Impact Test ใน ASME Code, Part I

---

          หากพวกเรา เคยดูภาพยนต์เรื่อง Terminator 2 หรือ คนเหล็ก 2 ที่นำแสดงโดยคุณอาร์โนล พวกเราคงผ่านตา กับฉาก classic ที่เกิดขึ้นในระหว่างการต่อสู้ของ T-1000(ตัวร้าย) กับ คุณอาร์โนล หรือ T-800(พระเอก) ในตอนที่ T-1000 ขับรถบรรทุกไนโตรเจนเหลว ไล่ชนรถพระเอก และสุดท้าย T-1000 รถคว่ำ ร่างกายของ T-1000 ที่เป็นหุ่นยนต์ หรือเป็นเหล็กสัมผัสโดยตรงกับไนโตรเจนเหลว ที่อุณหภูมิติดลบ ร้อยกว่าองศาเซลเซียส จึงเป็นผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง เหล็กในตัว T-1000 กลายเป็นโครงสร้างแบบ brittle structure หรือเปราะหมดเลย สูญเสีย mechanical property ทางด้าน strength ไปหมด เลยเป็นผลให้ต้องพ่ายแพ้ ไปในตอนนี้ จากสาเหตนี้เป็นหลัก

           แล้วมันเกี่ยวอะไรกับ pressure vessel? เกี่ยวสิครับ…ทุกท่านทราบดีแล้ว ในตอนนี้ ว่าเหล็กกล้าคาร์บอน หรือ Carbon steel มีคุณสมบัติอย่างหนึ่ง ที่พวกเราทราบอย่างขึ้นใจอยู่แล้ว ว่าเมื่ออุณหภูมิต่ำ(ต่ำแค่ไหน ต่ำระดับติดลบ องศาเซลเซียส) ความสามารถในการดูดซับพลังงาน จะต่ำลง เนื่องจากสาเหตุหลักคือ โครงสร้างจะเปลี่ยนแปลงไปเป็น brittle structure นั่นเอง Pressure vessel ก็เช่นกัน เหล็ก ที่เรานำมาใช้งาน หากใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อเทียบกับการใช้งานที่อุณหภูมิปกติ แน่นอนว่าความสามารถในการดูดซับพลังงาน อันเป็นหัวข้อหลัก ย่อมมีค่าที่ต่างกันแน่นอน อันเป็นผลมาจากแนวโน้มของ brittle structure ที่อุณหภูมิต่ำ เป็นสาเหตุหลัก

           ดังนั้น สิ่งหนึ่งที่เราต้องสนใจ ในขั้นตอนการออกแบบ Pressure vessel สักลูกหนึ่ง นั่นคือ วัสดุ ที่นำมาทำส่วนต่างๆ ของ pressure part โดย ASME จะให้ความสำคัญกับ วัสดุ หรือ material ค่อนข้างมาก โดยที่มักพบกัน เป็นส่วนใหญ่ เรามักพบวัสดุ ในกลุ่มของ Carbon และ Low alloy steel เสียส่วนใหญ่ ถือว่าเป็นลำดับต้นๆ ก็สามารถกล่าวได้ โดยบทความนี้จะกล่าวถึง สมบัติทางกล หรือ Mechanical property อีกส่วนหนึ่ง ของวัสดุ ที่เราจำเป็น/ไม่จำเป็น ต้องทำตามเงื่อนไข หรือ Code requirement อันเนื่องมาจากปัจจัยหลักคือ Brittle structure ที่อุณหภูมิต่ำ โดยหัวข้อที่เราสนใจในวันนี้คือ ทำไมเราต้องให้ความสำคัญกับ Impact test ใน pressure vessel นั่นเองครับ

Fig.1   Stress-Strain Curve กราฟนี้ พวกเราต้องแม่นนะ

Q.1  สิ่งแรกที่เราต้องรู้ก่อน…เราทำ Impact test ไปทำไม ?

