สหศาสตร์แห่งการวิเคราะห์ความเสียหาย (The interdisciplinary nature of failure analysis)

บทนำ

การวิเคราะห์ต้นเหตุของปัญหา (Root Cause Analysis) ในการเสียหายทางกล (Mechanical Failure) นั้น ถือว่าเป็นงานที่ท้าทายมากสำหรับนักวิเคราะห์ความเสียหาย เนื่องจากการเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมส่วนใหญ่มักมีความสลับซับซ้อน จึงต้องการความเชี่ยวชาญในแต่ละสาขาของความรู้ด้านต่างๆเข้ามาช่วย ไม่ว่าจะเป็นศาสตร์ทางด้านวัสดุ เครื่องกล ความร้อน หรือกลศาสตร์ของไหล เป็นต้น บางกรณีอาจจำเป็นต้องใช้ความรู้ในสาขาอื่นๆ เช่น ชีววิทยา มานุษยวิทยา ตรรกะวิทยา นิติวิศวกรรม หรือแม้แต่สถิติ มาประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหาย บ่อยครั้งที่การวิเคราะห์ความเสียหายได้มีการระดมสมองจากผู้เชี่ยวชาญหลากหลายสาขา จนสามารถหาสาเหตุที่แท้จริงของปัญหาได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญมากอีกอย่างหนึ่งก่อนการเริ่มต้นหาสาเหตุความเสียหาย คือ การพิจารณาว่าศาสตร์ด้านใดจะเป็นหลักในการดำเนินการตรวจสอบ ดังนั้นการสร้างทีมจึงถือว่ามีความสำคัญมาก ทั้งนี้อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการตรวจสอบ ถ้าสามารถพบทางเลือกใหม่ๆในกระบวนการตรวจสอบ ผู้นำในการดำเนินการตรวจสอบความเสียหายนอกจากจะต้องมีความเชี่ยวชาญโดยตรง เพื่อนำความรู้และประสบการณ์มาประยุกต์ใช้กับปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นๆ แล้ว ยังต้องมีภาวะความเป็นผู้นำ สามารถประสานงานหรือร่วมงานกับผู้เชี่ยวชาญด้านอื่นๆ ได้เป็นอย่างดี และข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์โดยผู้เชี่ยวชาญแต่ละสาขาจะถูกนำมารวมกัน ทำให้สามารถมองเห็นภาพใหญ่ จนสามารถระบุต้นตอที่แท้จริงของปัญหาได้

จากประสบการณ์ของผู้เขียนที่อยู่ในแวดวงการวิเคราะห์ความเสียหายมากกว่า 10 ปี พบว่าการเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมในแต่ละครั้งโดยส่วนใหญ่ไม่ได้ทิ้งร่องรอยที่สามารถบ่งชี้ได้ว่าจะต้องดำเนินการอย่างใดอย่างหนึ่งที่ชัดเจน หรือไม่ได้บอกว่าวิศวกรสาขาใดที่จะต้องมาตรวจสอบ บางครั้งลักษณะความเสียหายที่ปรากฏบนชิ้นส่วนอาจทำให้เกิดความเข้าใจผิด จนบางครั้งทำให้การตรวจสอบความเสียหายเกิดความผิดพลาดได้

การเลือกใช้ความชำนาญเฉพาะด้านที่ถูกต้อง

จากที่ทราบกันแล้วว่า “ความเสียหาย” หรือ “Failure” มีความหมายในทางวิศวกรรม คือ สิ่งที่ไม่สามารถทำงานตามหน้าที่ได้อีกต่อไป ส่งผลให้วัสดุมีพฤติกรรมที่ไม่สามารถยอมรับได้หรือทำให้เกิดอุบัติเหตุ ดังนั้น จึงมักคำถามตามมาว่า ใครคือผู้ที่สามารถวิเคราะห์ความเสียหายได้ดีที่สุดในกรณีนั้นๆ ไม่ว่าจะเป็นการเข้าใจว่าการเสียหายเกิดขึ้นได้อย่างไร และสิ่งที่เกิดขึ้นเหล่านั้นจะสามารถป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคตได้อย่างไร แน่นอนล่ะ มุมมองในแต่ละสาขาวิชาชีพจะแตกต่างกันออกไป อาจจะไม่ครอบคลุม หรือตอบปัญหาได้ถูกต้องแม่นยำ ดังนั้น การเลือกใช้ความชำนาญเฉพาะด้านที่หลากหลายแต่ตรงกับปัญหาที่เกิดขึ้นนั้น จึงถือว่ามีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง

สหศาสตร์ในการวิเคราะห์ความเสียหาย

ถ้าการเสียหายของชิ้นส่วนหรือระบบที่จะวิเคราะห์มีขนาดใหญ่ ซับซ้อน หรือมีมูลค่าทั้งชิ้นส่วนและการวิเคราะห์สูงแล้ว ในตอนเริ่มต้นควรมีการวางแผนเพื่อตรวจสอบอย่างละเอียดรอบคอบ เพราะในการวิเคราะห์ความเสียหายนั้น มีหลายแง่มุมหรือขั้นตอนที่จะต้องดำเนินการตรวจสอบ บางรายการอาจจะมีรายละเอียดค่อนข้างมาก ดังนั้นความต้องการทีมที่เป็นสหศาสตร์จะต้องมีความชัดเจน และสิ่งที่สำคัญคือ จะต้องสามารถทำงานร่วมกันได้ เมื่อสร้างทีมขึ้นมาแล้วก็จะได้รับคำถามกลับมาว่า ใครควรจะถูกเลือกให้เป็นหัวหน้าทีม เพราะคุณลักษณะของหัวหน้าทีมที่ต้องพิจารณามีดังนี้

