Сравнение лазерной и портативной технологий для PMI

Портативные рентгеновские спектрометры РФА в течение длительного времени были опорой для специалистов в области идентификации марок, и неразрушающего контроля состава металлов в секторе PMI. В последние годы рост производительности расширил области применений этих приборов, в то время как новые портативные лазерные анализаторы LIBS также показали свои возможности и продемонстрировали, что они незаменимы в отрасли. Портативные приборы стали очень популярными благодаря своему небольшому форм-фактору, портативности и способности быстро идентифицировать материалы без разрушения, не перемещая их в лабораторию.

PMI или Подтверждение Марки и Химсостава Металла для ремонтного и входного контроля является важнейшим аспектом управления активами в целом ряде отраслей, таких как нефтепереработка и газопереработка, химическая переработка, энергетика, аэрокосмическая и морская промышленность. PMI также используется в производстве, чтобы гарантировать, что правильная марка сплава используется для каждого применения.

Часто задают вопрос, какая портативная технология лучше? В этой статье мы рассмотрим обе технологии/анализатора, чтобы понять, что лучше всего подойдет для вашей аналитической задачи.

Портативные РФА

Первые портативные рентгеновские анализаторы металлов (РФА) появились в 1994 году. Портативные спектрометры освободили металлистов, специалистов отдела контроля качества и геологов от ограничений их лабораторий, в которых размещались большие настольные и напольные системы. С ручными пистолетами стало возможным проводить анализ элементного состава руд и металлов стало возможным проводить в любом месте, где необходимо: на трубопроводе, в цеху, карьере или в поле, проводя оценку месторождений. С тех пор анализаторы стали меньше, легче, быстрее, с более длительным временем автономной работы и новыми аналитическими возможностями, и еще одно важное преимущество – это удобство и простота использования. В настоящее время существует огромное количество производителей этих инструментов. Самой новой системой на рынке является модель X-550, разработанная компание SciAps, которая продолжает поднимать планку с точки зрения производительности и функций, а также отличается компактностью и особой формой измерительного блока, облегчая доступ к более узким пространствам.

Портативные рентгеновские анализаторы работают аналогично своим более «крупным собратьям», подвергая образцы воздействию рентгеновского луча, который ионизирует образец, вытесняя электроны с низкоэнергетических орбиталей (обычно K и L орбиталей). Эти вакансии заполняются электронами с более высоких внешних орбиталей энергии. Это движение приводит к выделению рентгеновских лучей заданной длины волны, которые характерны для пораженного элемента / атома. Таким образом, анализ результирующего спектра энергодисперсионным рентгеновским спектрометром позволяет идентифицировать присутствующие элементы. Интенсивность результирующих пиков пропорциональна их концентрации, что делает возможным количественный анализ и, следовательно, идентификацию рассматриваемого сплава.

Эти приборы могут эффективно измерять все элементы от Магния до Урана. Они заслуженно завоевали репутацию экспресс анализаторов, способных точно определять состав большинства металлов и сплавов, особенно тех, которые содержат высокие уровни легирующих переходных металлов или тугоплавких металлов, таких как нержавеющая сталь, титан, никель, сплавы на основе кобальта, а также специальные сплавы на основе циркония, вольфрама или тантала. Более современные анализаторы, такие как SciAps X-550, теперь способны быстро и точно анализировать алюминиевые и магниевые сплавы, особенно когда необходимо определять малые содержания Магния, Кремния. С такими задачами спектрометры прошлого поколения не справлялись на коротком времени теста.

Легкие элементы традиционно трудно измерить с помощью рентгеновского излучения, а также с портативными рентгеновскими анализаторами (РФА). Это происходит потому, что флуоресцентные рентгеновские лучи, генерируемые указанными легкими элементами, имеют такую низкую энергию, что они с трудом улавливаются детектором в воздушной среде. Разработка кремниевого дрейфового детектора (SDD) ослабила это ограничение. Однако элементы легче, чем магний-прежнему находятся за пределами возможностей портативной рентгеновском спектроскопии.

Портативные лазеры LIBS

В то время как технология LIBS или ЛИЭС (Лазерная Искровая Эмиссионная Спектроскопия) была открыты в 1960-х годах вскоре после того, как были изобретены лазеры, первая (громоздкая) коммерческая система появилась на свет в 1990-х. Однако, портативные прибора на основе этой технологии появились на рынке только в последние годы.

Физика LIBS анализа похожа на более традиционный искровой оптико-эмиссионный спектрометр ОЭС. В обоих случаях небольшое количество материала испаряется с поверхности с помощью источника высокой энергии (электрической искры или импульсного лазера). В случае LIBS генерируется крохотное облако плазмы на поверхности анализируемого образца. Когда образующиеся ионы распадаются обратно в основное состояние, они испускают свет с характерной длиной волны. Этот свет взаимодействует с дифракционной решеткой, которая расщепляет его на составляющие длины волн, которые затем анализируются спектрометром. Учитывая, что каждый элемент имеет свою собственную характеристическую длину волны, состав образца может быть количественно определен.

