الفولاذ المقاوم للصدأ 317L مقابل 316L: عندما يُحدث الموليبدينوم الإضافي فرقًا في مقاومة التنقر

316L الصلبهو الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في خدمة التآكل، وذلك لسبب وجيه: فهو يلحم بسهولة، ويقاوم التآكل العام، ويكلف أقل من معظم السبائك الأعلى. ولكن يوجد وضع فشل حيث يسمح 316L للمهندسين بهدوء بخفض - التآكل الناتج عن التآكل في البيئات الغنية بالكلوريد-. يمكن أن تتسبب مياه البحر، ومياه التبريد قليلة الملوحة، وملح الطرق، والمحلول الملحي المعالج، وحتى الرطوبة الساحلية في تكوين حفر صغيرة وعميقة في 316L تنفق عبر الجدار المعدني وتتسبب في حدوث تسربات - في كثير من الأحيان بدون تحذير مرئي.

317L موجود لهذا الموقف بالضبط. الفرق الكامل بين 316L و317L يعود إلى عنصر واحد: الموليبدينوم. 316L يحتوي على 2-3% موليبدينوم؛ 317L يحتوي على 3-4%. يؤدي هذا الموليبدينوم الإضافي بنسبة 1%، مع كمية أكبر قليلاً من الكروم (18-20% مقابل 16-18%)، إلى زيادة مقاومة السبيكة للنقر بنسبة 25% تقريبًا - وهو ما يكفي ليعني الفرق بين مبادل حراري يدوم 3 سنوات وآخر يدوم 15 عامًا. ويعني الحرف "L" في كلا الصفين "منخفض الكربون" (أقل من أو يساوي 0.03%)، لذا يتم لحام كلاهما بشكل نظيف دون تحسس.

إذا كان مكون 316L الخاص بك سيشاهد أيونات الكلوريد (Cl⁻) - خاصة الكلوريدات الدافئة أو الحمضية - وكان الحفر هو وضع الفشل الذي يقلقك، قم بالترقية إلى 317L. إن علاوة التكلفة البالغة 15-30% تمنحك مقاومة أكثر للتنقر بنسبة 25% تقريبًا، وهو تأمين رخيص ضد فشل التنقر بالكلوريد. إذا كانت البيئة لا تحتوي على كلوريدات، فإن 316L عادةً ما يكون كافيًا وأكثر اقتصادًا. باختصار: 316L هو الخيار الافتراضي، و317L هو ترقية الكلوريد.

التركيب الكيميائي

يشترك 316L و317L في نفس القاعدة الأوستنيتي ونفس الكربون المنخفض جدًا- (أقل من أو يساوي 0.03%)، لكنهما يختلفان في ثلاثة عناصر صناعة السبائك: الموليبدينوم (2-3% مقابل 3-4%)، والكروم (16-18% مقابل 18-20%)، والنيكل (10-14% مقابل 11-15%). الموليبدينوم الإضافي هو الفرق الحاسم - فهو العنصر الذي يقاوم التآكل والشقوق في بيئات الكلوريد. كل شيء آخر يتعلق بالدرجتين هو نفسه في الأساس.

ينتمي كلا النوعين إلى سلسلة 300- من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ويحملان اللاحقة "L"، التي تعني "منخفض الكربون" (أقل من أو يساوي 0.03%) للحصول على أقصى مقاومة لحساسية اللحام. الموليبدينوم هو عنصر صناعة السبائك المحدد الذي يفصل عائلة 316/317 عن 304 العادي. وفي 316L، يتراوح الموليبدينوم من 2% إلى 3%. وفي 317L تتراوح من 3% إلى 4%. هذه قفزة ذات معنى: الموليبدينوم باهظ الثمن وقوي، والانتقال من ~2.5% إلى ~3.5% موليبدينوم هو ما يحول 316L إلى سبيكة "من الدرجة البحرية".

