Handheld LIBS für NDT: Bahnbrechende Technologie für Hersteller

Nahezu jeder große Pipeline-Eigentümer/-Betreiber verwendet mittlerweile entweder Handheld-LIBS für die zerstörungsfreie Prüfung seiner Materialien oder verlangt von seinen Vertragspartnern für zerstörungsfreie Prüfungen (NDT), diese zu verwenden. Nahezu jede große Raffinerie verwendet eines für Kohlenstofftests, ebenso wie die Inspektionsunternehmen, die ihre PMI/NDT-Programme unterstützen. Unser Gastblog in Fertigung und Metallbearbeitung erklärt warum.

Metallverarbeiter sehen zunehmende Anforderungen an die Überprüfung der Legierungsqualität und -chemie ihrer Stahl- und Legierungsprodukte. Die Legierungsüberprüfung, auch Positive Material Identification (PMI) genannt, hat ihren Ursprung in der Öl-/Gasindustrie und wurde größtenteils durch die empfohlene Praxis 578 von API vorangetrieben. Die PMI-Anforderungen haben sich in den letzten Jahren auf die Midstream-Öl- und Gasindustrie, die Energieindustrie, die Luft- und Raumfahrt und andere Schwertransporte ausgeweitet . Jetzt ist das Verkehrsministerium dabei, die „PHMSA Mega Rule“ zu veröffentlichen, die unter anderem die Prüfung von Übertragungsleitungsmaterialien auf Kohlenstoff, Mangangehalt und Kohlenstoffäquivalente (CE) vorschreibt. Für Hersteller, die legierte Materialien verarbeiten, die KEINEN Kohlenstoffgehalt erfordern Verifizierung oder CE war PMI eine relativ einfache Aufgabe. Handröntgenpistolen werden seit mehr als 30 Jahren zur Analyse von niedriglegierten Stählen, rostfreien Stählen und Hochtemperaturlegierungen eingesetzt. Sie sind einfach zu bedienen und die meisten Analysen mit modernen Waffen dauern nur wenige Sekunden. Die Herausforderung bestand darin, PMI an Kohlenstoffstählen sowie Edelstahl der Güteklasse L und H durchzuführen.

Bis 2017 war die Funken-OES die einzige Technik für die Kohlenstoffanalyse vor Ort.

Mobile Spark OES ist immer noch ein auf einem Wagen montiertes Instrumentenpaket, das aus einer Handsonde, einem Spektrometer und einer Elektronikbox sowie einem 50-Pfund-Tank mit komprimiertem Argongas besteht. Viele Hersteller haben den Kauf von Spark-OES-Systemen für die Kohlenstoffanalyse vermieden, indem sie sich dafür entschieden haben, Materialtestberichten (MTRs) zu vertrauen oder die Kohlenstoffanalyse von externen Prüfunternehmen durchführen zu lassen. Das liegt daran, dass Spark-OES-Einheiten in realen Szenarien nicht einfach zu transportieren sind und die Bevorratung und der Transport der Hochdrucktanks mit Argongas eine Herausforderung darstellen. Bei vielen Vorgängen ist es erforderlich, die Spark-OES-Einheit in Werkshallen, auf Gestellen oder Materialstapeln, auf Türmen oder Treppen zu bewegen oder, im extremsten Fall, mit einem Aufzug in einen Graben bzw. aus einem Graben abzusenken und aus diesem herauszuheben, um Pipelines zu testen. In vielen Fällen wird vor dem Bewegen des OES der Argonfluss abgeschaltet. Sobald der Analysator verlegt wurde, wird das Argon wieder eingeschaltet, das System erneut gespült und der Analysator neu kalibriert. Benutzer geben an, dass der erneute Spül- und Neukalibrierungsprozess etwa 45 Minuten dauert, was die Produktivität verringert. Sofern die Bediener nicht nur an einer Workstation testen, ist Handheld-LIBS für NDT immer die bessere Wahl. LIBS lässt sich einfacher an andere Standorte versenden als Spark OES. Es sind keine zusätzlichen Arbeiten oder Neukalibrierungen erforderlich, sodass Testunternehmen die LIBS-Ressourcen maximieren können. Ganz gleich, wo die Aufgabe stattfindet, das LIBS verfügt über die richtige Software und Kalibrierungen. Die neue LIBS-Technologie ist wirklich handlich. Das Klettern, Kriechen und das Betreten und Verlassen von Rohrleitungsgräben ist problemlos möglich. Der erneute Spülvorgang dauert einige Sekunden und es erfolgt anschließend keine Neukalibrierung. Die Bediener bewegen sich einfach von Standort zu Standort und führen die Tests fort.

