วันพฤหัสบดีที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2558

การแตกร้าวจากการคลายความเค้น (Stress Relaxation Cracking)

การแตกร้าวจากการคลายความเค้นมักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกและโลหะผสมกลุ่มเหล็ก-โครเมียม-นิกเกิล เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 304H [1] โลหะผสม 601 [2] โลหะผสม 800 [3] โลหะผสม 825 [4] โลหะผสม 800H [5-6] และโลหะผสม 800HT [7] ที่ถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น ท่อที่ใช้งานในเตาปฏิกรณ์ ท่อไอน้ำ และท่อหางหมูที่ใช้งานในกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (Steam Reforming)  เป็นต้น การแตกร้าวในรูปแบบดังกล่าวมักเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิ 500-750 องศาเซลเซียส [8] แม้ว่าช่วงอุณหภูมิดังกล่าวจะส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ขนาดเล็กภายในเกรน ซึ่งทำให้เกรนมีความต้านทานต่อการเสียรูปแบบถาวรจากการคืบ (Creep Deformation Resistance) ก็ตาม แต่ถ้ามีการตกตะกอนของคาร์ไบด์ขนาดเล็กตามขอบเกรน (ดูรูปที่ 1) มักส่งผลให้ขอบเกรนมีความเหนียวลดลง [9] เมื่อท่อมีการยืดตัวหรือได้รับความเค้นเนื่องจากความร้อน (Thermal Stress) จะทำให้เกิดการแตกร้าวตามขอบเกรน (Intergranular Cracking) ได้ง่าย (รูปที่ 2)

รูปที่ 1 การตกตะกอนที่เกิดขึ้นทั้งภายในและตามขอบเกรน

รูปที่ การแตกร้าวตามขอบเกรน

แม้ว่าโลหะผสมดังกล่าวจะทนต่อสภาวะมีฤทธิ์กัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงมากก็ตาม แต่มักมีความไวต่อการแตกร้าวเมื่อได้รับความร้อนซ้ำ (Reheat Cracking) และการแตกร้าวจากการคลายความเค้น (Stress Relaxation Cracking) ซึ่งการแตกร้าวทั้งสองรูปแบบมักเป็นสาเหตุการเสียหายของอุปกรณ์ที่กล่าวมา สำหรับ Reheat Cracking นั้นมักเกิดขึ้นในระหว่างการอบเพื่อลดความเค้นตกค้างหลังการเชื่อม (Post Weld Heat Treatment) หรือหลังจากผ่านการใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้ไม่นาน ในขณะที่ Stress Relaxation Cracking นั้น ส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ผ่านการเชื่อมและถูกนำไปใช้งานในช่วงอุณหภูมิ 500-750 องศาเซลเซียสในช่วงระยะเวลา 10,000-100,000 ชั่วโมง [10] และความเค้นที่ทำให้เกิดการแตกร้าวมาจากหลายปัจจัย เช่น บริเวณนั้นมีการรั้งตัวสูง (High Degree of Restraint) มีแนวเชื่อมที่แคบในส่วนที่มีความหนาของผนังมาก หรือมีการสะสมของความเข้มของความเค้นเฉพาะจุด (Localized Stress Concentration)
การแตกร้าวจากการอบคลายความเค้นเป็นปรากฏการณ์ที่มีปัจจัยมาจากความเค้นเป็นหลัก ปรากฏการณ์นี้มักเกิดขึ้นในโซนที่มีเกรนหยาบและบริเวณที่ได้รับผลกระทบเนื่องจากความร้อน (HAZ) ของชิ้นส่วนที่ผ่านการเชื่อม (รูปที่ 3) ลักษณะโดยทั่วไปของการแตกร้าวในวัสดุกลุ่มออสเตนนิติกรวมทั้งโลหะผสมในอนุกรม 800 ได้แก่ [11]
1.       รอยแตกร้าวขยายตัวตามขอบเกรนและมักมีช่องว่าง (Void) ตามขอบเกรนในตำแหน่งก่อนที่รอยร้าวจะขยายตัวผ่าน
2.       รอยร้าวมักเกิดขึ้นในบริเวณที่ได้รับผลกระทบเนื่องจากความร้อน (HAZ) แนวเชื่อม หรือพื้นที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น
3.       โดยส่วนมากมักปรากฏให้เห็นเส้นใยโลหะ (Metallic Filament) บนขอบเกรนที่เกิดการแตกร้าว เส้นใยเหล่านี้มักถูกห่อหุ้มด้วยชั้นออกไซด์ที่มีโครเมียมสูง และในชั้นออกไซด์ดังกล่าวจะมีปริมาณของนิกเกิลและเหล็กต่ำ องค์ประกอบทางเคมีของใยโลหะขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ แต่โดยทั่วไปมักมีโครเมียมต่ำแต่มีนิกเกิลและเหล็กสูง
4.       รอยร้าวมักเกิดขึ้นในบริเวณที่มีความแข็งมากกว่า 200 HV
5.       การแตกร้าวมักเกิดขึ้นกับโลหะที่ถูกใช้งานที่อุณหภูมิในช่วง 500-750 องศาเซลเซียส และแปรผันตามชนิดของวัสดุ

