ASME Impact part 3

Impact test ภาค 3 How to avoid impact test in ASME Code.

ความเดิมตอนที่แล้ว พวกเราทราบถึง characteristic ของ Carbon และ low alloy steel อันเป็นวัสดุกลุ่มใหญ่ที่พวกเรานิยม ในงาน vessel ว่า ที่อุณหภูมิต่ำ คุณสมบัติต่อ brittle fracture ชอบถามหาว่าอย่างนั้น โดยปัจจัยหลักในการออกแบบ ก็ทำให้พวกเราหนีไม่พ้น factor ตัวสำคัญ คือ MDMT นั่นเอง มาถึง Impact test ภาค 3 คือภาคนี้ ผมจะพาพวกเราทุกท่าน ไปดูกรรมวิธี หรือจริงๆควรเรียกกระบวนการ ขั้นตอน การออกแบบ เพื่อหลบหลีก Impact test นั่นเอง โดยตัวอย่าง ผมนำมาจากของจริง เป็นงานที่ผม design vessel ไปใช้งานที่เมืองๆหนึ่ง ทางแถบ ไซบีเรีย ประเทศรัสเซีย CET เฉลี่ยตลอดทั้งปี อยู่ที่ติดลบ เซลเซียสครับ พวกเราพร้อมกันแล้วหรือยัง

เราไม่ชอบน้ำ เราชอบเนื้อ เพราะเวลาเรามีจำกัด และนี่คือ บทสรุป ของการออกแบบ pressure vessel สำหรับการที่พวกเรา ต้องออกแบบ ในกรณีที่เราไม่ต้องการทำ impact test สั้นๆ ง่ายๆ (จริงๆก็ไม่ง่าย แต่ถ้าเข้าใจ มันจะง่าย) ไม่เกิน 4 steps นี้ บนโลกนี้ Carbon และ low alloy steel ที่จะถูกเลือกเพื่อนำมาใช้เป็นส่วน pressure part ใน pressure vessel นั่นเอง ดิ้นยังไง ก็ดิ้นได้ไม่เกิน 4 หัวข้อนี้ (อันที่จริง ผมมองว่า ASME ช่วยพวกเราค่อนข้างเยอะครับ ในการออกแบบ, ทำไมถึงว่า ช่วยเยอะ พวกเรามาอ่านดูกัน หากครบ 4 steps นี้แล้ว) เมื่อทุกท่านพร้อมแล้ว ผมขอให้เปิดตำราไปพร้อมๆกันครับ เราจะไปทีละ step ก่อนตามมาด้วยตัวอย่าง ไม่อย่างนั้น มองไม่เห็นภาพแน่ครับ พวกเรากำลังเล่นอยู่กับ ความดัน และอุณหภูมิกันอยู่ บางครั้งเรามองหน้าตามันไม่ออก เดาทางมันไม่ออก

UG-20 (f) > UCS-66 (a) > UCS 68(c) >UCS 66 (b)
Design Temperature

          Step 1.
          ASME section 8, div 1: UG-20 (f) Design temperature สรุปประเด็น การเริ่มการออกแบบไว้แบบ basic เอาไว้ว่า Impact testing นั้น กำหนดให้ not mandatory สำหรับเงื่อนไขที่ออกแบบตามต่อไปนี้

          1.วัสดุจำพวก P-No.1 Gr-No.1 หรือ 2
               (a) กรณีวัสดุอยู่ในกลุ่มวัสดุ Curve A ใน Fig.UCS 66 ไม่ต้องทำ impact ถ้าความหนา ต่ำกว่า ½ นิ้ว
               (b) กรณีวัสดุอยู่ในกลุ่มวัสดุ Curve B,C และ D ใน Fig.UCS 66 ไม่ต้องทำ impact ถ้าความหนา ต่ำกว่า 1 นิ้ว
           2.มีการทำ Hydrostatic test หรือไม่ ? หลังจากพวกเรา fab เสร็จ
           3.Design temperature ?
               − 20°F (−29°C) < อุณหภูมิออกแบบ < 650°F (345°C)
           4.Vessel shock loading?
           5.Vessel cyclic loading?

