تفاوت‌های خوردگی استیل 304 و 316 در محیط‌های اسیدی و قلیایی

انتخاب صحیح نوع استیل زنگ‌نزن یکی از مهم‌ترین تصمیمات در صنایع شیمیایی، غذایی، دارویی و دریایی است. دلیل این موضوع آن است که محیط‌های عملیاتی (اسیدی، قلیایی یا کلریدی) می‌توانند به‌طور مستقیم بر عمر تجهیزات و هزینه‌های نگهداری اثر بگذارند.

در میان گریدهای مختلف استیل، با وجود تفاوت‌هایی در گریدهای 304 و 316، دو نوع 304 و 316 از پرکاربردترین‌ها هستند. هر دو به خانواده فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی تعلق دارند، اما ترکیب شیمیایی آن‌ها تفاوت‌هایی دارد که منجر به تفاوت خوردگی استیل 304 و 316 می‌شود.

یکی از سوالات رایج مهندسان این است:

• در محیط‌های اسیدی مانند HCl یا H₂SO₄ کدام گرید بهتر عمل می‌کند؟
• در محیط‌های قلیایی مثل NaOH یا KOH آیا تفاوت قابل‌توجهی وجود دارد؟
• آیا هزینه بیشتر برای 316 توجیه‌پذیر است یا خیر؟

در این مقاله استیل رخ، با مرور ترکیب شیمیایی، مکانیزم خوردگی، داده‌های علمی و کاربرد صنعتی، به این سوالات پاسخ خواهیم داد.

ترکیب شیمیایی استیل 304 و 316

ترکیب شیمیایی هریک از گریدهای استنلس استیل تاثیر مستقیم بر مقاومت به خوردگی آنان در شرایط گوناگون دارد. از این رو بررسی آنالیز شیمیایی استیل 304 و 316 از اهمیت بالایی برخوردار است.

جدول زیر ترکیب شیمیای استیل 304 را نشان می‌دهد.

در جدول زیر ترکیب شیمیایی استیل 316 نشان داده شده است.

تاثیر ترکیب شیمیایی:

• حضور مولیبدن در 316 باعث افزایش مقاومت به خوردگی حفره‌ای (Pitting) و خوردگی شکافی (Crevice) در محیط‌های کلریدی می‌شود.
• هر دو گرید به دلیل درصد بالای کروم، در شرایط عادی یک لایه غیرفعال (Passive film) روی سطح خود تشکیل می‌دهند.

تفاوت‌ خوردگی استیل 304 و 316 در محیط‌ اسیدی

یکی از عوامل کلیدی در تخریب استیل‌ها در محیط‌های اسیدی، غلظت و دما است. استیل 304 در اسید سولفوریک با غلظت پایین و دمای کمتر از 40 درجه سانتی‌گراد پایدار است، اما با افزایش غلظت و دما، نرخ خوردگی به‌طور تصاعدی افزایش می‌یابد. در مقابل، استیل 316 به دلیل داشتن مولیبدن در ساختار، حتی در غلظت‌های متوسط H₂SO₄ هم پایداری بیشتری دارد. آزمایش‌های NACE نشان داده‌اند که در اسید سولفوریک 20٪ در دمای 50 درجه سانتی‌گراد، استیل 304 پس از یک سال دچار خوردگی شدید می‌شود، در حالی که 316 تنها خوردگی سطحی محدودی دارد.

همچنین باید به خوردگی موضعی (Localized corrosion) در محیط‌های حاوی کلرید اشاره کرد. حضور HCl یا حتی ترکیب H₂SO₄ + NaCl باعث ایجاد پیتینگ (Pitting) در استیل 304 می‌شود. در این شرایط، استیل 316 عملکرد بسیار بهتری دارد. با این وجود، حتی 316 هم در اسید کلریدریک غلیظ مقاومت پایدار ندارد و تنها در غلظت‌های بسیار کم (زیر 0.5٪) قابل‌استفاده است. به همین دلیل در محیط‌های اسیدی حاوی کلرید، انتخاب گریدهای مقاوم‌تر مانند 904L یا Duplex steels توصیه می‌شود.

داده‌ها نشان می‌دهند که نرخ خوردگی استیل 304 در محلول H₂SO₄ غلیظ در دمای 50 درجه سانتی‌گراد حدود 1.2 mm/year است، در حالی‌که برای 316 حدود 0.3 mm/year گزارش شده است.

تفاوت‌ خوردگی استیل 304 و 316 در محیط‌ قلیایی

در محیط‌های قلیایی مانند NaOH و KOH، هر دو استیل 304 و 316 معمولاً معیارهای مقاومت در برابر خوردگی را دارند. دلیل این موضوع آن است که محیط قلیایی لایه اکسید کروم محافظ روی سطح استیل را تقویت می‌کند. با این حال، در شرایطی که دما به بالای 100 درجه سانتی‌گراد برسد یا غلظت بیش از 50٪ شود، احتمال بروز ترک‌خوردگی تنشی ناشی از قلیا (Caustic Stress Corrosion Cracking) افزایش می‌یابد. داده‌های منتشرشده در NACE Handbook نشان می‌دهد که در محلول 50٪ NaOH در دمای 150 درجه سانتی‌گراد، استیل 304 دچار ترک‌خوردگی می‌شود، در حالی که 316 پایداری بهتری دارد اما همچنان مستعد آسیب است.

