นิติวิศวกรรม (Forensic Engineering)

ข่าวสารที่เราได้รับทราบกันในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นตึกหรือเครนถล่ม สะพานพัง รถยนต์ชนกัน อาคารถูกไฟไหม้ เครื่องบินตก ท่อก๊าซระเบิด ฯ ความเสียหายที่เกิดขึ้นเหล่านี้มีผลกระทบกับชีวิตและทรัพย์สินผู้คนอย่างมากมาย ถ้าความเสียหายทำให้มีการเสียชีวิตของผู้คน ก็จะมีหน่วยงานที่ทำหน้าที่พิสูจน์สาเหตุของการตาย เรียกวิธีการดังกล่าวว่า การชันสูตร  ซึ่งทุกท่านคงจะทราบกันดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเอ่ยถึงชื่อคุณหญิงหมอพรทิพย์ เพราะท่านเป็นผู้เชี่ยวชาญงานนิติเวช (Forensic Autopsy) ซึ่งเป็นการตรวจสอบศพ เพื่อหาสาเหตุและพฤติการณ์การตายโดยใช้ความรู้ทางนิติเวชศาสตร์เป็นหลักในการตั้งสมมติฐาน และการพิสูจน์ทราบความจริง เพื่อนำผลที่ได้ไปใช้ประโยชน์ในการสนับสนุนการดำเนินการตามกระบวนการยุติธรรม กรณีที่เกิดปัญหาทางกฎหมาย และคดีความให้มีประสิทธิภาพและเป็นธรรม ในกระบวนการชันสูตรจะใช้ความรู้หลายศาสตร์ในการวิเคราะห์ ไม่ว่าจะเป็น กายวิภาคศาสตร์ พยาธิวิทยา พิษวิทยา รังสีวิทยา ทันตวิทยา ศัลยวิทยา และจิตเวชวิทยา เป็นต้น แต่ถ้าความเสียหายเกิดขึ้นกับชิ้นส่วน อุปกรณ์ หรือโครงสร้างทางวิศวกรรม ก็จะนำศาสตร์อีกด้านหนึ่งมาใช้ตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุของการเสียหาย เราเรียกศาสตร์ดังกล่าวนี้ว่า นิติวิศวกรรม (Forensic Engineering) ^[1] เป็นการผสมผสานของหลักการนิติวิทยาศาสตร์กับเทคนิคการวิเคราะห์ความเสียหายทางวิศวกรรม เพื่อค้นหาข้อมูลทางกายภาพของการเสียหายในงานวิศวกรรม เป็นกระบวนการตรวจสอบวัสดุ ผลิตภัณฑ์ โครงสร้าง ชิ้นส่วนที่เกิดการเสียหายหรือไม่สามารถใช้งานได้ตามหน้าที่ที่ถูกออกแบบไว้  เพื่อลดความเสี่ยงและปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ เพิ่มความปลอดภัยและลดค่าใช้จ่าย ^[2] ซึ่งถ้าใครเคยดูซีรีส์ crime scene investigation (CSI) ที่ได้ความนิยมอย่างมากทางรายการโทรทัศน์ก็มองภาพของงานเชิงนิติวิศวกรรมได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

งานทางด้านนิติวิศวกรรม  เป็นการประยุกต์ใช้หลักการทางวิศวกรรมกับการวิเคราะห์ความเสียหายเพื่อให้ได้หลักฐานที่สามารถนำไปดำเนินการทางกฎหมายหรือในกระบวนการพิจารณาคดีของศาล ประกอบไปด้วยการสำรวจหามูลเหตุของความเสียหายทางวิศวกรรม  ซึ่งก่อให้เกิดการเรียกร้องค่าเสียหายและการฟ้องร้องได้  โดยอยู่บนพื้นฐานของความยุติธรรม มีการจัดทำรายงานเพื่อเป็นเอกสารประกอบการสอบสวนและดำเนินคดี  มีการให้ความเห็นทางวิชาชีพ  เพื่อนำไปสู่การไกล่เกลี่ยข้อขัดแย้ง  หรือกระบวนการในอนุญาโตตุลาการ อย่างไรก็ตาม งานทางด้านนิติวิศวกรรมมักจะนำไปสู่ปัญหาที่เกี่ยวข้องมากกว่าที่จะระบุให้ได้ว่าอะไรเสียหายและสาเหตุที่เสียหายมาจากอะไร ^[3]

การเกิดเหตุไฟไหม้หอกลั่นน้ำมัน

การตรวจสอบความเสียหายเพลากวนน้ำตาลร่วมกันระหว่าง Forensic engineer กับตำรวจพิสูจน์หลักฐาน ซึ่งเป็นเคสที่ทำให้มีการเสียชีวิตของพนักงานที่ควบคุมเครื่องมือ

ในกระบวนการตรวจสอบความเสียหายมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดจากการก่ออาชญากรรม  ในกรณีที่การเสียหายไม่ได้เกิดจากอาชญากรรม บริษัทประกันภัยและทนายความของบริษัทหรือบุคคลที่ได้รับบาดเจ็บอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเสียหายต้องการให้มีความรับผิดชอบทางการเงินหรือทางกฎหมาย ซึ่งในที่สุดอาจทำให้คดีไปสู่การพิจารณาในศาลแพ่ง จากข้อมูลพบว่าการเสียหายที่เกี่ยวข้องกับงานโยธาจะเกิดขึ้นบ่อยมาก  เช่น เครนถล่ม ตึกถล่ม สะพานพัง ฯ โดยทั่วไปแล้ว จุดประสงค์ของการตรวจสอบทางนิติวิศวกรรม คือ  การระบุตำแหน่งของสาเหตุ  หรือสาเหตุของปัญหาด้วยมุมมองที่สามารถนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้นหรือเพิ่มอายุการใช้งานของวัสดุ 

การตรวจสอบความเสียหายที่ต้องมีผู้เชี่ยวชาญจากหลากหลายศาสตร์มาร่วมมือกัน

ความหายนะทางวิศวกรรมโดยส่วนใหญ่จะถูกตรวจสอบโดยหลักนิติวิศวกรรม โดยใช้วิศวกรที่มีประสบการณ์การตรวจสอบทางด้านนี้โดยเฉพาะ ซึ่งในปัจจุบันนี้เครื่องมือและอุปกรณ์เกือบทุกชนิดในโรงงานอุตสาหกรรมจะมีการทำประกันภัย เมื่อเกิดการเสียหายขึ้นกับเครื่องมือและอุปกรณ์ จึงจำเป็นต้องตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุที่เกิดขึ้น เพราะถ้าสาเหตุที่เกิดขึ้นอยู่ในเงื่อนไขของกรมธรรม์ประกันภัย ก็จะได้รับค่าชดเชย แต่การชดเชยใช่ว่าจะจ่ายตามวงเงินสูงสุดที่ได้ทำสัญญาไว้เสมอไป เพราะว่ามูลค่าของทรัพย์สินอาจลดลงไปตามเวลาหรือปัจจัยอื่น ๆ เช่น เกิดการเสื่อมสภาพ ดังนั้นบริษัทประกันภัยจึงต้องมีทีมงานประเมินความเสียหาย (Surveyor) เพื่อให้การจ่ายค่าชดเชยเป็นไปตามเงื่อนไข มีความใกล้เคียงกับมูลค่าจริงของวัสดุหรือสิ่งของนั้นๆ นักกฎหมายของบริษัทประกันภัยหรือทนายของผู้ร้องทุกข์หรือจำเลย จะว่าจ้างนิติวิศวกรเพื่อมาตรวจสอบ (ซึ่งถ้าท่านใดมีลูกหลานที่ชอบงานสืบสวนสอบสวน แนะนำให้เรียนต่อด้านนี้เลยครับ งานดี เงินดีมาก) หรือปรึกษาเกี่ยวกับกระบวนการตรวจสอบความเสียหาย นิติวิศวกรจะต้องทำการตรวจสอบทุกๆ หัวข้อที่สามารถตรวจสอบได้ ดังนั้นวิศวกรผู้ตรวจสอบจะต้องเข้มงวดโดยตั้งสมมติฐานว่าสิ่งที่ทำการค้นหาจะต้องถูกนำไปพิสูจน์ในชั้นศาล สาเหตุที่เป็นไปได้ทั้งหมดของการเสียหายจะต้องถูกพิจารณาและตรวจสอบให้ครบทุกประเด็น

