คำอธิบาย PREN: การจัดอันดับเกรดสแตนเลสตามความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้ง

เลขจำนวนที่แสดงความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้ง (pitting resistance equivalent number หรือ PREN) ใช้จัดอันดับเกรดสแตนเลสตามความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้งจากไอออนคลอไรด์ โดยใช้สูตร PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N บนมาตรวัดนี้ เกรด 304 มาตรฐานมีค่าอยู่ที่ประมาณ 18 เกรด 316L อยู่ที่ประมาณ 24 เกรดดูเพล็กซ์ 2205 อยู่ที่ประมาณ 35 และเกรดซูเปอร์ดูเพล็กซ์ 2507 อยู่ที่ประมาณ 43 ยิ่งค่า PREN สูง หมายความว่าโลหะผสมนั้นสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นและมีไอออนคลอไรด์เข้มข้นมากขึ้นได้ ก่อนที่จะเริ่มเกิดการกัดกร่อนแบบพิตติ้งในบริเวณเฉพาะเจาะจง ดังนั้น PREN จึงถือเป็นตัวเลขที่มีประโยชน์มากที่สุดตัวหนึ่งสำหรับการเปรียบเทียบเกรดเบื้องต้น ทั้งนี้ ผู้ใช้จำเป็นต้องเข้าใจข้อจำกัดของมันด้วย

สิ่งที่สูตรนี้คำนวณจริงๆ
แต่ละพารามิเตอร์ในสมการ PREN สะท้อนบทบาทของธาตุนั้นๆ ในการป้องกันฟิล์มแบบพาสซีฟไม่ให้เสื่อมสภาพ โครเมียมเป็นองค์ประกอบหลักที่ทำให้เหล็กกล้ามีคุณสมบัติแบบสแตนเลส คุณจำเป็นต้องมีโครเมียมอย่างน้อยประมาณร้อยละ 10.5 เพื่อให้เกิดชั้นออกไซด์ของโครเมียมที่มีคุณสมบัติป้องกัน และทุกๆ เปอร์เซ็นต์ที่เพิ่มขึ้นจะยิ่งเสริมความแข็งแรงของชั้นนั้นให้มากยิ่งขึ้น โมลิบดีนัมมีค่าสัมประสิทธิ์เท่ากับ 3.3 เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงกว่าโครเมียมอย่างมากต่อหน่วย ในการทำให้ผิวโลหะกลับเข้าสู่สภาวะพาสซีฟและป้องกันไม่ให้เกิดโพรง (pits) เมื่อถูกคลอไรด์โจมตี ไนโตรเจนมีค่าสัมประสิทธิ์สูงสุดคือ 16 เพราะแม้จะเติมเพียงเล็กน้อย ก็สามารถเพิ่มความต้านทานต่อการเกิดโพรงได้อย่างมาก พร้อมทั้งเสริมความแข็งแรงของวัสดุอีกด้วย จึงเป็นเหตุผลที่เกรดเหล็กกล้าสมัยใหม่ที่มีสมรรถนะสูงมักถูกออกแบบให้มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก สำหรับสูตรเวอร์ชันหนึ่งที่เรียกว่า PREN16 หรือ PREW จะเพิ่มพารามิเตอร์ของทังสเตนเข้าไป แต่สูตรสามองค์ประกอบยังคงเป็นมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม บางแหล่งอ้างอิงอาจใช้ค่าสัมประสิทธิ์ของไนโตรเจนเท่ากับ 30 แทน 16 สำหรับเกรดที่มีการผสมธาตุสูงเป็นพิเศษ ดังนั้นควรตรวจสอบค่าสัมประสิทธิ์ที่ใช้ในค่า PREN ที่เผยแพร่ก่อนนำข้อมูลไปวิเคราะห์สรุปผล

