Förbättrad kontroll av spänningar i svetsar ger färre skador

Svetsar har ofta höga inbyggda spänningar som ökar risken för sprickbildning och spricktillväxt. Att mäta upp vilka restspänningar som finns efter svetsning är mycket svårt. Ett alternativ är datorsimulering av svetsprocessen för att kartlägga svetsegenspänningar. Det används allt mer i industrin för att få kontroll på komponenter som är utsatta för spänningskorrosion, utmattning och krypning. En förfinad simuleringsmetod ger nu resultat med hög tillförlitlighet.

Inspecta har arbetat med datorsimulering av svetsning sedan mitten av 1990-talet. Svetsning är en komplex och utmanade process att modellera där materialet utsätts för temperaturer från smält tillstånd ner till stelnat material i rumstemperatur och det utsätts för cykliska töjningar som ger plasticering. En ständig utveckling av simuleringsmetoderna har pågått och särskilt de senaste fem åren har många framsteg gjorts.

Internationellt projekt för att validera svetssimulering

Flera andra företag runt om i världen har också utvecklat metoder för svetssimulering. Dessa simuleringsmetoder skiljer sig åt vilket medfört att resultaten från olika företag ibland kan skilja mycket. Problemet med osäkerhet i resultat medförde att den amerikanska kärnkraftsmyndigheten NRC (United States Nuclear Regulatory Commission) utlyste ett projekt för att avgöra vilka antaganden och simuleringsmetoder som ger tillförlitliga resultat.

Projektet syftade till att olika svetssimuleringsmetoder skulle valideras, d.v.s. jämföra hur bra de beräknade spänningarna stämmer med uppmätta restspänningar i en svets.

NRC tillverkade en rörstuts och en röranslutning och svetsade ihop dem enligt en normal procedur. NRC undersökte sedan svetsen och mätte svetsegenspänningarna i detalj med hjälp av flera olika avancerade mätmetoder, bl.a. neutrondiffraktion och hålborrningsmetoder.

De uppmätta spänningarna blev ett tillförlitligt jämförelseresultat som NRC inte avslöjade förrän i sista steget i projektet. NRC bjöd sedan in organisationer för att delta i projektet. Totalt 12 olika grupper runt om i världen deltog och varje grupp beräknade svetsegenspänningarna med sina olika simuleringsmetoder.

Inspectas simulering visade hög tillförlitlighet

Inspecta var ett av företagen som deltog. Uppdraget var att beräkna spänningarna i svetsen med tillgång endast till grundläggande information som ritningar, materialsorter och specifikation för svetsproceceduren.

Inspectas tekniska konsulter Jonathan Mullins, Jens Gunnars och Etienne Bonnaud simulerade svetsegenspänningarna med den metodik som Inspecta har utvecklat och skickade resultaten till NRC.

–När NRC i slutet av projektet släppte jämförelserna stämde våra resultat mycket bra med NRCs mätningar. Det var stor spridning mellan deltagarna, men våra resultat tillhörde de som överensstämde bäst med mätningarna, både kvalitativt och kvantitativt, med en viss inbyggd konservatism, berättar Jonathan Mullins.

Etienne Bonnaud förklarar varför deras simuleringsmetod ger ett så bra resultat:  

Etienne Bonnaud, Inspecta

– Vi har arbetet mycket med tre viktiga områden. För det första vår numeriska modellering, för det andra en detaljerad modellering av materialets beteende vid höga temperaturer och slutligen tar vi noggrann hänsyn till svetskällan och hur mycket energi som tillförs vid svetsningen.

Etienne Bonnaud., Inspecta  

– Efter att de omfattande mätresultaten för svetsen släpptes fria gav det oss kunskaper som vi har kunnnat använda för att ytterligare förfina och förbättra vår simuleringsmetod, för att minska onödig konservatism, fortsätter Etienne Bonnaud.

 Jonathan Mullins och Jens Gunnars presenterade metoden och resultaten vid ASME konferensen Pressure Vessels and Piping i Kanada i juli 2012.

Noggrannare besiktningsintervall och möjligheter för gynnsamma svetsegenspänningar

Valideringen av Inspectas simuleringsmetod för beräkning av restspänningar i svetsar ger nu ökad tillförlitlighet när besiktningsintervall bestäms för olika svetsade objekt i kärnkraftverken.

Metoden ger även bättre möjligheter att bedöma i vilken grad olika svetsar påverkas av spänningskorrosion, utmattning och krypning i objekt i olika industrier, vilket är viktigt för att bedömma under hur lång tid objekten kan användas i drift.   

– Vi undersöker även olika metoder för att minska egenspänningar i svetsar, t.ex. genom tryckprovning med vatten, värmebehandlingar och även inverkan av termiska transienter under drift. Vi analyserar nu de resultat vi har fått från dessa tester, säger Etienne Bonnaud och berättar att de även undersöker hur svetsegenspänningarna påverkas av mekaniska ytbehandlingar som t.ex.  kulblästring, tryckpolering och användning av högtrycksvattenstråle.

– Vi vill hjälpa våra kunder skapa gynnsamma svetsegenspänningar i känsliga områden, säger Jonathan Mullins.

Med den förbättrade simuleringsmetoden ser Jonathan Mullins, Etienne Bonnaud och Jens Gunnars många användningsområden. Det ger industrin bättre kontroll på svetsegenspänningar i olika komponenter och även möjligheter att påverka dem.

 

Sidan skapad: 14 dec 2012