Эквивалентный номер сопротивления точечной коррозии (PREN): как его правильно использовать при выборе

Введение

Каждый инженер, который искал подходящую нержавеющую сталь или никелевый сплав для среды,-богатой хлоридами, сталкивался с термином PREN -, эквивалентным числом сопротивления точечной коррозии. Он появляется в технических паспортах, отчетах о выборе материалов, учебниках по коррозионной технике и отраслевых стандартах. Его широко цитируют, часто неправильно цитируют, а иногда и неправильно используют, что приводит либо к завышенным-спецификациям (слишком большая плата за сплав премиум-класса), либо к заниженным-спецификациям (выбор марки, которая преждевременно выходит из строя при эксплуатации).

PREN — не волшебное число. Это индекс состава -, взвешенная сумма концентраций хрома, молибдена, азота и (в некоторых вариантах) вольфрама в сплаве. Он был разработан как практичный инструмент для ранжирования нержавеющих сталей и никелевых сплавов по их относительной устойчивости к хлоридной точечной коррозии, заменяющий трудоемкие- и дорогостоящие лабораторные испытания простым расчетом на основе отчета о тепловом составе.

Это руководство отвечает на вопросы, которые инженеры и специалисты по закупкам задают о PREN: что именно означает это число? Каковы различные варианты формулы и когда следует использовать каждый из них? Каковы правильные пороговые значения для конкретных сред обслуживания? Какие ошибки чаще всего совершаются при применении PREN? И как PREN взаимодействует со стандартами квалификации-услуг, такими как NACE MR0175 и ISO 15156? Каждый раздел имеет структуру «Заголовок + Заключение + Обоснование»: вывод идет первым, что облегчает чтение и цитирование.

Что такое ПРЕН?

Эквивалентное число сопротивления точечной коррозии (PREN) — это единственное числовое значение, полученное на основе химического состава нержавеющей стали или никелевого сплава. Он количественно определяет относительную способность сплава противостоять возникновению хлоридной питтинговой коррозии -, одной из наиболее распространенных и опасных форм коррозии в водных хлоридных средах.

PREN — это композиционный скрининговый индекс, а не измеренный показатель эффективности. Он сообщает вам относительный рейтинг сплавов по стойкости к точечной коррозии на основе только их химического состава - он не сообщает вам фактическую температуру точечной коррозии, скорость коррозии или то, подходит ли сплав для конкретной среды эксплуатации.

PREN был разработан потому, что прямое измерение устойчивости к точечной коррозии - с помощью лабораторных испытаний, таких как ASTM G48 (погружение в хлорид железа) или электрохимических испытаний на критическую температуру точечной коррозии (CPT) -, является дорогостоящим, отнимает много времени-и требует специального оборудования. Индекс состава, который коррелирует с сопротивлением питтинговой коррозии, позволил инженерам быстро ранжировать сплавы, используя не что иное, как отчет о термическом составе с завода.

Почему хром, молибден и азот так важны

В формуле PREN учитываются три элемента, поскольку каждый из них способствует устойчивости к точечной коррозии посредством отдельного физического механизма:

Хром (Cr):Образует пассивную поверхностную пленку оксида хрома-(Cr2O3), которая является основной защитой от воздействия хлоридов. Больше хрома означает более толстую, более стабильную и более самовосстанавливающуюся пассивную пленку. Весовой коэффициент PREN: 1,0 (исходный уровень).

Молибден (Мо):Входит в состав пассивной пленки в виде оксигидроксида молибдена- (MoO(OH)2), который подавляет местное подкисление, вызывающее образование и рост ямок. Mo примерно в 3,3 раза эффективнее Cr на весовой процент. Весовой коэффициент в PREN: 3.3.

Азот (N):Образует ионы аммония (NH4+) на поверхности ямок, которые буферизируют местную кислоту и подавляют распространение ямок. N также расширяет аустенитную фазу и стабилизирует ее от сенсибилизации. N примерно в 16 раз эффективнее Cr на весовой процент. Весовой коэффициент в PREN: 16.

Вольфрам (W) - в формуле варианта W-:В подавлении точечной коррозии ведет себя аналогично Мо, но с эффективностью примерно вдвое меньшей на весовой процент. Весовой коэффициент в W-варианте PREN: 1,65 (3,3 x 0,5).

