Une technologie révolutionnaire pour mesurer le carbone et les équivalents carbone

Pour ceux qui ont besoin de mesurer le carbone dans les aciers, il existe désormais un analyseur portable pour le travail. Là où les opérateurs utilisaient auparavant la technologie Spark OES - qui nécessitait une expertise considérable de l'opérateur - ou engageaient une société de test tierce pour apporter l'OES avec eux, il existe désormais une meilleure option.

Il y a deux ans, SciAps a lancé la première unité LIBS au monde qui différencie les aciers en fonction de leur teneur en carbone dans les aciers et les aciers inoxydables, et vérifie les équivalents carbone pour la soudabilité des métaux. SciAps a mis l'analyse du carbone dans la paume de la main pour la première fois. De plus, SciAps s'engage à offrir des formations gratuites, y compris des recyclages, à des opérateurs plus nombreux et mieux formés. Déjà, près de 600 unités sont utilisées sur le terrain pour pratiquement toutes les grandes industries du monde.

LesPourquoi le carbone ?

De nombreuses personnes qui ont lancé SciAps en 2013 étaient des vétérans de l'industrie des rayons X portables, ayant été les fondateurs et/ou les employés des deux principales sociétés d'analyseurs d'alliages portables, Niton et InnovX (maintenant Thermo Fisher Scientific et Olympus). , La technologie des rayons X était solide comme le roc avec les métaux de transition et les métaux lourds, même Mg, Al, Si, P et S. Les rayons X fonctionnaient très bien sur l'acier inoxydable, les alliages à haute température, les laitons/bronzes, les aluminiums, etc., améliorant considérablement l'analyse des alliages et la manipulation d'applications spécialisées telles que la faible teneur en silicium dans les aciers pour la corrosion sulfurique, la teneur en P et S dans les aciers et les aciers inoxydables. Malgré toutes ces innovations, il restait une limitation importante aux rayons X portables : le carbone. L'énergie extrêmement faible des rayons X du carbone serait complètement absorbée par le matériau de la fenêtre recouvrant le détecteur et l'air dans le trajet. Il en va de même pour les autres éléments à faible numéro atomique comme l'oxygène, l'azote, le bore, le lithium et le béryllium. Sans un système fermé sous vide poussé où vous auriez à retirer un morceau de métal, il n'y a aucun moyen pratique de mesurer le carbone ou des "éléments légers" similaires avec un pistolet à rayons X portable. Pourtant, la concentration de carbone est essentielle à vérifier dans les aciers et inoxydable. Pour la soudabilité de l'acier, il est indispensable de déterminer les équivalents carbone. La mesure CE nécessite C, ainsi que des éléments d'alliage courants tels que Mn, V, Cr, Ni, Cu, Mo et Si. Vous pouvez mesurer ces autres éléments avec des rayons X, mais sans carbone, il n'y a pas de CE. Les utilisateurs d'acier inoxydable sont confrontés à un défi similaire. Beaucoup demandent spécifiquement une qualité d'acier inoxydable à faible ou haute teneur en carbone, telle que 316 ou 316L. Les grades L exigent que la teneur en carbone soit < 0.03 %, tandis que les grades H exigent que la teneur en carbone soit > 0.04 %. Compte tenu du volume considérable d'acier et d'acier inoxydable qui est produit, utilisé et recyclé dans le monde, un appareil portatif permettant de distinguer les nuances L des nuances droites et H est une percée majeure.

