การแตกหักของรางรถไฟ (Broken of steel rail)

วันนี้..มีเคสการแตกหักของรางรถไฟ (รูปที่ 1) มาแชร์ครับ

รางรถไฟเป็นชิ้นส่วนที่ต้องมีความปลอดภัยสูงในระหว่างการใช้งานซึ่งจะต้องอยู่ภายใต้สภาวะการรับความเค้นอย่างรุนแรงรวมทั้งความร้อนจากแรงเสียดทานและความเครียดเฉือนเนื่องจากแรงฉุด นอกจากนี้ยังมีแรงแบบไดนามิกที่ส่งมาจากล้อที่หมุนอยู่ตลอดเวลา เงื่อนไขการรับแรงทั้งหมดเหล่านี้ทำให้รางบริเวณพื้นที่สัมผัสกับล้อมีการเสื่อมสภาพในรูปของการเสียรูปแบบถาวร (Plastic Deformation) การสึกหรอ (Wear) และความล้าจากการกลิ้งสัมผัส (Rolling Contact Fatigue) ดังนั้นบริเวณที่มักเป็นจุดเริ่มต้นการเสียหายของรางคือผิวหน้าสัมผัสกับล้อ (ดังรูปประกอบที่ 2)

สำหรับรางที่เกิดการสึกหรอและเสียเนื้อโลหะจนสูญเสียมิติ จำเป็นต้องมีการเชื่อมซ่อมเพื่อเติมเต็มโลหะให้รางได้พิกัดตามมาตรฐาน จึงจะสามารถใช้งานต่อไปได้ ซึ่งผู้เกี่ยวข้องในการซ่อมบำรุงรางที่สึกหรอก็หนีไม่พ้นช่างเชื่อมและนักทดสอบแบบไม่ทำลาย แต่ถ้าบุคลากรเหล่านั้นไม่มีคุณภาพตามหลักสากลก็อาจทำให้เกิดการแตกหักและเกิด derailment ตามมาได้

จากผลการตรวจสอบก็ยืนยันชัดเจนว่าแตกหักด้วยกลไกการล้า (Fatigue Fracture) ซึ่งไม่เกินความคาดหมายเนื่องจากแรงกระทำส่วนใหญ่เป็นแบบคาบ (Cyclic Load) มีจุดเริ่มรอยแตกบริเวณสัมผัสบังใบล้อ จากการตรวจสอบภาคตัดขวาง (Cross Section) พบชั้นเชื่อมซ่อม (Weld Repair Layer) เมื่อตรวจสอบผิวแตกด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) พบว่า เนื้อโลหะบริเวณเชื่อมซ่อมไม่ได้คุณภาพมีรูพรุนมากมาย (รูปที่ 3-5) และการทดสอบแบบไม่ทำลายหลังการเชื่อมอาจมีขีดความสามารถในการตรวจจับจุดบกพร่องได้ไม่ละเอียดพอ เมื่อใช้งานอีกครั้งจึงเกิดการแตกหัก

ตอนนี้ประเทศไทยมีการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานระบบขนส่งทางรางมากมายทั้งทางคู่และความเร็วสูงคิดเป็นมูลค่าหลายแสนล้านบาท ถัดจากนี้ไปก็เป็นเรื่องของการซ่อมบำรุงเป็นหลัก ถามว่าประเทศเราได้ลงทุนสร้างองค์ความรู้ ช่างเทคนิค วิศวกร และผู้เชี่ยวชาญด้านนี้เพื่อรองรับระบบการซ่อมบำรุงมากพอหรือยัง?

#failureanalysis #reliability #assesessment #rail #rollingstock #fracture #fractography #railmaintenance #railndt #rialknowledge #railinspector #railbreak #ขนส่งทางราง

สนใจงานทดสอบ วิเคราะห์ความเสียหาย งานวิจัย ร่วมวิจัย สามารถสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่

siam.famd@gmail.com

การกัดกร่อนของสายเคเบิลทองแดง (Corrosion of copper cable)

