Нержавеющая сталь 317L и 316L: когда дополнительный молибден влияет на стойкость к точечной коррозии

сталь 316LЭто наиболее широко используемая нержавеющая сталь в коррозионно-активных средах, и на это есть веская причина: она легко сваривается, устойчива к общей коррозии и стоит дешевле, чем большинство более высоких сплавов. Но существует режим отказа, при котором 316L незаметно подводит инженеров - точечной коррозии в средах с высоким содержанием хлоридов-. Морская вода, солоноватая охлаждающая вода, дорожная соль, технологические рассолы и даже прибрежная влажность могут привести к образованию в 316L крошечных глубоких ям, которые проходят через металлическую стену и вызывают утечки -, часто без видимого предупреждения.

317L существует именно для этой ситуации. Вся разница между 316L и 317L сводится к одному элементу: молибден. 316L содержит 2-3% молибдена; 317L содержит 3-4%. Этот дополнительный 1% молибдена в сочетании с немного большим количеством хрома (18-20% против 16-18%) повышает стойкость сплава к точечной коррозии примерно на 25% - этого достаточно, чтобы обозначить разницу между теплообменником, который прослужит 3 года, и тем, который прослужит 15 лет. Буква «L» в обеих марках означает «низкоуглеродистый» (меньше или равно 0,03%), поэтому оба свариваются чисто, без сенсибилизации.

Если ваш компонент из 316L обнаруживает ионы хлорида (Cl⁻) -, особенно теплые или кислые хлориды -, и вас беспокоит точечная коррозия, обновите его до 317L. Надбавка к стоимости в размере 15-30 % дает вам примерно на 25 % большую устойчивость к точечной коррозии, что является дешевой страховкой от неисправности, вызванной хлоридной коррозией. Если в окружающей среде нет хлоридов, обычно достаточно и более экономично использовать 316L. Вкратце: 316L — по умолчанию, 317L — обновленная версия хлорида.

Химический состав

316L и 317L имеют одинаковую аустенитную основу и одинаковое сверх-низкое содержание углерода (меньше или равно 0,03%), но различаются тремя легирующими элементами: молибденом (2-3% против 3–4%), хромом (16–18% против 18–20%) и никелем (10–14% против 11–15%). Решающее отличие заключается в дополнительном молибдене: это элемент, который противостоит точечной и щелевой коррозии в хлоридных средах. Все остальное в этих двух классах по сути одинаково.

Обе марки относятся к семейству аустенитных нержавеющих сталей серии 300-и имеют суффикс «L», что означает «низкоуглеродистый» (менее или равно 0,03%), что означает максимальную стойкость к сенсибилизации при сварке. Молибден является определяющим легирующим элементом, который отличает семейство 316/317 от обычного 304. В 316L содержание молибдена колеблется от 2% до 3%. У 317L оно колеблется от 3% до 4%. Это существенный скачок: молибден дорогой и мощный, а повышение уровня молибдена с ~2,5% до ~3,5% превращает 316L в сплав «морского класса».

Почему молибден устойчив к точечной коррозии - Наука простым языком

Молибден противостоит точечной коррозии, поскольку он делает защитную пленку оксида хрома на поверхности стали более прочной и самовосстанавливающейся-. Когда ион хлорида атакует слабое место пленки, молибден в сплаве вступает в реакцию с водой, образуя молибдаты, которые повторно -зашивают поврежденную пленку. Больше молибдена=быстрее и полнее самостоятельный-ремонт=меньше ямок, которые перерастают в утечки. Вот почему стойкость нержавеющей стали к точечной коррозии почти напрямую зависит от содержания молибдена.

