ANALIZA LOMA ZAVARENE BOCE ZA TRANSPORT TEČNOG
HLORA1Radomir Jovičić, 1Simon Sedmak, 2Sanja Petronić,
3Katarina Jovičić Bubalo, 4Vuk Adžić
1Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu2Institut za nuklearne nauke Vinča, Univerzitet u Beogradu
3Institut Goša Beograd4Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
1
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
2
1. UVOD
Eksplozija boce za transport hlora se dogodila, tokom njenogkorišćenja, u jednom postrojenju za proizvodnju pijaće vode u Srbiji.
Boca je zavarena, cilindrična, vertikalna posuda pod pritiskom sledećihkarakteristika:
- zapremina 120 l, - spoljni prečnik 368 mm, - maksimalni radni pritisak 15 bara, ispitni pritisak 22 bara, - oblast radnih temperatura 10° do 50°C, - materijal omotača i danaca čelik Č.1204/P 265 GH
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
3
- propračunska debljina omotača 3,2 mm, usvojene debljine omotača 4 mm i danaca 5 mm,
- klasa posude III,- koeficijent punjenja 0,8,- boca je zavarena MAG postupkom dodatnim materijalom
ER 70 S - 6 u zaštiti ugljendioksida.
Do loma je došlo duž podužnog zavarenog spoja na omotaču.Ukupna dužina zone u kojoj je došlo do loma je 300 mm. Lom se najednom kraju završava na ukrsnom mestu podužnog i kružnog spojaizmeđu omotača i gornjeg danca, a drugom kraju u podužnom spoju,slika 1.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
4
Slika 1. Izgled boce, mesto loma i mesta isecanja uzoraka za izradu epruveta
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
5
2. REZULTATI ISPITIVANJA METODAMA BEZ RAZARANJA
- pregledom spoljne površine boce nisu uočena korozionaoštećenja, niti greške u zavarenim spojevima,
- prelomne površine su one ravne, bez usana smicanja i bezstanjenja zida i prostiru se pod kosim uglom u odnosu na površinuomotača tj. prate liniju stapanja zavarenog spoja,
- radiografskim ispitivanjem su otkriveni nedostatak stapanja(401) dubine 1 mm i ivični zajedi (5011) max. dubine 0,5 mm ukorenu,
- ispitivanjem spoljne površine zavarenih spojeva magnetnimčesticama nisu otkrivene prsline,
- ultrazvukom su izmerene debljina danaca od 4,9 do 5,0 mm iomotača od 3,8 do 4,0 mm.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
6
3. REZULTATI ISPITIVANJA RAZARANJEM
- ispitani su hemijski sastavi, makro i mikrostrukture, tvrdoće,zatezne karakteristike i savijanje,
- hemijski sastavi, makro i mikrostrukture i tvrdoće imajuuobičajene vrednosti za upotrebljeni osnovni i dodatni materijal,
- zatezne karakteristike osnovnog materijala, dodatnogmaterijala i rezultati ispitivanja zatezanjem materijala omotača idanaca, su dati u tabeli 1.
- rezultati ispitivanja zateznih karakteristika spojeva u celini (epruvete sa paralenim bokovima) su dati u tabeli 2.
- rezultati ispitivanja zavarenih spojeva savijanjem su dati u tabeli 3.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
7
Epruveta broj
Napon tečenja Re MPa
Zatezna čvrstoća Rm MPa
Izduženje A5 %
Č.1204/P 265 GH ≥ 260 410 - 500 ≥ 20ER 70 S - 6 ≥ 420 500 - 640 ≥ 20
O1 - donje dance 360 470 38O1-1 – donje dance 380 490 37O2P – omotač 322 500 28O2V – omotač 320 500 24O3 – gornje dance 260 485 28O3-1 – gornje dance 320 490 33
TABELA 1. Zatezne karakteristike osnovnog materijala, dodatnog materijala i i rezultati ispitivanja zatezanjem materijala omotača i danaca
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
8
Epruveta broj/spoj
Zatezna čvrstoćaRm MPa
Mesto loma
Napomena
Z1/donje dance –omotač
590 OM
Z1-1/donje dance –omotač
415 linija stapanja
u korenom delu spoja su uočene korodirane neuvarene površine
Z2/podužni spoj omotača
nije ispitano prsline u spoju su uočene pri izradi epruveta
Z2-1/podužni spoj omotača
nije ispitano prsline u spoju su uočene pri izradi epruveta
Z3/gornje dance –omotač
565 OM
Z3-1/gornje dance – omotač
385 linija stapanja
u korenom delu spoja su uočene korodirane neuvarene površine
TABELA 2. Rezultati ispitivanja zateznih karakteristika spojeva u celini
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
9
Epruveta broj/spoj Ugao savijanja ° Napomenakoren u
zateznoj zonilice u
zateznoj zoniS1/donje dance – omotač
(omt.)90 uočene su prsline sa obe strane
korenog dela šavaS1-1/donje dance – omt. 180S2/podužni spoj omotača 180
S2-1/podužni spoj omotača
40 prsline u korenom delu šava po liniji stapanja, neuvarene površine širine oko 1 mm
S3/gornje dance –omotač
