Co přináší americké normy API 579 a ASME FFS-1 pro provoz tlakových zařízení?

Uvedená označení norem se vlastně vztahují na jednu a tutéž normu, která byla odsouhlasena jak americkým petrolejářským institutem (API), tak americkou společností strojních inženýrů (ASME). Tato norma má název „Fitness for service“, což je americký výraz pro výpočet maximálních vad, které ještě vyhovují v provozu tlakových zařízení. Jde tedy o normu API 579 / ASME FFS-1 Fitness-For-Service, 3. vydání, 2016. Dále v textu bude pro přehlednost používán jednoduchý název: Norma. Tento článek nemá za úkol tuto normu propagovat, jeho cílem je však s ní seznámit technickou veřejnost a popřípadě ji i komentovat.

Ing. Václav Pekař, CSc.
člen vědecké rady APTI, z.s.

Základní úrovně hodnocení

Tedy ještě jednou: Co je fitness for service? Toto sousloví chce dát odpověď na otázky:

1. Je pokračování provozu tlakového zařízení bezpečné?
2. Jak dlouho ještě můžeme zařízení provozovat?
3. Můžeme udržet provoz zařízení do další plánované odstávky?

Tato norma tedy především vady na tlakovém zařízení hodnotí a tři úrovně hodnocení vad:

• Úroveň (level) 1: Nejrychlejší, nejjednodušší a nejlacinější hodnotící úroveň. Provádí se především vizuálně, mohou se využít jednoduchá měření vad, které se mohou zpracovat tabulkově či graficky. Vyhodnocení se provádí na základě zkušenosti anebo porovnáním s dovolenými hodnotami danými normami, směrnicemi či vnitřními předpisy. Inspekce je obvykle prováděna techniky provozovatele
• Úroveň (level) 2: Komplikovanější, časově náročnější a dražší než úroveň 1. Typicky požadující řešení algebraických rovnic či vzorců, které mohou být řešeny pomocí tabulkového procesoru. Provádí přesnější měření vad (provádí se hustší měření pomocí rastrů či mřížek). Inspekce je prováděná techniky provozovatele anebo příslušnými specialisty.
• Úroveň (level) 3: Nejkomplexnější hodnocení, požaduje odpovídající technické znalosti a dovednosti umožňující jejich využití. Detailně se měří poškozený profil a zatížení tlakového zařízení. Využívají se číslicové metody jako metoda analýzy konečnými prvky FEA nebo i jiné specializované programy, například z lomové mechaniky či creepu. Inspekce je prováděná inženýry specialisty s hlubokými technickými znalostmi.

Hodnocení FFS by mělo začít úrovní 1. Jestliže je neúspěšná, měla by se použít úroveň 2 . Jestliže je neúspěšná i ta, měla by se použít úroveň 3. Ale v praxi, nebývá uvedené pořadí dodržováno. Důvody, proč hodnocení začíná na úrovních vyšších, mohou být např.: Ztráta času a peněz. Je minimální šance, že by byla inspekce nižší úrovně vyhovující. Nižší úroveň není aplikovatelná, jestliže geometrie v blízkosti defektu je velmi komplikovaná a nelze ji jednoduše zhodnotit.

Intergita zařízení a zbytková životnost

V mnoha případech FFS se můžeme ptát: Jaký je současný stav integrity zařízení? Jaká je zbytková životnost? To není to samé. V nejjednodušším případě uvažujme o korozi. Jestliže koroze zmenšila tloušťku stěny na polovinu korozní přirážky jen místně, můžeme provést výpočet a rozhodnout jestli uvedený úbytek materiálu je bezpečný. To nám ale nic nevypovídá o zbytkové bezpečnosti. K výpočtu zbytkové životnosti musíme nejprve vypočítat minimální tloušťku stěny v kontrolovaném místě s lokálním úbytkem a z toho se dá vypočítat zbytková životnost. Uvedené normy řeší obě otázky.