LesLa vieille garde en carbone : l'étincelle OES Jusqu'en 2017, le spark OES était la seule technique d'analyse du carbone sur le terrain. Spark OES fonctionne en générant une étincelle électrique à haute fréquence qui chauffe et brûle dans le métal et crée un plasma d'électrons en éliminant les électrons de valence des différents atomes (carbone, chrome, fer, manganèse, etc.) qui composent l'alliage. Lorsque le plasma se refroidit instantanément, les électrons se recombinent avec les atomes, émettant de la lumière dans le spectre ultraviolet, visible et infrarouge. Un spectromètre embarqué collecte la lumière, analyse l'intensité à différentes longueurs d'onde et applique un étalonnage pour déterminer la chimie élémentaire. Spark OES était la seule technique d'analyse du carbone sur le terrain jusqu'à ce que SciAps invente un LIBS portable dans le même but. Mais spark OES a un certain nombre de défis. Pour obtenir des données fiables, un opérateur expérimenté et bien formé est indispensable. L'analyse nécessite un environnement de gaz inerte, généralement de l'argon, de sorte que les systèmes à étincelles sont associés à un réservoir métallique lourd (40+ lb) d'argon à haute pression. Les utilisateurs doivent purger le système d'allumage avant de l'utiliser, puis faire fonctionner l'argon en continu pendant les tests (donc le grand réservoir). Pour des raisons de sécurité, le gaz argon est généralement coupé avant que l'OES ne soit déplacé, ce qui nécessite alors une nouvelle purge et souvent un réétalonnage lorsque l'appareil se trouve à son emplacement suivant. Le spectromètre est également de grande taille. Tous ces composants reposent sur un chariot à roulettes pour se déplacer vers divers sites de test. Pour les essais de pipelines « en fossé », une grue est nécessaire pour déplacer l'OES d'un endroit à l'autre. Les limitations de mobilité sont importantes. Les plaintes typiques sont la difficulté à pénétrer dans les fossés des pipelines, dans les tours ou sur ou au-dessus des supports de matériaux. Le déplacement et la re-purge réduisent le débit. Le coût et la disponibilité de l'argon, en particulier dans les zones plus rurales ou isolées, posent problème. Pourtant, jusqu'à récemment, le Spark OES était le seul choix pour le travail sur le carbone sur le terrain, et la technique fournit des données fiables à condition que les opérateurs soient bien formés et suivent le SOP.

LesQu'est-ce que LIBS et comment ça marche ?

LIBS (spectroscopie de panne induite par laser) est une méthode OES comme l'étincelle OES, mais le système d'étincelles haute tension gourmand en énergie est remplacé par un très petit laser pulsé à haute puissance. SciAps a miniaturisé le laser et d'autres composants clés dans un ordinateur de poche de 4.5 livres. Cette percée a nécessité trois innovations majeures :

• Nous avons remplacé le système d'étincelles par un laser pulsé miniature pour vaporiser une petite partie du matériau et créer le plasma à partir des électrons de valence. Le laser SciAps lui-même est un exploit d'innovation. D'une taille d'environ 1" cube, il délivre une puissance moyenne très faible (impulsion d'énergie de 6 mJ), mais une puissance instantanée incroyablement élevée (50 fois par seconde). La puissance moyenne n'est pas suffisante pour vaporiser de l'acier ou des alliages à haute température. Mais le laser le faisceau est focalisé jusqu'à un petit point (100 um), dans une échelle de temps très courte (1 ns).Comparez cela à un pointeur laser, où vous appuyez et maintenez le bouton ON et le laser illumine un point en continu.Dans le cas de LIBS, le laser illumine le point pendant un milliardième de seconde, se repose et recharge pendant environ 1/50e de seconde, puis se répète. Faites le calcul et la puissance instantanée délivrée à cet endroit sur l'acier est en gigawatt/cm 2 portée, facilement assez d'énergie pour vaporiser l'alliage à cet endroit.Ainsi, le premier développement critique a été d'obtenir un laser qui pourrait délivrer un faisceau pulsé de bonne qualité, dans une petite tache (100um), dans une échelle de temps très courte (1 ns) , alimenté par une très petite batterie qui fait également fonctionner le processeur et l'écran.
• Nous avons inventé le processus de purge. Le laser étroit nécessite un petit volume de purge (quelques centimètres cubes). Entre les tests, le flux d'argon s'arrête. Le résultat est une réduction d'environ 1,000 3 fois la consommation d'argon, permettant à une petite cartouche (1 cm de long, 100 cm de diamètre, moins de 4 g/40 oz) dans la poignée de l'appareil de remplacer le réservoir d'argon de plus de 600 kg. La cartouche délivre 600 brûlures, donc 125 tests de carbone, ou 150 à 7 échantillons de site, et coûte XNUMX $ à remplacer. Vous pouvez transporter le Z n'importe où sans couper l'argon ni purger à nouveau.
• Nous avons miniaturisé le spectromètre, tout en offrant la plage spectrale et la résolution nécessaires, en particulier pour la raie du carbone et pour les divers métaux de transition et métaux lourds. Par exemple, la mesure de la ligne de carbone à 191.3 nm nécessite une résolution < 0.1 nm pleine largeur demi-max (FWHM) en raison des lignes de fer interférentes à proximité provenant de l'excitation du métal de base.

