بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي علل , عوامل , مقايسه و معرفي روشهاي بازرسي جهت تشخيص عيوب حاصل از پديده حمله هيدروژني در دماي بالا (HTHA)
چکيده
حمله هيدروژني در دماي بالا (HTHA) در فولادها، به دليل نفوذ هيدروژن اتمي در دما و فشار بالا و ترکيب آن با کاربيد فلزاست که منجر به جدا شدن کربن از کاربيد و تشکيل حبابهاي گاز متان درمرزدانه ها مي گردد. نتيجه اين فرايند تشکيل ترکهاي بسيار ريزي است که در مرزدانه ها ايجاد شده و منجر به افت شديد خواص مکانيکي فلز خواهد شد. تشخيص حمله هيدروژني در پالايشگاه ها و نيز مخازن تحت فشار و کليه صنايعي که در معرض اين پديده قرار دارند از اهميت بالايي برخوردار است . براي تشخيص حمله هيدروژني روشهاي مختلفي وجود دارد که اغلب آنها بر پايه التراسونيک مي باشد. روشهايي مانند Mapping, TOFD, Ultrasonic Attenuation, Velocity Ratio, Backscattering ،AUBT و Phased Array. در اين مقاله سعي شده علاوه بر بررسي هرکدام از اين روشها، تجهيزات مورد نياز، مزايا و محدوديت هاي هر روش و ميزان کارايي آنها، ديدگاه مناسبي به صاحبان صنايع مرتبط در جهت تشخيص اين پديده خطرناک داده شود. همچنين سعي شده تا دو روش جديد TOFD وMapping در خصوص تشخيص HTHA معرفي گرديده و نتايج يک تحقيق عملي که بر مبناي روش Mapping ميباشد ارائه گردد.
واژه هاي کليدي : حمله هيدروژني در دمـاي بـالا (HTHA) - نسـبت سـرعت (Velocity Ratio) – ميرائـي مـوج آلتراسونيک (Attenuation)- زمان پرواز موج پراش (TOFD) - موج طولي - موج عرضي
مقدمه
حمله هيدروژني در دماي بالا (High Temperature Hydrogen Attack) يکي از مهمترين مکانيزمهاي تخريب در صنايع نفت , گاز و پتروشيمي ميباشد که در صورت عدم تشخيص به موقع ميتواند صدمات جبران ناپذيري را وارد نمايد. لذا توجه ويژه به منشاء و روشهاي بازرسي و تشخيص اين پديده و اتخاذ تصميم مناسب در خصوص تجهيزاتي که در معرض اين خطر قرار دارند را طلب ميکند.
پديده حمله هيدروژني در دماي بالا يا به اختصار HTHA در فولادهاي کربني کم آلياژ که در معرض فشار بالاي هيدروژن و دماي بالا بصورت توامان هستند مطابق واکنش زير اتفاق ميافتد:
هيدروژن در دما و فشار بالا, در مجاورت کربيد آهن مطابق واکنش بالا توليد گاز متان و فلز آزاد مينمايد. گاز متان توليد شده با آزاد شدن و تجمع در مرز دانه ها, منشاء آغاز اين پديده و ديگر مشکلات در تجهيز مورد نظر ميگردد. همانگونه که در شکل ٢ مشاهده ميشود, اين گاز متان در مرز دانه ها تجمع نموده و تشکيل ناپيوستگي ميدهد.
ميزان فشار گاز متان توليد شده تابعي است از فشار و دماي هيدروژن . با افزايش فشار گاز متان , ناپيوستگي هاي ايجاد شده از مرز دانه ها شروع به رشد نموده و با پيوستن به يکديگر ايجاد ريزترک ها (Micro Cracks) مينمايند. شکل ٣ مراحل ايجاد پديده حمله هيدروژني را از ابتداي تشکيل حباب هاي گاز متان در مرز دانه ها تا ايجاد شکست در قطعه را نشان ميدهد. اين پديده هم در فلز پايه و هم در مناطق مجاور جوش ها, خصوصا منطقه تحت تاثير حرارت (Heat Affected Zone) ميتواند رخ دهد (شکل ٤).
