Як визначити крихкість сигма-фази в старих компонентах теплообмінника з дуплексної нержавіючої сталі?

Навіть незважаючи на те, що дуплексна трубна дошка з нержавіючої сталі, яка тривалий час перебувала під дією високих температур, може виглядати цілою, звичайний удар молотком може розбити її. Це жахливе явище, відоме як окрихчення сигма-фази, металургійне перетворення, яке, не змінюючи свого зовнішнього вигляду, перетворює міцний пластичний сплав на крихку кераміку. Раннє виявлення крихкості сигма-фази в компонентах дуплексного теплообмінника з нержавіючої сталі має важливе значення, оскільки-ремонт на місці неможливо виконати після появи сигми. Необхідно відремонтувати пошкоджений компонент.

Крихкість сигма-фази: що це?
Аустеніт і ферит складають майже однакові відсотки збалансованої мікроструктури, яка зустрічається в дуплексних нержавіючих сталях (таких як 2205 і 2507). Ця дво-фазна структура забезпечує високу міцність, чудову пластичність і виняткову стійкість до корозії. Однак перехід відбувається, коли дуплексна сталь піддається впливу температур від 600 до 900 градусів протягом тривалого періоду часу. Нова інтерметалічна фаза, відома як сигма (σ), утворюється, коли фаза фериту починає руйнуватися. Sigma має тетрагональну кристалічну структуру і є сполукою заліза, хрому та молібдену. Він багатий молібденом і хромом, надзвичайно крихкий і неймовірно твердий.

Як температура, так і час впливають на формування сигми. Перехід відбувається найшвидше при 750–850 градусах; суттєва крихкість може статися за лічені години. Це займає сотні або тисячі годин при нижчих температурах (600–700 градусів). Немає життєздатної-термічної обробки на місці, яка може змінити сигму, коли вона випадає, як правило, у вигляді крихітних тонких пластинок на межах зерен і всередині феритових зерен. Матеріал практично повністю втрачає ударну в'язкість і стає крихким.

Загальні причини використання деталей теплообмінника
Наступні обставини є найпоширенішими, за яких виникає крихкість сигма-фази:

Зварні шви без відпалу розчину після-зварювання: якщо охолодження відбувається повільно, зона-термічного впливу (HAZ) поруч із зварним швом може залишатися в критичному температурному діапазоні протягом тривалого періоду часу. Особливо ризикують великі товсті шматки. Сигма залишається в ЗТВ, якщо компонент згодом не відпалюють у розчині (нагрівають до 1040–1100 градусів і швидко гартують).

Тривала робота при високих температурах: навіть ненавмисно теплообмінники, які безперервно працюють при температурах металу від 600 до 900 градусів, можуть поступово стати крихкими. Це може статися в теплообміннику, який не охолоджується належним чином, або в установці для утилізації тепла.

Вплив вогню: навіть протягом короткого періоду часу пожежа на заводі, яка нагріває частину дуплексного теплообмінника до сигма-діапазону, може призвести до крихкості в зоні впливу.

Помилки виготовлення: Сигма може виникнути через неправильну термічну обробку під час виробництва, наприклад повільне охолодження від температури відпалу.

Зони-термічного впливу зварних швів, товщі фланці та трубні дошки є найбільш вразливими. Незважаючи на те, що тонкі трубки охолоджуються швидше та мають меншу ймовірність утворення сигм, вони все одно чутливі, якщо робоча температура дуже висока.

Механічні та візуальні індикатори
Крихкість сигма-фази не впливає на зовнішній вигляд поверхні металу. Компонент може виглядати цілком нормальним, без явних тріщин або зміни кольору, але він може бути надзвичайно крихким. Однак його існування можна виявити за допомогою ретельного дослідження та тестування.

Зовнішній вигляд поверхні зламу
Поверхня руйнування сигма-крихкої дуплексної сталі виглядатиме блискучою, зернистою та кристалічною без пластичних розривів або зрізів, якщо компонент виходить з ладу або навмисно зламаний. Похмурий, волокнистий вигляд типового пластичного перелому різко контрастує з цим. Sigma надає металу міцність шоколадної плитки; маленький удар ламає його, а не спотворює.

Випробування на ударну в'язкість
Випробування на удар за V-за Шарпі (CVN) є золотим стандартом кількісного визначення сигма-крихкості. Після належного{2}}відпалу Duplex 2205 зазвичай має ударну в’язкість 100–200 Дж за кімнатної температури. В'язкість може зменшуватися до менше ніж 20 Дж і часто до одиничних значень, якщо присутній сигма. Цей тест пропонує однозначний доказ для крихітних деталей або тестових купонів, вирізаних із трубної дошки.

Металографічний аналіз: темні плями травлення
Після травлення ознаки крихкості сигма-фази видно під мікроскопом. Відповідний реагент, такий як електролітичне травлення в 10% щавлевій кислоті або комбінації HCl і HNO3 (Царська водка) або KOH (для дуплексу), використовується для травлення полірованого зразка. Аустеніт і ферит зустрічаються як дві окремі фази в типовій дуплексній мікроструктурі; аустеніт зазвичай блідий або слабко витравлений, тоді як ферит темніший. У феритових зернах і вздовж меж зерен сигма-фаза проявляється у вигляді темної, часто блокової або пластинчастої -сітки. Самі сигма-частинки виглядають як чітка, надзвичайно темна фаза при більшому збільшенні. Позитивна ідентифікація забезпечується характерними «темними плямами травлення» або суцільними темними мережами.

