Fordringar i EN och EN för att undvika sprödbrott Bo Lindblad, Inspecta Sweden AB

Transkript

1 Fordringar i EN och EN för att undvika sprödbrott Bo Lindblad, Inspecta Sweden AB 1

2 Sprödbrott i tryckkärl 2

3 Sprödbrott i ventil av gjuten aluminium 3

4 Typiskt för ett sprödbrott Ingen nämnvärd plastisk deformation sker innan brott Brottet sker med en mycket hög hastighet All energi som lagrats i den tryckbärande anordningen frigörs momentant 4

5 AFS 1999:4, Bilaga Materialen till tryckbärande delar skall uppfylla följande krav: a) De skall ha lämpliga egenskaper för samtliga, rimligen förutsebara drifts- och provningsförhållanden samt vara tillräckligt duktila och sega. Egenskaperna hos dessa material skall uppfylla kraven i punkt 7.5 när denna är tillämplig. Dessutom skall ett korrekt materialval ske så att man vid behov kan förhindra sprödbrott. Om det av särskilda skäl är nödvändigt att använda ett sprött material, skall lämpliga åtgärder vidtas. 7.5 Materialegenskaper Såvida inte andra värden krävs baserat på andra kriterier som måste beaktas, anses en stålsort vara tillräckligt duktil för att uppfylla kraven i punkt 4.1 a) om dess brottförlängning vid en dragprovning utförd enligt standardförfarande, är minst lika med 14 % och om dess uppmätta energi vid slagprovning med ISO V- provstav uppgår till minst 27 Joule vid en högsta temperatur om 20 C, dock inte högre än den lägsta avsedda drifttemperaturen. 5

6 Parametrar I materialkapitlet till EN och EN finns en särskild bilaga (Bilaga B) som upprättats till hjälp för tillverkare av tryckbärande anordningar. Bilagan innehåller de kriterier som anses tillräckliga för att säkerställa att konstruktionen inte kommer att drabbas av ett sprödbrott. De parametrar som bilaga B anger att man behöver ta hänsyn till är: Segheten hos grundmaterial och svetsförband i sämsta riktningen Hållfastheten hos grundmaterialet Konstruktionens materialtjocklek Svetsegenspänningar Den lägsta materialtemperaturen 6

7 Några definitioner att hålla reda på T M är lägsta metalltemperatur under: normal drift start och stopp möjliga processtörningar under tryck- eller täthetskontroll T R = T M + T S T S är en term för temperaturjustering vid användning av metod 1. T S är beroende av den beräknade membranspänningen vid lägsta metalltemperatur T R är den temperatur som används för bestämning av fordringar på slagseghet T KV är den temperatur vid vilken det fordrade slagseghetsvärdet skall uppnås 7

8 EN och EN I EN 13445:2202 finns tre olika metoder för dimensionering mot sprödbrott Metod 1 Metod baserad på erfarenhet Metod 2 Tillämpningsregler utvecklade med hjälp av brottmekanik Metod 3 Brottmekanisk analys Typiskt för metod 1 är att provningstemperaturen T KV är lika med konstruktionsreferenstemperaturen T R. I EN 13445:2009 har man förändrat metod 1 så att den nu stål för stål redovisar största referenstjocklek vid den temperatur som stålet uppfyller slagseghetsfordran 27 Joule på tvärprov. Grundprincipen är fortfarande att man med metod 1 inte med fullt materialutnyttjande kan nå användningstemperaturer som är lägre än den temperatur vid vilken materialsegheten är garanterad enligt specifikationen. 8

