Как последние достижения в области XRF-анализа влияют на подтверждающий анализ металлов и сплавов (PMI)

Аннотация

В данной статье рассматриваются преимущества неразрушающего химического анализа сплавов, выполняемого непосредственно на рабочем месте. Высокая эффективность портативных РФ-спектрометров (HH-XRF), или XRF-анализаторов, продемонстрирована на практических примерах, в ходе подтверждающего химического анализа сплавов. Помимо описания технологии и методов ее использования, речь пойдет о новейших разработках в отрасли и их прямом влиянии на подтверждающий химический анализ. Благодаря существенным улучшениям в аппаратном и программном обеспечении были достигнуты: оптимальная скорость анализа, широкий диапазон определяемых элементов и высокая точность результатов анализа сплавов в полевых условиях. Среди новаторских усовершенствований стоит отметить: 10-кратное повышение производительности детектора, улучшенную в 5–50 раз чувствительность ко многим элементам, способность анализа легких элементов (таких как Mg, Al, Si, P и S), эксплуатационный контроль металлов при высоких температурах, а также коллимацию пучка для высококачественного анализа сварных швов.

1 Введение

Для поставщиков комплектующих изделий и промышленных предприятий, подтверждающий анализ материалов (PMI) имеет важное значение. При выборе сплава учитываются его механические свойства и назначение, стойкость к коррозии, допуск на температуру. Неправильно выбранный материал может привести в дальнейшем к повреждению и отказу компонента. Издержки вследствие отказа оборудования включают время простоя, ремонт и замену деталей, изношенный материал, негативное воздействие на окружающую среду или загрязнение партии изделий.

Портативный РФ-анализатор (HH-XRF) позволяет выполнять быстрый неразрушающий (НК) анализ химического состава материалов для подтверждения марки сплава. Будь то производство деталей, приемка материалов, монтаж трубопроводов, арматуры и других ответственных узлов и деталей, или обычная проверка технологического комплекса, HH-XRF обеспечивает быстрое и точное подтверждение марки металла. РФ-спектрометры позволяют операторам быстро идентифицировать неправильно выбранные материалы и улучшить контроль качества материалов, а также обеспечивают быстрый возврат инвестиций.

1.1 Основные характеристики портативных РФ-анализаторов

Большинство элементов, входящих в состав сплавов, находятся в диапазоне обнаружения РФ-спектрометра (Рис. 1). Образцы сплавов, по причине их однородности и преобладания высокочувствительных элементов, идеально подходят для РФ-анализа.

Рис. 1 Элементы, обнаруживаемые с помощью РФА - от Mg до U

Три базовых компонента XRF-диаграммы (Рис. 2):

• Источник рентгеновского излучения для возбуждения образца (ионизации) - шаги 1, 2 и 3;
• Снимок излучаемой сигнатуры (фотонов) возбужденного (ионизированного) исследуемого материала - шаг 4;
• Анализ спектральной сигнатуры для определения химического состава и марки сплава - шаг 5.

Рис. 2. Этапы РФ-анализа

Поскольку РФА подразумевает измерения в пограничном слое (глубиной ~10 микрон для образцов сплавов) окрашенных, облицованных, корродированных или обдутых дробью деталей, требуется предварительная обработка (шлифовка) поверхности. На сегодняшний день, только элементы тяжелее натрия (Na) могут быть измерены портативным РФ-анализатором (HH-XRF). Прямое измерение углерода, бериллия, бора, или лития не представляется возможным.

Но даже при таких ограничениях, РФА обеспечивает быстрый (2 секунды для большинства сплавов) и, как правило, неразрушающий анализ in-situ (непосредственно на месте опробования грунта). Компактный и прочный промышленный корпус предназначен для работы в помещении и снаружи, а также при высоких температурах. Не являясь 100%-й сертификацией металлургической продукции, портативный РФ-спектрометр, тем не менее, способен измерять 99,5+% большинства промышленных сплавов. Для подтверждения марки сплава, достаточно суметь отличить его от других аналогичных сплавов. Как правило, это не представляет трудности. Марки сплавов, идентичные на 99% (такие как SS-303, SS-304, SS-321 и SS-347, или 9 Chrome и 9 Chrome + V), легко сортируются по своим специфическим особенностям, видимым HH-XRF. Эти различия могут быть крайне незначительными (до 0,05%).