45 uočene su prsline u korenom delu šava po liniji stapanja
S3-1/gornje dance – omt. 180prema standardu 180 180
TABELA 3. Rezultati ispitivanja zavarenih spojeva savijanjem
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
10
4. ANALIZA UZROKA LOMA
4.1. Opseg temperatura i pritisci u boci
- predviđen opseg radnih temperatura boce je od 10 do 50°C,
- boce se transportuju u otvorenim prevoznim sredstvima, pa semogu naći i na nižim temperaturama, zimi do -25°C i na višimtemperaturama, leti do 60°C (boce su bojene u tamno zelenu boju),
- letnje ambijatalne temperature dostižu 37°C,
- čelik Č.1204/P265GH od koga je izrađena boca ima garantovanužilavost do temperature - 20°C, pa se može zaključiti da nije pogodan zaizradu ovih boca,
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
11
Slika 2. pokazuje promenu pritiska zasićene pare hlora sa promenomtemperature. Sa slike se vidi da se sa sniženjem temperature pritisakpare hlora snižava i da ispod 0°C iznosi 2,5 bara. Hlor se u bocamanalazi u dvofaznom stanju, što znači da je ispod 0°C pritisak u bocimanji od 2,5 bara. Pri ovako malom pritisku naponi u zidu boce sumali.
Sa porastom temperature, u boci raste pritisak i zapremina tečne faze,a zapremina gasne faze se smanjuje. Slika 3. pokazuje promenugustine tečnog hlora u zatvorenoj zapremini pri promeni temperaturei pritiska.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
12
Slika 2. Promena pritiska zasićene pare hlora sa promenom temperature
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
13
Slika 3. Promena gustine tečnog hlora sa promenom pritiska i temperature
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
14
Pre početka ispitivanja izmereno je više boca koje su punjene kada iboca koja je eksplodirala. Na nekoliko boca je konstatovan stepenprepunjenja 5 do 10%.
U propisno napunjenoj boci zapremine 120 l, - pri punjenju na 10°C,- zapremina tečnosti iznosi 96 l (koeficijent punjenja 0,8), - gustina tečnog hlora je 1,44 kg/l, slika 3,- napon zasićene pare hlora tj. pritisak gasne faze u boci je 4 bara, slika 2.
Iz izraza G = ρ V, gde je: G – masa (kg), ρ – gustina 1,44 (kg/l), V –zapremina punjenja 96 l, sledi da u boci ima 138,2 kg hlora.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
15
Sa porastom temperature rastu zapremina tečnog hlora i pritisak gasne faze.
Na temperaturi 37°C:- gustina tečnog hlora iznosi 1,35 kg/l, slika 3.- zapremina 138,2 kg tečnog hlora raste sa 96 na 101,6 l, - napon zasićene pare hlora tj. pritisak u boci raste na 10 bara,
slika 2. - na isti način se određuju gustina i zapremina tečnog hlora i
pritisak u boci na temperaturama od 50°C i 60°C.
Vrednosti su date u tabeli 4.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
16
Propisno napunjena boca,
masa hlora 138,2 kg
Boca prepunjena 5%,masa hlora 145,1 kg
Boca prepunjena 10%,masa hlora 152 kg
temperatura oC
zapreminatečnog hlora
pritisak bara
zapreminatečnog hlora
pritisak bara
zapremina tečnog hlora
pritisak bara
10 96 4 100,8 4 105,6 437 101,6 10 106,7 10 111,8 1050 104,7 14 109,9 14 115,2 1460 107,1 17 112,5 17 117,8 17
TABELA 4. Pritisak i zapremina tečne faze u boci u zavisnosti od stepenapunjenja i temperature
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
17
- pritisak u boci raste sa porastom temperature i zavisi samo od pritiska parne faze hlora,
- na maksimalnoj proračunskoj temperaturi od 50°C pritisak u boci dostiže 14 bara što je blisko proračunskom pritisku boce,
- porast temperature boce preko 55°C povećava pritisak u njoj preko 15 bara tj. preko proračunskog pritiska,
- sa porastom temperature raste i zapremina tečne faze hlora,
- u razmatranom slučaju porast zapremine tečne faze nema uticaj na porast pritiska u boci,
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
18
- kod stepena prepunjenja 10% i temperature od 60°C zapremina tečne faze se približava zapremini boce,
- u slučaju da one postanu jednake, npr. zbog porasta stepena prepunjenja (15%), dalje širenje tečnosti je onemogućeno.
- u tom slučaju pritisak u boci, sa porastom temperature, raste pri konstatnoj gustini tečnog hlora (konstantne masa i zapremina). Sa slike 3. se vidi da pri promeni temperature od 50° - 55°C, u ovom slučaju, pritisak raste od 14 do 60 bara.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
19
4.2. Klasa posude i nivoi kvaliteta zavarenog spoja
- prema tehničkoj dokumetaciji boca spada u klasu III PPP.
