Chiara Servetto Istituto Italiano della Saldatura

Transcript

1 Valutazione della vita residua di componenti eserciti in regime di creep secondo il metodo Omega (API / ASME FFS-1): esempi applicativi e confronto con i metodi di calcolo tradizionali Chiara Servetto Istituto Italiano della Saldatura 1 1

2 Cos è il Metodo Omega E un modello matematico che descrive il comportamento in regime di creep del materiale e può essere applicato per valutare la vita residua di componenti eserciti ad alta temperatura E stato ideato da Martin Prager (Materials Properties Council, MPC) E stato incluso nella recente edizione della norma API / ASME FFS-1 (2007) Non è sostitutivo in toto dell approccio classico Per alcune applicazioni risulta particolarmente efficace e più affidabile rispetto all approccio tradizionale 2

3 Contenuti della presentazione Descrizione del Metodo Omega Illustrazione di un esempio applicativo Confronto con i risultati di una valutazione condotta con approccio tradizionale (circolare ISPESL N 48/2003, Larson Miller) Conclusioni 3

4 Il metodo Omega L applicazione della procedura convenzionalmente nota come Metodo Omega inclusa nella recente edizione della norma API / ASME FFS-1 (2007) permette una stima della vita residua di un componente esercito in regime di scorrimento viscoso (creep), anche in assenza di informazioni sull esercizio sostenuto, attraverso l esecuzione di prove di creep sul materiale esercito, che possono essere di durata particolarmente contenuta rispetto all approccio tradizionale. APPROCCIO TEORICO APPROCCIO SPERIMENTALE 4

5 Quando: si hanno scarse informazioni sulla storia di esercizio non è problematico reperire materiale prelevato dall esercizio da sottoporre a prova l applicazione del Metodo Omega risulta particolarmente efficace e affidabile nella previsione della vita residua, rispetto all approccio classico. 5

6 La formulazione classica del fenomeno di creep La formulazione classica del fenomeno individua tre fasi nell evoluzione della deformazione viscosa nel tempo: creep primario : la velocità di incremento della deformazione ( creep strain rate ) è decrescente nel tempo; creep secondario (prevalente, nella durata, rispetto alle altre due fasi): la velocità di incremento della deformazione è costante nel tempo; creep terziario : la velocità di incremento della deformazione aumenta nel tempo fino alla rottura. ε c ε el Creep primario Creep secondario ε c Creep terziario t 6

7 Descrizione del modello proposto dal Metodo Omega Il Metodo Omega è basato su presupposti in parte contrastanti con la formulazione classica : al termine di un periodo iniziale (in cui la velocità di incremento della deformazione è decrescente) l approccio prevede, anziché una fase di creep secondario, un incremento continuo della velocità di deformazione secondo la relazione seguente: in cui e Ω sono correlate alla tensione agente ed alla temperatura, ε c rappresenta la deformazione accumulata per scorrimento viscoso tra l istante iniziale e l istante considerato. 7

8 Descrizione del modello proposto dal Metodo Omega Per e Ω la relazione con tensione agente σ e temperatura di esercizio T può essere definita mediante una rappresentazione parametrica polinomiale simile all approccio tradizionale di Larson Miller: I coefficienti A k e B k sono indicati, per i materiali più comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali, dalla norma API 579-1/ASME FFS-1 (Appendix F). Tali valori sono indipendenti dall istante t considerato, ad eccezione del coefficiente A o (t) per cui la norma definisce solo il valore corrispondente all istante t=0 (materiale non esposto all esercizio). 8

9 Descrizione del modello proposto dal Metodo Omega La rottura si manifesta quando la velocità di deformazione è illimitata: di conseguenza, il tempo di rottura t R è dato dalla relazione Se il componente ha subito un periodo t di esercizio, la vita residua teorica t R - t è definita dall equazione in cui rappresenta il valore, dopo il periodo di esercizio t, della velocità di deformazione. La frazione di vita consumata può essere espressa dalla relazione: 9

10 Approccio teorico L applicazione del Metodo Omega per via teorica è concettualmente analoga alla procedura tradizionale (es: Larson Miller) anche se i risultati ottenuti possono manifestare significative differenze soprattutto per stati di tensione modesti ed elevate temperature. Approccio sperimentale In generale è opportuno condurre un programma di prove misto : Prove a rottura alcune prove vengono portate a rottura (con tempi a rottura dell ordine delle ore) per consentire la determinazione del valore di Ω e di conseguenza il confronto con i dati di letteratura. Prove interrotte il secondo set di prove consiste invece in prove interrotte, di durata < 1000 ore, condotte a temperature e tensioni dello stesso ordine di grandezza di quelle che caratterizzano l esercizio; esse sono finalizzate alla stima del valore corrente della velocità di incremento della deformazione, e possono essere interrotte non appena rilevata la velocità di incremento della deformazione. 10

11 Determinazione di Omega Il valore di Ω può essere ottenuto rapidamente da una prova di scorrimento viscoso in cui sia rilevata la deformazione, attraverso l interpolazione lineare delle coppie di valori (ln,ε c ), secondo la relazione seguente: E E E E y = x ln ε& ε 11