Qui l'utilise et l'approuve ? Alors que SciAps clôture une troisième année d'expéditions commerciales de près de 600 unités de carbone, le LIBS portable est désormais inclus dans la pratique recommandée 578 de l'API (3^rd édition) pour les tests de carbone. La plupart des grands propriétaires/exploitants de pipelines utilisent un SciAps Z pour leurs matériaux. En fait, l'application SciAps Pipeline est née lorsque le plus grand propriétaire/exploitant a testé et accepté le Z pour le carbone et le CE dans les matériaux de pipeline, avec un protocole de test spécifique. Quatre études indépendantes, y compris le Gas Technology Institute et l'ASTM, ont prouvé que le SciAps Z fonctionne de manière équivalente ou supérieure à la technologie Spark OES. Ces études comprennent généralement des tests sur le terrain avec à la fois des OES à étincelles et des LIBS portables, avec des échantillons prélevés pour des tests en laboratoire extérieurs. Dans chaque étude, la précision et l'exactitude du LIBS portable ont été comparables à celles de l'étincelle OES. Les principales raffineries les déploient pour les tests de carbone, tout comme les sociétés d'inspection qui soutiennent leurs programmes NDT/PMI. Les applications les plus courantes pour l'analyse du carbone sont les aciers de canalisation pour la teneur en carbone et les équivalents carbone, la vérification des aciers inoxydables de qualité L et H et, plus récemment, l'analyse des éléments résiduels (API 751). Les LIBS portables sont de plus en plus utilisés pour les études de corrosion sulfurique, afin de vérifier que la teneur en silicium est < 0.1 % dans les aciers au carbone. L'industrie de l'énergie utilise largement la technologie pour les études de corrosion accélérée par le flux afin de vérifier la teneur en chrome de l'acier dans la plage de 0.03 %. Les charges réglementaires sur les radiographies portables font du LIBS portable une alternative intéressante. Dans l'industrie de la ferraille et du recyclage, il existe également un intérêt croissant pour l'utilisation d'analyseurs LIBS pour mesurer les éléments dits contaminants, y compris le lithium, dans la ferraille d'aluminium et la teneur en carbone de l'acier. Alors que le XRF est le meilleur analyseur pour le tri des alliages d'aluminium, SciAps recommande d'utiliser le LIBS dans des applications de niche, notamment pour mesurer le carbone, le bore, le béryllium et le lithium, qui sont des éléments que le XRF ne peut pas mesurer. Le SciAps Z pour le carbone dans les aciers et l'acier inoxydable : Technologie portable éprouvée avec près de 600 installations dans le monde.

Vraies histoires de démonstration sur le terrain

2 jours d'étincelle OES contre seulement 3 heures avec LIBS

LesIls avaient prévu deux jours pour les tests, car ils devaient monter une tour de 100 pieds avec OES. Au lieu de cela, ils ont terminé le travail en seulement trois heures avec notre analyseur LIBS portable.

Z-200 résout le mystère de l'inox

LesLieu : Texas. Nous avons été appelés à faire des tests sur des matériaux du monde réel avec une grande société d'inspection…

Tester dans un endroit restreint Voici une belle histoire des premières lignes des tests d'acier inoxydable au Japon, avec l'aimable autorisation de notre responsable des applications en Asie-Pacifique.

Le jour où LIBS a battu OES

LesVoici une autre histoire de carbone et une opportunité d'apprentissage, avec l'aimable autorisation de notre responsable EMEA, Jeroen.

Le LIBS portable fonctionne-t-il dans le vent ?

LesNous recevons cette question tout le temps et nous ne pouvions pas comprendre pourquoi le vent est un problème. Ensuite, une partie de golf aérée nous a fait penser à des histoires de démonstration que nous avons entendues sur la route.

Démos vers le bas

LesPour chaque test, nous calculons et affichons automatiquement l'équivalence carbone, CE = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Cu% + Ni%)/15. Les résultats ici étaient très reproductibles et correspondaient parfaitement aux pièces certifiées du client.

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