Eskimiş Dubleks Paslanmaz Çelik Eşanjör Bileşenlerinde Sigma Faz Kırılganlığı Nasıl Belirlenir?

Uzun süre yüksek sıcaklıklara maruz kalan dubleks paslanmaz çelik boru tabakası sağlam görünse de, çekiçle yapılan basit bir vuruş onu parçalayabilir. Bu, görünümünü değiştirmeden güçlü, sünek bir alaşımı kırılgan bir seramiğe dönüştüren metalurjik bir dönüşüm olan, sigma fazı gevrekleşmesi olarak bilinen korkunç bir olgudur. Sigma fazı gevrekleşmesine neden olan çift yönlü paslanmaz çelik eşanjör bileşenlerinin erken tespiti çok önemlidir, çünkü sigma meydana geldikten sonra yerinde-onarım mümkün değildir. Hasarlı bileşeni onarmak gerekir.

Sigma Aşaması Kırılganlığı: Nedir?
Östenit ve ferrit, dubleks paslanmaz çeliklerde (2205 ve 2507 gibi) bulunan dengeli mikro yapının neredeyse eşit yüzdelerini oluşturur. Yüksek mukavemet, üstün süneklik ve olağanüstü korozyon direncinin tümü bu çift-fazlı yapı tarafından sağlanır. Ancak dubleks çelik uzun süreler boyunca 600 ila 900 derece arasındaki sıcaklıklara maruz kaldığında bir geçiş meydana gelir. Ferrit fazı parçalanmaya başladığında sigma (σ) olarak bilinen yeni bir intermetalik faz oluşturulur. Sigma tetragonal bir kristal yapıya sahiptir ve bir demir, krom ve molibden bileşiğidir. Molibden ve krom bakımından zengindir, son derece kırılgandır ve inanılmaz derecede serttir.

Sıcaklık ve zamanın her ikisi de sigmanın nasıl oluştuğunu etkiler. Geçiş en hızlı şekilde 750-850 derecede gerçekleşir; önemli kırılganlık birkaç saat içinde gerçekleşebilir. Daha düşük sıcaklıklarda (600-700 derece) yüzlerce veya binlerce saat sürer. Sigmayı genellikle tane sınırlarında ve ferrit tanelerinin içinde küçük, ince plakalar halinde çökeldiğinde tersine çevirebilecek yerinde-uygulanabilir bir ısıl işlem yoktur. Malzeme darbe sertliğini neredeyse tamamen kaybeder ve kırılgan hale gelir.

Eşanjör Parçalarının Yaygın Nedenleri
Aşağıdaki koşullar, sigma fazında gevrekleşmenin meydana geldiği en yaygın koşullardır:

Kaynak sonrası çözüm tavlaması olmayan kaynaklar: Soğutma yavaşsa, kaynağın yanındaki ısıdan-etkilenen bölge (HAZ) uzun bir süre boyunca kritik sıcaklık aralığında kalabilir. Büyük, kalın parçalar özellikle risk altındadır. Eğer bileşen daha sonra solüsyonda tavlanmazsa (1040-1100 dereceye kadar ısıtılır ve hızla söndürülürse) Sigma HAZ'da kalır.

Yüksek sıcaklıklarda uzun süreli çalışma: Sürekli olarak 600 ila 900 derece arasındaki metal sıcaklıklarında çalışan ısı eşanjörleri, istemeden bile olsa, giderek kırılganlaşabilir. Bu, uygun şekilde soğutulmayan bir eşanjörde veya atık ısı geri kazanım ünitesinde meydana gelebilir.

Yangına maruz kalma: Kısa bir süre için bile olsa, dubleks eşanjörün bir kısmını sigma oluşum aralığına kadar ısıtan bir tesis yangını, etkilenen alanda kırılganlaşmaya neden olabilir.

Üretim hataları: Sigma, tavlama sıcaklığından yavaş soğutma gibi üretim sırasında uygun olmayan ısıl işlemlerle teşvik edilebilir.

Kaynakların-ısıdan etkilenen bölgeleri, daha kalın flanşlar ve boru levhaları en hassas alanlardır. İnce tüpler daha hızlı soğumasına ve sigma üretme ihtimalinin daha düşük olmasına rağmen, servis sıcaklığı çok yüksekse yine de hassastırlar.

Mekanik ve Görsel Göstergeler
Metalin yüzey görünümü sigma fazındaki gevrekleşmeden etkilenmez. Bir bileşen, belirgin bir çatlama veya renk değişikliği olmadan tamamen normal görünebilir, ancak aşırı derecede kırılgan olabilir. Ancak detaylı inceleme ve testlerle varlığı keşfedilebilir.

