ค่าเผื่อการสึกกร่อนของวัสดุ
ชนิดของการกัดกร่อน
การกัดกร่อนที่มีอยู่ 8 รูปแบบ ซึ่งมีผลกระทบทั้งในด้านความปลอดภัยและต้นทุนในกระบวนการผลิต เป็นปัญหาที่วิศวกรเคมีต้องพบเจอและแก้ไขอยู่บ่อยๆ โดยการกัดกร่อนแต่ละแบบมีลักษณะเฉพาะตัว.
- Uniform Corrosion: การกัดกร่อนแบบทั่วไปที่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวโลหะ ตัวอย่างเช่น เหล็กที่เป็นสนิมทั่วพื้นผิว
- Galvanic Corrosion: การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเมื่อโลหะสองชนิดสัมผัสกันในสภาพแวดล้อมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เช่น การใช้เหล็กสังกะสีในเรือที่มีส่วนประกอบเป็นทองแดง
- Crevice Corrosion: เกิดขึ้นในรอยแยกหรือร่องเล็กๆ ที่อากาศไม่สามารถเข้าไปได้ ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่แตกต่างจากภายนอก ตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนในรอยต่อของท่อโลหะ
- Pitting Corrosion: เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเป็นจุดเล็กๆ แต่ลึกและทำให้โครงสร้างโลหะเสียหายได้ง่าย เช่น การเกิดจุดสนิมในถังเก็บน้ำ
- Intergranular Corrosion: การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นระหว่างเกรนของโลหะ ทำให้โครงสร้างของโลหะอ่อนแอลง ตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนระหว่างเกรนในสแตนเลสที่ผ่านกระบวนการเชื่อม
- Selective Leaching: เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับธาตุบางธาตุในโลหะผสม ทำให้เกิดการสูญเสียสมบัติทางกายภาพและเคมีของโลหะ ตัวอย่างเช่น การสูญเสียทองแดงจากทองเหลืองทำให้เหลือเพียงสังกะสี
- Erosion Corrosion: การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของของเหลวหรือก๊าซที่มีความเร็วสูง เช่น การสึกหรอของใบพัดในปั๊ม
- Cavitation Damage: เกิดจากการฟองอากาศแตกตัวในของเหลว ทำให้เกิดการกัดกร่อน ตัวอย่างเช่น การเกิดรอยบนใบพัดปั๊ม
- Fretting Corrosion: การกัดกร่อนที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างผิวโลหะสองผิวที่สัมผัสกัน โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือน เช่น การสึกหรอที่เกิดขึ้นในจุดยึดของโบลท์
- Stress Corrosion Cracking: การกัดกร่อนที่เกิดจากแรงดึงที่ทำให้โลหะเกิดรอยร้าว ตัวอย่างเช่น การเกิดรอยร้าวในท่อสแตนเลสที่ได้รับแรงกดดันสูงในสภาวะแวดล้อมที่มีคลอไรด์
อัตราการกัดกร่อน (Corrosion Rate) คือ ความเร็วหรือปริมาณที่โลหะหรือวัสดุเสื่อมสภาพหรือสูญเสียเนื้อโลหะไปเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีหรือเคมีไฟฟ้าระหว่างวัสดุกับสภาพแวดล้อมรอบข้างเคียงในระหว่างใช้งาน
หน่วยที่นิยมใช้คำนวณและวัดค่า
- มิลลิเมตรต่อปี (mm/yr หรือ mmpy): ความหนาของโลหะที่สึกกร่อนลงไปในระยะเวลา 1 ปี
- ไมครอนต่อปี (μm/yr หรือ μpy): นิยมใช้ในงานชุบเคลือบหรือโลหะแผ่น (1 มิลลิเมตร = 1,000 ไมครอน)
- มิลลินิ้วต่อปี (mpy – Mils per year): แปลงค่าจาก mm/yr โดยคูณด้วยประมาณ 0.13 หรือคำนวณตามมาตรฐานสากล
ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าการกัดกร่อน
- ความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิ: เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนจะเริ่มเกิดการกัดกร่อนสูงขึ้นเมื่อความชื้นในอากาศอยู่ที่ 70%–80% ขึ้นไป
- สารเคมีและไอเกลือ: ปริมาณคลอไรด์ (จากบริเวณใกล้ทะเล) หรือซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในอากาศ
- ชนิดของโลหะ: โลหะแต่ละประเภท เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน สแตนเลส หรืออลูมิเนียม มีความต้านทานไม่เท่ากัน
- การสัมผัสระหว่างโลหะต่างชนิด: ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic Corrosion)
ผู้ออกแบบจะต้องเผื่อค่าความหนาเพิ่มเติม เพื่อชดเชยการสึกกร่อนที่คาดไว้ตลอดอายุงานของท่อ หรืออุปกรณ์ และจะต้องเลือกวัสดุของท่อ หรืออุปกรณ์ให้เหมาะกับของไหล โดยมีสูตร ตัวอย่างการคำนวณ และมาตรฐานวัสดุ
สรุปที่สำคัญ
ความต้านทานต่อการกัดกร่อนขึ้นกับคุณสมบัติ ส่วนผสมของวัสดุ
- สูตร – t_design = t_required + CA (ความหนาออกแบบ = ความหนาที่ต้องการ + ค่าเผื่อการกัดกร่อน)
- ค่า CA ทั่วไปตามของไหล (mm) – น้ำสะอาด 0.5–1.0, น้ำทะเล 1.5–3.0, น้ำกระบวนการที่ผ่านการบำบัด 1.0–2.0, น้ำมันดิบ 1.0–3.0, ผลิตภัณฑ์กลั่น 0.5–1.5, งาน Amine 1.5–3.0, งาน Sour (H₂S) 3.0–6.0, งานสารเคมี 1.0–3.0, ไอน้ำ/คอนเดนเสท และน้ำหล่อเย็น ประมาณ 1.0–2.0
- ชนิดการกัดกร่อนในท่อ – Uniform Corrosion, Pitting Corrosion, Stress Corrosion Cracking (SCC), Erosion Corrosion
- ปัจจัยเลือกวัสดุ – ของไหลและเคมีกระบวนการ, อุณหภูมิ, ความดัน, อัตราการกัดกร่อน, สมบัติเชิงกล, ต้นทุนและความพร้อมจัดหา, อายุออกแบบ, สภาวะการทำงาน
- วัสดุท่อทั่วไป – Carbon Steel (ASTM A106), Stainless Steel (ASTM A312), Duplex SS (ASTM A790), Copper (ASTM B88), Alloy Steel (ASTM A335)
- วัสดุที่เหมาะกับงาน – น้ำจืด: Carbon Steel, SS / น้ำทะเล: SS 316, Duplex SS / น้ำมันดิบ: Carbon Steel, Low Alloy / ผลิตภัณฑ์กลั่น: Carbon Steel / งาน Sour (H₂S): Low Alloy, CRA / อุณหภูมิสูง: Alloy Steel, SS 321/347 / งานสารเคมี: SS 316, Hastelloy, Monel / ไอน้ำ/คอนเดนเสท: Carbon Steel, SS 304/316 / งานกรด: Hastelloy, Titanium, FRP (CRA = Corrosion Resistant Alloy)
- ตัวอย่างการคำนวณ – ท่อ NPS 8 (DN 200) Sch 40 เหล็กกล้าคาร์บอน ใช้กับน้ำทะเล CA = 3 mm, t_required = 8.18 mm ได้ t_design = 8.18 + 3 = 11.18 mm และให้ใช้ความหนามาตรฐานที่ใกล้ที่สุดที่ไม่น้อยกว่า 11.18 mm
- ขั้นตอนเลือกวัสดุ – กำหนดของไหลและสภาวะการทำงาน → หาอัตราการกัดกร่อนและ CA → ตรวจความเข้ากันได้ของวัสดุ (มาตรฐาน/ดาต้าชีต) → ประเมินสมบัติเชิงกล ต้นทุน ความพร้อมจัดหา → เลือกวัสดุสุดท้าย
- มาตรฐานวัสดุ – ASTM A106 (ท่อเหล็กคาร์บอนสำหรับอุณหภูมิสูง), ASTM A312 (ท่อสแตนเลสไร้ตะเข็บและเชื่อม), ASTM A335 (ท่อเหล็กอัลลอยสำหรับอุณหภูมิสูง), ASTM A790 (ท่อ Duplex สแตนเลส), ASTM B338 (ท่อนิกเกิลและโลหะผสมนิกเกิล/ไทเทเนียม ตามที่ระบุในภาพ)
หมายเหตุ: ภาพนี้ความละเอียดต่ำ ตัวเลขในตาราง (โดยเฉพาะค่า CA) อ่านได้ไม่ชัดทุกค่า ควรตรวจสอบกับมาตรฐานหรือภาพต้นฉบับก่อนใช้งานจริง