Нержавеющая сталь устойчива к коррозии благодаря невидимой-самовосстанавливающейся пленке оксида хрома (Cr₂O₃), которая образуется на ее поверхности в присутствии кислорода. Эта пленка имеет толщину всего несколько нанометров - в тысячи раз тоньше человеческого волоса -, но именно она делает нержавеющую сталь «нержавеющей». Проблема в том, что ионы хлорида являются агрессивными разрушителями пленки-. Ион хлорида может пробить оксидную пленку в микроскопическом слабом месте (сульфидное включение, царапина, граница зерна) и атаковать голый металл под ней.

Как только образуется ямка, она-самоускоряется: внутренняя часть ямы становится кислой и кислородной-нехваткой, что препятствует образованию пленки-восстановления, в то время как окружающий металл остается пассивным. Это создает крошечный гальванический элемент - миниатюрную батарею -, в которой внутренняя часть ячейки является анодом (быстро корродирующим), а окружающая поверхность - катодом (защищенным). В результате получается узкое и глубокое отверстие, которое может проходить через всю толщину стены, в то время как остальная поверхность выглядит нетронутой. Питтинг опасен именно потому, что он локализован: труба может потерять 0,01% своего общего веса из-за коррозии, но полностью выйти из строя из-за единственной сквозной-ямки в стенке.

Молибден прерывает этот процесс. Молибден в сплаве растворяется в растворе ямки и помогает повторно-пассивировать поверхность металла, образуя соединения молибдата, которые блокируют коррозию и позволяют оксидной пленке повторно-формироваться. Более высокое содержание молибдена означает, что сплав может восстановить поврежденную пленку быстрее, чем хлориды могут ее разрушить. Вот почему 317L с содержанием молибдена ~3,5% противостоит точечной коррозии значительно лучше, чем 316L с содержанием молибдена ~2,5%.

PREN - Число, определяющее устойчивость к точечной коррозии

PREN (эквивалентное число стойкости к точечной коррозии) — это стандартный способ ранжирования нержавеющих сталей по устойчивости к точечной коррозии: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. 316L имеет PREN примерно 24-26; 317L имеет PREN примерно 29-31. Этот разрыв в 5 пунктов представляет собой реальное, измеримое улучшение устойчивости к хлоридной коррозии – и это почти полностью связано с добавлением 1% молибдена.

Формула PREN — это инструмент быстрой проверки, а не гарантия. Он сообщает вам в одном числе, является ли марка подходящим кандидатом для данной хлоридной среды. Эмпирическое правило: PREN ниже 20 не подходит для какого-либо значимого воздействия хлоридов; PREN 20-30 работает с хлоридами от легкой до умеренной степени (солоноватая вода, легкие брызги морской воды); PREN 30-40 работает с агрессивными хлоридами (погружение в морскую воду, теплые рассолы); PREN выше 40 требуется для тяжелых условий эксплуатации (горячая морская вода, отбеливатель, хлориды кислот). Обратите внимание, куда попадают 316L и 317L: 316L находится в нижней части «умеренного» диапазона, а 317L достигает его верхней части – значительный шаг вперед, хотя все еще ниже настоящих сплавов, пригодных для морской воды.

Коррозионная стойкость

В средах,-содержащих хлориды, 317L значительно более устойчив к точечной и щелевой коррозии, чем 316L. Критическая температура питтинга (CPT) для 317L составляет примерно 25-35 градусов по сравнению с 15-20 градусами для 316L. Это означает, что 317L может выдерживать растворы хлоридов на 10–15 градусов выше, прежде чем начнется питтинг. Что касается щелевой коррозии, ситуация аналогичная: 317L выживает в хлоридных условиях, которые быстро вызывают щелевую коррозию 316L, особенно под прокладками, отложениями и крепежными деталями.

Питтинговая коррозия – это локальное воздействие, в результате которого на гладкой поверхности образуются небольшие глубокие отверстия. Щелевая коррозия - ее близкий родственник: коррозия, возникающая в узких зазорах - под прокладками, шайбами, головками болтов, брызгами сварки, морскими наростами или скопившимися отложениями -, где среда становится застойной, -истощенной кислородом и закисленной. Щелевая коррозия, как правило, более агрессивна, чем точечная коррозия, поскольку геометрия щели задерживает хлориды и кислоту, исключая при этом кислород, необходимый для восстановления защитной пленки.