การแตกหักของเพลาในเครื่องจักรสำหรับขึ้นรูปฝาขวดที่ส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว

ในเนื้อหาที่ผมจะนำเสนอต่อไปนี้จะกล่าวถึงสาเหตุที่มักนำไปสู่การเสียหาย และกระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายในงานนิติวิศวกรรม ซึ่งประกอบไปด้วยการศึกษาข้อมูลเบื้องต้น การตรวจสอบด้วยสายตาบริเวณที่เกิดความเสียหาย การตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ การทดสอบแบบไม่ทำลาย การทดสอบแบบทำลาย การวิเคราะห์ความเค้น การสรุปผล และการเขียนรายงาน รวมทั้งงานนิติวิศวกรรมที่ทีมวิจัยการวิเคราะห์ความเสียหายฯ ของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติได้เข้าไปเกี่ยวข้องและมีบทบาทในการทำงานร่วมกับตำรวจพิสูจน์หลักฐาน ศาลคุ้มครองผู้บริโภค อัยการ และโจทย์

ชิ้นส่วนรถบิ๊กไบต์ที่เกิดการแตกหักหลังเกิดอุบัติเหตุและนำมาตรวจสอบว่าจุดเริ่มรอยแตกของชิ้นส่วนอลูมิเนียมมีจุดบกพร่องภายในหรือไม่ หรือว่าเป็นการแตกหักจากอุบัติเหตุ

โดยทั่วไปการเสียหายของชิ้นส่วน/อุปกรณ์/โครงสร้างวิศวกรรมสามารถเกิดจากสาเหตุหลากหลายประการ ดังนี้

- ผู้ใช้งานประมาท เลินเล่อ ใช้งานผิดประเภท ไม่ได้ผ่านการฝึกอบรมหรือถูกอบรมแบบไม่ถูกต้อง

- เกิดจากการซ่อมบำรุงและตรวจสอบที่ไม่ถูกต้องและเหมาะสม

- การออกแบบโครงสร้างที่ไม่ดี หรือการเปลี่ยนแบบที่ไม่ถูกต้อง เช่นมีการก่อสร้างเพิ่มเติม

- เลือกใช้วัสดุ หรือ กระบวนการผลิตที่ผิด

- มีจุดบกพร่องภายในวัสดุ เช่น โพรงอากาศในชิ้นงานหล่อ หรือ จุดบกพร่องจากการประกอบติดตั้ง เช่น รอยร้าวขนาดเล็กในแนวเชื่อม

- การกัดกร่อน (โดยเฉพาะวัสดุประเภท bolt และ nut)

- การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม เช่น เกิดการสูญเสียความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำ หรือสูญเสียความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง

- เกิดการล้าตัวหรือสึกหรอหลังจากผ่านการใช้งานเป็นระยะเวลานาน

- การรับแรงเกินพิกัดในระยะเวลาอันสั้น เช่น เกิดแผ่นดินไหว ธรณีพิบัติ ทอนาโด รับแรงกระแทก

- เกิดจากหลายสาเหตุร่วมกัน

ในระหว่างกระบวนการตรวจสอบ นิติวิศวกรจะต้องใช้เทคนิคและเครื่องมือในการทดสอบหลายชนิด เพื่อใช้ในการตรวจสอบหาสาเหตุของการเสียหายทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ จากการทดสอบด้วยเทคนิคและเครื่องมือต่างๆ จะทำให้วิศวกรสามารถตัดหัวข้อที่ไม่ตรงประเด็นหรือไม่น่าจะเป็นสาเหตุออกไปได้ และทำการประเมินหัวข้ออื่นๆ ที่ใกล้เคียงกว่า โดยหลักปฏิบัติ ทีมวิศวกรที่ตรวจสอบจะต้องรวบรวมข้อมูลให้มีลักษณะเป็นสายโซ่ของเหตุการณ์ต่างๆ (Chain of events) ที่สามารถสนับสนุนผลการตรวจสอบ นำไปสู่การประเมินผล และการค้นหาสาเหตุที่แท้จริงได้         

กระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายในงานนิติวิศวกรรม

ถึงแม้ว่าวิศวกรที่ตรวจสอบจะผ่านการฝึกอบรมและมีความเชี่ยวชาญเชิงวิทยาศาสตร์ในการระบุรูปแบบการเสียหายและสาเหตุที่เกิดขึ้น ซึ่งวิธีการที่ใช้ในการตรวจสอบจึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง การขาดความรู้หรือการไม่ทราบข้อกฎหมายจะส่งผลกระทบต่อการสร้างความน่าเชื่อถือทั้งกับลูกค้าและตัววิศวกรเอง ดังนั้น นิติวิศวกรควรดำเนินการตรวจสอบตามขั้นตอนพื้นฐานหลังจากที่ถูกมอบหมายให้ทำงาน ดังนี้

การศึกษาและหาข้อมูลเบื้องต้น (Background Information)

ขั้นตอนแรกของการวิเคราะห์ทางนิติวิศวกรรมเชิงโลหะ คือ การรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและการเลือกตัวอย่างที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ^[4] เรียนรู้และศึกษาทุกอย่างในประเด็นที่คิดว่าเป็นมูลเหตุก่อนที่จะเกิดการเสียหาย  ข้อมูลที่จำเป็นต่อการตรวจสอบได้แก่ ชิ้นงานที่เสียหายทำจากวัสดุอะไร และถูกใช้งานในสภาวะอย่างไร สิ่งที่ต้องจดจำคือ บางครั้งผู้ใช้งานจะให้ข้อมูลที่ไม่ตรงความเป็นจริง โดยเฉพาะข้อมูลที่ทำให้เขาเสียผลประโยชน์ สำหรับการเสียหายของชิ้นส่วน การบันทึกข้อมูลมีรายละเอียดดังนี้

1.  ขนาดและข้อกำหนดของชิ้นส่วน

2.  ระยะเวลาของการใช้งานของชิ้นส่วน

3.  ตารางการทดสอบ วิธีการตรวจสอบ การซ่อมบำรุง และกระบวนการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

4.  การปรับปรุงและการซ่อมบำรุงที่ผ่านมา

5.  สภาวะแวดล้อมของการใช้งาน (อุณหภูมิ ลม ความชื้น สิ่งแวดล้อมที่กัดกร่อน และ หรือสิ่งที่ผิดปกติอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเสียหาย)

การตรวจสอบด้วยสายตาบริเวณที่เกิดความเสียหาย (Onsite Visual Examination)
อุปกรณ์และเครื่องมือที่ควรจัดเตรียมไปในการตรวจสอบบริเวณที่เกิดการเสียหาย ได้แก่ โน้ตบุ๊ก ปากกา เทปวัดระยะ ไฟส่องสว่าง  กล้องถ่ายรูป แว่นขยาย เป็นต้น โดยมีวิธีปฏิบัติดังนี้

1.   ดูภาพรวมของเหตุการณ์ที่นำไปสู่การเสียหาย ถ้าการเสียหายที่เกิดขึ้นมีความซับซ้อน เช่น มีการเสียหายของหลายชิ้นส่วน ให้พยายามสังเกตจุดเริ่มต้นของการเสียหายจากจุดที่เสียหายในลำดับต่อมา สังเกตบริเวณที่เป็นจุดรวมของความเค้น (stress concentrator) บริเวณที่ถูกกัดกร่อน บริเวณที่มีการเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อน บริเวณที่ถูกเสียดสี หรือลักษณะที่ผิดปกติอื่นๆ ที่ปรากฏบนชิ้นงาน