ความสามารถในการติดต่อสื่อสาร หัวหน้าทีมจะต้องเข้าใจว่าการตรวจสอบจะต้องมีการติดต่อประสานงานกับหลายๆคน ดังนั้นหัวหน้าทีมควรเข้าใจว่าอะไรคือจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละศาสตร์ เพื่อทำให้มั่นใจว่าแต่ละสาขาได้รับคำถามและตอบคำถามถูกต้องตรงประเด็น

ใช้ความเชี่ยวชาญให้ถูกต้อง หัวหน้าทีมจะต้องรู้ว่าศาสตร์ทางด้านไหนที่เหมาะสมต่อการนำมาประยุกต์ใช้ในปัญหานั้นๆ นักวิเคราะห์เกือบทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะคิดว่าความเชี่ยวชาญของตัวเองสามารถอธิบายทุกสิ่งได้ เช่น ถามว่าทำไมชิ้นส่วนจึงแตก นักโลหะวิทยาอาจจะบอกว่าวัสดุค่อนข้างจะมีความแข็งแรงน้อย แต่วิศวกรเครื่องกลสามารถแสดงให้เห็นความเค้นที่กระทำมีค่าสูงเกินไป ดังนั้นทุกๆ คนที่อยู่ในทีมควรได้รับรู้ข้อมูลของกันและกัน ซึ่งบางครั้งอาจมีความต้องการความเชี่ยวชาญด้านอื่นเพิ่มเติม

ในบางครั้งประสบการณ์ที่ได้สั่งสมมาอาจจะมีความสำคัญอย่างมาก เช่น ในกรณีที่ได้ใช้เวลาและความพยายามมากพอ แต่ไม่สามารถหาต้นตอของปัญหาได้ เคยมีบางครั้งที่ผู้เขียนนำปัญหาไปปรึกษาผู้ที่มีประสบการณ์ท่านอื่น แล้วท่านได้ตอบกลับว่า “ถ้าคุณได้ถามผมก่อนหน้านี้ ผมสามารถให้คำแนะนำคุณถึงแนวทางที่ถูกต้องว่าเกิดอะไรขึ้น เพราะว่าผมเคยเจอความเสียหายแบบคุณมาเมื่อสองเดือนที่แล้ว” ดังนั้นการได้ข้อมูลจากผู้ที่เคยวิเคราะห์กรณีการเสียหายที่คล้ายกันมาก่อนจะทำให้ประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก

สามารถควบคุมการวิเคราะห์ให้ดำเนินไปพร้อมๆ กัน ทุกศาสตร์สาขาที่เกี่ยวข้องในการวิเคราะห์ความเสียหายต่างรับผิดชอบในสิ่งที่ได้รับมอบหมาย แต่ในท้ายที่สุดแล้วจะต้องนำข้อมูลที่ได้มาประมวลผลร่วมกัน ซึ่งหัวหน้าทีมต้องนำผลการวิเคราะห์ในทุกๆด้านมารวมกัน แล้วได้ข้อสรุปไปในทิศทางเดียวกัน ตรวจสอบข้อมูลแต่ละฝ่ายตลอดเวลาเพื่อหลีกเลี่ยงงานที่ไม่จำเป็นหรือซ้ำซ้อน

อย่ามองการวิเคราะห์ความเสียหายเป็นเรื่องยาก

การวิเคราะห์ความเสียของชิ้นส่วนในบางกรณีเราอาจจะเห็นขั้นตอนการวิเคราะห์มากมาย หลายท่านจะสนุกกับการวิเคราะห์ เพราะได้เรียนรู้หลายอย่าง บางท่านแค่เห็นรายการก็เครียดแล้ว แต่เราอย่าไปคาดหวังว่าลำดับขั้นตอนของการวิเคราะห์จะบ่งบอกถึงความยากง่าย บางท่านเมื่อเห็นการเสียหายของชิ้นส่วนเล็กๆ อาจจะหมดความท้าทาย แต่หลายครั้งเราจะพบว่าการเสียหายที่เล็กน้อยและที่เราคิดว่าง่ายๆ สามารถที่จะทำให้เป็นการวิเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่และมีความน่าตื่นเต้นท้าท้ายได้ ถ้าเรามีการทำงานที่มีความหลากหลายของศาสตร์ความรู้ด้านต่างๆ ยกตัวอย่าง เช่น การแตกหักของชิ้นส่วนอันเป็นผลมาจากภาระที่กระทำบนชิ้นส่วนนั้นเกินค่าความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งต้องใช้ความเชี่ยวชาญอย่างน้อย 2 สาขาในการวิเคราะห์ความเสียหาย โดยวิศวกรเครื่องกลอาจจะต้องการประมาณค่าแรงที่กระทำกับวัสดุ และเปรียบเทียบกับค่าที่ได้ออกแบบไว้หรือแรงก่อนที่จำเริ่มปฏิบัติการ และทบทวนปัจจัยอื่นๆ ในระบบที่อาจทำให้แรงกระทำเกินกว่าค่าที่กำหนด และในอีกด้านหนึ่งนักวัสดุอาจจะตรวจสอบว่าทำไมวัสดุจึงมีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งบางทีอาจจะมีค่าต่ำมากเนื่องจากวัสดุมีคุณภาพต่ำ ผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ไม่ถูกต้องเหมาะสม หรืออันที่จริงแล้วอาจจะเกิดจากความแข็งแรงของวัสดุลดลงตามเวลาเนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง หรือพื้นที่ภาคตัดขวางของวัสดุลดลงเนื่องจากเกิดการสึกหรอ การกัดกร่อน การล้า เป็นต้น ถ้าตรวจพบการล้าตัวแล้ว วิศวกรเครื่องกลอาจจะต้องการตรวจสอบที่มาของแรงที่มีลักษณะเป็นคาบอีกครั้ง

