Il ruolo delle PND nella valutazione di vita consumata di attrezzature in pressione soggette a scorrimento viscoso

E. Artenio

Inail Area ex-Ispesl DCC C. Delle Site

Inail Area ex-Ispesl DCC P. Quaresima

Inail Area ex-Ispesl DTS

1. ABSTRACT La norma UNI 11096 (nella versione revisionata ed attualmente in fase di emanazione) illustra i criteri per la scelta delle PND più idonee per rilevare lo stato di conservazione di un componente soggetto a creep. La norma dà ampia possibilità di scelta tra 5 livelli di estensione del controllo (PEC) espressi quantitativamente per ogni componente specifico in scorrimento viscoso (collettori, tubazioni di collegamento, tubazioni vapore principale, ancoraggi, recipienti, forni). In funzione del PEC è possibile, adottando la procedura tecnica allegata alla circolare ISPESL n. 48/2003 ed ora trasposta nelle specifiche tecniche UNI/TS 11325 parte 2 e parte 4 (in fase di emanazione), modulare l’intervallo di ricontrollo dei componenti in regime di creep. Gli esempi illustrati nel presente lavoro, esplicitati utilizzando il programma INAIL denominato ENOS, mostrano come sia possibile ottenere una previsione di vita consumata più consistente avendo a disposizione misurazioni di spessori più approfondite ed effettuando programmi ispettivi di maggiore efficacia incrementando l’uso delle PND. Il presente lavoro mostra inoltre come sia possibile correlare l’intervallo di ricontrollo con il danno da creep impiegando, oltre alle originali deduzioni di Neubauer, anche considerazioni legate alla localizzazione del danno ed all’estensione dei controlli. 2. INTRODUZIONE Il meccanismo di danno “scorrimento viscoso” o “creep” riguarda una grande varietà di componenti di alta temperatura quali surriscaldatori, risurriscaldatori, forni, reattori, ecc. Le conseguenze associate ad una eventuale rottura di questi componenti sono generalmente di impatto considerevole sia da un punto di vista economico che di sicurezza. D’altro canto la probabilità di rottura di tali componenti è in progressiva crescita sia a causa del regime flessibile a cui sono ora sottoposti gli impianti di produzione di energia sia a causa della ricerca di sempre più elevate temperature di esercizio negli impianti detti “ultra-super-critici”. In questo scenario, le tecniche diagnostiche di valutazione di vita residua assumono una importanza fondamentale. Tra queste, senza dubbio, un ruolo predominante è rivestito dalle prove non distruttive. Oltre all’esame metallografico per replica, che risulta determinante per una grande varietà di materiali, ed ai controlli non distruttivi convenzionali, esistono altre metodologie di prova di qualche interesse in relazione al loro possibile utilizzo quali correnti indotte,

tecniche ad ultrasuoni (TOFD e Phased Array), emissioni acustiche, olografia ed interferometria, small punch, micro-durezze, misurazioni on-line delle deformazioni, ecc. L’esperienza maturata dall’ISPESL in questi anni di applicazione della circolare ISPESL 15/92 prima e della 48/2003 poi, ha permesso di individuare nelle prove non distruttive l’elemento cardine della valutazione di vita residua per la loro capacità di rilevare in modo semplice ed affidabile la presenza di degrado da scorrimento viscoso. Nel seguito del presente lavoro vengono illustrati due esempi di applicazione delle normative vigenti ad attrezzature in regime di scorrimento viscoso. Il primo esempio è relativo ad un collettore di un generatore di vapore, il secondo ad un reattore dell’industria di processo. 3. ESEMPIO 1 – CALCOLO DELLA VITA CONSUMATA E DELL ’ INTERVALLO DI

RICONTROLLO DI UN COLLETTORE DI UN GENERATORE DI VAPORE Si prende in esame il caso di un collettore RH facente parte di un impianto per la produzione di vapore caratterizzato dai seguenti dati: Il collettore è costituito da due parti cilindriche cui sono collegati i tubi provenienti dal risurriscaldatore, da un pezzo a T per l’uscita del vapore e da due fondi piani. Materiale ASTM A 335 P22 De = diametro esterno 400 mm e = passo tra i branchetti longitudinale 154.0 mm (nominale) da = diametro forature branchetti 45.0 mm (nominale) sc = spessore minimo collettore 34.5 mm