           Example 1 (สำหรับ Step 1)

           ข้อมูลทั่วไปของ vessel ที่เราต้องการออกแบบ คร่าวๆ มีดังนี้ โดยโจทย์ ที่เราต้องตั้งในใจ คือ ต้องทำ Impact test หรือไม่ ?

           วัสดุ หรือ material: SA 516 Gr-70 กำหนด Normalize
           Nominal thk        : 1.8125 นิ้ว
           PWHT                : กำหนดต้องทำ                                    Hydrostatic test                 : กำหนดต้องทำ
           MDMT               : − 20°F (−29°C)                              Shock or cyclic load          : ไม่ถูกนำมาพิจารณา

           Ans. พิจารณา จาก UG-20 (f) ก่อนในลำดับแรก SA 516 Gr-70 กำหนด Normalize เป็นวัสดุ P.No 1 Gr.No 2 และ เป็นวัสดุที่ทาง ASME จัดกลุ่ม ให้อยู่ใน Curve D ของ Fig.UCS 66 ดังนั้นจะพบว่า จาก UG-20(f) (1) เกณฑ์การยอมรับได้ ของความหนา หรือ Norminal thk ของกรณีการออกแบบตัวนี้ คือ 1 นิ้ว แต่โจทย์กำหนดว่า norminal thk จากการคำนวณมาคร่าวๆ อยู่ที่ 1.8125 นิ้ว

           จบเกมเลย ท่านไม่ต้องไปพิจารณา UG-20(f) ข้อที่ 2,3,4,5 ต่อแล้วครับ เพราะเงื่อนไข ข้อแรก ท่านไม่ผ่านแล้ว หรือ กล่าวให้ง่ายคือ ท่านจำเป็นต้องมาพิจารณา ใน step 2. หรือ UCS-66(a) ต่อนั่นเอง ว่า step 2. จะสามารถช่วยพวกเรา เพื่อไม่ต้องทำ หรือ เพื่อหลบ impact test ได้หรือไม่ จากเงื่อนไขของ step 1. หรือ UG-20(f) เราไม่ผ่านนั่นเอง

***ไม่งงนะครับ อย่าเพิ่ง ด่วนสรุป ไปทำ Impact test !!!
ASME บอกพวกเราว่า อย่าเพิ่ง ด่วนสรุป ไปดู Step 2 ต่อสิ…ASME ใจดี จะลองหาทางช่วยดูสิ

UG-20 (f) > UCS-66 (a) > UCS 68(c) >UCS 66 (b)
Design Temperature > material

Step 2.
ASME section 8, div 1: UCS-66 Material สรุปประเด็นเอาไว้ว่า เมื่อใดก็ตามที่พวกเรา มาพิจารณาเงื่อนไข ของการหลบ impact test โดยความสามารถทางด้าน วัสดุนั้น เราจะพบว่า ประเด็นหลักจะอยู่ที่ความสัมพันธ์ระหว่าง ความหนาชิ้นงาน(ที่เราพิจารณา) กับ Design temperature(อุณหภูมิออกแบบ) ของวัสดุตัวนั้นๆ ที่เราสนใจภายใต้เงื่อนไขของ ความเสี่ยง ที่มันสามารถจะ brittle fracture นั่นเอง โดย ASME ให้พวกเรา พิจารณาจากกราฟ UCS-66 เป็นหลัก ตามเงื่อนไขของ code ที่กำหนดเอาไว้ หรืออาจจะกล่าวได้ว่า Acceptance criteria ของกราฟ UCS-66 มีดังนี้

หากพิจารณา จุดที่ อุณหภูมิออกแบบ ตัดกับ ความหนาที่เราพิจารณา อยู่ด้านบน(หรืออยู่เหนือ) Curve ของวัสดุที่เราพิจารณา Impact test เราใจดี ไม่ต้องทำ Code กำหนด จบเลย
แต่หากว่า จุดที่ อุณหภูมิออกแบบ ตัดกับ ความหนาที่เราพิจารณา อยู่ด้านล่าง(หรืออยู่ใต้) Curve ของวัสดุที่เราพิจารณา Impact test ยังไม่ฟันธง ว่าต้องทำ หรือ ไม่ทำ ท่านต้องไปดูเงื่อนไข ใน step ถัดไป