لماذا يقاوم الموليبدينوم التنقر - العلم بلغة بسيطة

يقاوم الموليبدينوم التنقر لأنه يجعل طبقة أكسيد الكروم الواقية على سطح الفولاذ أقوى وأكثر -إصلاحًا ذاتيًا. عندما يهاجم أيون الكلوريد نقطة ضعف في الفيلم، يتفاعل الموليبدينوم الموجود في السبيكة مع الماء لتكوين الموليبدات، التي تعمل على إعادة ترقيع الفيلم التالف. المزيد من الموليبدينوم=أسرع وأكثر اكتمالًا ذاتيًا-يصلح=عدد أقل من الحفر التي تتحول إلى تسريبات. هذا هو السبب في أن مقاومة التنقر لموازين الفولاذ المقاوم للصدأ تكون مباشرة تقريبًا مع محتوى الموليبدينوم.

يقاوم الفولاذ المقاوم للصدأ التآكل بفضل طبقة غير مرئية -من أكسيد الكروم (Cr₂O₃) تتشكل على سطحه في وجود الأكسجين. تبلغ سماكة هذا الغشاء بضعة نانومترات فقط - أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان - ومع ذلك فهو ما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ "غير قابل للصدأ". تكمن المشكلة في أن أيونات الكلوريد تعمل على تحطيم الأفلام -بقوة. يمكن لأيون الكلوريد أن يخترق طبقة الأكسيد عند نقطة ضعف مجهرية (محتوى كبريتيد، خدش، حدود الحبوب) ويهاجم المعدن العاري الموجود تحته.

بمجرد أن تبدأ الحفرة، فإنها-تتسارع ذاتيًا: يصبح الجزء الداخلي من الحفرة حمضيًا ويفتقر إلى الأكسجين-، مما يمنع الطبقة من التشكل-، بينما يظل المعدن المحيط سلبيًا. يؤدي هذا إلى إنشاء خلية كلفانية صغيرة - بطارية مصغرة - حيث يكون الجزء الداخلي للحفرة هو الأنود (يتآكل بسرعة) والسطح المحيط هو الكاثود (محمي). والنتيجة هي ثقب ضيق وعميق يمكن أن يمر عبر سمك الجدار بالكامل بينما يبدو باقي السطح كما هو. يعد الحفر خطيرًا على وجه التحديد لأنه موضعي: يمكن أن يفقد الأنبوب 0.01% من وزنه الإجمالي بسبب التآكل ولكنه يفشل تمامًا من خلال ثقب واحد في الجدار-.

الموليبدينوم يقاطع هذه العملية. يذوب الموليبدينوم الموجود في السبيكة في محلول الحفرة ويساعد على إعادة -تخميل السطح المعدني، وتكوين مركبات الموليبدات التي تسد الهجوم وتسمح بإعادة تشكيل طبقة الأكسيد-. ويعني ارتفاع الموليبدينوم أن السبيكة يمكنها إصلاح تلف الفيلم بشكل أسرع من قدرة الكلوريدات على كسره. وهذا هو السبب في أن 317L، الذي يحتوي على ~3.5% موليبدينوم، يقاوم التنقر بشكل أفضل بكثير من 316L الذي يحتوي على ~2.5%.

PREN - الرقم الذي يحدد مقاومة التنقر

PREN (الرقم المكافئ لمقاومة التنقر) هو الطريقة القياسية لتصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ لمقاومة التنقر: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. 316L لديه PREN يبلغ حوالي 24-26؛ 317L لديه PREN ما يقرب من 29-31. تمثل هذه الفجوة المكونة من 5 نقاط تحسنًا حقيقيًا وقابلاً للقياس في مقاومة تأليب الكلوريد - ويرجع ذلك بالكامل تقريبًا إلى الموليبدينوم الإضافي بنسبة 1٪.

إن صيغة PREN هي أداة فحص سريعة، وليست ضمانة. ويخبرك، برقم واحد، ما إذا كانت الدرجة مرشحًا معقولًا لبيئة كلوريد معينة. كقاعدة عامة: PREN أقل من 20 غير مناسب لأي تعرض حقيقي للكلوريد؛ يعالج PREN 20-30 الكلوريدات الخفيفة إلى المتوسطة (المياه قليلة الملوحة، ورذاذ مياه البحر الخفيفة)؛ يعالج PREN 30-40 الكلوريدات العدوانية (الغمر في مياه البحر، والمحلول الملحي الدافئ)؛ مطلوب PREN فوق 40 للخدمة الشديدة (مياه البحر الساخنة، والمبيض، والكلوريدات الحمضية). لاحظ مكان سقوط 316L و317L: يقع 316L بالقرب من الجزء السفلي من النطاق "المعتدل"، بينما يصل 317L إلى قمته - وهي خطوة ذات مغزى للأعلى، على الرغم من أنها لا تزال أقل من السبائك الحقيقية من درجة مياه البحر.

