Jak identifikovat křehkost fáze Sigma ve starých duplexních součástech výměníku tepla z nerezové oceli?

I když se duplexní trubkovnice z nerezové oceli, která byla po dlouhou dobu vystavena vysokým teplotám, může zdát neporušená, jednoduché poklepání kladivem by ji mohlo rozbít. Toto je děsivý jev známý jako sigma fázová křehkost, metalurgická přeměna, která, aniž by změnila svůj vzhled, přeměňuje silnou, tažnou slitinu na křehkou keramiku. Včasná detekce křehkosti sigma fáze duplexního výměníku z nerezové oceli je zásadní, protože oprava in situ není možná, jakmile dojde k sigma. Poškozenou součást je nutné opravit.

Zkřehnutí ve fázi Sigma: Co to je?
Austenit a ferit tvoří téměř stejná procenta vyvážené mikrostruktury nalezené v duplexních nerezových ocelích (jako jsou 2205 a 2507). Tato dvoufázová-struktura zajišťuje vysokou pevnost, vynikající tažnost a vynikající odolnost proti korozi. K přechodu však dochází, když je duplexní ocel vystavena teplotám mezi 600 a 900 stupni po delší dobu. Nová intermetalická fáze známá jako sigma (σ) se vytvoří, když se feritová fáze začne rozpadat. Sigma má tetragonální krystalovou strukturu a je to sloučenina železa, chrómu a molybdenu. Je bohatý na molybden a chrom, je mimořádně křehký a neuvěřitelně tvrdý.

Jak se tvoří sigma, ovlivňuje teplota i čas. Přechod probíhá nejrychleji při 750–850 stupních; podstatné zkřehnutí může nastat během několika hodin. Při nižších teplotách (600–700 stupňů) to trvá stovky nebo tisíce hodin. Neexistuje žádné životaschopné tepelné zpracování in situ, které by dokázalo zvrátit sigma, jakmile se vysráží, obvykle jako drobné tenké destičky na hranicích zrn a uvnitř feritových zrn. Materiál téměř úplně ztrácí svou rázovou tvrdost a stává se křehkým.

Společné důvody pro díly výměníku tepla
Následující okolnosti jsou nejčastějšími případy, kdy dochází ke zkřehnutí fáze sigma:

Svary bez žíhání po-svařovacím roztoku: Pokud je chlazení pomalé, tepelně-ovlivněná zóna (HAZ) vedle svaru může zůstat v kritickém teplotním rozsahu po delší dobu. Ohroženy jsou zejména velké, silné kusy. Sigma zůstává v HAZ, pokud součást není následně žíhána v roztoku (zahřátá na 1040–1100 stupňů a rychle zchlazena).

Prodloužený provoz při vysokých teplotách: Tepelné výměníky, které nepřetržitě běží při teplotách kovu mezi 600 a 900 stupni, mohou i neúmyslně postupně zkřehnout. To se může stát ve výměníku, který není správně chlazený, nebo v jednotce rekuperace odpadního tepla.

Vystavení požáru: I na krátkou dobu může požár rostliny, který zahřeje část duplexního výměníku do rozsahu tvorby sigma, způsobit zkřehnutí v zasažené oblasti.

Chyby ve výrobě: Sigma může být podporována nesprávným tepelným zpracováním během výroby, jako je pomalé chlazení z teploty žíhání.

Nejnáchylnějšími oblastmi jsou tepelně-ovlivněné oblasti svarů, silnější příruby a trubkovnice. Přestože tenké trubky chladnou rychleji a je méně pravděpodobné, že produkují sigma, jsou stále náchylné, pokud je provozní teplota velmi vysoká.

Mechanické a vizuální indikátory
Povrchový vzhled kovu není ovlivněn fázovou křehkostí sigma. Součást se může zdát zcela normální, bez zjevných prasklin nebo změny barvy, ale může být extrémně křehká. Jeho existenci však lze zjistit důkladným zkoumáním a testováním.

