Pressure Vessel ออกแบมาเพื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง แต่ต้องทำ Hydrotest ที่อุณหภูมิ Ambient สามารถทำได้อย่างไร???

Stress Ratio for Pressure Test;

เราทราบกันดีว่า New Pressure Vessel ก่อนที่จะนำไปใช้งานนั้นจำเป็นต้องทำ Hydrostatic Test ที่ความดัน (Test Pressure) ตามที่ ASME BPVC Section VIII, Div.1 กำหนด นั่นคือ ไม่น้อยกว่า 1.3 เท่าของ Maximum Allowable Working Pressure (MAWP) หรือ 1.5 เท่าของ MAWP สำหรับ Vessel ที่ออกแบบตาม ASME Code Edition ก่อนปี 1999 เพื่อทดสอบความแข็งแรงและตรวจสอบการรั่วของ Pressure Vessel

ปกติแล้วเราจะทำ Hydrotest กันที่อุณหภูมิบรรยากาศ (Ambient) แต่ Vessel บางตัวนั้นถูกออกแบบมาให้ใช้งานภายใต้ความดันที่อุณหภูมิสูง คำถามคือการทำ Hydrotest ที่อุณหภูมิ Ambient กับที่อุณหภูมิที่เราต้องการจะนำ Vessel ไปใช้งาน (Design Temperature) นั้นแตกต่างกันหรือไม่...

เริ่มจากมาดูกันว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นมีผลกับ Pressure Vessel อย่างไร?

วัสดุโดยทั่วไปรวมถึงเหล็กที่ใช้ทำ Vessel จะมีความแข็งแรงลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น นั่นหมายความว่าความดันที่อุณหภูมิสูงจะสร้างผลกระทบกับตัว Vessel มากกว่าที่อุณหภูมิต่ำ สรุปก็คือ เราทำ Hydrotest ที่อุณหภูมิ Ambient ซึ่ง Vessel มีความแข็งแรงมากกว่า ก็ต้องใช้ Test Pressure มากกว่า 1.3 เท่าของ MAWP

แล้ว ASME บอกว่าอย่างไร?

ASME ได้กำหนด Temperature Correction Factor หรือ Stress Ratio ขึ้นมาเพื่อชดเชยความแข็งแรงของ Vessel ที่ลดลงเมื่อต้องนำไปใช้ที่อุณหภูมิสูง โดย Stress Ratio สามารถคำนวณได้จากการนำความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิ Ambient (อุณหภูมิทดสอบ) มาหารด้วย ความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิ Design Temperature และ Stress Ratio นั้นจะต้องมีค่ามากกว่าเท่ากับ 1 เสมอ ซึ่งเมื่อนำไปคูณก็จะได้ Test Pressure มากกว่า 1.3 เท่าของ MAWP นั่นคือ ASME บังคับให้เรา Test ที่ความดันที่สูงขึ้น

ถึงตอนนี้ลองสังเกตกันดูนะครับว่า Hydro. Test Pressure สำหรับ High Temperature Service Pressure Vessel นั้นมักจะมีค่าสูงกว่า 1.3 เท่า (หรือ 1.5 เท่า) ของ MAWP เสมอ และสำหรับใครที่ต้องการคำนวณ Test Pressure เพื่อนำไปใช้งานก็อย่าลืมพิจารณา Stress Ratio กันด้วยนะครับ

by Mo Thanachai

Design Pressure vs. MAWP of ASME VIII Vessel;

Design  Pressure และ MAWP ของ Pressure Vessel แตกต่างกันอย่างไร ???

หลายคนคงเคยเห็นค่า “Design Pressure” และ “Maximum Allowable Working Pressure” หรือ MAWP ของ Pressure Vessel ใน Drawing, Strength Calculation Sheet หรือบน Nameplate และอาจสงสัยว่าทำไมค่าทั้งสองถึงไม่เท่ากัน

แล้ว “Design Pressure” และ “MAWP” แตกต่างกันอย่างไร เรามาดูความหมายและที่มาของแต่ละตัวกันก่อน

“Design Pressure” คือ ความดันสูงสุดที่ผู้ออกแบบกระบวนการผลิต (Process Designer) ประเมินว่ามีโอกาสเกิดขึ้นได้ ณ อุณหภูมิ Design Temperature

“MAWP” คือ ความดันสูงสุดที่ Pressure Vessel ลูกนั้นสามารถทนได้ ณ อุณหภูมิ Design Temperature ซึ่งคำนวณโดยใช้ความหนาของ Part ที่มีความแข็งแรงน้อยที่สุด ลบด้วย Corrosion Allowance

