2009:26. Forskning. Tillämpning av stabil spricktillväxt vid brottmekanisk bedömning av defekter i sega material. Peter Dillström.

Transkript

1 Föfattae: Pete Dillstöm Foskning 2009:26 Tillämpning av stabil spicktillväxt vid bottmekanisk bedömning av defekte i sega mateial Rappotnumme: 2009:26 ISSN: Tillgänglig på

2

3 Titel: Tillämpning av stabil spicktillväxt vid bottmekanisk bedömning av defekte i sega mateial. Rappotnumme: 2009:26 Redaktöe: Pete Dillstöm. Inspecta Technology AB, Stockholm, Sweden Datum: Juni 2009 Denna appot ha tagits fam på uppdag av Stålsäkehetsmyndigheten (SSM) och svensk känkaftsindusti. De slutsatse och synpunkte som pesenteas i appoten ä föfattanas och öveensstämme inte nödvändigtvis med SSM:s. Bakgund Vid bottmekaniska analyse studeas i huvudsak haveimekanismena spött bott och plastisk kollaps samt kombinationen av dessa. Den styande mekanismen bestäms av komponentens mateialegenskape, styande belastning och defektens geometi. Poceduen enligt SKI-appot 99:49 ä idag en av de mest använda metodena vid bottmekaniska analyse. Poceduen som baseas på den s.k. R6-metoden innehålle även ett deteministiskt säkehetsvädeingssystem fö att ehålla säkehetsmaginale mot spött bott och plastisk kollaps som de man finne i ASME XI och ASME III. I systemet jämställs initieing av spicktillväxt med instabilt bott. Detta antagande ha nu unde en länge tid ansetts vaa alltfö konsevativt nä det gälle mateial med segt beteende. Fågan king möjligheten att tillgodoäkna sig ett visst mått av stabil spicktillväxt ha aktualiseat sig i samband med behandling av vissa tillståndsäenden. Abetet initieades av Statens känkaftinspektion (SKI). Syfte Syftet med pojektet va att ge en allsidig belysning i denna fåga samt pesentea en analysstategi, baseat på R6-metoden, som ta hänsyn till stabil spicktillväxt. Hä skulle bl.a. göas jämföelse mellan hu olika metode/standade analysea defekte i sega mateial samt ta fam kiteie fö bedömning av de mateialdata som kävs vid analyse med hänsyn till stabil spicktillväxt. Resultat Abetet ha esulteat i följande: - R6-metoden ge möjlighet att tillgodoäkna sig viss stabil spicktillväxt via val av s.k. analyskategoi. - Bitish Standad BS 7910:1999 och ASME XI Code Case N-494 utgå ifån den metodik som beskivs i R6-dokumentet och medge således användning av stabil spicktillväxt. ASME Code Case N-494 ä tillämpbat fö både ostfia och feitiska ö. Båda dessa standade föutsätte att man ha tillgång till elevanta och giltiga mateialdata. - Enligt ASME XI, IWB-3640, App. C (1998), som behandla analys av ostfia ö kan tillgodoäknas stabil spicktillväxt upp till c:a 10 mm.

4 - Enligt ASME XI, IWB-3650, App. H (1998), kan man tillgodoäkna sig stabil spicktillväxt även fö feitiska ö, som ä tilläckligt sega. - Föslag till kiteie om hu man skall ta fam elevanta och giltiga mateialdata i fom av bottseghet KIC/JIC och JR-cuvo att använda vid analys av stabil spicktillväxt. Effekte på SSM:s tillsynsabete Resultaten av detta pojekt ligge till gund fö de ekommendatione som gälle fö stabil spicktillväxt i SSM:s utedningsappot Analys av diftinduceade skado i svenska käntekniska anläggninga (SSM 2008/232). Pojektinfomation SSM:s pojekthandläggae: Kostas Xanthopoulos Pojektnumme: / Pojektoganisation: Abetet ha utföts av Inspecta Technology AB. Pojektledae va Pete Dillstöm.

5 SAMMANFATTNING Denna appot gå igenom använda metode / standade dä man tillgodoäkna sig stabil (Jkontollead) spicktillväxt. Vi ha påvisat följande: - ASME XI, App. C och App. H, som behandla analys av ostfia och feitiska ösystem, ta hänsyn till stabil tillväxt. I App. C, motsvaa detta att man inkludea stabil tillväxt upp till a 10 mm. - R6-metoden, BS 7910:1999 samt ASME XI, Code Case N-494, innehålle en vedetagen fomalism fö att ta hänsyn till stabil tillväxt. En föutsättning ä att man ha tillgång till elevanta och giltiga mateialdata i fom av bottseghet KIc / J Ic och J -kuvo. - Samtliga ovan nämnda metode / standade ä tillämpliga i känkaftssammanhang. Vi edovisa även vad som kävs fö att ta fam elevanta och giltiga data (bottseghet KIc / J och J -kuvo) att använda vid analys av stabil tillväxt. I denna appot anges inte hu mycket stabil spicktillväxt som kan tillgodoäknas vid en säkehetsvädeing. Rekommendatione öande detta komme att utabetas av SKI. Ic 1

6

7 Innehållsföteckning Sida 1. INLEDNING EXEMPEL SOM BELYSER AKTUELL PROBLEMATIK Indata - Geometi Indata - Belastninga Indata - Mateialdata Resultat - R6-metoden Resultat - ASME XI, IWB 3640, App. C Resultatsammanfattning GENOMGÅNG AV HUR OLIKA METODER HANTERAR STABIL TILLVÄXT R6 Revision Val av R6-kuva / Failue Assessment Diagam Val av analyskategoi SINTAP / R6 Revision Revideade R6-kuvo / Nya analysoptione Analyskategoie fösvinne / Infö initieing elle stabil tillväxt Den svenska R6-poceduen med tillhöande pogam SACC / PoSACC GENOMGÅNG AV HUR OLIKA NORMER OCH STANDARDER HANTERAR STABIL TILLVÄXT Bitish Standad BS 7910: Att tänka på vid analys av stabil tillväxt ASME XI Rostfia ö Z-faktoe, ett sätt att ta hänsyn till stabil tillväxt ASME XI Feitiska ö ASME XI Code Case N ASME XI Vad ä på gång? BROTTSEGHETSPROVNING AV SEGA MATERIAL Linjä bottseghetspovning Olinjä bottseghetspovning Tillämpningsexempel - Bottseghet fö Inconel J Ic -väden fö Inconel 182 vid 190 C J -kuvo fö Inconel 182 vid 190 C SLUTSATSER ERKÄNNANDE REVISIONSFÖRTECKNING

8 4

9 1. INLEDNING Vid skadetålighetsanalyse av komponente med defekte (elle dä det postuleas nävaon av defekte) studeas i huvudsak haveimekanismena spött bott och plastisk kollaps. Genom att använda modena beäkningsmetode (exempelvis R6-metoden [1]) kan man även ta hänsyn till blandfome mellan ovan nämnda mekanisme. Styande haveimekanism bestäms av komponentens mateialegenskape (bottseghet, stäckoch bottgäns), styande belastning (ine tyck, temisk expansion, temiska tansiente, svetsegenspänninga etc.) samt komponentens och defektens geometi. En uppdelning med avseende på aktuellt mateial kan se ut på följande sätt: - Spött bott ä aktuellt fö feitiska mateial som abeta i unde platåomådet elle i tansitionsomådet mellan spött och segt beteende. - Plastisk kollaps ä exempelvis aktuellt fö ena ostfia stål och nickelbaslegeinga. Det ä också elevant fö sega svetsa i dessa mateial. - Blandfome mellan spött bott och plastisk kollaps ä exempelvis aktuellt fö feitiska mateial som abeta i det öve platåomådet samt fö vissa type av svetsa utföda i ostfitt stål elle en nickelbaslegeing. R6-metoden [1] ä idag en av de mest använda metodena fö skadetålighetsanalyse av defekte i svenska känkaftsanläggninga. En sto födel med metoden ä att den beakta alla ovan nämnda haveimekanisme. I Sveige ha vi inföt en egen pocedu [2] fö skadetålighetsanalyse. Poceduen, som baseas på R6-metoden, innehålle även ett deteministiskt säkehetsvädeingssystem [3] fö att ehålla samma säkehetsmaginale mot spött bott och plastisk kollaps som de man finne i ASME III och ASME XI [4]. Ovan nämnda deteministiska säkehetsvädeingsystem ange samma säkehetsmaginal mot bott fö både pimäa och sekundäa belastninga. Detta ä elevant fö mateial med ett spött bottbeteende, men kan bli kaftigt övekonsevativt fö mateial med ett segt beteende. Syftet med denna appot ä att beskiva vafö denna övekonsevatism uppstå, samt att gå igenom hu man utfö en skadetålighetsanalys som ta hänsyn till ett mateials vekliga beteende. Speciellt beakta vi hu analyse genomfös dä man tillgodoäkna sig stabil (J-kontollead) spicktillväxt, som me ealistiskt ta hänsyn till bottbeteendet hos duktila mateial. 5

