Preiskave horizontalne stabilne tlačne posode za skladiščenje utekočinjenega naftnega plina
Examinations of a Horizontal Stabile Pressure Vessel for Liquid Petrol Gas Storing
J. Vojvodič Gvardjančič1, IMT Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22
Opravljene so bile preiskave za oceno uporabnosti tlačne posode prostornine 150 m3, ki bi jo naročnik želel uporabiti za skladiščenje propan butana. Po predpisih se za izdelavo take tlačne posode zahteva jeklo z najmanjšo natezno trdnostjo 400 MPa, mejo plastičnosti 260 MPa in udarno žilavostjo Charpy-V 28 J pri temperaturi -20°C. Naročnik je predložil pomanjkljivo tehnično dokumentacijo, pri vizualni kontroli pa smo odkrili tudi večje korozijske poškodbe na plašču posode. Zato je Inštitut za kovinske materiale in tehnologije predložil sanacijo tlačne posode in vse potrebne preiskave za dokaz uporabnosti tlačne posode za utekočinjeni naftni plin.
Ključne besede: tlačna posoda, utekočinjeni naftni plin, statična presoja plašča in podnice
Tests for applicability of pressure vessel of volume 150 m3 for liguid petrol gas storing has been performed. According to regulations, a steel vvith tensile strength at least 400 MPa, yield stress 260 MPa, and impact toughness Charpy-V 28 J at temperature -20°C, is required. The technical documentation submitted by the client is insufficient. By visual control, we have observed bigger corrosion damages on the pressure vessel vvall. Therefore, Institute of metals and technology suggested the improvement of pressure vessel together vvith ali necessary tests for proving applicability of the vessel for liquid petrol gas.
Key vvords: pressure vessel, liquid petrol gas deposition, static estimation of pressure vessel vvall and bottom
1 Uvod
Tlačne posode so konstrukcije za shranjevanje in prenos različnih snovi pri različnih temperaturah in različnih obremenitvah. Zahtevajo poznavanje analiznih metod za določitev napetosti, razumevanje najbolj pogostih pojavov, ki vodijo do poškodb ter poznavanje pomena dobljenih rezultatov za izbor materialov in njihovo vedenje glede na okolje.
Uporaba tlačnih posod v vedno bolj zahtevnih temperaturnih in obremenitvenih razmerah zahteva posebne analitične in eksperimentalne metode za določanje napetosti v materialu. Razvoj novih tehnologij pa je privedel tudi do večjega povpraševanja, ne le po materialih odpornih proti krhkemu lomu, temveč tudi po tistih s povišano trajno mejo lezenja, trajno dinamično trdnostjo, večjo odpornostjo proti koroziji, manjšo občutljivostjo na nevtronsko sevanje in podobno.
Na osnovi navedenega ugotavljamo, da so tako predhodne raziskave v zvezi z izbiro materiala, projektiranje in izdelava tlačnih posod kot tudi kontrola izdelave ter redni pregledi mul-tidisciplinarnega značaja.
' Dr. Jelena VOJVODIČ GVARDJANČIČ Inštitut za kovinske materiale tehnologije 10!HI Ljubljana. Lepi pot 11
2 Teoretični del
Klasični način izbiranja materiala in izračun napetosti pri projektiranju tlačnih posod, ki je tudi upoštevan v večini predpisov, upošteva Hookov zakon in osnovne natezne karakteristike materiala. Pri tem načinu je upoštevana precejšnja plastična rezerva.
Veliko število nepričakovanih lomov tlačnih posod pri povsem normalnih projektnih obremenitvah pa je privedlo do novega koncepta projektiranja tlačnih posod na osnovi prehodne temperature. V tem primeru projektant predpiše za izbrano jeklo minimalno zahtevano žilavost in prehodno temperaturo, ki jo določamo z različnimi preskusi (Charpy, DWT, DWTT...). Poleg žilavosti pa se za zahtevne konstrukcije upošteva tudi sposobnost zaustavitve razpoke, kar se določa z Robertsonovim preskusom, eksplozijskim preskusom in podobno. Seveda pa ima tudi ta način projektiranja pomanjkljivosti, saj upošteva le nevarnost pojavljanja krhkega loma.