สรุปคือ Design Pressure เป็นความดันสูงสุดที่ Designer คาดว่าจะเกิดขึ้นได้ในกระบวนการผลิตและถูกนำมาใช้ในการออกแบบ Pressure Vessel ส่วน MAWP เป็นความดันจริงที่ Vessel ลูกนั้นสามารถทนได้ ดังนั้น MAWP จะต้องมากกว่าหรือเท่ากับ Design Pressure เสมอ

เมื่อเข้าใจกันแล้วก็อย่าสับสนในการใช้งานนะครับ โดยเฉพาะการทดสอบความดัน (Pressure Test) สำหรับ New Pressure Vessel ตาม ASME Section VIII, Div.1 เราใช้ MAWP ในการคำนวณนะครับ ไม่ใช่ Design Pressure

(อ่านเพิ่มเติมเรื่อง Hydrostatic Test ได้ใน https://monghaihen.blogspot.com/search?q=hydrostatic+Test+Vessel)

by Mo Thanachai

Bend Test Acceptance Criteria for Welding Procedure Qualification per ASME IX;

ในการทดสอบคุณสมบัติของขั้นตอนการเชื่อม หรือที่เรามักเรียกว่าการ Qualify Weld Procedure นั้นจะต้องมีการนำชิ้นงานเชื่อมไปทดสอบคุณสมบัติทางกล (Mechanical Properties) ด้วยเสมอ โดยวิธีการทดสอบตามมาตรฐาน  ASME BPVC Section IX หลักๆ จะใช้เป็น Tension Test ทดสอบความแข็งแรง (Strength) ของแนวเชื่อม, Bend Test เพื่อดูความสมบูรณ์ (soundness) ของแนวเชื่อม, และ Impact Test ดูความเหนียวหรือความแกร่ง (Toughness) ที่อุณหภูมิต่ำ (ติดลบ)

Bend Test คือการนำแนวเชื่อมมาดัดโค้ง แล้วดูว่าผิวด้านนอกของแนวเชื่อมตรงบริเวณที่ดัดโค้ง ซึ่งจะเป็นบริเวณที่รับแรงดึงระหว่างการดัดมีรอยแตกหรือ Defect จากกระบวนการเชื่อมเกิดขึ้นหรือไม่

ตาม ASME Section IX นั้นชิ้นงานทดสอบ Bend Test จะต้องไม่มี Open Defect ขนาดเกิน 3 mm. จึงจะถือว่าแนวเชื่อมนั้นสมบูรณ์และผ่าน Acceptance Criteria ยกเว้นในกรณีที่มีรอยแตกเกิดขึ้นที่ขอบของชิ้นงาน (Corner) ซึ่งเป็นบริเวณที่ได้รับ Stress สูง เนื่องจากมีการเปลี่ยนรูปร่าง (Discontinuity) จะไม่ถือว่าเป็น Defect ถ้าหากรอยแตกนั้นไม่ได้บ่งว่าเกิดจากปัญหาในงานเชื่อม เช่น lack of fusion หรือ slag inclusion

ในรูปเป็นตัวอย่างของชิ้นงาน Bend Test และการบันทึกผลใน Welding Procedure Qualification Record (PQR) ลองไปเปิด PQR ในงานที่ผ่านมากันดูครับ ว่ามีการบันทึกผล Bend Test ไว้ยังไงกันบ้าง

by Mo Thanachai

Vacuum Box Test  - API 650 Storage Tank Bottom Inspection (2);

ต่อจากครั้งที่แล้วที่พูดถึงหลักการตรวจสอบรอยรั่วที่แนวเชื่อมของ Tank Bottom ด้วย Vacuum Box Test วันนี้จะขอพูดถึงขั้นตอนและข้อกำหนดในการทำ Vacuum Box Test ตาม API 650 นะครับ

ใน API 650 ได้กำหนด Requirement สำหรับการทำ Vacuum Box Test ดังนี้ครับ

1) อุณหภูมิของผิวที่จะทำการทดสอบต้องอยู่ระหว่าง 4 – 52 องศาเซลเซียส เพื่อไม่ให้น้ำสบู่ระเหยหรือหนืดเกินไป

2) ชโลมน้ำสบู่ให้ทั่วพื้นที่ต้องการตรวจสอบ โดยน้ำสบู่ต้องเข้มข้นพอที่จะสามารถทำให้เกิด Bubble ได้ครับ

3) Vacuum pressure หรือ Negative pressure ที่ใช้ต้องอยู่ระหว่าง 21 – 35 kPa (0.21 – 0.35 bar)

4) ในการตรวจสอบให้วาง Vacuum Box ซ้อนทับ (Overlap)  กับครั้งก่อนหน้าเป็นระยะอย่างน้อย 50 mm (2 in.)