Figura 1 – Collettore Risurriscaldatore

Le condizioni di esercizio si possono riassumere in tre periodi: Periodo 1 T1 = temperatura di esercizio 450 °C p1 = pressione di esercizio 0.10 kg/mm2 h1 = tempo di esercizio 35800 ore Periodo 2 T2 = temperatura di esercizio 470 °C p2 = pressione di esercizio 0.11 kg/mm2 h2 = tempo di esercizio 60160 ore Periodo 3 T3 = temperatura di esercizio 590 °C p3 = pressione di esercizio 0.29 kg/mm2 h3 = tempo di esercizio 93870 ore

Per determinare se le condizioni di scorrimento viscoso sono “significative” occorre verificare se la temperatura di esercizio supera quella convenzionale (tabella 1).

Materiali Norma Temperatura convenzionale A 335 P1 ASTM A335 –75 454 A 335 P2 “ 482 A 335 P11 “ 482 A 335 P12 “ 482 A 335 P21 “ 454 A 335 P22 “ 454

Tabella 1. Temperatura convenzionale per l’acciaio A 335 P22 in corrispondenza di 100'000 ore di esercizio.

Pertanto in regime di creep sono solo il periodo 2 e 3, essendo la temperatura superiore a quella convenzionale. Da notare però che nell’ultima versione della bozza di norma UNI/TS 11325 parte 4 si considera l’effetto del tempo sulla temperatura convenzionale, che dovrà decrescere per ovvie ragioni di sicurezza.

Ore di esercizio 100’000 150000 200000 250000 300000

Temperatura convenzionale

454 448,9151 445,3502 442,6092 440,3852

Tabella 2. Temperatura convenzionale di inizio creep per l’acciaio A 335 P22 in funzione del tempo

Come si vede dalla tabella 2, dopo 150’000 ore la temperatura convenzionale non è più 454 °C ma 448 °C e quindi il periodo 1, nel caso specifico illustrato, dovrà essere computato a creep.

CALCOLO SOLLECITAZIONE Per semplicità prendiamo in questo esempio in considerazione solo la zona di ingresso tubi, considerata la più sollecitata del collettore. Verifica indipendenza forature Per la verifica di indipendenza si utilizza la relazione della regola VSG.1.D.5.: con De = diametro esterno mantello s = spessore mantello

La distanza fra i fori deve risultare superiore al risultato della formula. La relazione non è verificata con i dati a disposizione: le forature risultano interagenti. L'efficienza Z è data, nel caso di forature interagenti allineate longitudinalmente, da:

con da= diametro forature e = passo longitudinale

sD 3 e

ed - e

= Z a

con i dati a disposizione si ottiene pertanto,

Zlong=0.71 Si passa al calcolo delle sollecitazioni, applicando la formula ottenuta esplicitando rispetto alla sollecitazione la VSG.1.D.1:

con p = pressione interna Ri = raggio interno Re = raggio esterno s = spessore Z = efficienza

pertanto per i tre periodi considerati si avrà:

σ 1=10,45 MPa T1=450 °C VT>106 ore σ 2=11,52 MPa T2=470 °C VT>106 ore σ 3=30,28 MPa T3=590 °C VT=255245 ore

avendo applicato a ciascuna delle sigma un fattore di sicurezza pari a 0.72 ottenuto dal prodotto di: - un fattore di sicurezza pari a 0.8 rispetto alla curva media del materiale fornito dalla Raccolta M - un ulteriore fattore 0.9 per tenere conto della presenza di un giunto saldato, che è noto avere resistenze inferiori a quelle del materiale base - La vita consumata è pertanto la somma dei tre contributi relativi ai tre periodi:

%38,4678,3602,658,3255245

93870

10

60160

10

358006

3

16

=++=++==∑i

ic H

hv

avendo limitato la vita teorica a 106 ore, nei primi due periodi e avendo determinato una vita teorica di VT=255245 ore nel terzo periodo, adottando per il calcolo il metodo 2 suggerito dalla LG ISPESL allegata alla Circolare 48/2003 (diagramma bilogaritmico-figura 2).