2.   ถ้าชิ้นงานเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและเกิดการแตกหัก ให้ตรวจสอบชนิดและทิศทางของแรงที่กระทำ ซึ่งจะเป็นการบ่งบอกถึงชนิดและทิศทางการแตกหัก ศึกษาภาพรวมของรูปแบบทิศทางการแตกหัก โดยให้ค้นหาจุดเริ่มต้นของการแตกหัก (fracture origin) ซึ่งอาจจะมีมากกว่าหนึ่งจุด และในบริเวณที่เป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหัก ให้ตรวจสอบว่ามีจุดบกพร่องใน (material defect) จุดบกพร่องจากการเชื่อม (weld defect) จุดที่มีการสะสมของความเค้น (stress raiser) การกัดกร่อน (corrosion) หรือรอยร้าวจากการล้าตัว (fatigue crack) หรือไม่ สำหรับการแตกหักจากการล้า ในบางกรณีอาจไม่สามารถเคลมประกันได้ กล่าวคือ การล้าที่มีจุดเริ่มมาจากการเกิดแถบการเลื่อน (slip lines) และการกัดกร่อน แต่ถ้าสามารถชี้แจงได้ว่าการขยายตัวของรอยร้าวล้ามาจากอุบัติเหตุในระหว่างใช้งานก็จะสามารถเคลมประกันได้

3.   บันทึกข้อมูลที่ได้จากการตรวจสอบภาคสนามหรือที่หน้างาน ด้วยการถ่ายภาพ บันทึกในสมุด สเกตซ์ภาพ และมีการบอกขนาด ภาพถ่ายแต่ละภาพควรจะระบุตำแหน่งของชิ้นงานได้ รวมทั้งทิศทางและกำลังขยายด้วย โดยจะต้องมีไม้บรรทัด หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถใช้ในการบอกขนาดคร่าวๆ ได้ เช่น เหรียญ ปากกา ดินสอ เป็นต้น และควรบันทึกภาพวีดีโอระหว่างทำการตรวจสอบซึ่งโทรศัพท์มือที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ก็สามารถทำการบันทึกได้อย่างสะดวก

4.   ขั้นตอนสุดท้ายของการตรวจสอบภาคสนาม คือ การเลือกและการเคลื่อนย้ายตัวอย่าง เพื่อนำไปตรวจสอบเชิงลึกในห้องปฏิบัติการ ถ้าเป็นไปได้ควรเลือกมาทั้งชิ้นส่วนที่เกิดการเสียหายและชิ้นส่วนที่มีสภาพปกติ เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ ควรรักษาผิวหน้าชิ้นงานให้มีสภาพสมบูรณ์ที่สุด โดยเฉพาะผิวหน้าแตกหัก ไม่ควรมีการให้ความร้อน เพื่อทำการแยกชิ้นงานออกจากกัน เนื่องจากอาจทำให้ผิวหน้าแตกหักถูกทำลายหรือมีการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ แยกชิ้นส่วนที่ติดกันหรือผิวหน้าแตกหักด้านตรงกันข้ามไว้ในถุงหรืออุปกรณ์เก็บตัวอย่างอีกต่างหาก พยายามใส่หมายเลขกำกับของชิ้นงานแต่ละบริเวณที่เกิดความเสียหาย ตัวอย่างที่เลือกไปตรวจสอบควรเลือกมาจากบริเวณจุดเริ่มต้นจนถึงบริเวณที่เกิดการแตกอย่างรวดเร็วในขั้นตอนสุดท้าย ก่อนที่จะทำการตัดตัวอย่างให้ทำเครื่องหมายบริเวณที่จะตัด พร้อมถ่ายภาพบริเวณดังกล่าวไว้ด้วย และให้เขียนรหัสเพื่อไม่ให้เกิดความสับสนของแต่ละชิ้นส่วน รวมทั้งระบุตำแหน่งและทิศทาง ถ้ากระบวนการตัดทำให้เกิดความร้อนขึ้นกับชิ้นงาน ให้ตัดห่างจากบริเวณที่จะตัดในระยะที่เหมาะสม เพื่อไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงาน เก็บและแยกแต่ละตัวอย่างไว้ในถุงพลาสติกหรือถุงกระดาษที่สามารถปิดผนึกได้ ไม่ควรใช้เศษผ้าหรือสำลีปกคลุมผิวหน้าแตกหักของชิ้นงาน เนื่องจากอาจจะทำให้เกิดการเกาะติดของเส้นใยบนผิวหน้าที่ขรุขระได้ ไม่ควรใช้ถุงบรรจุที่เป็นผ้า พยายามรักษาสิ่งที่ปรากฏของตัวอย่างให้เป็นสายโซ่ด้วยรหัสของชิ้นงานบนถุงที่ปิดผนึก พร้อมทั้งการบันทึกข้อความที่มีสัญลักษณ์ของแต่ละตัวอย่าง และวันที่ของทุกๆ ขั้นตอนของการตรวจสอบ

การระเบิดของท่อลำเลียงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในโรงกลั่นน้ำมันที่ส่งผลกระทบต่อการหยุดกระบวนการกลั่นน้ำมันหลายวัน

การตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ (Laboratory Visual Examination)

ถ้าชิ้นงานสกปรก ควรทำความสะอาดอย่างระมัดระวัง  โดยให้นำไปล้างในอ่างอัลตร้าโซนิค (ultrasonic bath) สารทำความสะอาดที่ใช้ควรมีฤทธิ์อ่อน ๆ และไม่ทำปฏิกิริยากับชิ้นงาน  ชิ้นงานที่ผ่านการทำความสะอาดควรทำให้แห้งโดยการราดด้วยแอลกอฮอล์และเป่าลม เพื่อป้องกันการเกิดสนิม  จุดประสงค์พื้นฐานอีกอย่างหนึ่งของการตรวจสอบด้วยสายตาในห้องปฏิบัติการ  คือ เพื่อระบุตำแหน่งและกลไกของการแตกหัก  โดยให้ใช้ตาเปล่าสังเกตบริเวณที่เป็นจุดรวมความเค้น  ถูกกัดกร่อน  เกิดการเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อน  เกิดการเสียดสี  หรือลักษณะที่ผิดปกติอื่น ๆ  ที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักอีกครั้งหนึ่ง  (หลังจากการตรวจสอบที่หน้างานไปแล้ว) กระบวนการตรวจสอบด้วยสายตาจะไปสิ้นสุดที่การตรวจสอบที่กำลังขยายสูงขึ้น  โดยเริ่มตั้งแต่การใช้แว่นขยายแบบพกพา (handheld lens)  กล้องจุลทรรศน์แบบแสง  (optical microscope) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)  จะต้องทำการตรวจสอบความสัมพันธ์กันระหว่างลักษณะของการแตกหัก (เช่น แนวการขยายตัวของรอยร้าวเนื่องจากการล้าระดับจุลภาค (striation)  ระดับมหภาค (beach mark)  และร่องหลุม)  กับกลไกการแตกหัก (เช่น  รับแรงดึงเกินพิกัด  การล้า  การคืบ  และความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน)  จุดบกพร่องในชิ้นงานหล่อ รีด และตีขึ้นรูป มักสามารถชี้ชัดและยืนยันได้ในระหว่างกระบวนการตรวจสอบด้วยสายตา ดังนั้นการวัดค่าต่าง ๆ  ในขั้นตอนดังกล่าวนี้จึงเป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญ เพื่อเป็นการพิสูจน์ว่า  ค่าที่ได้จากการตรวจสอบอยู่ในช่วงที่กำหนดหรือไม่

การแตกหักของเพลารถยนต์เพื่อพิสูจน์ว่าการแตกหักเกิดจากกระบวนการผลิตหรือจากอุบัติเหตุ

การทดสอบแบบไม่ทำลาย (Nondestructive Testing)

บางครั้งการตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุการเสียหาย จะเลือกใช้เฉพาะการตรวจสอบด้วยสายตาและการทดสอบแบบไม่ทำลายเพื่อรักษาชิ้นงานให้มีสภาพคงเดิมมากที่สุด  เนื่องจากบางครั้งอาจจำเป็นต้องมีการตรวจสอบซ้ำ (จากทีมตรวจสอบชุดเดิมหรือทีมตรวจสอบชุดอื่น)  เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายที่นิยมใช้กันได้แก่  การฉายภาพด้วยรังสี  (Radiography) การทดสอบด้วยผงแม่เหล็ก (Magnetic Particle Test) การทดสอบด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิค (Ultrasonic Test) และการทดสอบด้วยกระแสไหลวน (Eddy Current Test) เป็นต้น การทดสอบเหล่านี้จะใช้ในการระบุชนิดและตำแหน่งของจุดบกพร่องบนผิวหน้าและภายในเนื้อวัสดุ เช่น รอยร้าว (Crack) ช่องว่างภายใน (Void) จากการสัมผัสอุณหภูมิสูงหรือได้รับแรงดึงเกินพิกัด สารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ (Non-metallic Inclusion) โพรงอากาศ (Porosity) รอยเชื่อมต่อ และจุดบกพร่องอื่น ๆ 