Tem pomanjkljivostim se v veliki meri izognemo z uporabo takšnih preiskovalnih metod, s katerimi se ne zavarujemo le proti krhkemu lomu ampak tudi proti utrujanju, lezenju, radiacijskim poškodbam, vodikovi krhkosti in napetostni koroziji.
Geometrijskih oblik tlačnih posod je veliko. Osnovna oblika je cilindrična lupina, katere togost določimo z razmerjem polmera lupine in njene debeline. Tlačne posode so obremenjene s pritiskom, upoštevati pa moramo tudi maso konstrukcije in maso ter vpliv medija, vpliv vetra in potresa, zemeljski pritisk, delno polnjenje in praznjenje, temperaturne in udarne obremenitve, vpliv časovne deformabilnosti materiala in obremenitve, ki so posledica tehnološke izdelave konstrukcije (zaostale napetosti).
Poleg tega so v materialu vedno diskontinuitete, katerih stabilnost v močno obremenjenih konstrukcijah določa prav žilavost osnovnega materiala. Podatke o napakah v materialu dobimo z neporušnimi preiskavami, kot so ultrazvočne preiskave ali radiografija.
Z mehaniko loma lahko določimo tudi vpliv napak na globalno varnost tlačne posode ter za nosilnost kritično razmerje med razpokami, napetostmi in lastnostmi materiala. Seveda pa moramo poznati tako velikost kot tudi orientacijo razpok, pri napetostih pa moramo upoštevati koncentracije ob priključkih in zaostale napetosti. Kritično velikost razpoke lahko izračunamo, ko poznamo nivo napetosti in lastnosti materiala. Določila lomne mehanike so upoštevana tudi v predpisih ASME Boiler and Pressure Vessel Code III in XI ter angleških predpisih BS PD.6493. Faktor intenzitete napetosti K je sestavljen iz dveh členov, prvi rezultira iz membranske napetosti, drugi pa iz upogibne, tako da dobimo izraz:
Vffa
K = (Mmom + MU0U)	(1)
Izraz (1) uporabljamo za površinske napake, ki sežejo do globine a, ali za notranje napake, ki so prečne dimenzije 2a; kalibracijske krivulje za faktorje Mm in Mu pa so podane v predpisih za različna razmerja globine in dolžine napake ter različna razmerja globine napake in debeline stene konstrukcije.
Dimenzioniranje zahtevnih tlačnih posod izvajamo z računalniškimi programi na osnovi metode končnih elementov, kot so ANSYS, COSMOS, NISSA ..., ali specialnimi programi za analizo osnosimetričnih in prizmatičnih, poljubno podprtih lupin. S tako analizo izračunamo napetosti tudi v področju priključkov, z globalno analizo pa določamo delež posameznih obtežnih primerov. Končni rezultat oziroma merodajni obtežni primer nam poda lokalna analiza. Računski programi vsebujejo več tipov končnih elementov, kot so gredni element prostorskega okvira, element za cevi in lupine, robni element, sub-parametrični element... Programi omogočajo statično in dinamično analizo. Za izračun priključkov ne obstajajo natančne analitične rešitve, pač pa priporočila1-2. Za enostavne tlačne posode pa je osnova za dimenzioniranje še vedno kar kotlovska formula, s katero izračunamo membranske napetosti v cilindrični lupini.
Debelino plašča tlačne posode (s) brez odprtin lahko izračunamo z izrazom3:
Ds-p
s = —-+ c, + c2 ,	(2)
20^-v+p
kjer pomeni Ds zunanji nazivni premer tlačne posode v mm, p delovni tlak v barih, Rp napetost tečenja pri obratovalni temperaturi v MPa, S stopnja varnosti, v koeficient zvara plašča4, ci dodatek odstopanja debeline pločevine5 in c2 korozijski dodatek5. Dimenzioniranje plašča z odprtinami pa izvedemo z izrazi, navedenimi v literaturi3'4.
Debelino podnice tlačne posode (t) določimo z izrazom6:
Ds-p „
s = —^— (3 + ci + c2 ,	(3)
40s v
kjer pomeni Ds zunanji premer podnice v mm, p delovni tlak v barih, Rp napetost tečenja pri obratovalni temperaturi v MPa, S stopnja varnosti, v koeficient zvara podnice4, ci dodatek odstopanja debeline pločevine5 in c2 korozijski dodatek5. Obliko podnice določimo na osnovi izrazov7-8.
