Революционная технология измерения углерода и углеродного эквивалента

Для тех, кому нужно измерить углерод в стали, теперь есть портативный анализатор. Если раньше операторы либо использовали технологию искрового OES, что требовало значительного опыта оператора, либо нанимали стороннюю испытательную компанию, чтобы принести OES с собой, теперь есть лучший вариант.

Два года назад SciAps представила первую в мире установку LIBS, которая различает стали по содержанию углерода в сталях и нержавеющей стали и проверяет углеродные эквиваленты на свариваемость металлов. SciAps впервые поместил анализ углерода в вашу ладонь. Кроме того, SciAps стремится к бесплатному обучению, включая переподготовку, для большего числа более подготовленных операторов. Уже сейчас почти 600 единиц используются практически во всех крупных отраслях промышленности по всему миру.

Почему углерод?

Многие из людей , запустивших SciAps в 2013 году, были ветеранами индустрии портативных рентгеновских аппаратов , которые были основателями и / или сотрудниками двух ведущих компаний по производству портативных анализаторов сплавов, Niton и InnovX (ныне Thermo Fisher Scientific и Olympus).

В то время рентгеновская технология использовалась как скала с переходными металлами и тяжелыми металлами, даже с Mg, Al, Si, P и S.  Рентгеновские лучи отлично подходят для нержавеющих, жаропрочных сплавов, латуни / бронзы, алюминия и т. Д. , значительно улучшая анализ сплавов и обработку специальных приложений, таких как низкокремнистые стали для сульфидной коррозии, содержание P и S в сталях и нержавеющей стали.

Несмотря на все эти нововведения, у портативных рентгеновских аппаратов оставалось существенное ограничение: углерод. Чрезвычайно низкая энергия углеродных рентгеновских лучей будет полностью поглощена материалом окна, закрывающим детектор, и воздухом на пути. То же самое и с другими элементами с низким атомным номером, такими как кислород, азот, бор, литий и бериллий. Без закрытой системы в высоком вакууме, где вам пришлось бы удалить кусок металла, нет практического способа измерения углерода или подобных «легких элементов» с помощью портативного рентгеновского пистолета.

Тем не менее, концентрация углерода имеет решающее значение для проверки в сталях и нержавеющей стали. Для свариваемости стали важно определить углеродные эквиваленты. Для измерения CE требуется C, а также обычные легирующие элементы, такие как Mn, V, Cr, Ni, Cu, Mo и Si. Вы можете измерить эти другие элементы с помощью рентгеновских лучей, но без углерода нет CE.

Пользователи нержавеющей стали сталкиваются с аналогичной проблемой. Многие специально требуют использования нержавеющей стали с низким или высоким содержанием углерода, например 316 или 316L. Для марок L требуется, чтобы содержание углерода составляло <0,03%, тогда как для марок H требуется, чтобы содержание углерода было> 0,04%. Учитывая огромный объем стали и нержавеющей стали, которая производится, используется и перерабатывается во всем мире, портативное устройство, позволяющее отличить L от прямого и H-сорта, является большим прорывом.

Карбоновая старая гвардия: Spark OES

До 2017 года искровой OES был единственным методом анализа углерода в полевых условиях. Spark OES работает, генерируя высокочастотную электрическую искру, которая нагревает и прожигает металл и создает электронную плазму, отрывая валентные электроны от различных атомов (углерода, хрома, железа, марганца и т. Д.), Составляющих сплав. Когда плазма мгновенно охлаждается, электроны рекомбинируют с атомами, излучая свет в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектрах. Бортовой спектрометр собирает свет, анализирует интенсивность на различных длинах волн и применяет калибровку для определения химического состава элементов.

Spark OES был единственным методом анализа углерода в полевых условиях, пока SciAps не изобрела портативный LIBS для той же цели. Но у Spark OES есть ряд проблем. Для получения достоверных данных необходим опытный, хорошо обученный оператор. Для анализа требуется среда инертного газа, обычно аргона, поэтому искровые системы работают в паре с тяжелым (40+ фунтов) металлическим резервуаром с аргоном под высоким давлением. Пользователи должны продуть систему искры перед ее использованием, а затем непрерывно запускать аргон во время тестирования (например, большой резервуар). В целях безопасности газ аргон обычно отключается перед перемещением OES, что затем требует повторной продувки и часто повторной калибровки, когда устройство находится в следующем месте. Спектрометр тоже достаточно большой. Все эти компоненты покоятся на тележке с тележкой для перемещения в различные места проведения испытаний. Для испытания трубопровода «в канаве»,

Ограничения мобильности значительны. Типичные жалобы связаны с трудностями при входе в канавы трубопровода, на вышки, на стеллажи с материалом или над ними. Перемещение и повторная продувка снижает производительность. Стоимость и доступность аргона, особенно в более сельских или изолированных районах, является проблемой. Тем не менее, до недавнего времени искровое ОЭС было единственным выбором для углеродных работ в полевых условиях, и этот метод дает надежные данные при условии, что операторы хорошо обучены и соблюдают СОП.

