食性が増す。その結果、当初は小さな欠陥であったものが、材料の深部まで拡大する可能性がある。
これは特に危険な点です。なぜなら、部品の表面はほとんど損傷を受けていないように見えても、個々のピットはかなりの深さに達している可能性があるからです。
したがって、圧力システム、タンク、熱交換器、パイプラインにおいては、孔食によって、目に見えるような大きな材料損失が事前に発生しなくても、気密性の低下につながる可能性がある。

PRENと隙間腐食

PREN値が高いほど、一般的に隙間腐食に対する耐性も向上するが、この2つの現象は同一視すべきではない。
隙間腐食 とりわけ、以下のような能力を発揮できる。

• 封印の下で、
• フランジ接続では、
• 和解の下で、
• スレッドでは、
• タブでは、
• 中程度の停滞が見られる地域において。

亀裂内部で生じる化学的条件は、媒体の主要部分よりもはるかに過酷である可能性がある。
したがって、露出した表面では優れた耐性を示す材料でも、狭い隙間では腐食する可能性がある。

プレンと温度

温度は、その単純な公式 PREN の要因の 1 つです nie uwzględnia.
これは非常に大きな実用的意義を持つ。
同じ材料でも、低温の塩化物溶液中では正常に機能するが、高温になると局部腐食を起こしやすくなる場合がある。
したがって、材料をより正確に評価する際には、以下の概念が用いられます。
CPT – 臨界孔食温度すなわち、臨界孔食温度。
これは、特定の試験条件下において、安定した孔食の発生が始まる温度である。

PRENおよびASTM G48試験

PRENは化学組成から算出される値です。材料の挙動を正確に評価する必要がある場合は、実験室での試験が用いられます。
最も重要な方法の1つは ASTM G48 – 塩化第二鉄溶液を用いたステンレス鋼および関連合金の孔食および隙間腐食耐性の標準試験方法.
この規格は、腐食性の高い塩化物環境下におけるステンレス鋼および関連合金の孔食および隙間腐食耐性に関する試験方法を規定するものである。
この種の研究により、とりわけ、材料の比較や、孔食または隙間腐食の臨界発生温度の決定が可能となる。

鋼材選定において、PRENだけでは不十分なのはなぜですか？

これは、この手法全体における最も重要な制約である。
PRENは、材料の耐食性を保証するものではありません。
この計算式は主に化学組成を考慮しているが、実際の耐性は他の多くの要因にも左右される。

温度

温度の上昇は、局部腐食のリスクを著しく高める可能性がある。

塩化物濃度

Cl⁻濃度が高いほど、通常は環境の攻撃性が高まります。

pH

酸性環境は不動態層を不安定化させる可能性がある。

電気化学ポテンシャルと酸化剤の存在

酸化条件は、材料の孔食発生に対する感受性を大きく変化させる可能性がある。

表面状態

表面の粗さ、スケール、鉄分汚染、溶接部の変色、不適切な表面処理などは、実際の抵抗値を低下させる可能性があります。

溶接

ステンレス鋼の溶接プロセス局所的に合金元素の微細構造や分布を変化させることができる。
これは特に二相鋼や超二相鋼において重要であり、これらの鋼ではフェライトとオーステナイトの適切な比率と好ましくない析出物の不在が耐食性にとって非常に重要となる。

微細構造

平均化学組成から算出されたPRENは、個々の相の局所的な組成を正確に表すものではない。
これは二相鋼において特に重要です。クロム、モリブデン、窒素はフェライトとオーステナイトの間で均等に分布しているわけではありません。そのため、いずれかの相の局所的な抵抗値は、材料全体に対して計算されたPREN値よりも低くなる可能性があります。

要素構成

非常に耐腐食性の高い素材であっても、設計上の問題で腐食が発生する場合があります。

• 媒体の停滞、
• 堆積物の形成、
• 狭い隙間の発生、
• 表面のすすぎが不十分、
• 塩化物濃度。

したがって、適切な材料選定には、鋼材のグレードと装置の設計の両方を考慮する必要がある。

公称 PREN と実際のメルト PREN

もう一つ重要な問題は、PRENがどのように計算されるかということです。
規格で規定されている鋼種の化学組成は通常以下の通りである。 許容される元素含有量の範囲例：

• Cr = 21,0～23,0%
• Mo = 2,5～3,5%
• N = 0,10～0,22%

したがって、特定の種に属する各物質に対して、単一の絶対的なPREN値は存在しない。
PRENは以下に基づいて計算できます。

• 規格に基づく元素の最小含有量、
• 名目値、
• 平均組成値、
• 特定の溶融物の実際の化学分析。

最小PREN値の確認が必要な用途では、最も信頼性の高い方法は、特定のバッチの材料の実際の化学組成に基づいて計算することです。たとえば、3.1受入証明書に含まれるデータなどです。