Vzhled povrchu lomu
Lomový povrch sigma-křehké duplexní oceli se bude zdát brilantní, zrnitý a krystalický bez tažných trhlin nebo smykových okrajů, pokud součást selže nebo je úmyslně rozbitá. Fádní, vláknitý vzhled typického tvárného lomu stojí v ostrém kontrastu s tím. Sigma dodává kovu odolnost čokoládové tyčinky; drobná rána ho rozbije, místo aby ho pokřivila.

Testování rázové houževnatosti
Zlatým standardem pro kvantifikaci sigma embrittlement je Charpy V{0}}zářezový test (CVN). Při správném rozpouštěcím-žíhání má Duplex 2205 obvykle rázovou houževnatost 100–200 J při pokojové teplotě. Houževnatost se může snížit na méně než 20 J a často na jednotlivé číslice, pokud je přítomna sigma. Tento test nabízí jednoznačný důkaz pro drobné díly nebo zkušební kupóny vyříznuté z trubkovnice.

Metalografická analýza: The Dark Etch Spots
Po leptání je pod mikroskopem vidět charakteristika sigma fáze křehnutí. K leptání leštěného vzorku se používá vhodné činidlo, jako je elektrolytické leptání v 10% kyselině šťavelové nebo kombinaci HCl a HNO3 (Aqua Regia) nebo KOH (pro duplex). Austenit a ferit se vyskytují jako dvě oddělené fáze v typické duplexní mikrostruktuře; austenit je obvykle bledý nebo slabě leptaný, zatímco ferit je tmavší. Uvnitř feritových zrn a podél hranic zrn se fáze sigma projevuje jako tmavá, často blokovitá nebo deskovitá-síť. Samotné sigma částice se při větším zvětšení jeví jako zřetelná, extrémně tmavá fáze. Pozitivní identifikaci zajišťují výrazné „tmavé leptací skvrny“ neboli souvislé tmavé sítě.

Repliku vyleptaného povrchu lze vytvořit-na místě pomocí terénní metalografické replikace (jak bylo uvedeno v předchozích článcích), která je poté kontrolována pod ručním mikroskopem. Sigma lze najít pomocí této ne-destruktivní (nebo mírně destruktivní) metody bez odebrání vzorku z velkého výměníku.

Standardní detekční metoda, ASTM A923
Tři uznávané techniky poskytuje ASTM A923, "Standardní testovací metody pro detekci škodlivých intermetalických fází v duplexních austenitických/feritických nerezových ocelích", pro identifikaci sigma a dalších intermetalických fází (jako je chi):

Metoda A (zkouška leptání hydroxidem sodným): K leptání leštěného vzorku se používá zahřátý 40% roztok NaOH. Tmavá leptací reakce indikuje existenci sigma nebo chi fáze. Tato screeningová zkouška má výsledek prospěl/nevyhověl.

Rázová houževnatost se hodnotí pomocí metody B (Charpyho rázová zkouška). Přijetí vyžaduje minimální průměrnou absorbovanou energii, například 54 J pro 2205.

Metoda C (měření obsahu feritu): Procento feritu se stanoví pomocí feritoskopu. Obsah feritu se výrazně snižuje tvorbou sigma. Tento přístup je však méně přímočarý a podléhá vnějším vlivům.

Nejschůdnější metodou pro údržbu v terénu je metoda A (test leptání) na malé leštěné ploše nebo na replice.

Nevratnost: Žádná oprava na místě-
Zásadním závěrem pro inženýry závodu je, že sigma fázi nelze z velkého, postaveného výměníku tepla odstranit tepelným zpracováním. Celá součást se musí zahřát na 1040–1100 stupňů a rychle zchladit (pomocí vody nebo stlačeného plynu), aby se znovu rozpustila sigma. Provoz -výměník s trubkami, těsněními a připojeným potrubím toho nemůže dosáhnout. Svazky vnitřních trubek by se roztahovaly a deformovaly, i když by se plášť mohl zahřát, a rychlé ochlazení by mělo za následek tepelný šok. V důsledku toho musí být klíčový komponent (jako je trubkovnice nebo silná příruba) vyměněn, jakmile je ověřena sigma křehkost. Jedinou možností pro svazky trubek je odstranění a výměna.