12 Determinazione della velocità di incremento della deformazione Il valore di viene ricavato dal diagramma deformazione-tempo di prove effettuate a temperature e tensioni quanto più possibile prossime ai valori di esercizio. La prova può essere interrotta non appena rilevata la velocità di deformazione dopo il periodo primario. 12

13 Esempio applicativo Forno riscaldo idrocarburi esercito per circa ore. Materiale: ASTM A335 P5 Temperatura di progetto: 621 C Pressione di esercizio: 13 kg/cm 2 Temperatura di esercizio: variabile da 490 a 600 C nel corso dell esercizio Tubi D e mm, s nom 7.11 mm Spessore minimo misurato: 6.0 mm Tensione di esercizio: σ = 18.9 MPa Tensione di calcolo: σ/( ) = 26.2 MPa Provini longitudinali Provini trasversali 13

14 Sono stati ricavati 5 provini in direzione longitudinale al tubo, sul lato del tubo esposto alla fiamma dei bruciatori, per esaminare cautelativamente il materiale più degradato. Per verificare l uniformità del comportamento del materiale nelle due direzioni (longitudinale e circonferenziale) sono stati ricavati 2 provini aggiuntivi in direzione trasversale all asse del tubo, saldando le estremità filettate attraverso il processo di saldatura LASER in dotazione al reparto Processi Speciali di Saldatura dell Istituto Italiano Saldatura. 14

15 Programma di prove Sui provini longitudinali sono state condotte 5 prove a due livelli di temperatura (600 e 625 C) e a tensioni prossime a quella di esercizio. I 2 provini trasversali sono stati sottoposti, per confronto, a due delle condizioni di prova applicate ai provini longitudinali. Non è stato considerato necessario prevedere prove a rottura per la determinazione di Ω, tenuto conto del tipo materiale in esame (P5), di diffusa applicazione, e delle precedenti sperimentazioni di IIS che hanno sempre riscontrato un buon accordo tra i valori di Ω determinati dalle prove e i valori medi indicati dalla API 579. Sono stati quindi assunti i valori di Ω proposti dalla API 579 per le condizioni di tensione e temperatura di esercizio dei componenti in esame. 15

16 Risultati delle prove Come già indicato in letteratura, i risultati delle prove sono sostanzialmente indipendenti dalla direzione di prelievo del provino. La differenza di comportamento tra direzione longitudinale e trasversale inizialmente osservata è addebitabile alla geometria del provino. Ciò è stato confermato da ulteriori prove condotte su provini longitudinali a tratto utile ridotto Provino longitudinale Provino longitudinale ridotto Provino trasversale ridotto 16

17 Risultati delle prove Dal diagramma che correla tensione agente e PLM SR si evince come il modello proposto dall Omega Method si presti ad interpretare i risultati delle prove. Tutti i valori di PLM SR ottenuti sperimentalmente si collocano infatti sulla curva ottenuta dall API 579 per il materiale in esame, purché venga utilizzato un opportuno valore di A o (t). 17

18 Una volta determinata, a partire dai dati sperimentali, la costante di correlazione A o (t) per il materiale esercito, è possibile valutare il valore di nelle condizioni di esercizio del componente, attraverso l espressione: mentre il valore di Ω viene valutato dalla relazione: adottando i coefficienti B 0 -B 4, definiti dalla normativa API 579 per l'acciaio ASTM A335 P5. La vita residua è quindi fornita dalla relazione: 18

19 Risultati della valutazione di vita residua Metodo Omega approccio sperimentale Condizioni previste per il futuro esercizio 19

20 Risultati della valutazione di vita residua Metodo tradizionale Circolare ISPESL N 48/2003 Condizioni previste per il futuro esercizio Diagramma bilogaritmico tensione tempo ASTM A335 P5 - T = 590 C Nella valutazione tradizionale secondo Circ. ISPESL, il tempo teorico di rottura è stato calcolato adottando il Metodo 1 previsto dalla Sezione 2 delle Linee Guida della Circolare ISPESL, costruendo per il materiale in esame (ASTM A335 P5) la "Master Curve". I valori delle caratteristiche meccaniche tempo dipendenti sono stati ricavati dal codice ASME II Part D Ed Addenda

21 Riepilogo risultati valutazione vita residua Metodo Omega approccio sperimentale: Metodo tradizionale Circolare Ispesl N 48/2003: V.R. = ore V.R. = ore 1000 ASME II D API σr,100000(avg) (MPa) T( C) 21

22 Conclusioni Rispetto alla valutazione basata sul parametro di Larson - Miller, la teoria formulata nel Progetto Omega presenta vantaggi significativi: la metodologia, basata sull esecuzione di prove di creep su campioni eserciti, può costituire un opzione di indubbio interesse per apparecchiature, come i forni in esercizio in impianti petrolchimici, che consentono con relativa facilità il prelievo di campioni e sono sollecitati da condizioni approssimativamente uniformi di temperatura e tensioni. Rispetto all approccio tradizionale il Metodo Omega consente in questi casi, per la sua formulazione, una stima in generale meno cautelativa della vita residua dei componenti. Le prove di creep necessarie, in particolare, richiedono tempi relativamente contenuti senza che, tuttavia, venga compromessa l affidabilità della valutazione. 22