Uitgebreide Falingsanalyse: Voorkomen van Apparatuurverlies en Kostenreductie

Falingsanalyse

Falings van apparatuurcomponenten en assemblages, of structuren in de industrie kunnen verlies van levens, ongeplande stilstanden, verhoogde onderhouds- en reparatiekosten, en schadelijke geschillen over aansprakelijkheid veroorzaken.

Om toekomstige herhaling van het probleem veroorzaakt door de falen te voorkomen, is het essentieel om in elk falen een onderzoek uit te voeren. Het uitvoeren van een onderzoek voor een falen staat bekend als falingsanalyse.

Falingsanalyse is een proces van verzamelen en analyseren van data en wordt uitgevoerd om de oorzaken of factoren te bepalen die hebben geleid tot de ongewenste verlies van functionaliteit of falen van apparatuurcomponenten en assemblages, of structuren. Het is een multi-niveau proces dat fysiek onderzoek omvat. De normale omvang van een falingsanalyse is om het falingsmechanisme en de meest waarschijnlijke oorzaak van de falen te vinden. De term falingsmechanisme wordt normaal beschreven als het metallurgische, chemische, mechanische, of tribologische proces dat leidt tot een bepaalde falingsmodus.

Oorzaken van Falen

Falings van de apparatuurcomponenten en assemblages, of structuren treden op als resultaat van een of andere fout die een zwakke schakel in de ketting van het continue proces van engineering, ontwerp, fabricatie, en operatie veroorzaakt. De oorzaak van een falen kan een of meer van de volgende zijn.

• Fout in ontwerp
• Defecten in materiaal
• Tekortkomingen tijdens verwerking en fabricatie
• Defecten in assemblage of installatie
• Afwijkende of onbedoelde dienstomstandigheden
• Tekortkomingen in onderhoud (verwaarlozing en procedures etc.)
• Onjuiste bediening

Hoofdstappen in Falingsanalyse

De hoofdstappen bij het uitvoeren van een falingsanalyse zijn weergegeven in Fig 1.

Fig 1 Hoofdstappen in falingsanalyse

Het hoofdprincipe van een falingsanalyse is om bewijs en de benodigde informatie van het betreffende onderdeel of assemblage in de as-ontvangen toestand te bewaren en hetzelfde wordt vastgelegd voordat er iets wordt gedaan om de toestand te veranderen. Verder is tijdens falingsanalyse het noodzakelijk om tests uit te voeren in volgorde van minder destructief naar meer destructief van aard.

Falingsanalyse begint met het verzamelen van informatie betreffende de geschiedenis van het betrokken onderdeel in de falen, zoals (i) betrokken proces, (ii) de toepassing, (iii) type materiaal, specificaties, vorm, afmetingen, en verwerkingstechniek, (iv) ontwerpparameters, (v) dienstomstandigheden, (vi) onderhoudsgeschiedenis, (vii) reeks gebeurtenissen voorafgaand aan de falen, (viii) frequentie van falen en of het van gelokaliseerde aard is, etc.

Inspectie van de locatie van de falen is een zeer belangrijke stap die helpt bij de falingsanalyse. Een grondelijke onderzoek van de toestand van het gefaalde onderdeel op de falingslocatie kan een groot aantal informatie opleveren. Tijdens locatie-inspectie is het nodig om aandacht te geven aan dergelijke kenmerken als locatie van kruiken, breukkenmerken, perforaties, afzettingen, wandverdunning, doorbuiging, en losse stukken etc. Ook, waar mogelijk, is het nodig om zoveel mogelijk informatie te verkrijgen van ooggetuigen over eventuele abnormale omstandigheden voorafgaand aan de falen. In sommige gevallen kan visuele inspectie van het gefaalde onderdeel informatie onthullen die anders niet verkregen kan worden.

Tijdens de visuele inspectie is het belangrijk om de machine en omgeving, het gefaalde onderdeel en het maatdeel te fotograferen. Fotografische documentatie van het gefaalde onderdeel is altijd noodzakelijk voor toekomstige referentie en verdere inspectie na verlaten van de locatie. Het is belangrijk om alle kenmerken van het gefaalde onderdeel te fotograferen.

