Analysis of Silicon in Steel to Prevent Sulfidic Corrosion Failures

Analýza křemíku v oceli pro prevenci sulfidické koroze pomocí XRF analyzátoru Niton XL5 Plus

Význam tématu

Sulfidická koroze bez přítomnosti vodíku je v petrochemickém a rafinérském průmyslu častou příčinou netěsností, neplánovaných výměn zařízení a rizik pro bezpečnost. Nízký obsah křemíku v uhlíkových ocelích (typicky pod 0,10 wt. %) výrazně zvyšuje náchylnost k rychlé sulfidaci při vysokých teplotách. Dodržování doporučení API RP 939-C (část programu ověřování materiálů API RP 578) vyžaduje spolehlivou kontrolu obsahu Si v potrubí a zařízeních v exponovaných částech provozu. Přenosná XRF měření nabízejí rychlé, neinvazivní a místní ověření složení materiálu, což umožňuje preventivní zásahy a omezení rizik.

Cíle a přehled studie / článku

Účelem materiálu je demonstrovat schopnosti přenosného XRF analyzátoru Thermo Scientific Niton XL5 Plus při měření nízkých hladin křemíku v oceli za podmínek relevantních pro průmysl. Studie porovnává výsledky analyzátoru s referenčními laboratorními hodnotami, hodnotí opakovatelnost při různých časech měření a popisuje doporučené postupy přípravy povrchu pro spolehlivé výsledky.

Použitá metodika a instrumentace

Popis instrumentace:

• Nástroj: Thermo Scientific Niton XL5 Plus přenosný XRF analyzátor.
• Zdroj: výkonná rentgenová trubice 5 W.
• Detektor: moderní silicon drift detector (SDD) s grafenovým okénkem pro zvýšenou citlivost na lehké prvky (zejména Si, Mg, Al, P, S).
• Funkce: malý přístrojový skenovací bod, integrovaná kamera pro přesné umístění analýzy, více filtrů (hlavní filtr a světelný filtr) pro optimalizaci měření lehkých prvků.

Metoda přípravy a měření:

• Povrch musí být očištěn od koroze, barvy, oleje a jiných kontaminantů, které mohou přidávat nebo maskovat signál křemíku (např. Ti, Zn, Ca z nátěrů nebo Mo z maziv).
• Pro odstranění oxidů a korozních vrstev doporučeno mechanické broušení pravým úhlem s vhodným brusným kotoučem (např. zirkonia/alumina).
• Měřené doby: kombinace hlavního filtru (3 s) a světelného filtru (6, 10 nebo 30 s), v prezentovaných testech byly porovnány celkové časy 9, 13 a 33 s.
• Vyhodnocení: porovnání s certifikovanými referenčními materiály, výpočet korelačního koeficientu (R2) a statistika opakovatelnosti (průměr, směrodatná odchylka).

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčové nálezy:

• Výsledky Niton XL5 Plus mají velmi dobrou shodu s laboratorními (certifikovanými) hodnotami, s vysokou hodnotou koeficientu determinace (R2) indikující silnou korelaci.
• Opakovatelnost měření pro nízký standard (0,058 wt.% Si) a vyšší standard (0,147 wt.% Si) byla testována při 9, 13 a 33 s. Průměrná naměřená hodnota zůstávala blízko referenci (průměr 0,060–0,061 wt.%), zatímco směrodatná odchylka klesala s delší dobou měření (0,016 při 9 s → 0,009 při 13 s → 0,004 při 33 s), což ukazuje zlepšení přesnosti s delším počtem sekund integrace signálu.
• Za vhodné přípravy povrchu je analyzátor schopen spolehlivě rozlišit oceli pod a nad kritickým prahem 0,1 wt.% Si (hranice doporučená pro riziko sulfidace) i při krátkých měřeních (<9 s).

Diskuse praktických faktorů:

• Povrchová oxidace, nátěry či maziva významně ovlivňují výsledky a musí být odstraněny; zejména při nízkých koncentracích Si mohou i malé kontaminanty či film způsobit falešné pozitivní/negativní odchylky.
• Volba doby měření je kompromisem mezi rychlostí a přesností: krátké cykly jsou vhodné pro rychlý screening, prodloužené měření se doporučuje, pokud naměřená hodnota leží blízko kritického prahu.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy použití Niton XL5 Plus v průmyslu:

• Rychlé a přenosné ověření složení materiálu přímo v terénu (PMI) pro prevenci chybné instalace materiálů a předcházení sulfidickým poruchám.
• Možnost cíleného testování problematických úseků u jednotek vystavených sulfidaci (např. coker, FCC, visbreaker, hydroprocesní sekce), čímž se snižuje riziko havárií a neplánovaných odstávek.
• Snížení potřeby rozsáhlého laboratorního vzorkování a možnosti okamžitého rozhodování na místě (pass/fail vůči prahu 0,1 wt.% Si).
• Ergonomie (malá hmotnost a kompaktní rozměry) dovoluje přístup do těsných míst a zvyšuje produktivitu kontrol.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávaný vývoj a rozšíření aplikací:

• Dále se zlepšující detektory a zdroje rentgenového záření zvýší citlivost na lehké prvky a zkrátí potřebný čas měření.
• Integrace s digitálními pracovními postupy a databázemi (auditní stopy, historická data materiálů) umožní lepší správu rizik a prediktivní údržbu.
• Automatizované postprocessingové algoritmy a strojové učení by mohly zlepšit interpretaci výsledků v přítomnosti směsí kontaminantů a poskytnout kvantitativnější odhady nepřesností.
• Rozšíření použití pro on-line nebo polo-on-line monitoring v kritických segmentech potrubí s cílem detekovat změny materiálu nebo lokální odchylky v čase.

Závěr

Niton XL5 Plus představuje výkonný nástroj pro rychlou a spolehlivou detekci nízkého obsahu křemíku v ocelích, což je zásadní pro prevenci sulfidické koroze v rafinériích a souvisejících provozech. Při důsledné přípravě povrchu a správném nastavení doby měření lze v terénu spolehlivě rozlišit materiály nad a pod doporučeným prahem 0,1 wt.% Si. Delší doby měření zvyšují přesnost u hodnot blízko rozhodovacího limitu. Přenosné XRF řešení tak významně přispívají k managementu rizik materiálů a ke zvyšování bezpečnosti provozu.

Reference

• Thermo Fisher Scientific Inc., Application Note: Analysis of Silicon in Steel to Prevent Sulfidic Corrosion Using the Niton XL5 Plus XRF Analyzer, 2021.