مقاومة التآكل

في البيئات التي تحتوي على الكلوريد-، يكون 317L أكثر مقاومة للتآكل والشقوق من 316L. تبلغ درجة حرارة التنقر الحرجة (CPT) لـ 317L حوالي 25-35 درجة، مقابل 15-20 درجة لـ 316L - مما يعني أن 317L يمكنه تحمل محاليل الكلوريد بدرجة حرارة أعلى بمقدار 10-15 درجة قبل بدء التنقر. بالنسبة لتآكل الشقوق، تكون الفجوة مماثلة: يبقى 317L في ظروف الكلوريد التي من شأنها أن تؤدي إلى تآكل الشقوق بسرعة 316L، خاصة تحت الحشيات والرواسب والمثبتات.

التآكل الحفري هو هجوم موضعي ينتج عنه ثقوب صغيرة وعميقة في سطح أملس. التآكل الشقّي هو ابن عمه: الهجوم الذي يحدث في فجوات ضيقة - تحت الحشيات أو الغسالات أو رؤوس البراغي أو تناثر اللحام أو النمو البحري أو الرواسب المتراكمة - حيث تصبح البيئة راكدة، ويستنزف الأكسجين-، ويتحمّض. يكون تآكل الشقوق بشكل عام أكثر عدوانية من التنقر لأن هندسة الشق تحبس الكلوريدات والحمض بينما تستبعد الأكسجين اللازم لإصلاح الطبقة الواقية.

يتميز كلا وضعي الفشل بدرجة حرارة حرجة: أقل من CPT (درجة حرارة التنقر الحرجة) أو CCT (درجة حرارة الشق الحرجة)، تقاوم السبيكة الهجوم؛ وفوقه يبدأ الهجوم وينتشر. يتم قياس درجات الحرارة هذه عن طريق الاختبارات القياسية (ASTM G48) في محلول كلوريد الحديديك. عادة ما يكون CPT لـ 316L حوالي 15-20 درجة، بينما يختبر 317L حوالي 25-35 درجة. وهذا الفارق الذي يتراوح بين 10 إلى 15 درجة يشكل أهمية كبيرة في الممارسة العملية: فهو الفارق بين المبادل الحراري الذي ينجو من مياه البحر الاستوائية، والمبادل الذي يحفر في غضون أشهر.

حمض الكبريتيك والفوسفوريك - الميزة الأخرى لـ 317L

بعيدًا عن الحفر، يتفوق 317L أيضًا على 316L في تقليل الأحماض - وخاصة حمض الكبريتيك والفوسفوريك - لأن محتواه العالي من الموليبدينوم والكروم والنيكل يحسن المقاومة لظروف الاختزال (الأكسجين- المتعطشة) الموجودة داخل هذه الأحماض. وهذا هو السبب في أن 317L هي المادة التقليدية لمبخرات حمض الفوسفوريك، ومعالجة الأحماض الدهنية، ومعالجة حمض الكبريتيك في الصناعات الكيميائية والغذائية.

هذه نقطة مهمة يتجاهلها العديد من المهندسين: 317L ليس مجرد "316L أكثر مقاومة للتنقر-" - ولكنه أيضًا أكثر مقاومة لأحماض معينة. يعمل حمض الكبريتيك (H₂SO₄) وحمض الفوسفوريك (H₃PO₄) على تقليل الأحماض، مما يعني أنهم يهاجمون المعدن حيث يكون الأكسجين نادرًا - داخل الحمض نفسه - بدلاً من السطح الغني بالأكسجين -. الكروم العالي (18-20%)، الموليبدينوم (3-4%)، والنيكل (11-15%) في 317L يمنحه مقاومة أفضل لظروف الاختزال هذه من 316L.

