Ako identifikovať skrehnutie sigma fázy v starých duplexných komponentoch výmenníka tepla z nehrdzavejúcej ocele?

Aj keď sa duplexný rúrkový plech z nehrdzavejúcej ocele, ktorý bol dlhší čas vystavený vysokým teplotám, môže zdať neporušený, jednoduché poklepanie kladivom ho môže rozbiť. Toto je desivý jav známy ako skrehnutie sigma fázy, metalurgická transformácia, ktorá bez toho, aby zmenila svoj vzhľad, premení silnú, ťažnú zliatinu na krehkú keramiku. Včasná detekcia skrehnutia sigma fázy duplexného výmenníka z nehrdzavejúcej ocele je nevyhnutná, pretože oprava in situ nie je možná, keď sa vyskytne sigma. Je potrebné opraviť poškodený komponent.

Skrehnutie vo fáze Sigma: čo to je?
Austenit a ferit tvoria takmer rovnaké percentá vyváženej mikroštruktúry, ktorá sa nachádza v duplexných nehrdzavejúcich oceliach (ako sú 2205 a 2507). Táto dvojfázová-štruktúra poskytuje vysokú pevnosť, vynikajúcu ťažnosť a vynikajúcu odolnosť proti korózii. Prechod však nastáva, keď je duplexná oceľ vystavená teplotám medzi 600 a 900 stupňami počas dlhších časových období. Nová intermetalická fáza známa ako sigma (σ) sa vytvorí, keď sa feritová fáza začne rozpadať. Sigma má tetragonálnu kryštálovú štruktúru a je to zlúčenina železa, chrómu a molybdénu. Je bohatý na molybdén a chróm, je mimoriadne krehký a neuveriteľne tvrdý.

Teplota a čas ovplyvňujú, ako sa tvorí sigma. Prechod prebieha najrýchlejšie pri 750–850 stupňoch; podstatné skrehnutie môže nastať v priebehu niekoľkých hodín. Pri nižších teplotách (600 – 700 stupňov) to trvá stovky alebo tisíce hodín. Neexistuje žiadne uskutočniteľné tepelné spracovanie in situ, ktoré by dokázalo zvrátiť sigma, keď sa vyzráža, zvyčajne ako malé tenké platne na hraniciach zŕn a vo vnútri feritových zŕn. Materiál takmer úplne stráca svoju rázovú tvrdosť a stáva sa krehkým.

Bežné dôvody pre diely výmenníka tepla
Nasledujúce okolnosti sú najbežnejšie, za ktorých dochádza k krehnutiu sigma fázy:

Zvary bez žíhania po-zvare: Ak je chladenie pomalé, teplom-ovplyvnená zóna (HAZ) vedľa zvaru môže zostať v kritickom teplotnom rozsahu dlhší čas. Ohrozené sú najmä veľké, hrubé kusy. Sigma zostáva v HAZ, ak komponent nie je následne žíhaný v roztoku (zahriaty na 1040–1100 stupňov a rýchlo ochladený).

Predĺžená prevádzka pri vysokých teplotách: Aj neúmyselne môžu výmenníky tepla, ktoré nepretržite bežia pri teplotách kovu medzi 600 a 900 stupňov, postupne skrehnúť. To sa môže stať vo výmenníku, ktorý nie je správne chladený, alebo v jednotke na rekuperáciu odpadového tepla.

Vystavenie ohňu: Dokonca aj na krátku dobu môže požiar závodu, ktorý zohreje časť duplexného výmenníka do rozsahu sigma formácie, spôsobiť skrehnutie v zasiahnutej oblasti.

Chyby pri výrobe: Sigma môže byť podporovaná nesprávnym tepelným spracovaním počas výroby, ako je pomalé chladenie z teploty žíhania.

Teplom-ovplyvnené oblasti zvarov, hrubšie príruby a rúrkové plechy sú najnáchylnejšie oblasti. Hoci tenké rúrky chladnú rýchlejšie a je menej pravdepodobné, že budú produkovať sigma, sú stále náchylné, ak je prevádzková teplota veľmi vysoká.

Mechanické a vizuálne indikátory
Vzhľad povrchu kovu nie je ovplyvnený sigma fázovým skrehnutím. Komponent sa môže javiť ako úplne normálny, bez zjavného praskania alebo zmeny farby, ale môže byť mimoriadne krehký. Jeho existenciu však možno odhaliť dôkladným skúmaním a testovaním.