วันนี้มีเคสที่เกิดขึ้นนานมาแล้วมาแชร์ครับ

ในยุคที่โทรศัพท์มือถือยังไม่เป็นที่แพร่หลายในประเทศไทย การสื่อสารส่วนใหญ่ใช้โทรศัพท์บ้านหรือโทรศัพท์ในสำนักงานเป็นหลัก ช่วงนั้นมีการติดตั้งและขยายสัญญาณโทรศัพท์อย่างรวดเร็ว ทั้งในเขตกรุงเทพฯและปริมณฑล

การให้บริการด้านโทรศัพท์ในช่วงนั้นใช้สายเคเบิลที่ฝังอยู่ในท่อใต้ดินเป็นตัวกลางในการส่งสัญญาณ

ในระหว่างการให้บริการในช่วงเวลาประมาณ 5-6 ปีต่อมา ได้ตรวจพบปัญหาการขัดข้องของสัญญาณในหลายคู่สายโทรศัพท์

ปัญหาที่เกิดขึ้นพบในลวดทองแดงซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางแรกเริ่ม 2.54 มิลลิเมตรและถูกลดขนาดเหลือ 0.4 มิลลิเมตร แล้วทำการอบอ่อนเพื่อลดความเค้นตกค้างจากการรีด พร้อมกับหุ้มฉนวนด้วยโพลีเอทิลีน (PE Insulation)

เมื่อเกิดปัญหา ผมมีโอกาสได้ไปร่วมตรวจสอบที่หน้างาน (Onsite Investigation)

การตรวจสอบด้วยสายตา (Visual Inspection) ก็มีสภาพตามภาพประกอบเลยครับ ที่เห็นได้ชัดเจน คือ การเปลี่ยนสีของฉนวน PE ที่หุ้มลวดทองแดง และหลังจากเฉือนและลอก PE ออกพบการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับลวดทองแดง พบผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนสีเขียว และทองแดงเปลี่ยนเป็นสีเทาดำ

การวิเคราะห์ผิวลวดทองแดงที่เกิดการกัดกร่อนด้วย SEM และ EDS พบว่ามีธาตุซัลเฟอร์และออกซิเจนเป็นส่วนประกอบหลักในผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน ซึ่งอาจอยู่ในรูปของ CuSO₄, CuS และ CuO

นอกจากนี้ การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของคราบที่เกิดขึ้นใต้ PE ด้วยเทคนิค FT-Raman พบว่าคราบสีเขียวเป็นผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนของคอปเปอร์ซัลเฟต (CuSO₄) ส่วนคราบสีเทาดำมาจากการเสื่อมสภาพของ PE

และจากการตรวจสอบภาคตัดขวางและโครงสร้างจุลภาคพบการกัดกร่อนแบบเฉพาะจุดอย่างรุนแรง ทำให้เกิดโพรงและรูพรุน (Pitting Corrosion) บนผิวหน้าลวดใต้ฉนวน PE ซึ่งทำให้มองเห็นเป็นจุดสีดำคล้ายกับการเกิดเชื้อรา

การเสื่อมสภาพของลวดทองแดงในสายเคเบิลเกิดขึ้นได้จากการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าและการกัดกร่อนทางเคมีโดยตรง ในกรณีนี้เป็น "การกัดกร่อนทางเคมี" หรือ "Chemical Corrosion" ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาโดยตรงระหว่างโลหะกับสารเคมีบางชนิด ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและเกิดความเสียหายต่อพื้นผิวโลหะ สายเคเบิลทองแดงไวต่อการกัดกร่อนจากสารประกอบซัลเฟอร์ เช่น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซึ่งก็เป็นที่ทราบกันดีว่าท่อใต้ดินในบ้านเรามีในน้ำแช่ขังอยู่ภายในจะมีสารประกอบเหล่านี้ค่อนข้างสูง

ไอออนทองแดงบนพื้นผิวสายไฟทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์ไดออกไซด์และเกิดเป็นสารต่าง ๆ เช่น คอปเปอร์ซัลเฟตและคอปเปอร์ไทโอซัลเฟต ทำให้เกิดการกัดกร่อนและการเปลี่ยนสีบนพื้นผิวของสายไฟดังภาพประกอบ

นอกจากการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าและการกัดกร่อนทางเคมี ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่ทำให้กระบวนการกัดกร่อนรุนแรงขึ้น ได้แก่:

1. อุณหภูมิ: อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะเร่งกระบวนการออกซิเดชันและการกัดกร่อนของโลหะ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ไอออนของโลหะมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับไอออนในสารละลายมากขึ้น ส่งผลให้การกัดกร่อนเร็วขึ้น

2. ความชื้น: สภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงเพิ่มการสัมผัสระหว่างโลหะกับไอน้ำ ทำให้เกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนเร็วขึ้น ฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวโลหะจะดูดความชื้นมากขึ้น เกิดชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่ง่ายในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน

3. ค่า pH: ค่า pH ของสารละลายมีผลต่ออัตราการกัดกร่อน ในสารละลายกรดที่มีค่า pH ต่ำ ฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวโลหะจะละลายง่ายขึ้น ทำให้การกัดกร่อนรุนแรงขึ้น

นี่คือเคสการเสื่อมสภาพของสายเคเบิลที่เกิดขึ้นในอดีต หวังว่าจะแชร์ประสบการณ์นี้เพื่อเป็นการเรียนรู้ร่วมกัน หากมีข้อเสนอแนะหรือความคิดเห็นเพิ่มเติม สามารถแสดงความคิดเห็นใต้โพสต์ได้เลยครับ

#corrosionfailure #coppercorrosion #crevicecorrosion #cablecorrosion #corrosion #pitting #patina #FARE #engineeringcomponent

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

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

เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดการกัดกร่อนในระหว่างการใช้งานได้หากที่พื้นผิวมีการปนเปื้อน ทั้งการล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation) เป็นการบำบัดทางเคมีที่ใช้กับพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมเพื่อกำจัดคราบออกไซด์/รอยไหม้หรือสิ่งปนเปื้อนและช่วยสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ที่ต่อเนื่อง ตามลำดับ กระบวนการล้างผิวด้วยกรดและการสร้างฟิล์มนั้นเป็นการบำบัดด้วยกรดแต่ไม่สามารถขจัดคราบไขมันหรือน้ำมันได้ ดังนั้นหากเหล็กกล้าไร้สนิมเกิดความสกปรกหรือปนเปื้อนมาจากกระบวนการผลิต/ประกอบ/ติดตั้ง อาจจำเป็นต้องใช้ผงซักฟอกหรือน้ำยาทำความสะอาดที่เป็นด่างก่อนที่จะทำการ pickling หรือ passivation

การล้างผิวด้วยกรด (Pickling)

Pickling คือการกำจัดคราบ/ออกไซด์ที่เกิดในสภาวะอุณหภูมิสูงและชั้นพร่องโครเมียมที่อยู่ติดกันออกจากพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยวิธีทางเคมี

ในกรณีที่เหล็กกล้าไร้สนิมได้รับความร้อนจากการเชื่อม (Welding) ผ่านกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatments) หรือวิธีการอื่น ๆ ที่สามารถทำให้เกิดชั้นออกไซด์และสามารถสังเกตเห็นสีที่เปลี่ยนไปได้อย่างชัดเจน ภายใต้ชั้นออกไซด์เหล่านั้นจะมีชั้นพร่องโครเมียมเกิดขึ้น ปริมาณโครเมียมที่ต่ำกว่าโลหะพื้นทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง เพื่อคืนประสิทธิภาพความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีที่สุด ต้องกำจัดชั้นโลหะที่เสียหายหรือชั้นออกไซด์ออกเพื่อให้เห็นพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมที่สมบูรณ์ การกำจัดด้วยวิธีทางกลอาจทำให้เกิดการเสียดสีหรือมีอนุภาคอื่น ๆ ฝังบนผิวหน้า (ทำให้ขาดประสิทธิภาพในการสร้างฟิล์มเพื่อป้องกันการกัดกร่อน) หรืออาจไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ ดังนั้นจึงมักใช้วิธีทางเคมี

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมจะใช้กรดไนตริก (HNO₃) และกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เพื่อช่วยขจัดคราบออกไซด์และชั้นพร่องโครเมียม และฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อน นอกจากนี้สารละลายล้างผิวหน้ายังช่วยขจัดสิ่งปนเปื้อน เช่น อนุภาคกลุ่มเหล็กและเฟอริกออกไซด์ และยังมีสารละลายสำหรับล้างผิวหน้านอกเหนือจากส่วนผสมของกรดไนตริกและกรดไฮโดรฟลูออริกและสามารถนำไปใช้งานเฉพาะทางได้