อ่านมาถึงตรงจุดนี้ (ยังไม่ถึงครึ่งทางนะ) หลายท่านเริ่มสับสน/ไม่สับสน เราขอสรุป…ก่อน ย้อนไปทำความเข้าใจ อีกหนึ่งรอบ กรณียังสับสนอยู่ ดังนี้คือ จากโจทย์ที่เราต้องการจะออกแบบ vessel

-หากเงื่อนไขการออกแบบ เข้าข่าย UG-20(f) ครบถ้วน ครบทุกข้อ นั่นแปลว่าทุกอย่างจบ Impact test ไม่ต้องทำ Code กำหนด จบเลย
-หากเงื่อนไขการออกแบบ ตาม UG-20(f) ไม่ครบ, หรือ หลุดไปสักข้อ หรือข้อใด ข้อหนึ่ง นั่นแปลว่า เราต้องมาพิจารณา เงื่อนไขที่จะขอยกเว้นการทำ Impact test ตาม UCS 66 เป็นลำดับถัดมา (ห้ามข้ามขั้นตอน-Code กำหนด)

           Example 2 (สำหรับ Step 2 - UCS 66)

          กลับมาที่โจทย์เดิมของพวกเรา ตัดมาจากตอนที่แล้ว เพื่อไม่ให้เป็นการเสียเวลา พวกเราเปิด ASME code ไปดูที่กราฟ UCS 66 กันเลย จะพบจุดตัด X ตามเงื่อนไข อุณหภูมิออกแบบ กับ ความหนาชิ้นงาน จะพบว่า กรณีนี้ material หลักของเราคือ 516 gr.70 Normalized มาเรียบร้อย คือ material ใน curve D ดังนั้นในกราฟ เราสนใจแค่ curve D อย่างเดียว อันอื่นตัดทิ้งได้เลย พวกเราลากเส้น หาจุดตัด ระหว่าง Norminal thk กับ MDMT ออกแบบ หาจุดตัด X ครับ

          จุดตัด X อยู่ด้านล่าง curve à จะเห็นได้ว่า เงื่อนไข ของการใช้กราฟ UCS 66 ก็ยังไม่เป็นผลอีก ยังไม่สามารถหลบ Impact test ได้อีก ตามเงื่อนไขนี้ แต่ยังไม่ฟันธง ว่าต้องทำ หรือ ไม่ทำ ท่านต้องไปดูเงื่อนไข ใน step ถัดไป (ทำไม ชีวิตมันลำบากเช่นนี้)

          พวกเราจะเห็นจากกราฟ ที่ความหนา 1.8125 นิ้ว + material group D. = MDMT ตาม code กำหนด คือ ยอมรับให้ได้ที่ -7 F โดยในขณะที่ เราออกแบบให้ MDMT อยู่ที่ -20 F

          นั่นแปลว่า ท่านไม่สามารถใช้ได้นะครับ เพราะอะไร เพราะมันต่ำกว่าเงื่อนไขที่ทางตัววัสดุ ที่ความหนา 1.8125 นิ้ว มันจะรับได้ Brittle fracture มาแน่นอน และหากท่านพิจารณาจากกราฟต่อไป ที่ -20 F เงื่อนไขเดียวที่จะออกแบบได้โดยใช้วัสดุใน group D คือ ต้องออกแบบที่ความหนา ไม่เกิน 1.25 นิ้วนั่นเอง แต่เงื่อนไขการออกแบบ vessel จากโจทย์เราข้อนี้ norminal thk ของพวกเรา 1.8125 นิ้ว รับไม่ได้นั่นเอง เงื่อนไขการออกแบบตรงนี้ ค่อนข้างที่จะตรงตัว และชัดเจนมาก ณ จุดนี้

UG-20 (f) > UCS-66(a) > UCS 68(c) > UCS 66 (b)
Design Temperature > Material > Design

