Ein geborstener Zylinder aus einem Feuerlöschsystem wurde dem Rimkus-Materialprüfungs- und -Untersuchungsteam zur Analyse übergeben, um die Ursache des Bruchs zu ermitteln. Der Zylinder war zum Zeitpunkt des Bruchs mit einem INERGEN-Gemisch (52 % Stickstoff, 40 % Argon und 8 % Kohlendioxid) mit einem Druck von etwa 2300 psi gefüllt.
Angebotene Dienstleistungen
Die Experten von Rimkus führten eine Reihe von Tests und Analysetechniken an dem gebrochenen Zylinder durch, um dem Kunden einen vollständigen Fehleranalysebericht vorzulegen. Diese Tests und Dienstleistungen umfassten Folgendes:
Visuelle, stereoskopische und rasterelektronenmikroskopische (SEM) Untersuchungen
Elementaranalyse (EDS)
Metallographie (Gefügebewertung)
Chemische Zusammensetzung (OES)
Zugprüfung und Härte
Die Ergebnisse zeigen, dass der Bruch an einer Längsausrichtung mehrerer bereits vorhandener axialer Risse im Inneren des Zylinders begann. Die bereits vorhandenen Risse waren durch mit schwarzem Oxid bedeckte, bogenförmige Rissfronten gekennzeichnet, die von der Innenfläche ausgingen und etwa 50-80 % der Zylinderwand durchdrangen. Das Vorhandensein von schwarzem Oxid deutet darauf hin, dass die Risse bereits seit längerer Zeit vorhanden sind und möglicherweise bei einer hohen Temperatur während der thermischen Verarbeitung bei der Herstellung entstanden sind. Schwarzes Oxid kann auch das Ergebnis von Korrosion entlang der bereits vorhandenen Risse in einer sauerstoffarmen Umgebung sein.
Es gab Anzeichen für zwei Stufen des Rissfortschritts vor dem Bruch; die Zeit zwischen den Stufen konnte jedoch nicht bestimmt werden. In beiden Regionen wurden schwarzes Oxid und erhebliche Korrosion entlang der Risslänge festgestellt. Die zweite Phase des Rissfortschritts scheint entweder sehr alt gewesen zu sein oder sich über einen langen Zeitraum erstreckt zu haben.
Das schwarze Oxid auf den Oberflächen vor den Rissen deutet darauf hin, dass die Risse bereits seit längerer Zeit vorhanden sind und möglicherweise bei hohen Temperaturen während der thermischen Verarbeitung bei der Herstellung entstanden sind. Schwarzes Oxid kann auch eine Folge von Korrosion entlang der bereits vorhandenen Risse in einer sauerstoffarmen Umgebung sein.
In der Nähe der Bruchstelle wurden ebenfalls zahlreiche langfristige, bereits vorhandene axiale Risse festgestellt. Die beobachteten, bereits vorhandenen inneren Risse beschränkten sich auf einen Bereich von etwa 0,5 m (18 Zoll) am Tankboden. An der umlaufenden Bruchfläche entlang des Tankbodens wurden flache, bereits vorhandene Umfangsrisse beobachtet. Diese waren eine Fortsetzung des axialen Bruchs am Boden des Zylinders (siehe Abbildung 1). Entlang der bereits vorhandenen Risse scheint es zu aktiver Korrosion gekommen zu sein. Der Rest der Bruchfläche (jenseits der bereits vorhandenen Risszonen) wies Merkmale auf, die auf eine schnelle duktile Überlastung hindeuteten.
Abgesehen von den bereits vorhandenen Rissen wurden keine anderen ungewöhnlichen Bedingungen im Gefüge des Zylinders festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Zylindermaterials entspricht den Spezifikationen 3AA und 3AAX für nahtlose Stahlzylinder des Verkehrsministeriums 178.37. Der Zylinderstahl wies eine Streckgrenze von 74.700 psi und eine Höchstzugkraft von 105.100 psi auf.
Fotos
Abbildung 1: Ansicht des gebrochenen Zylinders im Anlieferungszustand. Ein primär axialer Bruch spaltete den Zylinder weit auf. Der axiale Bruch drehte sich am Boden des Zylinders in entgegengesetzte Richtungen. Die beiden Bruchhälften sind zur Identifizierung der Untersuchung mit "A" und "B" beschriftet. Die grünen Pfeile zeigen die Bruchausgangsstelle an. Die kleineren schwarzen Pfeile zeigen die Richtung der Bruchausbreitung an.