Figura 2 ..Diagramma bilogaritmico per il calcolo della vita teorica

) 0.5 + s

R ( Z

p = iσ

DETERMINAZIONE DELL’ESTENSIONE DEI CONTROLLI Al fine di determinare l’estensione dei controlli in campo si suddivide l’attrezzatura in zone di indagine, in accordo alla tabella 3.

Zona Descrizione qualitativa Criticità della

giunzione

A Saldature di parti non a pressione a parti in pressione Bassa

B Saldature di piccoli branchetti/penetrazioni ad un fasciame o a un collettore Medio-bassa

C Saldature di grandi bocchelli/penetrazioni ad un fasciame o a un collettore Media

D Saldature di composizione e saldature fasciame-fondi di collettori; saldature longitudinali tubazioni o recipienti

Alta

E Saldature longitudinali tubazioni o recipienti Molto alta

Tabella 3 - Classificazione delle zone di indagine

L’estensione del controllo per ogni zona di indagine è definita dal parametro PEC (Parametro Estensione Controlli) variabile da 1 a 5 secondo un criterio di severità crescente. Esso individua l’estensione del singolo controllo non distruttivo da effettuare per ogni zona di indagine (per esempio la percentuale di branchetti da controllare, il numero di repliche da effettuare sulle saldature circonferenziali, ecc.) e tiene in considerazione anche la validità e la dimensione del campione investigato in relazione al danno ricercato. Il valore del parametro PEC deve essere non inferiore a quello indicato nella tabella 4, dove i parametri α, β, γ e δ sono funzione della percentuale di vita consumata (vedere tabella 5).

Livello Vita consumata Cat. PED α β γ δ

I 1 1 2 2

II 1 2 2 3

III 2 2 3 4

IV 2 3 4 5

Parametri α β γ δ Vita consumata

0÷25% 25%÷60% 60%÷90% 90%÷100%

Tabella 4 – Valori minimi del PEC Tabella 5 – Livello di vita consumata

Nel caso specifico essendo Vc=46,38% ne consegue un livello di vita consumata pari a β e quindi, essendo il collettore classificabile in categoria IV in quanto membratura di un generatore di vapore, il PEC minimo applicabile risulta pari a 3. In termini più specifici ad un PEC pari a 3 corrisponde un piano controlli di livello medio; le percentuali dei controlli non distruttivi sono ricavabili in termini quantitativi dalla tabella seguente.

Tabella 6 – Zone di indagine e relativi controlli

Per quanto riguarda nello specifico i controlli spessimetrici (nota 3 della tabella precedente) si può applicare la seguente tabella.

Mantello Collettori Fondo collettori

N° sezioni Punti per sezione N° meridiani Punti per sezione PEC

De≤300 De>300 De≤300 De>300 De≤300 De>300 De≤300 De>300

1 (L/300)*0,8 (L/De)*0,8 4 8 1 1 4 8 2 (L/300)*0,9 (L/De)*0,9 4 8 1 1 4 8 3 (L/300) (L/De) 4 8 1 2 4 8 4 (L/300)*1,1 (L/De)*1,1 4 8 2 2 6 10 5 (L/300)*1,25 (L/De)*1,25 4 8 2 2 8 12

Tabella 7 – Spessimetrie collettori

Dove: L = lunghezza in mm De = diametro esterno in mm Che per un PEC pari a 3 e per un L pari a 4000 De =400 conduce a 10 sezioni e a 8 punti per sezione sul mantello e a 2 meridiani e a 8 punti per sezione sui fondi.

ESTENSIONE CONTROLLI (PEC) Zona di indagine CND PEC 1 PEC 2 PEC 3 PEC 4 PEC 5

VT 100% 100% 100% 100% 100% Base

PT (o MT) 60% 70% 80% 90% 100% A

Saldature collettore /parti non in pressione Aggiuntivi ST (2) (2) (2) (2) (2)

VT 100% 100% 100% 100% 100%

ST (1)

1 replica ogni 100 branchetti (limitabile a 4

per l’intero numero dei branchetti)

1 replica ogni 80 branchetti (limitabile a 5

per l’intero numero dei branchetti)

1 replica ogni 60 branchetti (limitabile a 6

per l’intero numero dei branchetti)

1 replica ogni 50 branchetti (limitabile a 8

per l’intero numero dei branchetti)

1 replica ogni 40 branchetti

(limitabile a 10 per l’intero numero dei branchetti)