Kırılma Yüzeyi Görünümü
Sigma-gevrekleştirilmiş dubleks çeliğin kırılma yüzeyi, bir bileşenin arızalanması veya kasıtlı olarak kırılması durumunda sünek yırtılma veya kayma dudakları olmaksızın parlak, granüler ve kristalimsi görünecektir. Tipik bir sünek kırığın donuk, lifli görünümü bununla tam bir tezat oluşturuyor. Sigma, metale bir çikolatanın dayanıklılığını kazandırır; küçük bir darbe onu bozmak yerine kırar.

Darbe Dayanıklılığı Testi
Charpy V-çentik (CVN) darbe testi, sigma gevrekleşmesini ölçmek için altın standarttır. Duplex 2205, uygun şekilde solüsyonda-tavlandığında genellikle oda sıcaklığında 100–200 J darbe dayanıklılığına sahiptir. Sigma mevcut olduğunda tokluk 20 J'nin altına ve sıklıkla tek rakamlara düşebilir. Bu test, bir tüp tabakasından kesilen küçük parçalar veya test kuponları için kesin bir kanıt sunar.

Metalografik Analiz: Karanlık Aşındırma Noktaları
Aşındırma işleminden sonra mikroskop altında sigma fazındaki kırılganlığın özelliği görülür. Cilalı bir numuneyi dağlamak için %10 oksalik asitte elektrolitik dağlama veya HCl ve HNO₃ (Aqua Regia) veya KOH (dubleks için) kombinasyonu gibi uygun bir reaktif kullanılır. Östenit ve ferrit, tipik bir dubleks mikro yapıda iki ayrı faz olarak ortaya çıkar; Östenit genellikle soluk veya hafifçe kazınmışken, ferrit daha koyudur. Ferrit taneleri içinde ve tane sınırları boyunca, sigma fazı karanlık, sıklıkla bloklu veya plaka-benzeri bir ağ şeklinde kendini gösterir. Sigma parçacıklarının kendileri, daha büyük büyütmelerde belirgin, son derece karanlık bir faz olarak görünür. Pozitif tanımlama, ayırt edici "karanlık aşındırma noktaları" veya sürekli karanlık ağlar tarafından sağlanır.

Kazınmış yüzeyin bir kopyası, -sahada metalografik çoğaltma (önceki makalelerde tartışıldığı gibi) kullanılarak yerinde yapılabilir ve bu daha sonra el tipi bir mikroskop altında incelenir. Sigma, bu-tahribatsız (veya biraz yıkıcı) yöntem kullanılarak, büyük bir değiştiriciden numune alınmadan bulunabilir.

Standart Tespit Yöntemi, ASTM A923
ASTM A923, "Dubleks Östenitik/Ferritik Paslanmaz Çeliklerde Zararlı Intermetalik Fazların Tespiti için Standart Test Yöntemleri" tarafından sigma ve diğer intermetalik fazların (chi gibi) tanımlanması için tanınan üç teknik sağlanmaktadır:

Yöntem A (Sodyum hidroksit aşındırma testi): Cilalı bir numuneyi aşındırmak için ısıtılmış %40 NaOH çözeltisi kullanılır. Koyu bir aşındırma reaksiyonu sigma veya chi fazının varlığını gösterir. Bu tarama sınavının başarılı/başarısız sonucu vardır.

Darbe dayanıklılığı, Yöntem B (Charpy darbe testi) kullanılarak değerlendirilir. Kabul, 2205 için 54 J gibi minimum ortalama emilen enerji gerektirir.

Yöntem C (Ferrit içeriği ölçümü): Ferrit yüzdesi bir ferritoskop kullanılarak belirlenir. Ferrit içeriği sigma oluşumu nedeniyle büyük ölçüde azalır. Ancak bu yaklaşım daha az basittir ve dış etkilere tabidir.

Sahada bakım için en uygun yöntem, küçük cilalı bir alan veya bir kopya üzerinde Yöntem A'dır (aşındırma testi).

Geri Dönüşsüzlük: Yerinde-Onarım Yok
Tesis mühendisleri için varılan önemli sonuç, sigma fazının büyük, yerleşik bir ısı eşanjöründen ısıl işlemle ortadan kaldırılamayacağıdır. Sigmanın yeniden çözülmesi için tüm bileşenin 1040–1100 dereceye kadar ısıtılması ve hızlı bir şekilde söndürülmesi (su veya basınçlı gaz kullanılarak)- gerekir. Boruları, contaları ve bağlı boruları olan-hizmet içi bir eşanjör bunu başaramaz. Kabuk ısıtılabilse bile iç tüp demetleri genişleyip deforme olacak ve hızlı soğutma termal şoka neden olacaktır. Sonuç olarak, sigma kırılganlığı doğrulanır doğrulanmaz çok önemli bir bileşenin (boru tabakası veya kalın flanş gibi) değiştirilmesi gerekir. Tüp demetleri için tek seçenek çıkarma ve değiştirmedir.