10 2. EXEMPEL SOM BELYSER AKTUELL PROBLEMATIK Fö att belysa det poblem som beskivs i inledningen, välje vi att betakta genomföda skadetålighetsanalyse av axiella defekte i svetsen mellan utloppsstuts och safe-end i Ringhals 3 [5]. 2.1 Indata - Geometi I Ringhals 3 va det fågan om ine defekte med det bedömda djupet 4-6 mm och längden 16 mm. Dessa omkaakteiseades som ytgående vid skadetålighetsanalysen (med a = 13,5 mm och l = 29,0 mm), vilket schematiskt famgå av figu 2.1. Vid povningen ansågs defektena vaa helt inneslutna i svetsen, vilket också ä imligt med hänsyn till aktuell tillväxtmekanism (PWSCC, dvs. spänningskoosionstillväxt). Utloppsstutsen ä tillvekad av ett feitiskt mateial (med ett ostfitt claddingskikt), safe-end ä ostfi och svetsen (inklusive butting) ä utföd i Inconel 182. Även detta famgå av figu 2.1. Butting Inconel 182 Svets Inconel 182 Utloppsstuts SA508 G 2 Cl 1 Safe-end SA182 F 316 Cladding Rostfitt Ine defekt enligt povning Analysead ytdefekt Figu 2.1. Defektantagande fö skadetålighetsanalysen. 6

11 2.2 Indata - Belastninga Styande lastfall, gällande fö skadetålighetsanalyse, ä en kombination av ine tyck, en temisk tansient (Loss of Flow) samt svetsegenspänninga [5]. Spänninga p g a dessa belastninga åtefinns i figu 2.2 (tagna i centum av Inconel-svetsen). Svetsegenspänning [MPa] Ine tyck Svetsegenspänning Temisk tansient Totalspänning Koodinat x [mm] Figu 2.2. Spänninga genom godstjockleken (i centum av Inconel-svetsen). Figu 2.2 visa följande: - Att de pimäa spänningana fån det ine tycket ä elativt låga (72 MPa). - Att den temiska tansienten ge en maxspänning på insidan (235 MPa). - Att svetsegenspänningana ä höga, speciellt en bit in i godset (max 500 MPa). - Att totalspänningen ä hög öveallt. På insidan ehålls 461 MPa, på utsidan 289 MPa (max 538 MPa och min 269 MPa). 7

12 2.3 Indata - Mateialdata Svetsen och buttingen ä utföd i Inconel 182, som ä ett mycket segt och defekttåligt mateial. Vid skadetålighetsanalysen [5] antogs följande mateialdata: - Stäckgänsen vaieade mellan 310 MPa (vid umstempeatu) och 260 MPa (vid diftstempeatu). - Bottgänsen va konstant lika med 550 MPa. - Flytgänsen S 3,0 I detta fall 3,0 ( / 3,0) = 550 MPa. Obsevea att detta f m U inte gälle geneellt. - Bottseghetsdata anges fån en studie på KTH [5-6], dä svetsa i Inconel 182 ehålle följande väde vid diftstempeatu ( K = 285 MPa ). I samma studie edovisas seghetsväden motsvaande 2 mm stabil tillväxt ( K = 411 MPa m ). Ic 2mm 2.4 Resultat - R6-metoden Analyse av tillåtna och kitiska defektstoleka, utfödes med hjälp av pogammet SACC 4.0 Rev 6 [7]. Analysena utgick fån R6-metoden [1] modifieat med ett deteministiskt säkehetsvädeingsystem enligt ovan angiven pocedu [2]. Detta motsvaa en säkehetsfakto mot spött bott SF = 3,16 samt en säkehetsfakto mot plastisk kollaps SF = 3,0. K L Med spänninga enligt avsnitt 2.2, ehölls följande esultat fö den analyseade defekten med a = 13,5 mm och l = 29,0 mm [5]. Vi ha hä utgått fån K = 285 MPa m : - Kontoll av plastisk kollaps. max Ic L / = 550/260 = 2,115, med en säkehetsfakto f accept SF L på 3,0 ehålls L = 2,115/3,0 = 0,705. Detta skall jämföas med pålagt L = 0,283, vilket alltså motsvaa en säkehetsmaginal på 2,115/0,283 = 7,5. - Kontoll av spött bott (samt blandfome mellan spött bott och plastisk kollaps). - I djupaste punkten ehölls kitisk P K I = 10,01 MPa m, Y S K I = 39,04 MPa m och = 0,063, SF på 3,16 (läggs på ) ehålls vilket gav K = 0,235. Med en säkehetsfakto K accept accept K = 0,193, detta skall jämföas med f R6 = 0,313 ( SF K läggs på f R6, dä f R6 kitisk = accept accept 0,989). Eftesom K < f R6 ä defekten ok, med en säkehetsmaginal på 0,989/0,193 = 5,1. P S - Mot fia ytan ehölls K I = 10,54 MPa m, K I = 54,06 MPa kitisk gav K = 0,309. Med en säkehetsfakto SF K på 3,16 ehålls accept R6 m och = 0,081, vilket accept K = 0,253, detta accept f ä defekten ok, med en accept skall jämföas med f = 0,313. Eftesom K < R6 säkehetsmaginal på 0,989/0,253 = 3,9. Det acceptabla defektdjupet, a accept, bli 22,4 mm. Den funna defekten ä alltså acceptabel, men då den anses ytbytande skall även PWSCC-tillväxt beaktas. Med de tillväxtlaga som användes i analysen [5], ehölls en tillväxt i djupled på 8

13 17,7 mm (fö en diftsäsong på 8200 timma). Detta käve ett acceptabelt defektdjup på 31,2 mm, vilket innebä att den funna defekten fomellt ej kan godkännas fö ytteligae en diftsäsong. Det ä dock uppenbat att det ä de höga sekundäa spänningana som medfö att den analyseade defekten inte kan tillåtas. Ta man hänsyn till viss stabil tillväxt (2 mm) öka den tillåtna defektstoleken fån 22,4 mm till 45,3 mm [5]. Denna senae analys spegla bätte mateialets vekliga beteende. 2.5 Resultat - ASME XI, IWB 3640, App. C Som ett altenativ till en R6-analys, kan man fö svetsen även genomföa en analys enligt ASME XI, IWB 3640, App. C [4]. Vid denna analys behövs inte bottseghetsdata, eftesom det i pincip motsvaa en gänslastanalys. Hä ehålls ett tillåtet defektdjup a accept > 59,6 mm, som motsvaa analysbegänsningen 75 % av godstjockleken. 2.6 Resultatsammanfattning Man ana att analysen enligt ASME XI ovan, motsvaa en R6-analys dä man tillåte en viss stabil tillväxt. Fö att eda ut detta gå vi däfö i avsnitt 3 igenom R6-metoden (i oiginal och även den svenska poceduen) samt de beäkningsmetode som finns att tillgå i ASME XI. Vi tala om hu man kan tillämpa espektive metod, samt vilka analysantaganden och begänsninga som ä elevanta i våt fall med sega svetsa (i exemplet utföda i Inconel 182). 9

14 3. GENOMGÅNG AV HUR OLIKA METODER HANTERAR STABIL TILLVÄXT Vid bottmekanisk bedömning av defekte, används ofta en i Sveige famtagen pocedu [2] fö skadetålighetsanalyse. Poceduen, som baseas på R6-metoden [1], innehålle även ett deteministiskt säkehetsvädeingssystem [3] fö att ehålla samma säkehetsmaginale mot spött bott och plastisk kollaps som de man finne i ASME III och ASME XI [4]. Som nämnts i inledningen och även tydliggjots med exemplet i avsnitt 2, kan denna pocedu ge kaftigt övekonsevativa esultat fö mateial med ett segt beteende. Detta beo i huvudsak på att det ingående deteministiska säkehetsvädeingssystem ange samma säkehetsmaginal mot bott fö både pimäa och sekundäa belastninga, samtidigt som man ej tillgodogö sig mateialets vekliga beteende. I detta och följande avsnitt beskivs däfö hu man genomfö analyse dä man tillgodoäkna sig stabil (J-kontollead) spicktillväxt, som me ealistiskt ta hänsyn till bottbeteendet hos duktila mateial. Vi gå igenom följande metode / standade: - Metod R6, Revision 3 [1, 8]. - Metod SINTAP [9] som även motsvaa den kommande R6, Revision 4. - Metod Den svenska R6-poceduen [2] med tillhöande pogam SACC/PoSACC [7]. - Standad Bitish Standad BS 7910:1999 [10]. - Standad ASME XI, IWB-3640, App. C, analys av ostfia ö [4]. - Standad ASME XI, IWB-3650, App. H, analys av feitiska ö [4]. - Standad ASME XI, Code Case N-494, analys av både ostfia och feitiska ö [4]. 10

