Kako prepoznati krtost sigma faze u ostarjelim komponentama izmjenjivača topline od dupleks nehrđajućeg čelika?

Iako se dvostruka cijevna ploča od nehrđajućeg čelika koja je dugo bila izložena visokim temperaturama može činiti netaknutom, jednostavnim udarcem čekićem mogla bi se razbiti. Ovo je zastrašujući fenomen poznat kao krtost sigma faze, metalurška transformacija koja, bez mijenjanja izgleda, transformira jaku, rastegljivu leguru u krtu keramiku. Rano otkrivanje krtosti sigma faze dupleksnih komponenti izmjenjivača od nehrđajućeg čelika je bitno jer-popravak na licu mjesta nije izvediv nakon pojave sigme. Potrebno je popraviti oštećenu komponentu.

Sigma faza krtosti: što je to?
Austenit i ferit čine gotovo jednake postotke uravnotežene mikrostrukture koja se nalazi u dvostrukim nehrđajućim čelicima (kao što su 2205 i 2507). Ova dvo-fazna struktura osigurava visoku čvrstoću, superiornu duktilnost i izvanrednu otpornost na koroziju. Međutim, prijelaz se događa kada je dvostruki čelik izložen temperaturama između 600 i 900 stupnjeva tijekom duljeg vremenskog razdoblja. Nova intermetalna faza poznata kao sigma (σ) nastaje kada se feritna faza počne raspadati. Sigma ima tetragonalnu kristalnu strukturu i spoj je željeza, kroma i molibdena. Bogat je molibdenom i kromom, iznimno je krt i nevjerojatno tvrd.

I temperatura i vrijeme utječu na to kako nastaje sigma. Prijelaz se najbrže događa na 750–850 stupnjeva; znatna krtost može se dogoditi za nekoliko sati. Potrebno je stotine ili tisuće sati na nižim temperaturama (600–700 stupnjeva). Ne postoji održiva toplinska obrada in-na licu mjesta koja može preokrenuti sigmu nakon što se istaloži, obično kao sićušne, tanke ploče na granicama zrna i unutar feritnih zrna. Materijal gotovo u potpunosti gubi udarnu čvrstoću i postaje krt.

Uobičajeni razlozi za dijelove izmjenjivača topline
Sljedeće okolnosti su najčešće u kojima dolazi do krtosti sigma faze:

Varovi bez žarenja otopinom nakon-zavarivanja: ako je hlađenje sporo, zona-zahvaćena toplinom (HAZ) pored zavara može ostati u kritičnom temperaturnom rasponu dulje vrijeme. Osobito su ugroženi veliki, debeli komadi. Sigma ostaje u HAZ-u ako se komponenta naknadno ne žari u otopini (zagrijana na 1040–1100 stupnjeva i brzo prigušena).

Produženi rad na visokim temperaturama: Čak i nenamjerno, izmjenjivači topline koji neprekidno rade na temperaturama metala između 600 i 900 stupnjeva mogu postupno postati krti. To se može dogoditi u izmjenjivaču koji nije dobro ohlađen ili u jedinici za povrat otpadne topline.

Izloženost vatri: čak i kratkotrajno, vatra u biljci koja zagrijava dio dupleksnog izmjenjivača u raspon formiranja sigma može dovesti do krtosti u pogođenom području.

Greške u proizvodnji: Sigma se može potaknuti neprikladnom toplinskom obradom tijekom proizvodnje, kao što je sporo hlađenje od temperature žarenja.

Zone-pogođene toplinom zavarenih spojeva, debljih prirubnica i cijevnih listova najosjetljivija su područja. Iako se tanke cijevi brže hlade i manje je vjerojatno da će proizvesti sigmu, one su ipak osjetljive ako je radna temperatura vrlo visoka.

Mehanički i vizualni indikatori
Na izgled površine metala ne utječe krtost sigma faze. Komponenta može izgledati potpuno normalno, bez očitih pukotina ili promjene boje, ali može biti izuzetno krta. Međutim, njegovo postojanje može se otkriti temeljitim ispitivanjem i testiranjem.

