การทดสอบ Backpressure Test ของ Pressure Relief Valve (PRV)

PRV Backpressure Testing;

พูดถึงการทดสอบ PRV ทุกคนคงรู้จัก (1) Pop Test หรือ Set Pressure Test เป็นการทดสอบว่า PRV จะสามารถเปิดที่ความดัน Inlet Pressure ตามที่ Set ไว้ได้หรือไม่ และ (2) Seat Tightness Test หรือที่เราเรียกกันว่า Leak Test ซึ่งเป็นการทดสอบการรั่วซึมระหว่าง Disc กับ Seat ของตัว PRV หลังจากทำ Pop Test.

แต่สำหรับ Closed Bonnet PRV ที่อยู่ในระบบปิดและไม่ต้องการให้ Fluid ในระบบรั่วออกสู่ภายนอก (Discharge to Closed System) จะต้องทำ Backpressure Test ตาม Requirement ของ ASME BPVC Section VIII, Div.1 ด้วย

Backpressure Test คือการอัดอากาศหรือ Gas ที่ Pressure อย่างน้อย 2 bars ไปที่ฝั่ง Outlet ของ PRV แล้วดูว่า Body, Bonet, Bellow รวมถึง Gasketed Joint และ Connection ต่างๆ มีรั่วซึมหรือไม่ ซึ่งเราจะใช้น้ำสบู่ช่วยในการหารอยรั่ว

การทำ Backpressure Test นั้นยังสามารถตรวจสอบการรั่วของตัว Bellow ได้ หลักการคือถ้าหากมีการรั่วผ่านตัว Bellow เราจะสามารถ Detect ได้ที่รู Vent ของตัว Bonnet

แล้วถ้าเราไม่ทำ Backpressure Test จะมีผลอย่างไร???

การรั่วของตัว Bellow จะทำให้มันไม่สามารถชดเชย Backpressure ได้ตามฟังก์ชัน ส่งผลให้ PRV ไม่สามารถเปิดระบายความดันได้ตรงตาม Set Pressure ที่ตั้งไว้ และการรั่วของ Fluid ในระบบสู่ภายนอกอาจเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม คน หรืออุปกรณ์ที่อยู่ในบริเวณนั้นได้ครับ
by Mo Thanachai

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

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

Example of “Static Head” in ASME Section VIII Vessel Calculation; 

ความดันที่ใช้ในการคำนวณความหนาของ Pressure Vessels ตาม ASME Section VIII Division 1 จะต้องเท่ากับ ความดันที่จะเกิดขึ้นภายในของ Vessel  (Internal Design Pressure) บวกกับ “Static Head” หรือความดันที่เกิดจากน้ำหนักของ Liquid ภายใน Vessel ณ จุดที่ต่ำที่สุดของ Vessel Part นั้นๆ ในตัวอย่างเป็นความดันที่มากที่สุดที่กระทำกับ Part ของ Left Ellipsoidal Head ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการคำนวณนะครับ (SG = Specific Gravity, H_S = Liquid Height)

by Mo Thanachai 

What is “Static Head” in ASME Section VIII Vessels? 

ในการออกแบบ Pressure Vessels ตาม ASME Section VIII Division 1 นอกจากเราจะต้องคำนึงถึงความดันหรือ Design Pressure ที่จะเกิดขึ้นภายใน Pressure Vessel แล้วเรายังต้องพิจารณาน้ำหนักของของเหลวหรือ Liquid ภายใน  Vessel ที่กระทำกับมันด้วย โดยความดันที่เกิดจากน้ำหนักของ Liquid ภายใน Vessel ก็คือ “Static Head” ซึ่งจะขึ้นกับความหนาแน่นของของเหลว (Liquid Density, p) และจะมีค่ามากขึ้นตามระดับความสูงของของเหลว (Liquid Height) จากจุดที่พิจารณา (ที่ก้นถังหรือ Bottom ของ Vessel จะมีค่า Static Head มากที่สุด) ดังนั้นในการออกแบบ Pressure Vessel ตาม ASME VIII จะต้องใช้ความดันภายในหรือ Internal Pressure เท่ากับ Design Pressure + Static Head นะครับ
by Mo Thanachai 

Basis of Allowable (Design) Stress in ASME VIII Pressure Vessel and ASME I Boiler; 