В отличие от лабораторного анализа, где пользователь платит (временем и деньгами) за каждый отдельный тест, с анализатором HH-XRF почти все издержки представляют предварительные капитальные затраты. Приобретя анализатор XRF PMI, каждый тест будет занимать у вас 2 секунды по принципу «прицельтесь и выстрелите». Поскольку дополнительные затраты на тест незначительны, желательно проводить многократный контроль.

Подтверждающий контроль (PMI) выполняется при приемке поступающих материалов. Повторный контроль рекомендуется во время использования или установки, для выявления возможных ошибок, допущенных при доставке материалов. Cварочный пруток, по ошибке взятый не из того стеллажа, может быть утвержден или отбракован всего за 2 секунды. И наконец, необходимо выполнить контроль уже установленного компонента в процессе эксплуатации или финальный контроль качества перед отправкой груза.

Входной контроль качества сырья не сможет выявить ошибки, допускаемые во время производства и монтажа изделий. Цель контроля – это не только подтверждение марки и качества материала, но также устранение ошибочных процессов, вызывающих в дальнейшем путаницу. Многократный контроль с использованием РФ-анализатора – самый быстрый и легкий способ выявления и устранения ошибок при выборе материала.

Начиная с 1980-х гг., портативные РФ-спектрометры широко используются для контроля качества нержавеющей стали, хромомолибденовой стали, никелевых и кобальтовых сплавов. Низколегированные стали, сплавы титана и меди представляют некоторые сложности при анализе, поскольку идентификация большинства этих марок требует прямого измерения легких элементов (таких как алюминий, кремний, сера и фосфор). Сорта алюминия было всегда очень сложно определить. Прямое определение содержания магния, алюминия и кремния в концентрациях ниже 0,5% очень важно для точного анализа сплавов алюминия. В Табл. 1 (ниже), на временном графике (развития технологий), показаны типичные пределы обнаружения (LOD) для основных измеряемых элементов XRF-анализа.

Табл. 1 Приблизительные значения LOD vs. Время (технологии) на примере сплавов железа

2 Последние усовершенствования в разработке портативных РФ-спектрометров для подтверждающего анализа

Как видно из приведенной выше таблицы, буквально за последние год-два удалось существенно улучшить пределы обнаружения. Пределы обнаружения, точность и продолжительность теста зависят от одного аналитического фактора - общей скорости счета. Благодаря более эффективному источнику, в 10 раз более быстрому детектору и усовершенствованным электронным схемам, – стало возможным определение элементов при достаточно низких концентрациях, удалось кардинально повысить скорость и точность анализа по сравнению с 80-ми и 90-ми гг. Среди многочисленных усовершенствований:

2.1 Моноблочная рентгеновская трубка

Моноблочная конструкция рентгеновской трубки:

• Устраняет необходимость кабельного соединения между источником высокого напряжения и рентгеновской трубкой;
• Повышает надежность и имеет более компактную конструкцию;
• Уменьшает электрические шумы, существенно улучшая отношение сигнал-шум – что обеспечивает низкие пределы обнаружения элементов.

2.2 Расширенные возможности библиотеки марок сплавов

2.2.1 Идентификация примесей

При достаточно низких пределах обнаружения (ниже 100 ppm), такие распространенные элементы как титан, ванадий, кобальт, медь, вольфрам, ниобий и нитрид титана, – могут быть измерены и определены как примеси, обеспечивая достоверность анализа и четкую идентификацию концентраций примесей.

Рис. 3 Обнаруженные примеси

2.2.2 Включение номинального значения

Функция включения номинального значения (Рис. 4) использует характеристики марок сплавов для внесения предполагаемых значений элементов, невидимых для РФ-анализатора. В принципе, это наиболее удобный метод добавления полезной информации о легких элементах для короткого простого теста. Помимо уведомления оператора о возможном присутствии в образце алюминия или кремния, бора или бериллия, также корректируется балансовое значение материала. Таким образом, при точном соответствии марки, функция включения номинального значения предоставляет нужную информацию и обеспечивает более точный химический анализ.

