การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม (Field Metallography)

ท่านผู้อ่านเคยได้ยินคำว่า การลอกลายโครงสร้างไหมครับ ที่จริงเทคนิคนี้ก็คล้ายๆ กับการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของวัสดุในห้องปฏิบัติการนั่นเอง แต่เทคนิคดังกล่าวไม่ต้องเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนมายังห้องปฏิบัติการ ไม่ต้องทำลายชิ้นงาน ตรวจสอบเสร็จใช้งานต่อได้เลย (ถ้าไม่พบจุดบกพร่งอที่วิกฤติ) เหมาะสำหรับการประเมินโครงสร้างที่ผ่านการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน (Longterm Overheating) รายละเอียดจะเป็นอย่างไร มาติดตามกันได้เลยครับ....................

การวิเคราะห์ลักษณะและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม (Field Metallography) หรือ การลอกลาย (Replication) เทคนิคดังกล่าวเป็นการตรวจสอบและประเมินแบบไม่ทำลาย (NDE) โดยใช้ในการศึกษาและวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างต่าง ๆ ที่ปรากฏของวัสดุจำพวกโลหะและโลหะผสม เป็นเทคนิคที่สามารถตรวจสอบที่หน้างาน โดยไม่ต้องเคลื่อนย้ายวัสดุหรือชิ้นส่วนที่ทำการตรวจสอบ แต่บางครั้งอาจจะมีการเคลื่อนย้ายออกมาจากบริเวณที่ติดตั้ง เพื่อความสะดวกและปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน


การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ได้มีหลายประเทศกำหนดเป็นมาตรฐานการทดสอบ เช่น ASTM E1351 ของสหรัฐอเมริกา และ DIN 54-150 ของเยอรมนี เป็นต้น ซึ่งมีการนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ มากมาย โดยเฉพาะการประเมินการเสียหายหรือการประเมินอายุการใช้งานที่เหลือของชิ้นงาน ยกตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของท่อที่สัมผัสกับไอน้ำอุณหภูมิสูง (540 C) ถ้าวัสดุเกิดช่องว่างจากการคืบ (Creep Void) และช่องว่างเหล่านั้นมีการเชื่อมต่อกันตามขอบเกรน จะทำให้กลายเป็นจุดเริ่มต้นการแตกร้าวได้ จุดบกพร่องของวัสดุต่าง ๆ ถ้าตรวจพบในระยะเริ่มต้นของการเกิด ก็สามารถป้องกันการเสียหายที่รุนแรงได้ นอกจากนั้นยังใช้ตรวจสอบการเกิดเกรนหยาบของคาร์ไบด์ (Carbide Coarsening) ในเหล็กกล้าผสมต่ำ และการเกิดเพิรไลต์ก้อนกลม (Spheroidization of Pearlite) ในเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง สำหรับการใช้งานเหล็กกล้าคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงเกิน 425 C จะทำให้เกิดการสลายตัวของคาร์ไบด์ (Graphitized) ได้ โดยซีเมนไตท์ (Cementite) จะสลายตัวเป็นกราไฟต์และเหล็ก (Graphite & Iron) ปริมาณกราไฟต์ที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงลดลงตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้นและในที่สุดก็จะเกิดการเสียหาย

สำหรับนักวิเคราะห์การสึกหรอของวัสดุ การศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม เป็นเทคนิคที่มีประโยชน์อย่างมาก เพื่อใช้ในการตรวจสอบหากลไกของการสึกหรอ ยกตัวอย่างเช่น การสึกหรอจากการถูครูด (Fretting Fatigue) และการสึกหรอจากการเสียดสี โดยมีผลของอุณหภูมิมาเกี่ยวข้อง

บทความที่จะนำเสนอต่อไปนี้ จะกล่าวถึงข้อมูลเชิงปฏิบัติการ ได้แก่การนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ข้อดีและข้อเสียของการนำเทคนิคนี้ไปใช้ การวางแผนเพื่อการตรวจสอบและขั้นตอนต่าง ๆ ของกระบวนการ ดังรายละเอียดต่อไปนี้

การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม เป็นเครื่องมือที่มีความสำคัญ และนิยมใช้กันทั่วโลก จึงมีการนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ดังนี้

1. ตรวจสอบการเสื่อมสภาพของวัสดุที่มีโอกาสเกิดการเสียหายจากการล้าตัว (Fatigue

Failure) ซึ่งสามารถตรวจสอบหารอยร้าวที่มีขนาดเล็กถึง 10 ไมครอน

2. ตรวจสอบการเสียหายของวัสดุเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น การคืบ การเปราะของเหล็กหล่อ การขยายตัวของเกรน การเกิดคาร์ไบด์ การเพิ่มและการสูญเสียคาร์บอนที่ผิวหน้าชิ้นงาน

3. ใช้ในการตรวจสอบหารูปแบบของรอยแตก เช่น รอยแตกจากการล้าตัว รับแรงเกินพิกัด และการแตกร้าวเนื่องจากผลของความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน หรือตรวจสอบว่ารอยแตกเป็นแบบผ่าเกรนหรือตามขอบเกรน

4. ใช้ในการตรวจสอบขนาดและทิศทางการเรียงตัวของเกรน

5. ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของโลหะที่ผ่านกระบวนการทางความร้อน เช่น การอบอ่อน การชุบและอบคลายความเค้น เป็นต้น