ในกรณีความเสียหายที่เกิดขึ้นนั้นอาจจะทำให้เกิดการหลงทางหรือให้คำแนะนำที่ผิดพลาดต่อผู้ว่าจ้างก็ได้ เช่น ความเสียหายของหม้อไอน้ำ ผู้ว่าจ้างอาจจะมองหาวิศวกรความร้อน (Thermal Engineer) และเขาอาจจะเลือกถูกต้อง แต่บางครั้งอาจจะผิด เช่น การเสียหายเกิดจากกระบวนการเชื่อมท่อของหม้อไอน้ำ

คุณภาพของนักวิเคราะห์ความเสียหายที่ดี

นักวิเคราะห์ความเสียหายที่ดีไม่จำเป็นต้องมีความเชี่ยวชาญในด้านการออกแบบ หรือมีความรู้เรื่องเครน หม้อไอน้ำหรือการเชื่อม แต่จะต้องเป็นผู้ที่รู้จักถามที่ตรงประเด็นและสามารถจดจำและประยุกต์ใช้ความรู้ด้านต่างๆรู้จักแหล่งข้อมูล พูดคุยกับผู้เชี่ยว

สรุป
ในหลายๆ กรณีการวิเคราะห์ความเสียหาย การดำเนินการตรวจสอบที่ถูกต้องและเหมาะสมมักจะเกี่ยวข้องกับศาสตร์ขององค์ความรู้หลายๆ ด้าน และนักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องแสดงให้เห็นและใช้ความเชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้องทั้งหมดในการพิสูจน์ทราบสาเหตุทั้งหมดที่เกิดขึ้นกับการเสียหาย

สาเหตุราก (Root Cause) ของความเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม

Failure Analysis หมายถึง การวินิจฉัยหาสาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายที่เกิดขึ้น สำหรับใช้เป็นแนวทางพิจารณาในการแก้ไข ซ่อมแซม หรือออกแบบใหม่ เพื่อป้องกันความเสียหายในรูปแบบเดิมที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต

วัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์ความเสียหาย
1. ชี้ชัดหรือระบุปัญหาที่เกิดขึ้น
2. เพื่อหารากของปัญหา (root cause)
3. เพื่อหาแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
4. เพื่อตรวจสอบและยืนยันแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
5. เพื่อดำเนินการเปลี่ยนแปลงและสร้างมาตรฐาน

รากของปัญหา
สำหรับการเสียหายของชิ้นส่วน อุปกรณ์ทางวิศวกรรมสามารถจำแนกรากของปัญหาได้ 4 ประเภทหลักๆ ดังนี้ :
1. ความบกพร่องจากการออกแบบ
2. วัสดุมีจุดบกพร่อง
3. จุดบกพร่องจากการประกอบ/ติดตั้ง
4. ความผิดปกติจากการใช้งาน

บางครั้งสาเหตุของปัญหาถูกซ่อนอยู่ ทำให้เรามองไม่เห็น คล้ายกับรากไม้ที่ถูกฝังอยู่ใต้ดิน

จากประสบการณ์ในการวิเคราะห์ความเสียหายของผู้เขียน พบว่า บางปัญหาของการเสียหายของชิ้นส่วนแม้ว่าจะสามารถหารูปแบบหรือกลไกในการแตกหักเสียหายได้ แต่เมื่อเจาะลึกลงไปในรายละเอียดกลับพบว่า ความเสียหายนั้นเกิดจากปัญหาด้านบริหาร ยกตัวอย่าง เช่น ฝ่ายซ่อมบำรุงได้ลดจำนวนพนักงานทำให้การดูแลรักษาเครื่องจักรไม่ทั่วถึง หรือเกิดการแกล้งกันระหว่างฝ่ายผลิตกับฝ่ายประกันคุณภาพหรือฝ่ายควบคุมคุณภาพ เป็นต้น



รากของปัญหาในมุมมองที่ต่างจากวิศวกรโลหการ

1. การออกแบบ
2. การปฏิบัติการ
3. ระบบการออกใบอนุญาตทำงาน
4. การทดสอบและซ่อมบำรุง
5. ขาดการเรียนรู้ HAZID
6. ขาดความเข้าใจอย่างถูกต้อง
7. ปัจจัยจากมนุษย์
8. สาเหตุจากปัจจัยภายนอก
9. การจัดการเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลง
10. ไม่ได้เรียนรู้จากเหตุการณ์ที่เกือบเกิดความเสียหาย
11. การตอบสนองของระบบเตือนภัย
12. วัฒนธรรมองค์กร

