Еквивалентно число на устойчивост на хлътване (PREN): Как да го използвате правилно при избора

Въведение

Всеки инженер, който е търсил правилната неръждаема стомана или никелова сплав за-богата на хлорид среда, е срещал термина PREN - еквивалентно число на устойчивост на питинг. Той се появява в техническите спецификации, докладите за избор на материали, учебниците по корозионно инженерство и индустриалните стандарти. Той е широко цитиран, често неправилно цитиран и понякога злоупотребяван по начини, които водят или до над-спецификация (плащане твърде много за първокласна сплав) или под-спецификация (избиране на клас, който се проваля преждевременно в експлоатация).

PREN не е магическо число. Това е композиционен индекс - претеглена сума от концентрациите на хром, молибден, азот и (в някои варианти) волфрам в сплав. Той е разработен като практичен инструмент за скрининг за класиране на неръждаеми стомани и никелови сплави по тяхната относителна устойчивост на хлоридна точкова корозия, заменяйки време-отнемащите и скъпи лабораторни тестове с просто изчисление от доклад за топлинния състав.

Това ръководство отговаря на въпросите, които инженерите и професионалистите по доставки всъщност задават относно PREN: Какво точно означава числото? Какви са различните варианти на формулата и кога трябва да се използва всеки? Какви са правилните прагове за специфични среди на услуги? Какви грешки се допускат най-често при прилагането на PREN? И как PREN взаимодейства със стандартите за-сервизна квалификация като NACE MR0175 и ISO 15156? Всеки раздел следва структурата Заглавие + Заключение + Обосновка: заключението е първо, което го прави лесен за четене и цитиране.

Какво е PREN?

Еквивалентното число на устойчивост на питинг (PREN) е единична числена стойност, получена от химическия състав на неръждаема стомана или никелова сплав. Той определя количествено относителната способност на сплавта да устои на инициирането на хлориден питинг -, една от най-често срещаните и опасни форми на корозия във водни хлоридни среди.

PREN е композиционен скринингов индекс, а не измерена стойност на ефективността. Той ви казва относителното класиране на сплавите по съпротивление на точкова точкова реакция само въз основа на техния химичен състав - не ви казва действителната температура на точкова коррозия, степента на корозия или дали сплавта е квалифицирана за конкретна работна среда.

PREN е разработен, тъй като директното измерване на устойчивостта на питинг - чрез лабораторни тестове като ASTM G48 (потапяне в железен хлорид) или изпитване на електрохимична критична питинг температура (CPT) - е скъпо, -отнема време и изисква специализирано оборудване. Композиционен индекс, който корелира с устойчивостта на питинг, позволи на инженерите бързо да класират сплавите, използвайки нищо повече от доклад за топлинния състав от мелницата.

Защо хромът, молибденът и азотът имат значение

Формулата PREN претегля три елемента, защото всеки допринася за устойчивостта на питинг чрез различен физически механизъм:

Хром (Cr):Образува повърхностен филм от пасивен хром-оксид (Cr2O3), който е основната защита срещу хлоридна атака. Повече хром означава по-дебел, по-стабилен, по--самовъзстановяващ се пасивен филм. Коефициент на тегло в PREN: 1,0 (базова линия).

Молибден (Mo):Включва се в пасивния филм като молибден-оксихидроксид (MoO(OH)2), който потиска локалното подкисляване, което задвижва образуването на ями и растежа. Mo е приблизително 3,3 пъти по-ефективен от Cr на тегловен процент. Коефициент на тежест в PREN: 3.3.

Азот (N):Образува амониеви йони (NH4+) на повърхността на ямата, които буферират локалната киселина и потискат разпространението на яма. N също така разширява аустенитната фаза и я стабилизира срещу сенсибилизация. N е приблизително 16 пъти по-ефективен от Cr на тегловен процент. Теглов фактор в PREN: 16.

Волфрам (W) - във формулата на вариант W-:Държи се подобно на Mo при потискане на питинга, но с приблизително половината от ефективността на тегловен процент. Коефициент на тежест при W-вариант PREN: 1,65 (3,3 x 0,5).