6. ตรวจสอบชนิดของเหล็กหล่อและเหล็กกล้า (ดูจากภาพถ่าย)

7. ตรวจสอบรูปแบบโครงสร้างที่ปรากฏขึ้นใหม่ในโลหะผสมสูง เช่น ซิกมาและแกมม่า เป็นต้น

ตัวอย่างที่กล่าวมาข้างต้นนี้เป็นแค่ส่วนหนึ่งของการประยุกต์ใช้งานของการวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ซึ่งยังไม่ครอบคลุม ดังนั้นเทคนิคดังกล่าวจึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานต่าง ๆ ได้อย่างหลากหลายตามความเหมาะสม

ข้อดี

1. เป็นเทคนิคที่ใช้อุปกรณ์และเครื่องมือแบบพกพา เคลื่อนย้ายได้สะดวก

2. การเตรียมผิวหน้าและการลอกลายที่ดี จะทำให้ปรากฏโครงสร้างจุลภาคที่มีความคมชัด

3. เป็นเทคนิคการตรวจสอบที่ไม่ทำลายชิ้นงาน (มีการสูญเสียเนื้อวัสดุที่ผิวหน้าเพียงเล็กน้อย)

4. สามารถตรวจสอบบนผิวหน้าชิ้นงานที่โค้งและเรียบได้

5. พื้นผิวโลหะที่ผ่านการตรวจสอบด้วยเทคนิคดังกล่าว สามารถตรวจสอบซ้ำได้ เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุตั้งแต่เริ่มใช้งานจนถึงเวลาที่เหมาะสมต่อการตรวจสอบ เช่น ปีละ 1 ครั้ง เป็นต้น

6. ข้อมูลที่ได้จากการตรวจสอบสามารถบันทึกเป็นประวัติของวัสดุและใช้ในการวางแผนเพื่อซ่อมบำรุงหรือใช้ประโยชน์อื่น ๆ ได้

7. สามารถใช้ตรวจสอบได้กับวัสดุหลายชนิด โดยเฉพาะโลหะ

8. สามารถใช้ในการยืนยันการตรวจสอบด้วยเทคนิคอื่น เช่น การตรวจสอบด้วยคลื่นความถี่สูง (UT) การตรวจสอบด้วยสารแทรกซึม (PT) และการตรวจสอบด้วยผงแม่เหล็ก (MT) เป็นต้น

ขั้นตอนการเตรียมตัวอย่าง (Specimen Preparation)

อันดับแรกต้องพิจารณาตำแหน่งที่จะทดสอบว่ามีสภาพผิวหน้าเป็นอย่างไร ถ้าชิ้นงานมีคราบน้ำมัน จารบี หรือสี ปกคลุม ต้องกำจัดออกด้วยตัวทำละลายที่เหมาะสม ส่วนสนิมและการกัดกร่อนควรมีการกำจัดออกในระดับความลึกที่เหมาะสมตามสภาพที่เกิดขึ้น ขั้นตอนคร่าวๆ ของกระบวนการเตรียมตัวอย่างประกอบด้วย

1. เลือกตำแหน่งที่จะทดสอบ (ภาพที่ 1) และเจียรผิวหน้าและกำจัดผงฝุ่นด้วยกระป๋องอัดลม

ภาพที่ 1 ท่อและตำแหน่งที่ทดสอบ

2. ขัดผิวหน้าแบบหยาบ (Grinding) ด้วยกระดาษทรายจากเบอร์หยาบไปยังเบอร์ละเอียด โดยกระดาษทรายจะติดตั้งอยู่กับจานขัดของเครื่องขัดมือถือ (Handheld Grinding) ทั้งนี้การเลือกใช้กระดาษทรายเบอร์ที่เหมาะสม จะพิจารณาจากสภาพผิวที่ปรากฏของตำแหน่งที่ทดสอบ เช่น ชิ้นงานที่มีผิวหยาบมาก จะเริ่มต้นขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ 120 แต่ถ้าชิ้นงานมีผิวหน้าค่อนข้างเรียบ จะเริ่มต้นขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ 240 เป็นต้น สิ่งควรจำสำหรับการขัดหยาบ คือ เมื่อจะทำการเปลี่ยนกระดาษทรายไปยังเบอร์ละเอียดขึ้น จะต้องเปลี่ยนทิศทางของแนวขัด คือ ขัดในแนวทำมุม 90 องศา กับแนวแรก และทำสลับกันไปจนกว่าจะเข้าสู่กระบวนการขัดละเอียด (Polishing) การขัดหยาบและอุปกรณ์แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การขัดหยาบ (Grinding)

