Tecnología innovadora para medir el carbono y los equivalentes de carbono

Para aquellos que necesitan medir el carbono en aceros, ahora hay un analizador portátil para el trabajo. Donde los operadores anteriormente usaban la tecnología Spark OES, que requería una gran experiencia del operador, o contrataron a una empresa de pruebas de terceros para llevar el OES con ellos, ahora hay una mejor opción.

Hace dos años, SciAps presentó la primera unidad LIBS del mundo que diferencia los aceros por contenido de carbono en aceros e inoxidables, y verifica los equivalentes de carbono para la soldabilidad de los metales. SciAps ha puesto el análisis de carbono en la palma de la mano por primera vez. Además, SciAps apuesta por la formación gratuita, incluida la reconversión, para más y mejor formados operadores. Ya se están utilizando casi 600 unidades en el campo para prácticamente todas las industrias importantes a nivel mundial.

¿Por qué carbono?

Muchas de las personas que lanzaron SciAps en 2013 eran veteranos de la industria de rayos X portátiles, habiendo sido fundadores y/o empleados en las dos empresas líderes en analizadores de aleaciones portátiles, Niton e InnovX (ahora Thermo Fisher Scientific y Olympus). En ese momento , la tecnología de rayos X era sólida como una roca con metales de transición y metales pesados, incluso Mg, Al, Si, P y S. Los rayos X funcionaron muy bien en acero inoxidable, aleaciones de alta temperatura, latones/bronces, aluminios, etc., mejorando en gran medida análisis de aleaciones y manejo de aplicaciones especiales como bajo contenido de silicio en aceros para la corrosión sulfurosa, contenido de P y S en aceros e inoxidables. A pesar de toda esta innovación, seguía existiendo una limitación significativa para la radiografía portátil: el carbono. La energía extremadamente baja de los rayos X de carbono se absorbería por completo en el material de la ventana que cubre el detector y el aire en la vía. Lo mismo ocurre con otros elementos de bajo número atómico como el oxígeno, el nitrógeno, el boro, el litio y el berilio. Sin un sistema cerrado bajo alto vacío en el que tendría que quitar una pieza de metal, no hay una forma práctica de medir el carbono o "elementos ligeros" similares con una pistola de rayos X portátil. Sin embargo, la concentración de carbono es fundamental para verificar en los aceros. e inoxidable. Para la soldabilidad del acero, es esencial determinar los equivalentes de carbono. La medición CE requiere C, además de elementos de aleación comunes como Mn, V, Cr, Ni, Cu, Mo y Si. Puede medir estos otros elementos con rayos X, pero sin carbono, no hay CE. Los usuarios de acero inoxidable enfrentan un desafío similar. Muchos requieren específicamente un grado de acero inoxidable con bajo o alto contenido de carbono, como 316 o 316L. Los grados L requieren que el contenido de carbono sea <0.03 %, mientras que los grados H requieren que el contenido de carbono sea >0.04 %. Dado el gran volumen de acero y acero inoxidable que se produce, utiliza y recicla en todo el mundo, un dispositivo portátil para distinguir los grados L de los rectos y H es un gran avance.