استانداردها و روشهاي بازرسي و تشخيص HTHA :
در سال ١٩٧٧ و بر اساس مشکلات بوجود آمده به واسطه اين پديده موسسه API استانداردي را تحت شماره ٩٤١ تدوين نمود که طي آن شرايط و دماي کاري تجهيزاتي را که در مجاورت محيط هاي داراي هيدروژن بود تعيين مينمود. اما اين استاندارد در سال ١٩٨٣ در پي گزارش مواردي از پديده حمله هيدروژني در دماهاي مجاز, مورد بازبيني قرار گرفت و بر اساس آن تجهيزات ميبايستي با در نظر گرفتن عوامل و محدوديت هائي نظير فشار نسبي هيدروژن و دماي کاري که گذر از اين شرايط احتمال وقوع پديده مزبور را افزايش ميدهد, در فواصل زماني مشخص بوسيله روشهاي تست غيرمخرب تعيين شدهاي مورد بازرسي دوره اي قرار گيرند تا صحت عملکرد آنها مورد تائيد قرارگيرد. از جمله فولادهائي که بيشتر در استاندارد ٩٤١ API مورد بررسي قرار گرفته اند ترکيبات Mo٠٥-Cr١٠ ,Mo٠٥-Cr١٢٥ ,Mo٠٥-C و Mo١٠-Cr٢٢٥ ميباشند که از بين آنها آلياژ Mo٠٥-C بخاطر شرايط خاص آن بيشتر مورد توجه قرار گرفته است .
روش ها و آزمايشات براي تشخيص و تخمين احتمال وقوع پديده HTHA توسط افراد و موسسات مختلفي مورد بررسي قرارگرفته است و از بين آنها, Hattori و Aikawa متدي را براي تشخيص اولويت بازرسي تجهيزات با آلياژ Mo٠٥-C که در محيط هاي با حضور هيدروژن کار ميکنند تهيه کردند, فاکتوري با عنوان Pv که توسط انجمن مواد ژاپن ٥ تدوين و توسط کميته تردي هيدروژني ٦ در شوراي تحقيقات مخازن تحت فشار ژاپن ٧ مورد بازبيني قرار گرفته است . فاکتور Pv علاوه بر دما و فشار نسبي هيدروژن , زمان قرار گرفتن قطعه در معرض شرايط مذکور را نيز در نظر ميگيرد. اين فاکتور همچنين در استاندارد ١ Appendix ,941 API نيز منعکس گرديده است .
که در آن:
T عبارتست از: دماي کاري بر حسب کلوين
t عبارتست از: زماني که تجهيز در سرويس بوده بر حسب ساعت
PH2 عبارتست از: فشار نسبي هيدروژن بر حسب کيلوگرم بر سانتي متر مربع
مقدار بحراني براي Pv , بسته به اينکه بررسي بر روي فلز پايه , ناحيه تحت اثر حرارت جوش (HAZ) با عمليات حرارتي پس از جوشکاري ٨ يا بدون عمليات حرارتي پس از جوشکاري انجام گرفته متفاوت خواهد بود. مقادير بحراني براي پديده نفوذ هيدروزني در دماي بالا براي آلياژ Mo٠٥-C طبق بررسي کميته تردي هيدروژني JPVRC عبارتند از:
- مقدار بحراني براي فلز پايه : ٥.٨
- مقدار بحراني براي ناحيه تحت اثر حرارت با عمليات حرارتي پس از جوش : ٥.٦
- مقدار بحراني براي ناحيه تحت اثر حرارت بدون عمليات حرارتي پس از جوش : ٤.٩
شايان ذکر است تشخيص و تعيين احتمال بروز پديده HTHA در آلياژ مورد بررسي در همين محاسبات ساده و عوامل
بر شمرده خلاصه نشده و وابسته به عوامل متعدد ديگري نيز هست که عبارتند از:
- شرايط کاري (فشار نسبي هيدروژن و دما) در ارتباط با شرايط و محدوده کاري تعريف شده در استاندارد ٩٤١ API
- اين حقيقت بررسي شده که فولادهاي Mo٠٥-C که به آراميسرد شده اند مقاومت کمتري به پديده نفوذ هيدروژني از خود نشان ميدهند. خنک کاري آرام يا در کوره باعث ميشود تا مقاومت فلز کاهش يابد اما اين عامل در محاسبات مربوط به تشخيص و تخمين پديده نفوذ هيدروژني در نظر گرفته نميشود.