การจัดอันดับเกรดที่ใช้บ่อย
นำสูตรนี้ไปใช้กับสารเคมีทั่วไประดับกลาง จะเห็นลำดับชั้นที่ชัดเจนขึ้น โลหะสแตนเลสเกรด 304 ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 18 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ และไม่มีโมลิบดีนัมโดยเจตนา จะให้ค่า PREN อยู่ที่ประมาณ 18 ถึง 20 เกรด 316L ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 16 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ และโมลิบดีนัม 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ จะให้ค่า PREN ประมาณ 24 ถึง 26 โมลิบดีนัมคือเหตุผลที่เกรด 316L เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมทางทะเลแบบเบา และในอุตสาหกรรมอาหารและเคมีหลายประเภท สแตนเลสแบบดูเพล็กซ์ 2205 ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 22 เปอร์เซ็นต์ โมลิบดีนัม 3 เปอร์เซ็นต์ และไนโตรเจน 0.17 เปอร์เซ็นต์ จะให้ค่า PREN ประมาณ 35 ส่วนสแตนเลสแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์ 2507 ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ โมลิบดีนัม 4 เปอร์เซ็นต์ และไนโตรเจน 0.28 เปอร์เซ็นต์ จะให้ค่า PREN ประมาณ 43 ซึ่งถือเป็นเกณฑ์กำหนดว่าเป็นซูเปอร์ดูเพล็กซ์เมื่อค่า PREN สูงกว่า 40

ตาราง: องค์ประกอบทางเคมีและค่า PREN โดยประมาณ

เมื่อค่า PREN มีความสำคัญจริงๆ
PREN จะมีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่คลอไรด์และภาวะการกัดกร่อนแบบจุดเป็นสาเหตุหลักของการล้มเหลว มากกว่าการสูญเสียมวลโลหะอย่างสม่ำเสมอ น้ำทะเล น้ำกร่อย น้ำที่แยกได้จากกระบวนการผลิต สารละลายเกลือสำหรับละลายหิมะ น้ำยาฟอกขาว และของไหลในกระบวนการที่ผ่านการเติมคลอรีน รวมถึงบรรยากาศบริเวณชายฝั่ง ล้วนก่อให้เกิดความเสียหายต่อฟิล์มป้องกันผิวโลหะที่จุดเฉพาะเจาะจง ส่งผลให้เกิดรูพรุนซึ่งอาจทะลุผ่านผนังวัสดุได้ แม้ว่าพื้นผิวโดยรอบยังคงดูเงาอยู่ก็ตาม แนวคิดสองประการที่เกี่ยวข้องกันนี้ทำให้ค่า PREN สามารถใช้กำหนดข้อจำกัดในการใช้งานจริงได้ ประการแรกคือ อุณหภูมิวิกฤตของการเกิดรูพรุน (Critical Pitting Temperature: CPT) ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิต่ำสุดที่รูพรุนเริ่มก่อตัวอย่างมั่นคงในสารละลายคลอไรด์ที่กำหนดไว้ โดยค่า CPT มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับค่า PREN ตัวอย่างเช่น โลหะผสมเกรด 316L อาจมีค่า CPT ประมาณ 15 ถึง 25 องศาเซลเซียส ภายใต้การทดสอบมาตรฐาน ในขณะที่เกรด 2205 มีค่า CPT ประมาณ 35 ถึง 45 องศาเซลเซียส และเกรด 2507 มีค่า CPT สูงกว่า 55 ถึง 70 องศาเซลเซียส หลังจากที่ผู้ออกแบบทราบอุณหภูมิในการทำงานและระดับคลอไรด์แล้ว การเปรียบเทียบค่า PREN และ CPT ระหว่างวัสดุที่พิจารณาจะช่วยคัดกรองตัวเลือกได้อย่างรวดเร็ว และหลีกเลี่ยงการเลือกใช้โลหะผสมที่มีแนวโน้มเกิดรูพรุนระหว่างการใช้งานจริง ความเสี่ยงนั้นมีน้ำหนักจริง: เพียงรูพรุนเดียวในท่อที่ทำงานภายใต้แรงดัน ก็อาจทำให้กระบวนการผลิตหยุดชะงัก ทำให้ผลิตภัณฑ์ปนเปื้อน และก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายมหาศาลที่สูงกว่าความต่างของราคาโลหะผสมแต่ละเกรดหลายเท่า ด้วยเหตุนี้ การเลือกโลหะผสมโดยอิงค่า PREN จึงถือเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการความเสี่ยง ไม่ใช่เพียงรายละเอียดด้านการจัดซื้อ