Izgled površine prijeloma
Površina loma sigma-krhkog duplex čelika činit će se sjajnom, granularnom i kristalnom bez rastezljivog kidanja ili smicanja ako komponenta zakaže ili se namjerno slomi. Sivi, vlaknasti izgled tipičnog duktilnog prijeloma u oštroj je suprotnosti s ovim. Sigma daje metalu izdržljivost čokoladice; mali udarac lomi ga umjesto da ga izobliči.

Ispitivanje udarne žilavosti
Charpy V-notch (CVN) ispitivanje udarom zlatni je standard za kvantificiranje sigma krtosti. Kada se pravilno otopi-žari, Duplex 2205 obično ima udarnu žilavost od 100–200 J na sobnoj temperaturi. Žilavost se može smanjiti na manje od 20 J, a često i na jednu brojku kada je prisutna sigma. Ovaj test nudi nedvosmislen dokaz za sitne dijelove ili ispitne kupone izrezane iz cijevne ploče.

Metalografska analiza: tamne mrlje jetkanja
Nakon jetkanja, pod mikroskopom se vidi karakteristika krtosti sigma faze. Odgovarajući reagens, kao što je elektrolitičko jetkanje u 10% oksalnoj kiselini ili kombinacija HCl i HNO3 (Aqua Regia) ili KOH (za duplex), koristi se za jetkanje poliranog uzorka. Austenit i ferit pojavljuju se kao dvije odvojene faze u tipičnoj dupleks mikrostrukturi; austenit je obično blijed ili slabo urezan, dok je ferit tamniji. Unutar feritnih zrna i duž granica zrna, sigma faza se manifestira kao tamna, često blokovita ili ploča-mreža. Same sigma čestice izgledaju kao posebna, izrazito tamna faza pri većim uvećanjima. Pozitivnu identifikaciju osiguravaju karakteristične "tamne mrlje urezane" ili kontinuirane tamne mreže.

Replika urezane površine može se izraditi na-licu mjesta korištenjem terenske metalografske replikacije (kao što je objašnjeno u prethodnim člancima), koja se zatim pregledava pod ručnim mikroskopom. Sigma se može pronaći ovom ne-destruktivnom (ili blago destruktivnom) metodom bez uklanjanja uzorka iz velikog izmjenjivača.

Standardna metoda otkrivanja, ASTM A923
ASTM A923, "Standardne ispitne metode za otkrivanje štetnih intermetalnih faza u dupleks austenitnim/feritnim nehrđajućim čelicima", pruža tri priznate tehnike za identifikaciju sigma i drugih intermetalnih faza (poput chi):

Metoda A (test jetkanja natrijevim hidroksidom): Zagrijana 40% otopina NaOH koristi se za jetkanje poliranog uzorka. Tamna reakcija jetkanja ukazuje na postojanje sigma ili chi faze. Ovaj ispit provjere ima ishod prolaza/pada.

Žilavost na udar procjenjuje se metodom B (Charpyjev test na udar). Prihvaćanje zahtijeva minimalnu prosječnu apsorbiranu energiju, kao što je 54 J za 2205.

Metoda C (mjerenje sadržaja ferita): Postotak ferita određuje se pomoću feritoskopa. Sadržaj ferita uvelike se smanjuje stvaranjem sigme. Ovaj je pristup, međutim, manje jednostavan i podložan vanjskim utjecajima.

Najizvedivija metoda za servisiranje na terenu je metoda A (test jetkanjem) na sićušnoj poliranoj površini ili na replici.

Nepovratnost: Nema popravka na licu mjesta-
Ključni zaključak za inženjere postrojenja je da se sigma faza ne može eliminirati iz velikog, izgrađenog izmjenjivača topline toplinskom obradom. Cijela se komponenta mora zagrijati na 1040–1100 stupnjeva i brzo ugasiti (upotrebom vode ili plina pod tlakom) kako bi se ponovno -otopila sigma. Izmjenjivač-u radu s cijevima, brtvama i povezanim cjevovodom to ne može postići. Unutarnji snopovi cijevi proširili bi se i iskrivili čak i kad bi se školjka mogla zagrijati, a brzo hlađenje rezultiralo bi toplinskim udarom. Posljedično, ključnu komponentu (kao što je cijevna ploča ili debela prirubnica) treba promijeniti čim se potvrdi sigma krtost. Jedine mogućnosti za snopove cijevi su uklanjanje i zamjena.