Was ist Handheld LIBS und wie funktioniert es?

LIBS ist eine OES-Methode wie Spark OES, aber ein kleiner, batteriebetriebener Laser ersetzt die schwere Hochspannungs-Wechselstrom-Funkenquelle. Der Laser brennt anstelle des elektrischen Funkens in das Metall und erzeugt das Licht, das vom Bordspektrometer analysiert wird. Zwei bedeutende technische Durchbrüche machten Kohlenstoffmessungen mit einem Handheld möglich.

1. Zunächst miniaturisierte SciAps den Laser und stellte eine kleine, batteriebetriebene Einheit her, die Hochtemperaturmetalle verdampfen konnte. Der Schlüssel ist das Zeitverhalten des gepulsten Lasers. Die Energie in jedem Laserpuls beträgt etwa 6 MJ. Wenn es kontinuierlich laufen würde, wäre es MW Leistung, eindeutig nicht genug, um Metall zu verdampfen. Stattdessen hat der Laserenergieimpuls eine Dauer von etwa 1 ns (eine Milliardstel Sekunde). Das heißt, die an das Metall abgegebene Momentanleistung beträgt 6 MJ geteilt durch 1 x 10-9 Sekunden, also etwa 6 MW. Sehr hohe Leistung reicht in kurzer Zeit aus, um das Metall zu verdampfen und das notwendige Plasma für die spektroskopische Analyse zu erzeugen.
2. Zweitens haben wir den Argonverbrauch im Vergleich zu Funken-OES um mehr als den Faktor 1,000 reduziert. Der Schlüssel hier ist der Laserstrahl mit kleinem Durchmesser. Der Strahl hat einen Durchmesser von < 100 um, sodass das LIBS-Gerät nur wenige cm³ Spülvolumen benötigt und das Volumen während der Vorverbrennung nur wenige Sekunden lang gespült werden muss. Zwischen den Tests stoppt der Argonfluss. Das kleine Volumen in Verbindung mit dem Starten/Stoppen der Spülung reduzierte die Notwendigkeit einer Argonversorgung auf einen winzigen Kanister (1 im Durchmesser und etwa 2½ Zoll lang) im Griff anstelle des externen 50-Pfund-Tanks. Der Kanister liefert 600 Verbrennungen. Bei durchschnittlich drei Verbrennungen pro Standort liefert jeder Kanister eine Analyse von etwa 200 Materialien.

Handheld LIBS für NDT-Technologieeinführungen

SciAps schließt nun das dritte Jahr der kommerziellen Auslieferung von Kohlenstofftestgeräten mit dem SciAps Z-Analysator ab. API Recommended Practice (RP) 578 Third Edition umfasst jetzt tragbare LIBS für Kohlenstofftests. Auf der Pipeline-Seite haben vier unabhängige Studien bewiesen, dass der SciAps Z bei Kohlenstoff und CE eine gleichwertige oder sogar bessere Leistung als die Spark OES-Technologie erbringt. Fast jeder große Pipeline-Eigentümer/-Betreiber verwendet entweder ein Z für seine Materialien oder verlangt von seinen Auftragnehmern für zerstörungsfreie Prüfungen, es zu verwenden. Tatsächlich wurde die SciAps Pipeline App geboren, als der größte Eigentümer/Betreiber das Z für Kohlenstoff und CE testete und akzeptierte, wobei ein spezifisches Testprotokoll in der App enthalten war. Auf der Downstream-Seite verwendet fast jede große Raffinerie das Z für Kohlenstofftests , ebenso wie die Inspektionsunternehmen, die ihre PMI/NDT-Programme unterstützen. Eine ASTM-Methode ist in Bearbeitung und wird voraussichtlich im Jahr 2020 fertiggestellt.

Lebenslanges Training

Kohlenstofftests sind wesentlich schwieriger als die „Point and Shoot“-Einfachheit von XRF. Kohlenstoff ist allgegenwärtig; Jegliche Kohlenstoffrückstände von Erde, Staub, Hautfetten usw. führen zu falschen hohen Testergebnissen. Es ist entscheidend, dass die Bediener eine solide Schulung erhalten und die Bedeutung einer ordnungsgemäßen Probenvorbereitung verstehen. Aus diesem Grund bietet SciAps lebenslange kostenlose Schulungen an, solange das Unternehmen Eigentümer der LIBS ist.