9 EN :2009 Bilaga B, metod 1 9

10 Metod 1 Bonus för låg spänning (OBS! Gäller bara metod 1) 10

11 EN :2009 Bilaga B, metod 2 Låt oss ta ett exempel: Stålsort P355GH enligt EN Sträckgräns: 355 MPa Slagseghet (tvärprov): 27 Joule / -20 C 34 Joule / 0 C 40 Joule / 20 C Lägsta materialtemperatur: -40 C *) Högsta temperatur: +250 C Materialtjocklek: 30 mm *) Behållaren kommer att placeras utomhus. För att den skall kunna användas utomhus året om behöver den konstrueras för en lägsta materialtemperatur på högst -40 C såvida man inte genom en metrologisk utvärdering kan visa att en högre lägsta utomhustemperatur gäller för den aktuella orten. 11

12 Metod 2 Tillämpningsregler utvecklade med hjälp av brottmekanik -33 C P355GH enligt EN kan inte användas vid -40 C eftersom stålet inte har tillräcklig slagseghet. P355GH enligt EN kan användas vid lägst -33 C. -28 C 12

13 Metod 2 Tillämpningsregler utvecklade med hjälp av brottmekanik P355GH enligt EN kan användas om PWHT utförs eftersom stålet nu har tillräcklig slagseghet. Men det kostar att genomföra PWHT. -8 C 13

14 Vad gör man om segheten inte räcker till? För att undvika en kostsam värmebehandling efter svetsning behöver vi i exemplet använda ett stål med sträckgränsen 355 MPa och med en seghetsfordran på min 27 Joule på tvärprov vid -40 C. FÖRSLAG Använd P355NL1 enligt EN istället för P355GH enligt EN PROBLEM P355NL1 enligt EN saknar specificerad sträckgräns vid förhöjd temperatur. VAD GÖR VI NU? P355GH har varmhållfasthetsegenskaper men har inte tillräcklig seghet och för P355NL1 är situationen den omvända. 14

15 Använd P355NL1 med option för garanterad varmhållfasthet 15

16 EN Tabell 5 16

17 Vad gör man om segheten inte räcker till? OBS! För att undvika en PWHT byter vi alltså material från P355GH enligt EN till P33NL1 enligt EN Reglerna i EN förutsätter att tillverkaren dokumenterar att svetsgods och HAZ i detta fall klarar 27 Joule vid -40 C. Detta kan fordra en ny kvalificering av svetsproceduren och kanske även byte till ett tillsatsmaterial med bättre seghetsegenskaper än det som normalt används för att matcha P355GH enligt EN SLUTSATS Vi får väga kostnaderna för en PWHT mot kostnaderna för att kanske få ett dyrare grundmaterial, tillsatsmaterial och eventuellt en ny procedurkvalificering. ALTERNATIV LÖSNING Övertyga alla berörda att lägsta utomhustemperatur på orten inte är lägre än - 33 C. Hur det skulle gå till kommer Katarina Losjö från SMHI att redogöra för om en stund. 17

18 Förändringar av Bilaga B TC 54 WGB utför fortlöpande justeringar av Bilaga B. Det mest synbara är att linjerna i figurerna har justerats över tiden. Låt oss se på ett par exempel 18

19 Ändringar i diagram P265GH 27 Joule/-20 C 20 mm PWHT TR /FprA1:2012 TKV 19

20 Ändringar i diagram P265GH 27 Joule/-20 C 40 mm PWHT TR /FprA1:2012 TKV 20

21 Att tänka på Beställ rätt material från början Läs på så att du kan utnyttja de optioner som finns i materialstandarderna för att klara både segheten och varmhållfastheten vid behov eller för att få andra krav tillgodosedda Tänk på att de seghetskrav som Bilaga B innehåller gäller den färdiga produkten i dess sämsta zon/riktning. För grundmaterialet gäller då seghet vid tvärprov. För svetsförbandet skall segheten också uppfyllas i svetsgods och HAZ Inom SIS TK 137 håller vi på att utarbeta ett vägledningsdokument som jag tror många kan finna intresse av. Dokumentet kommer att publiceras som en liten handbok och är inriktad på att förklara en hel del grundläggande frågor kring material och svetsning vid användning av harmoniserade standarder

22 22