www.RizikaaRevizeTlakZ.cz

Často se zdůrazňuje, že většina TNS je provozovaná v oblasti únavy. Avšak Příloha B ČSN 690012 dává reviznímu technikovi jen velmi velmi malé vysvětlení, jak s touto přílohou pracovat, Např. neví, jestli TNS je vůbec provozovaná v oblasti únavy, neboť požadavky na sledování TNS v oblasti únavy nejsou v žádném příslušném právním předpisu. Takže nezná ani dovolený počet cyklů, nezná ani počet "odpracovaných" cyklů.
              Pojem "maximální přípustný tlak" není v ČSN 690012 definován, takže ani není zřejmé, že to není to samé jako maximální dovolený tlak. (Tímto pojmem se zabývají totiž další odstavce v příloze). atd., atd. V uvedené příloze jsou uvedené jevy popsány jen zběžně a běžný revizní technik se z těchto vět v uvedené problematice špatně orientuje. Dále by bylo dobré únavu rozlišit na vysokocyklovou a nízkocyklovou, neboť přístup k řešení problémů v těchto oblastech je různý. Takže kladu otázku, co s tím? 

Únava všeobecně

Únava materiálu je pomalu postupující a kumulující se poškození materiálu, které vzniká opakovaným zatěžováním a z toho plynoucími plastickými deformacemi v místech koncentrace napětí. Proces může vést až k únavovému lomu. Únava materiálu souvisí nejen s jeho vlastnostmi, ale i se stavem jeho povrchu (drsnost, vruby, povrchové koroze atd.).

Mezi vlivy, které působí na únavovou únosnost, počítáme podle norem:

1. rozkmit napětí, 2.σ_a

2. koncentrace napětí vyvolaná hlavně vrubovými účinky, které souvisí s konstrukčními detaily, tj. třída svarů a napěťový součinitel η

3. počet cyklů N

4. tloušťka stěny potrubí, součinitel tloušťky stěny F_d

5. pracovní teplota, součinitel vlivu teploty F_t

V ČSN EN 13 445-3 je uvedena únavová křivka (v normě ČSN 690012 je nazvána Wöhlerova) a má tvar takovýto:

Obr.  Únavové křivky. Horní křivka je pro základní materiál a tři dolní jsou pro různé třídy svarů 

Obě stupnice jsou logaritmické. Na vodorovné ose je uveden počet cyklů. Na svislé je to velikost rozkmitu napětí, při kterém vzniká lom. Je však několik etap než se únavový lom rozvine viz obrázek dále.

Obr. Etapy rozvinutí únavového domu

Příklad zatřídění svarů je na obrázku dále:

Obr.  Příklad zatřídění svarů 

Nízkocyklová únava

Charakteristiky nízkocyklové (vysokonapěťové) únavy:

-  charakterizované vysokým zatížením a malým počtem cyklů do poruchy.

-  jde o špičková zatížení o velikosti, které může způsobovat plasticitu.

-  většina tlakového zařízení je namáhána nízkocyklovou únavou.

Je proto důležité vědět, kdy se nemusí brát na nízkocyklovou únavu zřetel.

1. V harmonizovaných normách, mezi nejznámější patří ČSN EN 12952 Vodotrubné kotle a pomocná zařízení, ČSN EN 13445 Netopené tlakové nádoby a ČSN EN 13480 Kovová průmyslová tlaková sestava, je uvedena nutnost výpočtu pro cyklické namáhání, tj. výpočet únavové únosnosti pro větší počet cyklů než je 500 eventuálně 1000. V těchto harmonizovaných normách je uvedeno, že se výpočet do tohoto počtu cyklů nemusí provádět. Způsob zjišťování počtu cyklů je uveden dále.
2. V ČSN 690012 Tlakové nádoby stabilní – Provozní pravidla, Příloha B TNS provozované v oblasti únavy anebo tečení udává v odstavci 1., které cykly je možné zanedbat, tj. především rozkmit tlaku při běžném provozu, při opakujících se tlakových zkouškách, od zabráněné tepelníé dilatace, od účinků upevnění TNS, přslušenství a potrubí. Dále je zde uvedeno, že je možné zanedbat cykly, jejichž rozkmit tlaku (a tím i napětí) nepřekročí v normě dané procento přípustného tlaku. Toto procento je tam udáno pro normy ČSN EN 13445-3, ČSN 690010 a AD 2000.

Zjišťování počtu cyklů. Základní cyklus počítáme od sjetí až k novému nájezdu tlakového zařízení, tj od beztlakového stavu ke stavu s nejvyšším pracovním tlakem. Toto se nazývá počet základních cyklů.