PRENに対する実際の組成の影響の例

同じグレードの鋼材を2回溶解した場合を考えてみましょう。
メルトA：

• Cr = 21,2%
• Mo = 2,6%
• N = 0,12%

プレン:
21,2 + 3,3 × 2,6 + 16 × 0,12 = 31,70
メルトB：

• Cr = 22,8%
• Mo = 3,4%
• N = 0,20%

プレン:
22,8 + 3,3 × 3,4 + 16 × 0,20 = 37,22
両方の材料は形式的には同じ種に属する可能性があるが、計算されたPREN値は5ポイント以上異なる。
これは、高度な技術的応用においては、種の識別だけでは不十分な場合がある理由を示している。

ニッケルはプレンを増加させるのか？

古典的なPREN方程式では ニッケルは存在しません.
しかし、これはニッケルが鋼の腐食特性にとって重要でないという意味ではない。
ニキエル PRENは、とりわけオーステナイトの安定性、材料の微細構造、および多くの化学環境における耐性に強く影響します。しかし、PRENは主に耐性に関連する指標として構築されました。 塩化物環境における孔食.
したがって、PRENは鋼材の「耐薬品性」を示す一般的な指標として解釈すべきではない。
PREN値が高い材料が、PREN値が低い材料よりも、あらゆる酸、塩基、またはプロセス環境に対して必ずしも耐性が高いとは限らない。

PRENはすべての薬剤に対する耐性を示すものではありません 腐食の種類

PREN値が高いからといって、必ずしも以下のものに対する耐性が高いとは限りません。

• 均一腐食,
• 粒界腐食、
• SCC（応力腐食割れ）,
• ガルバニック腐食,
• 高温腐食,
• 酸化,
• 浸炭,
• 硫化。

したがって、PRENは本来の目的、すなわち主に塩化物を含む環境における孔食耐性の比較指標として正確に使用されるべきである。

PREN、CPT、および実際の材料選定

種間の初期比較においては、PRENは非常に便利な指標である。
しかし、責任を持って材料を選ぶ際には、同時に以下の点を分析する価値があります。

• プレン – 化学組成に起因する孔食抵抗ポテンシャル、
• CPT – 臨界孔食温度、
• CCT – 臨界隙間腐食温度、
• 腐食試験結果例えば、ASTM G48によると、
• 動作温度、
• 塩化物濃度、
• pH値
• 酸化剤の存在、
• 流速、
• 停滞の可能性、
• 亀裂や堆積物の存在、
• 設備の構築および溶接方法、
• 路面状態。

この情報を集約することによってのみ、適切な資料選定の基礎が築かれる。

総和

PREN（孔食抵抗相当値） これは、ステンレス鋼の孔食に対する潜在的な耐性を迅速に比較するための最も有用な指標の1つです。
最も一般的に使用される式は次のとおりです。
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
タングステンを含む材料の場合：
PREN = %Cr + 3,3 × (%Mo + 0,5 × %W) + 16 × %N
PREN値が高いほど、一般的に塩化物環境における孔食発生に対する耐性が高いことを示す。
しかし、PRENは鋼材選定の単独基準として用いるべきではない。この指標は、温度、pH、塩化物濃度、微細構造、表面品質、溶接条件、装置設計などを考慮していない。
したがって、PRENは次のように扱うのが最適である。 材料選定の第一段階要求の厳しい用途においては、動作環境の分析、必要に応じて孔食および隙間腐食耐性試験の結果を補足的に行うべきである。

ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、ニッケル合金のPREN値の比較

下の表は概算値を示しています PREN（孔食抵抗相当値） 一般的なステンレス鋼、二相ステンレス鋼および超二相ステンレス鋼、高合金オーステナイト鋼、および一部のニッケル合金向け。
ほとんどのステンレス鋼の場合、PREN値は次の式を使用して計算されます。
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
PREN値は比較指標です。値が高いほど、塩化物を含む環境における孔食の発生に対する材料の耐性が高くなります。ただし、材料の総合的な耐食性を示す万能な指標ではありません。

* 一部のNi-Cr-Moニッケル合金についてアスタリスクが付いているPREN値は、VDM Metals社が使用する修正式に基づく計算から得られたものです。
PREN = %Cr + 3,3 × (%Mo + 0,5 × %W) + 30 × %N
この式はタングステンの影響を考慮しており、ステンレス鋼に一般的に使用される古典的な式よりも窒素に対して高い係数を使用しています。したがって、アスタリスクが付いているPREN値は、この式を使用して計算されたPREN値と直接数値的に比較すべきではありません。 Cr + 3,3Mo + 16N.

