analiza loma zavarene boce za transport teČnog …31. međunarodni kongres o procesnoj industriji,...

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


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


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.


4

Slika 1. Izgled boce, mesto loma i mesta isecanja uzoraka za izradu epruveta


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.


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.


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


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


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


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,


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.


12

Slika 2. Promena pritiska zasićene pare hlora sa promenom temperature


13

Slika 3. Promena gustine tečnog hlora sa promenom pritiska i temperature


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.


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.


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


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,


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.


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.


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.


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.


22

Slika 4. Naponsko stanje oko greške nedostatak stapanja u korenu podužnog spoja


23

Slika 5. Naponsko stanje oko ivičnog zajeda u korenu podužnog spoja


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.


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.


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.


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.


28

HVALA NA PAŽNJI !

analiza loma zavarene boce za transport teČnog …31. međunarodni kongres o procesnoj industriji,...

Documents