รูปที่ โครงสร้างจุลภาคแสดงรอยแตกร้าว


Van Wortel [8] และ Shoemaker และคณะ [12] ได้อธิบายการลดความเสียหายด้วยกลไกการแตกร้าวจากการคลายความเค้น โดยแนะนำให้ทำการอบคลายความเค้นที่อุณหภูมิอย่างน้อย 885 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชม ต่อความหนา 1 นิ้ว กระบวนการทางความร้อนที่ดำเนินการหลังจากการเชื่อมให้ประโยชน์ 2 แนวทาง กล่าวคือ (1) ลดความเค้นตกค้างหลังการเชื่อม และ (2) ลดความแข็งและบ่มแข็งวัสดุให้นานขึ้นเพื่อลดอิทธิพลจากการเพิ่มขึ้นของความแข็งจากการตกตะกอนของแกมม่าไพรม์

เอกสารอ้างอิง
[1]      Yoon KB, Yu JM, Nguyen TS. Stress relaxation cracking in 304H stainless steel weld of a chemical reactor serviced at 560 °C. Eng Fail Anal (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.01.014.
[2]      Stahl H, Smith G, Wastiaux S. Strain-age Cracking of Alloy 601 Tubes at 600 °C. PFANF8 2001;1:51-54.
[3]      Srivastava SK, Katarki MV. Failure Analysis of Fire Tube Sleeve of Heater Treater. J Fail. Anal. and Preven 2009;9:310–5.
[4]      Daniel JB, Douglas BO, Michael U. High-Temperature Stress Relaxation Cracking and Stress Rupture Observed in a Coke Gasifier Failure. JFAP 2011;11:251–64.
[5]      Ul-Hamid A, Tawancy HM, Mohammed AI, Al-Jaroudi SS, Abbas NM. Failure of Ethylene Furnace Outlet Transfer Line Due to Overheating. JFAPBC 2005;4:54-61.
[6]      Al-Shahrani S, Al-Meshari A, Zyl GN, Ahmad S. Failure Analysis of a Heat Exchanger Shell. J Fail. Anal. and Preven (2013);13:20–25.
[7]      Xu LY, Zhu P, Jing HY, Guo K, Zhong SX, Han YD. Failure analysis of Incoloy 800HT pipe at high temperature. Eng Fail Anal 2013;31:375–86.
[8]      Wortel HV. Control of relaxation cracking in austenitic high temperature components. NACE Corrosion 2007 conference and Expo, NACE paper No. 07423, TNO Science and Industry, NACE International, Houston, 2007.
[9]      Daniel JB, Douglas BO, Michael U. High-Temperature Stress Relaxation Cracking and Stress Rupture Observed in a Coke Gasifier Failure. JFAP 2011;11:251–64.
[10]    Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: John Wiley & Sons; 2005.
[11]    Spyrou LA, Sarafoglou PI, Aravas N, Haidemenopoulos GN. Evaluation of creep damage of INCOLOY 800HT pigtails in a refinery steam reformer unit. Eng Fail Anal 2014;45:456–69.
[12]           Shoemaker LE, Smith GD, Baker BA, Poole JM. Fabricating nickel alloys to avoid stress relaxation cracking. Paper No. 07421, NACE International Corrosion 2007 Conference & Expo; 2007.

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

Image credit: https://www.safefoodfactory.com/en/editorials/54-pickling-and-passivating-stainless-steel/ เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดการกัดกร่...