Duidelijk definiëren van het probleem is een essentieel deel van een falingsanalyse. De diepgang van de verkregen informatie, locatie-inspectie, alsook de vaardigheid en oordeelsvorming van de persoon die de falingsanalyse uitvoert, helpen bij het duidelijk definiëren van het probleem. Bijvoorbeeld, het probleem kan gedefinieerd worden als metallurgisch, mechanisch of milieu gerelateerd of een combinatie van twee of meer van hen. Verder door discussies met het betrokken personeel op de locatie en door visuele inspectie kan de persoon die de falingsanalyse uitvoert de verschillende mogelijkheden innauwen. Ook kan de falen lijken op een eerdere falingsgeval.

Gebaseerd op de waarschijnlijke oorzaak van de falen volgens het gedefinieerde probleem tijdens de locatie-inspectie, wordt een experimenteel programma ontwikkeld om de oorzaak van de falen te bepalen. De aard en het aantal geselecteerde experimenten moeten zodanig zijn dat ze moeten leiden tot het identificeren van de oorzaak van de falen. Monsters die nodig zijn om de geselecteerde experimenten uit te voeren, moeten zorgvuldig worden genomen op een manier dat ze zoveel mogelijk alle kenmerken van het gefaalde onderdeel vertegenwoordigen. Afzettingen of losse stukken van het onderdeel kunnen waardevolle informatie opleveren. Wanneer mogelijk, moeten monsters verwijderd uit gezonde secties, alsook monsters nooit in dienst gebruikt, ook verzameld worden voor vergelijkingsdoeleinden.

Onderzoeksinstrumenten

Onderzoeksinstrumenten die in falingsanalyse studies worden gebruikt, zijn meestal van twee typen: (i) instrumenten die op locatie gebruikt kunnen worden en (ii) laboratorium instrumenten.

Materiaalverificatie met betrekking tot de specificatie is een belangrijk onderdeel van de falingsanalyse. Chemische analyse en analyse van macrostructuur alsook microstructuur wordt hiervoor uitgevoerd. Ook mechanische testen worden uitgevoerd in het geval voldoende materiaal beschikbaar is om treksterkte, slagzwaarte etc. te bepalen, voor het evalueren van de eigenschappen van het gefaalde onderdeel. In veel gevallen worden zowel oppervlakte hardheid als microhardheidstesten uitgevoerd voor het evalueren van de mechanische sterkte. Deze testen worden op het gefaalde onderdeel uitgevoerd om de naleving van de resultaten met de specificaties te bepalen.

Spanningsanalyse, breukmechanica, en corrosie falingsanalyse zijn zeer waardevolle activiteiten in falingsanalyse onderzoeken. Deze analyses leveren informatie aan de persoon die de falen onderzoekt of het gebruikte materiaal de juiste keuze was om te voldoen aan de vereisten van de toepassing.

Uit kennis van dienstomstandigheden zoals toegepaste belasting of druk, en geometrie en grootte van het onderdeel, is het mogelijk om de hoofddrukken te berekenen die in het deel ontstaan. Vergelijking van de maximale hoofddruk met de sterkte van het materiaal dat in de toepassing wordt gebruikt, levert belangrijke informatie aan de persoon die de falen onderzoekt over de geschiktheid van het materiaal voor de toepassing en of de ontwerpparameters strikt zijn gevolgd tijdens de dienst.

Analyse met behulp van de principes van breukmechanica levert waardevolle informatie aan de persoon die de falen onderzoekt over de spanning die in het gefaalde onderdeel op het moment van breuk in relatie tot de ontwerpspanning is ontwikkeld, met name in het geval van kruikvooruitgang door een broos mechanisme.

In het geval van falen door vermoeiding, is het belangrijk om het aantal cycli voorafgaand aan breuk door een vermoeidingsmechanisme te bepalen. De methode gebaseerd op het meten van de afstand van vermoeidingsstriemen is meestal handig mits de striemen duidelijk zichtbaar zijn op breukoppervlakken.

Een zorgvuldig en grondelijk onderzoek van de macrostructuur (gebruikelijke vergroting 10x) en microstructuur van het betrokken materiaal in de falen kan belangrijke aanwijzingen opleveren. Indien mogelijk, moeten de structurele kenmerken van monsters verwijderd uit het gefaalde onderdeel met die representatief van monsters verwijderd uit gezonde secties, alsmede van monsters nooit in dienst gebruikt, vergeleken worden. Ook is het nodig om te verwijzen naar eventuele specifieke aanbevelingen door de apparatuurfabrikant met betrekking tot het gebruik van het materiaal.