Stress Corrosion Induced Failure of 316L Stainless Steel Pipe

S. Kaewkumsai, Nirut Bunchoo, and E.Viyanit

National Metal and Material Technology Center (MTEC), National Science and Technology Development Agency (NSTDA), 114 Thailand Science Park, Paholyothin Rd., Klong 1, Klong Luang, Pathumthani 12120 THAILAND

Phone 66-2564-6500 ext. 4734-9, Fax.66-2564-6332, E-Mail: famd@mtec.or.th

Abstract
The present work aims to highlight how to conduct the failure analysis of 316L stainless steel pipe which has been in service for nearly 10 years. The key factor to cause the serious failure involved a complex reaction of stress corrosion cracking, which was initiated at HAZ of the welded pipe. The laboratory investigation including visual and metallographical examinations with using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS) was performed. The results indicate that the failure of the welded pipe is due to chloride-induced stress corrosion cracking (CISCC). Chloride could be derived from the contamination caused by sea-shore environment. Moreover, the fabrication of the stainless steel pipe by an arc welding process introduces residual stress necessary for SCC. The cross-sectional examination reveals that the crack initiation takes place at HAZ on the outer surface of the pipe. Significant evidence of carbide precipitates, whose surrounding areas have decreased Cr content necessary for the formation of stable oxide film, was also observed in the originated zones. Form those results, it is recommended to control the microstructural aspects and residual stress levels after the arc welding process.

1. Introduction
Stress corrosion cracking (SCC) is a term used to describe service failure in engineering materials that occur by slow environmentally induced crack propagation[1].This phenomenon is associated with a combination of stress (applied or residual) above the threshold value[2].

The failed component was 316 stainless steel pipe used in chemical industry for feeding the chemical solutions composed of Ethylene Dichloride (C2H4Cl2) and catalyst (solid Fe2Cl3 powder) at temperature of 35C and pressure of 3 Bars. The outer surface of the welded pipe was exposed to ambient industrial environment.

Before failure, the welded pipe has been in service for nearly 10 years. The failed position was the T-shape joint as shown in Figure 1a.

2. Experimental
Visual examinations with the aid of a stereo microscope were thoroughly carried out on the failed pipe. Then, the pipe was cross-sectioned at the failed site to prepare the convenient samples for microstructural analysis under an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM). The spark emission spectrometer was used for chemical composition analysis of the stainless steel pipe. Additionally, the corrosion products on the pipe surface were analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS).

3. Results
3.1 Visual Examination
Visual examination revealed that the outer pipe surface was covered with the paint coating. Some areas showed the signs of damaged coating, especially at the T-shape joint. Under the pilling-off of coatings, the oxidation of material as evidence by a dark-brown scale was found. On the other hand, corrosion attacks on the inner pipe surface were observed. On the pipe end, it shows mechanical damage, plastic deformation, with the presence of localized cracks.

Figure 1 a) failed stainless steel pipe; b) branched-cracks; and c) crack initiated at HAZ

 
3.2 Cross-section and Microstructure Analysis

Optical microscopic examination of cross-section specimen reveals the branched crack which is a typical aspect of the stress corrosion cracking (See Figure 1b). Cracks are initiated at HAZ of the outer pipe surface as shown in Figure 1C. The cracking mode is transgranular as observed in the area beneath the outer pipe surface.

3.3 Chemical Composition Analysis

The chemical composition of the pipe conforms to the AISI specification of 316L stainless steel. The chemical composition analysis of the corrosion products indicats the impurity element such as chlorine and sulfur.

4. Discussions

Visual examination on the crack area clearly shows that the failure of the welded stainless steel pipe is caused by the excessive stresses and corrosive atmosphere outside the pipe. The stresses are consisted of residual stress, which was introduced by welding fabrication, and stress introduced during service. The crack initially occurs at a localized region on the outer pipe surface. It could be produced from the corrosion attack at any susceptible points to form pitting corrosion which subsequently acts as the stress concentrators. The branched crack exhibits characteristics of the stress corrosion cracking (SCC). From EDS analysis, the results show that the corrosion products have untypical elements of chlorine and sulfur, which are the aggressive species for stress corrosion cracking of austenitic stainless steel[3].


During welding fabrication of stainless steel pipe, it is expected that increased residual stress in austenitic stainless steel should be attributed to its higher coefficient of thermal expansion.


The interaction between mechanical stress and the presence of chlorine and sulfur results in increasing susceptibility of austenitic stainless steel to cracking.


In general, the corrosion resistance of austenitic stainless steels to SCC depends on the following factors[3]: 1) Alloying composition. Increasing nickel and molybdenum content of austenitic stainless steel enhances the resistance to SCC, 2) Tensile stresses. Lowering residual or applied stresses increases time to failure. Stress relieving or shot peening is usually used to release tensile stresses or introduce compressive stresses, 3) Microstructures. Delta ferrite in austenitic stainless steels generally improves resistance to chloride SCC. Sensitization can promotes SCC; 4) Environmental factors. The formation of SCC is usually promoted by higher temperature, higher concentration of chloride, and lower pH levels.