         

การทดสอบแบบทำลาย  (Destructive Testing)

บางครั้งชิ้นงานจำเป็นต้องมีการตรวจสอบแบบทำลาย ดังนั้นผู้ที่วางแผนการทดสอบควรดำเนินการอย่างระมัดระวัง การทดสอบแบบทำลายที่นิยมใช้กันเพื่อใช้ในการตรวจสอบสมบัติทางกลของวัสดุ  ได้แก่  การทดสอบแรงดึง (Tensile Test) การทดสอบความแข็ง (Hardness Test)  การทดสอบแรงกระแทก (Impact Test)  การทดสอบแรงบิด (Torsion Test)  การทดสอบแรงดัด  (Bending Test) และการทดสอบการล้า (Fatigue Test)  เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีการตรวจสอบแบบทำลายอื่น ๆ เช่น  การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ  เพื่อตรวจสอบว่ามีองค์ประกอบของธาตุเป็นไปตามข้อกำหนดหรือไม่  และการวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะจากภาพถ่าย (Metallography)  โดยใช้ชิ้นงานที่ผ่านการขัดมันและกัดกรดบนผิวหน้า  เพื่อให้ปรากฏโครงสร้างแล้วทำการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์หรือเทคนิคอื่น ๆ ชิ้นงานที่ผ่านการศึกษาโครงสร้างจุลภาคยังสามารถใช้ตรวจสอบความหนาและความต่อเนื่องของชั้นเคลือบ  ใช้ในการศึกษาความลึกและการขยายตัวของการกัดกร่อน  ใช้ในการตรวจสอบว่าชิ้นงานผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ถูกต้องเหมาะสมหรือไม่  และตรวจหาจุดบกพร่อง  เช่น  สารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ  โพรงอากาศ  รอยร้าวขนาดเล็ก  และอื่น ๆ  การทดสอบที่พิเศษขึ้นไปอีก เช่น  การทดสอบองค์ประกอบทางเคมีของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (Corrosion Product) หรือสารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะโดยใช้เทคนิค EDS, XRD, EPM  และ  AES 

         

การวิเคราะห์ความเค้น (Stress Analysis)

ในกรณีการเสียหายของโครงสร้างอาจจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์แรงและความเค้น  โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์  เช่น  ทฤษฎีคาน (Beam  Theory)  และไฟไนต์อิลิเมนต์ (FEM) ^[5]  เทคนิคเหล่านี้จะใช้ในการตรวจสอบเพื่อยืนยันว่าพื้นที่ที่เสียหายมีแรงเค้นกระทำเกินค่าวิกฤตหรือไม่  และใช้ศึกษาการเสียรูปที่ปรากฏของชิ้นงานขณะที่มีแรงมากระทำ  การวิเคราะห์นี้ช่วยในการชี้ชัดและระบุสาเหตุของการเสียหาย  เช่น  เกิดจากการออกแบบที่ไม่ถูกต้อง  รับแรงเกินพิกัด  ใช้งานผิดขั้นตอน การเสียหายโดยไม่คาดคิด  การใช้งานที่ไม่ถูกต้อง  การซ่อมบำรุงและการซ่อมแซมที่ไม่ถูกต้อง  การเสื่อมสภาพหรือการเปลี่ยนแปลงขนาดเนื่องจากการกัดกร่อน  การสึกหรอ  การคืบ  และการล้า เป็นต้น

แนวทางการสรุปผล

ผลที่ได้จากการตรวจสอบและทดสอบทั้งหมด ควรจะสนับสนุนลำดับเหตุการณ์การเสียหายที่มีความน่าจะเป็นมากที่สุด  ถ้าการตรวจสอบไม่ให้นัยที่สำคัญหรือมีสาเหตุของการเสียหายมากกว่าหนึ่งอย่าง และไม่สามารถอธิบายผลจากการตรวจสอบได้ จะต้องมีการทดสอบเพิ่มเติม  หรือทดสอบโดยการจำลองสถานการณ์จริง เช่น การศึกษาพฤติกรรมการกัดกร่อนด้วยเทคนิคทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Test) การศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของโลหะจากการสัมผัสที่อุณหภูมิสูงในเตา เป็นต้น

การเขียนรายงาน

รายงานควรประกอบไปด้วยส่วนต่าง ๆ ดังนี้   จุดประสงค์ของการตรวจสอบ  ข้อมูลเบื้องต้นก่อนการเสียหาย  วิธีการและขั้นตอนในการตรวจสอบ  ผลการทดสอบ  วิจารณ์ผล  และสรุปผล  ควรจะนำเสนอลำดับเหตุการณ์การเสียหายและสาเหตุการเสียหายให้มีความสมบูรณ์เพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจได้ง่ายและชัดเจน

การแตกหักของชุดเพลาในโรงรีดแผ่นเหล็กซึ่งส่งผลให้มีการหยุดกระบวนการผลิตหลายวัน

       

จากประสบการณ์ที่ผ่านมาของผู้เขียนซึ่งได้เข้าไปเกี่ยวข้องหรือทำหน้าที่เป็นนิติวิศวกร (Forensic Engineer) ในงานที่เกิดความเสียหายที่มีการเรียกร้องค่าเสียหายและมีการฟ้องร้องดำเนินคดีมากมายหลายตัวอย่าง เช่น การวิเคราะห์และตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุการเสียหายของใบพัดกวนน้ำตาล ซึ่งทำให้มีการเสียชีวิตของพนักงานที่ควบคุมเครื่องมือ การตรวจสอบหาสาเหตุการร่วงหล่นของผนังอาคารห้องเย็นขนาดใหญ่ (มาก) ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่จัดเก็บไว้ภายใน การวิเคราะห์และตรวจสอบหาสาเหตุการแตกหักของเพลาที่ใช้ในการลำเลียงตู้ขนส่งสินค้าทางเรือ ซึ่งทำให้เกิดการเสียหายของสินค้าที่บรรจุอยู่ภายใน การวิเคราะห์สาเหตุการเกิดเพลิงไหม้ของโรงงานผลิตสุราที่มอดไหม้ไปทั้งโรงงาน การตรวจสอบการระเบิดของท่อลำเลียงไอน้ำในโรงงานผลิตกระแสไฟฟ้าที่ส่งผลต่อการหยุดการผลิตของโรงงาน การวิเคราะห์การแตกหักของชุดเพลาในโรงรีดแผ่นเหล็กซึ่งส่งผลให้มีการหยุดกระบวนการผลิตหลายวัน การวิเคราะห์การแตกหักของเพลารถยนต์เพื่อพิสูจน์ว่าการแตกหักเกิดจากกระบวนการผลิตหรือจากอุบัติเหตุ การวิเคราะห์การแตกหักของเพลาในอุปกรณ์สำหรับขึ้นรูปฝาขวดที่ส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว การวิเคราะห์การแตกหักของเพลาในโรงงานผลิตชิ้นส่วนอลูมิเนียมส่งให้หยุดการผลิตชั่วคราว และการวิเคราะห์หาสาเหตุการระเบิดของท่อลำเลียงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในโรงกลั่นน้ำมันที่ส่งผลกระทบต่อการหยุดกระบวนการกลั่นน้ำมันหลายวัน เป็นต้น ในกระบวนการวิเคราะห์และตรวจสอบนั้น มีการใช้ความรู้หลายศาสตร์ โดยใช้ความรู้ทางนิติวิศวกรรมเป็นหลักในการตั้งสมมติฐานและดำเนินการตรวจสอบ ซึ่งข้อมูลที่รายงานออกไปนั้นเป็นการอธิบายโดยใช้ความรู้เฉพาะด้าน ดังนั้น ในบางกรณี ทางศาลหรืออัยการจึงจำเป็นต้องเชิญไปเป็นพยานในการให้ข้อมูลเพิ่มเติม ซึ่งเป็นประสบการณ์อีกอย่างหนึ่งของผู้เขียน และได้เรียนรู้ว่างานนิติวิศวกรรมต้องกระทำด้วยความรอบคอบ ใช้ความรู้ทางด้านวิศวกรรมควบคู่กับนิติศาสตร์และตรรกวิทยาเพื่อช่วยแก้ปัญหาทางกฎหมาย และข้อมูลอีกอย่างหนึ่งที่ได้รับก็คือ การให้ข้อมูลที่ไม่ตรงกับความเป็นจริงของผู้ที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากข้อมูลที่เป็นจริงอาจทำให้เขาเสียผลประโยชน์ แต่อย่างว่าล่ะครับ กระบวนการทางศาลสู้กันด้วยข้อเท็จและข้อจริง ขึ้นอยู่กับฝ่ายไหนจะมีข้อมูลมาหักล้างอีกฝ่ายหนึ่งได้

