چگونه می توان شکنندگی فاز سیگما را در اجزای مبدل حرارتی استیل دوبلکس قدیمی تشخیص داد؟

حتی اگر یک ورق لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس که برای مدت طولانی در معرض دمای بالا قرار گرفته است ممکن است دست نخورده به نظر برسد، یک ضربه ساده با چکش می تواند آن را خرد کند. این پدیده وحشتناکی است که به نام شکنندگی فاز سیگما شناخته می شود، یک تبدیل متالورژیکی که بدون تغییر ظاهر آن، یک آلیاژ قوی و انعطاف پذیر را به یک سرامیک شکننده تبدیل می کند. تشخیص زودهنگام اجزای مبدل فولاد زنگ نزن دوبلکس شکنندگی فاز سیگما ضروری است زیرا تعمیر در محل با وقوع سیگما امکان پذیر نیست. تعمیر قطعه آسیب دیده ضروری است.

تردی فاز سیگما: چیست؟
آستنیت و فریت تقریباً درصد مساوی از ریزساختار متعادل موجود در فولادهای زنگ نزن دوبلکس (مانند 2205 و 2507) را تشکیل می دهند. استحکام بالا، شکل‌پذیری عالی، و مقاومت در برابر خوردگی فوق‌العاده، همگی توسط این ساختار{3}دوفازی ارائه می‌شوند. با این حال، زمانی که فولاد دوبلکس در معرض دماهای بین 600 تا 900 درجه در مدت زمان طولانی قرار می گیرد، یک انتقال اتفاق می افتد. یک فاز بین فلزی جدید به نام سیگما (σ) زمانی ایجاد می شود که فاز فریت شروع به شکستن می کند. سیگما ساختار بلوری چهارضلعی دارد و ترکیبی از آهن، کروم و مولیبدن است. سرشار از مولیبدن و کروم، بسیار شکننده و فوق العاده سخت است.

دما و زمان هر دو بر نحوه تشکیل سیگما تأثیر می گذارند. انتقال سریعتر در 750-850 درجه اتفاق می افتد. شکنندگی قابل توجهی می تواند در عرض چند ساعت اتفاق بیفتد. صدها یا هزاران ساعت در دماهای پایین تر (600-700 درجه) طول می کشد. هیچ عملیات حرارتی در-جا وجود ندارد که بتواند سیگما را هنگامی که رسوب می‌کند، معکوس کند، معمولاً به صورت صفحات ریز و نازک در مرزهای دانه‌ها و درون دانه‌های فریت. این ماده تقریباً به طور کامل سختی ضربه خود را از دست می دهد و شکننده می شود.

دلایل رایج برای قطعات مبدل حرارتی
شرایط زیر رایج ترین مواردی است که در آن شکنندگی فاز سیگما رخ می دهد:

جوش‌های بدون{0}}بازپخت محلول جوش: اگر خنک‌سازی کند باشد، منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) در کنار جوش ممکن است برای مدت طولانی در محدوده دمای بحرانی باقی بماند. به خصوص قطعات بزرگ و ضخیم در معرض خطر هستند. سیگما در HAZ باقی می ماند اگر جزء متعاقباً محلول آنیل نشود (تا 1040-1100 درجه حرارت داده شود و به سرعت خاموش شود).

کارکرد طولانی مدت در دماهای بالا: حتی به طور ناخواسته، مبدل های حرارتی که به طور مداوم در دمای فلز بین 600 تا 900 درجه کار می کنند ممکن است به تدریج شکننده شوند. این ممکن است در مبدلی اتفاق بیفتد که به درستی خنک نشده است یا در یک واحد بازیابی گرمای زباله.

قرار گرفتن در معرض آتش: حتی برای مدت کوتاهی، آتش سوزی گیاهی که بخشی از مبدل دوبلکس را در محدوده تشکیل سیگما گرم می کند، ممکن است منجر به شکنندگی در ناحیه آسیب دیده شود.

خطاهای ساخت: سیگما را می توان با عملیات حرارتی نامناسب در طول ساخت تشویق کرد، مانند خنک شدن کند در اثر دمای بازپخت.

مناطق تحت تأثیر حرارت-جوش‌ها، فلنج‌های ضخیم‌تر و ورق‌های لوله حساس‌ترین مناطق هستند. اگرچه لوله‌های نازک سریع‌تر سرد می‌شوند و احتمال تولید سیگما کمتر است، اما اگر دمای سرویس بسیار بالا باشد، همچنان حساس هستند.

نشانگرهای مکانیکی و بصری
ظاهر سطح فلز تحت تأثیر شکنندگی فاز سیگما قرار نمی گیرد. ممکن است یک جزء کاملا طبیعی به نظر برسد، بدون ترک خوردن یا تغییر رنگ آشکار، اما ممکن است بسیار شکننده باشد. اما با بررسی و آزمایش کامل می توان به وجود آن پی برد.