Рис. 4 Номинальные значения: Включены, не включены

На представленных выше экранных снимках, результаты слева представляют 2-секундный тест с включением номинального значения и показывают номинальное (предполагаемое) значение алюминия. 20-секундный тест, представленный на центральном снимке, показывает измеренное значение для алюминия.
В обоих случаях, представлена практически одинаковая и точная информация. На третьем снимке, 2-секундный тест без «включения номинального значения» идентифицирует ту же марку, но не отображает значения алюминия и показывает содержание титана на 5% выше действительного значения. Таким образом, воспроизводимость результатов измерений титана лучше 1%, но погрешность, по причине отсутствия алюминия, отличается на 5 процентов!

2.3 Расширенные функции библиотеки

2.3.1 Прямое сравнение марок

Функция прямого сравнения марок сравнивает результаты анализа двух лучших совпадений со спецификациями марки в библиотеке и выделяет с помощью цветового кода примеси и другие нестандартные элементы;

2.3.2 Система сопровождающих сообщений

Система сопровождающих сообщений дает быструю и точную информацию о наиболее близкой марке, определенной анализатором. Система сопровождающих сообщений удобна при использовании нескольких сплавов с общим названием, помогает пользователям в идентификации материала, предоставляя дополнительную информацию.

2.3.3 Режим умной сортировки SmartSort

Функция SmartSort РФ-спектрометров позволяет автоматически выполнять расширенный анализ легких элементов. Данная функция существенно экономит время, позволяет в большинстве случаев выполнять короткие тесты, но автоматически увеличивает время анализа при измерении легких элементов для точной идентификации марки.

3 Теплоотвод/Контроль при высоких температурах

3.1 Проблемы теплоотвода для PMI-анализаторов

При выполнении контроля горячих объектов можно столкнуться с тремя проблемами теплопередачи:

1. Повышенная температура окружающего воздуха;
2. Контроль горячих поверхностей в процессе эксплуатации оборудования;
3. Тяжелый режим работы (проведение многочисленных тестов, продолжительные тесты-более 60 секунд-с паузой в несколько секунд между тестами).

Эти проблемы могут возникнуть как по отдельности, так и в совокупности.
Новая конфигурация прибора отличается улучшенным отводом тепла (Рис. 5). Верхняя часть анализатора используется в качестве радиатора или теплоотвода.

Рельефная поверхность из алюминия напрямую соединена с первичными источниками тепла внутри прибора. В результате создан эффективный канал для вывода тепла из анализатора. Ранее, только металлические наконечники ПЭП имели такую функцию. Новая конфигурация анализатора расширяет возможности контроля горячих деталей в процессе их эксплуатации.

Рис. 5 Новый дизайн PMI-анализатора с улучшенным теплоотводом

3.2 Рекомендации при контроле горячих поверхностей

В случае подтверждающего химического анализа (PMI), рекомендации для контроля горячих деталей в процессе эксплуатации включают:

• Ограничение продолжительности теста до 7 секунд макс. (обычно 2–4 секунды для моделей с дрейфовым кремниевым детектором);
• Контроль материалов при температуре ниже 480 °С;
• Выполнение контроля с использованием только первичного пучка.
• Использование только «желтого» каптонового окна (Рис. 6).
• Контроль легких элементов невозможен. Прямой контроль легких элементов -
  • Требует использования «прозрачного» проленового окна (Рис. 6). Пролен плавится при температуре 350 °F (или 177 °С), что несовместимо с контролем горячих поверхностей в процессе эксплуатации;
  • Требует применения вторичного низковольтного электронного пучка;
    • Этот вторичный пучок легких элементов увеличивает время теста на 10–60 секунд, что очень много для контроля горячих образцов в процессе эксплуатации.
• Контроль при частоте 1 тест за минуту / 60 тестов в час (как правило);
• При температуре поверхности выше 315 C, использование техники наклона для минимизации теплопередачи.

Рис. 6 Проленовое и каптоновое окна анализатора PMI

Техника наклона представлена ниже (Рис. 7).

Рис. 7 Техника наклона vs расположение на одном уровне

Ниже (Табл. 2) представлен сравнительный анализ «техники наклона» (2-й снимок, рис. 7.) и использования тонкого керамического защитного покрытия (3-й снимок на рис. 7). Детектор анализатора PMI охлаждается элементом Пельтье до -35° C. При контроле горячих образцов, напряжение охладителя Пельтье увеличивается. Данная таблица показывает, «насколько тяжело» должен работать анализатор для сохранения надлежащей температуры детектора.