PREN — это рейтинговый индекс возникновения точечной коррозии в зависимости от состава. Он НЕ учитывает: (1) микроструктуру - баланс феррита/аустенита, сигма-фазу, включения; (2) обработка поверхности - обработанные, шлифованные, протравленные поверхности ведут себя по-разному; (3) зоны термического воздействия -сварки - PREN применяются только к основному металлу; (4) химический состав хлоридов - морской воды и концентрированных рассолов различается; (5) температура, pH и химия раствора, помимо хлорида. PREN всегда должен подтверждаться испытаниями CPT/CCT согласно ASTM G48 для критически важных применений.

Стандартная формула PREN и три ее варианта

Не существует единой универсальной формулы PREN. Существует три варианта, каждый из которых подходит для разных семейств сплавов. Использование неправильного варианта приводит к бессмысленным числам.

Стандартная формула PREN (базовая формула)

ФОРМУЛА:PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %NПрименимо к: стандартным аустенитным и дуплексным нержавеющим сталям (например, 304L, 316L, 904L, 2205, 2507), где Mo<= 7% and W is absent or negligible.

Стандартная формула PREN была разработана для обычных аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей, в которых содержание молибдена составляет менее 7% и вольфрам намеренно не добавляется. В этом диапазоне весовой коэффициент Mo 3,3x и весовой коэффициент N 16x обеспечивают хорошую корреляцию со значениями CPT, измеренными в лаборатории-. Это наиболее широко цитируемая формула, используемая по умолчанию, когда формула не указана.

Вольфрам-Скорректированная формула PREN (W-PREN)

ФОРМУЛА:PRENw=%Cr + 3.3 x (%Mo + 0.5 x %W) + 16 x %NПрименимо к: вольфрам-содержащим сплавам - Zeron 100 (S32760), Ferralium 255, Hastelloy C-276 и аналогичным сплавам, где W является преднамеренной легирующей добавкой.

Вольфрам способствует устойчивости к точечной коррозии, но эффективность молибдена на весовой процент составляет примерно половину. Вариант W- заменяет необработанный термин Mo эффективным эквивалентом Mo- (Mo + 0.5W), создавая значение PREN, которое напрямую сопоставимо со стандартной формулой. Для таких сплавов, как Zeron 100 (который содержит как Mo, так и W), использование стандартной формулы без поправки W-значительно занижает его стойкость к питтинговой коррозии.

Азот-Преобладающий/Высокий-Азот PREN

ФОРМУЛА:PRENn=%Cr + 0.5 x %Mo + 30 x %NПрименимо к: некоторым высоколегированным супераустенитным нержавеющим сталям и специальным никелевым сплавам, в которых содержание азота превышает 0,40% и стандартная формула завышает стойкость.

Some researchers have proposed alternative weightings for very high-nitrogen alloys (>0,40% N), где предельный вклад дополнительного азота уменьшается и стандартный коэффициент 16x становится неточным. На практике стандартная формула остается наиболее широко используемой и принятой во всех семействах сплавов в технических спецификациях. Вариант W- — единственная формула, получившая широкое признание в отрасли (особенно в шельфовом и подводном секторе).

Краткий-справочник по варианту формулы

Таблица 1. Варианты формулы PREN -, когда использовать каждый и какой отраслевой стандарт

Значения PREN для нержавеющей стали и никелевых сплавов

В следующей таблице представлены значения PREN для наиболее распространенныхнержавеющие стали и никелевые сплавыпри работе с хлоридами и морской водой. Значения рассчитаны на основе типичных составов среднего-диапазона и являются ориентировочными, - всегда сверяются с реальными теплохимическими показателями.

Значения PREN - Аустенитные и дуплексные нержавеющие стали

Таблица 2. Значения PREN для аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей (рассчитано на основе типичных составов среднего-диапазона; сверить с реальными теплохимическими показателями)

Значения PREN - никелевые сплавы

Таблица 3. Значения PREN для никелевых сплавов (рассчитано на основе типичных составов среднего-диапазона; сверьте с реальными теплохимическими показателями; у титана нет PREN -, он действует по принципиально другому механизму устойчивости)

Отраслевые-стандартные пороговые значения PREN для морских и морских вод

Один из наиболее распространенных практических вопросов о PREN: «Какой минимальный PREN мне нужен для работы с морской водой?» Ответ зависит от конкретной среды обслуживания, и отраслевая практика сходится к некоторым широко принятым пороговым значениям.