โดยทั่วไปกระบวนการล้างผิวหน้าด้วยกรดสามารถดำเนินด้วยวิธีการต่าง ๆ ดังนี้

1. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบจุ่มแช่ (Tank Immersion) มักใช้ในกระบวนการผลิตภายในโรงงาน ไม่เหมาะสำหรับการทำที่หน้างานได้ วิธีการดังกล่าวจะทำให้ผิวหน้าชิ้นงานมีความเรียบสม่ำเสมอ สามารถลบรอยไหม้ได้ตลอดผิวชิ้นงาน เนื่องจากเป็นระบบที่ควบคุมภายในโรงงานจึงมีความปลอดภัยทั้งต่อคนและสภาพแวดล้อม การกัดกรดเพื่อทำความสะอาดผิวหน้าด้วยวิธีดังกล่าวนี้ต้องควบคุมเวลาและอุณหภูมิให้เหมาะสมกับสภาพพื้นผิวของวัสดุในแต่ละงาน

2. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบฉีดสเปรย์ (Spray Pickling) เป็นวิธีที่เหมาะต่อการดำเนินการที่หน้างานซึ่งมีการติดตั้งชิ้นงานไปแล้ว แต่ต้องคำนึงเรื่องความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน ควรมีการประเมินความเสี่ยง เพราะอาจเกิดการรั่วไหลหรือการสัมผัสกับสารละลายกรดในระหว่างการพ่นสเปรย์ได้ และในกรณีชิ้นงานที่มีความซับซ้อน อาจมีบางตำแหน่งที่สารละลายกรดฉีดพ่นไปไม่ถึง ทำให้การสร้างฟิล์มไม่สมบูรณ์

3. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบการไหลเวียนน้ำยาภายในท่อ (Circulation Pickling) กระบวนการดังกล่าวจะใช้ปั๊มในการไหลเวียนสารละลายผ่านไปตามส่วนต่าง ๆ ของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมภายหลังการติดตั้ง

นอกจากวิธีการที่กล่าวมา ยังมีการใช้น้ำยาป้าย (Pickling Paste) สำหรับทำความสะอาดผิวหน้าซึ่งมีสารละลายผสมกับตัวพาเฉื่อย ซึ่งมักใช้ทำความสะอาดร่วมกับการขัดในบริเวณเฉพาะ เช่น รอยเชื่อม

วิธีการทำความสะอาดผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรดที่กล่าวมาจะทำให้มีการสูญเสียโลหะหรือมีการกำจัดโลหะออกจากผิวหน้า และมักทำให้ผิวหน้ามีการเปลี่ยนแปลงหรือมีความสว่าง (Brightness) ลดลง

การขัดผิวด้วยไฟฟ้า (Electropolishing) เป็นทางเลือกหนึ่งที่สามารถทดแทนการทำความสะอาดผิวหน้าด้วยกรด แม้ว่าโลหะจะถูกกำจัดออกจากผิวหน้า แต่มักจะส่งผลให้ได้ผิวชิ้นงานที่สว่าง เรียบเนียน และทนทานต่อการกัดกร่อนสูงขึ้น

การสร้างฟิล์ม (Passivation)

Passivation คือการปรับปรุงผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมักใช้สารละลายกรด (หรือน้ำยาป้าย) เพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนและส่งเสริมการฟอร์มฟิล์มสภาพเฉื่อย (Passive Film) บนพื้นผิวที่สร้างขึ้นใหม่ (เช่น ผ่านการเจียร การกลึง หรือการใช้แรงทางกล)