Base

MT (o PT) 10% 20% 30% 40% 50%

B Saldature collettore

/branchetti

Aggiuntivi ET (2) (2) (2) (2) (2) VT 100% 100% 100% 100% 100% ST 1 1 1 2 2 UT 70% 80% 90% 100% 100%

Base

MT (o PT) 70% 80% 90% 100% 100%

C Saldature collettore /grosse penetrazioni

Aggiuntivi RT (2) (2) (2) (2) (2) VT 100% 100% 100% 100% 100%

ST(5) 1 1 2(4) 2(4) 2 UT 80% 90% 100% 100% 100%

Base

MT (o PT) 70% 80% 90% 100% 100%

D Saldature di

composizione o fasciame/fondi

Aggiuntivi RT (2) (2) (2) (2) (2) VT 100% 100% 100% 100% 100%

Base UTS (3) (3) (3) (3) (3)

E Materiale base

Aggiuntivi DM (2) (2) (2) (2) (2) Superfici interne Base VTE 10% 20% 30% 40% 50%

Note: (1) per un numero di branchetti inferiore a quello indicato eseguire almeno una replica (2) a discrezione dell’utilizzatore (3) vedere appendice A della UNI TS 11096 (4) limitabile a 1 nel caso di collettori multipli con non più di 3 saldature di composizione (5) numero di repliche da effettuare sul componente

Sul TEE invece, i controlli spessimetrici possono seguire la tabella 8. PEC 1 2 3 4 5 N° di sezioni 1 sezione per ogni

ramo del T

1 sezione per ogni ramo del T

2 sezioni per ogni ramo del T

2 sezioni per ogni ramo del T

2 sezioni per ogni ramo del T

Punti per sezione 4 se De≤300

8 se De>300 6 se De≤300 10 se De>300

4 se De≤300 8 se De>300

6 se De≤300 10 se De>300

8 se De≤300 12 se De>300

Tabella 8 – Spessimetrie su pezzi a TEE

La tabella 8, per un PEC pari a 3 e per un De =400, conduce a 2 sezioni e a 8 punti per sezione su ogni ramo del TEE.

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 7 8

Figura 3. Controllo spessimetrico su pezzo a TEE (PEC3) – Griglia di misura

ESITO DEI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI I controlli eseguiti seguendo lo schema della tabella 6, in corrispondenza di un PEC = 3, hanno evidenziato un grado di creep pari a 3 (microcavità orientate), solo una saldatura collettore-branchetto, mentre nelle rimanenti zone di indagine, non sono stati riscontrati difetti da scorrimento viscoso né sottospessori.

Classificazione Grado creep

Life fraction (Ellis)

Life fraction (Fossati-Sampietri)

Life Fraction (*) (Range)

Life Fraction (*) (Proposed)

1 0,27 0,181 0÷0,27 0÷0,3 2 0,46 0,442 0,181÷0,46 0,2÷0,5 3 0,65 0,691 0,442÷0,691 0,4÷0,7 4 0,84 0,889 0,65÷0,889 0,6÷0,9 5 1 1 0,84÷1 0,8÷1

(*) Nota: i valori di vita consumata devono essere computati senza limitazione sulla vita teorica a 106 ore Tabella 9 – Correlazioni Creep -Frazione vita residua acciai Cr Mo e Cr Mo V

Il grado di danno riscontrato risulta maggiore di quello ipotizzato dalle correlazioni grado di danno/vita consumata di Ellis e di Fossati-Sampietri [1] come evidenziato dalla tabella n.9. Una proposta più realistica che prenda in considerazione le incertezze del calcolo e delle proprietà del giunto saldato è riportata nell’ultima colonna, ove ad un determinato grado di danno è associato un range di possibili valori di vita consumata. Essa è derivata tenendo conto delle risultanze sia di Ellis che di Sampietri (colonna 4), limitando il valore della “Life Fraction” alla prima cifra decimale. Utilizzando quest’ultima ipotesi risulta, per il caso specifico, una certa congruenza tra grado di danno da creep (3) e vita consumata (V%=0,46).