5. Conclusions
- Stress corrosion cracking is a major reason to explain the failure of the welded austenitic stainless steel pipe
- Metallographic examination is a powerful tool, which can be used for identification of the stress corrosion cracking characteristic

References:
[1] C. Manfredi, J.L. Otegui, 2002, “Failure by SCC in buried pipelines”, Engineering Failure Analysis, Vol.9, pp.495-509.
[2] Kaishu Guan, Xinghua Zhang, Xuedong Gu, Longzhan Cai, Hong Xu, Zhiwen Wang, 2005, “Failure of 304 stainless bellows expansion joint”, Engineering Failure Analysis, vol.12, pp.387-399.
[3] R.C. Yin, A.H.Al-Shawaf, W.Al-Harbi, 2007, “Chloride-induced stress corrosion cracking of furnace burner tubes”, Engineering Failure Analysis, vol.14, pp.36-40.

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 12) : ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก (3)

วันนี้จะนำเสนอเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกประเภทที่ 3 คือ ประเภทที่มีโครเมียมสูง (18-30%) เช่นเกรด AISI 442, AISI 444 และ AISI 446 มักนำมาประยุกต์ใช้ในงานที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนและออกซิเดชันในระดับสูง ส่วนใหญ่มักขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ท่อและเพลากลมดังรูปที่ 1.14

จากข้อจำกัดของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกที่เกิดจากมีคาร์บอนและไนโตรเจนสูง จนนำไปสู่การลดความแกร่งและความเหนียว ซึ่งเป็นผลกระทบที่เกิดจากวัสดุมีความไวต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน และการแตกเปราะหลังการเชื่อมหรือหลังผ่านกระบวนการทางความร้อน จึงได้มีการพัฒนาเกรดที่มีความต้านทานการกัดกร่อนในสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย โดยการลดปริมาณคาร์บอนและไนโตรเจน แล้วเพิ่มธาตุผสมบางตัว ซึ่งบางเกรดมีการเพิ่มโครเมียมให้สูงมากว่า 25% รวมทั้งมีการเติมโมลิบดีนัม มักเรียกเกรดดังกล่าวว่าเหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์เฟอริติก (Superferritic Stainless Steel) [71-72] ซึ่งมีการพัฒนาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1982 เพื่อเป็นทางเลือกให้กับผู้ที่ใช้โลหะผสมไทเทเนียมและโลหะผสมนิกเกิลที่มีโมลิบดีนัมสูง ซึ่งสมบัติที่ดีจากการมีโครเมียมและโมลิบดีนัมสูงและมีคาร์บอนต่ำนั้น ทำให้สามารถเติมนิกเกิลลงไปได้โดยไม่มีกระทบต่อเสถียรภาพของเฟสเฟอร์ไรต์ รวมทั้งมีราคาถูก จึงมักนำไปประยุกต์ใช้ในโรงงานเคมี กลั่นน้ำมัน ปิโตรเคมี ไฟฟ้า ผลิตอาหาร นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้งานในทะเล เนื่องจากมีความต้านทานต่อน้ำทะเลซึ่งคล้ายกับสมบัติของไทเทเนียม อย่างไรก็ตามถ้าสัมผัสอยู่ในบรรยากาศแบบรีดิวซิ่ง จะทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมดังกล่าวลดลง เนื่องจากฟิล์มโครเมียมออกไซด์ถูกทำลาย ดังนั้นการเพิ่มความเข้มข้นของโลหะผสมบางธาตุ เช่น โมลิบดีนัมและนิกเกิล จึงเป็นอีกทางเลือกที่ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน แต่อาจมีผลกระทบที่ไม่ดีกับวัสดุ กล่าวคือ อาจมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคและเฟสที่ส่งผลไม่ดีกับวัสดุเกิดขึ้น เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดเฟอริติกมีความไวต่อการตกตะกอนของเฟสเชิงโลหะ (Intermetallic Phase) เช่น เฟสไช เฟสซิกม่า และเลฟส์ ที่ลดสมบัติทางกลและความต้านทานการกัดกร่อน โดยเฉพาะบริเวณแนวเชื่อม

เกรด AISI 444 เป็นเกรดที่มีโครเมียมผสมอยู่ประมาณ 17.5-19.5% [73, 77] มีคาร์บอนและไนโตรเจนต่ำ มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าเทียบเท่ากับเกรด AISI 316 และมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน และเนื่องจากมีปริมาณธาตุนิกเกิลผสมในปริมาณต่ำจึงต้านทานต่อสิ่งแวดล้อมที่มีซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบที่อุณหภูมิสูงได้ดี ซึ่งสภาวะดังกล่าวมักเกิดขึ้นในเหล็กกล้าที่ใช้งานในโรงกลั่นปิโตรเคมี และสามารถทดแทนเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 316 และ AISI 317L ได้ แต่ไม่สามารถทำการอบอ่อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้มากนัก เนื่องจากถ้าอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงมากเท่าใด ก็จะลดความแกร่งที่อุณหภูมิห้องลงมากเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มและภายใต้รอยซ้อนที่ดีที่สุดในกลุ่มเฟอริติก จึงมักผลิตเป็นชิ้นส่วนที่เกี่ยวกับการผลิตอาหาร อุปกรณ์ผลิตเหล้า เบียร์และไวน์ ถังบรรจุน้ำร้อน ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน และชิ้นส่วนยานยนต์ เป็นต้น