Оба режима разрушения характеризуются критической температурой: ниже CPT (критической температуры питтинга) или CCT (критической температуры щели) сплав сопротивляется воздействию; выше него начинается и распространяется атака. Эти температуры измеряются стандартными тестами (ASTM G48) в растворе хлорида железа. Температура CPT 316L обычно составляет около 15-20 градусов, тогда как температура испытания 317L составляет около 25-35 градусов. Эта разница в 10–15 градусов на практике весьма значительна: это разница между теплообменником, который выдерживает тропическую морскую воду, и теплообменником, который выходит из строя в течение нескольких месяцев.

Серная и фосфорная кислота - Другое преимущество 317L

Помимо точечной коррозии, 317L также превосходит 316L в восстанавливающих кислотах -, особенно серной и фосфорной кислоте -, поскольку более высокое содержание молибдена, хрома и никеля повышает устойчивость к восстановительным условиям (кислородному-недостатку), присутствующим внутри этих кислот. Вот почему 317L является традиционным материалом для испарителей фосфорной кислоты, обработки жирных кислот и серной кислоты в химической и пищевой промышленности.

Это важный момент, который многие инженеры упускают из виду: 317L — это не только «более устойчивый к точечной коррозии 316L» -, но и более устойчивый к некоторым кислотам. Серная кислота (H₂SO₄) и фосфорная кислота (H₃PO₄) являются восстанавливающими кислотами, то есть они атакуют металл там, где недостаточно кислорода, - внутри самой кислоты -, а не на богатой кислородом- поверхности. Более высокое содержание хрома (18-20%), молибдена (3-4%) и никеля (11-15%) в 317L придает ему лучшую устойчивость к этим восстановительным условиям, чем 316L.

Классическим примером является производство и выпаривание фосфорной кислоты. Фосфорная кислота, используемая в мокром-технологическом процессе, содержит хлориды и фториды, которые могут вызвать образование карбонатов в 316L, поэтому 317L является стандартным материалом для трубок испарителя, нагревателей и насосов в этой сфере. Аналогичным образом, при переработке жирных кислот (пищевые масла, мыло, моющие средства) 317L лучше противостоит воздействию горячих кислот, чем 316L. Если в вашем приложении используется серная или фосфорная кислота - даже в умеренных концентрациях, - 317L является более безопасным выбором.

Общая коррозия

Для общей (равномерной) коррозии в не-хлоридных, не-кислых средах - атмосферное воздействие, пресная вода, слабые органические кислоты в пищевых продуктах - 316L и 317L действуют по существу одинаково, поскольку общая коррозионная стойкость определяется главным образом содержанием хрома, которое близко в обеих марках. Доплата за 317L ничего не даст вам в этих мягких условиях, поэтому 316L остается экономичным вариантом по умолчанию для-коррозионной защиты общего назначения.

Это решающий контрапункт преимуществу 317L: он не всегда лучше. В средах без хлоридов и восстанавливающих кислот лишний молибден в 317L тратится впустую, и вы платите на 15-30 % больше за стойкость к коррозии, которую никогда не будете использовать. Для пищевой промышленности без рассолов, фармацевтического оборудования, архитектурного применения и общей химической обработки, не содержащей хлоридов, 316L является правильным и экономичным выбором. Навык выбора материала заключается в том, чтобы знать, когда угроза хлорида или кислоты достаточно реальна, чтобы оправдать модернизацию 317L.