Důležitost mechanismu poškození

Mechanismus požkození je obvykle přírůstkový, zvěčující se a neuzavřitelný (neukončitelný). Důležitá je identifikace poškozovacího mechanismu. Uvedená charakteristika mechanismu poškození se netýká vzpěru potrubí jako celku a stability stěny potrubí. I křehký lom se z ní částečně vymyká. Tyto normy jsou uspořádány podle poškozovacích mechanismů. Norma se zabývá těmito poškozovacími mechanismy:

• Křehký lom
• Plošný úbytek kovu
• Místní úbytek kovu
• Důlek (důlková koroze)
• Vodíkové boule, bublinky, vodíkové praskání
• Vychýleniny svaru/ narušení tvaru skořepiny
• Trhliny
• Creep
• Poškození ohněm/ požárem
• Vrypy a rýhy
• Vrstvení (např. zaválcované pleny)
• Únava

Každá kapitola je strukturovaná na sekce jako „Aplikovatelnost a omezení“, „Požadované údaje“, „Hodnotící techniky“, „ Hodnocení zbytkové životnosti“ atd. Dále normy uvádějí k jednotlivým poškozovacím mechanismům charakteristiky hodnocení týkající se jejich jednotlivých úrovní a postupů hodnocení.

Akceptované postupy hodnocení

Uvedená norma akceptuje tyto kriteria hodnocení:

Remaining strength factor (RSF) jinak součinitel zbytkové pevnosti

Součinitel zbytkové pevnosti je poměr:

RSF= L_DC/L_UD

kde
L_DC je mezní zatížení (zatížení způsobující kolaps) poškozeného komponentu
L_UC je mezní zatížení (zatížení způsobující kolaps) nepoškozeného komponentu.

Například: Korozí nenapadnutá trubka unese 100 bar g a ta samá ale zkorodovaná trubka unese 80 bar g, potom RSF=0,8. Norma doporučuje používat maximální dovolenoou hodnotu součinitele 0,9. Toto hodnocení se používá u

• Plošný úbytek kovu
• Místní úbytek kovu
• Důlek (důlková koroze)
• Vodíkové boule, bublinky, vodíkové praskání
• Vychýleniny svaru/ narušení tvaru skořepiny
• Vrypy a rýhy

Toto hodnocení se používá pro druhou úroveň hodnocení. Příklad použití pro plošný úbytek kovu:

Úroveň 1: Získává se průměrná hodnota tloušťky stěny potrubí. Ve všeobecnosti hodnocení projde, jestliže průměrná tloušťka stěny v čase inspekce (t_avg) je větší než minimální požadovaná tloušťka stěny v návrhu (projektu) (t_min)

t_avg ≥ t_min(design)

Úroveň 2: Používá se ta samá podmínka jako v úrovni 1 a dále se započítá koeficient „RSF“, který snižuje požadovanou minimální tloušťku stěny. Takže platí

t_avg ≥ RSF.t_min(design)

Využití Failure assessment diagram (FAD) nebo jinak diagram hodnocení poruch

U vysoce pevných a křehkých materiálů je plastická zóna malá a relativně nevýznamná. Opak je však pravdou u tvárnějších nízkouhlíkových ocelí, běžně užívaných na tlakových zařízeních včetně potrubí. S tvárnějšími materiály lze zacházet pomocí takzvané elasticko-plastické lomové mechaniky (např. výpočet J-integrálu), což je komplikované a pro praxi nevhodné. Proto se prosazuje FAD diagram. K výpočtu vlivu plasticity na lom používá FAD diagram parametr lomu (K_r) a parametr bezpečnosti (L^P_r). Viz obr. Dále:

Parametr lomu (K_r) a parametr bezpečnosti (L^P_r) jsou oba poměry ke své limitní hodnotě. To je:

Kde:   
K_I – je vypočtená faktor intenzity napětí v materiálu z primárního i sekundárního napětí.
K_Ic – je faktor intenzity kritického napětí (tj. lomová houževnatost)
σ^P – je vypočtené referenční napětí v materiálu v důsledku primárních napětí
σ_y – je mez kluzu

Vzorce pro řešení intenzity napětí a řešení referenčních napětí pro řadu různých geometrií jsou uvedeny v normě Přílohy 9B a 9C. Jakmile vypočítáte K_r a L^P _r pro vaši konkrétní trhlinu, můžete tento bod vykreslit.