والمثال الكلاسيكي هو إنتاج حمض الفوسفوريك والتبخر. يحتوي حمض الفوسفوريك -المعالجة الرطبة على الكلوريدات والفلوريدات التي قد تؤدي إلى حفر 316L، لذا فإن 317L هي المادة القياسية لأنابيب المبخر، والسخانات، والمضخات في هذه الخدمة. وبالمثل، في معالجة الأحماض الدهنية (زيوت الطعام والصابون والمنظفات)، يقاوم 317L الظروف الحمضية الساخنة بشكل أفضل من 316L. إذا كان التطبيق الخاص بك يتضمن حمض الكبريتيك أو الفوسفوريك - حتى في التركيزات المتواضعة - 317L فهو الخيار الأكثر أمانًا.

التآكل العام

بالنسبة للتآكل العام (الموحد) في البيئات غير-الكلوريدية وغير الحمضية -، فإن التعرض للغلاف الجوي والمياه العذبة والأحماض العضوية المعتدلة في الطعام - 316L و317L يؤديان أداءً متطابقًا بشكل أساسي، لأن مقاومة التآكل العامة تخضع بشكل أساسي لمحتوى الكروم، وهو قريب في كلا الصفين. إن قسط 317L لا يشتري لك شيئًا في هذه البيئات المعتدلة، ولهذا السبب يظل 316L هو الخيار الاقتصادي الافتراضي لخدمة التآكل للأغراض العامة-.

وهذه هي النقطة المقابلة الحاسمة لميزة 317L: فهي ليست الأفضل عالميًا. في البيئات التي لا تحتوي على كلوريدات أو أحماض مختزلة، يتم إهدار الموليبدينوم الإضافي في 317L، وستدفع 15-30% أكثر مقابل مقاومة التآكل التي لن تستخدمها أبدًا. بالنسبة لمعالجة الأغذية بدون المحاليل الملحية، والمعدات الصيدلانية، والتطبيقات المعمارية، والتعامل مع المواد الكيميائية العامة الخالية من الكلوريد، فإن 316L هو الاختيار الصحيح والاقتصادي. تتمثل المهارة في اختيار المواد في معرفة متى يكون تهديد الكلوريد أو الحمض حقيقيًا بدرجة كافية لتبرير ترقية 317L.

الخواص الميكانيكية

317L أقوى قليلاً من 316L في درجة حرارة الغرفة: الحد الأدنى لقوة الشد هو 515 ميجا باسكال (75 كيلو بوصة مربعة) مقابل 485 ميجا باسكال (70 كيلو بوصة مربعة) لـ 316 لتر، والحد الأدنى لقوة الخضوع هو 205 ميجا باسكال (30 كيلو بوصة مربعة) مقابل 170 ميجا باسكال (25 كيلو بوصة مربعة). تأتي ميزة القوة البالغة 6-20% من المحتوى العالي من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين - ولكنه عامل ثانوي، وليس سببًا لاختيار 317L. إن قرار استخدام 317L مدفوع بمقاومة التآكل، وليس القوة.

قابلية التشكيل وقابلية التشغيل

كلا الصفين أوستنيتي تمامًا وقابلان للتشكيل بدرجة عالية، وقابلان للحام، كما أن العمل . 317L أكثر صعوبة قليلاً في التبريد-من 316L بسبب محتواه العالي من السبائك (يعمل-يتصلد بشكل أسرع قليلاً)، ولكن الفرق بسيط في الممارسة العملية. بالنسبة للتصنيع الآلي، كلا الفئتين متشابهتان، على الرغم من أن المحتوى العالي من السبائك في 317L يقلل قليلاً من إمكانية التصنيع. لا يمكن تصلب أي من الدرجات عن طريق المعالجة الحرارية - ويتم تصليدها فقط عن طريق العمل البارد.

