Kaip atpažinti Sigma fazės trapumą pasenusiuose dvipusio nerūdijančio plieno šilumokaičio komponentuose?

Nors dvipusis nerūdijančio plieno vamzdžio lakštas, ilgą laiką veikiamas aukštoje temperatūroje, gali atrodyti nepažeistas, paprastas čiaupas su plaktuku gali jį sudaužyti. Tai baisus reiškinys, žinomas kaip sigma fazės trapumas, metalurginė transformacija, kuri, nepakeisdama jo išvaizdos, paverčia stiprų, plastišką lydinį į trapią keramiką. Labai svarbu anksti aptikti sigmos fazės trapumą dvipusio nerūdijančio plieno šilumokaičio komponentus, nes įvykus sigmai remontas vietoje neįmanomas. Būtina pataisyti sugadintą komponentą.

Sigma fazės trapumas: kas tai yra?
Austenitas ir feritas sudaro beveik vienodas subalansuotos mikrostruktūros, esančios dvipusio nerūdijančio plieno (pvz., 2205 ir 2507), procentą. Didelį stiprumą, puikų lankstumą ir puikų atsparumą korozijai užtikrina ši dvifazė -fazė struktūra. Tačiau perėjimas vyksta, kai dvipusis plienas ilgą laiką yra veikiamas 600–900 laipsnių temperatūros. Kai ferito fazė pradeda irti, susidaro nauja intermetalinė fazė, žinoma kaip sigma (σ). Sigma turi tetragoninę kristalų struktūrą ir yra geležies, chromo ir molibdeno junginys. Jame gausu molibdeno ir chromo, jis yra nepaprastai trapus ir neįtikėtinai kietas.

Temperatūra ir laikas turi įtakos sigmos formavimuisi. Perėjimas greičiausiai vyksta 750–850 laipsnių kampu; didelis trapumas gali įvykti per kelias valandas. Tai užtrunka šimtus ar tūkstančius valandų esant žemesnei temperatūrai (600–700 laipsnių). Nėra perspektyvaus in{7}}terminio apdorojimo, kuris galėtų pakeisti sigmą, kai jis nusėda, paprastai kaip mažos plonos plokštelės ties grūdelių ribomis ir ferito grūdelių viduje. Medžiaga beveik visiškai praranda smūginį kietumą ir tampa trapi.

Dažnos šilumokaičio dalių priežastys
Toliau nurodytos aplinkybės yra dažniausiai pasitaikančios sigmos fazės trapumas:

Suvirinimo siūlės be atkaitinimo po-suvirinimo tirpalo: jei aušinimas vyksta lėtai, šilumos paveikta zona (HAZ) šalia suvirinimo siūlės gali ilgą laiką išlikti kritinėje temperatūros diapazone. Ypatingas pavojus yra dideliems storiems gabalams. Sigma lieka HAZ, jei komponentas vėliau nėra atkaitintas tirpalu (kaitinamas iki 1040–1100 laipsnių ir greitai užgesinamas).

Ilgalaikis veikimas aukštoje temperatūroje: net ir netyčia šilumokaičiai, kurie nuolat veikia esant metalo temperatūrai nuo 600 iki 900 laipsnių, gali palaipsniui sutrupėti. Taip gali nutikti netinkamai aušinamame šilumokaityje arba atliekų šilumos atgavimo įrenginyje.

Ugnies poveikis: Net trumpam laikui augalų ugnis, kuri sušildo dalį dvipusio šilumokaičio į sigmos susidarymo sritį, gali sukelti trapumą paveiktoje vietoje.

Gamybos klaidos: Sigma gali paskatinti netinkamas terminis apdorojimas gamybos metu, pvz., vangus aušinimas dėl atkaitinimo temperatūros.

Labiausiai pažeidžiamos{0}}suvirinimo siūlių, storesnių flanšų ir vamzdžių lakštų zonos. Nors ploni vamzdeliai atvėsta greičiau ir mažiau linkę gaminti sigmą, jie vis tiek yra jautrūs, jei eksploatavimo temperatūra yra labai aukšta.

Mechaniniai ir vizualiniai indikatoriai
Metalo paviršiaus išvaizdai įtakos neturi sigma fazės trapumas. Komponentas gali atrodyti visiškai normalus, be akivaizdžių įtrūkimų ar spalvos pakitimų, tačiau jis gali būti labai trapus. Tačiau jo egzistavimą galima atrasti nuodugniai ištyrus ir išbandant.