Diagram má různé mezní hodnoty pro různé materiály. Jedná se o silné svislé čárkované čáry na pravém konci křivky. U typických ocelí vykazujících mez kluzu je mezní hodnota 1,0,  zatímco u nerezavějící oceli je mezní hodnota 1,8.

Do výpočtu K_r jsou zahrnuta primární i sekundární napětí zatímco do výpočtu L_r  jsou zahrnuta pouze napětí primární. Hodnoty na vodorovné ose L_R se vypočtou vydělením napětí napětím na mezi kluzu. Porucha je ohraničena plastickým kolapsem. Použité napětí je tak jen napětí primární. Zdrojem selhání při tlakovém přetížení tlakového zařízení jsou primární napětí. 

Hodnoty na svislé ose K_R se vypočítají vydělením intenzity napětí špičky trhliny kritickou intenzitou napětí (tj. lomovou houževnatostí). Tato osa označuje, kde se materiál nachází s ohledem na selhání lomem. Na rozdíl od plastického kolapsu je lom ovlivněn primárním i sekundárním napětím.

Toto hodnocení se používá u vad:

• trhliny
• důlek (důlková koroze), je-li to vhodné tvarem důlku
• vodíkové praskání
• vrypy a rýhy

Toto hodnocení se používá pro druhou úroveň hodnocení a v některých případech i pro třetí úroveň.

Ostatní možná kriteria hodnocení:

Křehký lom. Možno použít ASME UCS křivky Zjistí minimální dovolenou teplotu z příspěvku pro hladiny napětí pod napětím návrhu.

Creep. Možno použít výpočtové modely creepu např. Omega model, který je popsán v API 579. Ale jsou povoleny i jiné odpovídající modely.

Únava. Možno použít různé výpočtové modely únavy

Vodíkové boule, bublinky, vodíkové praskání. K nim přistupujeme u boulí jako k důlkům a u praskání jako k trhlinám. Zahrnuje: vodíkové boule, vodíkové praskání, napěťově orientované vodíkové praskání. Z tohoto hodnocení jsou vyloučeny: vysokoteplotní vodíkové napadení, sulfidové napěťové praskání a vodíková křehkost.

Poškození ohněm/požárem. Extrémní teploty porušují jak vlastnosti materiálů používaných na tlaková zařízení, tak jejich tvar. Vyhodnotíme rozměry tlakových zařízení a určíme rozsah změn od napadení teplotou. Dále metalurgickým rozborem určíme změny ve struktuře kovů.

Závěr

Jak jste si jistě všimli, tato norma se zatím nezabývá vibracemi a s tím souvisící vysokocyklovou únavou. A dále vynechala vysokoteplotní vodíkové napadení a vodíkovou křehkost. Můžeme se však oprávněně domnívat, že v dalším vydání této normy budou kapitoly, týkající se těchto jevů, doplněny.

Dále jde o poměrně překvapivé zjištění, že norma neobsahuje hodnocení kulatého anebo oválného důlku ve stěně pomocí jednoduchého pevnostního výpočtu, podobně jako je to v naší TPG 700 02 Stanovení technického stavu nízkotlakých a středotlakých plynovodních sítí z oceli. Diagnostické metody či také ČSN 69 0010-4.12 .

Naopak se zdá, že v případě používání této normy v kontextu evropských norem pro návrh a výrobu tlakových zařízení, je zde zbytečná kapitola o křehkém lomu, jako takovém, protože opatření proti rozvoji křehkého lomu u kovů již jsou v uvedených evropských normách zapracovány a hodnocení iniciačních vad křehkého lomu vzniklých při provozu obsahuje tato norma v jiných kapitolách.

Výše uvedené zkrácené seznámení s normou nám tak dává podklady pro budoucí rozhodnutí, zda stojí za to se s touto normou seznámit podrobně a dále s ní například pracovat jako jedním z pramenů při tvorbě našich ČSN týkajících se technických revizí tlakových zařízení.