ملاحظة عملية للمصنعين: نظرًا لأن 317L يحتوي على قدر أكبر من الموليبدينوم والكروم والنيكل، فإنه يعمل-يتصلب بشكل أسرع إلى حد ما من 316L أثناء التشكيل على البارد والتصنيع الآلي. وهذا يعني تغييرات متكررة قليلاً في الأداة وقد تكون هناك حاجة إلى نصف قطر انحناء أكبر قليلاً. ومع ذلك، بالنسبة للغالبية العظمى من التطبيقات، - يتم تصنيع الأنابيب والتجهيزات والفلنجات والألواح والصفائح - 317L بنفس سهولة تصنيع 316L باستخدام ممارسات الفولاذ المقاوم للصدأ القياسية.

[المصدر] ASTM A240/A240M - المواصفات القياسية للكروم والكروم-لوحة وصفائح وشريط من الفولاذ المقاوم للصدأ من النيكل.

اللحام - يتم اللحام بشكل نظيف، ولكن يتطابق مع معدن الحشو

كل من 316L و317L عبارة عن درجات L- تحتوي على أقل من أو تساوي 0.03% من الكربون، لذا يتم اللحام بشكل نظيف بدون معالجة حرارية بعد اللحام - ومقاومة التحسس في حالة اللحام-. القاعدة الأساسية هي اختيار معدن الحشو: بالنسبة للمفاصل 317L، استخدم حشو ER317L (AWS A5.9) بحيث يتطابق معدن اللحام مع محتوى الموليبدينوم الأعلى في المعدن الأساسي. يؤدي استخدام حشو 316L في وصلة 317L إلى إنشاء منطقة لحام PREN أقل - - وهي نقطة ضعف محتملة في خدمة الكلوريد.

فخ الحشو المعدني

عند لحام 317L - أو توصيل 316L إلى 317L -، استخدم معدن الحشو ER317L. يجب أن يحتوي معدن اللحام على قدر من الموليبدينوم على الأقل مثل المعدن الأساسي الأكثر مقاومة للتآكل. إذا قمت بلحام 317L باستخدام حشو ER316L، فإن حبة اللحام تصبح نقطة ضعف التآكل وسوف تنحفر قبل 317L المحيطة - مما يؤدي إلى هزيمة الغرض الكامل من تحديد 317L.

وهذا خطأ شائع ومكلف في هذا المجال. يمكن للمصنع المعتاد على اللحام 316L أن يصل تلقائيًا إلى حشو ER316L. عندما يكون المفصل فعليًا 317L (أو 316L-إلى-317L)، فإن معدن اللحام المترسب ينتهي بـ ~2.5% فقط من الموليبدينوم، بينما يحتوي المعدن الأساسي على ~3.5%. في بيئة الكلوريد، تصبح خرزة اللحام - مع PREN السفلي - أول مكان للحفر. والنتيجة هي فشل اللحام بسبب التآكل التفضيلي عند النقطة التي كان من المفترض أن يوفر فيها 317L ذو التكلفة الإضافية الحماية. قم دائمًا بتحديد والتحقق من حشو ER317L لعمل 317L.

[المصدر] مواصفات AWS A5.9/A5.9M - لأقطاب وقضبان اللحام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.

الأسئلة المتداولة

س: ما الفرق بين 316L و317L؟

ج: الفرق هو محتوى الموليبدينوم والكروم. 316L يحتوي على 2-3% موليبدينوم و16-18% كروم؛ يحتوي 317L على 3-4% موليبدينوم و18-20% كروم. كلاهما يحتوي على أقل من أو يساوي 0.03% من الكربون. الموليبدينوم الإضافي في 317L يمنحه مقاومة أكبر بنسبة 25% تقريبًا للتآكل والشقوق في بيئات الكلوريد، بالإضافة إلى مقاومة أفضل لتقليل الأحماض مثل حمض الكبريتيك والفوسفوريك.

س: متى يجب علي استخدام 317L بدلاً من 316L؟

ج: استخدم 317L عندما تحتوي البيئة على كلوريدات (مياه البحر، المياه قليلة الملوحة، محلول ملحي، مبيض) أو أحماض مختزلة (أحماض الكبريتيك، الفوسفوريك، الأحماض الدهنية) التي من شأنها أن تتسبب في حدوث حفر أو تآكل في 316L. التطبيقات النموذجية: أجهزة إزالة الكبريت من غاز المداخن، ومبخرات حمض الفوسفوريك، ومعالجة الأحماض الدهنية، وتبييض اللب والورق، والمبادلات الحرارية لمياه البحر/الملوحة. إذا كانت البيئة لا تحتوي على كلوريدات أو أحماض مختزلة، فإن 316L كافٍ وأرخص.