Lūžio paviršiaus išvaizda
Sigma{0}}trupėjusio dvipusio plieno lūžimo paviršius atrodys ryškus, granuliuotas ir kristališkas, be plastiškų plyšimų ar šlyties, jei komponentas sugenda arba bus tikslingai sulaužytas. Įprasto plastinio lūžio niūri, pluoštinė išvaizda visiškai prieštarauja šiam tikslui. Sigma suteikia metalui šokolado plytelės patvarumo; mažas smūgis jį sulaužo, o ne iškraipo.

Atsparumo smūgiams bandymas
Charpy V{0}}įpjovos (CVN) smūgio testas yra auksinis sigmos trapumo įvertinimo standartas. Tinkamai atkaitinus tirpalą, „Duplex 2205“ atsparumas smūgiams kambario temperatūroje paprastai yra 100–200 J. Tvirtumas gali sumažėti iki mažiau nei 20 J ir dažnai iki pavienių skaičių, kai yra sigma. Šis testas suteikia nedviprasmišką įrodymą dėl mažų dalių arba bandymo kuponų, iškirptų iš vamzdelio lapo.

Metalografinė analizė: tamsios išgraužtos dėmės
Po ėsdinimo mikroskopu matomas sigmos fazės trapumas. Poliruotam mėginiui ėsdinti naudojamas tinkamas reagentas, pvz., elektrolitinis ėsdinimas 10% oksalo rūgštyje arba HCl ir HNO₃ (Aqua Regia) arba KOH (duplekso) derinys. Austenitas ir feritas atsiranda kaip dvi atskiros fazės tipiškoje dvipusėje mikrostruktūroje; austenitas paprastai yra blyškus arba silpnai išgraviruotas, o feritas tamsesnis. Ferito grūdelių viduje ir išilgai grūdelių ribos sigmos fazė pasireiškia kaip tamsus, dažnai blokuotas arba plokščias{4}} tinklas. Pačios sigmos dalelės atrodo kaip atskira, ypač tamsi fazė esant didesniam padidinimui. Teigiamą identifikavimą suteikia išskirtinės „tamsiosios ėsdinimo dėmės“ arba ištisiniai tamsūs tinklai.

Išgraviruoto paviršiaus kopiją galima padaryti vietoje-, naudojant lauko metalografinę replikaciją (kaip aptarta ankstesniuose straipsniuose), kuri vėliau apžiūrima rankiniu mikroskopu. Sigmą galima rasti naudojant šį neardomąjį (arba šiek tiek destruktyvų) metodą, nepaimant mėginio iš didelio šilumokaičio.

Standartinis aptikimo metodas, ASTM A923
ASTM A923 „Standartiniai bandymo metodai, skirti aptikti kenksmingas intermetalines fazes dvipusiame austenitiniame / feritiniame nerūdijančiame pliene“ pateikia tris pripažintus metodus, skirtus sigma ir kitoms intermetalinėms fazėms (pvz., chi) nustatyti:

A metodas (ėsdinimo natrio hidroksidu bandymas): poliruotam mėginiui ėsdinti naudojamas pašildytas 40 % NaOH tirpalas. Tamsi ėsdinimo reakcija rodo, kad egzistuoja sigma arba chi fazė. Šio atrankos egzamino rezultatas yra išlaikytas / neišlaikytas.

Atsparumas smūgiams vertinamas naudojant B metodą (Charpy smūgio bandymas). Priėmimui reikalinga minimali vidutinė sugerta energija, pvz., 54 J 2205.

C metodas (ferito kiekio matavimas): ferito procentinė dalis nustatoma naudojant feritoskopą. Ferito kiekis labai sumažėja dėl sigmos susidarymo. Tačiau šis metodas yra ne toks paprastas ir priklausomas nuo išorės įtakos.

Labiausiai įmanomas būdas atlikti techninę priežiūrą vietoje yra A metodas (ėsdinimo bandymas) ant mažos poliruotos vietos arba kopijos.

Negrįžtamumas: jokio remonto vietoje
Esminė gamyklos inžinierių išvada yra ta, kad sigma fazė negali būti pašalinta iš didelio, pastatyto šilumokaičio termiškai apdorojant. Visas komponentas turi būti įkaitintas iki 1040–1100 laipsnių ir greitai atvėsinamas (naudojant vandenį arba suslėgtas dujas), kad iš naujo ištirptų sigma. Eksploatuojamas šilumokaitis su vamzdeliais, tarpikliais ir prijungtais vamzdynais to negali atlikti. Vidiniai vamzdžių pluoštai išsiplės ir išsikraipytų, net jei korpusą būtų galima šildyti, o greitas aušinimas sukeltų terminį šoką. Vadinasi, esminis komponentas (pvz., vamzdžio lakštas arba storas flanšas) turi būti pakeistas iš karto, kai tik patikrinamas sigmos trapumas. Vienintelės vamzdžių ryšulių galimybės yra išimti ir pakeisti.

