บล็อก

เหตุใดสแตนเลส 316 จึงโดดเด่นในการต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเล

สกรูสแตนเลสเกรด 316 ดีกว่าเกรด 304 ทั่วไป เพราะมีมอลิบดีนัมผสมอยู่ประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ หมายความว่าอย่างไร? มอลิบดีนัมช่วยป้องกันคลอไรด์ โดยรักษาระดับออกไซด์ของโครเมียมให้มีเสถียรภาพบนผิวโลหะ ซึ่งช่วยป้องกันการเกิดรูหรือรอยแตกที่น่ารำคาญเหล่านี้ไม่ให้เกิดขึ้นตามกาลเวลา ตามงานวิจัยบางชิ้นที่ตีพิมพ์ในวารสาร Marine Materials Journal เมื่อปีที่แล้ว ชิ้นส่วนที่ผลิตจากวัสดุ 316 สามารถใช้งานได้นานกว่าถึงสามถึงห้าเท่า เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ 304 มาตรฐานภายใต้การทดสอบพ่นเกลือ นี่คือเหตุผลที่วิศวกรมักระบุให้ใช้สแตนเลสเกรด 316 สำหรับการติดตั้งใต้น้ำ หรือบริเวณที่น้ำทะเลกระเด็นมาโดนอุปกรณ์เป็นประจำ ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมหลายคนจะบอกกับทุกคนที่ถามว่า มอลิบดีนัมมีบทบาทสำคัญตรงนี้ เพราะมันช่วยป้องกันไอออนคลอไรด์ที่น่ารำคาญเหล่านี้ไม่ให้แทรกซึมเข้าสู่ตัวโลหะ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากคลื่นและสภาพแวดล้อมทางทะเล

ปัจจัยหลักที่มีผลต่อการเสื่อมสภาพของสกรูในน้ำเค็ม

สี่ปัจจัยหลักที่เร่งการกัดกร่อนของสลักเกลียวสแตนเลสในสภาพแวดล้อมทางทะเล:

• ความเข้มข้นของคลอไรด์ : น้ำทะเลมีปริมาณคลอไรด์อยู่ระหว่าง 19,000–35,000 ppm ซึ่งสามารถแทรกซึมชั้นผ่านศูนย์กลางได้
• อุณหภูมิ : อัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มเป็นสองเท่าทุกครั้งที่อุณหภูมิน้ำสูงขึ้น 10°C
• ระดับออกซิเจน : สลากเกลียวที่จมอยู่ใต้น้ำทั้งหมดจะกัดกร่อนช้ากว่าสลากเกลียวที่อยู่ในเขตระดับน้ำขึ้นน้ำลง ซึ่งมีรอบเปียกและแห้งสลับกัน
• คู่กัดกร่อนไฟฟ้าเคมี : การสัมผัสกับโลหะที่มีความเป็นศูนย์กลางต่ำกว่า เช่น อลูมิเนียม จะสร้างเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ทำลายได้

ตัวแปรเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันแบบพลวัต โดยเฉพาะในบริเวณที่มีน้ำกระเซ็น ซึ่งการเติมออกซิเจนและการสะสมของเกลือรวมกันทำให้การกัดกร่อนแบบเฉพาะที่รุนแรงขึ้น

ผลกระทบของการสัมผัสน้ำเค็มต่อสลักเกลียวสแตนเลส

การสัมผัสน้ำเค็มเป็นเวลานานจะทำให้เกิดกลไกการเสื่อมสภาพสองประการในสลักเกลียวสแตนเลส:

1. การเกิดสนิมแบบจุด : คลอไรด์จะทำลายชั้นออกไซด์โดยตรงในระดับท้องถิ่น จนเกิดโพรงใต้ผิว
2. การกัดกร่อนแบบรอยแยก : น้ำที่ขังในบริเวณเกลียวทำให้เกิดสภาวะแวดล้อมที่มีความเป็นกรดต่ำ

งานวิจัยระบุว่า สเตนเลสสตีลเกรด 316 สามารถทนต่อสภาพทะเลปานกลางได้นาน 10–15 ปี ก่อนที่จะเริ่มมีการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมอย่างชัดเจน ในขณะที่เกรด 304 ทนได้เพียง 3–5 ปี (Corrosion Science 2023) การล้างด้วยน้ำจืดอย่างสม่ำเสมอและการใช้วัสดุกันฉนวนที่เข้ากันได้สามารถยืดอายุการใช้งานได้อีก 30–40%

