Kunskap om svetsegenspänningar ger mer precisa inspektionsintervall

En styrka hos ett så stort tekniskt kunskapsföretag som Inspecta är att man har resurser att driva utvecklingen framåt. Ett exempel är problemet med svetsegenspänningar, där Inspecta befinner sig i framkanten när det gäller att bestämma risken för initiering och tillväxt av sprickor. En viktig förutsättning är verifierade numeriska modeller.

Bättre simulering en fördel för industrin

Svetsegenspänningar kan ge upphov till otyg som spänningskorrosion, utmattning, och krypning. På Inspecta arbetar Jonathan Mullins, doktor i hållfasthetslära och materialmekanik från Australien, med ett projekt för simulering av svetsegenspänningsfält. Målet är att validera simuleringsmetoderna. Projektet genomförs tillsammans med Strålsäkerhetsmyndigheten SSM, Ringhals AB, Forsmarks Kraftgrupp AB och OKG Aktiebolag.

Jonathan MullinsJonathan säger att han och hans kollegor håller på med att utveckla materialmodellen och värmekällan som är viktiga vid simuleringen.

”Metoden ska ge bra resultat åt kunden inom en rimlig tid. Arbetet kommer att mynna ut i rekommendationer om hur analyser ska utföras vilket påverkar hur mycket svetsegenspänning man måste anta under givna förutsättningar. Tillsammans med vår kunskap inom brottmekanik utgör detta basen för våra rekommendationer om inspektionsintervall.

Om man gör en svetsberäkning och en brottmekanisk analys som är bättre anpassad till den specifika svetsen, så är det möjligt att ta bort onödig konservatism. Detta kan leda till längre inspektionsintervall, vilket t ex kärnkraftsindustrin och annan processindustri anser vara en fördel.”

Ett internationellt verifieringsprojekt

Spänningskorrosion är ett område av stor betydelse för industrin. Det är ofta svetsegenspänningar i rostfritt stål och i vissa miljöer som är avgörande för att det uppstår sprickor på grund av spänningskorrosion. Ett särskilt tydligt Svetsegenskapproblem uppstår när man har olika material som förbinds med en svets, t ex i fogen mellan en stuts och ett tryckkärl. Beräkning av egenspänningar i sådana områden är inte trivialt.

Just nu deltar Inspecta i ett internationellt verifieringsprojekt av typen ”Blind Round-Robin”, som leds av den amerikanska kärnkraftsmyndigheten NRC och som har 10-15 partners i hela världen. Målet med projektet är ”Validation of Welded Mockups” .

”Vi tar fram och utvärderar en modell av en svets, där man har förenat två olika material, rostfritt och ferritiskt stål. Vi vill försöka lösa problem med denna typ av fogar i komplexa produkter. Kärnkraftsmyndigheterna är intresserade av detta, likaså anläggningsägare i många länder. När man utför en svets så förekommer många materialfenomen beroende på temperaturen, från smälta till material i rumstemperatur med alla mellanliggande metallurgiska varianter. Det uppstår plastisk deformation i det krympande svetsmaterialet och i zonerna närmast omkring”, förklarar Jonathan.

I utvecklingsprojektet arbetar Jonathan tillsammans med Fredrik Södergren, civilingenjör i hållfasthetslära, Jens Gunnars, doktor i brottmekanik och Peter Segle, doktor i materialmekanik. ”Det är ett utmanande projekt där vi kombinerar kunskap från flera områden med syftet att nå praktiskt användbara resultat.”

Optimera svetsen och efterbehandlingen

Simuleringsmetoden kan också användas för design av svetsprocessen och efterbehandlingar, t.ex. provtryckning, för att minska restspänningarna eller för att uppnå en optimal svetsgeometri.

Svetsegenspänningar”Det är viktigt att optimera svetsprocessen och efterbehandlingen för att minska deformationen och svetsegenspänningarna i materialet. Många faktorer kan beaktas för att få en optimal svetsfog, t.ex.: fogens utformning, strängföljder, materialegenskaper, sträckenergi, kylning och inspänningsriggar .”

För att teori och praktik skall mötas måste det finnas något sätt att granska överensstämmelsen mellan simulering och verkligheten. En av de viktigaste simuleringsparametrarna är hur mycket värme som bildas i svetsen.

”Vi använder en FE-metod för simulering där värmetillförseln kalibreras mot provdata. Även om man inte har så mycket underlag kan vi göra en god analys av en svetsningsprocess. Vi kan göra det därför att vi känner till spannet för hur mycket värme som sätts in i fogen med varje sträng. Det gäller även reparationssvetsning eller en påsvetsning.

Inspecta har tittat på olika typer av modeller för svetssmältan, val av materialmodell samt efterbehandling av svetsar. ”För att formulera en modell som är tillförlitlig krävs att vi undersöker en komplex process inom ett brett temperaturintervall.”

Effekter av svetsegenspänningar på sprickor

Sprickor är ett oönskat fenomen. Genom brottmekaniska analyser kan man förutsäga sprickbildning och restspänningarnas bidrag till brott. ”Vi har undersökt spricktillväxten längs olika svetsfogar och inverkan av restspänningen. Vi har även undersökt svetsegenspänningarnas effekt på spricköppningarna. Detta är viktigt då man vill analysera om det uppstår ett förvarnande läckage innan brott vid sprickbildning, ”leak before break”. I en anläggning i full drift är detta värdefull kunskap.”

Förbättrad modelleringsprocedur och verifieringar

För tillfället håller gruppen på med teoretiska uppskattningar av restegenspänningar. Dessa jämförs sedan med de andra gruppernas resultat.

”Vår studie skall leda till bättre modeller för komplexa geometrier, bättre metodologi för tvådimensionella FE-modeller och utökad information om materialdata. På längre sikt ser vi bättre modeller för fasförändringar, återkristallisering och krypning vid höga temperaturer.”

En orsak till att simuleringen är så viktig är att det fortfarande råder stor osäkerhet vid mätning av egenspänningar. Därför är simulering ett mycket viktigt komplement till provning om man vill förstå spänningsfältet.”

Jonathan berättar att Inspecta har utvecklat simuleringsmetoderna mycket under de senaste åren, samtidigt som andra grupper runtom i världen håller på med att förbättra provningsmetodiken.

”Inom kort kommer vi att få jämföra våra svetsegenspänningsuppskattningar med de bästa provdata som finns. Utifrån detta kan vi utvärdera nuvarande riktlinjer och ser om det är nödvändigt att uppdatera dem .”

Av: Tage Eriksson

Sidan skapad: 15 dec 2009