Todėl raktas, norint išvengti katastrofiškų nesėkmių, yra aptikimas. Greitas lūžis gali atsirasti dėl terminio ar mechaninio smūgio (pvz., slėgio padidėjimo, plaktuko smūgio ar net reguliarios vibracijos), jei naudojamas probleminis šilumokaitis su trapiomis dalimis.

Praktinio lauko identifikavimo žingsniai
Jei įtariamas sigma fazės trapumas, sename dvipusiame nerūdijančio plieno šilumokaityje reikia atlikti šiuos veiksmus:

Patikrinkite techninės priežiūros istoriją, kad pamatytumėte, ar šilumokaitis kada nors nebuvo veikiamas aukštesnės nei 600 laipsnių temperatūros. Išnagrinėkite pranešimus apie gaisro incidentus, operacijų žurnalus ar neįprastus proceso sutrikimus. Suvirinimo įrašai: ar storos dalys buvo po-atkaitintos suvirinimo tirpalu?

Atlikite neardomąjį ferito matavimą-. Ant švaraus žemės paviršiaus feritoskopo rodmenys gali rodyti mažesnį ferito kiekį (normalus yra nuo 40 iki 60 %; sigma gali sumažinti iki 30 %). Tačiau tai nėra galutinė savaime.

Apsvarstykite metalografinę reprodukciją. ASTM A923 metodas Tirpalas naudojamas išlyginti, poliruoti ir ėsdinti ribotą sritį (pvz., vamzdžio lakšto paviršių arba storą flanšą). Acetato reprodukcijai apžiūrėti naudojamas 200–500 kartų padidinimas. Trapumas patvirtina juodų, blokuotų sigma fazių tinklų buvimas.

Jei galite, gaukite nedidelį kuponą. Laboratoriniam Charpy smūgio bandymui galima paimti trumpą vamzdelio skiltį arba laužą iš ne-kritinės vietos. Stiprų trapumą rodo mažesnė nei 20 J 2205 (arba mažesnė už specifikaciją) smūgio energija.

Nustatykite skubumą: jei aptinkama sigma, turėtų būti numatytas paveikto komponento keitimas. Tuo tarpu visi vibracijos šaltiniai turi būti nutildyti, o šilumokaitį reikia naudoti mažesnėmis mechaninėmis ir šiluminėmis apkrovomis.

Prevencinės priemonės apima tinkamą terminį apdorojimą ir naudojimo apribojimus.
Sigmos trapumo prevencija yra geriausia kovos su juo strategija:

Visada tirpalo atkaitinimo dvipusis suvirinimas: storoms sekcijoms (daugiau nei 6 mm) reikalingas po-suvirinimo tirpalo atkaitinimas ir greitas grūdinimas. Nors atkaitinimas yra saugesnis, efektyvus suvirinimo metodo kvalifikavimas (mažas šilumos įvedimas, tarpo temperatūros kontrolė) dažnai gali užkirsti kelią plonoms sekcijoms.

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 laipsnių) ilgesnį laiką. Venkite užsitęsusio aptarnavimo virš 600 laipsnių.

Kontroliuokite aušinimą po bet kokio karščio poveikio: Kad sutrumpėtų laikas, praleistas 600–900 laipsnių diapazone, kilus gaisrui ar karščiui šilumokaitį reikia kuo greičiau atvėsinti (pavyzdžiui, užliejant vandeniu).

Apibendrinant
Tik tinkamas pradinis terminis apdorojimas ir vengimas ilgesnio poveikio jo susidarymo temperatūros diapazonui gali užkirsti kelią sigmos fazės trapumui, negrįžtamam ir katastrofiškam skilimui. Staigus smūginio atsparumo sumažėjimas, ryškus granuliuotas lūžis ir tamsių ėsdinimo dėmių ar tinklų atsiradimas atliekant metalografinę analizę yra sigma fazės trapumo dvipusio nerūdijančio plieno šilumokaičio komponentų rodikliai. Standartines aptikimo bandymo procedūras pateikia ASTM A923. Patikrinus pažeistą dalį reikia pakeisti, nes jos negalima pataisyti. Šiluma turi galią panaikinti metalo egzistavimą; dvipusio nerūdijančio plieno atveju ši nerašyta istorija yra sigma trapumas. Vienintelė apsauga nuo šio slapto,{5}}dūžtančio priešo yra įprastas patikrinimas, naudojimo temperatūros istorijos žinios ir tinkamas medžiagų pasirinkimas.