Obr. Základní cyklus a vložené cykly, znázornění napětí

Jestliže v této fázi projektu známe i některé vložené cykly, to jsou cykly s častým výskytem, měli bychom je započítat. Vložené cykly jsou způsobeny pravidelným poklesem provozních hodnot způsobené technologií a tlakové zkoušky., jak je ukázáno na obrázku dole. Po započítání vložených cyklů získáme ekvivalentní počet cyklů. Vzorce pro jejich započítání jsou v uvedených harmonizovaných normách.

Obr. Základní cyklus a vložené cykly, znázornění počtu cyklů

Po výpočtu ekvivalentního počtu cyklů, je porovnáme s maximálním dovoleným počtem cyklů, odvozením z únavové křivky. Jako další krok provedeme porovnání s počtem cyklů vypočítanými ze stanovené životnosti.

Zjišťováním počtu cyklů a rozkmitem napětí se zabývá výpočet únavy při projektování tlakového zařízení počet cyklů, na který jevy počítána únavová únosnost nebo životnost, která tomuto počtu cyklů odpovídá. Počet základních cyklů, počet ekvivalentních cyklů anebo životnost zařízení z těchto cyklů vypočítaná, by měla být uvedena v dokumentaci. Je proto důležité vědět, kdy se musí či nemusí brát na nízkocyklovou únavu zřetel.

Hrubá orientace pro revizního technika v případě, že nemá žádné informace o počtu cyklů.

Příklad 1: Jestliže jde o tlakovou sestavu, která je celý rok v provozu a nájezd je jednou ročně (např.: chemická nepřetržitá, elektrárny), kdy je naplánovaná údržba. Z toho plyne, že hlavní cyklus se též odehraje jednou ročně. V článku 1 uvedené přílohy B je informace, že lze zanedbat kromě jiného cykly z opakujících se tlakových zkoušek a kolísání tlaku při běžném provozu. Z toho je zřejmé, že za dobu životnosti není překročen limit 500 cyklů a vliv únavy je podle norem výše uvedených zanedbán.

Příklad 2: Zde jde o nádobu, která je součástí rozvodu tlakového vzduchu. Normou je dáno, jak má tlak tlakového rozvodu kolísat. Toto kolísání tlaku hlídá automatika, která kompresor v dolní úrovni tlaku sepne a rozepne v dolní úrovni. Základní cyklus je tedy roven počtu základního natlakování celé tlakové sestavy, což by mělo být zapsáno např. v provozním deníku. Není to často, může to být např. měsíčně, ročně. Vložený cyklus je roven rozkmitu napětí, který odpovídá popsanému kolísání tlaku. Nemusí to být velká hodnota a může být menší než 15 % přípustného napětí pro uhlíkaté oceli a pro nádobu navrženou podle ČSN 690010. Jinak řečeno s velkou pravděpodobností bude tento rozkmit v oblasti pod mezí únavy. Reviznímu technikovi může v tomto případě napovědět poměr maximálního dovoleného tlaku jako základu a kolísání tlaku vyjádřená v procentech základu.

Příklad 3: Zde jde například o různé vyvíječe páry, autoklávy a vysoušeče, které se mohou zapínat v případě potřeby výkonu funkce, třeba několikrát za den. V případě, že nelze získat napětí od maximálního rozkmitu komponent a ověřit si, že je pod mezí únavy, nezbývá než si vyžádat od výrobce maximální počet cyklů a v provozu zapisovat každé spuštění. Vtakovémto případě totiž tlaková nádoba absorbuje za životnost 20 let cca 7000 cyklů. V jiném případě může být v nějakém dokumentu uvedena životnost. To je jednodušší případ, protože výrobce v tom případě přepočet na cykly provedl sám

Jak se dají zjistit trhliny? Jestliže se blížíme konce životnosti, je nutné zvýšit četnost kontrol Trhliny vznikají v místech vysokého rozkmitu napětí a špiček napětí, tj nejčastěji v místech vrubů, tj svarů a tepelně ovlivněných částí základního matertiálu, změn rozměrů tlakové nádoby, přivaření hrdel i v případě použití límce. Při blížícím se počtu navržených cyklů či životnosti. Trhliny se na povrchu dají zjistit povrchovými metodami PT či MT. Anebo i prostorovými metodami UT a RT. A to mejdůležitější, jestli je trhlina ve fázi růstu se dá zjistit akustickou emisí.