3. ล้างผิวหน้าที่ผ่านการขัดหยาบด้วยน้ำให้สะอาด เพื่อกำจัดเศษผงฝุ่น

4. ขัดละเอียด มี 2 แบบ คือ การขัดละเอียดด้วยมือ (Manual Polishing) และขัดละเอียดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Polishing)

a. การขัดละเอียดด้วยมือ (Manual Polishing) โดยการเทผงขัดเพชรลงบนผิวหน้าที่ผ่านการขัดละเอียดในปริมาณที่เหมาะสม ผงขัดเพชรที่ใช้อาจเป็นชนิดแท่ง หรือชนิดเหลวก็ได้ แล้วขัดผิวหน้าด้วยเครื่องขัดแบบมือถือ ที่มีการติดตั้งผ้าขัดหรือผ้าสักหลาด การขัดหยาบครั้งแรก ต้องเริ่มในขัดในทิศทางทำมุม 90 องศากับแนวการขัดหยาบสุดท้าย และมีการเปลี่ยนมุมการขัดดังกล่าวทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนขนาดของผงขัด โดยส่วนใหญ่ผงขัดเพชรที่เลือกใช้จะเริ่มจากขนาด 6 ไมครอน 3 ไมครอน และ 1 ไมครอน การขัดละเอียดและเครื่องมือแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 การขัดละเอียด (Polishing)

b. การขัดละเอียดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Polishing) ส่วนใหญ่จะเลือกใช้กับวัสดุที่เตรียมผิวค่อนข้างยาก และใช้เวลานาน โดยเฉพาะกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) และโลหะนิกเกิลผสม (Nickel Alloy) วิธีดังกล่าวจะใช้เวลาน้อยมาก เช่นประมาณ 15 วินาที ซึ่งเมื่อเทียบกับการขัดละเอียดด้วยมือ จะใช้เวลาประมาณ 10 ถึง 20 นาที

5. ตรวจสอบการสะท้อนแสงของบริเวณที่ขัดด้วยกระจกสะท้อนแสง เพื่อตรวจสอบหาร่องรอยขีดข่วนที่หลงเหลือจากการขัด และเพื่อกำจัดรอยขีดข่วนออก

6. ทำการกัดกรดที่ผิวหน้าชิ้นงาน (Etching) ด้วยสารละลายที่เหมาะสม ซึ่งอาจกัดกรดด้วยวิธีธรรมดาหรือใช้ไฟฟ้าช่วย

a. การกัดกรดด้วยมือ (Manual Etching) จะใช้เหล็กคีบสำลีจุ่มในสารละลายกรดที่เหมาะสมกับโลหะนั้นๆ แล้วทาหรือกวาดบนผิวหน้าชิ้นงานที่ผ่านการขัดละเอียดด้วยเวลาที่เหมาะสม จากนั้นล้างให้สะอาด แล้วทำการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพา ถ้าพบว่าขอบเกรนที่ปรากฏยังไม่ชัดเจน ให้ทำการกัดกรดซ้ำ จนกว่าจะเห็นขอบเกรนชัดเจน (Deep Etch) ซึ่งจะได้ตัวอย่างแผ่นลอกลายที่มีคุณภาพสูง

b. การกัดกรดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Etching) เป็นการประยุกต์ใช้ศาสตร์ของเคมีไฟฟ้า (Electrochemical) เพื่อให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน หรือดึงอิเล็กตรอนตามขอบเกรนออกมา รายละเอียดจะไม่ขอกล่าวในที่นี้ (ท่านใดที่สนใจ กรุณาหาอ่านเพิ่มเติมได้ในหนังสือ ASM Handbook Volume 9 “Metallography and Microstructures”)

7. ล้างสารละลายกรดออกจากผิวหน้า เพื่อป้องกันการทำปฏิกิริยากับวัสดุและแผ่นฟิล์ม

8. ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพาตรวจสอบที่ผิวชิ้นงาน (ภาพที่ 4) เพื่อตรวจสอบว่าได้โครงสร้างที่สามารถนำไปประเมินผลได้

ภาพที่ 4 การตรวจสอบโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง

9. ทำการลอกลายด้วยวัสดุลอกลายที่เตรียมไว้ เช่นอาจใช้แผ่นฟิล์มอะซิเตต (Acitate Film) หรือ ใช้ยางซิลิโคน (Silicone Rubber) ตัวอย่างการลอกลายด้วยแผ่นฟิล์มอะซิเตตแสดงในภาพที่ 5 ลักษณะจุดบกพร่องของวัสดุที่ปรากฏในแผ่นฟิล์มแสดงในภาพที่ 6 คือ ถ้าเป็นคาร์ไบด์จะปรากฏรอยยุบตัวบนแผ่นฟิล์ม แต่ถ้าเป็นรอยแตกร้าว จะปรากฏเป็นรอยนูนบนแผ่นฟิล์ม

ภาพที่ 5 การลอกลายด้วยแผ่นฟิล์มอะซิเตต

ภาพที่ 6 ลักษณะที่ปรากฏบนแผ่นลอกลาย

10. นำแผ่นฟิล์มหรือตัวอย่างที่ได้จากการลอกลายไปตรวจสอบในห้องปฏิบัติการ ถ้าต้องการความคมชัดของโครงสร้างเหมือนที่ปรากฏจากชิ้นงานจริง ควรนำแผ่นลอกลายชนิดแผ่นฟิล์มอะซิเตต ไปเคลือบด้วยคาร์บอน หรือทองคำ หรือทาด้านหลังของแผ่นฟิล์มด้วยปากกาสีดำ แต่วิธีการที่ให้ความคมชัดของโครงสร้างเหมือนที่ปรากฏในชิ้นงานจริงมากที่สุด คือ การเคลือบด้วยทองคำ ซึ่งมีข้อเสีย คือราคาแพง ลักษณะของโครงสร้างที่ได้จากการลอกลายแสดงในภาพที่ 7

ภาพที่ 7 โครงสร้างจุลภาคที่ได้จากการลอกลาย (ถ่ายภาพจากแผ่นฟิล์มลอกลาย)

