Naspeurbaarheid van samenstelling, essentieel voor de toepassing van metalen producten

Verschillende materialen worden om steeds weer andere redenen toegepast, van esthetiek en constructief tot redenen vanwege corrosie- of oxidatiebestendigheid, of gewoon vanwege de kostprijs en verkrijgbaarheid. In het ontwerp- en constructieproces is de materiaalkeuze dus essentieel. Immers, de gebruiksomstandigheden zoals druk, temperatuur, en medium zijn bepalend voor de toepasbaarheid van een bepaald materiaal met haar specifieke eigenschappen. Zo kunnen kunststoffen wel bruikbaar zijn vanwege chemische resistentie, maar als er sterkte bij hogere temperatuur verlangd wordt, dan komen alleen metalen in aanmerking.

Dan moet er op basis van de verlangde sterkte bij temperatuur en/of het heersende milieu nog een keuze gemaakt worden voor een specifiek metaal of legering. Natuurlijk kunnen er in een grotere constructie ook verschillende materialen worden toegepast.Tijdens de fabricage en montage van die constructies uit de geselecteerde materialen moet zeker gesteld worden dat die materialen aan de beoogde gespecificeerde eisen voldoen. Daarvoor zijn van belang de ingekomen goederen controle (controle van datgene wat de leverancier heeft geleverd), controle tijdens de fabricage (de juiste materialen op de juiste posities) en controle na de fabricage (de juiste materialen op de juiste posities en de controle van de materiaalkwaliteit na de verwerking en bewerking (o.a. buigen, lassen, warmtebehandelen, beitsen). Over de controle van de juiste chemische samenstelling gaat dit artikel.

Ingekomen goederen controle en controle van de materiaalkwaliteit
 

De ingekomen goederen controle en de aangegeven controle tijdens en na de fabricage betreffen dan de naspeurbaarheid van de samenstelling en ook van de structuur (in dit artikel niet nader te behandelen), hetgeen vooral bij de toepassing van roestvast stalen en hoog gelegeerde metalen producten van groot belang is. Hier, ons beperkend tot de samenstelling, bijvoorbeeld wat te denken van een leidingsysteem, bestaande uit type AISI 304 en 316 roestvast stalen leidingdelen. Beide materialen zijn gekozen vanwege de corrosiebestendigheid op de betreffende plaats in het leidingsysteem. Als aan een dergelijk leidingsysteem gelast moet worden mag in verband met de corrosiebestendigheid van het systeem voor alle lassen wel type 316 roestvast staal lastoevoegmateriaal worden toegepast, maar niet alleen maar type 304 lastoevoegmateriaal. De putcorrosiebestendigheid van type 316 is door het Mo-gehalte immers beduidend beter dan van type 304. Controle van de samenstelling van de lassen voor wat betreft samenstelling is dan van belang. Daarvoor zijn een aantal niet destructieve onderzoeksmethoden mogelijk, waarmee materialen kunnen worden geïdentificeerd, onderzoek dat wel bekend staat als positieve materiaal identificatie (PMI).

Globaal zijn de volgende methoden te onderscheiden:

• Röntgen fluorescentie spectrometrie,
• Optische emissie spectrometrie, en de
• Druppelproef.

Röntgen fluorescentie spectrometrie

Draagbare röntgen fluorescentie spectrometers, vroeger op basis van een radioactieve bron, maar tegenwoordig meestal op basis van een röntgenbuis, zijn alleen geschikt om elementen zoals chroom, nikkel, molybdeen, vanadium, titaan en vele andere aan te tonen en semi-kwantitatief de gehalten daarvan te bepalen om daarmee legeringen te identificeren. Met deze röntgen fluorescentie spectrometers wordt het monster bestraald. Hierdoor zullen de in het metaal aanwezige elementen elk hun eigen golflengte specifieke röntgenstraling uitzenden. Deze straling wordt vervolgens gemeten. De golflengte geeft de aanwezigheid van het element aan, de hoeveelheid straling met die specifieke golflengte geeft de concentratie van het betreffende element aan. Door middel van dergelijke röntgen fluorescentie spectrometers kunnen materialen worden herkend en positief worden geïdentificeerd: Positieve Materiaal Identificatie (PMI). Tevens kan er gecontroleerd worden of er geen materiaalverwisseling heeft plaatsgevonden in constructies (figuur 1). Want zeker is dat verwisseling van materialen, dus toepassing van materialen op ongeschikte posities, grote gevolgen kan hebben door bijvoorbeeld corrosie. Door de compactheid en gewicht is het meten op de meeste locaties en posities mogelijk. PMI of verwisselingsonderzoek wordt vaak toegepast bij installaties voor de chemie- of petrochemie, waarin de volgende materialen zijn verwerkt:

• roestvast staal
• nikkel legeringen
• laaggelegeerde Cr-Mo stalen (kruipvaste materialen)
 

Figuur 1. Materiaal analyse (PMI) met een draagbare röntgen fluorescentie spectrometer.