1 2 3 4

5

DETERMINAZIONE DELL’INTERVALLO DI RICONTROLLO L’intervallo di ricontrollo effettivo, denominato IR, è il valore minimo fra il ∆I calcolato e il 60 % della vita residua del collettore: IR = min(60 % Vresidua ; ∆I ) Il programma assume, in linea con le prescrizioni della norma UNI/TS11325-4 (in via di emanazione), ∆I come il minimo tra gli intervalli relativi a ciascun giunto saldato. ∆I = min (∆Igiunto j) Dove a sua volta ciascun intervallo ∆I giunto j è calcolato, attraverso la procedura RBI, moltiplicando l’intervallo di riferimento ∆I rif = 50.000h per una serie di coefficienti correttivi fci :

∏∆=∆i

cirifgiunto fII

dove fci è il fattore correttivo i-esimo; di seguito vengono riportati tutti i fattori correttivi, distinti in primari e aggiuntivi (questi ultimi sono facoltativi e non vengono utilizzati in questo esempio), che inseriti nella routine di ENOS (software dell’INAIL area ex ISPESL) consentono il calcolo istantaneo dell’intervallo di ricontrollo. Classe di danneggiamento da scorrimento viscoso e tipo di saldatura Questo fattore correttivo tiene conto del danno relativo al grado di creep, la cui influenza varia a seconda della zona d’indagine (vedere tabella n. 3), come mostrato dalla tabella sottostante.

1 (1.0) (1.0) (1.0) (1.0) (1.0) 2 (0,8) (0.7) (0.6) (0.5) (0,4) 3 (0,5) (0.43) (0.31) (0.26) (0,2) 4 (0,2) (0.16) (0.12) (0.08) (0,07)

Grado di

danneggiamento da scorrimento

viscoso* 5 - - - - A B C D E

Zona d’indagine

Tabella 10 – Fattore correttivo danneggiamento scorrimento viscoso fwc

Estensione dei controlli Il PEC (Parametro Estensione Controlli), definito dalla norma UNI 11096, è il parametro che individua l’estensione del singolo controllo non distruttivo da effettuare in ogni zona di indagine ed e varia da 1 (estensione del controllo bassa) a 5 (estensione molto alta) secondo un criterio di severità crescente.

Tabella 11 – Fattore correttivo estensione controlli fPEC

Monitoraggio in continua dei parametri operativi (p,t,T) Il monitoraggio dei parametri operativi è considerato una garanzia di maggiore affidabilità della stima della vita consumata, motivo per cui in presenza di un sistema automatico di controllo il fattore correttivo incrementa l’intervallo di ricontrollo.

Tabella 12 – Fattore correttivo monitoraggio fcm

Intervalli di ricontrollo Nell’esempio proposto, l’intervallo di ricontrollo valutato in corrispondenza del giunto più critico (grado di creep pari a 3), tenendo conto dell’assenza di un sistema di monitoraggio, è pari a: fwB_c3=0,43 fPEC3=1 fcm(no)=1

hfcfffII prevPECwci

cirifPECgiunto 215001143,050000500003, =⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=∆=∆ ∏

E’ evidente che la medesima procedura applicata alle altre zone di indagine, porterebbe ad intervalli di controllo meno restrittivi essendo fcv il parametro correttivo più rilevante ai fini del calcolo. In ogni caso l’intervallo dir ricontrollo non deve essere superiore a 60 % Vresidua che nel caso specifico assume il valore IR=136862: IR = min(60 % Vresidua ; ∆I ) = min[136862 ; 21500] =21500 h. Ipotizzando un PEC 5 in luogo di un PEC 3 si avrebbe un incremento del 20% dell’intervallo che passa così a 25800, con un incremento di 4300 ore (6 mesi) e a 30960 instaurando un sistema di monitoraggio (tabella 13.).

PEC3 PEC5 (senza monitoraggio) PEC5 (con monitoraggio) Intervallo (ore) 21500 25800 30960 Incremento (ore) - 4300 9460

Tabella 13.- Incremento dell’intervallo di ricontrollo in funzione del PEC

I range di intervalli secondo la procedura illustrata vanno da un minimo di 2800 ore ad un massimo di 72000 ore, considerando solo i fattori correttivi primari (tabella 14).

fwc fPEC fcm ∆I (ore) Min 0.07 0.8 1 2800 Max 1 1.2 1.2 72000

Tabella 14.-Range dell’intervallo di ricontrollo

3. ESEMPIO 2 –REATTORE SOGGETTO A SCORRIMENTO VISCOSO Il controllo spessimetrico sul materiale base è stabilito in funzione del diametro del reattore, oltre che del PEC, in accordo alla tabella 15.