15 3.1 R6 Revision 3 R6-metoden [1, 8] ä idag en av de mest använda metodena fö skadetålighetsanalyse av defekte i svenska känkaftsanläggninga. En sto födel med metoden ä att den beakta alla elevanta haveimekanisme inom en och samma pocedu, dvs. spött bott (linjä bottmekanisk analys), plastisk kollaps (gänslastanalys) samt blandfome mellan dessa (ickelinjä bottmekanisk analys). Detta famgå i figu 3.1 som ange en fiktiv haveispänning som funktion av aktuell bottseghet. Haveispänning Plastisk kollaps Spött bott Vekligt beteende Linjä bottmekanisk analys Ickelinjä bottmekanisk analys Gänslastanalys Bottseghet Figu 3.1. Haveispänning som funktion av aktuell bottseghet. Ovanstående kan åskådliggöas på flea sätt, R6-metoden välje en tvåpaametebeskivning i fom av K och L Vidae infös begänsninga fö hu stoa K och L få vaa vid en skadetålighetsanalys. Detta sammanfattas nedan och i figu 3.2, som ange en R6 FAD Failue Assessment Diagam: - K ä föhållandet mellan pålagd spänningsintensitetsfakto K I och mateialets bottseghet K. Ic - L ä föhållandet mellan pålagd last och aktuell gänslast. - Enklaste ansatsen fö begänsningen i K -led ä enligt R6-metoden en avtagande funktion max K f L. Detta beskivs me ingående i avsnitt L -led, i R6 max - Enklaste ansatsen fö begänsningen i L -led ä enligt R6-metoden en ät linje, L, givet som föhållandet mellan flytgänsen och stäckgänsen. Detta beskivs me ingående i avsnitt

16 1,2 K 1 f R6 Kitiskt omåde (havei) 0,8 0,6 L max 0,4 Icke-kitiskt omåde (ok) 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Figu 3.2. R6-metoden / Failue Assessment Diagam. L Vid en skadetålighetsanalys fö man sedan in punkte i fom av pålagda ( L, K ). Ifall en punkt hamna innanfö begänsningslinjena ä den analyseade defekten tillåten fö fotsatt dift i R6- metodens mening. Ifall en punkt hamna utanfö begänsningslinjena ha man ett bott (havei) i R6-metodens mening. Detta famgå även av figu 3.2. Ovanstående ange gunden fö en analys enligt R6-metoden, hä pesentead i dess enklaste och mest konsevativa fom. En utvidgad R6-analys ange i huvudsak två olika föändinga: - Definitionen av begänsningslinjena i figu 3.2 stys famföallt av valda mateial- och analysantaganden. Hä finns bland annat en möjlighet att ange en komplett spänningstöjningskuva (i stället fö flyt- och stäckgäns). Detta beskivs me ingående i avsnitt Vidae innehålle R6-metoden en möjlighet att me ealistiskt ta hänsyn till bottbeteendet hos duktila mateial, genom att tillgodoäkna sig viss stabil (J-kontollead) spicktillväxt. Detta beskivs me ingående i avsnitt

17 3.1.1 Val av R6-kuva / Failue Assessment Diagam Definitionen av begänsningslinjena i figu 3.2 stys famföallt av valda mateial- och analysantaganden. Begänsningen i K -led hanteas i R6-metoden genom att välja analysoption 1, 2 elle 3 enligt nedanstående definitione. Fö option 1 och 2 kävs spänninga fån en elastisk analys av en defektfi komponent. Fö option 3 kävs både en elastisk och en elastisk-plastisk analys av en komponent, dä defekten skall ingå i aktuell idealiseing. R6-FAD Option 1 I option 1 definieas en geneellt användba kuva enligt ekvation (3.1) och som också visas i figu 3.2. Denna option käve att man enbat känne stäckgäns ( R el elle R p0,2 ) och flytgäns fö det aktuella mateialet. Syftet med denna option ä att ehålla en enkel analysmodell med en imlig gad av konsevatism. 1 0, ,3 0,7 exp 0,65 K L L (3.1) Option 1 kan ge mycket övekonsevativa esultat fö fall med ett mateial som uppvisa ett kaftigt hådnande i böjan av spänningstöjningskuvan (då bö option 2 användas). Fö mateial som uppvisa ett tydligt stäckgänsomåde gälle en begänsning på L 1 (även hä ä det bätte att välja option 2). R6-FAD Option 2 I option 2 definieas en kuva enligt ekvation (3.2). Denna option käve kännedom om spänningstöjningskuvan fö det aktuella mateialet (föutom stäckgäns och flytgäns). K 1/ 2 E 3 ef L Y (3.2) L Y 2E ef I ekvation (3.2) ä E elasticitetsmodulen, ef ä den sanna töjning som ehålls fån spänningstöjningskuvan vid en sann spänning motsvaande L Y. Option 2 ä tillämpba fö alla type av metalle obeoende av spänningstöjningssamband. Denna option ta bot en sto del av den konsevatism som existea i den geneella option 1, speciellt fö mateial som uppvisa ett kaftigt hådnande i böjan av spänningstöjningskuvan. 13

18 R6-FAD Option 3 I option 3 ta man både hänsyn till vekliga mateialegenskape och aktuell geometi. Käve natuligtvis en detaljead analys av aktuell komponent dä även defekten måste ingå i analysen. Genom att utföa både elastiska analyse (fö att beäkna J e ) och elastisk-plastiska analyse (fö att beäkna J ) fö olika L -väden kan en kuva definieas enligt ekvation (3.3). K 1/ 2 Je (3.3) J Begänsning i L -led De begänsningslinje som definieas i ekvation ( ) gälle upp till ett maximalt L, som definieas enligt ekvation (3.4). max L -väde, L max f (3.4) Y Rekommendatione öande val av analysoption De ovan nämnda analysoptionena ge olika gad av konsevatism i analysen. - Option 3 käve en fullständig J-analys dä även defekten modelleas. Denna analys innehålle i pincip ingen konsevatism med avseende på mateialdata och definition av aktuell geometi. - Definitionen av R6-FAD enligt option 2 baseas på ett fletal J-analyse fö olika type av geometie och belastninga. Man ha även jämföt esultat fån expeiment med böj-, dagoch CT-povstava. Syftet ha i huvudsak vait att få bot geometibeoendet (med en imlig gad av konsevatism) samt ha kva mateialbeoendet (via kavet på angiven spänningstöjningskuva). - R6-FAD enligt option 1 ä i pincip en unde gänskuva fö ett antal olika R6-FAD enligt option 2 (fö olika type av geometie och belastninga). Fö austenitiskt ostfia stål och nickelbasmateial (exempelvis Inconel 182) ä R6-FAD enligt option 1 ett ba val, eftesom man enbat ehålle ett litet hådnande i näheten av stäckgänsen (dvs, man vinne inte så mycket på att välja option 2 fö dessa mateial) Val av analyskategoi R6-metoden innehålle en möjlighet att me ealistiskt ta hänsyn till bottbeteendet hos duktila mateial, genom att tillgodoäkna sig viss stabil (J-kontollead) spicktillväxt. Detta hanteas via val av analyskategoi. 14

19 R6 Kategoi 1 Ingen stabil tillväxt tillåts Vid en analys enligt kategoi 1 används KI KIc som bottvillko (i K -led). Detta ä elevant fö mateial som ha ett spött bottbeteende, elle fö fall dä man ej önska ta hänsyn till ett mateials sega beteende. R6 Kategoi 2 Begänsad stabil tillväxt tillåts Vid en analys enligt kategoi 2 används KI Kg som bottvillko, dä K g inkludea viss stabil J-kontollead tillväxt, vilket ä elevant fö mateial som ha ett segt bottbeteende. Denna analys käve ej att man beäkna instabilitetspunkten via J -kuvan, utan man välje istället att tunkea J -kuvan vid en begänsad stabil tillväxt. Att utföa en analys enligt kategoi 2 motsvaa alltså en analys enligt kategoi 1 dä man använde ett seghetsväde K som inkludea viss stabil J-kontollead tillväxt. R6-metoden g ange dock att man skall använda specificeade lastelateade säkehetsmaginale vid denna analys (som ju ä en föenklad analys enligt kategoi 3). Detta hanteas på följande vis: - Utfö analysen fö två punkte i R6-diagammet. Den ena punkten motsvaa en L defektstolek utan stabil tillväxt, a 0 (med säkehetsfakton F 0 ). Den anda punkten L inkludea en begänsad mängd stabil tillväxt, a0 ag (med säkehetsfakton F g ). L L L L L L - Kontollea ifall villkoen Fg 1,1 och Fg / F0 1,2, elle Fg / F0 1,2 och Fg 1,1 ä uppfyllda. - Ifall ovanstående villko ä uppfyllda, säkeställe man att pålagt J inte övestige aktuellt L J mat fån J -kuvan (via Fg 1,1 ) samt att lutningen hos pålagt J inte övestige lutningen L L hos J -kuvan (via Fg / F0 1,2 ). R6 Kategoi 3 Stabil tillväxt tillåts En analys enligt kategoi 3 (också elevant fö mateial som ha ett segt bottbeteende) käve en fullständigt specificead J -kuva, dä bottvillkoet motsvaas av instabilitetsvillkoen enligt ekvation ( ). Denna analys käve inga exta lastelateade säkehetsmaginale. J J mat (3.5) J mat J a a (3.6) Instabilitetspunkten uppnås då likhetstecknet gälle i ovan angivna villko. Rekommendatione öande val av analyskategoi De ovan nämnda analyskategoiena ge olika gad av konsevatism i analysen. 15

