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 2 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 3 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