Vzhľad povrchu zlomeniny
Lomový povrch sigma-krehkej duplexnej ocele sa bude javiť ako brilantný, zrnitý a kryštalický bez ťažných trhlín alebo strižných hrán, ak komponent zlyhá alebo sa úmyselne zlomí. Fádny, vláknitý vzhľad typického tvárneho lomu je v ostrom kontraste s tým. Sigma dodáva kovu odolnosť čokoládovej tyčinky; malá rana ho rozbije namiesto toho, aby ho skreslila.

Testovanie odolnosti proti nárazu
Rázový test Charpy V-zárez (CVN) je zlatým štandardom na kvantifikáciu sigma krehnutia. Pri správnom rozpúšťacom{2}}žíhaní má Duplex 2205 zvyčajne rázovú húževnatosť 100–200 J pri izbovej teplote. Húževnatosť sa môže znížiť na menej ako 20 J a často na jednotlivé čísla, ak je prítomná sigma. Tento test ponúka jednoznačný dôkaz pre drobné časti alebo testovacie kupóny vyrezané z rúrkovnice.

Metalografická analýza: The Dark Etch Spots
Po leptaní je pod mikroskopom vidieť charakteristiku sigma fázového skrehnutia. Na leptanie vyleštenej vzorky sa používa vhodné činidlo, ako je elektrolytické leptanie v 10 % kyseline šťaveľovej alebo v kombinácii HCl a HNO3 (Aqua Regia) alebo KOH (pre duplex). Austenit a ferit sa vyskytujú ako dve oddelené fázy v typickej duplexnej mikroštruktúre; austenit je zvyčajne bledý alebo slabo leptaný, zatiaľ čo ferit je tmavší. Vo feritových zrnách a pozdĺž hraníc zŕn sa sigma fáza prejavuje ako tmavá, často bloková alebo doskovité-sieť. Samotné sigma častice sa pri väčších zväčšeniach javia ako výrazná, extrémne tmavá fáza. Pozitívnu identifikáciu zabezpečujú výrazné „tmavé leptové škvrny“ alebo súvislé tmavé siete.

Repliku vyleptaného povrchu je možné vyrobiť- na mieste pomocou terénnej metalografickej replikácie (ako je uvedené v predchádzajúcich článkoch), ktorá sa potom kontroluje pod ručným mikroskopom. Sigmu možno nájsť pomocou tejto ne-deštruktívnej (alebo mierne deštruktívnej) metódy bez odstránenia vzorky z veľkého výmenníka.

Štandardná metóda detekcie, ASTM A923
Tri uznávané techniky poskytuje ASTM A923, "Štandardné testovacie metódy na detekciu škodlivých intermetalických fáz v duplexných austenitických/feritických nehrdzavejúcich oceliach", na identifikáciu sigma a iných intermetalických fáz (ako je chi):

Metóda A (test leptaním hydroxidom sodným): Na leptanie vyleštenej vzorky sa použije zahriaty 40 % roztok NaOH. Reakcia tmavého leptania naznačuje existenciu fázy sigma alebo chi. Táto skríningová skúška má výsledok kladný/neúspešný.

Rázová húževnatosť sa hodnotí pomocou metódy B (Charpyho rázová skúška). Prijatie vyžaduje minimálnu priemernú absorbovanú energiu, napríklad 54 J pre 2205.

Metóda C (meranie obsahu feritu): Percento feritu sa určuje pomocou feritoskopu. Obsah feritu sa výrazne znižuje tvorbou sigma. Tento prístup je však menej priamočiary a podlieha vonkajším vplyvom.

Najvhodnejšou metódou pre servis v teréne je metóda A (test leptaním) na malej leštenej ploche alebo na replike.

Nevratnosť: Žiadna in{0}}oprava na mieste
Rozhodujúcim záverom pre inžinierov závodu je, že sigma fázu nemožno odstrániť z veľkého, postaveného výmenníka tepla tepelným spracovaním. Celý komponent sa musí zahriať na 1040 – 1100 stupňov a rýchlo ochladzovať (pomocou vody alebo stlačeného plynu), aby sa sigma znova rozpustila. Prevádzkovaný výmenník s rúrkami, tesneniami a pripojeným potrubím to nedokáže. Vnútorné zväzky rúrok by sa roztiahli a zdeformovali, aj keď by sa škrupina mohla zahriať, a rýchle ochladenie by malo za následok tepelný šok. V dôsledku toho je potrebné zmeniť kľúčový komponent (ako je rúrkovnica alebo hrubá príruba), akonáhle sa overí sigma krehnutie. Jedinou možnosťou pre zväzky rúrok je odstránenie a výmena.