Abbildung 2: Zweite Ansicht des gerissenen Zylinders im Anlieferungszustand. Der Zylinder wurde zur leichteren Handhabung und Untersuchung ungefähr an der gestrichelten Linie aufgeschnitten.
Abbildung 3: Eine Nahaufnahme der Bruchseite "A" in der Nähe des Zylinderbodens. Die axiale Bruchfläche weist mehrere Ausbrüche auf, die wie Treppenstufen aussehen. Die Innenfläche (ID) weist zahlreiche Risse auf. Diese Merkmale werden in den folgenden Abbildungen in näheren Ansichten gezeigt.
Abbildung 4: Die Ansicht der Innenfläche des Zylinders entlang des Bruchs auf Seite "A" zeigt zahlreiche Längsrisse. Die ID-Risse öffneten sich während des Bruchs. Alle Risse befinden sich innerhalb von ca. 46 cm (18 Zoll) vom Zylinderboden.
Abbildung 5: Nahaufnahme der axialen Bruchfläche der "A"-Seite etwa 20 cm vom Tankboden entfernt. (20 cm) vom Tankboden zeigt mit schwarzem Oxid bedeckte bogenförmige Rissfronten (Pfeile), die auf bereits vorhandene Risse in der Bruchfläche hinweisen.
Abbildung 6: EDS-Analyse der schwarzen Oxidablagerung in der Nähe der Spitze des bereits bestehenden Rissbereichs (Mitte der Wand) auf der axialen Bruchfläche der "A"-Seite. Es handelt sich hauptsächlich um Eisenoxid mit Spuren von Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Chlor und Kalzium. Der Chrom- und Siliziumgehalt wird auf den Zylinderstahl zurückgeführt.
Abbildung 7: Ansicht des Bodens des abgetrennten Zylinders auf der "B"-Seite. Der schwarze Pfeil kennzeichnet einen Bereich, in dem die Bruchfläche in einer Nahaufnahme in Abbildung 8 zu sehen ist.
Abbildung 8: Die axiale Bruchfläche der "B"-Seite nach der Reinigung zeigt mit schwarzem Oxid bedeckte Vorrissmuster entlang der Zylinderinnenfläche, die sich über etwa 80 % der Zylinderwand erstrecken. Eine leichte Variation in der schwarzen Ablagerung deutet auf einen zweistufigen Vorriss hin (zwischen den gestrichelten Linien).
Abbildung 9: Ein Blick auf den umlaufenden Bruch am Zylinderboden nach dem Schneiden. Die untere Innenfläche weist Korrosion auf (braune Flecken). Die Ausbreitungsrichtung des Bruchs ist durch die Pfeile gekennzeichnet.
Abbildung 10: Schwach vergrößertes REM-Bild der mit inhibierter Säure gereinigten axialen Bruchfläche der "B"-Seite. Die schmalen Schlitze in der Bruchfläche sind Sulfidstränge, die bevorzugt korrodiert wurden. Die Verfärbung deutet auf zwei Stufen der Rissausbreitung vor dem Bruch hin.
Abbildung 11: Hochvergrößernde REM-Aufnahme des auf der "A"-Seite geöffneten Risses im Bereich der Vorrißspitze der zweiten Stufe zeigt ebenfalls eine korrodierte Oberfläche mit Anzeichen einiger intergranularer Merkmale (Pfeile).
Abbildung 12: Die REM-Aufnahme mit hoher Vergrößerung zeigt eine grübchenartige Morphologie (Koaleszenz von Mikroporen) an der Stelle der duktilen Überlastung, die durch das Öffnen des Sekundärrisses entstanden ist.
Abbildung 13: Mikroskopische Aufnahme mit geringer Vergrößerung des Querschnitts der "A"-Seite durch den Bereich der Rissauslösung. Die ID-Initiationsstelle ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Die bereits existierende Risszone ist angedeutet. Die OD-Seite hat nachgegeben. Die eingekreisten Bereiche werden in den folgenden Abbildungen wie angegeben in größerer Vergrößerung dargestellt.
Abbildung 14: Eine stark vergrößerte Mikroaufnahme des ungeätzten Querschnitts entlang der Bruchfläche zeigt axiale Korrosionseinbrüche, die auf aktive Korrosion entlang des bereits vorhandenen Risses hinweisen.
Abbildung 15: Mikroskopische Aufnahme mit geringer Vergrößerung des transversalen Querschnitts durch mehrere innere Sekundärrisse. Die Risse haben sich während des Bruchs verbreitert.