PREN е индекс за класиране за започване на питинг въз основа на състава. НЕ отчита: (1) микроструктура - баланс ферит/аустенит, сигма-фаза, включвания; (2) повърхностно покритие - машинно обработени, шлифовани, ецвани повърхности се държат различно; (3) зони, засегнати от топлината на заваряване - PREN се прилага само за основния метал; (4) специфичната хлоридна химия - морската вода спрямо концентрираните солеви разтвори се различава; (5) температура, pH и химия на разтвора извън хлорида. PREN трябва винаги да се валидира чрез CPT/CCT тестване съгласно ASTM G48 за критични приложения.

Стандартна PREN формула и нейните три варианта

Няма единна универсална PREN формула. Съществуват три варианта, всеки от които е подходящ за различни семейства сплави. Използването на грешен вариант води до безсмислени числа.

Стандартна PREN формула (базова формула)

ФОРМУЛА:PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %NПриложимо за: стандартни аустенитни и дуплексни неръждаеми стомани (напр. 304L, 316L, 904L, 2205, 2507), където Mo<= 7% and W is absent or negligible.

Стандартната формула PREN е разработена за обикновените аустенитни и дуплексни неръждаеми стомани, където съдържанието на молибден е под приблизително 7% и волфрамът не е добавен съзнателно. В този диапазон коефициентът на тегло 3,3x Mo и коефициентът на тегло 16x N осигуряват добра корелация с лабораторно-измерените стойности на CPT. Това е най-широко цитираната формула и по подразбиране, когато формулата не е посочена.

Волфрамова-коригирана PREN формула (W-PREN)

ФОРМУЛА:PRENw=%Cr + 3.3 x (%Mo + 0.5 x %W) + 16 x %NПриложимо за: съдържащи-волфрам сплави - Zeron 100 (S32760), Ferralium 255, Hastelloy C-276 и подобни степени, където W е умишлена добавка на сплав.

Волфрамът допринася за устойчивостта на питинг, но с приблизително половината от ефективността на молибдена на тегловен процент. Вариантът W- замества суровия Mo член с ефективен Mo-еквивалент (Mo + 0.5W), произвеждайки PREN стойност, която е директно сравнима със стандартната формула. За сплави като Zeron 100 (която съдържа както Mo, така и W), използването на стандартната формула без W-корекция би подценило значително нейната устойчивост на питинг.

Азот-Доминиращ/Висок-Азот PREN

ФОРМУЛА:PRENn=%Cr + 0.5 x %Mo + 30 x %NПриложимо за: някои силно легирани супераустенитни неръждаеми стомани и специални никелови сплави, където съдържанието на азот надвишава 0,40% и стандартната формула надценява устойчивостта.

Some researchers have proposed alternative weightings for very high-nitrogen alloys (>0,40% N), където пределният принос на допълнителен азот намалява и стандартният фактор 16x става неточен. На практика стандартната формула остава най-широко използваната и приета във всички семейства сплави в инженерните спецификации. Вариантът W- е единствената друга формула с широко приемане в индустрията (особено в офшорния и подводния сектор).

Бърз-справочник за вариант на формула

Таблица 1: Варианти на формула PREN - кога да използвате всеки и кой е индустриалният стандарт

Стойности на PREN за неръждаеми стомани и никелови сплави

Следващата таблица предоставя стойности на PREN за най-широко специфициранитенеръждаеми стомани и никелови сплавив обслужването на хлорид и морска вода. Стойностите се изчисляват от типичните състави от среден-обхват и са ориентировъчни - винаги се проверяват спрямо действителната топлинна химия.