           Step 3.
          ASME section 8, div 1: UCS 68 (c) Design กล่าวกับพวกเราเอาไว้ว่า ASME ใจดี เนื่องจากพวกเรา ไม่ได้อยากต้องการจะทำ impact test เลย ค่าใช้จ่ายมากมายมหาศาล ซื้อของก็ต้องมีต่อราคา เป็นธรรมดา ASME จึงมีข้อแม้ สามารถให้พวกเรา ทำการลดอุณหภูมิ (ออกแบบ) ลงไปได้อีก 30°F (หรือ 17°C) จากอุณหภูมิออกแบบใน ***Graph UCS 66 เฉพาะกรณี ที่เราทำ PWHT นะครับ (ASME ใจดี สามารถให้ลด Tempได้ หากแต่ไม่ให้ฟรีๆนะ ท่านต้องมีค่าใช้จ่ายเพิ่มในการทำ PWHT)

          พอมีความหวัง ในการออกแบบที่จะหลบ impact test แล้วหรือยัง พวกเรา – Code กำหนด ?

          ช้าก่อน ASME กล่าวเอาไว้ครับพวกเรา…ข้าใจดี แต่ข้ามีเงื่อนไข 1 ข้อ ต้องมาแลกเปลี่ยนกัน ไม่ใช่อยู่ดีๆ ข้าอนุญาตให้ท่านจะไป  ลดอุณหภูมิ (ออกแบบ) ลงไปได้อีก 30°F (หรือ 17°C) จากอุณหภูมิออกแบบใน ***Graph UCS 66 นะ เงื่อนไขที่ว่านี้ก็คือ กรณี UCS 68 (c) นี้ ท่านต้องใช้ในกรณีที่ PWHT ต้องทำในกรณีที่ ไม่ใช่ Code requirement เท่านั้น ถ้าเมื่อไหร่ก็ตามที่ Code requirement กำหนดมาสำหรับงานนั้นๆ ทาง ASME เสียใจด้วย ท่านไม่สามารถต่อรองราคาได้ เตรียมตัวทำ Impact test นั่นเอง

          Example 3 สำหรับ Step 3 - UCS 68 (C)

          กลับมาที่โจทย์เดิมของพวกเรา พอเห็นแสงสว่างที่ปลายอุโมงค์แล้ว ในเมื่อการออกแบบภาคบังคับตาม UG-20 (f) ไม่ได้ผลแล้ว เลยต้องมีแผนสำรอง UCS-66 (a) ปรากฎว่าไม่ได้ผลอีก ยังไม่หมดความหวัง ไทยแลนด์เราต้องสู้จนเลือดหยดสุดท้าย กลับมาดูที่ UCS 68(c) พิจารณา ว่าถ้าเรามีการทำ PWHT เพิ่มขึ้นมา เราก็สามารถมีแนวโน้มที่จะหลบ Impact test ได้สินะ

จากโจทย์เดิม         P.No 1, Gr.No 2 ของเรา ชิ้นงาน Norminal thickness มีค่า 1.8125 นิ้ว (จากการคำนวณ)
                          PWHT กำหนดให้ทำ จากโจทย์

UCS 68 (C)       สามารถลดอุณหภูมิ (ออกแบบ) ลงไปได้อีก 30°F (หรือ 17°C) หรือไม่ กรณีนี้ ?

           พิจารณา

          ชิ้นงาน P.No 1, Gr.No 2 ของเรา มีการทำ PWHT ของชิ้นงานเรียบร้อยแล้ว เราไม่ต้องมาทำเพิ่ม เนื่องจากสาเหตุหลักคือ Norminal thickness ที่มีค่า 1.8125 นิ้ว (หรือ กล่าวสั้นๆคือ มันหนาเกินแล้วนะ Code พิจารณาแล้ว ความหนาระดับนี้ ผมไม่ยอมที่จะไม่ต้องทำ PWHT แล้ว ดังนั้นมันจึงเป็นภาคบังคับของ UCS 56 อย่างอัตโนมัติ ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ที่จะต้องทำ PWHT) หรือ Code requirement มันมีอยู่แล้วนั่นเอง จบกัน ดังนั้นสำหรับกรณีนี้ UCS 68 (C) ไม่สามารถใช้ในการออกแบบ เพื่อหลบ Impact test ได้