- جوشهائي که تحت عمليات حرارتي پس از جوشکاري قرار گرفته اند کمتر در معرض بروز پديده نفوذ هيدروژني هستند تا جوشهائي که تحت عمليات حرارتي قرار نگرفته اند.
روشهاي مختلفي جهت بازرسي و تشخيص HTHA وجود دارد که اغلب آنها بر پايه امواج التراسونيک ميباشد که با توجه به محل مورد بازرسي (جوش يا فلز پايه ) يک روش و يا ترکيبي از چند روش جهت شناسايي HTHA انتخاب ميگردد. هر کدام از اين روشها مزايا و محدوديت هايي دارند که در اين مقاله به آنها پرداخته خواهد شد.
روش نسبت سرعت امواج طولي و عرضي (Velocity Ratio) :
اين روش بر پايه اندازه گيري دقيق سرعت امواج طولي و عرضي در ضخامت مشخص قطعه مورد آزمايش ميباشد. با استفاده از يک دستگاه ديجيتال آزمون فراصوتي و پروبهاي موج طولي با فرکانس ٥ مگاهرتز و نيز يک پروب با زاويه صفر درجه و تابش موج عرضي با فرکانس ٥ مگاهرتز ميتوان سرعت امواج طولي و عرضي را مشخص نمود. تحقيقات تعدادي از محققين ٩ نشان ميدهد وجود ريزترک هاي حاصل از نفوذ هيدروژني, باعث اثرگذاري بر مدول الاستيسيته بالک Bulk) (Modulus of Elasticity فلز شده و افزايش استهلاک (Attenuation) و کاهش سرعت امواج طولي (vl) و عرضي (vs) را بدنبال دارد. آنان همچنين دريافتند که اين کاهش سرعت در امواج طولي بيش از امواج عرضي است , در نتيجه نسبت سرعت موج عرضي به موج طولي (vs.vl) در اثر وجود اين پديده که در شرايط عادي معادل ٠.٥٤ است افزايش مي يابد. که هر گاه اين نسبت بزرگتر از ٠.٥٥ باشد ميتواند نشان دهنده حضور HTHA در قطعه مورد آزمايش باشد. در صورت بزرگتر بودن اين نسبت از ٠.٥٥ مي بايد از روش تبديل سريع فوريه ١٠ جهت تحليل سيگنالهاي ديجيتايز شده از نمونه معيوب استفاده شود.
اين روش نسبتاً ساده و ارزان است و نياز به تجهيزات مخصوصي ندارد ولي از اين روش نمي توان به تنهايي جهت تشخيص HTHA استفاده نمود. اين روش قابليت شناسايي نفوذ هيدروژن در صورتيکه کمتر از ٠.١٥ ضخامت قطعه باشد را ندارد.
روش اندازه گيري ميرائي موج برگشتي Ultrasonic Echo Attenuation :
اين روش بر پايه اندازه گيري ميزان استهلاک موج طولي در فاصله ضخامت قطعه اي که دچار پديده HTHA شده و مقايسه آن با ميرايي موج طولي در قطعه اي سالم با همان جنس و ضخامت و ويژگي هاي متالوژيکي ميباشد. با توجه به اينکه ميزان ميرايي امواج فراصوتي در قطعاتي که دچار پديده HTHA ميباشند بسيار تشديد ميگردد ميتوان به حضور پديده HTHA در قطعه مورد نظر پي برد. در اين روش ميتوان از يک دستگاه ديجيتال آزمون فراصوتي و نيز يک پروب موج طولي با فرکانس MHZ ١٥ استفاده نمود.
اين روش ساده و ارزان است ولي قابليت تفکيک بين ميرايي حاصل از HTHA و ميرايي حاصل از سطوح خشن يا دانه درشت بودن و يا ساير عوامل موثر بر ميرايي امواج را ندارد. همچنين کاربرد اين روش به تنهايي جهت تشخيص HTHA پيشنهاد نميگردد.