เกรด AISI 446 เป็นเกรดที่มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 23-27% [66] ในสภาวะหลังทำการอบอ่อน จะได้สมบัติความต้านทานการกัดกร่อนในสารละลายกัดกร่อนที่กัดกร่อนดีเยี่ยม รวมทั้งต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน และมีราคาค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม ความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวจะลดลงอย่างมากเมื่อถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น การเชื่อม เนื่องจากโลหะผสมดังกล่าวมีโครเมียมในปริมาณสูง จึงมักปรากฏให้เห็นเฟสซิกม่าหลังจากผ่านกระบวนการทางความร้อน โดยทั่วไปมักนำไปประยุกต์ใช้งานเป็นชิ้นส่วนเตาในโรงงานปิโตรเคมี

(ก) ผลิตภัณฑ์ท่อ

(ข) ผลิตภัณฑ์เพลากลม

รูปที่ 1.14 ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกเกรด AISI 446

ผลของความเข้มของความเค้น (Stress Concentration) ต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม

บทความนี้จะนำเสนอความสำคัญของความเข้มของความเค้นหรือความเค้นชุมนุม (Stress Concentration) ที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม โดยการทบทวนการออกแบบและวิเคราะห์ระหว่างการซ่อมบำรุงชิ้นส่วนจะสามารถทำนายล่วงหน้าและหลีกเลี่ยงอันตรายจุดบกพร่องจากการออกแบบ และ/หรือสิ่งที่จะส่งผลต่อการลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน

บ่อยครั้งเราจะพบว่าชิ้นส่วนที่ผ่านการขึ้นรูปทางกลและชิ้นส่วนทางวิศวกรรมมีสภาพของผิวหน้าที่ไม่ต่อเนื่อง (Surface Discontinuities) ที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการซ่อมแซมหรือจากการออกแบบ ซึ่งจุดบกพร่องดังกล่าวจะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้นในระหว่างการรับภาระทางกลระหว่างใช้งาน ความเข้มของความเค้นที่สูงไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ในบางกรณีและอาจส่งผลต่อความเสียหายของชิ้นส่วนถ้าไม่สามารถควบคุมอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตาม ความเค้นชุมนุมที่เกิดขึ้นบนชิ้นส่วนสามารถลดหรือกำจัดด้วยวิธีการที่เป็นแนวปฏิบัติมาตรฐานสากล 3 แนวทาง โดยการพิจารณาอย่างถี่ถ้วนและควบคุมแนวปฏิบัติเหล่านี้จะสามารถนำไปสู่การเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ดังนี้

1. การออกแบบ (Design) : โดยการทำงานด้านการออกแบบ ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะปรับเปลี่ยนตัวแปรความเข้มของความเค้น “kt” ในแต่ละแบบที่เราออกแบบ ซึ่งมีเทคนิคหลากหลายในการปรับเปลี่ยนเพื่อลดค่าดังกล่าว

2. การเลือกวัสดุ (Material selection) : แนวปฏิบัติดังกล่าวนี้เป็นสิ่งที่สำคัญมากเพื่อควบคุมลักษณะเฉพาะทางโลหะวิทยาของโลหะที่จะใช้ในการผลิตชิ้นส่วน ซึ่งได้แก่ ส่วนผสมทางเคมี โครงสร้างจุลภาค และปริมาณและการกระจายตัวของสารแปลกปลอมหรือสารฝังใน (inclusion) การพิจารณาปัจจัยดังกล่าวจะมีความสำคัญในการพิจารณามากเพื่อยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน

3. การผลิตและประกอบชิ้นส่วน (Component fabrication) : การผลิตและประกอบรวมเป็นปัจจัยพื้นฐานที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วน ซึ่งไม่เพียงแต่จะพิจารณาจากกระบวนการทางความร้อนหรือทางกล (thermal-mechanical process) เช่น การหล่อ การรีด การทุบ หรือการกลึง เพียงเท่านั้นที่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของวัสดุ เพราะว่าการปัจจัยจากการประกอบ เช่น การเชื่อม หรือจากการปรับปรุงสมบัติทางกลด้วยกระบวนการทางความร้อนที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนจะส่งผลกระทบต่อสมบัติของชิ้นส่วน

ยกตัวอย่างเช่น ความต้านทานต่อการล้าตัวของชิ้นส่วนจะขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวหน้าสำเร็จ (Surface finish) ค่อนข้างมาก เนื่องจากถ้ามีจุดบกพร่องบนผิวหน้าจะส่งผลให้กลายเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก ทั้งนี้เนื่องจากว่า ผิวหน้าที่ขรุขระส่งเสริมให้เป็นจุดรวมความเค้นในระดับจุลภาค หรือที่เรียกว่าเป็น micro notch ซึ่งจะลดเวลา (รอบ) ต่อการเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกเมื่อเปรียบเทียบกับผิวหน้าที่เรียบ ดังนั้น สภาพผิวหน้าสำเร็จจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญต่อการพิจารณาในระหว่างการออกแบบและกระบวนการผลิตของชิ้นส่วน การเลือกใช้วัสดุก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีความสำคัญ และการเลือกวัสดุที่ถูกต้องนั้นควรพิจารณาทั้งจากกระบวนการทางกลและความร้อนที่เหมาะสม เพื่อให้มีสมบัติทางกลเป็นไปตามที่ต้องการ