Optische emissie spectrometrie

Zoals gezegd bepaalt de samenstelling van een materiaal direct of indirect, vrijwel alle eigenschappen. Controle van de exacte materiaalsamenstelling is daarom van belang. Naast de klassieke nat chemische analyse methode bestaat ook de mogelijkheid om de samenstelling te bepalen door materiaal (metaal of legering) van het te analyseren monster in een elektrische boog te verdampen. De atomen en ionen in deze damp produceren dan elk licht met een specifieke golflengte. Door in het gehele uitgezonden lichtspectrum (en dus het te meten spectrum) de golflengten en de intensiteit te bepalen, kan berekend worden wat de concentraties aan de verschillende elementen in het monster zijn. Deze methode staat bekend onder de naam Optische Emissie Spectrometrie (OES) en kent tegenwoordig een zeer grote nauwkeurigheid, De methode heeft als groot voordeel dat in één "meting" (met nog één of meer kalibratie metingen aan standaard monsters) de gehaltes aan vrijwel alle standaard (legering en toevoeging) elementen, zoals silicium, mangaan, chroom, nikkel, molybdeen, titaan, niobium kunnen worden bepaald. Maar ook de elementen koolstof, zwavel, fosfor, stikstof en bijvoorbeeld de elementen borium en vanadium kunnen in dezelfde meting worden meegenomen en bepaald. In een aantal gevallen moet echter toch vanwege het specifieke element of de zeer geringe concentratie van die stof (geen metaal of legering, of een poreus metaal) worden terug gevallen op nat-chemisch onderzoek.

Ook kan met mobiele spectrometers ter plaatse bij opdrachtgevers op een niet-destructieve manier de samenstelling van metalen onderdelen worden bepaald (zie figuur 2), of worden geïdentificeerd. De techniek maakt het ook mogelijk om op locatie behalve de gebruikelijke legeringelementen, ook de gehalten koolstof, zwavel en fosfor te bepalen. Dit kan nodig zijn omdat er steeds vaker een uitgebreidere of nauwkeuriger analyse wordt gewenst, ook bij de (positieve) materiaal identificatie. Zo kan bijvoorbeeld het putcorrosie bestendigheids getal (PREN) van roestvast stalen worden bepaald, maar kan ook worden vastgesteld of een roestvast staal wel werkelijk van een laag koolstofkwaliteit (L) is. De materialen die in aanmerking komen voor materiaal identificatie op locatie met een emissie spectrometer zijn o.a.:

• ongelegeerd en laag gelegeerd koolstofstaal
• gietijzer en gietstaal
• roestvaste stalen (austenitisch, ferritisch en martensitisch)
• nikkel-, aluminium- en koperlegeringen

De druppelproef

Met de druppelproef kunnen door element specifieke chemicaliën op een metaal te druppelen bepaalde kleurreacties teweeg worden gebracht. Zulke kleurreacties geven aan of een specifiek element, bijvoorbeeld Mo (molybdeen) in roestvast staal zit. Zo kan roestvast staal 316 (dat 2-3% Mo bevat) worden onderscheiden van roestvast staal 304. Maar duidelijk moet zijn dat de techniek grote beperkingen heeft en chemicaliën op het materiaal achterlaat, die mogelijk grondig moeten worden verwijderd. De techniek wordt dan ook zelden meer gebruikt of gespecificeerd als werkelijke PMI techniek.
 

Figuur 2. Materiaal analyse met een verplaatsbare optische emissie spectrometer.

Naspeurbaarheid
 

Indien een bepaald type metaal of legering wordt toegepast, dan is één ding zeker. Het materiaal en de onderdelen moeten overeen komen met het voor het ontwerp en de gebruiksomstandigheden geselecteerde en bestelde. Dus moet er worden zeker gesteld dat er geen verwisseling van materialen tijdens de fabricage van de installatie heeft plaatsgevonden. Belangrijk is dan ook dat er geen materiaal moet worden verwerkt als de certificaten nog niet zijn ontvangen. En ook dan moet men in de wereld van de sterke globalisering niet blind varen op de geleverde materiaal certificaten. De betrouwbaarheid hiervan blijkt namelijk sterk afhankelijk van de fabrikant, de onafhankelijke vertegenwoordiger van de certificerende instantie en de leverancier. Die betrouwbaarheid is groter naarmate de fabrikant bekender is en geen materialen bij anderen inkoopt en die zonder nieuwe beproeving onder eigen naam verkoopt. Onderzoek heeft de afgelopen jaren geleerd dat vele corrosie- maar ook mechanische schades- aantoonbaar het gevolg bleken van ondeugdelijk materiaal. Materiaal met certificaten, die in tegenstelling tot de werkelijkheid, aantoonden dat het materiaal goede materiaaleigenschappen had. Soms betrof het certificaten waarin materiaal genoemd werd dat in de verste verte niet eens leek op het bijbehorende gefaalde materiaal.

Als er materiaal ingekocht wordt op basis van de laagste prijs, dan is het aan te bevelen de materialen tenminste door één onafhankelijk laboratorium te laten identificeren, misschien wel positief te identificeren. Want één ding is duidelijk: PMI betekent weliswaar positieve materiaal identificatie, maar als het materiaal qua samenstelling niet aan de eis voldoet, dan is het een negatieve uitslag van positieve materiaal identificatie. Maar die uitkomst, hoe negatief ook, is wel positief voor het product en het latere gebruik.