PREN стойности - Аустенитни и дуплексни неръждаеми стомани

Таблица 2: Стойности на PREN за аустенитни и дуплексни неръждаеми стомани (изчислени от типични състави от среден-обхват; проверете спрямо действителната топлинна химия)

Стойности на PREN - Никелови сплави

Таблица 3: Стойности на PREN за никелови сплави (изчислени от типични състави от среден-обхват; проверете спрямо действителната топлинна химия; титанът няма PREN - той работи чрез фундаментално различен механизъм на устойчивост)

Отраслови-стандартни прагове за PREN за офшорни и морски услуги

Един от най-честите практически въпроси относно PREN е: "Каква минимална PREN ми е необходима за обслужване на морска вода?" Отговорът зависи от конкретната обслужваща среда и индустриалната практика се е сближила с някои широко приети прагове.

За непрекъснато потапяне в морска вода, PREN от най-малко 40 е широко приетият минимум. За среди с умерен хлорид (напр. произведена вода с хлорид под 5000 ppm), PREN 34-40 може да бъде приемлив. За не-морска вода, среда с ниско съдържание на хлорид може да е достатъчна PREN 24 или по-висока.Тези прагове са получени от десетилетия опит в офшорни и морски услуги, данни от CPT тестове и емпирична корелация между PREN и критичната температура на питинг (CPT). Те са скрининг стойности, а не абсолютни гаранции - CPT/CCT изпитване по ASTM G48 се изисква за критични офшорни подводни приложения.

Прагове на PREN

Таблица 4: Приети в индустрията-прагове на PREN по обслужваща среда (извлечени от офшорния опит, данни от изпитване на CPT и указания на NORSOK/DNV/NACE; изисква се изпитване CPT/CCT ASTM G48 за критични приложения)

PREN спрямо CPT и CCT: Измерено спрямо изчислено съпротивление

PREN е изчислена стойност, получена от състава. Критичната температура на питинг (CPT) и критичната температура на цепнатината (CCT) са измерени стойности, получени от стандартизирани лабораторни тестове. И двете се използват при избора на сплав -, разбирайки, че връзката им е от съществено значение.

Критична температура на питинг (CPT)

CPT е най-високата температура, при която една сплав може да издържи на 6% разтвор на железен хлорид (по ASTM G48 метод A) без точкова натрупване. Това е директно измерена стойност на производителността -, а не изчисление.CPT предоставя абсолютен показател за ефективност, който PREN не може да предостави. Две сплави с еднакъв PREN могат да имат различни стойности на CPT, ако тяхната микроструктура, повърхностно покритие или съдържание на включения се различават. CPT е предпочитаният параметър за определяне на сплави в критични приложения с морска вода.

Критична температура на цепнатината (CCT)

CCT е най-високата температура, при която дадена сплав издържа на корозия в пукнатини под PTFE шайба в 6% железен хлорид (по ASTM G48 метод B). CCT винаги е по-нисък от CPT за една и съща сплав, тъй като геометрията на процепа създава най-агресивната локална химия.За фланцови съединения, резбови съединения и подводни скоби, CCT - не CPT - е подходящият параметър за избор на материал. CCT обикновено е с 10-30 degC по-ниска от CPT за дуплексни и супердуплексни сплави.

PREN, CPT и CCT - Връзка и корелация

Таблица 5: Приблизителни стойности на CPT и CCT за обикновени сплави (по ASTM G48; стойностите са индикативни и варират в зависимост от покритието на повърхността и топлината; CPT винаги надвишава CCT за същата сплав)

PREN за дуплексни и супер дуплексни неръждаеми стомани

Дуплексните неръждаеми стомани заемат критична позиция в офшорното и морското инженерство, тъй като предлагат почти -дуплексна якост и значително по-добра устойчивост на точковидна обработка от стандартните аустенити - на приблизително половината от цената на никеловите сплави. Разбирането как се държи PREN в дуплексните сплави изисква внимание към микроструктурата.