20 - Fö mateial som uppvisa ett spött bottbeteende (dvs. feitiska mateial som abeta i unde platåomådet elle i tansitionsomådet mellan spött och segt beteende) ä kategoi 1 det enda möjliga valet. - Fö mateial som uppvisa ett duktilt bottbeteende (dvs. austenitiskt ostfia stål och nickelbasmateial) ge kategoi 1 en undevädeing av de vekliga bottegenskapena. Fö dessa mateial ekommendeas att man använde en analys motsvaande kategoi 3. - En analys enligt kategoi 2, motsvaa en föenklad analys enligt kategoi 3. Denna analyskategoi kan exempelvis användas då man ej ha en fullständig J -kuva. En jämföelse mellan olika mateials bottbeteende visas även i figu 3.3. Hä famgå att austenitiskt ostfia stål (och nickelbasmateial) bete sig segt även i tempeatuomåden dä feitiska stål tappa sin seghet. Bottseghet Austenitiskt stål Segt omåde Feitiskt stål Spött omåde Övegångsomåde Tempeatu Figu 3.3. Pincipiellt bottbeteende hos olika mateial. 16

21 3.2 SINTAP / R6 Revision 4 Det nyligen avslutade EU-pojektet SINTAP (Stuctual Integity Assessment Pocedue) innehålle flea nyhete nä det gälle analys av defekte [9, 11]. SINTAP komme att utgöa basen fö en planead CEN-standad. Eftesom tongivande individe inom R6 [1, 8], BS 7910 [10] samt ETM [12] deltog inom SINTAP-pojektet, komme även uppdateinga öande dessa pocedue / standade fägas av esultaten fån SINTAP. Som exempel kan nämnas att den kommande evisionen av R6 (dvs R6, Revision 4) i huvudsak stys av esultaten fån SINTAP [13]. Sammantaget visa detta att vi bö se hu R6-metoden påvekas av dessa föändinga Revideade R6-kuvo / Nya analysoptione I evision 3 av R6-metoden definieades begänsningen i K -led genom att välja analysoption 1, 2 elle 3. I evision 4 kvastå analysoption 2 och 3, medan analysoption 1 ä föändad fö att ehålla en me konsistent övegång mellan analysoptionena 1 och 2. Vidae ha en appoximativ analysoption 2 tillkommit (som ej käve kännedom om spänningstöjningskuvan). En annan skillnad ä att stäckgänsen numea definieas som R p0,2 (obeoende om mateialet uppvisa ett stäckgänsomåde elle inte). Analysoptionena sammanfattas nedan: R6 Rev 4-FAD Option 1 Option 1 ä föändad fö att ehålla en me konsistent övegång mellan analysoption 1 och 2. Samtidigt ta man bot en sto del av den övekonsevatism som tidigae gällde fö mateial som uppvisa ett kaftigt hådnande i böjan av spänningstöjningskuvan. Det senae skapas genom att definiea en speciell FAD, gällande fö mateial som uppvisa ett stäckgänsomåde (ännu ej klat ifall denna senae FAD komme med i den slutgiltiga vesionen av R6 Rev 4). Fö mateial som uppvisa ett stäckgänsomåde gälle ekvation (3.7), som ä giltig upp till L 1. K 1/ L 2 (3.7) Fö mateial som inte uppvisa ett stäckgänsomåde gälle ekvation (3.8), som ä giltig upp till L enligt ekvation (3.9). max 1/ ,3 0,7exp 0,6 K L L 2 (3.8) L max (3.9) Y 17

22 R6 Rev 4-FAD Appoximativ option 2 Som nämnts ovan ha det tillkommit en appoximativ option 2, som ej käve kännedom om spänningstöjningskuvan. Även hä definieas två olika FAD. Fö mateial som uppvisa ett stäckgänsomåde gälle samma ekvation (3.7) som i option 1 ovan, som även hä ä giltig upp till L 1. Nyheten ä att man tillåte L -väden stöe än 1 och max då enligt ekvation ( ). Man tillåte dock inte stöe väden än L enligt ekvation (3.12). Y E Y ; 1 ; N 0,31 (3.10) Y U K 1/ 2 1 N 1 / 2N L 2 (3.11) L max U 0,5 1 (3.12) Y Fö mateial som inte uppvisa ett stäckgänsomåde gälle ekvation ( ), som ä giltig upp till L 1. Fö L -väden stöe än 1 gälle ekvation ( ). Man tillåte dock inte stöe väden än L enligt ekvation (3.12). max E min ;0,6 (3.13) Y 1/ ,3 0,7exp K L L 2 (3.14) Y N 0,31 (3.15) U K 1/ 2 1 N 1 / 2N 1 0,3 0,7exp L 2 (3.16) En jämföelse mellan R6 Rev 3 och Rev 4 åtefinns i figu 3.4 (fö mateial som uppvisa ett stäckgänsomåde) samt i figu 3.5 (fö mateial som inte uppvisa ett stäckgänsomåde). Använda mateialdata motsvaa de som gälle fö Inconel

23 1,2 1 K R6-FAD Rev 3 Option 1 R6-FAD Rev 4 Option 1 R6-FAD Rev 4 Appox Option 2 0,8 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 L Figu 3.4. Jämföelse mellan olika R6-FAD (fö mateial som uppvisa ett stäckgänsomåde). Figu 3.4 visa att R6 Rev-4 option 1 få bot en sto del av den övekonsevatism som tidigae gällde fö mateial som uppvisa ett kaftigt hådnande i böjan av spänningstöjningskuvan. Vidae famgå det att den nya appoximativa option 2-kuvan tillåte L -väden stöe än 1. 19

24 1,2 1 K R6-FAD Rev 3 Option 1 R6-FAD Rev 4 Option 1 R6-FAD Rev 4 Appox Option 2 0,8 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 L Figu 3.5. Jämföelse mellan olika R6-FAD (fö mateial som inte uppvisa ett stäckgänsomåde). max Figu 3.5 visa att den nya option 1-kuvan ä avsevät me konsevativ än tidigae (m a p L ). Detta beo på att option 1 numea enbat käve kännedom om stäckgänsdata (bottgäns behövs ej), vilket ge mycket konsevativa esultat fö austenitiskt ostfia stål och nickelbaslegeinga. Fö dessa mateial ekommendeas istället att man använde den nya appoximativa option 2-kuvan (som ä standadval i SINTAP-poceduen [11]) Analyskategoie fösvinne / Infö initieing elle stabil tillväxt I evision 4 avse man att ta bot temen analyskategoie och infö istället följande begepp [13]: - Initieing: Motsvaa analyskategoi 1 i evision 3 av R6-dokumentet. - Stabil tillväxt: Motsvaa analyskategoi 3 i evision 3 av R6-dokumentet. Analyskategoi 2 fösvinne (dvs dä man inkludea en begänsad stabil tillväxt), eftesom man idag kan ehålla tillfölitliga J -kuvo fö alla intessanta mateial. Fö vissa sega mateial ä det exempelvis lättae att ta fam ba J -kuvo (med liten spidning), än vad det ä att ta fam giltiga K / J -data. Ic Ic 20

25 3.3 Den svenska R6-poceduen med tillhöande pogam SACC / PoSACC I Sveige ha vi inföt en egen pocedu [2] fö skadetålighetsanalyse. Poceduen, som baseas på evision 3 av R6-metoden [8], innehålle även ett deteministiskt säkehetsvädeingssystem [3] fö att ehålla samma säkehetsmaginale mot spött bott och plastisk kollaps som de man finne i ASME III och ASME XI [4]. Poceduen, som senast evideades 1996 [2], använde följande optione etc fån evision 3 av R6-metoden: - R6-FAD enligt option 1, dvs en konsevativ unde gänskuva fö olika type av geometie och belastninga. - R6 kategoi 1, dvs ingen stabil tillväxt tillåts. - Öviga optione ä utelämnade fö att ehålla en pocedu som ä föhållandevis enkel att tillämpa och inte käve alltfö detaljeade mateialdata. En viktig skillnad mot R6-metoden ä alltså att poceduen innehålle ett deteministiskt säkehetsvädeingssystem, som ange samma säkehetsmaginale mot spött bott och plastisk kollaps som de man finne i ASME III och ASME XI. Poceduen ange säkehetsmaginalena SF (spött bott) och SF (plastisk kollaps) och definieas enligt ekvationena ( ). J K f L K SF SF L I R6 (3.17) c J J max L L (3.18) SF L Som nämns i poceduen [2] innebä begänsningen till R6 kategoi 1 att man i vissa fall ehålle kaftigt övekonsevativa esultat fö mateial med ett segt beteende. Det nyligen uppstatade pojektet PoSACC vidaeutveckling av bottmekaniska handboken och pogammet SACC skall se till att man få bot en sto del av denna konsevatism då man ha tillgång till ba mateialdata. PoSACC komme alltså att innehålla en pocedu som me ealistiskt kan ta hänsyn till bottbeteendet hos duktila mateial, genom att tillgodoäkna sig viss stabil (Jkontollead) spicktillväxt. 21