Механические свойства

317L немного прочнее, чем 316L при комнатной температуре: его минимальная прочность на разрыв составляет 515 МПа (75 фунтов на квадратный дюйм) по сравнению с 485 МПа (70 фунтов на квадратный дюйм) для 316L, а минимальный предел текучести составляет 205 МПа (30 фунтов на квадратный дюйм) против 170 МПа (25 фунтов на квадратный дюйм). Это преимущество в прочности на 6-20 % обусловлено более высоким содержанием хрома, молибдена и азота, но это второстепенный фактор, а не причина выбирать 317L. Решение использовать 317L обусловлено устойчивостью к коррозии, а не прочностью.

Формируемость и технологичность

Обе марки полностью аустенитные, хорошо поддаются формованию, свариваются и пластичны.. 317L немного труднее поддается холодной-работе, чем 316L, из-за более высокого содержания легирующих элементов (он-затвердевает немного быстрее), но на практике разница незначительна. Для механической обработки обе марки аналогичны, хотя более высокое содержание сплава в 317L немного снижает обрабатываемость. Ни одна из марок не упрочняется термической обработкой -, они упрочняются только холодной обработкой.

Практическое примечание для производителей: поскольку 317L содержит больше молибдена, хрома и никеля, он -затвердевает несколько быстрее, чем 316L, во время холодной штамповки и механической обработки. Это означает, что может потребоваться немного более частая смена инструмента и немного больший радиус изгиба. Однако для подавляющего большинства применений - трубы, фитинги, фланцы, пластины и листы - 317L изготавливаются практически с той же легкостью, что и 316L, с использованием стандартных методов обработки нержавеющей стали.

[Источник] ASTM A240/A240M - Стандартные спецификации для хрома и хрома-Плиты, листы и полосы из нержавеющей стали из никеля.

Сварка - Оба свариваются чисто, но присадочный металл совпадает

И 316L, и 317L относятся к маркам L- с содержанием углерода менее или равным 0,03 %, поэтому обе свариваются чисто, без термообработки после-сварки, и устойчивы к сенсибилизации в-состоянии после сварки. Ключевым правилом является выбор присадочного металла: для соединения из стали 317L используйте присадку ER317L (AWS A5.9), чтобы металл сварного шва соответствовал более высокому содержанию молибдена в основном металле. Использование наполнителя 316L в шве 317L создает нижнюю -зону сварного шва PREN -, потенциально слабое место из-за точечной коррозии при эксплуатации с хлоридами.

Ловушка из наполнительного металла

При сварке 317L - или соединении 316L с 317L - используйте присадочный металл ER317L. Металл сварного шва должен содержать по крайней мере такое же количество молибдена, как и более устойчивый к коррозии-основной металл. Если вы свариваете 317L с наполнителем ER316L, сварной шов становится слабым местом коррозии и образует ямки раньше, чем окружающий 317L -, сводя на нет всю цель спецификации 317L.

Это распространенная и дорогостоящая ошибка в этой области. Производитель, привыкший к сварке стали 316L, может автоматически использовать присадку ER316L. Когда соединение на самом деле изготовлено из стали 317L (или от 316L-до-317L), в наплавленном металле сварного шва содержится только ~2,5% молибдена, тогда как в основном металле — ~3,5%. В хлоридной среде первым местом образования ямок становится сварной валик - с его нижним PREN -. В результате получается сварной шов, который разрушается из-за преимущественной коррозии именно в той точке, где дополнительная сталь 317L должна была обеспечивать защиту. Всегда указывайте и проверяйте наполнитель ER317L для работы с 317L.

[Источник] AWS A5.9/A5.9M - Спецификация для сварочных электродов и стержней из нержавеющей стали.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем разница между 316L и 317L?

A: Разница заключается в содержании молибдена и хрома.. 316L содержит 2–3 % молибдена и 16–18 % хрома; В 317L содержится 3-4% молибдена и 18-20% хрома. Оба имеют содержание углерода менее или равно 0,03%. Дополнительный молибден в 317L придает ему примерно на 25 % большую устойчивость к точечной и щелевой коррозии в хлоридных средах, а также повышает устойчивость к восстанавливающим кислотам, таким как серная и фосфорная кислота.