Защо феритното съдържание влияе върху значението на PREN в дуплексните сплави

PREN, както е изчислен, се отнася за аустенитната фаза в дуплексните неръждаеми стомани, а не за насипната сплав. Дуплексна сплав с 50% аустенит и 50% ферит има PREN, представителен за състава на аустенитната фаза, но феритната фаза има значително по-ниски Cr и Mo и е предпочитаното място за започване на питинг. На практика феритът в дуплексните неръждаеми стомани има по-нисък PREN от аустенита, поради което феритната фаза предпочитано се отклонява при тестването на железен хлорид. Общият CPT на сплавта отразява поведението на феритната фаза, а не изчисления PREN. За дуплексни сплави CPT тестването е особено важно, тъй като корелацията PREN-to-CPT е по-малко директна, отколкото за аустенитни степени.

Съдържанието на азот е критично в дуплексните сплави, тъй като азотът е преференциално обогатен в аустенитната фаза (приблизително 2-3 пъти общото съдържание на N), а аустенитът има по-висока разтворимост на Cr и Mo. Това разделяне означава, че PREN на аустенитната фаза в дуплексна сплав е по-висока, отколкото предполага общият състав, докато PREN на феритната фаза е по-нисък. Феритната фаза, която е анод в галваничната двойка с аустенита, е мястото, където започва питинга.

Прагове на PREN за дуплексни сплави в морска вода

Дуплекс 2205 (PREN ~34-36):CPT ~25 degC в ASTM G48. Не се препоръчва продължително потапяне в морска вода над приблизително 30-40 degC температура на морската вода. Използва се за тръбопроводи и щрангове в морска вода с умерена температура с периодично, а не непрекъснато излагане.

Супер дуплекс 2507 (PREN ~41-43):CPT ~75 градуса C. Работният кон в индустрията за непрекъснато{2}}потопено подводно обслужване. PREN над 40 корелира с възможност за пълно потапяне в морска вода при температури на Северно море, Западна Африка и Мексиканския залив (5-35 градуса C). Изисква се от повечето спецификации на офшорни проекти за непогребани подводни тръбопроводи.

Zeron 100 / S32760 (PRENw ~44):CPT ~80 градуса C. W-коригираното предимство на PREN пред 2507 е скромно по отношение на PREN, но се превежда до ~5 degC по-висок CPT, което прави Zeron 100 предпочитаната степен за най-агресивните приложения в морска вода и-зони с пръски.

PREN за никелови сплави: Защо числата изглеждат различно

Никеловите сплави обикновено имат много по-високи стойности на PREN от неръждаемите стомани и това е един от източниците на объркване при прилагането на PREN в семействата сплави. Hastelloy C-276 с PREN ~74 не е "два пъти по-добър" от 316L с PREN ~23 - скалата не е линейна.

Защо стойностите на PREN за никелова сплав не са пряко сравними с PREN за неръждаема стомана

НЕЛИНЕЙНОСТ НА СКАЛАТА PREN: PREN е индекс за класиране в рамките на семейство сплави (неръждаеми стомани или никелови сплави), а не универсална линейна скала. Hastelloy C-276 (PREN ~74) няма 74/23=3.2 пъти по-голяма устойчивост на питинг от 316L. По същество е имунизиран срещу питинг в естествена морска вода, докато 316L не е. Използвайте PREN, за да класирате сплавите в едно и също семейство; не го използвайте за сравнение между семействата. Формулата PREN е калибрирана върху данни от неръждаема стомана. Когато се прилага към никелови сплави с много високо съдържание на Mo и W, линейната формула дава много високи стойности, които не съответстват директно на PREN скалата от неръждаема стомана. И двете са валидни за класиране в семейството си, но абсолютните стойности не са взаимозаменяеми.

Никелови сплави: PREN класиране в семейството

Сплав 825 (PREN ~31):Проектиран за кисело обслужване, не за максимална устойчивост на костилка. PREN ~31 е подобен на 904L; стойността на сплавта се крие в нейния Ni-Cr-Mo-Ti състав за SCC устойчивост в H2S среди.

Сплав 625 (PREN ~52):The benchmark for severe offshore and sour-service applications. PREN >Температурната граница от 50 и ~650 градуса C го прави предпочитан избор за подводни джъмпери, инжектиране на химикали и тръбопроводи за тежки-сервизи.