26 4. GENOMGÅNG AV HUR OLIKA NORMER OCH STANDARDER HANTERAR STABIL TILLVÄXT De metode som studeades i avsnitt 3, utgö bakgundsdokument fö hu vissa nome och standade hantea stabil tillväxt. Exempelvis utgå Bitish Standad BS 7910:1999 [10] fån den metodik som beskivs ovan nämnda R6-dokument [1, 8]. Även ASME XI, Code Case N-494 [4] utgå ifån denna metodik. Inom ASME XI finns det även anda analysmetode som inkludea stabil tillväxt. Som exempel ta ASME XI, IWB-3640, App. C hänsyn till stabil tillväxt vid analys av ostfia ökomponente. Denna metodik användes exempelvis av Westinghouse [14] då de analyseade olika defekte i Vigil C. Summe (defektena låg i anslutning till en svets utföd i Inconel 182). Syftet med genomgången i detta avsnitt ä att få kännedom om hu man hantea stabil tillväxt i BS 7910:1999 (används fämst inom offshoe, men även inom engelsk känkaftsindusti) och ASME XI (används i känkaftsbanschen öve hela välden). 4.1 Bitish Standad BS 7910:1999 Bitish Standad BS 7910:1999 [10] utgå ifån den i avsnitt 3.1 beskivna R6-metoden och esätte det tidigae utgivna dokumentet PD 6493:1991 [15]. Bitish Standads Institution valde att upphöja dokumentet till en standad f o m den 15 decembe Motivet va att man nu ha tilläckligt goda efaenhete av de beäkningsmetode som ingå (sen dokumentets fösta utgåva 1980). BS 7910:1999 definiea te analysnivåe som sammanfattas nedan: Level 1 En mycket föenklad metod med en FAD som bestå av två äta linje motsvaande max K = 0,707 och L = 0,8. Används nomalt inte fö känkaftstillämpninga. Level 2 max Ha två undeguppe (se nedan). Som bottseghet väljs ett initieingsväde motsvaande R6 Kategoi 1, elle ett väde inkludeande en begänsad stabil tillväxt motsvaande R6 Kategoi 2. Level 2A motsvaa R6-FAD Option 1 (käve kännedom om stäckgäns och flytgäns). Level 2B motsvaa R6-FAD Option 2 (käve kännedom om hela spänningstöjningskuvan). 22

27 Level 3 Denna nivå motsvaa R6 Kategoi 3, dvs en fullständig J -kuva används fö att beäkna ett instabilitetsvillko. Det finns te undeguppe. Level 3A motsvaa R6-FAD Option 1 (käve kännedom om stäckgäns och flytgäns). Level 3B motsvaa R6-FAD Option 2 (käve kännedom om hela spänningstöjningskuvan). Level 3C som motsvaa R6-FAD Option 3 (käve elastiska och elastiskplastiska J-beäkninga) Att tänka på vid analys av stabil tillväxt Eftesom det ä en standad, innehålle BS 7910:1999 ekommendatione öande data att använda och analysföfaande fö de olika analysnivåena. BS 7910:1999 käve att man ha utföt minst te pov, dvs tagit fam minst te J -kuvo, vaefte man skall utgå ifån ett lowe bound av dessa te kuvo. Man påpeka även att man, vid JIc -povning, skall utgå ifån det minsta vädet (då man utföt 3 till 5 pov), det näst minsta vädet (då man utföt 6 till 10 pov) samt slutligen det tedje minsta vädet (då man utföt 11 till 15 pov). Detta senae esonemang bö även kunna tillämpas fö att ta fam den J -kuva som skall användas vid en analys av stabil tillväxt. BS 7910:1999 innehålle även en fomalism fö hu man genomfö en analys av stabil tillväxt. Denna sammanfattas i nedanstående punkte: - Föst definieas det defektdjup som gälle vid böjan av analysen, a 0. - Samtidigt definieas det bottseghetsväde som gälle vid böjan av analysen, K mat. Detta väde motsvaas av K / J. Ic Ic - Sedan definieas den maximala stabila tillväxt som tillåts ske unde analysen, ag ha tillgång till ba vid povningen. J -kuvo, motsvaas.då man ag av den maximala stabila tillväxt som ske 23

28 - Utgående fån stoleken på ag bö analysen utföas på följande sätt: - Om ag < 1,0 mm, ta fam, - Om 1,0 mm < ag L K -punkte fö 0 < 5,0 mm, ta fam, a mm, a mm, a mm och 0 på ag ). a och a0 ag. L K -punkte fö a 0, a mm, a + 5 mm (antal punkte stys av stoleken - Om ag L, K -punkte fö a 0, a mm, a0 0,2 ag, a0 0,4 ag, a0 0,6 ag, a0 0,8 ag och a0 ag. - Plotta alla L, K > 5,0 mm, ta fam -punkte i aktuellt R6-diagam (motsvaande Level 3A, 3B elle 3C). Ifall de ligge utanfö R6-kuvan ä den analyseade defekten a 0 inte acceptabel. Ifall de kosa R6-kuvan ä den analyseade defekten a 0 acceptabel. - Genom ett iteativt föfaande kan maximalt tillåten defekt a 0 bestämmas. Den ehålls som den seie L, K -punkte som inte kosa R6-kuvan, utan enbat tangea densamma. BS 7910:1999 innehålle inga säkehetsfaktoe (föutom i den sällan använda Level 1), däemot finns det en fomalism beskiven som koppla patialfaktoe till olika bottsannolikhetsnivåe. 24

29 4.2 ASME XI Rostfia ö ASME XI, IWB-3640, App. C, behandla analyse av defekte i ostfia ökomponente [4]. Fö omketsdefekte kan analysena sammanfattas enligt följande: - App. C ä giltig fö analys av defekte i class 1 ökomponente ( Dy 114 mm). Både defekte oienteade i omketsled och i axiell led kan analyseas. - App. C gälle fö analys av defekte i austenitiskt ostfia stål (inkl. svetsa), nickelbaslegeinga (inkl. svetsa) samt fö vissa gjutna ostfia stål. Minvädet på stäckgänsen vid umstempeatu fö inte övestiga 310 MPa. - Analysen utgå ifån en gänslastanalys, som modifieas via Z-faktoe (lastfaktoe) fö vissa svetstype. Me om det i avsnitt nedan. - Svetsegenspänninga och spänninga fån temiska tansiente (sekundäa spänninga) ingå inte då man ta fam acceptabla defektstoleka. Däemot skall man ta hänsyn till sekundäa spänninga vid analys av utmattnings- och spänningskoosionstillväxt. - Det enda mateialdata som kävs ä Sm -vädet som ehålls via minväden på stäck- och bottgäns. - Analysbegänsningana ä: a 0,75 t (fö både omketsdefekte och axiella defekte) samt l l (enbat fö axiella defekte). cit - Säkehetsfaktoe ingå i analysen. Fö nomal / upset ä SF = 2,77 (omketsdefekte) elle SF = 3,0 (axiella defekte). Fösta utgåvan av ASME XI, IWB-3640, App. C (fån 1983) utgick fån en en gänslastanalys utan någa lastfaktoe. Detta ansågs elevant utifån det då kända expeimentella undelaget [16], dä plastisk kollaps va den domineade haveimekanismen fö dessa sega mateial och svetsa. Senae visade det sig att man fö vissa svetstype ehöll stabil tillväxt föe det att man uppnådde en plastisk kollapslast enligt App. C (fån 1983). Beslut togs att evidea ASME XI, IWB-3640, App. C fö att kunna ta hänsyn till stabil tillväxt fö dessa svetstype [16]. 25

