测量碳和碳当量的突破性技术

对于那些需要测量钢中碳含量的人，现在可以使用手持式分析仪来完成这项工作。 操作员以前要么使用 spark OES 技术（这需要大量操作员专业知识），要么聘请第三方测试公司将 OES 带到他们身边，现在有了更好的选择。

两年前，SciAps 推出了世界上第一个 LIBS 装置，该装置通过钢和不锈钢中的碳含量来区分钢，并验证金属可焊性的碳当量。 SciAps 首次将碳分析置于掌中。 此外，SciAps 致力于免费培训，包括再培训，为更多和更好的培训操作员。 目前，全球几乎每个主要行业都有近 600 台设备在现场使用。

‍为什么是碳？

许多在 2013 年推出 SciAps 的人都是手持式 X 射线行业的资深人士，曾是两家领先的手持式合金分析仪公司 Niton 和 InnovX（现为 Thermo Fisher Scientific 和 Olympus）的创始人和/或员工。 , X 射线技术对于过渡金属和重金属，甚至 Mg、Al、Si、P 和 S，都非常可靠。X 射线对不锈钢、高温合金、黄铜/青铜、铝等非常有效，大大提高了合金分析和处理特殊应用，例如用于硫化物腐蚀的钢中的低硅、钢和不锈钢中的 P 和 S 含量。尽管有所有这些创新，但手持式 X 射线仍然存在重大限制：碳。 碳 X 射线的极低能量会被覆盖探测器的窗口材料和通道中的空气完全吸收。 其他低原子序数元素如氧、氮、硼、锂和铍也是如此。 如果没有高真空下的封闭系统，您必须移除一块金属，就没有实用的方法用手持式 X 射线枪测量碳或类似的“轻元素”。然而，碳浓度对于验证钢材至关重要和不锈钢。 对于钢的可焊性，必须确定碳当量。 CE 测量需要 C，以及常见的合金元素，如 Mn、V、Cr、Ni、Cu、Mo 和 Si。 您可以用 X 射线测量这些其他元素，但没有碳，就没有 CE。不锈钢的用户面临着类似的挑战。 许多人特别要求使用低碳或高碳等级的不锈钢，例如 316 或 316L。 L 级要求碳含量 <0.03%，而 H 级要求碳含量 >0.04%。 鉴于全球生产、使用和回收的钢和不锈钢的绝对数量，将 L 级与直级和 H 级区分的手持设备是一项重大突破。

‍碳纤维老卫士：spark OES 直到 2017 年，火花 OES 一直是现场碳分析的唯一技术。 Spark OES 的工作原理是产生高频电火花，加热并燃烧到金属中，并通过从构成合金的各种原子（碳、铬、铁、锰等）中剥离价电子来产生电子等离子体。 随着等离子体立即冷却，电子与原子重新结合，发出紫外、可见和红外光谱的光。 机载光谱仪收集光，分析各种波长的强度，并应用校准来确定元素化学。Spark OES 一直是现场碳分析的唯一技术，直到 SciAps 发明了用于相同目的的手持式 LIBS。 但 Spark OES 面临着许多挑战。 要获得可靠的数据，必须有经验丰富、训练有素的操作员。 分析需要惰性气体环境，通常是氩气，因此火花系统与重型（40 磅以上）金属高压氩气罐配对。 用户必须在使用前清洗火花系统，然后在测试期间连续运行氩气（因此是大罐）。 为了安全起见，通常在移动 OES 之前关闭氩气，然后在设备位于下一个位置时需要重新吹扫并经常重新校准。 光谱仪也相当大。 所有这些组件都放置在手推车上，用于移动到各个测试位置。 对于“沟内”管道测试，需要使用起重机将 OES 从一个位置移动到另一个位置。移动性限制很重要。 典型的投诉是难以进入管道沟渠、爬上塔架或在材料架上或上方。 移动和重新清洗会降低吞吐量。 氩气的成本和可用性，尤其是在更多的农村或偏远地区，是一个问题。 尽管如此，直到最近，火花 OES 仍是现场碳工作的唯一选择，并且只要操作员训练有素并遵循 SOP，该技术就能产生可靠的数据。

‍什么是 LIBS，它是如何工作的？

LIBS（激光诱导击穿光谱）是一种类似于火花 OES 的 OES 方法，但耗电的高压火花系统被非常小的高功率脉冲激光器所取代。 SciAps 将激光器和其他关键部件小型化为一个 4.5 磅的手持设备。 这一突破需要三大创新：