Macro structureel onderzoek kan informatie geven over het breukpad en de locatie waaruit het ontstond, bijv., interne oppervlakte of externe oppervlakte.

Selectie van de juiste techniek voor micro structureel onderzoek is afhankelijk van het type benodigde informatie. Echter, optische microscopie wordt meestal gebruikt om te beginnen met het kennen van de algemene micro structurele kenmerken zoals korrelgrootte en vorm, secundaire uitgescheiden fasen en hun verdeling, en microkruiken en hun locatie. Een ongebruikelijk grote korrelgrootte is een indicatie dat het materiaal blootgesteld is aan een excessief hoge temperatuur. Korrelvorm en de vorm van uitgloeitwins geven informatie over de mate van koudvervorming. Verlenging van korrels geeft aan dat het materiaal zwaar koudvervormd is. Gebogen tweelinggrenzen geven aan dat het materiaal plastisch vervormd is. Fijne glijlijnen binnen de korrels geven ook de plastische vervorming van het materiaal aan. Als secundaire uitgescheiden fasen in de microstructuur worden gezien, dan moeten hun aard en morfologie worden onderzocht.

Tijdens het onderzoek van de micro structurele kenmerken is het nodig om aandacht te besteden aan de aanwezigheid van de microkruiken. Bijvoorbeeld, korrelgrens kruiken kunnen voortvloeien uit ofwel kruipvervorming of embrittlement van de korrelgrenzen door uitgescheiden fasen van een secundaire fase.

Hoewel het mogelijk is om veel informatie over de kenmerken van breuk te verkrijgen door visueel onderzoek, is toch micro structureel onderzoek van het breukoppervlak met een scanning elektronenmicroscoop nodig om het mechanisme te weten dat verantwoordelijk was voor de breuk. Een breuk kan gebeuren door plotselinge overbelasting of door vooruitgang van een kruik tot het punt dat het breuk veroorzaakt. De vooruitgang van de kruik kan plaatsvinden door verschillende mechanismen. Daarom is het nodig om de morfologie van het breukoppervlak te kennen voor het vinden van het mechanisme dat de breuk heeft veroorzaakt.

Tijdens het visueel onderzoek, als er enige corrosieafzettingen worden opgemerkt, dan is het nodig om de aard van de afzettingen te bepalen. De afzetting kan oxide, sulfide, chloride of carbide etc. zijn. In het geval van corrosieafzettingen, is het nodig om de aard van de bedrijfsomgeving en de corrosieweerstand van het materiaal aan die omgeving te kennen.

Het is zeer belangrijk voor de persoon die de falen onderzoekt om te onderscheiden tussen de falingsmodus en de oorzaak van de falen. Soms worden de twee termen door elkaar gehaald, wat leidt tot een grote hoeveelheid verwarring. Om toekomstige falen te voorkomen, is het essentieel om de oorzaak van de falen te identificeren. Als voorbeeld, falingsmodus is onvoldoende oppervlakte hardheid van het gefaalde onderdeel, maar de oorzaak van de falen kan ofwel gerelateerd zijn aan de verkeerde selectie van het materiaal of onjuiste bedrijfsomstandigheden.

Accurate en gedetailleerde interpretatie van de gehele data verkregen tijdens de diverse fasen van de falingsanalyse is belangrijk voor een falingsanalyse. Zonder het, kunnen de juiste conclusies die nodig zijn voor het vinden van de exacte oorzaak van de falen niet getrokken worden. Onjuiste bepaling van de oorzaak tijdens de falingsanalyse leidt tot verkeerde correctieve acties wat niet helpt bij de preventie van toekomstige falen.

Falingsanalyse onderzoeken zijn niet voltooid zonder een gedetailleerd rapport. Het rapport moet een set aanbevelingen bevatten voor het voorkomen van toekomstige falen. Aanbevelingen moeten consistent zijn met de resultaten van het onderzoek. Verder kunnen de aanbevelingen korte termijn oplossingen alsook langetermijn oplossingen bieden.