La vieja guardia de carbono: chispa OES Hasta 2017, Spark OES había sido la única técnica para el análisis de carbono en el campo. Spark OES funciona generando una chispa eléctrica de alta frecuencia que calienta y quema el metal y crea un plasma de electrones al eliminar los electrones de valencia de los diversos átomos (carbono, cromo, hierro, manganeso, etc.) que componen la aleación. A medida que el plasma se enfría instantáneamente, los electrones se recombinan con los átomos, emitiendo luz en el espectro ultravioleta, visible e infrarrojo. Un espectrómetro integrado recoge la luz, analiza la intensidad en varias longitudes de onda y aplica una calibración para determinar la química elemental. Spark OES ha sido la única técnica para el análisis de carbono en el campo hasta que SciAps inventó un LIBS portátil para el mismo propósito. Pero spark OES tiene una serie de desafíos. Para obtener datos fiables, es imprescindible contar con un operador experimentado y bien formado. El análisis requiere un entorno de gas inerte, generalmente argón, por lo que los sistemas de chispa se combinan con un tanque de metal pesado (más de 40 libras) de argón a alta presión. Los usuarios deben purgar el sistema de encendido antes de usarlo, luego hacer funcionar el argón continuamente durante la prueba (por lo tanto, el tanque grande). Por razones de seguridad, el gas argón generalmente se cierra antes de que se mueva el OES, lo que luego requiere una nueva purga y, a menudo, una recalibración cuando el dispositivo está en su próxima ubicación. El espectrómetro también es considerable. Todos estos componentes descansan en un carro rodante para trasladarse a varios lugares de prueba. Para las pruebas de tubería “en zanja”, se requiere una grúa para mover el OES de un lugar a otro. Las limitaciones de movilidad son significativas. Las quejas típicas son la dificultad para meterse en zanjas de tuberías, subir torres o sobre o sobre estantes de material. Mover y volver a purgar reduce el rendimiento. El costo y la disponibilidad de argón, especialmente en áreas más rurales o aisladas, es un problema. Aún así, hasta hace poco, Spark OES era la única opción para el trabajo de carbono en el campo, y la técnica produce datos confiables siempre que los operadores estén bien capacitados y sigan el SOP.

¿Qué es LIBS y cómo funciona?

LIBS (espectroscopía de ruptura inducida por láser) es un método OES como chispa OES, pero el sistema de chispas de alto voltaje que consume mucha energía se reemplaza por un láser pulsado muy pequeño y de alta potencia. SciAps miniaturizó el láser y otros componentes clave en un dispositivo portátil de 4.5 libras. Este avance requirió tres innovaciones principales:

• Reemplazamos el sistema de chispa con un láser pulsado en miniatura para vaporizar una pequeña porción del material y crear el plasma a partir de los electrones de valencia. El láser SciAps en sí mismo es una hazaña de innovación. Aproximadamente un cubo de 1" de tamaño, ofrece una potencia promedio muy baja (pulso de energía de 6 mJ), pero una potencia instantánea increíblemente alta (50 veces por segundo). La potencia promedio no es suficiente para vaporizar acero o aleaciones de alta temperatura. Pero el láser el haz se enfoca en un punto pequeño (100 um), en una escala de tiempo muy corta (1 ns). Compare esto con un puntero láser, donde presiona y mantiene presionado el botón de ENCENDIDO y el láser ilumina un punto continuamente. En el caso de LIBS, el láser ilumina el punto durante una mil millonésima de segundo, descansa y recarga durante aproximadamente 1/50 de segundo, luego repite. Haga los cálculos y la potencia instantánea entregada a esa ubicación en el acero está en gigavatios/cm 2 rango, energía suficiente para vaporizar fácilmente la aleación en esa ubicación. Entonces, el primer desarrollo crítico fue obtener un láser que pudiera emitir un haz pulsado de buena calidad, en un punto pequeño (100um), en una escala de tiempo muy corta (1 ns) , alimentado por una batería muy pequeña que también hace funcionar el procesador y la pantalla.
• Inventamos el proceso de purga. El láser angosto requiere un pequeño volumen de purga (unos pocos centímetros cúbicos). Entre pruebas, el flujo de argón se detiene. El resultado es una reducción de aproximadamente 1,000 veces en el consumo de argón, lo que permite que un pequeño recipiente (3 pulgadas de largo, 1 pulgada de diámetro, menos de 100 g/4 onzas) en el mango del dispositivo reemplace el tanque de argón de más de 40 libras. El bote ofrece 600 quemaduras, por lo tanto, 600 pruebas de carbono o 125-150 muestras del sitio, y su reemplazo cuesta $7. Puede llevar el Z a cualquier lugar sin apagar el argón y volver a purgar.
• Miniaturizamos el espectrómetro, sin dejar de ofrecer el rango espectral y la resolución necesarios, especialmente para la línea de carbono y para los diversos metales de transición y pesados. Por ejemplo, la medición de la línea de carbono a 191.3 nm requiere una resolución de < 0.1 nm de ancho completo medio máximo (FWHM) debido a las líneas de hierro cercanas que interfieren desde la excitación del metal base.