روش Amplitude Based Backscatter :
هرگاه طول موج امواج فراصوتي (λ) کوچـکتر از اندازه عيوب داخلي قطعه باشد, پديده Scattering اتفـاق ميافتد به اين ترتيب که عيوب داخلي همانند يک منبع ثانويه ايجاد امواج فراصوتي و بر خلاف جهت اصلي تابش امواج عمل مينمايد (شکل ٥). در اين روش با استفاده از دستگاه ديجيتال آزمون فراصوتي و نيز يک پروب صفر درجه موج طولي با فرکانس MHZ ٥ ميتوان Scattering حاصل از پديده HTHA را همانطور که در شکل ٥ قسمت ٢ نشان داده شده است بصورت نشانه هائي که با نشانه حاصل از ديوار پشتي متصل است ملاحظه نمود.
اين روش آسان و ارزان است ولي نميتوان تمايزي ميان HTHA با عيوب داخلي نظير دوپوستگي (Lamination) و يا ترک (Crack) قائل شد. اين روش به تنهايي جهت تشخيص HTHA پيشنهاد نميگردد معمولاً جهت تشخيص مناسب پديده HTHA از سه روش Velocity Ratios ,Echo Attenuation و Back Scattering بطور ترکيبي استفاده ميگردد. به اين ترتيب که ابتدا با استفاده از روش Back scattering نواحي حساس به HTHA شناسايي گرديده سپس با استفاده از دو روش ديگر Velocity Ratios و Echo attenuation حضور HTHA در نواحي بازرسي شده به تاييد نهايي ميرسد.
روشهاي نوين بازرسي و تشخيص HTHA :
روش ( AUBT )Advance Ultrasonic Back scattering Technique
در اين روش ابتدا يک اسکن اوليه توسط پروب موج طولي MHZ ٥ از مناطقي که حساس به پديده HTHA هستند, گرفته ميشود. الگوي امواج Scatter شده ميتواند يکي از چهار حالت شکل ٦ باشد.
الگوي مربوط به حالت اول ميتواند نشانه حضور عيوب داخلي در طول ضخامت قطعه باشد. الگوي مربوط به حالت II
ميتواند نشانه حضور عيوب خطي و صفحه اي که به موازات سطح قطعه مورد نظر ميباشد. الگوي مربوط به حالت III
ميتواند نشانه حضور يک عيب داخلي حاصل از مراحل پيشرفته حمله هيدروژني باشد و الگوي حالت IV نشانه عيوب داخلي حاصل از مراحل اوليه و يا پيشرفته حمله هيدروژني باشد.
دومين مرحله از روش AUBT بکارگيري روش هاي تکميلي جهت شناسايي HTHA ميباشد که با توجه به الگوهاي مختلف Back scattering , روشهاي متفاوتي به شرح ذيل اتخاذ ميگردد:
براي الگوي I, روش نسبت سرعت (Velocity Ratio) و آناليز طيفي امواج (Spectrum Analysis)
براي الگوي II, روش نسبت سرعت و آناليز طيفي امواج و فرکانس وابسته به امواج Scatter شده براي الگوي III, روش نسبت سرعت و آناليز طيفي امواج و فرکانس وابسته به امواج Scatter شده براي الگوي IV, روش نسبت سرعت و آناليز طيفي امواج در اينجا بايد اضافه نمود که روش آناليز طيفي امواج (Spectrum Analysis) همان آناليز طيف حاصل از امواج Scattering بر مبناي تعيين شاخص HTHA ميباشد که توسط فرمول زير تعيين ميگردد.
با توجه به اينکه نواحي اطراف جوشهاي محيطي و به خصوص منطقه HAZ از حساسيت بيشتري جهت وقوع پديده HTHA برخوردار مي باشند لذا جهت بازرسي اين مناطق از TOFD استفاده ميگردد. همانطور که در شکل شماره ٧ ملاحظه ميگردد تمام ناحيه جوش و منطقه HAZ توسط روش TOFD پوشش داده شده است . نتايج حاصل از استفاده پروب TOFD با امواج طولي MHZ ٦ در شکل ٨ نمايش داده شده است . به خوبي ملاحظه ميگردد که ناحيه شماره ٣ به شدت دچار پديده HTHA ميباشد. همچنين ملاحظه ميگردد که ترکهاي ايجاد شده ناشي از پديده HTHA به نشانه حاصل از ديوار پشتي بسيار نزديک است .