A.1 เพราะเราต้องการที่จะทราบ หรือ ต้องการที่อยากรู้ ถึงความเหนียว (Toughness) หรือ ความสามารถในการดูดซับพลังงาน ของวัสดุ โดยไม่เกิดการแตกหัก หรือกล่าวคือ เราสามารถประเมินโอกาศ ที่วัสดุจะแตกหักเสียหายได้ จากการทำ impact test ที่อุณหภูมินั้นๆ (ส่วนใหญ่จะเป็น อุณหภูมิวิกฤติ) นั่นเอง ไม่ว่าวัสดุนั้นๆ จะนำมาประกอบ เป็นส่วนใดๆก็ตามแต่ของ pressure part

          พิจารณาจาก graph ของสองวัสดุ อ้างอิงจาก stress-strain curve เหมือนเดิม (โดย เรายังไม่สนใจอุณหภูมิ หรือนำอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องในขณะนี้นะครับ) วัสดุ A และ วัสดุ B เราสามารถบอกอะไรได้บ้าง เรื่องนี้สนุกครับพวกเรา ASME เป็นวิทยาศาสตร์ที่สนุกมากๆครับ ถ้าพวกเราเข้าใจมัน

          1.โดยจากความรู้พื้นฐาน วิชา material science พบว่า พื้นที่ในส่วนแรเงาใต้ graph คือ Toughness หรือ ความสามารถในการดูดซับพลังงานของวัสดุ ดังนั้นเราจะเห็นได้ว่า พื้นที่ของวัสดุ B ที่มีมากกว่า วัสดุ A จึงสามารถกล่าวได้ว่า วัสดุ B มีความสามารถในการดูดซับพลังงานที่ดีกว่า หรือ Toughness ของวัสดุ B มีค่ามากกว่า วัสดุ A นั่นเอง

          2. เพื่อนสมาชิกสังเกต ช่วงก่อนที่จะพังพินาศ (fracture) นั่นคือ ถัดจากจุด yield ที่เป็น plastic deformation แล้ววิ่งต่อไปยัง จุดที่ fracture นั้น วัสดุ A จะมีช่วง หรือระยะ หรือค่าของ strain ที่น้อยกว่ามากๆ เมื่อเทียบกับวัสดุ กล่าวคือหากมีสภาวะ shock load เกิดขึ้น หรือ variable load (ภาระกรรมเกิดขึ้นซ้ำๆ) จะเป็นผลให้ วัสดุ A พังคือพังเลย ไม่ส่งสัญญาณแจ้งเตือนใดๆทั้งสิ้น และหากพิจารณา ในวัสดุ B ค่าของ strain ที่มากกว่าก่อนจะ fracture นั้น สามารถที่จะส่งสัญญาณบอกเราล่วงหน้าได้นั่นเอง

          3.ที่ 0.2% offset ของแนวแกน x (หรือ strain) สิ่งที่เราต้องการคือ yield strength ของวัสดุ จะพบว่า ค่าของ yield strength ของวัสดุ A มีค่ามากกว่า วัสดุ B อย่างชัดเจน ดังนั้น…แบบไหนดีกว่ากันครับ? เราต้องการ yield strength ที่มากกว่า ใช่หรือไม่ ในการออกแบบ vessel เพราะจะทำให้ความหนาลดลง material cost ลดลง?

Q.2 ทำไม ASME ถึงต้อง require impact test ?

A.2 จากการที่พวกเราทราบกันมาแล้ว Carbon และ low alloy steel อันเป็นวัสดุ group ใหญ่สุด นิยมสุด ที่เรานำมาสร้าง vessel มีคุณสมบัติ ที่สามารถที่จะเปลี่ยนแปลง Toughness หรือ ความสามารถในการดูดซับพลังงาน ได้ตาม ช่วงของอุณหภูมิเป็นหลัก (โดยเพื่อนชาวอเมริกัน ของพวกเรามักจะเรียกว่า Transition temperature) โดยที่อุณหภูมินี้ กล่าวได้คือ Transition temperature จะขึ้นอยู่กับ ชนิด, ส่วนผสม chemical composition ของโลหะแต่ละตัวนั้นๆเป็นหลัก – พวกเราจะเห็นได้ว่า มาตรงจุดนี้ อุณหภูมิ เข้ามาเกี่ยวข้องกันแล้วนะครับ

          จากตัวอย่าง เราจะเห็นได้ว่า ที่ช่วงอุณหภูมิเหนือ Transition zone เราจะพบว่า การพังพินาศ จะเป็นการพังแบบ Ductile fracture กล่าวคือ พลังงานที่วัสดุสามารถที่จะรับได้ ก่อนที่มันจะพังนั้น วัสดุสามารถรับค่าพลังงานได้ค่อนข้างมากเลยทีเดียว เทียบกันในทางกลับกัน ที่อุณหภูมิที่ต่ำลงมาจาก Transition zone วัสดุสามารถรับค่าพลังงานได้น้อยมาก โดยการพังพินาศ จะเป็นแบบ Brittle fracture อย่างเป็นเหตุเป็นผลกัน