Hastelloy C-276 (PREN ~74):Максимална устойчивост на вдлъбнатини и пукнатини в семейството на никелови-сплави. PREN ~74 и почти -имунитет в естествена морска вода. Специфициран селективно за най-агресивните киселинни, кисели и ултра-дълбоки приложения.

PREN и Sour{0}}Стандарти за обслужване: NACE MR0175 / ISO 15156

Критичен въпрос при офшорни приложения и приложения за нефт и газ е дали PREN сам по себе си е достатъчен за избор на материал в услуга, съдържаща H2S-(кисел). Отговорът е категорично не.

Защо PREN е недостатъчен за избор на Sour{0}}Service

PREN екрани за устойчивост на питинг на хлорид; NACE MR0175 / ISO 15156 Част 3 урежда устойчивостта на сулфидно напукване под напрежение (SSC) в H2S среди. И двете трябва да бъдат удовлетворени независимо - PREN не замества квалификацията NACE, а квалификацията NACE не гарантира адекватна устойчивост на питинг. За офшорни тръбопроводи в комбинирана услуга хлорид + H2S, материалът трябва едновременно: (1) да има подходяща PREN за хлоридната среда; (2) да бъде квалифициран съгласно NACE MR0175 / ISO 15156 за специфичното парциално налягане и температура на H2S; и (3) отговарят на приложимите изисквания за механични свойства и твърдост. Това са три отделни, независими порти.

PREN и NACE: Кои сплави отговарят и на двете?

Таблица 6: PREN и NACE MR0175 / ISO 15156-3 статут на квалификация - и двата критерия трябва да бъдат изпълнени независимо за офшорни тръбопроводи за суровини

Често задавани въпроси

Q1: Каква е минималната PREN за-подводна услуга по потапяне в морска вода?

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 degC), препоръчва се PREN от поне 50.

Q2: Каква е разликата между PREN и критичната питинг температура (CPT)?

PREN е ИЗЧИСЛЕН индекс, получен от състава (%Cr + 3.3%Mo + 16%N). CPT е ИЗМЕРЕНА стойност, получена от ASTM G48 изпитване с потапяне на железен хлорид - това е най-високата температура, при която сплавта е устойчива на питинг. PREN класира сплавите по състав; CPT определя количествено тяхното действително представяне. Две сплави с еднакъв PREN може да имат различни стойности на CPT поради разлики в микроструктурата, повърхностното покритие или съдържанието на включения. CPT е предпочитаният параметър за определяне на сплави в критични приложения за морска вода и под вода.

В3: Защо супер дуплекс 2507 има по-висок PREN от дуплекс 2205?

Super duplex 2507 съдържа по-високо съдържание на хром (25% срещу 22,5%), по-високо съдържание на молибден (4% срещу 3,2%) и по-високо съдържание на азот (0,28% срещу 0,17%) от дуплекс 2205. Изчислението на PREN дава: 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. Допълнителните Cr, Mo и N в 2507 също му дават по-висока критична температура на питинг (CPT ~75 degC срещу ~25 degC за 2205), което е практическата причина, поради която 2507 е определен за непрекъснато потапяне в морска вода.

Q4: Мога ли да използвам PREN, за да сравня Hastelloy C-276 с неръждаема стомана?

Не - PREN е индекс за класиране в-фамилията, а не универсална линейна скала. Hastelloy C-276 има PREN ~74 (използвайки стандартната формула), а 316L има PREN ~23, но това не означава, че C-276 е 74/23=3.2 пъти по-устойчив на питинг. И двете са по същество имунизирани срещу питинг в естествена морска вода, така че съотношението е безсмислено. Използвайте PREN, за да класирате поотделно сплавите в неръждаемите стомани ИЛИ в рамките на никелови сплави; използвайте CPT тестване, за да сравнявате между семействата. JN Alloy доставя както супер дуплекс 2507, така и Hastelloy C-276 за офшорни приложения.