PEC1 PEC2 PEC3 PEC4 PEC5

1000≤D<3000 N: 4

L: 2D n: 4 θ: 90°

1000≤D<3000 N: 4

L: 1.5 D n: 4 θ: 72°

1000≤D<3000 N: 6 L: D n: 4 θ: 60

1000≤D<3000 N: 6

L: 1/2D n: 4 θ: 45

1000≤D<3000 N: 8

L: 1/3D n: 8 θ: 30°

Legenda: N: numero di punti per sezione (equispaziati) sul fasciame L: numero di sezioni (a partire dalla saldatura del fondo) sul fasciame n: numero di punti per meridiano sui fondi θ: angolo fra meridiani sui fondi

Tabella 15.-Controllo Spessimetrico su reattore La tabella 16 esplicita il numero di sezioni ed il numero di punti per sezione per determinati valori costruttivi D (diametro interno) e H (lunghezza del fasciame) del reattore.

Dati PEC1 PEC2 PEC3 PEC4 PEC5

D=2600 H=8000

N: 4 L: 1 n: 4 θ: 90°

N: 4 L: 2 n: 4 θ: 72°

N: 6 L: 3 n: 4 θ: 60

N: 6 L: 6 n: 4 θ: 45

N: 8 L: 9 n: 8 θ: 30°

Legenda: N: numero di punti per sezione (equispaziati) sul fasciame L: numero di sezioni (a partire dalla saldatura del fondo) sul fasciame n: numero di punti per meridiano sui fondi θ: angolo fra meridiani sui fondi

Tabella 16.-Controllo Spessimetrico su reattore

In particolare, passando da un livello di estensione controlli basso (PEC1) ad uno medio-alto (PEC4) si avrebbe un incremento del numero di sezioni e di punti di misura come illustrato nelle figure 4 e 5 (fasciame) e nelle figure 6 e 7 (fondi).

Figura 4. Controllo spessimetrico fasciame (PEC1) Figura 5 . Controllo spessimetrico fasciame (PEC4)

Figura 6. Controllo spessimetrico fondi (PEC1) Figura 7. Controllo spessimetrico fondi (PEC4)

Passando da un livello 1 ad un livello 4 del PEC si avrebbe un incremento del numero di repliche metallografiche. Le relative piazzole di prelievo sono evidenziate nelle figure 8 e 9.

Figura 8. Controllo mediante replica (PEC1) Figura 9. Controllo mediante replica (PEC4)

5. CONCLUSIONI La valutazione di vita consumata di componenti a pressione in regime di scorrimento viscoso necessita, al fine di confermare il risultato dei calcoli, di una adeguata campagna di controlli non distruttivi in campo. Il panorama normativo in merito alle prove non distruttive per i componenti in regime di creep è in via di definizione e comprende le norme UNI/TS 11325 parte 2 e parte 4 (in fase di emanazione) e la norma UNI 11096 (in fase di revisione). I lavori sono in tuttora in corso presso il Comitato Termotecnico Italiano. Applicando le citate norme si può optare per un più severo programma di prove, incrementando l’uso delle PND. In tal modo, essendo la previsione di vita consumata più consistente, si può estendere l’intervallo di ricontrollo con evidenti benefici per l’utenza.

6. BIBLIOGRAFIA [1] C. Fossati, C. Sampietri, Determinazione del periodo di ulteriore esercibilità prima del successivo controllo per un componente soggetto a scorrimento viscoso, Convegno sulla vita residua di componenti funzionanti in regime di scorrimento viscoso, 21-22 giugno; [2] C. Delle Site, E. Artenio, ENOS: un programma di calcolo integrato per la valutazione della vita consumata a scorrimento viscoso, Covegno IGF XXI , Cassino, 3-15 Giugno 2011; [3] UNI 11096:2004 “Prove non distruttive – Controlli sullo stato di integrità strutturale di attrezzature a pressione soggette a scorrimento viscoso a caldo – Pianificazione ed esecuzione dei controlli, valutazione dei risultati e documentazione”