กรณีตัวอย่าง: การเสียหายของท่อ AISI 304 (corrosion failure of AISI 304 pipe)

รูปที่ 1 ท่อเหล็กกล้าไร้สนิม AISI 304 ที่เกิดความเสียหาย

            หลายท่านอาจเคยสงสัยว่า เพราะเหตุใดชิ้นส่วนที่ผ่านการเชื่อมจึงมักเกิดความเสียหายในบริเวณแนวเชื่อมมากกว่าบริเวณอื่น ในกรณีตัวอย่างนี้อาจทำให้ท่านหายสงสัยได้บ้างไม่มากก็น้อย

ชิ้นส่วนท่อเหล้กกล้าไร้สนิม AISI 304 (รูปที่ 1)  เกิดการกัดกร่อนและรั่วหลังจากผ่านการใช้งานได้ประมาณ 6 เดือน ซึ่งเร็วเกินไปใช่ไหมครับ ซึ่งกรณีตัวอย่างนี้จะเสนอแง่มุมบางส่วน กล่าวคือจะเน้นการกัดกร่อนในรูปแบบจุลภาค ท่อดังกล่าวผ่านการเชื่อม TIG  ใช้ในการลำเลียงน้ำสะอาด เป็นที่ทราบกันดีว่ากระบวนการเชื่อม TIG ที่มีการหลอมเพียงโละพื้น (Autogenous Welding Process) โดยไม่มีการเติมลวดเชื่อม (No Filler Metal) นั้น มักส่งผลให้โครงสร้างในแนวหลอมละลายมีลักษณะคล้ายกับโครงสร้างที่ได้จากการหล่อ (Cast Structure) คือ มีโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเดนไดร์ของเดลต้าเฟอร์ไรต์ที่มีโครเมียมสูง (Chromium-rich Delta Ferrite) ประมาณ 2-10% ฟอร์มตัวอยู่ในโครงสร้างพื้นแบบออสเตนนิติกที่มีนิกเกิลสูง (Ni-rich Cored Austenite)  ดังรูปที่ 2 โครงสร้างลักษณะดังกล่าวเกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็วในระหว่างการเชื่อม เนื่องจากในระหว่างการเย็นตัวจะเกิดการฟอร์มตัวของโครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์ปฐมภูมิเป็นของแข็ง (Primary Delta Ferrite Solidify) ในแนวหลอมละลาย จากนั้นโครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์จะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นออสเตนไนต์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ถูกควบคุมโดยการแพร่ (Diffusion-controlled Process) ดังนั้น เมื่อมีการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว จึงส่งผลให้การเปลี่ยนเฟสจากเดลต้าเฟอร์ไรต์ไปเป็นออสเตนไนต์เกิดขึ้นอย่างไม่สมบูรณ์ ถ้าเดลต้าเฟอร์ไรต์ที่เกิดขึ้นประมาณ 3-8% จะสามารถลดการแตกร้อนในระหว่างการเย็นตัวของแนวเชื่อมได้ แต่ถ้ามีปริมาณมากกว่า 10% จะลดสมบัติทางกล นอกจากนี้ยังจะไวต่อการกัดกร่อนอีกด้วย

รูปที่ 2 โครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเดนไดร์ของเดลต้าเฟอร์ไรต์ที่มีโครเมียมสูงฟอร์มตัวอยู่ในโครงสร้างพื้นแบบออสเตนนิติกที่มีนิกเกิลสูง

การเกิดโครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์ในแนวเชื่อมสามารถส่งเสริมให้บริเวณแนวหลอมละลายเกิดการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า ซึ่งเป็นผลกระทบมาจากความแตกต่างของโครงสร้างจุลภาค (Micro-galvanic Effect) ระหว่าง inter-dendritic Cr-rich delta ferrite กับ cored Ni-rich austenite กล่าวคือ โครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์ซึ่งมีโครเมียมสูงทำให้โครงสร้างออสเตนนิติกที่อยู่ใกล้เคียงมีโครเมียมลดลง (Cr-depleted Zone) นอกจากนี้บริเวณดังกล่าวมักมีการแยกตัวตกตะกอนแบบจุลภาค (Micro-segregation) ของ impurity และ alloying elements ซึ่งการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าในบริเวณดังกล่าวนี้ จะส่งเสริมให้เกิดเป็นจุดเริ่มต้นในการขยายตัวของรูเข็มให้มีขนาดใหญ่ขึ้นได้เป็นอย่างดี  ถ้าสารละลายมีการเจือปนอิออนของธาตุหมู่ 7 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ครอไรด์  ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 3 ซึ่งพบการกัดกร่อนในรอยต่อระหว่างโครงสร้างจุลภาคทั้งสองคล้ายการกัดกร่อนตามขอบเกรน บางครั้งอาจเรียกว่า การกัดกร่อนแบบเลือกละลายเฉพาะเฟสเดลต้าเฟอร์ไรต์ (Selective Dissolution of Delta Ferrite) ดังภาพขยายในรูปที่ 4

รูปที่ 3 การกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า ซึ่งเป็นผลกระทบมาจากความแตกต่างของโครงสร้างจุลภาค (Micro-galvanic Effect) ระหว่าง inter-dendritic Cr-rich delta ferrite กับ cored Ni-rich austenite

รูปที่ 4 การกัดกร่อนแบบเลือกละลายเฉพาะเฟสเดลต้าเฟอร์ไรต์ (Selective Dissolution of Delta Ferrite)

จากการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคพบการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นในบริเวณรอยต่อระหว่างโลหะพื้นและแนวหลอมละลายรุนแรงมากกว่าบริเวณอื่นนั้น ลักษณะดังกล่าวสามารถอธิบายได้ว่า ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะพื้น ซึ่งมีโครงสร้างจุลภาคแบบเฟสเดียว คือ ออสเตนไนต์ มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าบริเวณเนื้อโลหะที่ผ่านการเชื่อม ซึ่งมีโครงสร้างแบบ 2 เฟส และเป็นที่ทราบกันดีว่า การเชื่อมมักส่งผลให้วัสดุมีสมบัติที่แย่ลงทั้งสมบัติทางกลและการกัดกร่อน และถ้าพิจารณาในระดับมหภาคของท่อบริเวณแนวเชื่อมเมื่อสัมผัสกับอิเล็กโตรไลต์แล้ว แนวเชื่อมจะแสดงตัวเป็นแอโนด (จ่ายอิเล็กตรอน) ในขณะที่วัสดุพื้นจะแสดงตัวเป็นคาโธด (รับอิเล็กตรอน) นอกจากนี้ยังมีปัจจัยเรื่องความแตกต่างของพื้นที่ (Area Effect) กล่าวคือ พื้นที่แอโนดมีขนาดเล็กแต่มีพื้นที่คาโธดใหญ่ ก็ยิ่งจะเป็นตัวเร่งให้เกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะจุดให้เร็วยิ่งขึ้น และจากการตรวจสอบแนวหลอมละลายที่กำลังขยายสูงด้วย SEM พบการขยายตัวคล้ายกับการกัดกร่อนตามขอบเกรนดังแสดงในรูปที่ 5 สำหรับความไวต่อการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าบริเวณ fusion zone สามารถลดได้โดยการ annealing หลังการ welding ด้วยวิธีการที่เหมาะสม

รูปที่ 5 ภาพถ่าย SEM แสดงการกัดกร่อนตามขอบเกรนแบบ Selective Dissolution of Delta Ferrite