           Fig.2   Ductile vs Brittle

         
          ดังนั้น เมื่อเราย้อนกลับไปดูตัวอย่างด้านบน วัสดุ A และ วัสดุ B ตามตัวอย่าง เราจะพบว่า หากเราต้องการ vessel สักใบ ในกรณีที่ vessel ใบนั้น ต้องใช้งาน หรือ รับภาระกรรม ทางด้านอุณหภูมิต่ำ(เช่น vessel สำหรับไนโตรเจนเหลว อุณหภูมิติดลบร้อยกว่าเซลเซียส หรือว่า เราอยู่ในเขตไซบีเรีย ต้องการสร้าง vessel ใช้งานในพื้นที่ ที่อากาศติดลบ ตลอดปี ตลอดชาติ เป็นต้น) วัสดุ A ที่มี yield strength สูงกว่า วัสดุ B ก็จริง-ในการออกแบบ ถ้า condition เดียวกัน วัสดุ A จะมีค่าความหนาในการออกแบบ ที่ต่ำกว่าวัสดุ B อย่างแน่นอน แต่นั่นไม่ใช่คำตอบสุดท้ายในการเลือกวัสดุ เพราะเรามี เงื่อนไขทางด้านอุณหภูมิในการออกแบบเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

          วัสดุ A มีค่า yield strength ที่สูงกว่าจริง (minimum thickness ต่ำกว่าแน่นอน) แต่ในขณะเดียวกัน หากเราออกแบบ vessel ที่อุณหภูมิต่ำ วัสดุ A จะมีความสามารถในการเก็บแรง หรือดูดซับแรง ได้น้อยกว่าวัสดุ B อย่างเห็นได้ชัด ในเรื่องของ fracture mechanic วัสดุ A มีความเป็น Brittle fracture ที่มากกว่า จึงทำให้ในการออกแบบ วัสดุ B ที่มีความสามารถในการดูดซับแรงที่มากกว่าในกรณีอุณหภูมิต่ำ มีข้อได้เปรียบในการเลือกมาใช้งาน หากแต่วัสดุ A สามารถที่จะพิสูจน์ตัวเองใน condition ของการออกแบบที่อุณหภูมิต่ำได้ โดยอยู่ในเงื่อนไขภาระกรรม ที่ทาง ASME กำหนด minimum requirement เอาไว้ วัสดุ A ก็สามารถที่จะนำมาใช้ในกรณีนี้ได้นั่นเอง

Fig.3   ของจริงเลย A516 gr.70 ที่ Norminal thk 38 mm, impact test หรือไม่ ?

         
          ดังนั้น ในการออกแบบ vessel สิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้อีกหนึ่งอย่าง นั่นคือ Temperature design หรือ อุณหภูมิออกแบบ (พวกเราจะเห็นได้ว่า มันสัมพันกันหมด ไม่ว่าจะเป็น แรงดัน อุณหภูมิ วัสดุ คาบเกี่ยวกันหมด) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง low temperature services หรือ การใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ ตามหลักการและเหตุผลของ ASME นั้น เราจะมีเงื่อนไข ของการทำ impact test เพื่อที่จะ prove ว่าเงื่อนไขของวัสดุ, กรรมวิธีการผลิต, กระบวนการเชื่อม ที่เราเลือกมานั้น สามารถผ่านเกณฑ์ขั้นต่ำสุด หรือ minimum requirement ของทาง ASME หรือไม่

          เพื่ออะไร เพื่อที่เราจะได้ลงมายังจุดที่ optimization ของการออกแบบนั่นเอง อย่าลืมว่า ASME ค่อนข้างจะให้ความสำคัญกับ วัสดุเป็นหลักครับ ดังที่เกริ่นนำมาจากข้างต้น ว่า impact test กับ pressure vessel มันสัมพันกันอย่างไร

          ตอนนี้ทุกท่านคงเริ่มมองภาพร่างออกกันแล้ว ในตอนหน้า เราจะมาดูกันว่าเจ้า impact test มันต้องทำในการที่เราสร้าง vessel ในตอนไหน, อย่างไร, ทำ หรือ ไม่ทำ impact test มันสัมพันอย่างไรในการออกแบบ pressure vessel จะลงลึกมากขึ้น หลังจากที่ตอนนี้ พวกเราเข้าใจทฤษฎีของ impact test กันไปคร่าวๆแล้วนั่นเอง ใน Part 2 ผมจะเริ่ม เข้าในส่วนที่ยากกว่านี้ และลึกลง กว่านี้ ขอให้พวกเราทบทวน Part แรกกันให้แม่น ก่อนครับ

ณัฐพงศ์   ไชยสิทธิ์
วก.958        
วุฒิวิศวกรเครื่องกล