11. นำลักษณะที่ปรากฏขององค์ประกอบและโครงสร้างที่ได้จากการตรวจสอบไปใช้ประโยชน์ หรือประเมินผลตามหลักวิชาการต่อไป ยกตัวอย่าง เช่น การนำไปประเมินการคืบของวัสดุดังภาพที่ 8 จากรูปถ้าโครงสร้างวัสดุตกอยู่ในช่วง C คือวัสดุเกิดรอยร้าวขนาดเล็ก (Microcrack) จากการเชื่อมรวมกันของช่งว่าง (Void หรือ Cavity) เราควรจะหยุดใช้งานทันทีแล้วทำการซ่อมบำรุงหรือเปลี่ยน เป็นต้น

ภาพที่ 8 กราฟสำหรับประเมินสภาพการคืบของวัสดุซึ่งพิจารณาจากโครงสร้างที่ปรากฏ

การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ที่ทางทีมงานของห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ความเสียหายและการกัดกร่อนของวัสดุ (FAMC) ได้ออกปฏิบัติการและให้บริการแก่ภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่ผ่านมานั้น เราเลือกใช้มาตรฐาน ASTM E 1351 “ The Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas” ซึ่งเราพบว่าการประเมินโครงสร้างของวัสดุที่หน้างานสามารถประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก โดยเฉพาะในช่วงระหว่างการหยุดเพื่อซ่อมบำรุง (Shutdown Period) ผลที่ได้จากการตรวจสอบสามารถนำเสนอที่หน้างานให้พนักงานที่เกี่ยวข้องในระหว่างการตรวจสอบได้เลย ซึ่งถ้าผลการตรวจสอบพบว่ามีการเสียหายอย่างรุนแรง ก็สามารถพิจารณาถอดเปลี่ยนหรือซ่อมบำรุงชิ้นส่วนดังกล่าวได้อย่างรวดเร็ว ทั้งนี้ผู้ที่ทำการตรวจสอบและวิเคราะห์ต้องมีความรู้ และประสบการณ์มากพอในการที่จะพิจารณาให้กระทำขั้นตอนต่อไปหลังการตรวจสอบ

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การคืบ (Creep)

cr : https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103601

เมื่อชิ้นส่วนโลหะถูกนำมาใช้งานภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงในขณะเดียวกันก็รับความเค้นแรงดึงไปด้วย อาจเกิดการเสียรูปอย่างถาวรตามเวลาภายใต้ภาระ (Time-dependent Deformation Under Load) แม้ว่าจะต่ำกว่าค่า elastic yield stress ของโลหะนั้น ๆ ก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการคืบ (Creep Damage) และอาจส่งผลให้วัสดุเกิดการเสื่อมสภาพซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายในที่สุด

การคืบเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับเวลา เมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับแรงเค้นจนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด (Dimensional Change) นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยการคืบหรือการเปลี่ยนแปลงขนาดจะเกิดขึ้นเมื่อวัสดุได้รับความเค้นมากระทำและอุณหภูมิการใช้งานสูงขึ้น วัสดุจะเกิดการเสียหายจากการคืบเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดจนไม่สามารถใช้งานได้ตามหน้าที่ที่ออกแบบไว้ การยืดตัวหรือการคืบที่มากเพียงพอสามารถทำให้เกิดการแตกหักได้ หรือที่ทราบกันดี คือ การแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) ตัวอย่างชิ้นงานที่ใช้งานในโรงงานผลิตกระดาษเกิดความเสียหายจากการคืบแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ความเสียหายท่อสามทางลำเลียงไอน้ำเกิดการคืบ (Creep) จากการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน

ระยะแรกของความเสียหายจากการคืบเกิดขึ้นเมื่อความเค้นที่อุณหภูมิสูงจะกระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของช่องว่าง (Void Formation) ที่ทางสามแพร่งของขอบเขตเกรน (Grain Boundary Triple Points) ดังรูปที่ 2 เมื่อเวลาผ่านไป ช่องว่างเหล่านี้อาจขยายมารวมและต่อเนื่องกันใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นรอยร้าวเล็กๆ (Micro-crack) เป็นรอยแตกร้าวขนาดใหญ่ (Micro-crack) ดังรูปที่ 3 และแตกหักจากกัน (Creep Rupture) ในที่สุด ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวงตามมาได้

รูปที่ 2 ช่องว่างตามขอบเกรนที่เกิดจากการคืบในเหล็กกล้า 0.5CrMoV (P11) ใช้งานที่ 568 C เป็นเวลา 22.5 ปี (

Conference: Metal 2013

At: Brno, Czech Republic)

รูปที่ 3 ช่องว่างลิงค์รวมกันกลายเป็นรอยร้าวเล็ก ๆ (

DOI: 

10.1016/j.jmst.2016.02.014

)

เป็นที่น่าสังเกตว่าการเสียรูปในภาพรวมที่เกิดจากการรับดึงเกินพิกัด (Tensile Overloading) นั้นจะไม่สามารถตรวจพบในความเสียหายจากการคืบ

ลักษณะหรือสัณฐานวิทยาของ creep damage จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระยะของการเสื่อมสภาพในวัสดุ โดยในระยะเริ่มแรก ช่องว่างของการคืบ (Creep Voids) มักจะปรากฏขึ้นที่ขอบเขตเกรน และสามารถระบุได้ผ่านการตรวจสอบทางโลหะวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เท่านั้น เมื่อความเสียหายดำเนินไป ช่องว่างจะเติบโตเป็นรอยร้าวขนาดเล็กและกลายเป็นรอยแตกในที่สุด เมื่อรอยแยกทอดยาวตลอดตามขอบเกรน เราสามารถสังเกตหรือตรวจสอบได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง

ที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดเกณฑ์มาก ๆ อาจสังเกตเห็นการเสียรูปได้อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น ท่อทำความร้อนอาจได้รับความเสียหายจากการคืบจากการใช้งานมาเป็นเวลานาน และเกิด bulging before rupture ที่สามารถวัดได้อย่างชัดเจนก่อนที่จะเกิดการแตกหักออกจากกัน ปริมาณของการเสียรูปก่อนแตกหักขึ้นอยู่กับวัสดุและปัจจัยร่วมกันระหว่างอุณหภูมิและระดับความเค้น

ในภาชนะรับแรงดันและท่อ การแตกร้าวจากการคืบสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิของโลหะสูงๆ และความเข้มข้นของความเค้น เช่น ใกล้บริเวณแนวความไม่ต่อเนื่องของวัสดุ ได้แก่ ข้อต่อสามทางของท่อและ vessel nozzles รวมถึงที่ข้อบกพร่องในการเชื่อม

วัสดุที่ใช้งานในสภาวะที่มีความร้อนสูงมักทำให้เกิดการคืบได้ในช่วงอุณหภูมิต่างๆ ยกตัวอย่าง เช่น วัสดุจำพวก Nickel-based Super Alloy จะมีความไวต่อการคืบที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000 ถึง 1200 C) ในขณะที่วัสดุจำพวกโพลิเมอร์หรือตะกั่วบัดกรีมีความไวต่อการคืบที่ช่วงอุณหภูมิต่ำ (ประมาณ 25 C) โดยทั่วไปการคืบจะเกิดเมื่อวัสดุใช้งานในช่วงอุณหภูมิมากกว่า 0.3 เท่าของจุดหลอมเหลวของวัสดุ (0.3Tm) โดยเฉพาะที่ 0.5 Tm เป็นช่วงที่ต้องระวังเรื่องการคืบตัวของวัสดุเป็นพิเศษ

การคืบสามารถเกิดขึ้นได้ในวัสดุที่เป็นเซรามิกส์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 0.4 ถึง 0.5 Tm แม้ว่าจะมากกว่าที่เกิดขึ้นกับโลหะและพอลิเมอร์ทั่วไป แต่เซรามิกส์มีค่าความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยการคืบค่อนข้างสูง ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากลักษณะจำเพาะที่มีอุณหภูมิของจุดหลอมเหลวสูง อย่างไรก็ตามเซรามิกส์ที่สามารถใช้งานในช่วงอุณหภูมิสูงๆ ได้ ก็มีโอกาสที่จะเกิดการเสียหายโดยการคืบได้เช่นกัน

เพื่อป้องกันการเสียหายที่เกิดจากการคืบ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะทราบสภาวะการใช้งานของระบบเมื่อจะทำการเลือกวัสดุเพื่อใช้งาน การคืบมักเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาที่เกิดขึ้นกับใบพัดกังหันไอน้ำที่มีการใช้งานใสภาวะมีแรงเค้นกระทำและอุณหภูมิค่อนข้างสูง จากเงื่อนไขดังกล่าวจึงต้องเลือกใช้วัสดุที่มีจุดหลอมตัวสูง นอกจากนั้นยังจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบคุณภาพของวัสดุหลังการประกอบและผลิต เพื่อลดปัญหาจุดบกพร่องของวัสดุ (Material Defects) และช่องว่าง (Void) ที่เกิดขึ้นภายใน

References:

• API ANSI/API RECOMMENDED PRACTICE 571 THIRD EDITION, MARCH 2020
• Microstructure and Creep Strength of Welds in Advanced Ferritic Power Plant Steels https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/papers/Abe.pdf
• Failure Analysis of Abnormal Bulging and Cracking for High-Pressure Steam Pipe https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-022-06799-0
• Creep-fatigue damage mechanisms and life prediction based on crystal plasticity combined with grain boundary cavity model in a nickel-based superalloy at 650°Chttps://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103601
• Effect of temperature variation on the long-term strength of steels
  Trans. ASME, 74 (1952), pp. 777-780

อย่าขันแน่นเกินไป (Do not overtightening)

หลายท่านคงเคยได้ยินข่าวที่รถยนต์วิ่งไปอยู่ดีๆ แล้วเกิดล้อหลุดและวิ่งแซงหน้ารถไปดังภาพที่ 1 ด้านล่าง โชคดีที่เป็นรถแข่ง ที่มีความปลอดภัยสูงและคนขับที่มีทักษะที่ดีกว่าพวกเรา

ภาพที่ 1 ล้อรถหลุด

วันนี้จึงอยากนำเสนอผลของการขันน๊อตรถยนต์แน่นเกินไป

ถ้าท่านผู้อ่านเคยขับรถไปแถวชนบทหรือนอกเมือง มักจะเห็นอยู่บ่อยๆว่า อู่ซ่อมรถยนต์ เวลาเขาขันน๊อตมักใช้เท้าเหยียบ (กลัวไม่แน่นพอ) ดังภาพที่ 2 ตอนขันออกคงไม่เป็นไรมาก แต่ตอนขันเข้าสิ อันตราย เพราะอะไรครับ.....