Proto je klíčem k odvrácení katastrofického selhání detekce. Rychlý zlom může být důsledkem tepelného nebo mechanického šoku (jako je tlakový ráz, úder kladiva nebo dokonce pravidelné vibrace), pokud se problematický výměník tepla použije se zkřehlými součástmi.

Kroky pro praktickou identifikaci pole
Pokud existuje podezření na zkřehnutí fáze sigma, měly by být provedeny následující činnosti na starém duplexním výměníku tepla z nerezové oceli:

Prohlédněte si servisní historii a zjistěte, zda byl výměník někdy vystaven teplotám vyšším než 600 stupňů. Prozkoumejte zprávy o požárech, provozní protokoly nebo neobvyklé poruchy procesu. Svařovací záznamy: byly tlusté části podrobeny po-svařovacímu žíhání?

Proveďte nedestruktivní měření feritu. - Na čistém, broušeném povrchu může údaj feritoskopu indikovat nižší obsah feritu (normální je mezi 40 a 60 %; sigma jej může snížit na 30 %). To ale samo o sobě není definitivní.

Zvažte metalografickou reprodukci. Metoda ASTM A923 Roztok se používá k vyhlazování, leštění a leptání omezené oblasti (jako je povrch trubkovnice nebo silná příruba). Ke kontrole acetátové reprodukce se používá zvětšení 200–500×. Zkřehnutí je potvrzeno existencí černých, blokových sítí sigma fáze.

Pokud můžete, získejte malý kupón. Pro laboratorní Charpyho nárazové testování lze odebrat krátký pahýl zkumavky nebo kousek šrotu z -nekritického místa. Silné zkřehnutí je indikováno měřením energie nárazu menším než 20 J pro 2205 (nebo pod specifikací).

Určete naléhavost: Pokud je nalezena sigma, měla by být naplánována výměna zasažené součásti. Mezitím by měly být utlumeny všechny zdroje vibrací a výměník by měl být provozován při nižším mechanickém a tepelném zatížení.

Preventivní opatření zahrnují vhodné tepelné ošetření a omezení provozu.
Prevence sigma zkřehnutí je nejlepší strategií, jak se s tím vypořádat:

Vždy rozpouštěcí žíhání duplexní svářečky: U silných profilů (více než 6 mm) je vyžadováno rozpouštěcí žíhání po svařování a rychlé kalení. Ačkoli je žíhání bezpečnější, kvalifikace efektivní metody svařování (nízký tepelný příkon, interpass regulace teploty) může často zabránit sigmě u tenkých řezů.

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 stupňů) po delší dobu. Vyhněte se zdlouhavému provozu nad 600 stupňů.

Ovládejte chlazení po jakémkoli vystavení teplu: Aby se zkrátila doba strávená v rozsahu 600–900 stupňů, měl by být výměník ochlazen co nejrychleji (například zaplavením vodou) v případě požáru nebo teplotních výkyvů.

Na závěr
Pouze správné počáteční tepelné zpracování a vyvarování se delšímu vystavení teplotnímu rozmezí jeho vzniku může zabránit zkřehnutí fáze sigma, nevratné a katastrofické degradaci. Prudký pokles rázové houževnatosti, jasný zrnitý lom a vznik tmavých leptaných skvrn nebo sítí v metalografické analýze jsou indikátory duplexních součástí výměníku z nerezové oceli na bázi sigma fáze. Standardní testovací postupy pro detekci poskytuje ASTM A923. Po ověření je třeba poškozený díl vyměnit, protože jej nelze opravit. Teplo má sílu zrušit existenci kovu; v případě duplexní nerezové oceli je tímto nepsaným příběhem sigma křehkost. Jedinou obranou proti tomuto kradmému, střepy{5}}produkujícímu nepříteli je rutinní kontrola, znalost historie provozních teplot a vhodný výběr materiálu.