¿Quién lo está usando y lo aprobó? A medida que SciAps cierra en un tercer año de envíos comerciales de casi 600 unidades de carbono, LIBS de mano ahora se incluye en la práctica recomendada API 578 (3^rd edición) para pruebas de carbono. La mayoría de los principales propietarios/operadores de tuberías utilizan un SciAps Z para sus materiales. De hecho, SciAps Pipeline App nació cuando el mayor propietario/operador probó y aceptó la Z para carbono y CE en materiales de tuberías, con un protocolo de prueba específico. Cuatro estudios independientes, incluido el Gas Technology Institute y ASTM, han demostrado que SciAps Z funciona de manera equivalente o superior a la tecnología Spark OES. Estos estudios generalmente incluyen pruebas en el campo con OES de chispa y LIBS portátiles, con muestras extraídas para pruebas de laboratorio externas. En todos los estudios, la precisión y exactitud de LIBS portátiles ha estado a la par con Spark OES. Las principales refinerías los están implementando para pruebas de carbono, al igual que las empresas de inspección que respaldan sus programas NDT/PMI. Las aplicaciones más comunes para el análisis de carbono son aceros para tuberías para contenido de carbono y equivalentes de carbono, verificación de acero inoxidable de grado L y H y, más recientemente, análisis de elementos residuales (API 751). Hay un uso cada vez mayor de LIBS portátiles para estudios de corrosión sulfurosa, para verificar que el contenido de silicio sea < 0.1 % en aceros al carbono. La industria energética utiliza la tecnología ampliamente para estudios de corrosión de flujo acelerado para verificar el contenido de cromo en el acero en el rango de 0.03 %. Las cargas normativas sobre rayos X portátiles hacen que LIBS portátil sea una alternativa atractiva. En la industria de la chatarra y el reciclaje, también existe un interés creciente en utilizar analizadores LIBS para medir los denominados elementos contaminantes, incluido el litio, en la chatarra de aluminio y el contenido de carbono en el acero. Si bien XRF es el mejor analizador para la clasificación de aleaciones de aluminio, SciAps recomienda usar LIBS en aplicaciones de nicho, incluso para medir carbono, boro, berilio y litio, que son elementos que XRF no puede medir. El SciAps Z para carbono en aceros y acero inoxidable : tecnología portátil comprobada con cerca de 600 instalaciones en todo el mundo.

Verdaderas historias de demostración del campo

2 días chispa OES vs. solo 3 horas con LIBS

Habían presupuestado dos días para la prueba, ya que tenían que levantar una torre de 100 pies con OES. En cambio, terminaron el trabajo en solo tres horas con nuestro analizador portátil LIBS.

Z-200 resuelve el misterio en el inoxidable

Ubicación: Tejas. Nos llamaron para hacer algunas pruebas de algunos materiales del mundo real con una gran empresa de inspección...

Probando en un lugar estrecho Esta es una gran historia de las primeras líneas de las pruebas de acero inoxidable en Japón, cortesía de nuestro gerente de aplicaciones en Asia Pacífico.

El día que LIBS venció a OES

Aquí hay otra historia sobre el carbono y una oportunidad de aprendizaje, cortesía de nuestro gerente de EMEA, Jeroen.

¿Funciona el LIBS portátil con el viento?

Recibimos esta pregunta todo el tiempo y no podíamos entender por qué el viento es un problema. Luego, una divertida ronda de golf nos hizo pensar en algunas historias de demostración que hemos estado escuchando en la carretera.

Demostraciones abajo

Para cada prueba, calculamos y mostramos automáticamente la equivalencia de carbono, CE = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Cu% + Ni%)/15. Los resultados aquí fueron muy repetibles y coincidieron perfectamente con las piezas certificadas del cliente.