(เรื่องของ Allowable Stress ต่อจากครั้งก่อนนะครับ) เช่นเดียวกับของ ASME B31.3 Process Piping, สำหรับ ASME VIII Pressure Vessel และ ASME I Boiler ค่า Allowable Tensile Stress ของแต่ละ Material ที่ Code อนุญาตใช้ในการคำนวณความหนาและส่วนประกอบต่างๆ ที่ใช้รับความดัน ของ Pressure Vessel และ Boiler จะถูกระบุอยู่ใน ASME BPVC Section II Part D ซึ่งโดยทั่วไปจะเท่ากับ ค่าที่น้อยกว่าระหว่าง 1/3.5 Tensile Strength และ 2/3 Yield Strength ของวัสดุนั้นๆ ด้วยเหตุผลเดียวกันคือเพื่อเป็น Safety Factor ให้มั่นใจว่าวัสดุจะไม่ Deform หรือ เสียหาย เมื่อนำไปใช้งานภายใต้ความดันที่ออกแบบไว้
by Mo Thanachai 

Circumferential vs Longitudinal Stress of a Cylindrical Shell in ASME VIII Vessels; 

ลองดูสูตรสำหรับคำนวณความหนา Cylindrical Shell ของ ASME Section VIII Pressure Vessel เราจะเห็นว่าความหนา (Minimum Thickness) ที่คำนวณได้จาก Circumferential Stress จะมีค่าประมาณสองเท่าของความหนาที่คำนวณได้จาก Longitudinal Stress ทั้งนี้เพราะ Circumferential Stress ที่เกิดขึ้นมีค่ามากกว่า Longitudinal Stress สองเท่า ดังนั้นในตอนคำนวณความหนาของตัว Shell ให้เลือกใช้สูตรของ Circumferential Stress นะครับ
Mo Thanachai

Hydrostatic Test Pressure vs MAWP of Section VIII Vessels; 

ตัวอย่าง Hydrostatic Test Pressure เปรียบเทียบกับ MAWP ของ Pressure Vessel (ในรูปเป็นของ Shell & Tube Heat Exchanger) ที่ออกแบบตาม ASME Section VIII Div.1 ครับ Mo Thanachai

Hydrostatic Test Pressure for Section VIII Vessels;

การทดสอบความดันด้วยน้ำ (Hydrostatic Test) ของ Pressure Vessel ตาม ASME Section VIII Div.1 ต้องทำที่ความดันไม่ต่ำกว่า 1.3 เท่าของ Maximum Allowable Working Pressure (MAWP) ของ Vessel คูณด้วย Stress Ratio สำหรับชดเชยความแข็งแรงของวัสดุในกรณีที่นำไปใช้งานที่อุณหภูมิสูง (ตอนทำ Hydrotest ทำที่ Ambient Temp.) ซึ่ง Stress Ratio เป็นสัดส่วนของ Allowable Stress ของวัสดุที่อุณหภูมิที่ทดสอบความดัน (Test Temp.) กับ Allowable Stress ของวัสดุที่อุณหภูมิที่ Design Temperature Mo Thanachai

Required Marks on Nameplate of ASME Section VIII Vessels ; 

Marking บน Nameplate ของ ASME Section VIII (“U” Stamp) Pressure Vessels จะต้องมีข้อมูลของ Vessel อย่างน้อยที่สุดตามรูปด้านล่างนะครับ Mo Thanachai

Certification Mark of ASME Section VIII Vessel (U Stamp);

Pressure Vessels ที่ออกแบบและสร้างตามข้อกำหนดของ ASME Section VIII จะต้องถูก Stamp ด้วยสัญลักษณ์ “U”

Stamp นะครับ Mo Thanachai

Pneumatic Testing Steps of Pressure Vessel per ASME Section VIII;

การทดสอบความดันด้วยวิธี Pneumatic Test ตาม ASME Section VIII มีขั้นตอนดังนี้

1. สำหรับ Step 1 ให้เพิ่มความดันมาที่ 50% ของความดันที่ต้องการทดสอบ (Test pressure)

2. ค่อยๆ เพิ่มความดันเป็น Step, Step ละ 10% ของ Test pressure จนกระทั่งเท่ากับ Test pressure

3. ทดสอบความดันโดยคงความดันไว้ที่ Test pressure ช่วงระยะเวลาหนึ่ง

4. ลดความดันมาที่ Test pressure หารด้วย 1.1 เพื่อเข้าทำการตรวจสอบการรั่วของ Pressure vessel ด้วยวิธี Visual

5. ถ้าหากไม่พบการรั่วไหลให้ลดความดันลง เป็นอันเสร็จสิ้นการทดสอบ Pneumatic test
Mo Thanachai