Для длительного погружения в морскую воду общепринятым минимумом является PREN не менее 40. Для сред с умеренным содержанием хлоридов (например, пластовая вода с содержанием хлоридов ниже 5000 ppm) может быть приемлемым PREN 34-40. Для сред с низким содержанием хлоридов, отличных от-морской воды, может быть достаточно PREN 24 или выше.Эти пороговые значения основаны на многолетнем опыте эксплуатации на море и на море, данных испытаний CPT и эмпирической корреляции между PREN и критической температурой питтинговой коррозии (CPT). Это проверочные значения, а не абсолютные гарантии. - Испытания CPT/CCT в соответствии с ASTM G48 необходимы для критически важных морских подводных применений.

Пороги PREN

Таблица 4. Принятые в отрасли-пороговые значения PREN в зависимости от среды обслуживания (получены на основе опыта морских работ, данных испытаний CPT и рекомендаций NORSOK/DNV/NACE; испытания CPT/CCT ASTM G48 необходимы для критически важных приложений)

PREN против CPT и CCT: измеренное и расчетное сопротивление

PREN — это расчетное значение, полученное на основе состава. Критическая температура точечной коррозии (CPT) и критическая температура щели (CCT) — это измеренные значения, полученные в результате стандартизированных лабораторных испытаний. Оба используются при выборе сплава -, понимая, что их взаимосвязь имеет важное значение.

Критическая питтинговая температура (CPT)

CPT — это самая высокая температура, при которой сплав может выдерживать воздействие 6%-ного раствора хлорида железа (в соответствии с ASTM G48, метод A) без образования питтинга. Это непосредственно измеренное значение производительности -, а не расчет.CPT обеспечивает абсолютный эталон производительности, который PREN не может обеспечить. Два сплава с одинаковым PREN могут иметь разные значения CPT, если их микроструктура, качество поверхности или содержание включений различаются. CPT является предпочтительным параметром для определения сплавов, предназначенных для критически важных применений в морской воде.

Критическая температура щели (CCT)

CCT — это самая высокая температура, при которой сплав противостоит щелевой коррозии под шайбой из ПТФЭ, образующей щели в 6% хлорида железа (в соответствии с ASTM G48, метод B). CCT всегда ниже, чем CPT для одного и того же сплава, поскольку геометрия щелей создает наиболее агрессивный местный химический состав.Для фланцевых соединений, резьбовых соединений и подводных зажимных фитингов релевантным параметром при выборе материала является CCT -, а не CPT -. CCT обычно на 10–30 градусов ниже, чем CPT для дуплексных и супердуплексных сплавов.

PREN, CPT и CCT - Связь и корреляция

Таблица 5. Приблизительные значения CPT и CCT для распространенных сплавов (в соответствии с ASTM G48; значения являются ориентировочными и зависят от качества поверхности и нагрева; CPT всегда превышает CCT для одного и того же сплава)

PREN для дуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей

Дуплексные нержавеющие стали занимают решающее положение в морской и морской технике, поскольку они обеспечивают прочность, близкую к-дуплексной, и значительно лучшую стойкость к точечной коррозии, чем стандартные аустенитные стали -, при примерно половине стоимости никелевых сплавов. Понимание того, как PREN ведет себя в дуплексных сплавах, требует внимания к микроструктуре.

Почему содержание феррита влияет на значение PREN в дуплексных сплавах

PREN, как рассчитано, относится к аустенитной фазе в дуплексных нержавеющих сталях, а не к объемному сплаву. Дуплексный сплав с 50% аустенита и 50% феррита имеет PREN, представительный для состава аустенитной фазы, но ферритная фаза содержит значительно меньше Cr и Mo и является предпочтительным местом инициирования питтинга. На практике феррит в дуплексных нержавеющих сталях имеет более низкий PREN, чем аустенит, поэтому ферритная фаза преимущественно образует ямки при испытаниях на хлорид железа. Общий CPT сплава отражает фазовое поведение феррита, а не рассчитанное PREN. Для дуплексных сплавов испытание CPT особенно важно, поскольку корреляция PREN-к-CPT менее прямая, чем для аустенитных марок.

