Как да идентифицираме крехкостта на сигма фазата в остарели дуплексни компоненти на топлообменник от неръждаема стомана?

Въпреки че дуплексна тръбна ламарина от неръждаема стомана, която е била изложена на високи температури за дълго време, може да изглежда непокътната, обикновено почукване с чук може да я счупи. Това е ужасяващият феномен, известен като крехкост на сигма фазата, металургична трансформация, която, без да променя външния си вид, трансформира здрава, пластична сплав в крехка керамика. Ранното откриване на крехкост на сигма фазата на дуплексните компоненти на топлообменника от неръждаема стомана е от съществено значение, тъй като -поправката на място не е възможна, след като се появи сигма. Необходимо е да се поправи повредения компонент.

Сигма фаза на крехкост: какво е това?
Аустенитът и феритът съставляват почти равни проценти от балансираната микроструктура, открита в дуплексните неръждаеми стомани (като 2205 и 2507). Висока якост, превъзходна пластичност и изключителна устойчивост на корозия се осигуряват от тази дву-фазна структура. Преход обаче се осъществява, когато дуплексната стомана е изложена на температури между 600 и 900 градуса за продължителни периоди от време. Нова интерметална фаза, известна като сигма (σ), се създава, когато феритната фаза започне да се разпада. Sigma има тетрагонална кристална структура и е съединение на желязо, хром и молибден. Той е богат на молибден и хром, изключително крехък и невероятно твърд.

Температурата и времето влияят върху това как се формира сигмата. Преходът става най-бързо при 750–850 градуса; значителна крехкост може да се случи за няколко часа. Необходими са стотици или хиляди часове при по-ниски температури (600–700 градуса). Няма жизнеспособна термична обработка in{7}}на място, която може да обърне сигмата, след като се утаи, обикновено като малки, тънки плочи по границите на зърната и във феритните зърна. Материалът губи почти изцяло своята ударна твърдост и става чуплив.

Често срещани причини за части на топлообменник
Следните обстоятелства са най-честите, при които възниква крехкост на сигма фазата:

Заварки без отгряване на разтвора след-заваряване: Ако охлаждането е бавно, засегнатата-зона (HAZ) до заваръчния шев може да остане в критичния температурен диапазон за продължителен период от време. Особено изложени на риск са големите, дебели парчета. Сигма остава в HAZ, ако компонентът впоследствие не е отгрят в разтвор (нагрят до 1040–1100 градуса и бързо закален).

Продължителна работа при високи температури: Дори по невнимание топлообменниците, които непрекъснато работят при температури на метала между 600 и 900 градуса, могат постепенно да станат крехки. Това може да се случи в топлообменник, който не е правилно охладен, или в съоръжение за възстановяване на отпадна топлина.

Излагане на огън: Дори за кратък период от време, растителен пожар, който затопля част от дуплексен топлообменник в диапазона на образуване на сигма, може да доведе до крехкост в засегнатата зона.

Грешки при производството: Sigma може да бъде насърчена от неправилна топлинна обработка по време на производството, като например бавно охлаждане от температурата на отгряване.

Зоните-засегнати от топлината на заваръчните шевове, по-дебелите фланци и тръбните листове са най-податливите области. Въпреки че тънките тръби се охлаждат по-бързо и е по-малко вероятно да произвеждат сигма, те все още са податливи, ако работната температура е много висока.

Механични и визуални индикатори
Външният вид на повърхността на метала не се влияе от крехкост на сигма фазата. Един компонент може да изглежда напълно нормален, без видими пукнатини или обезцветяване, но може да е изключително крехък. Съществуването му обаче може да бъде открито с щателно изследване и тестване.

Външен вид на повърхността на фрактурата
Повърхността на счупване на дуплексна стомана със сигма-крехкост ще изглежда брилянтна, гранулирана и кристална, без пластично разкъсване или срязване, ако компонент се повреди или целенасочено се счупи. Сивият, влакнест външен вид на типична пластична фрактура е в рязък контраст с това. Sigma придава на метала издръжливостта на шоколадово блокче; малък удар го счупва, вместо да го изкривява.

Тестване за устойчивост на удар
Тестът за удар на V-прорез на Шарпи (CVN) е златният стандарт за количествено определяне на сигма крехкостта. Когато е правилно{2}}закален разтвор, Duplex 2205 обикновено има ударна якост от 100–200 J при стайна температура. Издръжливостта може да намалее до по-малко от 20 J и често до единични цифри, когато е налице сигма. Този тест предлага недвусмислено доказателство за малки части или тестови купони, изрязани от тръбен лист.

Металографски анализ: Тъмните ецващи петна
След ецване, характеристиката на сигма фазовата крехкост се вижда под микроскоп. Подходящ реагент, като например електролитно ецване в 10% оксалова киселина или комбинация от HCl и HNO3 (Aqua Regia) или KOH (за дуплекс), се използва за ецване на полирана проба. Аустенитът и феритът се срещат като две отделни фази в типична дуплексна микроструктура; аустенитът обикновено е блед или слабо гравиран, докато феритът е по-тъмен. В рамките на феритните зърна и по протежение на границите на зърната, сигма фазата се проявява като тъмна, често блокова или подобна на пластина-мрежа. Самите сигма частици изглеждат като отделна, изключително тъмна фаза при по-големи увеличения. Положителната идентификация се осигурява от отличителните "тъмни ецващи петна" или непрекъснати тъмни мрежи.

Реплика на гравираната повърхност може да бъде направена на -място с помощта на полева металографска репликация (както беше обсъдено в предишни статии), която след това се проверява под ръчен микроскоп. Сигма може да се намери с помощта на този не-деструктивен (или леко деструктивен) метод, без да се премахва проба от голям обменник.