ขีดจำกัดของตัวเลขเพียงตัวเดียว
PREN เป็นเครื่องมือจัดอันดับ ไม่ใช่ตัวทำนายการกัดกร่อนแบบครบวงจร การถือว่า PREN เป็นหลักประกันนั้นนำไปสู่ความล้มเหลวได้โดยแน่นอน ค่า PREN คำนวณจากองค์ประกอบทางเคมีตามชื่อเรียกหรือที่วัดได้จากกระทะหลอม แต่ไม่พิจารณาโครงสร้างจุลภาคที่วัสดุจริงๆ ได้รับมา แม้เกรดสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์จะมีค่า PREN ที่ถูกต้อง ก็อาจให้สมรรถนะต่ำได้หากกระบวนการอบอ่อนแบบละลาย (solution annealing) ไม่เหมาะสมจนเกิดการตกตะกอนของเฟสซิกมา (sigma phase) เพราะสารระหว่างโลหะ (intermetallics) จะดึงโครเมียมและโมลิบดีนัมออกจากเนื้อวัสดุรอบข้าง ไม่ว่าองค์ประกอบเฉลี่ยจะเป็นอย่างไรก็ตาม รอยเชื่อมก็เป็นอีกจุดหนึ่งที่ PREN ไม่สามารถประเมินได้: โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (heat-affected zones) และโลหะเชื่อมที่ยังไม่ผสมผสานกันอย่างสมบูรณ์ (unmixed weld metal) อาจมีองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคเฉพาะที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมก่อนที่วัสดุต้นฉบับจะเสียหาย จึงจำเป็นต้องทดสอบการกัดกร่อนตามมาตรฐาน ASTM A923 หรือ G48 บนผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการผลิตแล้วเท่านั้น PREN ไม่ให้ข้อมูลใดๆ เกี่ยวกับการกัดกร่อนแบบเกิดรอยแยก (crevice corrosion) ซึ่งเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมบนพื้นผิวเปิด รวมทั้งไม่ครอบคลุมการกัดกร่อนจากแรงดึง (stress corrosion cracking) การกัดกร่อนทั่วไปในสภาวะกรด หรือการกัดกร่อนจากการกัดเซาะ (erosion) ค่า PREN ยังไม่สามารถสะท้อนคุณภาพพื้นผิว ความปนเปื้อนของธาตุเหล็กที่ฝังตัวอยู่ หรือคราบสิ่งสกปรกที่สะสมคลอไรด์ไว้ใต้คราบสเกลได้อีกด้วย