Jak si počínat při zjištění závad? Lomová mechanika nás učí, že ne všechny trhliny se dál šíří. O jaký lom jde a jak dlouho bude provozovatel ještě moci tlakovou nádobu používat, aniž by se stala pohroma, může určit jen specialista v tomto oboru. Proto by měl revizní technik před vyřazením nádoby seznámit provozovatele s těmito možnostmi.

Jak odstranit závadu? Odstranění závady znamená rekonstrukci tlakové nádoby včetně výpočtu na únavu. Rekonstrukce má za cíl snížit napětí v problémovém místě včetně snížení koncentrátoru napětí.

Vysokocyklová únava:

Charakteristika vysokocyklové únavy:

-  charakterizované vysokým počtem cyklů s relativně nízkým napětí úrovně a deformace je v elastické oblasti.

-  tento typ únavy výsledky z cyklů v oblasti pružné.

-  úroveň napětí může být v takové výši, že životnost potrubí je nekonečná, tj. na vodorovné části únavové křivky

Protože se v provozu mění tuhost i hmotnost potrubí, může v případě existence budícího zdroje, potrubí začít kmitat. Tyto vibrace mohou způsobovat vysokocyklovou únavu nejen v potrubí, ale i na hrdle tlakové nádoby či kotle. Pro tyto naše praktické účely je nejdůležitější oblast nižších napětí a vyššího počtu cyklů. Je zde charakteristické, že k porušení postačuje relativně nízká úroveň napětí, ale potřebný počet cyklů zatížení je řádově 10⁶ a větší. Vysokocyklová únava je způsobena kmitáním vyvolané buzeními, s kterými se nedokážeme vyrovnat jiným způsobem, musí být proto výpočtem zkontrolováno, zda není překročena mez vysokocyklové únavy.

Největší koncentrace napětí je ve svaru nátrubku hrdla a pláště tlakové nádoby. Zde se pak může rozvinout trhlina, která může způsobit pohromu.  Místo, kde se nejčastěji poruší tlaková nádoba kmitáním potrubí je na obrázku.

 Obr. Příklad místa vzniku únavového lomu

Tyto vibrace vznikají rezonancí potrubí, kde na budící straně jsou uvedená budící kmitání a na straně druhé jsou vlastní frekvence potrubí.

Nejvíce namáhaným místem je tak svar hrdla na plášť tlakové nádoby. Ošetření možnosti porušení tlaková sestava vibracemi ve fázi návrhu spočívá v provedení dynamickéno výpočtu. Porovnávají se vlastní frekvence tlaková sestava s frekvencemi budícími, a jestliže nelze provést opatření, aby se vibrace utlumila nebo přeladila, je nutné provést výpočet na vysokocyklovou únavu, zda nenastane překročení únosnosti vysokocyklové únavy. Vibracemi způsobené napětí by se tak mělo pohybovat v oblasti pod mezí únavy.

Jak si počínat při zjištění závad, tj. vibrací potrubí. Obrana proti uvedenému je zamezení kmitání potrubí specializovanou firmou. Alternativa je ponechání kmitání v případě, že rozkmit napětí napřekročí mez únavy a je záruka, že se nebude zvětšovat amplituda kmitání. Dále je potřeba vhodnou NDT zjistit, zda již nevznikla nějaká trhlina.

Tečení (creep)

Na čem creep závisí? Creep (tečení) je termín, který popisuje pomalý růst deformace pevného materiálu, vznikající pod konstantním zatížením. To nastává následkem dlouhého vystavení napětí, které jsou pod mezí kluzu nebo mezí pevnosti materiálu. U ocelí creep podle norem existuje jen od určité teploty. Creep vzniká při zatížení vnitřním tlakem, vlastní hmotností a klimatickými zatáženími. Creep nevzniká při vzniku napětí od zabráněné tepelné roztažnosti.

Obr. Graf creepu

Pro určení postupu materiálové degradace creepem si zde představíme jednu z nejjednodušších metod aplikovatelnou pro provoz. Je nutné se vrátit ke stanovené životnosti a vypočítat, kolik provozních hodin je výpočtem plánováno. Uvedený počet hodin anebo životnost by měla být uvedena v dokumentaci tlakové nádoby.

Creepová deformace je funkce druhu materiálu, doby expozice, teploty a dovoleného napětí. V závislosti na velikosti napětí a jeho trvání, se deformace může stát tak velkou, že díl konstrukce již nemůže vykonávat svou funkci. Creepová deformace se u ocelí rozvíjí až od určité teploty. Je zde tedy závislost na počtu provozních hodin při určité teplotě.