Image credit: https://weldguru.com/can-you-weld-stainless-to-mild-steel/

การสร้างฟิล์มโดยทั่วไปจะใช้สารละลายหรือน้ำยาป้ายของกรดไนตริก (HNO₃) ซึ่งจะทำความสะอาดพื้นผิวเหล็กกล้าที่ปราศจากสารปนเปื้อนที่เป็นเหล็ก ต้องใช้ความระมัดระวังในการเลือกและใช้วิธีการสร้างฟิล์มเพื่อให้แน่ใจว่าการสร้างฟิล์มที่เลือกจะกำจัดสารปนเปื้อนได้อย่างหมดจด การสร้างฟิล์มจะช่วยในการสร้างฟิล์มออกไซด์สภาพเฉื่อยบนพื้นผิวเหล็กอย่างรวดเร็ว การสร้างฟิล์มมักไม่ส่งผลให้รูปลักษณ์ของพื้นผิวเหล็กเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด

สารละลายที่ใช้ในทั้งการ pickling และ passivation เป็นกรดที่เป็นอันตราย ซึ่งเป็นอันตรายและสร้างความเสียหายต่อทั้งผู้ปฏิบัติงานและสิ่งแวดล้อมได้ หากไม่ได้รับการจัดการอย่างถูกต้อง สารละลายที่ใช้ในการสร้างฟิล์มบนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมมักมีฤทธิ์กัดกร่อนสูงต่อเหล็กกล้าคาร์บอน จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำจัดกรดทั้งหมดออกจากผิวหน้าให้หมดและทั่งถึงโดยการล้างส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการ และเป็นที่ทราบกันดีว่ากรดไฮโดรฟลูออริกที่ตกค้างบนผิวเหล็กกล้าไร้สนิมจะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) ดังนั้นอาจแก้ปัญหาการตกค้างของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนด้วยการทำให้กรดเป็นกลางด้วยด่างก่อนขั้นตอนการล้าง

ข้อกำหนดต่าง ๆ ที่ปรากฏใน ASTM A380 Standard Practice for Cleaning, Descaling and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment and Systems เป็นแหล่งข้อมูลที่สามารถใช้ในการอ้างอิงเพื่อดำเนินการ pickling และ passivation ให้มีประสิทธิภาพที่สุด

ความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมได้รับผลกระทบจากความหยาบของพื้นผิวหลังการขัดมันหรือขัดละเอียด (Polishing) โดยความต้านทานการกัดกร่อนลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความหยาบของพื้นผิวมีค่ามากกว่าค่า R_a ประมาณ 0.5 ไมโครเมตร ค่าความหยาบนี้สอดคล้องกับสภาพพื้นผิวที่เกิดจากการขัดหยาบด้วยกระดาษเบอร์ 320

ทั้งกระบวนการ passivation และ electropolishing สามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของผิวที่ผ่านการขัดมันด้วยแรงทางกล

เปรียบชิ้นงานที่ไม่ผ่านและการการ passivated หลังการทดสอบด้วยหมอกเกลือเป็นเวลา 168 ชั่วโมง

Image credit: https://www.linkedin.com/pulse/passivated-stainless-steel-bearings-168-hour/

ความปลอดภัย

เนื่องจากกระบวนการ pickling และ passivation ใช้กรดแก่ในการปฏิบัติการ ผู้ปฏิบัติงานจึงควรปฏิบัติตามข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยอย่างเข้มงวดดังนี้

หลังการล้างผิวหน้าด้วยกรดต้องทำการชะล้างสารละลายที่ตกค้างในอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องออกให้หมด เพราะหากมีสารลายละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนตกค้างและสัมผัสกับผิวเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นเวลานาน ๆ ก็อาจจะเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) ส่งผลต่อเนื่องให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายตามมาได้

เหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรดมีความต้านทานการกัดกร่อนที่แตกต่างกัน จึงต้องใช้เงื่อนไขเรื่อง contact time ที่ต่างกันออกไป ดังนั้นต้องทำการทดสอบเพื่อหาเงื่อนไขที่เหมาะสมกับเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรด

โดยทั่วไปสามารถใช้น้ำเปล่าที่สะอาดหรือน้ำปลอดประจุในการชะล้างเอาสารละลายตกค้างออกจากผิวชิ้นงานได้ 

เอกสารอ้างอิง

1.  ASTM A380/A380M: Standard Practice for Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment, and Systems

2. Pickling and Passivating Stainless Steel. https://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Euro_Inox/Passivating_Pickling_EN.pdf