30 4.2.1 Z-faktoe, ett sätt att ta hänsyn till stabil tillväxt 1985 föeslogs de föändinga som innebä att man idag kan ta hänsyn till stabil tillväxt fö vissa svetstype (SMAW och SAW). Fö att föenkla analysena utgå man ifån en en gänslastanalys, dä man inföt Z-faktoe (lastfaktoe som ä stöe än 1) fö att ta hänsyn till de data som visa att man ehålle stabil tillväxt föe plastisk kollaps. Fö dessa fall esätts alltså villkoet plastisk kollaps mot ett instabilitetsvillko, motsvaande R6-metodens kategoi 3 (se ekvation ). Häledningen av Z-faktoena sammanfattas enligt följande [16]: - Povningsdata fö vissa svetstype visa att stabil tillväxt upptäde föe plastisk kollaps. Hantea detta genom att skala upp pålagda laste vid en gänslastanalys. Dessa lastfaktoe benämns Z-faktoe. - Utvädea povningsdata - 1. Böja med ta fam pålagt J app samt Tapp 2 app / / f dj da E, som hä utfödes med en EPRI-metod. Detta motsvaa vänsteleden i ekvation ( ). - Utvädea povningsdata - 2. Ta fam mateialdata fö de aktuella svetstypena ( K / J och J -kuvo). Hantea SMAW ( K Ic angavs vaa 181 MPa m ) och SAW ( K Ic angavs vaa 147 MPa m ) sepaat. Detta motsvaa högeleden i ekvation ( ). - Utvädea instabilitetsvillkoet enligt ekvation ( ). Typiska väden låg king K = MPa m (skattade väden fån [16]). Instabilitet - Jämfö pålagda laste / moment vid instabilitet mot de som ehålls vid plastisk kollaps. Man finne en eduktion king 0,6 0,8, dä den viktigaste paameten ä öets yttediamete D. y - Definiea lastfaktoe enligt ekvation ( ), dä D y skall anges i tum. Reduktion av tillåten last sammanfattas i figu 4.1. Z SMAW 1,151 0,013 D y 4 (4.1) Z SAW 1,301 0,010 D y 4 (4.2) Ic Ic 26

31 1 Lasteduktion Lasteduktion - SMAW Lasteduktion - SAW 0,8 0,6 0,4 0,2 0 D [mm] y Figu 4.1. Reduktion av tillåten last, med hänsyn till stabil tillväxt. Ovanstående genomgång, som alltså utgö den tekniska bakgunden till ASME XI, IWB-3640, App. C, ge ett esultat som kvalitativt öveensstämme med det man se i vekligheten. Det bö dock påpekas följande: - Fö att ta fam ett pålagt J app samt app 2 T app / / f dj da E, med hä använd EPRImetod [16], kävs en anpassning av uppmätta spännings-töjningskuvo till en viss mateialmodell. Denna anpassning kunde inte utföas i detta fall, eftesom modellen uspungligen va famtagen fö feitiska mateial. Fö att komma unt detta valde man att anpassa en kuva enbat till ett begänsat töjningsomåde [17], och kontolleade sedan att det gav konsistenta last-föskjutningskuvo. - Inga av de famtagna JIc -vädena (elle J -kuvona) va giltiga enligt då aktuell povningsstandad [17]. - Fö att kunna utvädea instabilitetsvillkoet enligt ekvation ( ), kävdes en extapoleing av samtliga J -kuvo [17]. Vid povningen uppmättes en stabil tillväxt upp till 2-5 mm, vid extapolationen användes data fö stabil tillväxt upp till ca 10 mm (skattat väde fån [17]). Extapolationen valdes så att man ehöll konsevativa lastföskjutningskuvo. 27

32 Som en del av de intenationella IPIRG-pojekten (IPIRG - Intenational Piping Integity Reseach Goup) kontolleade man hu väl olika metode / standade kunde pediktea bäfömågan hos ösystem utsatta fö kompliceade belastninga [18]. Fö de edovisade expeimenten med ytspicko i akö (svetsa elle gundmateial) elle i svets mellan akö och öböj, va analysena enligt R6-metoden (option 1, kategoi 3 dvs. inklusive stabil tillväxt) konsevativa liksom motsvaande analyse enligt ASME XI, App. C elle App. H [18]. Vidae va gaden av konsevatism (utan någa säkehetsfaktoe) mellan R6-metoden och ASME XI av jämföba stolek [18]. IPIRG visade alltså att ASME XI, App. C (och även R6-metoden, inklusive stabil tillväxt) fungeade väl tots dom påpekanden som nämns ovan. 4.3 ASME XI Feitiska ö Även om inte feitiska mateial ä av pimät intesse fö denna genomgång, ä det dock intessant att se hu ASME (dvs. en standad) hantea feitiska mateial i det öve platåomådet (enligt metodgenomgången skall man ju kunna tillgodogöa sig stabil tillväxt även i detta fall). ASME XI, IWB-3650, App. H [4], innehålle egle fö analys av feitiska ö. Hu analysen utfös stys av ett sceening citeia SC. Om SC < 0,2 genomfös en gänslastanalys, om SC > 1,8 bli det fågan om en linjä bottmekanisk analys (enbat elevant fö feitiska mateial i unde platåomådet elle tansitionsomådet). Ifall SC hamna mellan 0,2 och 1,8 anses en ickelinjä bottmekanisk analys vaa elevant. Den ickelinjäa bottmekaniska analysen fö feitiska ö [19] utfös i pincip på samma sätt som fö ostfia ö [16-17]. Detta innebä att man fö omketsdefekte infö Z-faktoe (lastfaktoe), som baseas på instabilitetsvillkoet enligt ekvation ( ). Fö detalje se avsnitt 4.2 ovan. Enligt ASME XI kan man alltså tillgodogöa sig stabil tillväxt även fö feitiska ö. 4.4 ASME XI Code Case N-494 ASME XI innehålle alltså, dolt fö användaen, analyse dä man ta hänsyn till stabil tillväxt fö både ostfia ö (App. C) och feitiska ö (App. H). Som nämnts i avsnitt innebä detta en föenkling genom inföandet av Z-faktoe. I vissa fall önska man dock få bot en del av den konsevatism som finns i inbyggd i Z-faktokonceptet. ASME ha valt att lösa detta via Code Case N-494 [4] som ä tillämpbat fö både feitiska och ostfia ö. 28

33 ASME, Code Case N-494, innebä i pincip en analys enligt R6-metoden, dä man kan notea följande: - En motsvaighet till analysoption 2 används, utgående fån olika spännings-töjningskuvo fö feitiska espektive austenitiskt ostfia mateial. - Kategoi 3 används, dvs en fullständig analys av stabil tillväxt. Analysen genomfös i pincip på samma sätt som i BS 7910: Fö feitiska ö som används vid låga tempeatue (motsvaande unde platå- elle tansitionsomådet) få man ej tillgodogöa sig någon stabil tillväxt. Detta motsvaa en kategoi 1-analys enligt R6-metoden. 4.5 ASME XI Vad ä på gång? Som famgå av ovanstående genomgång söke ASME XI, exempelvis via Code Case N-494, ta fam en me enhetlig metodik fö analys av ökomponente. Följande kan noteas: - Man avse att slå ihop App. C och App. H till ett nytt App. C fö analys av både feitiskt och austenitiskt ostfia ökomponente. Detta abete ä långt kommit och edan godkänt i ASME Section XI Subcommitte [20]. - Det nya App. C komme att innehålla helt nya säkehetsfaktoe [21]. Exempelvis säskilje man mellan memban och böjlaste, dä böjlaste ehålle läge säkehetsfaktoe än de idag använda. Vidae skilje man numea mellan nomal, upset, emegency och faulted, dä upset ehålle läge säkehetsfaktoe än nomal. Detta sammanfattas i tabell Z-faktoe infös fö axiella defekte [21]. - Code Case N-494, skall konveteas till ett nytt App. H, Evaluation pocedue fo flaws in piping based on failue assessment diagam [21]. ASME Sevice Level Tabell 4.1. Säkehetsfaktoe fö omketsdefekte. Fö membanlast, ASME XI [4] SF m Fö böjlast, SF b Nytt föslag [21] ASME XI [4] Nytt föslag [21] A 2,77 2,7 2,77 2,3 B 2,77 2,4 2,77 2,0 C 1,39 1,8 1,39 1,6 D 1,39 1,3 1,39 1,4 29

34 Tabell 4.2. Säkehetsfaktoe fö axiella defekte. ASME Sevice Level ASME XI idag [4] ASME XI, föslag [21] A 3,0 2,7 B 3,0 2,4 C 1,5 1,8 D 1,5 1,3 Det bö påpekas att det nya App. H,, Evaluation pocedue fo flaws in piping based on failue assessment diagam påminne om den svenska R6-poceduen [2]. En utav de viktigaste skillnadena ä att ASME genomgående tillåte stabil tillväxt fö både feitiska och ostfia ö. 30