Копію витравленої поверхні можна зробити-на місці за допомогою польової металографічної реплікації (як обговорювалося в попередніх статтях), яку потім перевіряють під портативним мікроскопом. Sigma можна знайти за допомогою цього не-деструктивного (або злегка деструктивного) методу, не виймаючи зразок із великого обмінника.

Стандартний метод виявлення, ASTM A923
ASTM A923 «Стандартні методи випробувань для виявлення шкідливих інтерметалічних фаз у дуплексних аустенітних/ферритних нержавіючих сталях» містить три визнані методи для ідентифікації сигма та інших інтерметалічних фаз (наприклад, chi):

Метод A (тест травлення гідроксидом натрію): для травлення полірованого зразка використовується нагрітий 40% розчин NaOH. Темна реакція травлення вказує на існування сигма або хі фази. Цей скринінговий іспит має результат «склав/не склав».

Ударну в'язкість оцінюють за допомогою методу B (випробування на удар за Шарпі). Для прийняття потрібна мінімальна середня поглинена енергія, наприклад 54 Дж для 2205.

Метод C (вимірювання вмісту фериту): процентний вміст фериту визначається за допомогою феритоскопа. Вміст фериту значно зменшується через утворення сигми. Цей підхід, однак, менш простий і схильний до зовнішнього впливу.

Найбільш доцільним методом польового обслуговування є метод А (випробування травленням) на крихітній полірованій ділянці або на копії.

Незворотність: без-ремонту на місці
Вирішальний висновок для інженерів заводу полягає в тому, що сигма-фазу неможливо усунути з великого вбудованого теплообмінника шляхом термічної обробки. Весь компонент потрібно нагріти до 1040–1100 градусів і швидко загасити (за допомогою води або газу під тиском), щоб повторно -розчинити сигму. -Обмінник із трубками, прокладками та підключеними трубопроводами не може цього досягти. Внутрішні пучки труб розширяться та деформуються, навіть якщо оболонку можна буде нагріти, а швидке охолодження призведе до теплового удару. Отже, важливий компонент (такий як трубна дошка або товстий фланець) необхідно змінити, як тільки буде перевірено сигма-крихкість. Єдині варіанти для трубних пучків – видалення та заміна.

Тому ключем до запобігання катастрофічного збою є виявлення. Швидке руйнування може статися внаслідок термічного або механічного удару (наприклад, стрибок тиску, удар молотком або навіть звичайна вібрація), якщо проблемний теплообмінник використовується з крихкими частинами.

Кроки для практичної ідентифікації поля
У старому дуплексному теплообміннику з нержавіючої сталі слід виконати такі дії, якщо є підозра на крихкість сигма-фази:

Перегляньте історію обслуговування, щоб побачити, чи теплообмінник коли-небудь піддавався температурі вище 600 градусів. Перегляньте звіти про пожежі, журнали операцій або незвичні збої в процесі. Записи про зварювання: чи піддавалися товсті частини після-відпалу розчину?

Проведіть не-руйнівне вимірювання фериту. На чистій відшліфованій поверхні показання феритоскопа можуть вказувати на нижчий вміст фериту (нормальний вміст становить від 40 до 60 %; сигма може знизити його до 30 %). Але це само по собі не є остаточним.

Розгляньте металографічну репродукцію. Розчин методу ASTM A923 використовується для згладжування, полірування та травлення обмеженої ділянки (наприклад, поверхні трубної дошки або товстого фланця). Для перевірки ацетатної репродукції використовується збільшення 200–500 разів. Крихкість підтверджується існуванням чорних блокових мереж сигма-фаз.

Отримайте невеликий купон, якщо можете. Для лабораторного випробування на удар за Шарпі можна взяти коротку трубку або шматок не-критичного місця. Сильна крихкість вказується вимірюванням енергії удару менше 20 Дж для 2205 (або нижче специфікації).

Визначте терміновість: пошкоджений компонент слід запланувати для заміни, якщо виявлено сигму. Тим часом всі джерела вібрації повинні бути приглушені, а теплообмінник повинен працювати при менших механічних і теплових навантаженнях.

Профілактичні заходи включають відповідну термічну обробку та обмеження в експлуатації.
Запобігання сигма-крихкості є найкращою стратегією боротьби з нею:

Завжди відпалюйте дуплексні зварні вироби: для товстих секцій (понад 6 мм) потрібні -відпал у розчині та швидке гартування. Хоча відпал безпечніший, ефективна кваліфікація методу зварювання (низьке підведення тепла, контроль міжпрохідної температури) часто може запобігти сигмі для тонких секцій.

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 градусів) протягом більш тривалого часу. Уникайте тривалого обслуговування вище 600 градусів.

Контролюйте охолодження після будь-якого впливу тепла: щоб скоротити час перебування в діапазоні 600–900 градусів, теплообмінник слід охолоджувати якомога швидше (наприклад, шляхом заливання водою) у разі пожежі чи перегріву.

На закінчення
Лише правильна початкова термічна обробка та уникнення тривалого впливу діапазону температур формування може запобігти окрихченню сигма-фази, незворотній і катастрофічній деградації. Різке зниження ударної в’язкості, яскравий зернистий руйнування та поява темних плям травлення або сіток у металографічному аналізі є показниками сигма-фазової крихкості дуплексних компонентів теплообмінника з нержавіючої сталі. Стандартні процедури тестування для виявлення надані ASTM A923. Після перевірки пошкоджену частину потрібно замінити, оскільки її неможливо виправити. Тепло має силу перекреслити існування металу; у випадку дуплексної нержавіючої сталі цією ненаписаною казкою є сигма-крихкість. Єдиним захистом від цього непомітного ворога,-що розбивається, є регулярний огляд, знання історії робочих температур і вибір відповідного матеріалу.