ภาพที่ 2 การขันน๊อตที่ไม่สามารถกำหนดค่าทอร์คได้

ก็เพราะว่าค่าทอร์คตอนขันเข้ามักจะเกินข้อกำหนด ส่งผลให้บริเวณร่องเกลียวที่สัมผัสกันมีความเค้นตกค้างสูงดังภาพที่ 3 เป็นที่ทราบกันดีว่า ความเค้นตกค้างสูงจะส่งผลให้วัสดุเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายกว่าบริเวณอื่น นอกจากนี้ยังอาจส่งผลให้เกิดรอยร้าวเล็กๆ ในร่องเกลียว

ภาพที่ 3 แรงเค้นจะสูงในบริเวณร่องเกลียว

ถ้าคุณไปขับรถหรือใช้งานในบริเวณที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง เช่น แถวชายฝั่งทะเลที่มีไอเกลือ (NaCl) สูง คุณอาจจะเจอปัญหาล้อหลุดวิ่งแซงรถออกไป ก็เป็นได้ นั่นก็คืออาจเกิดความเสียหายด้วยกลไกการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking)

ดังนั้นวิธีการที่ดีควรขันน๊อตด้วยค่าทอร์คตามข้อกำหนด เช่นภาพที่ 4 ซึ่งเป็นอุปกรณ์ขันน๊อตที่สามารถตั้งค่าทอร์คได้ การขับขี่ก็ปลอดภัยมากยิ่งขึ้น

ภาพที่ 4 การขันน๊อตด้วยเครื่องมือที่ได้มาตรฐานและสามารถกำหนดค่าทอร์คได้

 

เล็กๆ น้อยๆ อย่ามองข้ามนะครับ..............................

มูลค่าความสูญเสียจากการกัดกร่อน (Costs of Corrosion)

ทื่อยากนำเสนอหัวข้อนี้ก็เพราะว่า มันมีมูลค่ามากกว่า % ที่รัฐมอบให้เพื่องานวิจัยและพัฒนาของประเทศ มากกว่าเท่าไร เราลองมาดูกัน...........................

การกัดกร่อนของวัสดุ เป็นปัญหาหนึ่งที่เกิดขึ้นเสมอและสามารถพบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน เมื่อเกิดขึ้นแล้วทำให้มีผลกระทบต่อด้านเศรษฐกิจ สังคม และสิ่งแวดล้อม บางครั้งยังทำให้มีการสูญเสียชีวิต อันเป็นผลมาจากสาเหตุมากมายหลายประการ เช่น การขาดความรู้พื้นฐานของศาสตร์ด้านการกัดกร่อน ขาดความรู้ความเข้าใจอย่างถูกต้องในการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมในสภาวะสิ่งแวดล้อมนั้นๆ มีการบำรุงรักษาและการป้องกันที่ไม่ถูกต้องและเหมาะสม นอกจากนั้นยังพบว่า เมื่อเกิดปัญหาแล้วไม่ได้ทำการตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุที่แท้จริง เป็นต้น

ถ้าพิจารณากันจริงๆ แล้ว การกัดกร่อน เป็นเรื่องของธรรมชาติ คือ วัสดุต้องมีการเสื่อมสลายในที่สุด (จากกฏไตรลักษณ์ : เกิดขึ้น ตั้งอยู่ และดับไป) แต่เป็นกระบวนการที่ควบคุมได้ (Controllable Process)

จากข้อมูลที่ได้มีการสำรวจในประเทศที่พัฒนาแล้ว เช่น สหรัฐอเมริกา พบว่ามีการสูญเสียงบประมาณ (direct cost) ที่เกิดจากการกัดกร่อนประมาณ 3.1 % GDP โดยจากการสำรวจในปี ค.ศ. 1999-2001 และรายงานในปี  2002  คิดเป็นเงิน ~276 พันล้านเหรียญสหรัฐ หรือคิดเป็นเงินไทยประมาณ 10 ล้านล้านบาท ซึ่งยังไม่นับความสูญเสียทางอ้อมซึ่งมีค่าอีกเท่าตัว รวมกันก็ประมาณ 6%GDP (ข้อมูลเพิ่มเติม http://www.corrosioncost.com/home.html หรือดาวน์โหลดเอกสารได้ที่ http://events.nace.org/publicaffairs/images_cocorr/ccsupp.pdf) และประเทศที่กำลังพัฒนา น่าจะมีการสูญเสียงบประมาณที่เกิดจากกัดกร่อนประมาณ 3-5% GDP สำหรับประเทศไทยนั้น ในปี 2008 มี GDP~$280 Billion ดังนั้น เราน่าจะมี costs จาก corrosion ประมาณ B285 Billion ถ้าคิดแค่ 3%GDP แต่ในความเป็นจริงแล้ว ประเทศเราน่าจะอยู่ในช่วง 5-10% โดยถ้าคิดที่ 5% เราต้องสูญงบประมาณที่เกิดจากการกัดกร่อนมากถึง 500,000 ล้านบาท เยอะไหมครับท่านผู้อ่าน (รัฐให้งบประมาณในการวิจัยและพัฒนาไม่ถึง 1%)