เปรียบเทียบเกรดสเตนเลสสตีล: เหตุใด 316 จึงเหนือกว่า 304 และโลหะผสมอื่นๆ

304 เทียบกับ 316 สเตนเลสสตีล: ความแตกต่างหลักสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมทางทะเล

เมื่อต้องตัดสินใจเลือกระหว่างสลักเกลียวสแตนเลสชนิด 304 และ 316 สิ่งที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเล แม้ว่าทั้งสองชนิดจะมีโครเมียมในระดับใกล้เคียงกันอยู่ที่ประมาณ 18 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ และนิกเกิลประมาณ 8 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ แต่สแตนเลส 316 มีความพิเศษตรงที่มีการเติมโมลิบดีนัม 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งทำให้แตกต่างอย่างมากเมื่อสลักเกลียวเหล่านี้ถูกใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์สูง การศึกษาเรื่องการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเลพบว่า สลักเกลียวชนิด 316 เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) น้อยกว่าชนิด 304 ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อผ่านการทดสอบในน้ำเค็ม ตามผลการวิจัยของ AISI เมื่อปีที่แล้ว สำหรับผู้ที่ทำงานใกล้แหล่งน้ำเค็ม ความแตกต่างเล็กน้อยเช่นนี้อาจหมายถึงความแตกต่างระหว่างค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนใหม่ กับความน่าเชื่อถือในการใช้งานระยะยาว

บทบาทของโมลิบดีนัมในการเพิ่มประสิทธิภาพการต้านทานคลอไรด์และน้ำเค็ม

โมลิบดีนัมช่วยเพิ่มความเสถียรของชั้นออกไซด์แบบผ่านศูนย์กลาง โดยเพิ่มความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพที่เกิดจากไอออนคลอไรด์ สำหรับทุกๆ การเพิ่มขึ้น 1% ของปริมาณโมลิบดีนัม ความต้านทานต่อคลอไรด์จะดีขึ้นประมาณ 250 ppm ทำให้สแตนเลสเกรด 316 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับบริเวณแนวกระแสน้ำขึ้นน้ำลงและโครงสร้างนอกชายฝั่งที่สัมผัสกับน้ำทะเลกระเซ็น

คุณสมบัติทางองค์ประกอบและเชิงกลของเกรด 316 เทียบกับทางเลือกอื่น

สกรูสแตนเลสเกรด 316 สำหรับงานทางทะเลไม่เพียงแต่ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเท่านั้น แต่ยังมีความแข็งแรงดึงได้สูงกว่ามากอยู่ที่ประมาณ 620 MPa หรือมากกว่า รวมถึงมีคุณสมบัติการยืดตัวที่ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเลือกอื่นๆ เช่น โลหะผสมเฟอร์ไรติก 304 หรือ 430 โครงสร้างออสเทนนิติกเฉพาะตัวที่สกรูเหล่านี้มีช่วยให้คงความเสถียรภาพได้แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ซึ่งช่วยลดปัญหาการแตกร้าวจากความเครียดที่มักเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมน้ำเค็ม การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าสกรู 316 สามารถใช้งานได้นาน 15 ถึง 20 ปีใต้น้ำก่อนเริ่มแสดงอาการสึกหรอ ในขณะที่สกรูมาตรฐาน 304 มักจำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่เร็วกว่าถึงสามเท่าภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน สำหรับผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับเรือหรือโครงสร้างชายฝั่ง ความทนทานยาวนานนี้มีผลต้นทุนในการบำรุงรักษาในระยะยาวอย่างมาก

อะไรคือสิ่งที่กำหนดสกรูสแตนเลสเกรดสำหรับงานทางทะเล?

สกรูสแตนเลสที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับการใช้งานในงานทางทะเล ถูกออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจากน้ำเค็ม โดยต้องใช้ส่วนผสมของโลหะที่เหมาะสมอย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการผลิต เพื่อให้สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากเหล่านี้ สำหรับสินค้าที่ถือว่าเป็นเกรดทางทะเลอย่างแท้จริง โดยทั่วไปจะมีโครเมียมระหว่าง 16 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ และมอลิบดีนัมประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ในองค์ประกอบ ส่วนของมอลิบดีนัมนั้นมีความสำคัญมาก เพราะช่วยป้องกันการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) ที่เกิดขึ้นเมื่ออนุไอออนคลอไรด์โจมตีผิวโลหะ หลังจากการผลิต สกรูเหล่านี้จะได้รับการบำบัดด้วยกระบวนการที่เรียกว่า การทำให้เฉื่อย (passivation) ซึ่งจะสร้างชั้นเคลือบออกไซด์ของโครเมียมที่ช่วยป้องกันขึ้นบนพื้นผิว ที่น่าสนใจคือ ชั้นเคลือบนี้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้หากเกิดความเสียหายเล็กน้อย ซึ่งผู้เชี่ยวชาญด้านการกัดกร่อนในงานทางทะเลได้เขียนอธิบายไว้อย่างกว้างขวางในงานวิจัยต่างๆ มาหลายปีแล้ว