5) การตรวจสอบแต่ละจุดต้องค้าง (Hold) Vacuum pressure อย่างน้อย 5 วินาที

จะเห็นได้ว่าขั้นตอนเหล่านี้นั้นทำให้การตรวจสอบรอยรั่วของ Tank Bottom เป็นไปอย่างได้ผล (Effective) ดังนั้นในการทำ Vacuum Box Test ทุกครั้ง ก็อย่าลืมทำตาม Requirement ของ API กันนะครับ

by Mo Thanachai

Vacuum Box Test  - API 650 Storage Tank Bottom Inspection (1);

Vacuum Box Test เป็นวิธีการตรวจสอบรอยรั่ว (leak) ของพื้นถัง (Tank Bottom) โดยเฉพาะบริเวณรอยต่อหรือแนวเชื่อมระหว่าง Bottom plate และแนวเชื่อม Corner ระหว่าง Bottom กับ Shell (Shell –to-bottom welded joint) โดยวิธีการคือให้ชโลมพื้นผิวที่ต้องการทดสอบด้วย Soap solution จากนั้นใช้ Vacuum box ในการดูดอากาศ ซึ่งถ้าหาก Tank Bottom มีรอยรั่ว อากาศก็จะถูกดูดผ่านรอยรั่วนั้นและทำให้เกิดเป็น Bubbles ขึ้น

วิธีการนี้สร้างสุญญากาศ (Negative pressure) ภายใน Vacuum box ด้วยหลักการ Venturi effect โดยใช้ปั้มลม (Air compressor) เป่าอากาศผ่าน Air ejector ที่ติดอยู่กับตัว Vacuum Box ทำให้อากาศที่อยู่ใน Vacuum Box ถูกดูดออกแล้วจึงเกิดเป็นสุญญากาศ หรือจะใช้เป็น Vacuum pump ในการสร้าง Negative pressure ก็ได้

ถ้าหากบริเวณ Tank bottom มีรอยรั่ว อากาศก็จะถูกดูดจากใต้พื้นถังขึ้นมาผ่านทางรอยรั่วแล้วเกิดเป็นฟอง Bubble ขึ้นทำให้เราทราบถึงตำแหน่งที่มีรอยรั่ว ตัวอย่างในรูปเป็นรอยรั่วที่ตรวจพบตรงบริเวณแนวเชื่อม Three plate joint ซึ่งเราจะสามารถเห็นเป็น Bubbles เล็กๆ ฝุดออกมาจากบริเวณดังกล่าว เป็นการบ่งบอกว่ามีรอยรั่วเกิดขึ้น

by Mo Thanachai

Peaking (Curvature/Roundness Tolerance) on API 650 Storage Tank;

ในงานประกอบเชื่อม Storage Tank  เพื่อให้ถังสามารถกระจายแรงดันได้ดี Tank Shell จะต้องมีรัศมีความโค้ง (Curvature) หรือความกลม (Roundness) ที่สม่ำเสมอ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว Shell Plate จะถูกม้วน (Roll) มาให้ได้ตามรัศมีหรือเส้นผ่านศูนย์กลางของถังตามที่ต้องการ และนำมาประกอบเชื่อมที่ Site งาน

สำหรับ Storage Tank ที่สร้างตาม API 650 จะกำหนดให้ต้องวัด Curvature และ Roundness ของถังโดยใช้แผ่นกระดานโค้งรัศมีเท่ากับถัง  ความยาว 36 นิ้ว หรือ 900 mm. ในแนวระนาบ (Horizontal Sweep Board) วิธีการวัดคือให้ใช้ Sweep Board ทาบลงไปตรงบริเวณแนวเชื่อม Vertical ของ Tank Shell แล้ววัดระยะห่าง (Gap) ระหว่าง Shell กับ Sweep Board ซึ่งก็จะได้เป็น  Roundness Tolerance หรือ Peaking นั่นเอง

API กำหนดให้เราตรวจสอบที่บริเวณ Weld joints เนื่องจากเป็นจุดต่อระหว่าง Shell Plate รวมถึงต้องได้รับความร้อนจากงานเชื่อม ซึ่งทำให้บริเวณนี้มีโอกาสเกิดการเบี่ยงเบน (Tolerance) ได้มากครับ โดย  API 650 กำหนดว่า Peaking ที่บริเวณแนวเชื่อมจะต้องมีค่าไม่เกิน 0.5 นิ้ว หรือ 13 mm. นะครับ

by Mo Thanachai

Welded Joint Category  in ASME Section VIII, Div.1;