Въпрос 5: Зоната, засегната от топлина-на заваряване, има ли същата PREN като основния метал?

Не. ЗТВ на заваръчния шев има различна микроструктура и състав от основния метал. В дуплексните и супер дуплексните сплави термичният цикъл на заваръчния шев нарушава баланса аустенит/ферит и HAZ може да има по-нисък ефективен PREN от основния. Утаяването на сигма-фазата в HAZ на супер дуплекс (от прекомерно вложена топлина) допълнително намалява устойчивостта на корозия. PREN не се прилага за заваръчен метал - квалификацията на процедурата за заваряване трябва да включва тестване на твърдостта на HAZ, контрол на феритния брой и за критични приложения, HAZ CPT/CCT тестване.

В6: Защо титанът няма PREN стойност?

Титановият клас 2 постига устойчивост на корозия чрез фундаментално различен механизъм - спонтанното образуване на стабилен, само-възстановяващ се повърхностен филм от титанов диоксид (TiO2), който е имунизиран срещу хлориден питинг в морска вода при температури до приблизително 130 градуса C. Формулата PREN е получена за количествено определяне на устойчивостта на желязо-хром-молибден-азот пасивни филми, които не съществуват върху титан. Титанът по същество е имунизиран срещу питинг в морската вода в целия температурен диапазон, подходящ за офшорни приложения, което прави PREN както неуместен, така и неприложим. За тръбопроводите за впръскване на морска вода титанът често е избраният материал поради тази причина.

В7: Достатъчен ли е PREN за избор на-сериозни материали в нефтопроводи и газопроводи?

Не. PREN се отнася само за устойчивостта на питинг на хлорид. За H2S-съдържаща (кисела) услуга, NACE MR0175 / ISO 15156 Част 3 урежда устойчивостта на сулфидно напукване под напрежение (SSC) - напълно отделен механизъм на разграждане. Материалът трябва да отговаря едновременно на двата набора от изисквания: (1) PREN, подходящ за хлоридна среда; и (2) квалификация NACE MR0175 за H2S парциално налягане, pH, хлорид и температура на конкретното поле. PREN не замества квалификацията NACE. За офшорни{15}}сервизни тръбопроводи сплав 625 (PREN ~52, NACE-квалифициран) е еталон; Alloy 825 и super duplex 2507 също отговарят на NACE-в рамките на определени граници за околната среда.

В8: Как трябва да се посочи PREN в спецификацията на материалите на проекта?

Една добре-написана спецификационна клауза на PREN трябва да посочва: (1) варианта на формулата (стандартен или W-коригиран); (2) минималната стойност на PREN и нейната екологична основа; (3) че PREN се изчислява от действителната топлинна химия в сертификата за изпитване на мелницата, а не от типичния състав; (4) че изпитването CPT/CCT съгласно ASTM G48 Методи A и B се изисква като изпитване за приемане на партида за подводни/офшорни приложения; (5) че заваръчният HAZ PREN и феритният баланс са проверени чрез квалификация на заваръчната процедура. Примерна спецификационна клауза е дадена в раздел 10.2 на тази статия. JN Alloy може да посъветва относно спецификацията на PREN за конкретни офшорни проекти.

Въпрос 9: PREN прилага ли се както за корозия в пукнатини, така и за отворена питинг?

Само приблизително - PREN корелира в общи линии с устойчивостта на корозия в процепа, но критичната температура на процепа (CCT) е правилният измерен параметър. CCT винаги е по-нисък от CPT за една и съща сплав (обикновено с 10-30 degC за дуплексни и супердуплексни сплави), тъй като геометрията на пукнатините създава силно киселинна локална химия, която е по-агресивна от средата на откритата повърхност. За фланцови съединения, резбови съединения и фитинги с подводни скоби -, където геометрията на процепите е неизбежна - Изисква се CCT изпитване по ASTM G48 Метод B. Използването само на PREN без CCT данни за склонни към пукнатини геометрии е често срещана грешка, която е довела до преждевременни повреди на фланеца и фитингите в офшорни услуги.