На картинке

Laser PulseЛазерный Луч
Metal SampleМеталл – объект анализа
Plasma BurstМикро Плазма
SpectrometerCпектрометр
LIBS BenefitsПреимущества LIBS
Alloy identificationИдентификация марки сплава
No sample prepБез зачистки
LLD to trace levelНизкие пределы обнаружения до ppm
High sensitivity to carbonВысокая чувствительность к Углероду
50 m resolutionРазрешение 50 μm

Использование лазера было ключом к миниатюризации технологии из-за ее энергоэффективной природы, которая может питаться от батареи. С другой стороны, генерация электрической искры требует много энергии. Размер лазерного пятна также намного меньше, чем место искры, требуя гораздо меньше (приблизительно в 1000 раз меньше) аргона. Таким образом, там, где искровому ОЭС спектрометру потребуется большой газовый баллон с аргоном, ручные лазерные LIBS или ЛИЭС анализаторы могут обслуживаться крошечной канистрой, похожей на те, которые используются в сифонах соды. Еще одним фактором, влияющим на портативность была миниатюризация детектора. Несмотря на небольшой размер портативных ЛИЭС параллельные тесты с ОЭС показали, что оба метода дают одинаковые результаты.

Газ аргон, используемый в таких системах, как SciAps Z200 C+, заполняет область измерения, гарантируя, что любые посторонние атмосферные газы и кислород исключены из анализа. Эти приборы также обычно анализируют множество точек за одно измерение, чтобы гарантировать точность.

Этот тип приборов стал очень востребованным в последние несколько лет, поскольку он обладает способностью точно измерять содержание углерода, чего не может сделать рентгено-флуоресцентный прибор РФА. Наиболее чувствительные приборы способны различать высоко/низколегированные и стандартные марки нержавеющих сталей (например, 316L с содержанием углерода менее 0,03%, 316 и 316H) и других углеродистых сталей. Кроме того, встроенные алгоритмы позволяют техническим специалистам определять углеродные эквиваленты (CE), что важно для работы в полевых производственных условиях, где требуется ремонт сварных швов, например техническое обслуживание трубопроводов или высотных металлоконструкций.

Портативные анализаторы LIBS также превосходно справляются с измерением легирующих элементов, присутствующих в низких концентрациях. Сюда входят такие элементы, как никель, хром и медь, которые в малых содержаниях используются в углеродистых сталях для нефтехимических заводов и атомных электростанций.

Лазерный LIBS имеет преимущество перед рентгеновским РФА в том, что он способен измерять сверхлегкие элементы, а также углерод, поэтому теперь возможен анализ сплавов, содержащих литий, бериллий и бор и углеродистых и нержавеющих сталей с углеродом.

LIBS также является идеальным решением для анализа сульфидной коррозии на нефтеперерабатывающих заводах, где он может измерять содержание кремния ниже 0,02% менее чем за 3 секунды. Он также идеально подходит для контроля нарастания потоковой коррозии (FAC), требующей измерения содержания хрома на уровнях менее 0,03% всего за несколько секунд. Важно, что с лазером это возможно без необходимости рентгеновского излучения. В некоторых странах запрещено использовать анализаторы с источником ионизирующего излучения, в том числе с рентгеновской трубкой на атомных станциях в целях повышения безопасности.

Хотя портативный метод LIBS является относительно новым на рынке, он уже признан американским нефтяным институтом API в качестве общепринятого метода измерения углерода и других легирующих элементов в сталях и нержавеющих сталях в соответствии с рекомендуемой практикой API 578 (3-е издание). В этом приложении содержание углерода и его эквиваленты измеряются при подготовке к ремонту сварных швов. Компания First Gas (Новая Зеландия) также разработала свой собственный рабочий процесс с использованием портативных лазерных анализаторов SciAps Z 200C+ для той же цели. Они проводят экспресс анализ сварных швов, горячих кранов-распределителей на месте, прежде чем начать ремонт своих газопроводов, исключая трудоемкий процесс отправки образцов в лабораторию.

Заключительные выводы

В обоих случаях приборы имеют встроенные библиотеки марочники/ базы данных, позволяющие мгновенно идентифицировать марку металла или сплава. Все приборы оснащены камерами, чтобы можно было прицеливаться на определенные места и записи фотоизображений образца или точки анализа, а также GPS, чтобы измерения можно было сопоставлять с конкретными местоположениями. Для удобства некоторые из них также включают WiFi и Bluetooth, так что измерения могут быть переданы в режиме реального времени на любой компьютер, планшет или в центральную лабораторию. Другие функции, которые могут быть полезны, – это индивидуальные автоматизированные отчеты, автоматическое резервное копирование данных в облако и объединение данных из нескольких инструментов, включая РФА или LIBS (ЛИЭС), даже от разных производителей.

Оба метода имеют свои сильные и слабые стороны, но одновременно они эффективно дополняют друг друга, комплект двух анализаторов охватывает больший спектр аналитических задач по подтверждению и идентификации металлов, по сравнению с конкурентами. При выборе технологии и анализатора, главное, с чем нужно определиться это то, что вам нужно проанализировать. Короче говоря, если вам нужно измерить сплавы, содержащие углерод и низколегированные стали, в частности, если вам нужно разделять нержавеющие стали марки по содержанию в них углерода, лазерный LIBS для вас. Для почти всех остальных задач, связанных с подверждением марки и сортировкой металла, РФА является лучшим выбором. Если вы не знаете, с чем имеете дело, вам лучше всего взять оба инструмента с собой, в поле или на объект, используя такое решение как “One Box” или комплект двух анализаторов: лазера и рентгена.

Похожие новости