ผู้ที่ทำการวิเคราะห์และตรวจสอบงานนิติวิศวกรรมมีส่วนในการให้คุณและให้โทษ เพราะอาจทำให้ฝ่ายหนึ่งฝ่ายใดได้รับหรือเสียประโยชน์ เราจะต้องระมัดระวังไม่ให้ถูกครอบงำด้วยความคิดเห็นเริ่มต้นของเราเองหรือจากความคิดเห็นของผู้เชี่ยวชาญ เราต้องยึดหลักความเป็นจริงบนพื้นฐานความรู้ทางวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ที่เราศึกษามา เราต้องเชื่อและเชื่อมั่นในข้อสรุปตามหลักฐานที่ได้จากการตรวจสอบ ^[6] ดังนั้นหลักสำคัญของนิติวิศวกร คือ ต้องตรวจสอบ วิเคราะห์ และสรุปอย่างตรงไปตรงมา เป็นกลาง ไม่เข้าข้างฝ่ายใดฝ่ายหนึ่ง เพื่อให้กระบวนการตรวจสอบนั้นๆ ยุติ ด้วยความเป็น ธรรม นั่นเอง 

เอกสารอ้างอิง

1.   RA McCoy. Engineering Forensics at Youngstown State University. JFAPBC (2005) 6:13-17.

2.   S Brown. Forensic engineering: Reduction of risk and improving technology (for all things great and small). Engineering Failure Analysis 14 (2007) 1019–1037.

3.   RA Dean. Legal Issues Involved in Failure Analysis. JFAPBC (2004) 2:7-16.

4.   R Mirshams. A Case Study on Using Corrosion Analysis in Forensic Engineering. J Fail. Anal. and Preven. (2017) 17:642–646.

5.   I Anastasopoulos. Building damage during nearby construction: Forensic analysis. Engineering Failure Analysis 34 (2013) 252–267.

6.   M Louthan. Failure Analysis Lessons Learned from September 11. JFAPBC (2002) 2: 8.

การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากกรดโพลีไทโอนิค (Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking)

การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากกรดโพลีไทโอนิค (Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking; PTA SCC) เป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนตามขอบเกรนที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (Sensitized stainless steel) ในระหว่างการกลั่นปิโตรเลียมที่ผลิตภัณฑ์ตั้งต้นมีซัลเฟอร์เป็นสารเจือปน กลไกการเสียหายนี้มักเกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดมาตรฐานทั่วไปและเกรดที่มีคาร์บอนสูง แต่สำหรับเกรดที่มีคาร์บอนต่ำและเกรดที่มีความเสถียร (Stabilized grade) อาจได้รับผลกระทบในบางเงื่อนไข

การตกตะกอนของคาร์ไบด์บริเวณขอบเกรนและทำให้พื้นที่ข้างเคียงพร่องของโครเมียม

(http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2005/Stainless_steels/stainless.html)

Sensitization เป็นสภาวะการเสื่อมสภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่มีสาเหตุมาจากการตกตะกอนของคาร์ไบด์บริเวณขอบเกรนและทำให้พื้นที่ข้างเคียงพร่องของโครเมียม (Chromium depletion) โดยทั่วไปเหล็กกล้าไร้สนิมมักจะนำไปทำ Solution annealing ก่อนนำไปใช้งาน เพื่อให้โครเมียมจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในโครงสร้างออสเตนไนต์ อย่างไรก็ตามถ้าโลหะผสมถูกใช้งานในช่วงอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (Sensitization temperature) คือช่วง 370 – 815 องศาเซลเซียส [NACE, 1997] จะเกิดการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ที่มีโครเมียมสูง (Cr-rich carbides) เช่น  (Cr, Fe)₂₃C₆ ขึ้นตามบริเวณขอบเกรน ลักษณะดังกล่าวจะทำให้พื้นที่แคบๆ ที่อยู่ข้างแนวการตกตะกอนของคาร์ไบด์มีปริมาณโครเมียมลดลง  จนมีค่าต่ำกว่าค่าวิกฤติที่จะทำให้เกิดฟิล์มปกป้อง (Passive film) และมีความต้านทานการกัดกร่อนลดลง ดังนั้นบริเวณดังกล่าวจึงมีความไวที่สูงต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular corrosion) และการแตกร้าวตามขอบเกรนเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Intergranular stress corrosion cracking) ถ้าสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งการตกตะกอนของคาร์ไบด์สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในระหว่างการเชื่อมประกอบและในระหว่างการใช้งานในช่วงอุณหภูมิที่กล่าวมา ยิ่งถ้าชิ้นส่วนมีความเค้นตกค้าง (จากการขึ้นรูปและการเชื่อม) และความเค้นกระทำในระหว่างการใช้งานก็จะเพิ่มความไวต่อการแตกร้าวได้ง่าย ซึ่งสามารถประเมินความไวของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกต่อการตกตะกอนของคาร์ไบด์และเกิด PTA SCC ได้หลายวิธี เช่น แนวปฏิบัติตาม ASTM A262, ASTM G35 และ ASTM G180 เป็นต้น

องค์ประกอบที่ทำให้เกิด SCC

เป็นที่ทราบกันดีว่ากระบวนการลดปริมาณ/กำจัดสารปนเปื้อน (Hydrotreating) และกระบวนการแตกตัวโดยใช้ไฮโดรเจน (Hydrocracking) เป็นกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการกลั่นปิโตรเลียม โดย Hydrotreating จะใช้ในการกำจัดสารปนเปื้อน เช่น ไนโตรเจน ซัลเฟอร์และโลหะต่างๆ เพื่อเตรียมสารตั้งต้นเข้าสู่หน่วยการผลิตอื่นๆ เช่น catalytic reformer และ fluid catalytic crackers รวมถึงการอัพเกรดผลิตภัณฑ์ตรงและจากกระบวนการกลั่นอื่น ๆ เช่น visbreakers และ delayed cokers  เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานน้ำมันเชื้อเพลิงในปัจจุบัน สำหรับ Hydrocracking เป็นกระบวนการแตกตัวโดยอาศัยไฮโดรเจนช่วยเพื่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลงกว่า Feedstock ที่ให้ผลิตภัณฑ์มีสัดส่วนของแก๊สมากกว่าของเหลว ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันไฮโดรเจนที่สูง โดยหน้าที่ของไฮโดรเจน คือการทำให้สายของคาร์บอนบริสุทธิ์ปราศจากกำมะถันและไนโตรเจน โดยทั่วไปสภาวะการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์มักปฏิบัติการที่ความดัน 2.5 ถึง 10 MPa และที่อุณหภูมิ 325 ถึง 425 องศาเซลเซียส ในสภาวะดังกล่าวนี้สามารถส่งผลให้เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรดทั่วไปเกิดการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ตามขอบเกรนได้ ซึ่งสารป้อนของทั้งสองกระบวนการ (Hydrotreating และ Hydrocracking) จะมีซัลเฟอร์เจือปน และซัลเฟอร์ทำปฏิกิริยากับ H₂ ฟอร์มตัวเป็น H₂S จากนั้น H₂S ทำปฏิกิริยากับโลหะเกิดเป็นโลหะซัลไฟด์เกาะติดที่ผิวหน้าของเหล็กกล้าไร้สนิม ในระหว่างการปิดระบบเพื่อทำการซ่อมบำรุงทำให้สเกลซัลไฟด์ที่เกาะติดอยู่บนผิวโลหะทำปฏิกิริยากับความชื้นและอากาศแล้วฟอร์มเป็นกรดโพลีไทโอนิค ซึ่งกรดดังกล่าวมีสูตรทางเคมีเป็น H₂S_xO₆ แต่จากการศึกษาของ Moller ในปี 1984 พบว่ากรดที่อยู่ในรูปเตตระไทโอนิค (H₂S₄O₆) เท่านั้นที่ส่งผลให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนในเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ กรดนี้จะกัดกร่อนโลหะบริเวณขอบเกรนที่พร่องโครเมียมจากการเกิด Sensitization ดังที่กล่าวมาก่อนหน้านี้  ดังนั้น ปัจจัยที่เกิดร่วมกันระหว่างโครงสร้างจุลภาคที่เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ โลหะซัลไฟด์ที่เกาะติดผิวหน้า ความชื้น ออกซิเจน ความเค้นตกค้าง และความเค้นแรงดึงที่เกิดขึ้นในระหว่างปฏิบัติการสามารถส่งผลให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากกรดโพลีไทโอนิค (Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking)  ได้