Табл. 2. Пельтье В vs. Время

При контроле горячих образцов, техника наклона работает лучше, чем изолирующая защитная маска. Если изолирующая защитная маска является опцией и используется при температурах выше 315 °C, поскольку является лучшим вариантом по сравнению с классическим методом контроля «на одном уровне» (3-й снимок, Рис. 7), техника наклона предпочтительна в рабочем диапазоне вплоть до 482 °C.

4 Коллимация пучка и камера для фокусируемого подтверждающего анализа (PMI)

Поскольку легированный металл (однородный, с упругими чувствительными элементами) является благоприятным для анализа с помощью портативных РФ-спектрометров, подтверждающий химический анализ (PMI) изделий сложной конфигурации и мелких деталей не вызывает трудностей. Однако, при состыковке 2 разнородных металлов, как в случае контроля сварных соединений, важно максимально сузить рентгеновский пучок, а затем правильно нацелить этот узкий луч для анализа только одного металла.
Встроенный 8-позиционный диск со светофильтрами, расположенный между рентгеновской трубкой и окном измерения, используется для определения рентгеновского луча. Простой пользовательский интерфейс позволяет выбирать диаметр пятна коллимированного пучка до 3 мм. Кроме этого, встроенная камера обеспечивает точную фокусировку при анализе мелких объектов.

Ниже, два экранных снимка представляют поле зрения камеры, а красным кругом обозначено местоположение пятна сфокусированного луча. На первом снимке изображена обычная визитная карточка, что дает представление о степени масштабирования. На втором снимке, фокальное пятно показывает правый край углового сварного шва. Этот сварной шов составляет 7 мм в ширину - поэтому было бы логично измерить центральную часть, левый и правый края на разность концентраций. В данном случае, сварены две пластины из углеродистой стали, материалом сварки является нержавеющая сталь. Это было сделано только в качестве примера РФ-анализа - не для строительства мостов! В данном примере, концентрация никеля на правом и левом краях составляет 5,2% и 5,8%, соответственно. В центре шва, концентрация никеля достигает 7,2%. Это типичное расхождение, которое можно ожидать при перемещении от края шва к его центру.

Рис. 8 Встроенная камера с коллиматором

Аналогичным образом, при шлифовании поверхностей, использование камеры с коллиматором удобно в двух случаях:

1. Пользователь видит, что образец берется c отшлифованной поверхностью;
2. Малый диаметр пучка позволяет тратить меньше времени на шлифование поверхности.

5 Заключение

Подтверждающий анализ сплавов (PMI) с использованием портативных РФ-спектрометров является наиболее рентабельным решением. Например, входной анализ материалов с помощью PMI-анализатора исключает нежелательные расходы на отбракованные впоследствии изделия. Подтверждающий контроль сплавов на этапе установки или производства также предотвращает расходы на испорченный материал или бесполезно проделанную работу. Подтверждающий контроль на завершающем этапе установки и производства (выпускающий контроль качества) позволяет избежать возможных ошибок и потерь по причине неисправности или отказа компонентов.

Благодаря усовершенствованным аппаратным и программным средствам, подтверждающий анализ сплавов с помощью РФ-спектрометров позволяет исследовать больше материалов за меньшее количество времени, и гарантирует высокую точность анализа. Технология анализа с использованием портативных РФ-спектрометров позволяет:

• Исследовать широкий спектр материалов;
• Быстро сортировать сплавы, различающиеся по составу менее, чем на 0,5%;
• Проводить контроль горячих поверхностей в процессе эксплуатации;
• Получать лучшие результаты анализа химического состава металлов с использованием коллимации пучка.

Широкий диапазон «исследуемых» материалов, сокращенное время анализа (высокая эффективность контроля), простота выполнения анализа (доступность), большой объем, – все это делает многократный контроль экономически целесообразным. Большинство ошибок при выборе сплавов можно избежать и исправить, не тратя на анализ много средств и времени.

Вне зависимости от ресурса рабочего времени или качества обслуживания клиентов, никакая организация не захочет столкнуться с проблемами, вызванными неправильным выбором материала. Быстрый многократный РФ-анализ с использованием портативных спектрометров является эффективным и экономически выгодным решением.