35 5. BROTTSEGHETSPROVNING AV SEGA MATERIAL Ovanstående genomgång av olika metode / standade fö att ta hänsyn till stabil tillväxt, föutsätte att man ha tillgång till elevanta och giltiga mateialdata i fom av bottseghet KIc / J Ic och J -kuvo. Fö att bedöma ifall ett famtaget bottseghetsväde ä giltigt elle ej, bö man ta stöd utav en vedetagen povningsstandad. Följande ASTM-standade (aktuella och/elle väl inabetade) ä av intesse: Tabell 5.1. Vedetagna povningsstandade fö bottseghetspovning. Povningsstandad Gälle fö Anmäkning ASTM E 399 Linjä povning, K Ic ASTM E 813 ASTM E 1152 ASTM E 1737 ASTM E 1820 Olinjä povning, J Ic Esatt av E 1737 Olinjä povning, J -kuvo Esatt av E 1737 Olinjä povning, J Ic + J -kuvo Esatt av E 1820 Olinjä povning, J Ic + J -kuvo Aktuell standad 5.1 Linjä bottseghetspovning Linjä bottseghetspovning, dä man bestämme ett KIc -väde, ställe håda kav på povstavens stolek. Exempelvis käve standaden (E 399 elle E 1820) [22] att dimensionsvillkoet enligt ekvation (5.1) måste vaa uppfyllt (a ä spicklängden, B ä tjockleken, W - a ä ligamentet). 2 K Ic a, B, W a 2,5 (5.1) R p0,2 Detta dimensionsvillko innebä följande: - Fö feitiska mateial i unde platåomådet ( KIc 40 MPa m och Rp0,2 350 MPa) ge detta ett dimensionskav på 33 mm, vilket ä fullt möjligt att uppnå. - Fö sega mateial, exempelvis Inconel 182 vid diftstempeatu ( KIc 300 MPa m och R 300 MPa), ge detta ett dimensionskav på 2500 mm, vilket ä paktiskt taget p0,2 omöjligt att uppnå. Användandet av en linjä bottseghetspovningsstandad ä alltså inte elevant fö sega mateial, det ä omöjligt att ehålla godkända KIc -väden. Povning av Inconel 182 käve dämed att man använde en olinjä povningsstandad. 31

36 5.2 Olinjä bottseghetspovning Olinjä bottseghetspovning, dä man bestämme ett JIc -väde, ställe imligae kav på povstavens stolek [22]. Detta beo på att KIc -povningen käve att den plastiska zonen ä liten jämföt med öviga dimensione, medan JIc -povningen enbat käve att ändena (dimensionena) inte stö den plastiska zonens utbedning alltfö mycket. Dom viktigaste kaven fö att ehålla giltiga data sammanfattas nedan (ASTM E 1820 [22]). (i) Spickfonten skall vaa tilläckligt ak. (ii) Olika kav öande skattning av spickans stolek unde povet. Exempelvis finns kav öande spickstolek både efte föutmattning samt efte sista avlastning unde povföloppet. (iii) Definiea en så kallad blunting line enligt ekvation (5.2) som paallellföskjuts 0,2 mm. J M a dä M 2 (5.2) Y (iv) Definiea ett dimensionskav fö giltiga JIc -väden (B ä tjockleken, b 0 ä ligamentet då povet påböjas). J B, b0 25 Q (5.3) Y (v) Definiea en begänsningslinje i J-led. b0 Y Jlimit (5.4) 15 (vi) Kontollea lutningen hos J -kuvan i anslutning till utvädeingspunkten fö skattning av bottseghet aq, JQ. dj Y da (5.5) (vii) Unde själva povningen finns det också olika kav öande antalet utvädeingspunkte samt dess födelning. (viii) Definiea en povningsbegänsning i J-led. J max b Y B Y min, (5.6) (ix) Definiea en povningsbegänsning i a -led. a 0,25b (5.7) max 0 Kaven (i-ii) ä fämst kopplat till mätnoggannhet vid bestämning av aktuell spickstolek. Definitionen (iii) används fö att ta fam ett JIc -väde, vilket innebä att detta väde ä en ingenjösmässig uppskattning av bottsegheten näa initieingen av stabil tillväxt (0,2 mm tillväxt). Denna definition kan ses som en motsvaighet till hu stäckgänsen anges fö sega mateial, dvs. s Rp0,2. Kaven (iv-vi) se till att J ge en koekt beskivning av föhållandet vid spickfonten (fö definition av J Ic ). Kaven (vii-ix) beö i huvudsak definitionen av en godkänd J -kuva. 32

37 Ovan edovisade kavbild ge en avseväd elaxeing jämföt med den linjäa povningen. Som tidigae nämndes va dimensionskavet vid linjä povning av Inconel 182, a, B, b mm. Motsvaande kav vid ickelinjä povning bli B, b0 20 mm. 5.3 Tillämpningsexempel - Bottseghet fö Inconel 182 Som exempel på hu en povning bö genomföas väljs en utvidgad povning av Inconel 182, syftet hä va att ehålla giltiga bottseghetsdata och giltiga J -kuvo vid höge tempeatue. På uppdag av Ringhals AB, genomföde KTH Hållfasthetsläa en sådan povning [6]. Povningen va uppdelad på te etappe enligt följande: - Etapp 1. Syftet va att studea povningsutustningens begänsninga vid olika tempeatue, dä egenskape vid 20 C, 190 C samt 285 C beaktades. Vidae studeades CT-povstava med olika dimensione, fö att bestämma vilken stolek som kävs fö att ehålla giltiga JIc -väden (och J -kuvo). - Etapp 2. Syftet va att, utgående fån etapp 1, ehålla en stöe povningsseie med flea giltiga JIc -väden. - Etapp 3. Syftet va att göa en povning med en avfuktad povstav. Följande slutsatse kunde das fån etapp 1 och 3: - Povningen vid 285 C, som genomfödes i en konvektionsugn, inneba två poblem. Dels så kunde enbat minde povstava få plats i ugnen, dels så fanns det inte tillgång till spicköppningsmätae som tålde dessa tempeatue (man valde att föa ut öelsen utanfö ugnen och sedan mäta med en konventionell spicköppningsmätae). Detta fungeade inte tillfedställande, mätningen innehöll fö mycket stokastiska vaiatione [6]. - En jämföelse mellan povningen vid 20 C och den vid 285 C visade att segheten ökade kaftigt med tempeatuen samt att man ehöll en bantae J -kuva vid den höge tempeatuen [6]. - Fö att eliminea de povningstekniska poblem som egisteades vid 285 C, genomfödes efteföljande povning vid den högsta tempeatu som en konventionell spicköppningsmätae kunde hantea. Detta motsvaade en povning vid 190 C, som också elimineade de stokastiska vaiatione som nämns ovan [6]. - Vid 190 C genomfödes pov med två olika CT-povstava (W = 50 mm och W = 100 mm). Bägge poven gav ba data, J Q = kn/m. Den minde povstaven uppfyllde dock ej alla standadkav enligt avsnitt 5.2. Utifån detta valdes att samtliga pov i etapp 2 skulle genomföas vid 190 C och med W = 100 mm. Resultaten fån dessa pov ä också epesentativa fö egenskapena hos Inconel 182 vid 285 C [6]. - En jämföelse mellan esultat med och utan avfuktning (povstaven hölls i 50 C unde ca 2 dygn) visade att ingen invekan av avfuktningen kunde uppmätas [6]. Totalt genomfödes 7 pov vid 190 C och med W = 100 mm, samtliga gav giltiga JIc -väden (och J -kuvo upp till cika 3 mm stabil tillväxt). Resultaten sammanfattas i tabell 5.2 och figu 33

38 5.1 i fom av de J -kuvo som ehålls vid tillämpning av ASTM E 1820, dvs. via ekvation (5.8) dä a anges i mm och J ehålls i kn/mm [6]. I tabell 5.2 åtefinns även de giltiga JIc -vädena. C J C a (5.8) 1 2 Tabell 5.2. Data fö giltiga JIc Pov n -väden och giltiga J -kuvo vid 190 C [6]. J Ic [kn/m] Konstanten C 1 Konstanten C ,4 0, ,6 0, ,8 0, ,9 0, ,8 0, ,6 0, ,4 0, J [kn/mm] ,5 1 1,5 2 2,5 3 Figu 5.1. Giltiga J -kuvo vid 190 C [6]. a [mm] 34