ดังนั้นในประเทศไทย จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง ที่จะต้องส่งเสริมและเผยแพร่ความรู้ศาสตร์ด้านการกัดกร่อนของวัสดุ เพื่อให้ประชาชนมีความรู้ความเข้าใจอย่างถูกต้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโรงงานอุตสาหกรรมที่มีการใช้วัสดุที่มีมูลค่าสูงๆ เช่น อุตสาหกรรมปิโตรเคมี โรงไฟฟ้า ชิ้นส่วนยานยนต์ และกระดาษ เป็นต้น เมื่อผู้ที่เกี่ยวข้องมีความรู้ ความเข้าใจในศาสตร์ของการกัดกร่อนของวัสดุแล้ว จะสามารถนำความรู้เหล่านั้นไปใช้ในการป้องการเสียหายจากการกัด-กร่อนในรูปแบบต่างๆ ได้ ไม่ว่าจะเป็นการเลือกวัสดุที่เหมาะสม การบำรุงรักษาที่ถูกต้อง การวิเคราะห์หาสาเหตุที่เกิดขึ้น เป็นต้น ซึ่งจะทำให้เกิดการคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ลดมลพิษทางสิ่งแวดล้อม และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะโรงงานปิโตรเคมี

ในการที่จะประยุกต์ใช้วิศวกรรมการกัดกร่อนได้อย่างถูกต้องนั้น จะต้องมีความรู้เกี่ยวการกัดกร่อนเป็นอย่างดี ทั้งในด้านทฤษฎีและภาคปฏิบัติ อาทิเช่น ความรู้ทางด้านโลหะวิทยา เคมีไฟฟ้า การทดสอบและการเฝ้าระวัง เทคนิคในการป้องกันด้วยวิธีต่างๆ รูปแบบการกัดกร่อน และการวิเคราะห์หาสาเหตุ เป็นต้น

AWS-CWI Seminar/Exam - December 2010 Events - TGI-THAILAND

เพื่อนฝากข่าวให้ช่วยประชาสัมพันธ์ ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

Dear Alls,


On behalf of Thai-German Institute(TGI).
By Association TGI / DASH Agency of AWS
We would like to inform you that AWS CWI (QC 1) seminar with exam at TGI –Thailand the detail as following ;

The certificate comply with ASME,AWS,API standard.
For your attention this event schedule will be December 20-26, 2010
1.Seminar / Exam fee
1.1 70000 exclude Vat 7% for fresh candidates.
1.2 30000 exclude Vat 7% for re-exam candidates per part.
1.3 60000 exclude Vat 7% for bridging CSWIP to AWS CWI, Examination only part B.

Payment by : Cheque , Cash, Credit Card.

2. Seminar with exam at TGI-Thailand on December 20 – 26 ,2010
3. Seminar Part C will conduct in AWS D1.1 code .Please note that you could be exam aother code as per application form.
4. Closing date November 20 th , 2010
5.The maximum candidates is 30 peoples.

Any candidates to be submission the following;

1. Fill up the application as enclosed to us.
2. CV, statement experiences, any current or previous certificates.
3.Your photo 2 inch size with ID is required.

Certification
The candidate who pass 72 % exam will got AWS CWI certificate,wallet card,stamp .
The candidate who pass 60 % exam will got AWS CAWI certificate,wallet card.

In additional, We open course tutorial for CWI every Saturday evening at Ban-Chang Rayong will start on JUNE 26 ,2010.The pricing is 33000.

This course will help you to got best result.The application as enclosed.
We could be give you the very special price for Examination when you attend this tutorial course.

You could be see picture of the last event on Dec 29,2009 at http://www.dpengtrain.com
If you need more detail or any consultant please feel free to contact us.

Please review / confirm.

Thousand Thanks.

B Regards,

Phittaya T.

ASNT III 126594
TGI&DP Engineering
NDE/WELDING Course Director
Mobile 081 4827376
……………………………………………………………….
THAI-GERMAN INSTITUTE
700/1 Moo.1 KLONG TAMRU
MUANG CHONBURI 20000
TEL.02-7846666
FAX.02-7846695
http://www.tgi.or.th/

.........................................................

การกัดกร่อนในที่อับ (Crevice Corrosion)

เชิญทุกท่านมาเรียนรู้การกัดกร่อนเฉพาะที่อีกรูปแบบหนึ่ง คือ การกัดกร่อนในที่อับ ซึ่งจะมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

รูปที่ 1 ภาพจำลองแสดงบริเวณที่มักเกิดการกัดกร่อนที่อับ

การกัดร่อนในที่อับ เป็นรูปแบบการกัดกร่อนในที่อับเกิดขึ้นในพื้นที่อับบนผิวโลหะที่สัมผัสโดยตรงกับสารกัดกร่อนดังแสดงภาพจำลองในรูปที่ 1 การกัดกร่อนประเภทนี้เกี่ยวข้องกับปริมาณของสารละลายที่ค้างอยู่ตามพื้นที่ที่เป็นหลุมหรือซอก บริเวณแคบๆที่มีสารละลายเข้าไปขังอยู่ได้เป็นเวลานานโดยไม่มีการถ่ายเท ทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในน้ำหรือสารละลายภายในซอกไม่เท่ากับภายนอก ส่งผลให้เกิดสภาวะการครบเซลการกัดกร่อนชนิดเซลความเข้มข้น (Concentration Cell) โดยในซอกจะเกิดเป็นขั้วอาโนดคือเกิดการสูญเสียวัสดุ ซึ่งมีกลไกดังแสดงในรูปที่ 2 ในขณะที่ตัวอย่างชิ้นส่วนที่เสียหายด้วยกลไกดังกล่าวแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 ภาพจำลองแสดงกลไกการกัดกร่อนในที่อับ

