圧力機器の健全性を維持することは、所有者/運用者にとって常に重要な課題です。容器、炉、ボイラー、熱交換器、貯蔵タンク、および関連する配管や計装機器などの機器の所有者/運用者は、機器の信頼性を評価し、安全かつ効率的な運用のために機器の健全性を保護するために、健全性管理プログラムに依存しています。重要なコンポーネントを監視するために、さまざまな非破壊検査技術が一般的に使用されています。これらのコンポーネントの適切な冶金を理解することは、信頼性と安全な運用にとって非常に重要だからです。間違った種類の材料を使用すると、悲惨な結果を招く可能性があります。
これらのコンポーネントの一部（小型部品や配管アセンブリなど）の炭素分析や材料グレードのテストは、形状やサイズのために困難な場合があります。材料の分析が困難なため、これらの部品はポジティブマテリアル識別（PMI）プログラムから除外されることがよくあります。しかし、メインの小径パイプを含む重要なセクションを無視することはできません。重要なシステムで故障した小型コンポーネントは、大型コンポーネントの故障と同じ影響を与える可能性があります。故障の結果は小さいかもしれませんが、火災、プロセスプラントの停止、負傷など、結果は同じになる可能性があります。
レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）が実験室分析法から主流へと移行するにつれ、現場で全ての部品の必要な炭素試験を100%実施できる能力は業界における大きなギャップとなっていましたが、近年、分析技術によってこのギャップが埋められつつあります。この携帯型技術により、所有者／オペレーターはこれらの部品の材料プロセス適合性を信頼性高く正確に試験することができ、炭素分析を含む現場での材料検証のための包括的なソリューションを提供します。
図1. SciAps Z-902 ER308L溶接部（幅1/4インチ）の炭素分析結果　出典：SciAps（画像をクリックすると拡大表示されます。）
LIBSは、パルスレーザーを使用して材料の表面をアブレーションし、プラズマを生成する光放出技術です。オンボード分光計はプラズマからの光を定性的に測定し、個々の波長を分離して元素含有量を明らかにし、オンボード校正によって定量化します。非常に小さな出口開口部を含む最新のハンドヘルドLIBS分析装置により、曲面や小さな部品を密閉することなく不活性アルゴン雰囲気を実現できるため、技術者はサイズや形状に関係なく部品をテストできます。技術者は表面を準備し、内部カメラを使用してテスト位置をターゲットにして分析します。テスト領域は約50ミクロンなので、技術者はアダプターを使用したり、削り屑を集めたり、犠牲部品をラボに送ったりすることなく、非常に小さな部品を含むあらゆるサイズの部品を測定できます。
市販の携帯型LIBS分析装置を製造しているメーカーは複数あります。用途に合った分析装置を探す際には、携帯型LIBS分析装置はすべて同じ性能ではないことを念頭に置いておく必要があります。市場には、材料の識別はできるものの炭素含有量は測定できないLIBS分析装置がいくつかあります。しかし、材料の等級が求められる用途では、炭素が測定され、炭素量に基づいて材料の等級が決定されます。そのため、炭素は包括的な健全性管理プログラムにとって非常に重要です。
図2. 1/4インチ小ねじ（材質：316H）のSciAps Z-902炭素分析結果。出典：SciAps（画像をクリックすると拡大表示されます。）
例えば、1030炭素鋼は材料中の炭素含有量によって識別され、材料名の最後の2桁の数字は公称炭素含有量を示します。1030炭素鋼の公称炭素含有量は0.30%です。これは、1040、1050炭素鋼などの他の炭素鋼にも当てはまります。また、300系ステンレス鋼の等級付けを行う場合、炭素含有量は、316Lや316Hなどの材料のL等級またはH等級を識別するために必要な基本要素です。炭素を測定しないと、材料の種類を識別するだけで、材料の等級を識別することはできません。
図3. HFアルキル化サービス用1インチs/160 A106継手のSciAps Z-902炭素分析結果 出典：SciAps（画像をクリックすると拡大表示されます。）
炭素を測定する機能を持たない LIBS 分析装置は、X 線蛍光 (XRF) 装置と同様に、材料を識別することしかできません。しかし、いくつかのメーカーは、炭素含有量を測定できるハンドヘルド LIBS 炭素分析装置を製造しています。分析装置には、サイズ、重量、使用可能な校正の数、密閉面と非密閉面のサンプルインターフェース、分析用の小さな部品へのアクセスなど、いくつかの基本的な違いがあります。小さな出口穴を持つ LIBS 分析装置は、テストにアルゴンシールを必要とせず、ウィジェットをテストするために他の LIBS 分析装置や OES ユニットで必要なウィジェットアダプタも必要としません。この技術の利点は、技術者が特別なアダプタを使用せずに PMI 手順のどの部分でもテストできることです。特にアプリケーションで 100% PMI が必要な場合は、分析装置のさまざまな機能を調べて、装置が意図したアプリケーションのニーズを満たすことができるかどうかを判断する必要があります。
携帯型LIBS装置の機能は、現場分析の管理方法を変えつつあります。これらの装置は、所有者/オペレーターに、入荷材料、稼働中/旧型PMI材料、溶接部、溶接消耗品、およびPMIプログラムにおけるあらゆる重要部品を分析する手段を提供し、あらゆる資産保全プログラムに対して効率的で信頼性の高いソリューションを提供します。犠牲部品を購入したり、切削屑を集めて研究所に送り、結果を待ったりする余分な労力やコストをかけずに、費用対効果の高いソリューションを実現します。これらの携帯型LIBS分析装置は、ほんの数年前には存在しなかった追加機能をユーザーに提供します。
図4. SciAps Z-902 1/8インチワイヤー（316L）の炭素分析　出典：SciAps（画像をクリックすると拡大表示されます。）
資産信頼性には、機器の適合性と安全かつ効率的な運用を検証するための包括的な材料検証プログラムが含まれており、現在、現場で完全に実施されています。適切な分析装置について少し調査し、アプリケーションを理解することで、所有者/オペレーターは、形状やサイズに関係なく、資産健全性プログラム内のあらゆる機器を確実に分析および評価し、リアルタイム分析を取得できます。重要な小径部品も瞬時に、自信を持って、正確に分析できるようになり、所有者/ユーザーは機器の健全性を保護するための重要な意思決定に必要なデータを入手できます。
この革新的な技術により、所有者／運用者は、炭素フィールド分析におけるギャップを埋めることで、機器の高い完全性と信頼性を維持することが可能になります。
ジェームズ・テレル氏は、携帯型XRFおよびLIBS分析装置の製造会社であるSciAps, Inc.の非破壊検査（NDT）事業開発担当ディレクターです。
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