Содержание азота имеет решающее значение в дуплексных сплавах, поскольку азот преимущественно обогащен аустенитной фазой (примерно в 2-3 раза превышает объемное содержание N), а аустенит имеет более высокую растворимость Cr и Mo. Такое разделение означает, что аустенитная фаза PREN в дуплексном сплаве выше, чем можно было бы предположить по объемному составу, тогда как ферритная фаза PREN ниже. Ферритная фаза, являющаяся анодом в гальванической паре с аустенитом, является местом возникновения питтинга.

Пороги PREN для дуплексных сплавов при эксплуатации в морской воде

Дуплекс 2205 (ПРЕН ~34-36):CPT ~25°C по ASTM G48. Не рекомендуется постоянное погружение в морскую воду с температурой морской воды выше примерно 30-40 градусов Цельсия. Используется для выкидных трубопроводов и стояков в морской воде умеренной температуры с периодическим, а не постоянным воздействием.

Супер Дуплекс 2507 (PREN ~41-43):CPT ~75 град.С. Промышленная рабочая лошадка для непрерывной работы в морской-подводной среде. PREN выше 40 коррелирует с возможностью полного погружения в морскую воду при температурах Северного моря, Западной Африки и Мексиканского залива (5–35 градусов Цельсия). Требуется большинством спецификаций морских проектов для незаглубленных подводных выкидных трубопроводов.

Зерон 100 / S32760 (PRENw ~44):CPT ~80 град.С. Преимущество PREN с поправкой на W-по сравнению с 2507 является скромным с точки зрения PREN, но приводит к повышению CPT примерно на 5 градусов Цельсия, что делает Zeron 100 предпочтительной маркой для наиболее агрессивной морской воды и зон брызг-.

PREN для никелевых сплавов: почему цифры выглядят иначе

Никелевые сплавы обычно имеют гораздо более высокие значения PREN, чем нержавеющие стали, и это является одним из источников путаницы при применении PREN для разных семейств сплавов. Hastelloy C-276 с PREN ~74 не «вдвое лучше», чем 316L с PREN ~23 -, масштаб не линейный.

Почему значения PREN из никелевого сплава нельзя напрямую сравнивать с PREN из нержавеющей стали

НЕЛИНЕЙНОСТЬ ШКАЛЫ PREN: PREN — это рейтинговый индекс внутри семейства сплавов (нержавеющие стали или никелевые сплавы), а не универсальная линейная шкала. Hastelloy C-276 (PREN ~74) не имеет в 74/23=3.2 раз большей устойчивости к точечной коррозии, чем 316L. Он по существу невосприимчив к питтингу в природной морской воде, в отличие от 316L. Используйте PREN для ранжирования сплавов одного семейства; не используйте его для сравнения между семьями. Формула PREN была откалибрована по данным нержавеющей стали. При применении к никелевым сплавам с очень высоким содержанием Mo и W линейная формула дает очень высокие значения, которые не соответствуют непосредственно шкале PREN для нержавеющей стали. Оба действительны для ранжирования внутри своего семейства, но абсолютные значения не являются взаимозаменяемыми.

Никелевые сплавы: рейтинг PREN в семействе

Сплав 825 (ПРЕН ~31):Разработано для работы в кислой среде, а не для максимальной устойчивости к точечной коррозии. PREN ~31 аналогичен 904L; Ценность сплава заключается в его составе Ni-Cr-Mo-Ti, обеспечивающем стойкость к SCC в средах H2S.

Сплав 625 (ПРЕН ~52):The benchmark for severe offshore and sour-service applications. PREN >Температурный предел 50 и ~650 градусов Цельсия делает его предпочтительным выбором для подводных перемычек, закачки химикатов и трубопроводов для эксплуатации в тяжелых условиях-.