Вопрос: Когда мне следует использовать 317L вместо 316L?

О: Используйте 317L, когда окружающая среда содержит хлориды (морская вода, солоноватая вода, рассолы, отбеливатели) или восстанавливающие кислоты (серная, фосфорная, жирные кислоты), которые могут вызвать образование ямок или коррозию 316L. Типичные области применения: скрубберы для десульфурации дымовых газов, испарители фосфорной кислоты, переработка жирных кислот, отбеливание целлюлозы и бумаги, а также теплообменники морской/солоноватой воды. Если в окружающей среде нет хлоридов или восстанавливающих кислот, достаточно и дешевле 316L.

Вопрос: 317L дороже, чем 316L?

О: Да, 317L обычно стоит на 15-30 % дороже, чем 316L, поскольку он содержит больше молибдена, хрома и никеля - — всех дорогих легирующих элементов. Надбавка оправдана, если она предотвращает питтинговую коррозию, которая будет стоить гораздо дороже, чем модернизация материала. В средах, не содержащих хлоридов, цена тратится впустую, и 316L является более выгодным.

Вопрос: Что такое ПРЕН?

A: PREN (эквивалентное число сопротивления точечной коррозии) — это формула, позволяющая оценить сопротивление точечной коррозии: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Чем выше, тем лучше.. 316L имеет PREN ~24-26; У 317L ~29-31. Грубо говоря, PREN выше 32 необходим для работы в морской воде и выше 40 для работы в тяжелых условиях эксплуатации с хлоридами.. 317L, примерно 30, является значимым шагом выше 316L, но все же ниже настоящих сплавов, предназначенных для морской воды, таких как 904L и супердуплекс.

Вопрос: Можно ли сваривать сталь 317L?

О: Да, 317L легко сваривается и, как и 316L, не требует термообработки после-сварки, поскольку содержание углерода в нем составляет менее или равно 0,03 %. Ключевое правило — использовать присадочный металл ER317L (AWS A5.9), чтобы металл сварного шва соответствовал более высокому содержанию молибдена в основном металле. Использование наполнителя 316L в соединении из 317L создает нижний сварной валик -PREN, который будет образовывать ямки раньше, чем окружающий металл при работе с хлоридами.

Вопрос: Подходит ли 317L для морской воды?

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 градусов), высокой-морской воде или условиях щелей, рассмотрите более высокие сплавы: 904L, 254 SMO (S31254), супердуплекс 2507 или супераустенитные сплавы 6Mo. 316L, как правило, не рекомендуются для погружения в морскую воду, поскольку они образуют ямки.

Вопрос: 316L, 317L или 904L -, как мне выбрать?

A: Используйте 316L для общих коррозионных работ без хлоридов или восстанавливающих кислот (пищевая, фармацевтическая, строительная). Используйте 317L для работы с умеренным содержанием хлоридов или восстанавливающей-кислоты (солоноватая вода, ДДГ, фосфорная кислота). Используйте 904L для работы с агрессивными хлоридами (погружение в морскую воду, горячие хлориды), где 317L недостаточно. Каждый шаг вперед увеличивает молибден и устойчивость к коррозии, но также и стоимость - выберите самый низкий сорт, который соответствует вашим требованиям к коррозии.

Вопрос: Как мне убедиться, что я получаю 317L, а не 316L?

A: Проверьте отчет об испытаниях материала (MTR): в 317L должно быть содержание молибдена 3,00-4,00 %, хрома 18,0–20,0 % и никеля 11,0–15,0 %. Ручной XRF (PMI) позволяет отличить 317L от 316L, поскольку он обнаруживает более высокое содержание молибдена — в отличие от углерода, молибден можно обнаружить с помощью XRF. Это делает проверку 317L в полевых условиях относительно простой. Для подтверждения химического состава запросите сертификат EN 10204 типа 3.1.