หอกลั่นลำดับ

เนื่องจากความไวของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกต่อ PTA SCC จะเกิดในระหว่างการปิดระบบเพื่อซ่อมบำรุง ดังนั้นขั้นตอนที่ได้อธิบายไว้ใน NACE SP0170 เพื่อลดความไวหรือป้องกันการเกิด PTA SCC โดยได้แนะนำให้ทำการล้างผิวหน้าโลหะเพื่อให้มีสภาวะเป็นกลาง (Neutralization) ด้วยโซดาไฟก่อนหรือหลังจากสัมผัสกับอากาศและความชื้น นอกจากนี้ยังสามารถป้องกันได้โดยการกำจัดออกซิเจนออกจากสิ่งแวดล้อมโดยพ่นไนโตรเจนหรือกำจัดความชื้นโดยการพ่นอากาศแห้ง เป็นสิ่งที่ต้องดำเนินการก่อนเริ่มปฏิบัติการ อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนดังกล่าวเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายและทำให้เสียเวลา สำหรับการเลือกวัสดุที่ลดความเสี่ยงในการเกิด PTA SCC โรงกลั่นส่วนใหญ่มักนิยมเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดที่มีความเสถียร เช่น เกรด 321 หรือ 347 แต่พบว่าเหล็กกล้าไร้สนิมทั้งสองเกรดก็ยังไม่สามารถลดขั้นตอน Neutralization ได้ เพราะว่ายังสามารถเกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ได้และในที่สุดก็ยังมีความไวต่อ PTA SCC

โครงสร้างจุลภาคของชิ้นส่วน spacer ที่เกิด PTASCC

ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาโลหะผสมเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีความต้านทานต่อ PTA SCC ขึ้นโดยใช้หลักการทางวิศวกรรมขอบเกรน (Grain boundary engineering) ซึ่งปัจจุบันได้มีการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 347LN (UNS S34751) ที่สามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานโดยที่ไม่เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ และมีชื่อทางการค้าว่า “smiLLe^TM” โดยมีรายงานจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการว่าโลหะผสมดังกล่าวไม่เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์หลังจากการทำงาน 10,000 ชั่วโมง และไม่มีความไวต่อ PTA SCC และผลการทดสอบภาคสนามของท่อที่ผลิตจากวัสดุเกรดนี้ที่ใช้งานอยู่ใน Hydrocracker fired heater พบว่าไม่เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์หลังจากใช้งานมามากกว่า 100,000 ชั่วโมง นอกจากนี้เกรดนี้ยังไม่จำเป็นต้องทำให้โครงสร้างจุลภาคมีความเสถียรด้วยกระบวนการทางความร้อน (Thermal stabilized heat treatment) เหมือนกับที่กำหนดในเกรด 347 เนื่องจากเกรดดังกล่าวมีคาร์บอนเจือในระดับที่ต่ำกว่า 0.02% มีการเติมไนโตรเจนทำให้มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเทียบเท่ากับเกรด 347H สูงถึง 750 องศาเซลเซียส ดังนั้นโลหะผสมเกรด 347LN จึงสามารถใช้งานที่อุณหภูมิระหว่าง 350 ถึง 750 องศาเซลเซียส และธาตุผสมอื่นๆ ที่เพิ่มสมบัติด้านต่างๆ ดังรูปด้านล่าง

จุดเด่นของโลหะผสมเกรด 347LN
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127516309649?via%3Dihub)

การเสียหายกลไก PTA SCC นี้สามารถศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ API RP 571 (Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry) ซึ่งมีรายละเอียดครอบคลุมถึงกลไกการเสียหาย ความไวของวัสดุ ปัจจัยวิกฤติ แนวทางในการเลือกวิธีทดสอบ และปัจจัยควบคุม PTA SCC นอกจากนี้ ยังมีเนื้อหาที่ครอบคลุมใน NACE RP0170 (Protection of Austenitic Stainless Steels and Other Austenitic Alloys from Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking During Shutdown of Refinery Equipment) ซึ่งได้กล่าวถึงวิธีในการป้องกันหรือลดความรุนแรงรวมทั้งรายละเอียดของสาเหตุที่ทำให้เกิด PTA SCC ด้วย

เอกสารอ้างอิง

1.SA Bradley, MW Mucek, H Anada, T Osuki. Alloy for resistance to polythionic acid stress corrosion cracking for hydroprocessing applications. Materials and Design 110 (2016) 296–303.

2. S Rahimi, DL Engelberg, TJ Marrow. A new approach for DL-EPR testing of thermo-mechanically processed austenitic stainless steel. Corrosion Science 53 (2011) 4213–22.

3. A Abou-Elazm, R Abdel-Karim, I Elmahallawi, R Rashad. Correlation between the degree of sensitization and stress corrosion cracking susceptibility of type 304H stainless steel. Corrosion Science 51 (2009) 203–208.

4. M Shayegani, P Zakersafaee. Failure analysis of reactor heater tubes SS347H in ISOMAX unit. Engineering Failure Analysis 22 (2012) 121–127.

5. HM Nawancy. Failure of hydrocracker heat exchanger tubes in an oil refinery by polythionic acid-stress corrosion cracking. Engineering Failure Analysis 16 (2009) 2091–2097. 

6. NACE SP0170, Protection of Austenitic Stainless Steels and Other Austenitic Alloys from Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking During a Shutdown of Refinery Equipment, NACE International, Houston, TX.

7. T Osuki, K. Ogawa, H. Hirata, Y. Nishinomya, US Patent 8133431B2, “Austenitic Stainless Steel,” (March, 2012).

8. GE Moller. Designing with Stainless Steels in Stress Corrosion Environments. Corrosion Source Book 1984, ASM, 266 - 277.

9. Standard Practice for Evaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metals and Alloys in a Boiling Magnesium Chloride Solution, G36, vol. 03.02, Annual Book of ASTM Standards, ASTM, 2002.  

10. Standard Test Method for Electrochemical Reactivation (EPR) for Detecting Sensitization of AISI Type 304 and 304L Stainless Steels, G108, vol. 03.02, Annual Book of ASTM Standards, ASTM, 2002.

Stress Corrosion Cracking in Welded 316SS Screener Shaft

S. Kaewkumsai, S. Aumparn, 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. 4736, Fax.66-2564-6332, E-Mail: siamk@mtec.or.th

ABSTRACT

This paper described the failure of stainless steel shaft grade AISI 316, which has been investigated after being in service for nearly 3 years. It failed by stress corrosion cracking, which was originated at the welded zone. The investigation included visual examination, optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), spectrometry, and metallography. Analytical results revealed that crack was propagated at the outer surface of the welded zone. Significant evidence of pitting was observed in the originated zones which results from the corrosion attacked. It is necessary to check the material properties after welding process and one should ensure that the residual tensile stresses is prohibited.