          เพิ่มเติม*** หลายท่านสอบถาม เวลาผมไปสอน ตรงจุดนี้ว่า…แล้วเจ้า Code requirement หรือ ที่นายช่างบอกเอาไว้ว่า Code มันบังคับว่าต้อง PWHT นี่อยู่ตรงไหน คำตอบคือ ท่านไปดู Table UCS-56-1 ถึง Table UCS-56-11 แบ่งตาม P.No และ ความหนาชิ้นงานเป็นหลัก ถ้าหลุดจากนี้ไป คือ Code ไม่บังคับ จึงมีความเป็นไปได้ ที่ UCS 68 (C) จะเข้ามาเป็นพระเอกในงานนี้ครับ แต่หากเมื่อไหร่ก็ตามที่ PWHT เป็นภาคบังคับอยู่แล้ว ท่านข้าม part นี้ไปรอที่โค้งหน้าได้เลย

UG-20 (f) > UCS-66(a) > UCS 68(c) > UCS 66 (b)
Design Temperature > Material > Design > Material

Step 4.

          ASME section 8, div 1: UCS 66 (b) Material เพื่อนสมาชิก พอเห็นแนวทางจาก Flow direction เกี่ยวกับหัวข้อนี้เรียบร้อยนะครับ จาก Direction ทางด้านบน เราเริ่มกันที่ Design Temperature ตามหลักการออกแบบ ที่มาจาก CET และ MDMT เป็นหลัก ถัดจากนั้นจึงมาดูที่ Material ถ้าเราหลบ impact ได้ คือหลบ (ลำดับที่ 2 หรือ UCS 66 (a)นั่นเอง) ถ้าหลบไม่ได้ เราก็ต้องกลับมาที่หลักการ Design อีก (หรือ UCS 68 (C) ตามขั้นตอน ตามลำดับ) ถ้ายังหลบไม่ได้อีก เรามีมาตรการขั้นเด็ดขาด คือ UCS 66 (b) ดังที่จะกล่าว ต่อไปนี้ – สุดท้ายแล้ว Finally แล้ว ASME ใจดี แต่ทุกอย่างต้องมี limit ให้เราครับ

          มาถึง Step 4 ค่อนข้างยาว ถึงยาวมาก ผมขอต่อใน Impact test ภาค 4 ครับ ก่อนให้การบ้านพวกเรา ทบทวนบทความของทั้ง 3 ภาคก่อนหน้านี้ ที่ผ่านมาก่อน โดยที่ Step 4 จะเป็นไม้ตายในการที่เราใช้ ลดอุณหภูมิของ อุณหภูมิออกแบบที่ต่ำที่สุด หรือ MDMT โดยเกริ่นเบื้องต้นก่อนว่าเราอาศัย หลักการ หรือ concept ของความหนาเปรียบเทียบ ระหว่าง Require thk เปรียบเทียบ Norminal thk โดยผมจะพาพวกเรา หลบ impact test จากโจทย์ข้อนี้ครับ พบกันตอนหน้า ภาค 4 ของ Impact test: The final episode (มีทั้งการคำนวณที่ค่อนข้างซับซ้อน ทั้งความเข้าใจ ถามว่ายากไหม ตอบได้ว่า ไม่ยากและไม่ง่ายครับ)

          หากแต่ถ้าพวกเราไล่ตาม step การออกแบบนี้แล้ว แล้วหลุดจาก 4 step นี้ไปแล้ว เราไม่สามารถ ฉุด หรือ รั้งเอาไว้ในการทำ impact test เอาไว้ได้ ก็คงต้องยอมปล่อยให้ไป…ความรักก็เช่นกัน

ผู้เขียน: ณ เมือง Irkutsk ประเทศรัสเซีย

ณัฐพงศ์   ไชยสิทธิ์
วุฒิวิศวกรเครื่องกล
วก.958