شکل ظاهری سطح شکستگی
سطح شکست یک فولاد دوبلکس{0}}شدی سیگما درخشان، دانه‌دار و کریستالی به نظر می‌رسد، در صورتی که یک جزء از کار بیفتد یا عمداً شکسته شود. ظاهر ضعیف و فیبری یک شکستگی نرمال معمولی در تضاد کامل با این است. سیگما به فلز دوام یک تخته شکلات می دهد. یک ضربه کوچک به جای تحریف آن را می شکند.

تست چقرمگی ضربه
تست ضربه Charpy V{0}}notch (CVN) استاندارد طلایی برای تعیین کمیت شکنندگی سیگما است. هنگامی که محلول به درستی بازپخت شود، Duplex 2205 معمولاً دارای چقرمگی ضربه 100-200 J در دمای اتاق است. در صورت وجود سیگما، چقرمگی ممکن است به کمتر از 20 ژول و اغلب به یک رقم کاهش یابد. این تست برای قطعات ریز یا کوپن های آزمایشی برش خورده از یک ورق لوله، اثبات روشنی ارائه می دهد.

تجزیه و تحلیل متالوگرافی: نقاط تاریک اچ
پس از اچ کردن، مشخصه شکنندگی فاز سیگما در زیر میکروسکوپ دیده می شود. یک معرف مناسب، مانند حکاکی الکترولیتی در اسید اگزالیک 10٪ یا ترکیبی از HCl و HNO3 (آکوا Regia) یا KOH (برای دوبلکس)، برای اچ کردن یک نمونه صیقلی استفاده می شود. آستنیت و فریت به عنوان دو فاز مجزا در یک ریزساختار دوبلکس معمولی رخ می‌دهند. آستنیت معمولاً رنگ پریده یا کم رنگ است، در حالی که فریت تیره تر است. در درون دانه‌های فریت و در امتداد مرزهای دانه، فاز سیگما به‌صورت شبکه‌ای تاریک، غالباً بلوک‌دار یا صفحه‌ای{4}} ظاهر می‌شود. ذرات سیگما خود به عنوان یک فاز متمایز و بسیار تاریک در بزرگنمایی های بیشتر ظاهر می شوند. شناسایی مثبت توسط «نقاط تاریک اچ» متمایز یا شبکه‌های تاریک پیوسته ارائه می‌شود.

یک نمونه از سطح حکاکی شده را می توان در سایت با استفاده از همانندسازی متالوگرافی میدانی (همانطور که در مقاله های قبلی مورد بحث قرار گرفت)- ساخت، که سپس در زیر میکروسکوپ دستی بررسی می شود. سیگما را می توان با استفاده از این روش غیر مخرب (یا کمی مخرب) بدون حذف نمونه از مبدل بزرگ پیدا کرد.

روش تشخیص استاندارد، ASTM A923
سه تکنیک شناخته شده توسط ASTM A923، "روش های تست استاندارد برای تشخیص فازهای بین فلزی مضر در فولادهای زنگ نزن آستنیتی/فریتی دوبلکس" برای شناسایی سیگما و سایر فازهای بین فلزی (مانند chi) ارائه شده است:

روش A (آزمایش اچ هیدروکسید سدیم): از محلول 40% NaOH گرم شده برای اچ کردن نمونه صیقلی استفاده می شود. واکنش تاریک اچ نشان دهنده وجود فاز سیگما یا چی است. این آزمون غربالگری یک نتیجه قبولی/شکست دارد.

چقرمگی ضربه با استفاده از روش B (تست ضربه چارپی) ارزیابی می شود. پذیرش به حداقل انرژی متوسط ​​جذب شده نیاز دارد، مانند 54 ژول برای 2205.

روش C (اندازه گیری محتوای فریت): درصد فریت با استفاده از فریتسکوپی تعیین می شود. محتوای فریت با تشکیل سیگما تا حد زیادی کاهش می یابد. با این حال، این رویکرد کمتر ساده است و در معرض تأثیرات خارجی است.

عملی ترین روش برای سرویس دهی، روش A (تست اچ) روی یک ناحیه صیقلی کوچک یا روی یک ماکت است.

برگشت ناپذیری: بدون تعمیر{0}درجا
نتیجه گیری مهم برای مهندسان کارخانه این است که فاز سیگما را نمی توان از یک مبدل حرارتی بزرگ ساخته شده با عملیات حرارتی حذف کرد. کل جزء باید تا 1040-1100 درجه حرارت داده شود و به سرعت خاموش شود (با استفاده از آب یا گاز تحت فشار) تا سیگما دوباره حل شود. یک مبدل در سرویس با لوله‌ها، واشرها و لوله‌های متصل نمی‌تواند این کار را انجام دهد. بسته‌های لوله داخلی حتی در صورت گرم شدن پوسته منبسط و منحرف می‌شوند و سرد شدن سریع منجر به شوک حرارتی می‌شود. در نتیجه، یک جزء حیاتی (مانند یک صفحه لوله یا یک فلنج ضخیم) باید به محض تأیید شکنندگی سیگما تغییر یابد. تنها گزینه برای بسته‌های لوله برداشتن و تعویض است.