3 Eksperimentalni del
Po predpisu JUS H.Z2.600/1991 se za izdelavo horizontalnega zvarjenega rezervoarja za propan butan zahteva kvaliteta osnovnega materiala z najmanjšo natezno trdnostjo 400 MPa, napetostjo tečenja 260 MPa in udarno žilavostjo Charpy-V po JUS C.A4.025 najmanj 28 J pri temperaturi -20°C. Investitor ni predložil potrebnih potrdil o kvaliteti vgrajenega materiala, zato smo na tlačni posodi, prikazani na sliki 1 predložili naslednje kontrole:
•	pregled atestno tehnične dokumentacije
•	vizualni pregled
•	merjenje debeline vgrajenih pločevin
•	metalografske preiskave poškodovanih mest
•	odvzem vzorcev za določitev žilavosti po Charpyju, ter vzorcev za natezni preizkus
•	statično presojo plašča in podnice z upoštevanjem izmerjenih vrednosti.
Na tlačni posodi smo označili mrežo z 22 merskimi mesti po dolžini in 8 merskimi mesti po obodu9, kar prikazuje slika 2. Na označenih mestih smo merili debelino z ultrazvočnim merilnikom debeline Panametrics 26 DL. Pri izmerjenih večjih odstopanjih od predvidene debeline pločevine smo področje dodatno ultrazvočno preiskali. Dodatne meritve smo opravili po celotnem obodu plašča posode v prečnih smereh, označenih s 3,4,5,6 in 7.
Tlačna posoda je bila sveže prebarvana, vendar smo pod nanosom barve ugotovili korozijske poškodbe v obliki izboklin ali v obliki odluščenih mest. Na odluščenih mestih smo na površini posode opazili tanke zavaljane luskine. Luskino, odluščeno s površine, smo pregledali v optičnem mikroskopu (obrus) in v elektronskem mikroanalizatorju opredelili nekovinske vključke v luskini. Slika 3 prikazuje mesto odvzema preiskane zavaljane luskine na površini tlačne posode, slika 4 pa izboklino pod odluščeno barvo na površini tlačne posode.
Slika 1: Horizontalna stabilna tlačna posoda prostornine 150 m3 Figure 1: Horizontal stabile pressure vessel of volume 150 m3
-L
»i
Slika 2: Merna mesta na tlačni posodi Figure 2: Measuring points of the pressure vessel
■v •*• -	* ■ - gr. v %C- ** ir ■ -t«*?«*,
vV^*-»*	v*H * ^-, -
v" *	i* ^■ *< ^ v fcsti
f*. „	M ■
Slika 5: Mikrostruktura luskine (100 x) Figure S: Microstructure of metal lusk (100 x)
površini luske se opazijo nekovinski vključki, ki so s površine deloma odpadli. Te vključke smo analizirali v elektronskem mikroanalizatorju. Elektronska slika in specifični rentgenski
Slika 6: Elektronska slika in specifični rentgenski posnetki
elementov nekovinskih vključkov Figure 6: Electron image (ES) and specific X-ray images of nonmetalic inclusions
Slika 4: Izboklina na zunanji površini tlačne posode Figure 4: Convexity on the outher surface of the pressure vessel
Slika 3: Mesto na zunanji površini tlačne posode, kjer je bila odstranjena zavaljana luskina Figure 3: The plače on the outher surface of pressure vessel, where the rolled metal lusk was removed
4 Rezultati in diskusija
Luskino, pod katero vizualno ni bilo zaznati vpliva korozije, smo natačneje analizirali. Ugotovili smo9, da ima jeklo ustrezno feritno perlitno mikrostrukturo, kar prikazuje slika 5. Na nejedkani luskini se opazijo nizi drobnih nekovinskih vključkov, ki so po sestavi sulfidi in oksidi. Na notranji
posnetki sestavnih elementov nekovinskih vključkov je prikazana na sliki 6. Vsebnost elementov na specifičnih rentgenskih posnetkih je sorazmerna gostoti belih pik. Vključki so ok-sidnega tipa in vsebujejo veliko silicija, aluminija in mangana. Kalcija, magnezija, žvepla, kalija, fosforja in natrija je zelo malo oziroma so prisotni le v sledovih. Nekovinski vključki ustrezajo po sestavi livnemu prašku iz procesa konti litja slabov. Železo na posnetkih izhaja iz ozadja (osnova je jeklo), titan pa iz antikorozijske zaščite. To zaščito smo opazili na notranji površini luske tudi pri pregledu z binokularnim mikroskopom. To kaže, da je protikorozijska zaščita že pri barvanju deloma penetrirala v razpoko pod luskino. Ker ne poznamo Charpyjeve udarne žilavosti, ne moremo s korelaci-jskimi enačbami niti približno določiti lomne žilavosti Kic ter na tej osnovi opredeliti nevarnosti, ki jo morda predstavljajo odkrite planarne diskontinuitete. V obravnavanem primeru so pa luskine tanke, debelina plašča pa večja od zahtevane po projektu, zato te luskine najbrž ne predstavljajo nesprejemljive napake.