เมื่อชิ้นส่วนอยู่ภายใต้การรับภาระทางกลที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปมักทำให้เกิดเป็นจุดเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยร้าวด้วยกลไกความล้า โดยรอยร้าวล้า (Fatigue crack) มักเริ่มต้นจากบริเวณที่เป็นจุดรวมความเค้น เช่น ร่อง หลุม บ่า ร่องเกลียว รูหล่อลื่น หรือจุบกพร่องบนผิวหน้า ดังนั้น จึงจำเป็นอย่างยิ่งในการพิจารณาการออกแบบ การเลือกใช้วัสดุ และกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเพื่อลดความเสียหายจากการล้าตัว

บทความนี้ได้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของ จุดรวมความเค้น หรือบริเวณที่มีการชุมนุมกันของความเค้น ต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วน ซึ่งได้แสดงแนวทางในการป้องกันความเสียหายที่เกิดจากปัจจัยดังกล่าวทั้งในระหว่างการออกแบบและการผลิต การวิเคราะห์ความเสียหายเป็นศาสตร์ที่สามารถบ่งบอกได้ว่าชิ้นส่วนเกิดความเสียหายจากอิทธิพลของจุดรวมความเค้นหรือไม่ ซึ่งอาจต้องมีการประยุกต์ใช้ไฟไนต์อิลิเมนต์ (ดังรูปที่ 1) เพื่อวิเคราะห์ความเค้นในโครงสร้าง ซึ่งสามารถบอกผลของแรงที่กระทำกับชิ้นส่วนได้ แม้ว่าทั้งการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมและสภาพผิวหน้าสำเร็จจะสัมพันธ์กับอายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่รับแรงล้าแล้วก็ตาม แต่ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือศิลปะในการออกแบบและการผลิตที่สามารถลดการชุมนุมของความเค้นและ/หรือการเปลี่ยนตำแหน่งของจุดรวมความเค้นไปยังพื้นที่ที่มีความเค้นต่ำที่สุดจะเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเมื่อรับแรงแบบคาบได้

รูปที่ 1 การประยุกต์ไฟไนต์อิลิเมนต์เพื่อตรวจสอบหาจุดที่มีความเค้นกระทำมากที่สุดหรือเสี่ยงที่จะเกิดการเสียหายของชิ้นส่วนสลักเกลียว

ขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหาย : การบันทึกประวัติ

ผมจะลงในรายละเอียดเกี่ยวกับขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหายเป็นรายหัวข้อนะครับ สำหรับขั้นตอนที่จะกล่าว คือ การบันทึกประวัติการทำงานของชิ้นส่วนก่อนที่จะเกิดความเสียหาย

การวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆ ต้องเริ่มต้นจากประวัติหรือข้อมูลความเป็นมาของชิ้นส่วนที่เสียหายนั้นๆ เช่น ชนิดของวัสดุ ส่วนผสมทางเคมี ข้อกำหนดเฉพาะต่างๆ (Specification) กระบวนการผลิต กระบวนการทางความร้อน ตลอดจนสภาวะการใช้งาน บางกรณีก็อาจจำเป็นต้องมีแบบ (Drawing) ของชิ้นส่วนที่เสียหายด้วย นอกจากนี้ควรทราบสภาวะแวดล้อมขณะใช้งาน เช่น อุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมข้างเคียง ความดัน และลักษณะของแรงที่กระทำ และข้อมูลที่สำคัญอื่นๆ ได้แก่ ลักษณะความผิดปกติเบื้องต้นก่อนเกิดความเสียหาย อายุการใช้งาน ตารางการทดสอบ วิธีการตรวจสอบ ข้อมูลเหล่านี้บางครั้งจำเป็นต้องสอบถามจากพนักงานที่ดูแล (Plant Personnel)


ประวัติการใช้งานของชิ้นส่วนเสียหายที่ครบถ้วนสมบูรณ์และถูกต้อง มีความสำคัญต่อการวิเคราะห์ความเสียหายอย่างมาก ซึ่งเป็นส่วนช่วยให้การทำงานง่ายขึ้น และสร้างความมั่นใจในผลการวิเคราะห์ นอกจากนี้ประวัติการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่เสียหาย เช่น วัน เดือน ปี ความถี่ สาเหตุของความเสียหาย และวิธีการซ่อมแซมเป็นข้อมูลที่ต้องบันทึกไว้ด้วยเช่นกัน