یک نکته مهم در محیط‌های قلیایی، حضور ترکیبات کلریدی همراه قلیاها است. به‌عنوان مثال، در صنایع تولید خمیر کاغذ که ترکیب NaOH و NaCl به‌طور همزمان وجود دارد، استیل 304 به‌سرعت دچار خوردگی حفره‌ای می‌شود. استیل 316 به دلیل وجود مولیبدن، مقاومت بالاتری دارد. اما برای شرایط شدیدتر، فولادهای داپلکس (Duplex) یا سوپر آستنیتی توصیه می‌شوند. بنابراین، اگرچه در قلیاهای خالص تفاوت زیادی بین 304 و 316 وجود ندارد، اما در قلیاهای کلریددار، مزیت 316 به‌وضوح دیده می‌شود.

بنابراین در محیط‌های قلیایی، تفاوت عملکرد 304 و 316 بسیار کم است و انتخاب بر اساس هزینه و دسترسی صورت می‌گیرد.

مقایسه مقاومت انواع خوردگی

یکی از معیارهای شناخته‌شده برای ارزیابی مقاومت به خوردگی عدد PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) است:

فرمول محاسبه PREN
PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

• استیل 304: PREN ≈ 18–19
• استیل 316: PREN ≈ 25–27

در نتیجه استیل 316 در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی بسیار مقاوم‌تر است، به‌ویژه در محیط‌های کلریدی و اسیدی.

علاوه بر شاخص PREN که برای پیش‌بینی مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای به کار می‌رود، باید به خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking – SCC) نیز توجه کرد. استیل 304 در حضور یون‌های کلرید و دمای بالاتر از 60 درجه سانتی‌گراد به‌ویژه مستعد ترک‌خوردگی تنشی است. در چنین شرایطی، استیل 316 به دلیل داشتن مولیبدن و درصد نیکل بالاتر مقاومت بهتری از خود نشان می‌دهد، هرچند کاملاً مصون نیست. داده‌های NACE نشان می‌دهند که نرخ بروز SCC در 304 حدود ۲ تا ۳ برابر بیشتر از 316 است، به‌خصوص در محیط‌های حاوی نمک‌های کلریدی و فشارهای مکانیکی. این موضوع در طراحی مخازن تحت فشار، خطوط لوله صنایع شیمیایی و تجهیزات نیروگاهی اهمیت حیاتی دارد.

کاربردهای صنعتی استیل 304 و 316

• استیل 304:
  • تجهیزات صنایع غذایی (مخازن شیر، خطوط تولید نوشیدنی‌ها)
  • تجهیزات دارویی
  • کاربرد در محیط‌های نسبتاً ملایم اسیدی یا قلیایی
• استیل 316:
  • صنایع شیمیایی و پتروشیمی (مبدل‌های حرارتی، مخازن اسید)
  • صنایع دریایی (پمپ‌ها، شیرآلات، پروانه کشتی)
  • تجهیزات تصفیه آب و آب‌شیرین‌کن‌ها

یکی از حوزه‌های مهم کاربردی استیل 304 و 316، صنایع داروسازی و تجهیزات پزشکی است. در این صنایع، علاوه بر مقاومت به خوردگی، معیارهای بهداشتی و قابلیت شست‌وشو با محلول‌های اسیدی و قلیایی نیز اهمیت دارد. به‌طور معمول، تجهیزاتی که در تماس مستقیم با داروها و مواد استریل هستند از ورق استیل در گرید ۳۱۶ ساخته می‌شوند، زیرا در برابر محلول‌های کلریدی ضدعفونی‌کننده مانند هیپوکلریت سدیم پایدارتر است. در مقابل، برای ساخت تجهیزات جانبی و لوازم کم‌ریسک‌تر اغلب از 304 استفاده می‌شود که هزینه کمتری دارد و همچنان استانداردهای بهداشتی را برآورده می‌کند. این ترکیب انتخابی باعث می‌شود صنایع بتوانند بین هزینه و ایمنی تعادل برقرار کنند.

ملاحظات اقتصادی

هنگام انتخاب میان استیل 304 و 316 بایستی ملاحظات زیر را در نظر گرفت:

• قیمت استیل 316 حدود ۲۰ تا ۳۰٪ بالاتر از 304 است.
• با این حال، هزینه‌های تعمیر و نگهداری در تجهیزات ساخته‌شده با 316 به‌مراتب کمتر است.
• در پروژه‌هایی که طول عمر بالا و مقاومت شیمیایی اهمیت دارد، 316 در بلندمدت اقتصادی‌تر است.

علاوه بر هزینه خرید و نگهداری، باید به هزینه‌های توقف تولید (Downtime cost) نیز توجه داشت. در صنایعی مانند پتروشیمی یا نیروگاهی، توقف چند روزه یک واحد به دلیل تعمیرات ناشی از خوردگی، می‌تواند میلیون‌ها دلار خسارت وارد کند. به همین دلیل بسیاری از شرکت‌ها ترجیح می‌دهند از ابتدا در تجهیزات حساس از استیل 316 یا حتی آلیاژهای پیشرفته‌تر استفاده کنند تا ریسک توقف تولید کاهش یابد. این نکته نشان می‌دهد که مقایسه اقتصادی بین 304 و 316 نباید فقط بر اساس قیمت اولیه باشد، بلکه باید کل چرخه عمر تجهیزات و هزینه فرصت ناشی از خرابی هم در نظر گرفته شود.

جدول مقایسه‌ای استیل 304 و 316

سخن آخر

بطور کلی میتوان گفت:

• 304 برای محیط‌های ملایم اسیدی یا قلیایی، صنایع غذایی و دارویی مناسب‌تر است.
• 316 به‌ویژه در محیط‌های کلریدی و اسیدی قوی‌ (مثل سولفوریک و فسفریک) انتخاب بهتری است.
• انتخاب بین 304 و 316 باید بر اساس شرایط محیطی، طول عمر مورد نیاز و هزینه چرخه عمر (LCC) انجام شود.