การใช้ PREN อย่างรับผิดชอบในการคัดเลือก
ขั้นตอนการทำงานที่ใช้งานได้จริงคือ ใช้ค่า PREN เพื่อประเมินเบื้องต้นก่อน แล้วจึงยืนยันผลด้วยข้อมูลการให้บริการและผลการทดสอบ ขั้นตอนแรกคือ การเลือกเกรดสแตนเลสให้สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน: สำหรับงานภายในอาคารที่มีคลอไรด์ต่ำ เกรด 304 มีความคุ้มค่า; สำหรับงานในเขตชายฝั่งที่รุนแรงปานกลางหรืองานทั่วไปกับสารเคมี เกรด 316L คือตัวเลือกหลัก; สำหรับสภาพที่มีคลอไรด์เข้มข้นขึ้นหรืออุณหภูมิสูงขึ้น ให้เลือกเกรด 2205; ส่วนในกรณีน้ำทะเลหรือสภาพแวดล้อมนอกชายฝั่งที่มีคลอไรด์รุนแรงมากเป็นพิเศษ ควรเลือกเกรด 2507 ต่อมา ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่จัดส่งมาด้วยวิธีโลหะวิทยา (metallography) และการวัดปริมาณเฟอร์ไรต์ (ferrite measurement) ยืนยันองค์ประกอบทางเคมีด้วยวิธีระบุชนิดวัสดุเชิงบวก (positive material identification) และการวิเคราะห์ทางเคมีแบบเปียก (wet chemical analysis) และในกรณีที่การใช้งานมีความสำคัญยิ่ง จำเป็นต้องดำเนินการทดสอบการกัดกร่อนแบบจุด (pitting) หรือการกัดกร่อนแบบรอยแยก (crevice corrosion) ในห้องปฏิบัติการ โดยใช้วัสดุจากชุดการผลิตจริง (actual heat) และขั้นตอนการเชื่อม (weld procedure) ที่จะนำไปใช้งานจริง ทั้งนี้ ควรมีการบันทึกความเข้มข้นของคลอไรด์ที่คาดการณ์ไว้และอุณหภูมิสูงสุดของผิวโลหะไว้ในข้อกำหนดทางเทคนิค เพราะแม้เกรดหนึ่งๆ จะสามารถทนต่อระดับคลอไรด์โดยรวมได้ดี แต่ก็อาจล้มเหลวได้หากเกิดการระเหย คราบสิ่งสกปรกสะสม หรือรอยแยกที่ทำให้คลอไรด์เข้มข้นขึ้นในบริเวณท้องถิ่น เมื่อนำค่า PREN ไปใช้ตามวิธีนี้ จะกลายเป็นเครื่องมือคัดกรองที่มีประสิทธิภาพและมีพื้นฐานจากหลักฟิสิกส์ ซึ่งช่วยชี้แนะผู้ซื้อให้เลือกเกรดที่เหมาะสม ในขณะที่ผลการทดสอบจะยืนยันว่าท่อเฉพาะชิ้นนั้นสามารถใช้งานได้จริงภายใต้สภาวะที่กำหนด

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: ค่า PREN ที่สูงขึ้นจะดีกว่าเสมอหรือไม่
คำตอบ: สำหรับความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบพิตติ้งจากคลอไรด์ ใช่ แต่เกรดวัสดุที่มีค่า PREN สูงกว่านั้นมีราคาแพงกว่าและยากต่อการขึ้นรูปมากกว่า ดังนั้นควรเลือกค่า PREN ให้สอดคล้องกับระดับคลอไรด์และอุณหภูมิจริงที่วัสดุจะสัมผัส แทนที่จะระบุค่าสูงเกินความจำเป็น
คำถาม: ค่า PREN คำนึงถึงการกัดกร่อนแบบครีวิซ (crevice corrosion) หรือการกัดกร่อนแบบแตกหักภายใต้แรงดัน (stress corrosion cracking) หรือไม่
คำตอบ: ไม่ ค่า PREN ใช้จัดอันดับเฉพาะความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบพิตติ้งบนพื้นผิวเปิดเท่านั้น ส่วนการกัดกร่อนแบบครีวิซ การกัดกร่อนแบบแตกหักภายใต้แรงดัน และการกัดกร่อนทั่วไปจากกรด จำเป็นต้องประเมินและทดสอบแยกต่างหาก

ยังไม่แน่ใจว่าเกรด PREN ใดเหมาะสมกับสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ของคุณ? บริษัท เจ้อเจียง เหวินเชียง สเตนเลสสตีล จำกัด สามารถให้คำแนะนำและจัดจำหน่ายผลิตภัณฑ์ตั้งแต่เกรด 304 ถึง 2507 ได้ โทร +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/