หลายคนคงเคยเห็นรูปภาพ Vessel ตัวนอนที่มีลูกศรชี้ A, B, C, D ตาม Welded Joints ต่างๆ หรือ Figure UW-3 ที่อยู่ใน  ASME BPVC Section VIII, Div.1 “Rules for Construction of Pressure Vessels” รูปภาพใน Figure UW-3 เป็นการแบ่งกลุ่มของแนวเชื่อม (Welded joint) ใน Pressure vessel ตามตำแหน่งของที่อยู่ของแนวเชื่อม โดยจะแบ่งเป็น Category A, B ,C, และ D

ASME Section VIII ไม่ได้แบ่งกลุ่มของแนวเชื่อมตามรูปแบบ (Type) ของแนวเชื่อม เช่น Single Bevel หรือ Double bevel แต่จะแบ่งกลุ่มตามตำแหน่ง (Location) ของแนวเชื่อมที่อยู่ใน Vessel และชิ้นส่วน (Part) ที่ถูกนำมาเชื่อมต่อกัน โดยเราสามารถดู Welded Joint Category ของแนวเชื่อมที่ตำแหน่งต่างๆ ใน vessel ได้จากในรูป Figure UW-3 และคำอธิบายใน Paragraph UW-3 โดยแนวเชื่อมจะถูกแบ่งกลุ่มแบบคร่าวๆ ได้ดังนี้

Category A = แนวเชื่อมตามยาว (Longitudinal welds) ของ Shell และ Nozzle, แนวเชื่อมของ Head, และแนวเชื่อมระหว่าง Hemisphere head กับ shell

Category B = แนวเชื่อมตามขวาง (Circumferential welds) ของ Shell และ Nozzle, และแนวเชื่อมระหว่าง Head กับ Shell (ยกเว้น Hemisphere head)

Category C = เป็นแนวเชื่อมที่ติดกับตัว Flange

Category D = เป็นแนวเชื่อมของ Nozzle หรือ Manhole ที่ติดกับตัว Vessel

ทำไม ASME ต้องแบ่ง Welded Joint Category ???

ทั้งนี้ก็เพื่อให้ง่ายต่อการกำหนดเงื่อนไข รูปแบบของแนวเชื่อม รวมไปถึงการตรวจสอบแนวเชื่อมอีกด้วย ถ้าสังเกตดูจะเห็นว่าส่วนหนึ่ง ASME ต้องการแบ่งความสำคัญ (Criticality) ของแนวเชื่อมที่ตำแหน่งต่างๆ กันใน Vessel ยกตัวอย่างให้เห็นภาพเช่น แนวเชื่อมตามยาว (Longitudinal welds) ของ Shell กับ Nozzle ซึ่งเป็นรูปทรงกระบอก (Cylinder) จะต้องรับ Stress ที่เกิดขึ้นจากความดันภายในของ Vessel เป็น 2 เท่าของแนวเชื่อมตามขวาง (Circumferential welds) ดังนั้น ASME จึงให้ Long. welds เป็น Cat. A ส่วน Circ. welds เป็น Cat. B และก็กำหนดให้แนวเชื่อมที่เป็น Category A มีเงื่อนไข รูปแบบ และการตรวจสอบที่เข้มงวดกว่าแนวเชื่อมที่เป็น Category B

อีกตัวอย่างหนึ่งก็คือแนวเชื่อมระหว่าง Shell กับ Hemisphere head ถูกกำหนดให้เป็น Cat. A แต่แนวเชื่อมระหว่าง Shell กับ Head รูปร่างอื่นๆ เช่น Ellipse head เป็น Cat. B ทั้งนี้เพราะรูปทรงครึ่งวงกลมหรือ Hemisphere สามารถรับแรงดันได้ดี ดังนั้นที่ Design Pressure เดียวกัน Hemi. head จะต้องการความหนาน้อยกว่า Head รูปร่างอื่นๆ มาก (ประมาณครึ่งหนึ่งของ Ellipse head) เพราะ Hemi. Head มันบางแต่สามารถใช้รับ Pressure เยอะได้ แนวเชื่อมระหว่าง Shell กับ Hemi. head จึง Critical กว่า และถูกกำหนดให้เป็น Cat. A แต่กับ Head รูปร่างอื่นๆ ก็จะเป็น Cat. B

ถึงตอนนี้คงรู้จัก Welded Joint Category กันแล้ว ก็หวังว่าจะทำให้เข้าใจข้อกำหนดเกี่ยวกับงานเชื่อม (Welding Requirement) สำหรับ Pressure Vessel ใน ASME Section VIII กันมากขึ้นนะครับ

by Mo Thanachai