Хастеллой C-276 (PREN ~74):Максимальная стойкость к точечной коррозии и растрескиванию среди никелевых-сплавов. PREN ~74 и почти-иммунитет в природной морской воде. Специально предназначено для наиболее агрессивных кислотных, кислых и сверх-глубоких применений.

PREN и Sour-Стандарты обслуживания: NACE MR0175/ISO 15156.

Критический вопрос в морской и нефтегазовой промышленности заключается в том, достаточно ли одного PREN для выбора материала в среде, содержащей H2S-(кислый газ). Ответ однозначно нет.

Почему PREN недостаточен для выбора надежных-услуг

PREN-экраны на устойчивость к хлоридной точечной коррозии; NACE MR0175 / ISO 15156 Часть 3 регулирует устойчивость к сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC) в средах H2S. Оба требования должны быть выполнены независимо. - PREN не заменяет квалификацию NACE, а квалификация NACE не гарантирует адекватной устойчивости к точечной коррозии. Для морских трубопроводов, работающих в сочетании с хлоридом и H2S, материал должен одновременно: (1) иметь достаточный PREN для среды с хлоридами; (2) быть аттестованным в соответствии с NACE MR0175/ISO 15156 по конкретному парциальному давлению и температуре H2S; и (3) соответствовать применимым требованиям к механическим свойствам и твердости. Это три отдельных, независимых ворот.

PREN и NACE: какие сплавы подходят обоим?

Таблица 6. Квалификационный статус PREN и NACE MR0175/ISO 15156-3 - оба критерия должны соблюдаться независимо для морских трубопроводов для кислых сетей.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1. Каков минимальный PREN для подводной эксплуатации в морской-морской воде?

A minimum PREN of 40 is the widely accepted industry threshold for continuous seawater immersion in offshore subsea applications. This is based on decades of offshore service experience and CPT correlation data from ASTM G48 testing. Super duplex 2507 (PREN ~43) and Zeron 100 (PRENw ~44) are the two grades that most consistently meet this threshold with margin. PREN compliance should always be supplemented by CPT/CCT ASTM G48 testing for critical offshore applications. For high-temperature seawater (>60°C), рекомендуется PREN не менее 50.

Вопрос 2: В чем разница между PREN и критической температурой точечной коррозии (CPT)?

PREN — это РАСЧЕТНЫЙ индекс, полученный на основе состава (%Cr + 3.3%Mo + 16%N). CPT — это ИЗМЕРЕННОЕ значение, полученное в результате испытаний методом погружения в хлорид железа ASTM G48 -. Это самая высокая температура, при которой сплав устойчив к точечной коррозии. PREN ранжирует сплавы по составу; CPT количественно оценивает их фактическую производительность. Два сплава с одинаковым PREN могут иметь разные значения CPT из-за различий в микроструктуре, чистоте поверхности или содержании включений. CPT является предпочтительным параметром для определения сплавов, предназначенных для критически важных применений в морской воде и под водой.

Вопрос 3. Почему у супердуплексного режима 2507 более высокий PREN, чем у дуплексного 2205?

Супердуплекс 2507 содержит больше хрома (25% против 22,5%), больше молибдена (4% против 3,2%) и больше азота (0,28% против 0,17%), чем дуплекс 2205. Расчет PREN дает: 2507: 25 + 3.3x4 + 16x0.28=25 + 13.2 + 4.5=~43. 2205: 22.5 + 3.3x3.2 + 16x0.17=22.5 + 10.6 + 2.7=~36. Дополнительные Cr, Mo и N в 2507 также придают ему более высокую критическую температуру питтинга (CPT ~75 °C против ~25 °C для 2205), что является практической причиной того, почему 2507 указан для постоянного погружения в морскую воду.

Вопрос 4: Могу ли я использовать PREN для сравнения Hastelloy C-276 с нержавеющей сталью?

Нет, - PREN — это внутри-индекс семейного ранжирования, а не универсальная линейная шкала. Hastelloy C-276 имеет PREN ~74 (по стандартной формуле), а 316L имеет PREN ~23, но это не означает, что C-276 в 74/23=3.2 раз более устойчив к точечной коррозии. Оба по существу невосприимчивы к питтингу в природной морской воде, поэтому соотношение бессмысленно. Используйте PREN для ранжирования сплавов в составе нержавеющих сталей ИЛИ отдельно в составе никелевых сплавов; используйте тестирование CPT для сравнения семей. JN Alloy поставляет как супердуплекс 2507, так и Hastelloy C-276 для морского применения.