س: هل 317L أغلى من 316L؟

ج: نعم، يكلف 317L عادةً 15-30% أكثر من 316L لأنه يحتوي على المزيد من الموليبدينوم والكروم والنيكل - وجميع عناصر صناعة السبائك باهظة الثمن. يتم تبرير العلاوة عندما تمنع فشل التآكل، الأمر الذي قد يكلف أكثر بكثير من ترقية المواد. في البيئات الخالية من الكلوريد، يتم إهدار القسط، و316L هي القيمة الأفضل.

س: ما هو PREN؟

ج: PREN (الرقم المكافئ لمقاومة التنقر) عبارة عن معادلة تقدر مقاومة التنقر: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. الأعلى هو الأفضل. 316L لديه PREN ~24-26؛ 317L لديها ~ 29-31. كدليل تقريبي، هناك حاجة إلى PREN أعلى من 32 لخدمة مياه البحر وأعلى من 40 لخدمة الكلوريد الشديدة. 317L، عند ~30، وهي خطوة ذات معنى أعلى من 316L ولكنها لا تزال أقل من السبائك الحقيقية من درجة مياه البحر مثل 904L والازدواج الفائق.

س: هل يمكن لحام 317L؟

ج: نعم، يمكن لحام 317L بسهولة، وكما هو الحال مع 316L، لا يتطلب أي معالجة حرارية بعد اللحام نظرًا لأن نسبة الكربون فيه أقل من أو تساوي 0.03%. القاعدة الأساسية هي استخدام معدن الحشو ER317L (AWS A5.9) بحيث يتطابق معدن اللحام مع محتوى الموليبدينوم الأعلى في المعدن الأساسي. يؤدي استخدام حشو 316L في وصلة 317L إلى إنشاء خرزة لحام PREN أقل- والتي ستحفر قبل المعدن المحيط في خدمة الكلوريد.

س: هل 317L جيد لمياه البحر؟

A: 317L is better than 316L in seawater, but it is not the ultimate seawater material. For continuous seawater immersion at ambient temperature, 317L performs reasonably well. For warm seawater (>30 درجة)، أو مياه البحر ذات التدفق العالي-، أو الظروف المتشققة، ضع في اعتبارك السبائك الأعلى: 904L، أو 254 SMO (S31254)، أو super duplex 2507، أو 6Mo super austenititics. 316L بشكل عام لا يوصى به للغمر في مياه البحر لأنه سيؤدي إلى الحفر.

س: 316L vs 317L vs 904L - كيف أختار؟

ج: استخدم 316L لخدمة التآكل العامة بدون كلوريدات أو أحماض مختزلة (غذائية، دوائية، معمارية). استخدم 317L للكلوريد المعتدل أو المخفض-للخدمة الحمضية (المياه قليلة الملوحة، FGD، حمض الفوسفوريك). استخدم 904L لخدمة الكلوريد القوية (الغمر في مياه البحر، الكلوريدات الساخنة) حيث لا يكون 317L كافيًا تمامًا. تضيف كل خطوة للأعلى مقاومة للموليبدينوم والتآكل ولكنها تكلف أيضًا - اختر أقل درجة تلبي متطلبات التآكل لديك.

س: كيف يمكنني التحقق من أنني أتلقى 317L وليس 316L؟

ج: تحقق من تقرير اختبار المواد (MTR): يجب أن يُظهر 317L الموليبدينوم 3.00-4.00%، والكروم 18.0-20.0%، والنيكل 11.0-15.0%. يمكن لـ XRF (PMI) المحمول التمييز بين 317L و316L لأنه يكتشف محتوى الموليبدينوم العالي - على عكس الكربون، يمكن اكتشاف الموليبدينوم بواسطة XRF. وهذا يجعل التحقق الميداني من 317L واضحًا نسبيًا. اطلب شهادة EN 10204 Type 3.1 لتأكيد الكيمياء.