• 我们用微型脉冲激光取代了火花系统，以蒸发一小部分材料并从价电子中产生等离子体。 SciAps 激光器本身就是一项创新壮举。 它的大小大约为 1" 立方体，提供非常低的平均功率（6mJ 能量脉冲），但瞬时功率高得惊人（每秒 50 次）。平均功率不足以蒸发钢或高温合金。但激光光束在非常短的时间尺度 (100 ns) 内聚焦到一个小点 (1 um)。将其与激光指示器进行比较，您按住 ON 按钮，激光会连续照亮一个点。在这种情况下在 LIBS 中，激光照射点十亿分之一秒，休息并重新加载大约 1/50 秒，然后重复。计算一下，输送到钢上该位置的瞬时功率为千兆瓦/厘米 2范围内，足够的能量很容易使该位置的合金蒸发。因此，第一个关键的发展是获得能够在非常短的时间尺度（100 ns）内在小点（1um）中提供高质量脉冲光束的激光器，由一个非常小的电池供电，该电池还运行处理器和显示器。
• 我们发明了净化过程。 窄激光器需要小的吹扫体积（几立方厘米）。 在测试之间，氩气流停止。 结果是氩气消耗量减少了大约 1,000 倍，允许设备手柄中的一个小罐（长 3 英寸，直径 1 英寸，小于 100 克/4 盎司）取代 40 磅以上的氩气罐。 该罐可进行 600 次燃烧，从而进行 600 次碳测试，或 125-150 个现场样本，更换成本为 7 美元。 您可以将 Z 带到任何地方，而无需关闭氩气并重新吹扫。
• 我们将光谱仪小型化，同时仍提供所需的光谱范围和分辨率，特别是对于碳谱线以及各种过渡金属和重金属。 例如，191.3 nm 的碳线测量需要 < 0.1 nm 半峰全宽 (FWHM) 的分辨率，因为附近存在来自基底金属激发的干扰铁线。

谁在使用和批准它？ 随着 SciAps 在近 600 个碳单位的商业出货量的第三年结束，手持式 LIBS 现在包含在 API 推荐实践 578 (3^rd 版本）用于碳测试。大多数主要管道所有者/运营商都使用 SciAps Z 作为他们的材料。 事实上，SciAps Pipeline App 诞生于最大的所有者/运营商使用特定的测试协议测试并接受管道材料中碳和 CE 的 Z。 包括 Gas Technology Institute 和 ASTM 在内的四项独立研究证明，SciAps Z 的性能相当于或优于火花 OES 技术。 这些研究通常包括使用火花 OES 和手持式 LIBS 进行现场测试，并取出样品进行外部实验室测试。 在每项研究中，手持式 LIBS 的精度和准确度都与火花 OES 相当。主要炼油厂正在部署它们进行碳测试，支持其 NDT/PMI 程序的检验公司也是如此。 碳分析最常见的应用是管线钢的碳含量和碳当量，验证 L 和 H 级不锈钢，以及最近的残余元素分析 (API 751)。 越来越多地使用手持式 LIBS 进行硫化物腐蚀研究，以验证碳钢中的硅含量 < 0.1%。 电力行业广泛使用该技术进行流动加速腐蚀研究，以验证钢中的铬含量在 0.03% 范围内。 手持式 X 射线的监管负担使手持式 LIBS 成为一个有吸引力的选择。 在废料和回收行业，人们也越来越关注使用 LIBS 分析仪来测量所谓的污染物元素，包括废铝中的锂和钢中的碳含量。 虽然 XRF 是铝合金分选的最佳分析仪，但 SciAps 建议在利基应用中使用 LIBS，包括测量 XRF 无法测量的碳、硼、铍和锂元素。SciAps Z 用于分析钢和不锈钢中的碳：经过验证的手持技术，在全球已安装近 600 台。

来自现场的真实演示故事

2 天 spark OES vs. LIBS 只需 3 小时

‍他们为测试预留了两天时间，因为他们必须使用 OES 搭建 100 英尺高的塔。 相反，他们使用我们的手持式 LIBS 分析仪仅用了三个小时就完成了工作。

Z-200 解开了不锈钢中的谜团

‍地点：得克萨斯州。 我们被要求与一家大型检验公司一起对一些真实世界的材料进行一些测试......

在狭窄的地方进行测试 这是来自日本不锈钢测试前线的精彩故事，由我们亚太地区的应用经理提供。

LIBS 击败 OES 的那一天

‍这是另一个碳故事和学习机会，由我们的 EMEA 经理 Jeroen 提供。

手持式 LIBS 能在风中工作吗？

‍我们一直都有这个问题，无法理解为什么风是一个问题。 然后一阵微风吹过的高尔夫球让我们想起了一些我们在路上听到的演示故事。

演示下来

‍对于每个测试，我们会自动计算并显示碳当量，CE = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Cu% + Ni%)/15。 这里的结果非常可重复，并且与客户的认证件完美匹配。

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