روش آرايه فازي (Phased Array) :
از روش آرايه فازي ميتوان جهت شناسايي دقيق پديده HTHA استفاده نمود که در شکل ٩ نتايج حاصل از بکارگيري اين روش بر روي قطعه اي با ضخامت mm٦٥ با بکارگيري يک پروب ١٦ المانه با فرکانس MHZ ٥ نشان داده شده است .
بخش ١ شکل نشان دهنده تصويري است از يک منطقه عاري از هرگونه عيب و يا پديده HTHA , بخش ٢ نشان دهنده تصويري است از يک منطقه با حضور عيوب داخلي و بخش ٣ نشان دهنده تصويري است از يک منطقه با حضور پديده HTHA. مشاهده ميشود که استفاده از روش تصويربرداري دو بعدي به کمک تکنيک آرايه فازي بهبود چشمگيري در نتايج حاصله نسبت به روش قديمياستفاده از سيگنال هاي RF حاصل کرده است .
تشخيص عيوب در ناحيه تحت اثر حرارت جوش (Heat Affected Zone)
همانگونه که پيش تر نيز شرح داده شد, احتمال بروز پديده نفوذ هيدروژني در ناحيه تحت اثر حرارت جوش (HAZ) بنا به دلايلي که برشمرده شد بيشتر است . لذا بازرسي اين ناحيه در اولويت قرار ميگيرد. اما روشهائي که براي اين ناحيه مناسب تر ميباشد عبارتند از روش امواج عرضي زاويه دار١١ با حساسيت بالا, زمان پرواز موج پراش و امواج خزشي ١٢. در استفاده از امواج عرضي زاويه دار بايد حساسيت پراب ها به گونه اي انتخاب گردد که در عمقي که بروز نفوذ هيدروژني انتظار ميرود داراي بالاترين حساسيت ممکن باشند. اين عمق همان ناحيه نزديک به سطح داخلي تجهيز مورد نظر است . اندازه گيري حساسيت ميبايست بر روي قطعه نمونه با سوراخ هاي جانبي مصنوعي ١٣ به قطر ٠.٤ تا ٠.٥ ميلي متر انجام گيرد. در حال حاضر پيزوالکتريک هاي جديد اين امکان را فراهم مينمايند تا بتوان به حساسيت هاي بالا و متناسب با نياز براي انجام بازرسي مذکور دست يافت .
روش زمان پرواز موج پراش نيز روش ديگري است که براي تشخيص اين پديده در نواحي اطراف جوش استفاده ميشود.
در شکل هاي ٧ و ٨ نمائي از يک اسکن انجام شده از جوش و نواحي HAZ مشاهده مي شود. يک محدوديت اين روش اين است که اصولا TOFD براي تشخيص و اندازه گيري ابعاد و موقعيت عيوب جوش بکار ميرود, لذا قادر است ساير عيوب عموميجوش نظير Porosity و Slag را نيز تشخيص دهد که گاه اين عيوب در محدوده معيار قبولي استاندارد ASME Sec VIII ميباشند. بنابراين بايد از روش امواج زاويه دار عرضي به عنوان روش همراه و تکميلي در کنار TOFD استفاده نمود تا بتوان بين ريزترکهاي ناشي از نفوذ هيدروژني و عيوب حجميداخل جوش تمايز قائل گرديد. اما آنچه که به وسيله اغلب محققين توصيه گرديده, استفاده از پراب هاي موج خزشي بهمراه TOFD است (شکل ١٠).
يک عامل محدود کننده در هر سه روش فوق که موجب کاهش دقت و حساسيت آن ميگردد, وجود نفوذ هيدروژني در فلز پايه و درست در پشت ناحيه HAZ جوش است که به علت اينکه وجود اين پديده باعث پراکندگي و ميرائي امواج برگشتي ميشود, دقت را کاهش خواهد داد.
روش UT Mapping :
روش Mapscan يا Thickness Mapping يکي از روشهاي نوين تشخيص HTHA ميباشد که در اين قسمت به نتايج يک کاربرد عملي که توسـط شرکت Applus RTD هلنـد بر روي يک مخـزن به ضخامت ١٠ ميلي متر انجام پذيرفته است اشاره