- pri određivanju klase posude nije uzet u obzir lokacijski faktor (boce se pune, transportuju i koriste u prostoru u kome se nalaze ljudi), zbog čega se boca mora prevesti iz klase III u klasu II,
- potrebni nivo kvaliteta spoja na kome je došlo do otkaza se zato mora povećati iz klase II u klasu IB, odnosno sa nivoa C na nivo B (SRPS EN ISO 5817),
- ovo pooštrava i kriterijume prihvatljivosti za greške u spoju.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
20
4.3. Greške u zavarenim spojevima i naponi oko grešaka
Greške, nedostatak stapanja i ivični zajedi u korenu, izazivaju lokalnapovećanja napona. Veličine ovih napona su određene metodomkonačnih elemenata (MKE).
Zadate sile koje odgovaraju naponima od 69 i 101 Mpa, što su naponikoji se javljaju u zidu boce u obimskom pravcu pri radnom i ispitnompritisku i izračunati su iz izraza σ = PD/2B, gde je σ – napon uomotaču boce u pravcu obima MPa, P – pritisak, radni 15 bara, ispitni22 bara, D – spoljni prečnik boce 368 mm, B – debljina zida 4 mm.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
21
Na vrhu nestopljenog mesta deluje napon od 312 MPa, crvena oblast slika 4., a u korenu ivičnog zajeda deluje napon od 265 MPa crvena oblast slika 5.
Boce nisu naponski žarene pa su zaostali naponi jednaki naponu tečenja materijala niže čvrstoće u spoju (osnovni materijal) tj. jednaki su 320 MPa.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
22
Slika 4. Naponsko stanje oko greške nedostatak stapanja u korenu podužnog spoja
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
23
Slika 5. Naponsko stanje oko ivičnog zajeda u korenu podužnog spoja
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
24
Maksimalni zatezni napon u delu spoja u kome su otkrivene greškejednak je zbiru zaostalih napona i napona na mestu sa greškama.
I u slučaju nedostatka stapanja i u slučaju ivičnog zajeda maksimalnizatezni napon (632 MPa i 585 MPa) prevazilazi zateznu čvrstoćuosnovnog materijala (500 MPa), zbog čega su se prsline i pojavile uokolini grešaka.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
25
4.4. Ispitivanje boce unutrašnjim vodenim pritiskom
Pri prijemnom ispitivanju boca je ispitana unutrašnjim vodenim pritiskom.U slučaju kontakta vode i hlora stvara se hlorovodonična kiselina na kojuova vrsta čelika nije otporna.
Rezultati ispitivanja pokazuju da su u sva tri spoja otkrivene prsline nakorenoj strani tj. na strani spoja okrenutoj ka radnom medijumu.
Rezultati ispitivanja ne ukazuju na prisustvo tvrdih i krtih struktura koje bimogle biti uzrok nastanka ovih prslina. Može se pretpostaviti da je i radnimedijum doprineo nastanku i/ili rastu prslina, jer boca nije otkazala tokomispitivanja pritiskom, nego kasnije tokom eksploatacije.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
26
5. ZAKLJUČCI
1. Za izradu boce upotrebljeni su materijali koji su predviđeni njenom tehničkom dokumentacijom.
2. U korenu zavarenih spojeva su otkrivene greške nestopljena mesta i ivični zajedi neprihvatljivih veličina i prsline.
3. Opseg radnih temperatura boca od 10° - 50°C nije dobro određen, jer se tokom transporta i eksploatacije boce mogu naći i na nešto nižim i na višim temperaturama od navedenih.
4. Do temperature od 50°C, čak i u slučaju prepunjenosti boce do 10%, pritisak u boci je manji je od proračunskog pritiska. Iznad 55°C pritisak u boci raste iznad proračunskog.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
27
5. Tek kod stepena prepunjenosti boce većeg od 15% i na maksimalnoj radnoj temperaturi postoji opasnost od izjednačavanja zapremine tečne faze i zapremine boce.
6. Klasa posude nije dobro određena jer nije uzet u obzir lokacijski faktor. 7. Greške u korenu spoja su izazvale lokalno povećanje napona, koje je sa
zaostalima naponima u spoju prevazišlo zateznu čvrstoću osnovnog materijala i uzrok je nastanka i rasta prslina.
8. Može pretpostaviti da je uticaj na nastanak i rast prslina u zavarenim spojevima imala i hlorovodonična kiselina, koja je nastala kao produkt reakcije vode zaostale u boci nakon ispitivanja pritiskom i hlora.
31. Međunarodni kongres o procesnoj industriji, Bajina Bašta, 6–8.6.2018.31st on Process Industry Bajina Bašta June 8International Congress , , 6–8 201
28
HVALA NA PAŽNJI !