Вопрос 5. Имеет ли зона сварного-теплового воздействия тот же PREN, что и основной металл?

Нет. ЗТВ сварного шва имеет другую микроструктуру и состав от основного металла. В дуплексных и супердуплексных сплавах термический цикл сварного шва нарушает баланс аустенита/феррита, и ЗТВ может иметь более низкий эффективный PREN, чем исходный материал. Выделение сигма-фазы в ЗТВ супердуплекса (из-за чрезмерного подвода тепла) еще больше снижает коррозионную стойкость. PREN не применяется к металлу сварного шва - аттестация процедуры сварки должна включать испытание на твердость HAZ, контроль ферритного числа, а для критических применений - испытание HAZ CPT/CCT.

Вопрос 6: Почему у титана нет значения PREN?

Титан класса 2 обеспечивает коррозионную стойкость за счет принципиально иного механизма - самопроизвольного образования стабильной самовосстанавливающейся поверхностной пленки диоксида титана (TiO2), невосприимчивой к хлоридному изъязвлению в морской воде при температуре примерно до 130 градусов Цельсия. Формула PREN была получена для количественной оценки сопротивления пассивных пленок железа-хрома-молибдена-азота, которых нет на титане. Титан по существу невосприимчив к точечной коррозии в морской воде во всем температурном диапазоне, применимом к морским применениям, что делает PREN неуместным и неприменимым. По этой причине для трубопроводов для закачки морской воды часто выбирают титан.

Вопрос 7. Достаточно ли PREN для выбора кислых-рабочих материалов в нефте- и газопроводах?

Нет. PREN предназначен только для защиты от хлоридной точечной коррозии. Для H2S-содержащих (кислых) продуктов NACE MR0175 / ISO 15156, часть 3, определяет устойчивость к сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC) - - совершенно отдельный механизм разложения. Материал должен одновременно удовлетворять обоим наборам требований: (1) PREN, подходящий для хлоридной среды; и (2) квалификация NACE MR0175 для парциального давления H2S, pH, хлорида и температуры конкретного месторождения. PREN не заменяет квалификацию NACE. Для морских трубопроводов кислого-обслуживания эталоном является сплав 625 (PREN ~52, соответствует требованиям NACE-); Сплав 825 и супердуплекс 2507 также соответствуют требованиям NACE-в определенных экологических пределах.

Вопрос 8: Как следует указывать PREN в спецификации материалов проекта?

В хорошо написанном-пункте спецификации PREN должно быть указано: (1) вариант формулы (стандартный или W-исправленный); (2) минимальное значение PREN и его экологическая основа; (3) что PREN рассчитывается на основе фактического теплохимического режима, указанного в сертификате заводских испытаний, а не типичного состава; (4) что испытания CPT/CCT в соответствии с ASTM G48, методы A и B являются обязательными в качестве приемочных испытаний партии-для подводных/шельфовых применений; (5) сварка HAZ PREN и баланс феррита проверяются аттестацией процедуры сварки. Пример спецификации приведен в разделе 10.2 настоящей статьи. JN Alloy может проконсультировать по спецификациям PREN для конкретных морских проектов.

В9: Применяется ли PREN к щелевой коррозии, а также к открытой точечной коррозии?

Только приблизительно - PREN в целом коррелирует с устойчивостью к щелевой коррозии, но критическая температура щели (CCT) является правильным измеряемым параметром. CCT всегда ниже, чем CPT для одного и того же сплава (обычно на 10-30 градусов C для дуплексных и супердуплексных сплавов), поскольку геометрия щелей создает сильно кислую местную химию, которая более агрессивна, чем среда открытой поверхности. Для фланцевых соединений, резьбовых соединений и подводных зажимных фитингов -, где геометрия щели неизбежна, - требуется испытание CCT в соответствии с ASTM G48, метод B. Использование только PREN без данных CCT для геометрий, подверженных образованию щелей, является распространенной ошибкой, которая приводит к преждевременным выходам из строя фланцев и фитингов при эксплуатации на море.