Pri merjenju debeline stene rezervoarja smo ugotovili, daje za posamična odstopanja od predvidene debeline lahko vzrok tudi zavaljanost pločevine, kar bo potrebno natančneje opredeliti z odvzemom vzorcev pločevine.
Izmerjena debelina plašča pa v splošnem dosega od 16,20 mm do 17,88 mm in je večja od debeline po projektu, ki je 15 mm.
5 Sklep
Iz izmerjene trdote lahko dokaj natančno določimo trdnost jekla ter z uporabo primernega konservativnega merila ocenimo tudi napetost tečenja jekla, nikakor pa ne moremo iz znane trdote niti iz znane mikrostrukture sklepati o zahtevani udarni žilavosti jekla in o temperaturi prehoda iz žilavega v krhko stanje. Šele ko poznamo tudi Charpyjevo udarno žila-vost, lahko s korelacijskimi enačbami približno določimo lomno žilavost Kic ter na tej osnovi opredelimo nevarnost, ki jo morda predstavljajo odkrite planarne diskontinuitete. Zaradi tega je odvzem vzorcev materiala iz takšnih tlačnih posod nu-
jen, opravljeni ustrezni mehanski preizkusi pa so temeljni pogoj za oceno varnosti objekta.
6 Literatura
1	British Standard 5500, Apendix G, 1994
2	Welding Research Council Bidlelin 107, Local Stresses in Spherical and Citindrical Shells due to Externall Loadings, 1965
3Posude pod pritiskom. Cilindrični i kuglasti omotači izloženi unu-trašnjim pritisku-proračun. JUS M. E2. 253, UDK 621.642-983/-988.001.24, 1991
4/t/S M. £2. 256, Posude pod pritiskom, Izrezi u cilindrima, konusima i kuglama izloženim unutrašnjem pritisku, UDK 621.642-986/988. 1991
5	Posude pod pritiskom. Proračun delova pod pritiskom. Opšti zahtevi, JUS M. E2. 250, UDK 621.642-983/-988.001.24, 1991
6	Posude pod pritiskom. Danca izložena unutrašnjem ili spoljašnem pritisku. Proračun, JUS M. E2. 252, UDK 621.642-983/-988.001.24, 1991
7	JUS M. EO. 020, Termoenergetske naprave in tlačne posode. Plitva dna. Oblika in mere. 1980
8	JUS M. EO. 02J, Termoenergetske naprave in tlačne posode. Globoka dna, Oblika in mere, 1980
9	J. Vojvodič Gvardjančič, B. Hertl, D. Kmetic, Strokovna ocena horizontalnega zvarjenega rezervoarja za propan butan prostornine 150 m3. Poročilo Inštituta za kovinske materiale in tehnologije, 11/95, 1995
10	J. F. Harvey. P. E., Theory and Design of Pressure Vessels, Van Nos-trand reinhold Company Inc., 1980
11ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section XI., Nuclear Povver Plant Components
12	ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III., Article A-4000, Material Properties
13	W. S. Pellini, AWS Adams Lecture, Principles of Fracture Safe Design, Welding Journal Research Supplement, Part I. - march 1971, 91S-109S, Part II,- april 1971, 147S-162S, 1971
14	J. Vojvodič Gvardjančič, B. Ule, S. Ažman, Fracture Toughness of Fine Grained microalloyed Steels at Nil Ductility temperature. The 3rd European Conference on Advanced Materials and Processes, C. 364, Pariz. 1993
15	PVRC Recommendations on Toughness Requirements for Ferritic Materials, PVRC Ad Hoc Group on Toughness Requirements, WRC, Bulletin, 175. 1972