KEY WORDS: Stress Corrosion Cracking; Stainless Steel; Branched Crack

1. Introduction

Stress corrosion cracking (SCC) is a term used to describe failures in engineering parts that result from environmentally assisted cracks propagation. This phenomenon is associated with a combination of stresses above some threshold values, specific environment and sensitive material, which leads to surface cracks especially in passive film forming metal [1]. Austenitic stainless steel parts were frequently subject to failure from stress corrosion cracking in chloride containing environments. To induce SCC, a high chloride concentration is required, although relatively small amount of chloride is sufficient on heated surfaces, area where chloride concentration can occur, or where chloride is concentrated by pitting or crevice corrosion. The cracking continues at low stresses and commonly occurs as a result of residual stresses from welding or manufacturing. The cracking is normally transgranular, although it may switch to intergranular mode as a result of sensitization of the steel.

In service, welding residual stresses can superpose on applied stress and if being tensile in nature, they may promote SCC. For on-site application, the maximum residual stresses produced in the welding process may be higher than the yield strength of material [2]. Since the breakdown of passive films has been recognized as playing a key role in the pitting and SCC of austenitic stainless steels, it is reasonable to correlate the effects of microstructure and residual stress on corrosion resistance to the properties of the passive film.

The failed material for failure analysis was the stainless steel screener shaft, which had been in service for nearly 3 years. The shaft was made of commercial stainless steel grade AISI 316. The shaft was used for vibrated the screener of plastic powder. The vibration amplitude and frequency cycles were controlled around 3 mm and 1000 cycle/second, respectively. The temperature in serviced was exposing around 80-90 ºC. The shaft was fabricated by welding process without preheat and post-heat at the welded location and fracture was found in this area. The fractured shaft for failure analysis is shown in Fig.1.

Fig.1 As- received screener shaft for failure analysis and fracture site

2. Investigation Methods and Results

2.1 Visual Examination

As-received fractured shaft was thoroughly examined visually with the aid of a stereo microscope. The shaft had fractured into two pieces. A portion of one of the mating fracture surfaces was cut away from the shaft and used for fractography. The fracture surface, which cut from as received failed shaft, was carefully examined both visually and the aid of a stereoscopic microscope (up to 10X). The fracture surface on the shaft shows the macro-view in Fig. 2a. The fracture surface was displayed a flat region normal to the axis on the shaft. The prominent array of radial marks indicative of brittle fast fracture was visibly observed (Fig. 2b). The crack originated on the outside surface of the shaft nearby the welded area. It emanated from the surface pit. Examination of the outside cylindrical surface of the shaft at the fracture origin site revealed a rust color scale and evidence of a small hole.

Fig. 2: Fracture surface of the failed part a) entire fracture surface b) radial marks radiated from the origin

2.2 Fractography with SEM

The fracture initiation site in the fractured specimen was examined in the scanning electron microscope (SEM). SEM examination of the surface of fracture origin area revealed a branched crack generated from the fracture origin and also was covered by the corrosion products as shown in Fig. 3a. The Energy Dispersive Spectrometry (EDS) was used to determine the chemical composition analysis of contaminant particles on the surface of fracture origin. The results of the corrosion products in a fracture origin area revealed the high peak of chlorine (Fig. 3b).

Fig.3a SEM fractograph of the fracture origin surface revealed a branched crack and was covered by corrosion products b) EDS spectrum of the corrosion products on in the area of fracture origin

2.3 Composition Analysis

A piece of shaft was subjected to spark emission spectrometer to determine the bulk composition of material. The chemical composition of the test sample is close to specification of AISI 316.

2.4 Cross-sectional and Microstructure Analysis

A sample was cut from the section near the fracture surface. The sample was prepared for examination by mounting, polishing, and etching with glyceregia solution. The microstructure in the base metal was generally found to be austenitic structure (Fig. 4a). The welded metal shows the dendritic structure, which was resulted from fast cooling rate. The microstructure characteristic near the fusion region is presented in Fig. 4b. Note the slag inclusions at the weld interface were found. A branched crack was found adjacent to base metal and welded metal. The crack morphology is typical of stress corrosion cracking.

Fig.4: a) Normal structure b) cracks at the weld interface

2.5 Hardness Testing

Micro-hardness measurements were taken across the fusion line region that included base metal and weld metals, which had carried out on metallographic sample. The hardness values of the welded metal were found to be a little greater than that of base metal. The hardness values are not shown significant information.

3. Discussions

Visual and macro-examination and SEM fractography clearly established that the screener shaft failed in mode of brittle fracture as indicated by the radial mark. The origin was located at a localized region on the outside cylindrical surface of the shaft. It was occurred nearby the toe of welded area that contained a small hole of slag inclusions and branched-cracks, which act as stress concentrators and fracture origin sites. SCC in austenitic stainless steels is easily recognized by the branched nature of transgranular cracks [3]. EDS analysis of the impurities on a small hole revealed that it contained a large amount of chlorine, an element that contributed to crack initiation. Chlorides are the big problem when using the 300 series grades of stainless steel. The combination of the residual stress, the presence of chlorine, and cyclic load makes the material susceptible to fracture.

Normally, stainless steel has a protective film that resists corrosion damage from chemical species. For the failed part, the defects generated from rust caused discontinuities in protective film. Welding often makes this situation worse, prone to the metallurgical alters and residual stresses introduced. Therefore, the failure of the shaft was probably caused by the interaction between the residual stress and chloride containing media at the welded areas followed by crack initiation and propagation. Suresh M. [4] said that the temperature usually needs to be above 70 ºC before SCC can occur. In this case, the service temperature was operated at 80-90 ºC, the ideal for generated SCC. The higher temperature, the higher concentration of chloride promote to occurrence of SCC.  In service, welding residual stresses can superpose on applied stresses and, the shaft being tensile in nature, they may promote SCC. In engineering practice, the maximum residual stresses produced in welding process may be higher than the yield strength of material, so that they can induce SCC without the aid of applied stresses.

4. Conclusion

The screener shaft was failed by stress corrosion cracking which was induced by chloride contamination in the service environment and the presence of residual stress. Stress relieve of the shaft after welding is necessary. Periodic cleaning of contaminants on the surface of the shaft is also recommended to avoiding such failure.

References

[1] Manfredi C. et al, “Failures by SCC in buried pipelines”, Eng Fail Anal, Vol.9, 2002, pp.495-509.

[2] Lu B.T., “Pitting and stress corrosion cracking behavior in welded austenitic stainless steel”, Electrochemica Acta, Vol.5, 2005, pp.1391-1403.

[3] Lynch S.P., “Failures of Structures and Components by Environmentally Assisted Cracking”, Failure Analysis Case Studies, Eng Fail Anal, Vol.1, 1994, pp.77-90.

[4] Suresh M. et al, “Failure Analysis of Stainless Steel Pipeline”, Eng Fail Anal, 2008, pp.497-504.

การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Two-metal- /Galvanic corrosion)

รูปที่ 1 การกัดกร่อนของโลหะต่างชนิดเมื่อมาเชื่อมต่อกันทางเคมีไฟฟ้า โดยมีแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมที่ยึดให้เข้ากันด้วยชุดสลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ที่ผ่านการสร้างฟิล์ม

การกัดกร่อนของชิ้นส่วนโลหะที่นำมาใช้ในการยึดชิ้นส่วนเข้าด้วยกันเป็นปัญหาที่นักออกแบบต้องให้ความสำคัญเป็นอย่างมาก ซึ่งหนึ่งในคำถามที่นักออกแบบจะต้องตอบคำถามให้ได้ว่าชิ้นส่วนโลหะที่เลือกใช้นั้นสัมผัสกับสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในระหว่างการใช้งานหรือไม่ ดังนั้นนักออกแบบที่ดีจึงควรมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการกัดกร่อนที่อาจจะเกิดขึ้นกับโครงสร้างที่มีการยึดต่อ ซึ่งมีอยู่หลายประเภท เช่น การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic corrosion) การกัดกร่อนจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress corrosion cracking) การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting corrosion) การเกิดออกซิเดชัน (Oxidation) การหลอมเนื่องจากความร้อน  (Thermal relaxation) เป็นต้น  

ดังที่พวกเราทราบกันดีแล้วว่า ถ้ามีโลหะต่างกันสองชนิดมาสัมผัสกันและเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าเคมีและอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลท์ชนิดเดียวกัน เมื่อเวลาผ่านไป โลหะที่ศักย์ต่ำกว่าจะเกิดการกัดกร่อน (อาโนด) ขณะที่โลหะที่มีศักย์สูงกว่าจะไม่กัดกร่อน (คาโธด) ความรุนแรงของการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นตามความต่างศักย์ของโลหะทั้งสองที่มากขึ้น

ความต่างศักย์จะทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างดลหะทั้งสอง ทำให้เพิ่มอัตราการกัดกร่อนของโลหะ ที่มีค่าความต้านทานต่อการกัดกร่อนน้อย และจะลดอัตราการกัดกร่อนของโลหะที่มีค่าความต้านมากกว่า โดยปกติโลหะที่มีค่าความต่างศักย์มากจะมีการกัดกร่อนค่อนข้างน้อยหรือแทบจะไม่เกิดเลย เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและความแตกต่างของโลหะ จึงมีการเรียกการกัดกร่อนแบบนี้ว่า Galvanic corrosion หรือ Two-metal corrosion ปริมาณกระแสและการกัดกร่อนขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นระหว่างโลหะทั้งสอง

การสัมผัสกันของโลหะสองชนิดจุ่มแช่ในอิเล็กโทรไลท์เดียวกันเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ดังนั้นการใช้โลหะต่างชนิดมาต่อกันหรือสัมผัสกันในการออกแบบโครงสร้างจึงเป็นเรื่องปกติธรรมดา โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างที่อยู่รอบๆ ตัวเราไม่ว่าจะเป็นสะพาน ผนัง รถบรรทุก ถังน้ำ ฯลฯ จะเห็นว่าโครงสร้างเหล่านี้มีการใช้สลักเกลียวเป็นตัวยึด นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลท์อาจอยู่ในรูปของน้ำ น้ำค้าง ไอหมอก ไอเกลือ ไอทะเล หรือแม้แต่แหล่งมลพิษต่างๆ ดังนั้นนักออกแบบต้องคำนึงถึงปฏิกิริยาของโลหะเหล่านี้ร่วมด้วย

โลหะแต่ละชนิดจะมีค่าศักย์การนำไฟฟ้าเฉพาะตัว แผนภูมิ "อนุกรมกัลวานิกของโลหะและโลหะผสม" เป็นการจัดอันดับของค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะแต่ละชนิดที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้จริง จากแผนภูมิเราจะเห็นว่าโลหะที่อยู่ด้านบนสุดจะมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำซึ่งจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายเมื่อเทียบกับโลหะที่อยู่ด้านล่าง  โลหะที่อยู่ห่างกันมากยิ่งมีความรุนแรงของการกัดกร่อนของโลหะที่เป็นขั้วอาโนดมาก (เช่นสังกะสีกับแพลตินั่ม จะเกิดการกัดกร่อนที่รุนแรงขึ้นกับสังกะสี) ดังนั้นการลดความรุนแรงของการกัดกร่อนเมื่อมีโลหะมาสัมผัสกันคือพยายามเลือกวัสดุชนิดเดียวกัน (ดีที่สุด) หรือให้อยู่ใกล้ชิดกัน เช่นทองเหลืองกับทองแดง ซึ่งถ้าสังเกตจากแผนภูมิหรือตารางจะเห็นว่าโลหะที่อยู่ในกลุ่มเดียวกันสามารถลดปัญหาการกัดกร่อนได้ แต่ถ้าอยู่ต่างกลุ่มจะมีปัญหาด้านการกัดกร่อนที่รุนแรงขึ้นตามความห่างของโลหะ นอกจากนี้เรายังสามารถสังเกตเห็นว่าโลหะที่มีการเติมนิกเกิลและโครเมียมจะมีทั้งที่มีความไวและต้านทานการกัดกร่อน และโลหะที่มีการสร้างฟิล์มจะเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน จากอนุกรมดังกล่าวเราจึงกล่าวได้ว่าเหล็กกล้ากับอะลูมิเนียมสามารถเข้ากันได้ดี แต่ถ้าทองเหลืองมาสัมผัสกับเหล็กจะพบว่าเหล็กเกิดการกัดกร่อนเนื่องจากมีความไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าทองเหลือง

และถ้านำแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมมายึดให้เข้ากันด้วยสลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ที่ผ่านการสร้างฟิล์มดังแสดงในรูปที่ 1 เมื่อเวลาผ่านไปเราจะเห็นว่าทั้งแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมเกิดกัดกร่อนอย่างรุนแรงเนื่องจากโลหะทั้งสองมีความไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม และในบรรดาโลหะทั้งสามชนิดจะเห็นว่าแผ่นอะลูมิเนียมเกิดการกัดกร่อนรุนแรงมากที่สุดเนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำที่สุดนั่นเอง นอกจากนี้เรายังสามารถสังเกตเห็นว่าเมื่อแผ่นอะลูมิเนียมสัมผัสกับแผ่นทองเหลืองก็จะเกิดการกัดกร่อนขึ้นกับแผ่นอะลูมิเนียมจากความต้านทานการกัดกร่อนที่ต่ำกว่านั่นเอง

อนุกรมกัลวานิกของโลหะและโลหะผสม

มีความไวต่อการกัดกร่อนมาก

·         แมกนีเซียมและโลหะผสมแมกนีเซียม ·         สังกะสี

·         อลูมิเนียม 1100 ·         แคดเมียม ·         อะลูมิเนียม 2024-T4 ·         เหล็กและเหล็กกล้า

·         ตะกั่ว ·         ดีบุก ·         นิกเกิล (active) ·         Inconel nickel-chromium alloy (active) ·         Hastelloy Alloy C (active)

·         ทองเหลือง (Cu-Zn alloys) ·         ทองแดง ·         ทองสัมฤทธิ์ (Cu-Sn alloys) ·         โลหะผสมทองแดง-นิกเกิล ·         โมเนล (70Ni-30Cu)

·         นิกเกิล (passive) ·         อินโคเนล (80Ni-13Cr-7Fe)

·         เหล็กกล้าไร้สนิม 304 (passive) ·         เหล็กกล้าไร้สนิม 316 (passive) ·         Hastelloy Alloy C (passive)

·         เงิน ·         ไทเทเนียม ·         กราไฟต์ ·         ทองคำ ·         ทองคำขาว

มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง

สำหรับสาเหตุที่ทำให้เกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธด ได้แก่

1.  ความแตกต่างของส่วนผสมเคมีในเนื้อโลหะ (Chemical composition couples) ซึ่งดูได้จาก Galvanic series ตัวอย่างการเกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธดจากโลหะต่างชนิดกันแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 การกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนสำหรับยึดฝ้าผนังเพดานที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กชุบสังกะสี จากภาพจะเห็นว่าการกัดกร่อนอย่างรุนแรงเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนเหล็กกล้าชุบสังกะสี (Galvanized steel) เท่านั้น

2.  ความแตกต่างของแรงเค้น (Stress Couples) บริเวณที่มีความเค้นมากกว่าจะเป็นขั้วอาโนด ตัวอย่างการเกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธดจากจากความเค้นที่ต่างกันแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 ที่มีการนำมาเชื่อมต่อกัน ท่อด้านซ้ายเป็นท่อโค้ง (Elbow) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า ผ่านการขึ้นรูปด้วยการ Forging แล้วนำมาเจาะรู ในขณะที่ท่อด้านขวาเป็นท่อตรงที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยการ Extrusion ซึ่งผ่านการอบคลายความเค้น จะเห็นว่าท่อตรงมีการกัดกร่อนที่รุนแรงมากกว่า

3.  ความแตกต่างของความเข้มข้น (Concentration couples) บริเวณที่มีออกซิเจนน้อยกว่าจะเป็นขั้วแอโนด เช่นในซอกหรือช่องแคบเป็นต้น