ในการเก็บข้อมูลที่หน้างานนั้นมีสิ่งที่พึงระวังหลายประการ ยกตัวอย่างเช่น บางครั้งอาจจำเป็นต้องมีการใช้ปากกาหรือสีในการระบุ (Marking) ตำแหน่งต่างๆ บนชิ้นงาน เพื่อเน้นบริเวณสำคัญระหว่างการถ่ายภาพ การกระทำดังกล่าวอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนได้ หรือองค์ประกอบทางเคมีของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นสิ่งที่ผู้ตรวจสอบความเสียหายพึงระวัง คือ ควรรักษาสภาพการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นให้มีสภาพสมบูรณ์ที่สุดก่อนทำการเคลื่อนย้าย หรือก่อนการแยกส่วนประกอบของชิ้นส่วน นอกจากนี้ ควรบันทึกเหตุการณ์ให้เป็นสายโซ่ของเหตุการณ์ (Chain of Events) และถ่ายภาพชิ้นส่วนที่เสียหายเอาไว้ทุกแง่ทุกมุม โดยพยายามถ่ายภาพให้ได้สีที่เป็นจริง (True Color) ซึ่งอาจใช้แผ่นสี (Color Chart) มาประกอบการถ่ายภาพ เนื่องจากสีที่ได้จากการถ่ายภาพ ส่วนหนึ่งมักเปลี่ยนความเข้มและความคมชัดตามปริมาณแสงที่ตกกระทบ ภาพถ่ายตะกรันที่เกิดจากการกัดกร่อนควรแสดงให้เห็นชั้นตะกรันแต่ละชั้นอย่างชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการถ่ายภาพชิ้นงานในห้องปฏิบัติการ ควรมีการควบคุมปริมาณแสงให้เหมาะสม ก่อนที่จะนำชิ้นส่วนนั้นไปทำการวิเคราะห์ต่อไป

สำหรับการเก็บข้อมูลที่หน้างานนั้น สิ่งที่ต้องจดจำอีกอย่างหนึ่ง คือ บางครั้งผู้ใช้งานจะให้ข้อมูลที่ไม่ตรงความเป็นจริง โดยเฉพาะข้อมูลที่ทำให้เจ้าของงานเสียผลประโยชน์ ซึ่งมักพบในกรณีที่ต้องการนำผลการวิเคราะห์ไปใช้ในการฟ้องร้องดำเนินคดี ดังนั้นผู้ที่ทำการวิเคราะห์ฯ หรือตัวแทนควรเข้าร่วมการตรวจสอบที่หน้างาน (Onsite Investigation) ด้วยตัวเองดังรูปที่ 1 และพกพาเครื่องมือเมื่อไปตรวจสอบความเสียหายที่หน้างานด้วยดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 1 การเดินทางไปตรวจสอบความเสียหายที่หน้างาน ก) ตรวจสอบความเสียหายของไซโลที่เกิดการแตกร้าวบริเวณแนวเชื่อม และ ข) ตรวจสอบความเสียหายของใบพัดกวนที่ต้องตรวจสอบร่วมกับกองพิสูจน์หลักฐานเนื่องจากมีการเสียชีวิตของพนักงานควบคุมเครื่องเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

รูปที่ 2 ตัวอย่างเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ควรพกพาเมื่อไปตรวจสอบความเสียหายที่หน้างานได้แก่ ก) กล้องถ่ายรูป ข) เทปวัดระยะ ค) แผ่นสี ง) ดินสอ จ) เครื่องวัดความนำไฟฟ้าของสารละลาย ฉ) ไฟฉาย ช) โทรศัพท์มือถือเพื่อติดต่อสอบถามผู้เชี่ยวชาญ และ ซ) คอมพิวเตอร์แบบพกพาเพื่อสืบค้นข้อมูล

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 11) : ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก (2)

จากตอนที่ 10 ผมได้กล่าวถึงเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกประเภทแรก คือ โลหะผสมโครเมียมต่ำ สำหรับตอนนี้ ผมจะกล่าวถึงชนิดที่ 2 คือ โลหะผสมโครเมียมปานกลาง (16-18%) ซึ่งเป็นประภทที่มีความต้านทานการกัดกร่อนต่อบรรยากาศที่ดี [29] เช่นเกรด AISI 430 และ AISI 434 มักใช้ทำเป็นชิ้นส่วนประดับยนต์และภาชนะในห้องครัว (รูปที่ 1.13)

เกรด AISI 430 เป็นเกรดที่มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 16-18% มีความต้านทานการกัดกร่อนและความร้อนที่ดี และต้านทานออกซิเดชันที่อุณหภูมิไม่เกิน 816 องศาเซลเซียส รวมทั้งมีสมบัติทางกลที่ดี จึงมักนำมาประยุกต์ใช้งานเป็นชิ้นส่วนประดับยนต์ อ่างล้างจาน ฝาครอบเตาเผา หัวเผาแก๊สและอุปกรณ์ให้ความร้อน ตกแต่งภายในอาคาร อุปกรณ์ในโรงงานผลิตกรดไนตริก อุปกรณ์ในโรงกลั่นน้ำมัน ชิ้นส่วนหลังคาและผนัง และเครื่องมืออุปกรณ์ที่ใช้ในภัตตาคาร เป็นต้น

เกรด AISI 434 เป็นเกรดที่ปรับปรุงมาจากเกรด AISI 430 โดยการเติมโมลิบดีนัมให้อยู่ในช่วง 0.75-1.25% เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนและการกัดกร่อนจากสารเคมีที่เป็นน้ำแข็ง มีสมบัติต้านทานความร้อนที่ดี และต้านทานต่อออกซิเดชันที่อุณหภูมิไม่เกิน 816 องศาเซลเซียส รวมทั้งมีสมบัติทางกลที่ดี มีการนำไปประยุกต์ใช้งานคล้ายกับเกรด AISI 430

ตอนหน้าผมจะนำเสนอประภทที่ 3 คือประเภทที่โครเมียมสูง คอยติดตามนะครับ.....