การแตกหักของเพลาปั๊มน้ำด้วยกลไกการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion fatigue fracture of water pump shaft)

เพลาปั๊มน้ำ (Water pump shaft) เกิดการแตกหักในระหว่างใช้งาน (รูปที่ 1) เพลาดังกล่าวมีอายุการใช้งานประมาณ 10 เดือน ชิ้นส่วนดังกล่าวผลิตจากเหล็กกล้าที่เติมโครเมียมสูง (รูปที่ 2) ปั๊มทำหน้าที่ดูดน้ำเสียที่ผ่านการบำบัด ปั๊มไม่ได้ทำงานต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง

รูปที่ 1 เพลาปั๊มน้ำที่แตกหัก

รูปที่ 2 ส่วนผสมทางเคมีของเพลาปั๊มน้ำ

การตรวจสอบด้วยสายตา

          เพลามีจุดเริ่มการแตกหักบริเวณบ่าเพลาที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด  ซึ่งโดยรูปร่างจะเป็นตำแหน่งที่มีความเข้มของความเค้นสูง (High stress concentration site) เมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดบริเวณจุดเริ่มรอยแตกพบลักษณะของการกัดกร่อน ไม่พบการยืดตัวหรือเสียรูปของเพลาแต่อย่างใด และผิวหน้าแตกทำมุมตั้งฉากกับแกนเพลา

การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก

ลักษณะทางมหภาคของผิวหน้าแตกหักแสดงให้ว่าเป็นการแตกหักด้วยกลไกการล้าจากการรับแรงดัดเป็นหลัก (Unidirectional bending fatigue) และแรงบิด ผิวหน้าแตกหักสามารถแบ่งออกเป็น 2 โซน (ดังรูปที่ 3) ดังนี้

รูปที่ 3 ลักษณะทางมหภาคของผิวหน้าแตกหักของเพลาปั๊มน้ำที่แตกหัก

ผิวหน้ารอยแตกที่มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างช้าๆ จากการล้า (Fatigue zone) พบการขยายตัวของรอยแตกเริ่มจากบริเวณผิวด้านนอกของเพลาบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด โดยมีจุดเริ่มเพียงจุดเดียว (Single origin) แสดงให้เห็นว่าเพลาเกิดแตกหักจากการได้รับแรงกระทำแบบคาบในระหว่างใช้งานไม่สูงมาก (Low overstress) แต่น่าจะเกิดจากความเค้นที่สะสมเฉพาะจุดมีค่าสูงมาก มีลักษณะของผิวหน้าค่อนข้างเรียบ พบแนวการขยายตัวของรอยร้าวล้า (Fatigue cracking) ในระดับมหภาคคือ Beach marks  ในลักษณะที่ชัดเจน และมีพื้นที่ที่เกิดความเสียหายด้วยกลไกการล้าตัวประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ ลักษณะดังกล่าวเป็นการยืนยันว่าเพลาเกิดการแตกหักจากการได้รับแรงเค้นไม่สูงมาก

ผิวหน้ารอยแตกโซนที่ 2 เป็นโซนที่เกิดการแตกแบบทันทีทันใดจากการรับแรงเกินพิกัด (Final overload zone) พบการขยายตัวของรอยแตกมาจาก Fatigue zone เป็นลักษณะของการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว ผิวหน้าแตกหักมีลักษณะขรุขระ ไม่เรียบ เมื่อเทียบกับผิวหน้าแตกของโซนที่ 1คิดเป็นพื้นที่ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ ลักษณะดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแรงที่กระทำในระหว่างการแตกหักช่วงสุดท้ายไม่สูงมากนัก ดังนั้นการแตกหักน่าจะมาจากวัสดุมีจุดบกพร่องในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูง

รูปที่ 4 ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีบริเวณกัดกร่อนด้วย EDS

จากการตรวจสอบผิวหน้าบริเวณจุดเริ่มต้นรอยแตก (ขวามือของรูปที่ 3) พบความไม่ต่อเนื่องของวัสดุจากการกัดกร่อน ซึ่งยืนยันได้จากผลการวิเคราะห์ด้วย EDS (รูปที่ 4) ที่มีลักษณะเป็นรูบริเวณผิวหน้าของเพลา ซึ่งลักษณะดังกล่าวจะเป็นจุดรวมความเค้นและส่งเสริมให้เกิดการแตกได้ง่ายยิ่งขึ้น

การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาค

          จากการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคบริเวณจุดเริ่มรอยแตก พบลักษณะการสูญเสียโลหะ (Metal loss) จากการกัดกร่อนดังรูปที่ 5-6