Что такое LIBS и как он работает?

LIBS (спектроскопия лазерного пробоя) – это метод OES, подобный искровому OES, но энергоемкая высоковольтная искровая система заменена очень маленьким мощным импульсным лазером. SciAps превратили лазер и другие ключевые компоненты в миниатюрный портативный компьютер весом 4,5 фунта . Этот прорыв потребовал трех основных нововведений:

• Мы заменили искровую систему миниатюрным импульсным лазером, чтобы испарить небольшую часть материала и создать плазму из валентных электронов.  Сам по себе лазер SciAps – это новаторский подвиг. Размером примерно 1 дюйм, он обеспечивает очень низкую среднюю мощность (импульс энергии 6 мДж), но невероятно высокую мгновенную мощность (50 раз в секунду). Средней мощности недостаточно для испарения стали или жаропрочных сплавов. Но лазерный луч фокусируется в маленькое пятно (100 мкм) за очень короткий промежуток времени (1 нс). Сравните это с лазерной указкой, где вы нажимаете и удерживаете кнопку ON, и лазер непрерывно освещает точку. В случае LIBS лазер освещает точку в течение миллиардной секунды, отдыхает и перезагружается примерно на 1/50 секунды, затем
  повторяется. Выполните математические вычисления, и мгновенная мощность, передаваемая в это место на стали, находится в диапазоне гигаватт / см 2, что вполне достаточно для испарения сплава в этом месте. Итак, первой важной разработкой было получение лазера, который мог доставить импульсный луч хорошего качества в небольшом пятне (100 мкм) за очень короткий промежуток времени (1 нс), питаемый от очень маленькой батареи, которая также питает процессор и отображать.
• Мы изобрели процесс чистки. Узкий лазер требует небольшого продувочного объема (несколько кубических сантиметров). Между испытаниями поток аргона прекращается. В результате потребление аргона сокращается примерно в 1000 раз, позволяя крошечной канистре (длиной 3 дюйма, диаметром 1 дюйм, менее 100 г / 4 унции) в ручке устройства заменить резервуар с аргоном весом 40+ фунтов. Канистра рассчитана на 600 ожогов, то есть на 600 углеродных испытаний или 125–150 проб на месте, а ее замена стоит 7 долларов. Вы можете носить Z куда угодно, не отключая аргон и не продувая заново.
• Мы уменьшили спектрометр в миниатюре, сохранив необходимый спектральный диапазон и разрешение, особенно для линии углерода, а также для различных переходных и тяжелых металлов. Например, для измерения линии углерода на длине волны 191,3 нм требуется разрешение <0,1 нм при полной ширине на полувысоте (FWHM) из-за соседних интерферирующих линий железа от возбуждения основного металла.

Кто его использует и одобрил?

Поскольку через третий год SciAps закрывает коммерческие поставки почти 600 углеродных единиц, портативные LIBS теперь включены в Рекомендуемую практику 578 API (3- ^е издание) для испытаний на углерод.

Большинство крупных владельцев / операторов трубопроводов  используют SciAps Z для своих материалов. Фактически, приложение SciAps Pipeline родилось, когда крупнейший владелец / оператор протестировал и принял Z для углерода и CE в материалах трубопроводов с помощью специального протокола тестирования. Четыре независимых исследования, в том числе Институт газовой технологии и ASTM, доказали, что SciAps Z по своим характеристикам эквивалентен или превосходит технологию искрового OES . Эти исследования обычно включают полевые испытания как с искровыми OES, так и с портативными LIBS, при этом образцы отбираются для внешних лабораторных испытаний. Во всех исследованиях точность и точность портативных LIBS были на одном уровне с искровыми OES.

M AJOR нефтеперерабатывающие развертывают их для тестирования углерода, как и инспекционные компании , которые поддерживают их программу NDT / PMI. Наиболее распространенными приложениями для анализа углерода являются сталь для трубопроводов на предмет содержания углерода и эквивалента углерода, проверка нержавеющей стали классов L и H, а в последнее время – анализ остаточных элементов (API 751).

Все чаще используются портативные LIBS для исследований сульфидной коррозии, чтобы убедиться, что содержание кремния в углеродистой стали <0,1%. Т он электроэнергетика использует технологию экстенсивно для потока ускоренной коррозии исследования для проверки содержания хрома в стали в диапазоне от 0,03%. Нормативные требования к портативным рентгеновским аппаратам делают портативные LIBS привлекательной альтернативой.

В индустрии лома и вторичной переработки также растет интерес к использованию LIBS-анализаторов для измерения так называемых загрязняющих элементов, включая литий, в алюминиевом ломе и содержания углерода в стали. Хотя XRF является лучшим анализатором для сортировки алюминиевых сплавов , SciAps рекомендует использовать LIBS в нишевых приложениях, в том числе для измерения углерода, бора, бериллия и лития, которые являются элементами, которые XRF не может измерить.

SciAps Z для углеродистой стали и нержавеющей стали: проверенная портативная технология, установленная почти на 600 объектах по всему миру.

Правдивые демо-истории с мест