بنابراین، کلید جلوگیری از شکست فاجعه آمیز، تشخیص است. اگر از یک مبدل حرارتی مشکل دار با قطعات شکننده استفاده شود، شکستگی سریع می تواند ناشی از شوک حرارتی یا مکانیکی (مانند افزایش فشار، ضربه چکش یا حتی لرزش معمولی) باشد.

مراحل شناسایی میدانی عملی
در صورت مشکوک شدن به شکنندگی فاز سیگما، اقدامات زیر باید در مبدل حرارتی فولاد ضد زنگ دوبلکس قدیمی انجام شود:

تاریخچه خدمات را بررسی کنید تا ببینید آیا مبدل تاکنون در معرض دمای بالاتر از 600 درجه قرار گرفته است یا خیر. گزارش‌های حوادث آتش‌سوزی، گزارش‌های عملیات یا اختلالات غیرعادی فرآیند را بررسی کنید. سوابق جوشکاری: آیا قسمتهای ضخیم در معرض{3} آنیل محلول جوشی قرار گرفتند؟

اندازه گیری فریت غیرمخرب- انجام دهید. در یک سطح تمیز و زمین، قرائت فریتسکوپی ممکن است نشان دهنده محتوای فریت کمتر باشد (طبیعی بین 40 تا 60 درصد است؛ سیگما می تواند آن را تا 30 درصد کاهش دهد). اما این به خودی خود قطعی نیست.

یک بازتولید متالوگرافیک را در نظر بگیرید. روش ASTM A923 یک محلول برای صاف کردن، صیقل دادن و حکاکی کردن یک ناحیه محدود (مانند صفحه یک ورق لوله یا فلنج ضخیم) استفاده می شود. برای بررسی تولید مثل استات از بزرگنمایی 200-500× استفاده می شود. تردی با وجود شبکه های فاز سیگما سیاه و بلوکی تایید می شود.

اگر می توانید یک کوپن کوچک بگیرید. برای آزمایش ضربه شارپی آزمایشگاهی، می توان یک لوله کوتاه یا یک تکه ضایعات از یک مکان غیر بحرانی- برداشت. تردی شدید با اندازه گیری انرژی ضربه کمتر از 20 ژول برای 2205 (یا کمتر از مشخصات) نشان داده می شود.

تعیین فوریت: در صورت کشف سیگما، جزء نهفته باید برای جایگزینی برنامه ریزی شود. در این میان، تمام منابع ارتعاش باید خاموش شوند و مبدل باید با بارهای مکانیکی و حرارتی کمتری کار کند.

اقدامات پیشگیرانه شامل عملیات حرارتی مناسب و محدودیت های خدماتی است.
جلوگیری از شکنندگی سیگما بهترین استراتژی برای مقابله با آن است:

جوش‌های دوبلکس آنیل همیشه محلول: برای مقاطع ضخیم (بیش از 6 میلی‌متر) به جوش{0} پس از محلول جوش و کوئنچ سریع نیاز است. اگرچه بازپخت ایمن تر است، اما روش جوشکاری موثر (ورودی حرارت کم، کنترل دمای بین گذر) می تواند اغلب از سیگما برای مقاطع نازک جلوگیری کند.

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 درجه) برای مدت زمان طولانی تر. از طولانی شدن خدمات بالای 600 درجه خودداری کنید.

خنک کننده را به دنبال هر گونه قرار گرفتن در معرض گرما کنترل کنید: برای کاهش زمان صرف شده در محدوده 600-900 درجه، مبدل باید در سریع ترین زمان ممکن (مثلاً با غرق شدن با آب) در صورت آتش سوزی یا اختلالات حرارتی خنک شود.

در نتیجه
فقط عملیات حرارتی اولیه مناسب و اجتناب از قرار گرفتن طولانی مدت در محدوده دمای تشکیل آن می تواند از شکنندگی فاز سیگما، یک تخریب غیرقابل برگشت و فاجعه بار جلوگیری کند. کاهش شدید چقرمگی ضربه، شکستگی دانه‌ای روشن، و ظهور نقاط یا شبکه‌های اچ تیره در یک تحلیل متالوگرافی، شاخص‌های اجزای مبدل فولاد ضد زنگ دوبلکس تردی فاز سیگما هستند. روش های تست استاندارد برای تشخیص توسط ASTM A923 ارائه شده است. پس از تأیید، قطعه آسیب دیده باید تعویض شود زیرا قابل تعمیر نیست. گرما این قدرت را دارد که وجود یک فلز را بازنویسی کند. در مورد فولاد ضد زنگ دوبلکس، این داستان نانوشته تردی سیگما است. تنها دفاع در برابر این دشمن مخفی و متلاشی کننده{5}}بازرسی معمول، آگاهی از تاریخچه دمای سرویس و انتخاب مواد مناسب است.