Preto je kľúčom k odvráteniu katastrofického zlyhania detekcia. K rýchlemu zlomu môže dôjsť v dôsledku tepelného alebo mechanického šoku (ako je tlakový ráz, úder kladivom alebo dokonca pravidelné vibrácie), ak sa problematický výmenník tepla použije s krehkými časťami.

Kroky pre praktickú identifikáciu poľa
V prípade podozrenia na krehnutie sigma fázy by sa v starom duplexnom výmenníku tepla z nehrdzavejúcej ocele mali vykonať nasledujúce činnosti:

Skontrolujte servisnú históriu a zistite, či bol výmenník niekedy vystavený teplotám vyšším ako 600 stupňov. Preskúmajte hlásenia o požiaroch, prevádzkové denníky alebo nezvyčajné prerušenia procesov. Záznamy o zváraní: boli hrubé časti podrobené post-zváraciemu žíhaniu?

Vykonajte nedeštruktívne meranie feritu-. Na čistom brúsenom povrchu môže údaj feritoskopu indikovať nižší obsah feritu (normálne je medzi 40 a 60 %; sigma ho môže znížiť na 30 %). To však samo o sebe nie je definitívne.

Zvážte metalografickú reprodukciu. ASTM A923 Metóda A roztok sa používa na vyhladenie, leštenie a leptanie obmedzenej oblasti (ako je povrch rúrky alebo hrubá príruba). Na kontrolu reprodukcie acetátu sa používa zväčšenie 200–500×. Krehkosť je potvrdená existenciou čiernych blokových sigma fázových sietí.

Získajte malý kupón, ak môžete. Na laboratórne testovanie nárazom podľa Charpyho je možné odobrať krátky koniec rúrky alebo kúsok šrotu z -nekritického miesta. Silné skrehnutie je indikované meraním nárazovej energie menej ako 20 J pre 2205 (alebo pod špecifikáciou).

Určite naliehavosť: Ak sa zistí sigma, mala by sa naplánovať výmena postihnutého komponentu. Medzitým by mali byť stlmené všetky zdroje vibrácií a výmenník by mal bežať pri menšom mechanickom a tepelnom zaťažení.

Preventívne opatrenia zahŕňajú vhodné tepelné spracovanie a obmedzenia prevádzky.
Prevencia sigma krehnutia je najlepšou stratégiou, ako sa s tým vysporiadať:

Duplexné zvary vždy po rozpúšťacom žíhaní: Pre hrubé časti (viac ako 6 mm) sa vyžaduje rozpúšťacie žíhanie po zváraní a rýchle kalenie. Aj keď je žíhanie bezpečnejšie, kvalifikácia efektívnej metódy zvárania (nízky tepelný príkon, interpassová regulácia teploty) môže často zabrániť sigme pre tenké rezy.

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 stupňov) na dlhšie časové obdobia. Vyhnite sa zdĺhavej prevádzke nad 600 stupňov.

Kontrolujte chladenie po akomkoľvek vystavení teplu: Aby sa skrátil čas strávený v rozsahu 600–900 stupňov, výmenník by mal byť ochladený čo najrýchlejšie (napríklad zaplavením vodou) v prípade požiaru alebo tepelných porúch.

Na záver
Len správne počiatočné tepelné spracovanie a vyhýbanie sa dlhodobému vystaveniu teplotnému rozsahu jeho tvorby môže zabrániť skrehnutiu sigma fázy, nevratnej a katastrofickej degradácii. Prudký pokles rázovej húževnatosti, jasný zrnitý lom a objavenie sa tmavých škvŕn alebo sietí pri metalografickej analýze sú indikátormi sigma fázového skrehnutia duplexných komponentov výmenníka z nehrdzavejúcej ocele. Štandardné testovacie postupy na detekciu poskytuje ASTM A923. Po overení je potrebné poškodenú časť vymeniť, pretože sa nedá opraviť. Teplo má moc zrušiť existenciu kovu; v prípade duplexného nerezu je táto nepísaná rozprávka sigma krehnutie. Jedinou obranou proti tomuto kradmému, trieštivému-produkujúcemu nepriateľovi je rutinná kontrola, znalosť histórie prevádzkových teplôt a vhodný výber materiálu.