รูปที่ 5 ภาคตัดตามแนวแกนของเพลาผ่านจุดเริ่มรอยแตกพบร่องหลุมจากการกัดกร่อน

รูปที่ 6 โครงสร้างจุลภาคบริเวณจุดเริ่มรอยแตกแสดงการสูญเสียโลหะ

วิเคราะห์ผล

ผลที่ได้จากการตรวจสอบชี้ให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าเพลาปั๊มเกิดการแตกหักด้วยกลไกการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion fatigue fracture) ซึ่งเป็นรูปแบบของการเสียหายที่มักเกิดขึ้นกับโลหะและโลหะผสมหลายชนิดที่อยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบคาบ (Cyclic load) ในสภาวะแวดล้อมต่างๆ [1] แม้ว่าเหล็กกล้าที่ใช้ทำเพลาดังกล่าวจะเติมโครเมียมมากถึง 13% เพื่อสร้างฟิล์มที่มีความต้านทานต่อการกร่อน (Passive film) แต่ในกรณีดังกล่าวพบว่าเกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized corrosion) ขึ้นบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าชิ้นส่วนเพลาเหล็กกล้าที่มี passive film เมื่อสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบจะมีความไวต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting corrosion) และในกรณีที่มีการรับแรงแบบคาบไปด้วยนั้น สนิมรูเข็มจะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress concentrator) จึงมักเป็นจุดเริ่มของการแตกหักเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน [2, 3] ยิ่งไปกว่านั้น คือ Pitting corrosion ไปปรากฏในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูงอยู่แล้วก็ยิ่งจะเพิ่มความไวต่อการแตกหักได้ง่ายยิ่งขึ้น (รูปที่ 7)

รูปที่ 7 ภาพจำลองแสดงความเข้มของความเค้นบริเวณเปลี่ยนขนาดพื้นที่หน้าตัดเพลา

การแตกหักเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนมักเริ่มจากบริเวณที่ถูกกัดกร่อนจากสารเคมีหรือบริเวณที่เกิดความไม่ต่อเนื่องบนผิวหน้า เช่น รอยขีดข่วน สารฝังใน เฟสที่เกิดการตกตะกอน รอยร้าวขนาดเล็ก หรือดิสโลเคชัน [4, 5] ในกรณีที่เกิดการกัดกร่อนจากสารเคมีนั้น การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าที่มีฟิล์มปกป้องมักเกิดจากคลอไรด์ [6, 7]  ซึ่งผลการตรวจสอบผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (บริเวณที่เกิดสนิม) ในจุดเริ่มต้นการแตกหักพบว่ามีคลอไรด์เจือปน ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบคาบ สนิมรูเข็ม จะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress Concentration) [8] ที่มักเป็นจุดเริ่มของการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน

การแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนจะมีลักษณะบางอย่างคล้ายกับการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน [9] ทั้งจุดเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกร้าว ในกรณีดังกล่าวนี้ ศาสตร์การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักจะถูกนำมาใช้ในการยืนยันรูปแบบการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน โดยถ้าพบแนวการขยายตัวของรอยแตกแบบมหภาคที่เรียกว่า beach marks ซึ่งเป็นสัญลักษณ์การขยายตัวของรอยแตกจากการล้าตัว และเมื่อตรวจสอบบริเวณจุดเริ่มรอยแตกจะพบจุดบกพร่องจากการกัดกร่อนและผิวหน้ารอยแตกรอบๆ จุดเริ่มจะพบการทำปฏิกิริยากับสารละลายเกิดเป็นคราบออกไซด์ (ดังรูปที่ 3)

สรุปผล 

เพลาปั๊มน้ำเกิดการแตกหักด้วยรูปแบบการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน ซึ่งมีจุดเริ่มมาจากสนิมรูเข็มที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาของคลอไรด์และเกิดในบริเวณที่มีความเข้มของความเค้นสูง การเลือกวัสดุจึงมีความสำคัญต่อการป้องกันการเสียหายจากการแตกร้าวเนื่องจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนนอกจากนี้ การควบคุมปริมาณสารเจือปนในสารละลาย การป้องกันการแช่นิ่งของสารละลายเป็นเวลานาน และการทำความสะอาดเพลาเพื่อกำจัดอนุภาคที่มีคลอรีนเป็นองค์ประกอบเป็นประจำ เป็นวิธีการที่สามารถลดปัญหาดังกล่าวได้

เอกสารอ้างอิง

[1]     B.D. Craig. Material Failure Modes, Part I: A Brief Tutorial on Fracture, Ductile Failure, Elastic Deformation, Creep, and Fatigue, JFAP 2005; 5(5): 13-14, 39-45.

[2]     S. Roychowdhury et al., Effect of pH and specimen orientation on the corrosion fatigue behavior of a duplex stainless steel in chloride solutions, Trans. Indian Inst. Met. 2004; 57(3): 265-70.

[3]     C.R. Gagg and P.R. Lewis, In-service fatigue failure of engineered products and structures – Case study review, Eng Fail Anal 2009; 16(6): 1775-93.

[4]     R. Ebara, Corrosion fatigue phenomena learned from failure analysis, Eng Fail Anal 2006; 13: 516–25.

[5]     C.R. Gagg and P.R. Lewis, Failure of components and products by engineered-in defects – case studies, Eng Fail Anal 2005; 12(6): 1000–26.

[6]     M. G. Fontana, Corrosion Engineering, third ed., New York, McGraw-Hill, 1967: 51-4.

[7]     S.A.M. Refaey, Corrosion and Inhibition of 316L stainless steel in neutral medium by 2-Mercaptobenzimidazole, Int. J. Electrochem. Sci. 2006; 1: 80-91.

[8]     M. Cerit, K. Genel, S. Eksi, Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit, Eng Fail Anal 2009; 16(7): 2467–72.  

[9]     N.J. Laycock and R.C. Newman, Temperature dependence of pitting potentials for austenitic stainless steels above their critical pitting temperature, Corrosion Science 1998; 40(6):887-902.