39 5.3.1 J Ic -väden fö Inconel 182 vid 190 C Vilket JIc -väde skall man då använda vid skadetålighetsanalyse etc? Enligt BS 7910:1999 (se avsnitt 4.1.1) skall man, vid JIc -povning, utgå ifån det minsta vädet (då man utföt 3 till 5 pov), det näst minsta vädet (då man utföt 6 till 10 pov) samt slutligen det tedje minsta vädet (då man utföt 11 till 15 pov). Detta medfö ett JIc -väde på 401 kn/m vid 190 C. Ovanstående sätt, att ta fam ett elevant JIc -väde, bygge på en föenklad betaktelse dä man ehålle ett JIc -väde med hänsyn till spidningen hos esultaten. Ett poblem med metoden ä att den inte ta hänsyn till stoa avvikelse fån medelvädet (dvs. J Ic = 426 kn/m). Önska man kontollea detta bö man studea konfidensintevall på ett me fomellt sätt. En ba skattning ehålls exempelvis via egenskape hos den så kallade Students t-födelningen. Ekvation (5.9) ange ett konfidensintevall fö J Ic, givet antal pov n, medelvädet m, standadavvikelsen s samt en viss konfidensnivå 1. s s m t / 2, n1 J Ic m t / 2, n1 (5.9) n n En unde skattning på J Ic bli dämed 408 kn/m (med 50 % konfidens), 394 kn/m (med 75 % konfidens) samt 377 kn/m (med 90 % konfidens). Sammanfattningsvis gälle följande fö J Ic : - Vid pobabilistiska skadetålighetsanalyse bö man utgå fån medelvädet, dvs J Ic = 426 kn/m. Detta motsvaa K Jc = 303 MPa m. - Vid deteministiska skadetålighetsanalyse bö man utgå fån medelvädet angivit med en viss konfidens. - Enligt BS 7910:1999, som använde en föenklad statistisk metodik, ehålls J Ic = 401 kn/m. Detta motsvaa K Jc = 294 MPa m. - Enligt en me fomell statistisk analys, utgående fån 90 % konfidens, ehålls J Ic = 377 kn/m. Detta motsvaa K Jc = 285 MPa m J -kuvo fö Inconel 182 vid 190 C Vilken J -kuva skall man då använda vid skadetålighetsanalyse etc? Databehandlingen ä ekvivalent med den som beskivs i avsnitt ovan. Sammanfattningsvis gälle dämed följande: - Vid pobabilistiska skadetålighetsanalyse bö man utgå fån medelvädet, vilket ge J C a C 1 2 med 1 C = 557,0 och C 2 = 0,5737 (se figu 5.2). 35

40 - Vid deteministiska skadetålighetsanalyse bö man utgå fån medelvädet angivit med en viss konfidens. - Enligt BS 7910:1999, som använde en föenklad statistisk metodik, ehålls olika konstante C 1 och C 2 beoende på vilket intevall man betakta. - Enligt en me fomell statistisk analys, utgående fån 90 % konfidens, ehålls J C a C 1 2 med 1 C = 519,7 och C 2 = 0,5956 (se figu 5.2) J [kn/mm] Pov 7979 Pov 7998 Pov 7999 Pov 8000 Pov 8001 Pov 8002 Pov 8003 Medelkuva 90% Konfidens 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 a [mm] Figu 5.2. Statistiskt beabetade J -kuvo (heldagna) jämföt med (steckade) vid 190 C. J -kuvo fån povning 36

41 6. SLUTSATSER Denna appot gå igenom använda metode / standade dä man tillgodoäkna sig stabil (Jkontollead) spicktillväxt. Vi ha påvisat följande: - ASME XI, App. C och App. H, som behandla analys av ostfia och feitiska ösystem, ta hänsyn till stabil tillväxt. I App. C, motsvaa detta att man inkludea stabil tillväxt upp till a 10 mm. - R6-metoden, BS 7910:1999 samt ASME XI, Code Case N-494, innehålle en vedetagen fomalism fö att ta hänsyn till stabil tillväxt. En föutsättning ä att man ha tillgång till elevanta och giltiga mateialdata i fom av bottseghet KIc / J Ic och J -kuvo. - Samtliga ovan nämnda metode / standade ä tillämpliga i känkaftssammanhang. Vi edovisa även vad som kävs fö att ta fam elevanta och giltiga data (bottseghet KIc / J och J -kuvo) att använda vid analys av stabil tillväxt. Ic I denna appot anges inte hu mycket stabil spicktillväxt som kan tillgodoäknas vid en säkehetsvädeing. Rekommendatione öande detta komme att utabetas av SKI. 37

42 7. ERKÄNNANDE Detta foskningspojekt ha finansieats av Statens Känkaftinspektion (SKI). Detta stöd ä mycket uppskattat. 38

43 8. REVISIONSFÖRTECKNING Rev Ändingsosak / Beöda sido elle avsnitt Handläggae Datum 0 Pete Dillstöm Inföt skivningen att SKI komme att inföa en ekommendation öande hu mycket stabil tillväxt som kan få tillgodoäknas. / Sammanfattning och slutsatse. - Ändat pojektansvaig oganisation fån Det Noske Veitas till Inspecta Technology AB. / Hela appoten. Pete Dillstöm

44 REFERENSER [1] MILNE, I., AINSWORTH, R. A., DOWLING, A. R., and A. T. STEWART., (1988), Assessment of the integity of stuctues containing defects, The Intenational Jounal of Pessue Vessels and Piping, Vol. 32, p [2] ANDERSSON, P., BERGMAN, M., BRICKSTAD, B., DAHLBERG, L., NILSSON, F., and I. SATTARI-FAR., (1996), A pocedue fo safety assessment of components with cacks handbook, SAQ/FoU-Repot 96/08, 3d evised edition, SAQ Kontoll AB. [3] BRICKSTAD, B., and M. BERGMAN., (1996), Development of safety factos to be used fo evaluation of cacked nuclea components, SAQ/FoU-Repot 96/07, SAQ Kontoll AB. [4], (1998), ASME Boile & Pessue Vessel Code, 1998 Edition. [5] DILLSTRÖM, P., och P. ANDERSSON., ( ), Ringhals 3 Skadetålighetsanalys och bottsannolikhetsbedömning av funna defekte i svetsen mellan utloppsstuts och safe-end, Teknisk Rappot , Rev 3, Det Noske Veitas AB. [6] ÖBERG, H., ( ), Bottmekanisk povning av Alloy 182, Rappot DNV0102, Rev , KTH, Hållfasthetsläa. [7] BERGMAN, M., (1996), Use`s manual SACC vesion 4.0, SAQ/FoU-Repot 96/09, SAQ Kontoll AB, 9p. [8], (2000), Assessment of the Integity of Stuctues Containing Defects, R/H/6 - Revision 3, Up to amendment ecod No.11, Bitish Enegy Geneation Ltd. [9], (1999), Stuctual Integity Assessment Pocedues fo Euopean Industy, SINTAP, Final Repot, Edito BANNISTER, A. C., Repot BE /FR, Bitish Steel, Rotheham, United Kingdom, 75p. [10], (1999), Guide on methods fo assessing the acceptability of flaws in fusion welded stuctues, Bitish Standad BS 7910:1999, Bitish Standads Institution, 261p. [11], (2000), Special Issue on Stuctual Integity Assessment Pocedues fo Euopean Industy (SINTAP), Guest Edito Webste, S., Engineeing Factue Mechanics, Vol. 67, No. 6, p [12] SCHWALBE, K-H., ZERBST, O., BROCKS, W., CORNEC, A., HEERENS, J., and H. AMSTUTZ, (1996), The engineeing teatment model fo assessing the significance of cack-like defects in engineeing stuctues, EFAM-ETM 95, GKSS Foschungzentum. [13] AINSWORTH, B., (2000), R6 Revision 4 Stuctue, R5 / R6 Newslette, No. 21, Bitish Enegy Geneation Ltd. 40

45 [14] BAMFORD, W. H., TUNON-SANJUR, L., and R. HSU., (Decembe 2000), Integity Evaluation fo Futue Opeation: Vigil C. Summe Nuclea Plant Reacto Vessel Nozzle to Pipe Weld Regions, WCAP-15617, Rev. 0, Westinghouse Electic Company LLC. [15], (1991), Guidance on methods fo assessing the acceptability of flaws in fusion welded stuctues, Published Document PD 6493:1991, Bitish Standads Institution. [16], (1986), Evaluation of Flaws in Austenitic Steel Piping, Tans. ASME Jounal of Pessue Vessel Technology, Vol. 108, p [17] LANDES, J. D., and D. E. MCCABE., (1986), Toughness of Austenitic Stainless Steel Pipe Welds, EPRI NP-4768, Poject , Electic Powe Reseach Institute. [18] BRICKSTAD, B., (1997), Utvädeing av IPIRG-2 pojektet, SAQ/FoU-Repot 97/01, SAQ Kontoll AB, 27s. [19], (1988), Evaluation of Flaws in Feitic Piping, EPRI NP-6045, Poject , Electic Powe Reseach Institute. [20], (2001), ASME Section XI Meetings, Highlights 4 th Quate 2000, Electic Powe Reseach Institute. [21], ( ), Minutes of the Decembe 11, 2000 Meeting in Nashville, TN, ASME, Section XI Woking Goup on Pipe Flaw Evaluation. [22], (2000), Standad Test Method fo Measuement of Factue Toughness, ASTM Standad E a. 41

46

47

48 Stålsäkehetsmyndigheten Swedish Radiation Safety Authoity SE Stockholm Tel: E-post: egistato@ssm.se Solna standväg 96 Fax: Webb: stalsakehetsmyndigheten.se