ลักษณะที่ทำให้สกรูถือว่าเป็น 'เกรดทางทะเล'

• องค์ประกอบของโลหะผสม : นิกเกิล (10–14%) ช่วยเพิ่มความเหนียว; แมงกานีสช่วยเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูป
• การรับรอง : การปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM A193/A193M หรือ ISO 3506-2
• คุณภาพพื้นผิว : พื้นผิวเรียบเนียน (Ra ≤ 3.2 µm) เพื่อลดความเสี่ยงการกัดกร่อนแบบช่องแคบ

คุณสมบัติสำคัญด้านประสิทธิภาพของสกรูสแตนเลสเกรดสำหรับงานทางทะเล

1. ความต้านทานต่อการแตกร้าวจากความเครียดและการกัดกร่อน : ทนได้มากกว่า 500 ชั่วโมงในการทดสอบพ่นเกลือ (ASTM B117)
2. ความแข็งแรงทางกล : รักษากำลังดึงไว้ที่ 70,000–100,000 psi แม้หลังจากอยู่ในเขตชายฝั่งเป็นเวลานานกว่า 5 ปี
3. ความเข้ากันได้ทางไฟฟ้า : ศักย์ไฟฟ้าเคมีอยู่ในช่วง −0.5V ถึง +0.5V เทียบกับ SCE เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อแบบกาลวานิก

รายงานการวิเคราะห์วัสดุโดยหน่วยงานอิสระยืนยันว่า สกรูสแตนเลสเกรด 316 สำหรับงานทางทะเลยังคงความแข็งแรงต่อแรงเฉือนได้ 92% หลังจากการสัมผัสกับน้ำเค็มเป็นเวลา 10 ปี ซึ่งมีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าเกรด 304 มาตรฐานถึง 300%

การป้องกันการกัดกร่อนแบบกาลวานิกด้วยความเข้ากันได้ของวัสดุที่เหมาะสม

การกัดกร่อนแบบกาลวานิกมีผลต่อสกรูสแตนเลสอย่างไรในชิ้นส่วนประกอบโลหะผสม

สกรูสแตนเลสที่ใช้ร่วมกับโลหะอื่นๆ เช่น อลูมิเนียมหรือเหล็กกล้าคาร์บอนในชิ้นส่วนเรือ มักก่อให้เกิดปัญหาการกัดกร่อนแบบเกลวานิก ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนโลหะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว หลักการพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังนี้เกี่ยวข้องกับปัจจัยหลักสามประการที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่ โลหะที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าต่างกัน การสัมผัสกันโดยตรงระหว่างโลหะ และของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ เช่น น้ำทะเล สิ่งที่เกิดขึ้นคือ สแตนเลสมักจะกลายเป็นสิ่งที่วิศวกรเรียกว่าแคโทด ซึ่งจะเร่งอัตราการกัดกร่อนของโลหะที่มีความบริสุทธิ์ต่ำกว่าที่อยู่รอบๆ งานวิจัยระบุว่า ชิ้นส่วนอลูมิเนียมที่อยู่ใกล้กับยึดแน่นแบบสแตนเลส 316 อาจเริ่มแสดงอาการเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ 3 ถึง 5 เท่า เมื่ออยู่ใต้น้ำอย่างต่อเนื่อง เมื่อเทียบกับกรณีที่อยู่เดี่ยวๆ สถานการณ์จะเลวร้ายยิ่งขึ้นในพื้นที่ที่คลื่นกระเด็นน้ำเค็มเข้ามากระทบพื้นผิวอยู่ตลอดเวลา เพราะการเปียกซ้ำๆ อย่างต่อเนื่องจะทำให้มีอิเล็กโทรไลต์ใหม่ไหลเข้าสู่ระบบอยู่เสมอ

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพทางอิเล็กโทรเคมีในสิ่งแวดล้อมทางทะเล

เพื่อลดการกัดกร่อนแบบเกิดกระแสไฟฟ้าในงานที่ใช้กับน้ำเค็ม:

• เลือกโลหะที่อยู่ในช่วง 0.15V บนชุดกัลวานิก ตามที่แนะนำโดยแนวทางของอุตสาหกรรม
• ใช้อุปสรรคฉนวนไฟฟ้า เช่น วาชเชอร์ไนลอนหรือเทปพีทีเฟ (PTFE) ระหว่างโลหะต่างชนิด
• ใช้เคลือบที่มีสังกะสีเป็นส่วนประกอบหลัก บนชิ้นส่วนเชิงกลยุทธ์เพื่อสร้างเส้นทางการกัดกร่อนที่ควบคุมได้
• ออกแบบชิ้นส่วนประกอบ เพื่อหลีกเลี่ยงช่องว่างที่น้ำเค็มสามารถขังอยู่ได้
• ติดตั้งระบบป้องกันแบบแคโทดิก สำหรับโครงสร้างนอกชายฝั่งที่สำคัญ

การจับคู่วัสดุอย่างมีเชิงรุกช่วยลดอัตราการกัดกร่อนได้สูงถึง 85% เมื่อเทียบกับการจับคู่ที่ไม่มีการจัดการ โดยอิงจากการทดสอบความเข้ากันได้ทางไฟฟ้าเคมี

มาตรฐานและการประยุกต์ใช้งานจริงของสลักเกลียวสแตนเลสในทะเล

มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง: ISO 3506-1 และ ISO 3506-2 สำหรับอุปกรณ์ยึดในงานทะเล

สำหรับการใช้งานในงานด้านการเดินเรือ เหล็กสแตนเลสต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐาน ISO 3506-1 และ ISO 3506-2 มาตรฐานสากลเหล่านี้กำหนดคุณสมบัติที่ทำให้สแตนเลสเหมาะสมกับสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มรุนแรงโดยเฉพาะ เกรด 316 โดยเฉพาะต้องมีความต้านทานแรงดึงอย่างน้อย 500 MPa และการยืดตัวได้ประมาณ 40% เพื่อรองรับแรงเครียดจากคลื่นและสภาพแวดล้อมที่มีเกลือตลอดเวลา การทดสอบจริงเมื่อปี 2023 พบข้อมูลที่น่าสนใจเช่นกัน ส่วนประกอบที่ผ่านตามข้อกำหนดเหล่านี้สามารถใช้งานได้นานกว่ามากเมื่ออยู่ใต้น้ำ ตัวเลขค่อนข้างน่าประทับใจ โดยมีความล้มเหลวลดลงประมาณ 70% หลังจากห้าปีที่จมอยู่ในน้ำทะเล เมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์ราคาถูกที่ไม่ได้ผ่านการรับรองตามมาตรฐานเหล่านี้ ก็เข้าใจได้เมื่อพิจารณาดูดีๆ เพราะน้ำทะเลทำลายโลหะได้อย่างรุนแรงเมื่อเวลาผ่านไป

การใช้งานในอุตสาหกรรมการต่อเรือ ท่าจอดเรือ และโครงสร้างนอกชายฝั่ง

สกรูสแตนเลส 316 ถูกใช้ในชิ้นส่วนยึดต่อตัวเรือและการตึงระบบแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง เมื่อมีน้ำเค็มสัมผัสอยู่ตลอดเวลา สกรูเหล่านี้ทำหน้าที่ยึดป้อมกันชนตามแนวชายฝั่ง ซึ่งต้องรับแรงประมาณ 8 ถึง 10 กิโลนิวตัน ซ้ำแล้วซ้ำอีกเมื่อน้ำขึ้นน้ำลง ลึกลงไปกว่านั้น วิศวกรทางทะเลยังพึ่งพาสกรูชนิดนี้ในการต่อท่อส่งใต้ทะเล ในบริเวณที่ความดันน้ำมีความรุนแรงมาก โดยเฉพาะที่ระดับความลึกเกิน 200 เมตรจากระดับน้ำทะเล เมื่อผ่านกระบวนการแพสซิเวชันอย่างเหมาะสม สกรู 316 จะมีความต้านทานต่อความเสียหายจากการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมจากคลอไรด์ในน้ำทะเลได้ดีกว่าสแตนเลส 304 ทั่วไปประมาณ 12 ถึง 15 เท่า ความทนทานในระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมกลางทะเล การเปลี่ยนชิ้นส่วนที่ผุกร่อนอาจมีค่าใช้จ่ายหลายพันดอลลาร์ และทำให้การดำเนินงานหยุดชะงักได้นานหลายวัน