Стандартен метод за откриване, ASTM A923
Три признати техники са предоставени от ASTM A923, „Стандартни методи за изпитване за откриване на вредни интерметални фази в дуплексни аустенитни/феритни неръждаеми стомани“, за идентифициране на сигма и други интерметални фази (като chi):

Метод А (Тест за ецване с натриев хидроксид): За ецване на полирана проба се използва загрят 40% разтвор на NaOH. Реакцията на тъмно ецване показва съществуването на сигма или чи фаза. Този скринингов изпит има резултат от издържан/неиздържан.

Издръжливостта на удар се оценява с помощта на метод B (тест на удар на Шарпи). Приемането изисква минимална средна абсорбирана енергия, като например 54 J за 2205.

Метод C (Измерване на съдържанието на ферит): Процентът на ферит се определя с помощта на феритескоп. Съдържанието на ферит е значително намалено от образуването на сигма. Този подход обаче е по-малко ясен и подложен на външни влияния.

Най-осъществимият метод за обслужване на място е метод А (тест за ецване) върху малка полирана област или върху реплика.

Необратимост: Без ремонт на-на място
Решаващото заключение за инсталационните инженери е, че сигма фазата не може да бъде елиминирана от голям, изграден топлообменник чрез термична обработка. Целият компонент трябва да се нагрее до 1040–1100 градуса и бързо да се охлади (използвайки вода или газ под налягане), за да се-разтвори сигма. Работен-обменник с тръби, уплътнения и свързани тръбопроводи не може да постигне това. Вътрешните тръбни снопове биха се разширили и изкривили, дори ако черупката може да се нагрее, а бързото охлаждане би довело до термичен шок. Следователно, решаващ компонент (като тръбен лист или дебел фланец) трябва да бъде сменен веднага щом се провери сигма крехкостта. Единствените опции за тръбни снопове са премахване и подмяна.

Следователно ключът към предотвратяване на катастрофален отказ е откриването. Бързо счупване може да е резултат от термичен или механичен удар (като скок на налягането, удар с чук или дори нормална вибрация), ако се използва проблемен топлообменник с крехки части.

Стъпки за практическа идентификация на полето
Следните действия трябва да се извършат в стар дуплексен топлообменник от неръждаема стомана, ако има съмнение за крехкост на сигма фазата:

Проверете сервизната история, за да видите дали топлообменникът някога е бил подлаган на температури по-високи от 600 градуса. Проучете доклади за пожарни инциденти, операционни регистрационни файлове или необичайни прекъсвания на процеса. Записи за заваряване: дебели части подложени ли са на отгряване с разтвор след-заваряване?

Извършете не-разрушително измерване на ферит. Върху чиста, шлифована повърхност показанията от феритоскоп може да показват по-ниско съдържание на ферит (нормално е между 40 и 60%; сигма може да го намали до 30%). Но това не е окончателно само по себе си.

Помислете за металографска репродукция. ASTM A923 Метод А разтвор се използва за изглаждане, полиране и ецване на ограничен участък (като лицето на тръбен лист или дебел фланец). Увеличение 200–500 пъти се използва за проверка на ацетатно възпроизвеждане. Крехкостта се потвърждава от съществуването на черни, блоковидни сигма фазови мрежи.

Вземете малък купон, ако можете. За лабораторно изпитване на удар на Шарпи може да се вземе късо парче тръба или парче скрап от не-критично място. Тежката крехкост се показва чрез измерване на енергията на удара по-малко от 20 J за 2205 (или под спецификацията).

Определете спешността: Засегнатият компонент трябва да бъде планиран за подмяна, ако бъде открита сигма. Междувременно всички източници на вибрации трябва да бъдат заглушени и топлообменникът трябва да работи при по-ниски механични и термични натоварвания.

Превантивните мерки включват подходяща топлинна обработка и ограничения на обслужването.
Предотвратяването на сигма крехкост е най-добрата стратегия за справяне с нея:

Винаги дуплексни заварки с отгряване в разтвор: за дебели секции (повече от 6 mm) се изисква отгряване в разтвор след -заваряване и бързо охлаждане. Въпреки че отгряването е по-безопасно, ефективната квалификация на метода на заваряване (ниско подаване на топлина, контрол на температурата между проходите) често може да предотврати сигмата за тънки профили.

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 градуса) за по-дълги периоди от време. Избягвайте продължително обслужване над 600 градуса.

Контролирайте охлаждането след излагане на топлина: За да се намали времето, прекарано в диапазона 600–900 градуса, топлообменникът трябва да се охлади възможно най-бързо (например чрез наводняване с вода) в случай на пожар или термично разстройство.

В заключение
Само правилната първоначална топлинна обработка и избягването на продължително излагане на температурния диапазон на образуване може да предотврати крехкостта на сигма фазата, необратима и катастрофална деградация. Рязък спад в якостта на удар, ярко гранулирано счупване и появата на тъмни ецвани петна или мрежи при металографски анализ са индикатори за сигма фаза на крехкост на дуплексни компоненти от неръждаема стомана. Стандартните тестови процедури за откриване са предоставени от ASTM A923. Веднъж проверена, повредената част трябва да бъде сменена, тъй като не може да бъде поправена. Топлината има силата да отмени съществуването на метала; в случай на дуплексна неръждаема стомана, тази неписана история е сигма крехкост. Единствените защити срещу този невидим,-произвеждащ се враг са рутинна проверка, познаване на историята на работните температури и подходящ избор на материал.