สมมุติว่าท่อถูใช้งานภายใต้สภาวะสิ่งแวดล้อมแบบเปียกที่มีคลอไรด์อิออนเจือปน (Chloride Containing Wet Environment) ฟิล์มป้องกันการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกอาจถูกทำลายในบริเวณที่เป็นจุดอ่อน เช่น สารฝังใน ขอบเกรนคู่แฝด (Twin Boundary) เฟสที่ตกตะกอน รอยต่อระหว่างโครงสร้างที่ต่างกัน และฟิล์มไม่สามารถซ่อมแซมขึ้นมาใหม่ได้ ทำให้คลอไรด์ไอออนสามารถแพร่เข้าตามจุดบกพร่องดังกล่าว และเกิดการฟอร์มเป็นรูเข็ม (Formation of Pit) โดยทำปฏิกิริยาเคมีกับอะตอมของโลหะและฟอร์มตัวเป็นโลหะคลอไรด์ จากนั้น โลหะคลอไรด์จะเกิดการแยกตัวเป็นไฮดรอกไซด์ของโลหะและกรดไฮโดรคลอริกด้วยกระบวนการไฮโดรไลซิส และกระบวนการดังกล่าวจะส่งผลให้ภายในโพรงมีค่า pH ลดลง และการสลายตัวของโลหะหรือการขยายตัวของรูเข็มจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและรวดเร็ว ในที่สุดก็เกิดการรั่วทะลุที่มีลักษณะดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 โครงสร้างจุลภาคตามแนวยาวท่อแสดงการขยายตัวของของ pitting corrosion

เป็นที่ทราบกันดีว่า การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมจะเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาและมีความเค้นตกค้างเกิดขึ้น ส่งผลกระทบต่อโครงสร้างของฟิล์มป้องกันที่มีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำโดยเกิดการแตกร้าว และมีความไวต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ได้ง่ายเมื่อสัมผัสกับสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งการแตกร้าวของฟิล์มป้องกันจะเป็นตัวแปรสำคัญในการเพิ่มความไวต่อการกัดกร่อนเฉพาะที่ เช่น การกัดกร่อนแบบรูเข็ม และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน อย่างไรก็ตามปัญหาดังกล่าวสามารถแก้ไขได้โดยการผ่านกระบวนการทางความร้อนที่เหมาะสมหลังการเชื่อมรวมทั้งการทำความสะอาดผิวหน้าอย่างระมัดระวัง

เอกสารอ้างอิง
[1] E. Mohammadi Zahrani et al. pitting of 316L stainless steel in flare piping of a petrochemical plant. Eng Fail Anal 2009, In Press, Corrected Proof, Available online 15 October 2009.
[2] B.T. Lu et al. pitting and stress corrosion cracking behavior in welded austenitic stainless steel. Electrochimica Acta 2005; 50(6): pp. 1391-403.
[3] C. Garcia et al. Pitting corrosion of welded joints of austenitic stainless steels studied by using an electrochemical minicell. Corrosion Science 2008; 50(4): pp. 1184-94.
[4] Lin Cui et al. Pitting and galvanic corrosion behavior of stainless steel with weld in wet-dry environment containing CI⁻. Journal of University of Science and Technology Beijing 2007; 14(6): pp. 517-22.
[5] B.T. Timofeev et al. Corrosion and mechanical strength of welded joints of downcomers for RBMK reactors, Int. J. Pres. Ves. Pip 1999; 76(5): pp. 299–307.
[6] Kou S. Welding metallurgy. 2nd ed. John Wiley & Sons; 2003.
[7] M. Suresh Kumar et al.  Failure analysis of a stainless steel pipeline. Eng Fail Anal 2008; 15(5): pp. 497-504.
[8] Fontana MG. Corrosion engineering. 3rd ed. New York: McGraw-Hill; 1986.
[9] Wei Wu et al. Corrosion failure analysis of stainless steel components for maleic anhydride plant. Eng Fail Anal 2009, In Press, Corrected Proof, Available online 10 November 2009.
[10] Sedek P et al. Pitting corrosion of the stainless steel ventilation duct in a roofed swimming pool. Eng Fail Anal 2008; 15(4): pp. 281–6.
[11] Khedra AA et al. The influence of chloride ions in sulphuric acid on the corrosion behaviour of stainless steel. Surf Technol 1984; 23(2):pp. 151–8.
[12] Annual book of ASTM standard practice for seamless and welded austenitic stainless steel pipes, A312/A 312M-0, vol. 01.01.; 2009.