Bu nedenle, yıkıcı arızaları önlemenin anahtarı tespittir. Gevrek parçalarla sorunlu bir ısı eşanjörü kullanılırsa termal veya mekanik bir şok (basınç dalgalanması, çekiç darbesi veya hatta düzenli titreşim gibi) nedeniyle hızlı bir kırılma meydana gelebilir.

Pratik Alan Belirleme Adımları
Sigma fazında gevrekleşmeden şüpheleniliyorsa, eski bir dubleks paslanmaz çelik ısı değiştiricide aşağıdaki eylemler gerçekleştirilmelidir:

Eşanjörün 600 dereceden yüksek sıcaklıklara maruz kalıp kalmadığını görmek için servis geçmişini inceleyin. Yangın olayları, operasyon kayıtları veya olağandışı süreç kesintilerine ilişkin raporları inceleyin. Kaynak kayıtları: Kalın kısımlar kaynak sonrası-çözelti tavlamasına tabi tutuldu mu?

Tahribatsız-bir ferrit ölçümü gerçekleştirin. Temiz, zemin yüzeyinde, ferritoskop okuması daha düşük bir ferrit içeriğine işaret edebilir (normal %40 ile %60 arasındadır; sigma bunu %30'a düşürebilir). Ancak bu tek başına kesin değildir.

Metalografik bir çoğaltmayı düşünün. ASTM A923 Yöntemi Sınırlı bir bölgeyi (bir tüp tabakasının yüzü veya kalın bir flanş gibi) pürüzsüzleştirmek, cilalamak ve aşındırmak için bir çözüm kullanılır. Bir asetat reprodüksiyonunu incelemek için 200–500x büyütme kullanılır. Kırılganlık, siyah, bloklu sigma faz ağlarının varlığıyla doğrulanır.

Mümkünse küçük bir kupon alın. Laboratuvar Charpy darbe testi için, kısa bir tüp sapı veya kritik olmayan bir yerden-bir hurda parçası alınabilir. Şiddetli gevrekleşme, 2205 için 20 J'den (veya spesifikasyonun altında) darbe enerjisi ölçümüyle gösterilir.

Aciliyeti belirleyin: Sigma tespit edilirse etkilenen bileşenin değiştirilmesi planlanmalıdır. Bu arada, tüm titreşim kaynaklarının susturulması ve eşanjörün daha düşük mekanik ve termal yüklerde çalıştırılması gerekir.

Önleyici tedbirler arasında uygun ısıl işlem ve servis sınırlamaları yer alır.
Sigma gevrekleşmesini önlemek, bununla başa çıkmanın en iyi stratejisidir:

Her zaman çözelti tavlamalı çift yönlü kaynaklar: Kalın bölümler (6 mm'den fazla) için kaynak sonrası çözelti tavlaması ve hızlı söndürme gereklidir. Tavlama daha güvenli olmasına rağmen, etkili kaynak yöntemi yeterliliği (düşük ısı girişi, pasolar arası sıcaklık kontrolü) ince kesitler için sıklıkla sigmayı önleyebilir.

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 derece) daha uzun süreler boyunca. 600 derecenin üzerinde uzun süreli servisten kaçının.

Herhangi bir ısıya maruz kalmanın ardından soğutmayı kontrol edin: 600-900 derece aralığında harcanan süreyi azaltmak için, yangın veya termal bozulma durumunda eşanjörün mümkün olduğu kadar hızlı bir şekilde soğutulması gerekir (örneğin, su ile doldurularak).

Sonuç olarak
Yalnızca uygun ilk ısıl işlem ve oluşum sıcaklığı aralığına uzun süre maruz kalmaktan kaçınmak, geri dönüşü olmayan ve yıkıcı bir bozunma olan sigma fazı gevrekleşmesini önleyebilir. Darbe dayanıklılığında keskin bir düşüş, parlak granüler bir kırılma ve metalografik analizde koyu renkli aşındırma noktalarının veya ağların ortaya çıkması, dubleks paslanmaz çelik eşanjör bileşenlerinin sigma fazı gevrekleşmesinin göstergeleridir. Tespit için standart test prosedürleri ASTM A923 tarafından sağlanmaktadır. Doğrulandıktan sonra hasarlı parçanın onarılması mümkün olmadığından değiştirilmesi gerekir. Isı, bir metalin varlığını ortadan kaldıracak güce sahiptir; Dubleks paslanmaz çelik söz konusu olduğunda, bu yazılmamış hikaye sigma gevrekleşmesidir. Bu sinsi, paramparça edici-düşmana karşı tek savunma, rutin inceleme, servis sıcaklığı geçmişi bilgisi ve uygun malzeme seçimidir.