PREN値の違いをどのように解釈すればよいでしょうか？

表は、化学組成が孔食耐性に及ぼす影響を示しています。モリブデンを添加しない典型的なオーステナイト鋼、例えば、 1.4301 / AISI 304 i 1.4307 / AISI 304LPRENは約18～20に達する。 316L / 1.4404 PREN値を約24～25に上昇させる。
次のレベルの耐性は、モリブデン含有量の高い鋼材によって表されます。 317L i 904L / 1.4539904L鋼の場合、PREN値はおよそ34です。
二相鋼では、抵抗値が非常に大きく増加する。 デュプレックス 2205 / 1.4462 一般的なPREN値は約35ですが、鋼の場合は スーパーデュプレックス 2507 / 1.4410 40を超える。メーカーのデータによると、2507の最小値は約 42,5比較のために、Outokumpuの表によると、PRE値は2304で約25、LDX 2101で約26、2205で約35、2507で約41となっています。

6Mo鋼および40以上のPREN鋼

非常に腐食性の高い塩化物環境向けに設計された材料群には、高合金オーステナイト鋼が含まれます。 6Mo最も有名な例の1つは 254 SMO / 1.4547 / UNS S31254製造元はこの材料の最低価格を提示しています。 PREN ≥42,5.
同様の耐性クラスは種によって表される 1.4529 / 合金926 oraz AL-6XN / UNS N08367高濃度のクロム、約6～7％のモリブデン、および添加された窒素の組み合わせにより、PREN値は40を超えます。

Sanicro 35とAlloy 625 – PREN約52

さらに高いのは サニクロ 35 / 1.4562 / UNS N08935Alleimaは、約 52古典的な公式に従って計算 Cr + 3,3Mo + 16Nメーカーは、このレベルは合金625に匹敵するとも述べている。
合金 625 / 2.4856 / UNS N06625 クロムを約20～23％、モリブデンを約8～10％含有する。モリブデン含有量が非常に高いため、PREN値は約50～53となる。

C-276、合金22、合金59、および合金2120の横にアスタリスクが付いているのはなぜですか？

いわゆるCファミリーに属する高合金Ni-Cr-Mo材料の場合、VDM Metalsは修正された方程式を使用します。
PREN = %Cr + 3,3 × (%Mo + 0,5 × %W) + 30 × %N
この方法によれば、VDMは近似値を提供する。

• 合金C-276 / 2.4819 – PREN 約75*,
• 合金22 / 2.4602 – PREN 約70*,
• 合金59 / 2.4605 – PREN 約76*,
• 合金2120 / 2.4700 – PREN 約86*.

これらの値はVDM Metalsの仕様書から直接引用したもので、C-276については一般的に約16% Cr、16% Mo、3,5% W、合金22については約22% Cr、13% Mo、3% W、合金59については約23% Cr、16% Mo、合金2120については約21% Cr、19% Mo、0,075% Nを想定しています。
つまり、アスタリスクは重要なのですなぜなら、75や86という数値は、例えば254 SMO鋼のPREN 42,5と直接比較できると示唆している可能性があるからです。しかし、これらの値は異なる式を使用して計算されています。

PREN 50素材はPREN 40素材よりも常に優れているのでしょうか？

いいえ。PRENは主に潜在的な耐性を表します。 塩化物環境における孔食これは、化学薬品耐性の普遍的なランキングではありません。
材料の実際の耐性は、温度、pH、塩化物濃度、酸化剤および還元剤の存在、応力、表面状態、微細構造、溶接プロセス、および隙間や堆積物の可能性によっても影響を受ける。
良い例は 合金825そのPREN値は、特定の酸性環境下で非常に優れた性能を発揮する高合金ニッケル材料であるにもかかわらず、二相ステンレス鋼2205よりも低い可能性があります。PREN値だけでは、ニッケル、銅、その他の合金元素が耐薬品性に​​及ぼす影響を完全に説明することはできません。

PRENとCPT – 2つの異なるパラメータ

材料を比較する際には、PRENだけでなく、 CPT（臨界孔食温度）または臨界孔食温度。PRENは化学組成から算出される値であり、CPTは特定の試験条件下における材料の挙動を表す値である。
したがって、PREN値が類似している2つの材料であっても、実際の設置環境では必ずしも同じ耐性を示すとは限りません。高合金材料の場合、ASTM G48またはASTM G150に従って試験することで、その違いを評価するのが最適です。例えば、Alleima社はSanicro 35の臨界孔食温度を非常に高く設定しており、同時にこの材料を254 SMO、Alloy 625、C-276と比較しています。
結論： PRENは、特に類似した不動態化機構を持つステンレス鋼間の予備的な材料比較に優れたツールです。しかし、従来のステンレス鋼から高合金ニッケル合金（Ni-Cr-Mo-W）へと対象を広げていくにつれて、PRENの単純な数値解釈にはより注意を払う必要があります。

鋼材および金属の腐食の種類

鋼材および金属の均一腐食
ステンレス鋼の孔食
ステンレス鋼の隙間腐食
ステンレス鋼の粒界腐食
応力腐食割れ（SCC）
ガルバニック腐食
浸食腐食
キャビテーション腐食
腐食疲労
フレッティング腐食
微生物腐食 MIC
高温腐食

環境による腐食の分類

海洋腐食 – 海水中での鋼鉄および金属の腐食
Korozja atmosferyczna
地盤腐食
淡水および工業用水における腐食
塩化物環境における腐食
酸性環境における腐食
アルカリ環境における腐食
ガスおよび排気ガス中の腐食
下水および下水道システムの腐食
化学・石油化学環境における腐食

関連トピック

CPT – ステンレス鋼およびニッケル合金の臨界孔食温度
PREN – ステンレス鋼の孔食耐性指数
CCT – ステンレス鋼およびニッケル合金の臨界隙間腐食温度