รูปที่ 3 ตัวอย่างชิ้นส่วนหน้าแปลนที่เกิดการกัดกร่อนในที่อับอากาศ

การสัมผัสระหว่างผิวโลหะและผิวที่ไม่ใช่โลหะสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนในที่อับได้เช่นกัน เช่น ปะเก็นรอยต่อระหว่างยางกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่จุ่มอยู่ในน้ำทะเล

เนื่องจากสารละลายที่ขังอยู่มีปริมาณจำกัดและหยุดนิ่ง ทำให้ออกซิเจนที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาคาโธดิกลดจำนวนลดลงเรื่อยๆ จนหมด แต่ปฏิกิริยาอาโนดิกยังดำเนินอยู่ จึงทำให้ความเข้มข้นของประจุบวกสูง ดังนั้นเพื่อรักษาสมดุลของประจุไว้ ถ้ามีสารเจือปนโดยเฉพาะคลอรีน ประจุลบของคลอรีนจะเคลื่อนที่เข้ามาในรอยแตกหรือช่องว่างและทำปฏิกิริยากับน้ำเกิดเป็นโลหะไฮดรอกไซด์และกรดไฮโดรคลอริก กรดนี้จะกัดผิวของโลหะออกมาทีละน้อย ส่งผลให้รอยแตกและรอยร้าวขยายตัวไปเรื่อยๆ โดยตัวแปรที่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนที่อับของโลหะผสมชนิดต่างๆ แสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 ตารางแสดงปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมชนิดต่างๆ

รูปที่ 5 Corrosion resulting from metal-ion concentration

รูปที่ 6 Corrosion resulting from oxygen concentration

การป้องกัน

1. ใช้การเชื่อมแบบต่อชน (Butt Joint) แทนการย้ำหมุดหรือการยึดด้วยสลักเกลียว

2. ปิดบริเวณที่เป็นที่อับโดยการเชื่อมหรือการบัดกรี

3. ออกแบบถังความดันให้สามารถระบายน้ำได้ดี โดยพยายามหลีกเลี่ยงรูปร่างที่เป็นซอกหรือมุม

4. ตรวจสอบเครื่องมือและสารแปลกปลอมอยู่เสมอ

5. กรองหรือกำจัดอนุภาคของแข็งที่เจือปนอยู่ในสารละลายก่อนเข้ากระบวนการผลิต

6. กำจัดวัสดุเปียกหรือสารละลายที่ตกค้างอยู่ในอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนในระหว่างการหยุดซ่อมประจำปี

7. ควบคุมสภาวะสิ่งแวดล้อมในอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนให้มีความสม่ำเสมอ

8. ใช้ปะเก็นที่เป็นของแข็งและไม่มีการดูดซึม

9. ใช้การเชื่อมแทนการม้วนเป็นท่อ

สำหรับการควบคุมและป้องกันการกัดกร่อนในที่อับของวัสดุระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมต้านทานการกัดกร่อนแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ตารางแสดงแนวทางป้องกันการกัดกร่อนในที่อับระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมต้านทานการกัดกร่อน

เอกสารอ้างอิง
ASM handbooks; Corrosion, Understanding the Basics.

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การบิดเบี้ยวแบบยืดหยุ่น (Elastic Distortion)

วันนี้ขอเสนอรูปแบบการเสียหายของวัสดุแบบที่ 3 คือ การบิดเบี้ยวแบบยืดหยุ่น ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

วัสดุสามารถเสียหายโดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร เมื่อวัสดุมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบยืดหยุ่น (Elastic Deformation) และมีการยืดตัวจนทำให้ไม่สามารถใช้งานต่อไปได้ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบยืดหยุ่น เกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับแรงที่ยังไม่เกินค่าความต้านทานแรงดึงของวัสดุ การบิดเบี้ยวที่ไม่มีการเสียรูปอย่างถาวร (Non-Permanent Distortion) มีผลเสียกับวัสดุหลายอย่าง ยกตัวอย่าง เช่น ขัดขวางการทำงานของชิ้นส่วนอื่นที่อยู่ติดกันจนทำให้เกิดการเสียหาย การบิดเบี้ยวแบบยืดหยุ่นสามารถเกิดขึ้นได้จากแรงที่กระทำและผลจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เช่น ค่าโมดูลัสของความยืดหยุ่นของวัสดุขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และถ้ามีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเกิดขึ้นโดยไม่คาดคิด จะทำให้วัสดุเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบยืดหยุ่นที่แรงต่ำๆ ได้มากกว่าสภาวะอุณหภูมิการใช้งานปกติ

การเลือกใช้วัสดุที่มีค่าโมดูลัสสูงเพียงพอโดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบยืดหยุ่นมาก่อนสามารถป้องกันการเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวนี้ได้ โดยเฉพาะในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบทันทีทันใด การควบคุมตัวแปรในการใช้งานของวัสดุเพื่อไม่ให้มีการรับแรงและอุณหภูมิเกินกว่าที่วัสดุจะรับได้เป็นอีกหนทางหนึ่งที่ช่วยให้วัสดุไม่เกิดการเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าว