Stoga je otkrivanje ključno za sprječavanje katastrofalnog kvara. Do brzog loma može doći zbog toplinskog ili mehaničkog udara (kao što je skok tlaka, udarac čekićem ili čak redovite vibracije) ako se problematični izmjenjivač topline koristi s krhkim dijelovima.

Koraci za praktičnu identifikaciju polja
Sljedeće radnje treba izvršiti u starom duplex izmjenjivaču topline od nehrđajućeg čelika ako se sumnja na krtost sigma faze:

Pregledajte povijest servisiranja da vidite je li izmjenjivač ikada bio izložen temperaturama višim od 600 stupnjeva. Pregledajte izvješća o požarima, zapisnike o radu ili neuobičajene prekide procesa. Zapisi o zavarivanju: jesu li debeli dijelovi bili podvrgnuti žarenju otopinom nakon -zavarivanja?

Provedite ne{0}}destruktivno mjerenje ferita. Na čistoj, brušenoj površini, očitanje feritoskopom može ukazivati ​​na niži sadržaj ferita (normalno je između 40 i 60%; sigma ga može spustiti na 30%). Ali to samo po sebi nije konačno.

Razmotrimo metalografsku reprodukciju. ASTM A923 Metoda Otopina se koristi za glačanje, poliranje i jetkanje ograničenog područja (kao što je lice cijevne ploče ili debele prirubnice). Za pregled reprodukcije acetata koristi se povećanje od 200–500x. Krtost je potvrđena postojanjem crnih blokova sigma faznih mreža.

Dobijte mali kupon ako možete. Za laboratorijsko ispitivanje udarca po Charpyju, može se uzeti kratka cijev ili komadić otpadaka s ne-kritičnog mjesta. Ozbiljna krtost je označena izmjerenom energijom udarca manjom od 20 J za 2205 (ili ispod specifikacije).

Odredite hitnost: Zahvaćenu komponentu treba zakazati za zamjenu ako se otkrije sigma. U međuvremenu treba utišati sve izvore vibracija i izmjenjivač raditi s manjim mehaničkim i toplinskim opterećenjem.

Preventivne mjere uključuju odgovarajuću toplinsku obradu i ograničenja upotrebe.
Sprječavanje sigma krtosti najbolja je strategija za rješavanje toga:

Dvostrani zavari uvijek žareni otopinom: za debele presjeke (više od 6 mm) potrebno je žarenje otopinom nakon-zavara i brzo kaljenje. Iako je žarenje sigurnije, učinkovita kvalifikacija metode zavarivanja (mali unos topline, kontrola temperature među prolazom) često može spriječiti sigmu za tanke presjeke.

A alternative alloy, such as a nickel-based superalloy, should be taken into consideration if a duplex exchanger is required for a high-temperature application (such as >500 stupnjeva) dulje vrijeme. Izbjegavajte dugotrajnu upotrebu iznad 600 stupnjeva.

Kontrolirajte hlađenje nakon bilo kakvog izlaganja toplini: kako biste smanjili vrijeme provedeno u rasponu od 600–900 stupnjeva, izmjenjivač treba ohladiti što je brže moguće (na primjer, zalijevanjem vodom) u slučaju požara ili toplinskog poremećaja.

U zaključku
Samo odgovarajuća početna toplinska obrada i izbjegavanje dužeg izlaganja rasponu temperature formiranja može spriječiti krtost sigma faze, nepovratnu i katastrofalnu degradaciju. Oštar pad udarne žilavosti, svijetli granularni lom i pojava tamnih mrlja ili mreža u metalografskoj analizi pokazatelji su sigma faze krtosti dupleksnih komponenti izmjenjivača od nehrđajućeg čelika. Standardne ispitne postupke za detekciju daje ASTM A923. Nakon provjere, oštećeni dio treba zamijeniti jer se ne može popraviti. Toplina ima moć poništiti postojanje metala; u slučaju duplex nehrđajućeg čelika, ova nenapisana priča je sigma krtost. Jedina obrana protiv ovog skrivenog neprijatelja-koji proizvodi razbijanja su rutinski pregled, poznavanje povijesti radnih temperatura i odabir odgovarajućeg materijala.