Tabulka některých ocelí s uvedením teploty, od které je třeba uvažovat o creepu

V materiálových normách (či též někdy materiálových listech) jsou obvykle udávány referenční hodnoty meze tečení pro 1% plastického creepového prodloužení pro 100 000hod. provozu a to pro určenou provozní teplotu. Napětí je udáváno pro celou řadu propvozních hodin od 10 000 po 250 000 hodin. Toto mezní napětí se dále vydělí koeficientem bezpečnosti SF_cr a dostáváme napětí dovolené, s kterým ve výpočtu zacházíme tak, jakoby to bylo jakékoli jiné dovolené napětí.

Z uvedeného faktu a z doby expozice a z předpokladu, že jsou využity referenční meze tečení, můžeme vypočítat dovolené creepové prodloužení, které můžeme monitorovat. Proto právě toto creepové prodloužení monitorujeme.

Toto monitorování se nejjednodušeji realizuje jako opakované měření délky určeného úseku, můžeme-li deformaci charakterizovat jako volnou. K tomuto účelu se určuje úsek potrubí, který je v době měření bez izolace.

Vhodným zařízením se může provádět monitorování creepového prodloužení i kontinuálně. Též je možné připomenout, že v případě takovéhoto monitorování, je možné při výpočtu creepu, použít nižší bezpečnostní koeficient.

V případě, že jsou využity referenční hodnoty napětí a v případě, že se provozní teplota a tlak mění cyklicky v souladu s cykly definovanými pro únavu, můžeme pro jeden cyklus změřit volnou creepovou deformaci a přepočítat ji na procenta délky a v případě, že předpokládáme lineární změnu creepové deformace v čase, a to že se cyklus tlaků a teplot bude opakovat, můžeme určit creepovou deformace jednoho cyklu a tím i počet cyklů zbývajících. Z teorie creepu víme, že můžeme předpokládat lineární změnu creepové deformace

Ošetření možnosti překročení dovolené creepové deformace ve výpočtu spočívá v určení počtu provozních hodin a teploty za stanovenou životnost a na dalším výpočtu. U životnosti tlakové sestavy omezené creepem, je nutné určit předpokládaný počet provozních hodin pro tuto životnost při předpokládané teplotě. Toto by mělo být součástí pevnostního výpočtu tlakové nádoby. Dalším omezením je deformace, která by neměla překročit 1% pro 100000 hodin provozu.

Jak se dají zjistit závady? Jestliže se blížíme konce životnosti, je nutné zvýšit četnost kontrol. Nesmí být též překročena povolená creepová deformace. Creepové trhliny vznikají až po překročení povolené životnosti anebo dovolené creepové deformace.

Jak si počínat při zjištění závad? Specialista určí, zda je možné s provozem pokračovat, až do plánované odstávky. Jinak je nutné zařízení odstavit.

Příloha B jako součást analýzy rizik

Podle definic z normy ČSN EN ISO 31000 (010351) Management rizik – Směrnice je únava a tečení u tlakových nádob určeny jako nebezpečí nikoli riziko. Riziko je pravděpodobná velikost škod, ztrát a újmy na chráněných zájmech (např. lidské životy, životní prostředí apod.), které v daném místě vzniknou při výskytu pohromy. Riziko je tedy podmíněno výskytem nějakého nebezpečí a velikostí následků pohromy.

Samozřejmě existují i jiná nebezpečí způsobené tlakovou nádobou. Je to např. postup koroze či eroze, překročení tlaku či teploty nad maximálně dovolenou hodnotu atd. Ty však nejsou předmětem Přílohy B ČSN 690012.

Proto na minimalizaci rizik má taky vliv provozovatel. Je to např. minimalizace pohybu zaměstnanců v okolí, provoz a údržbu havarijní kanalizace, údržbu přístupových cest pro záchranné složky atd.

Podmínka existence rizika je tedy existence nebezpečí. Toto nebezpečí řídí tedy revizní technik.

Závěr.

Tento příspěvek má za úkol vysvětlit složitou problematiku únavy a tečení. Tato oblast je v nové ČSN 690012 Příloha B nedostatečné zpracována. Bylo by dobré, kdyby byl inspirací pro normotvůrce, pro které je zde jeden návrh, který by usnadnil práci revizním technikům, tj. rozdělit TNS do skupin podle důležitosti únavového namáhání. Kolegové zdvihadláři jistě potvrdí, že něco na ten způsob je u jeřábů, myslím zatřídění podle druhu provozu jeřábu a provozní skupiny, které se děje mimo jiné i podle předpokládaného počtu pracovních cyklů jeřábu.