VÝZNAM KONTROLY MATERIÁLOV METÓDAMI NDT VZHĽADOM NA ŢIVOTNOSŤ ZVÁRANÝCH KONŠTRUKCIÍ

Transcription

1 VÝZNAM KONTROLY MATERIÁLOV METÓDAMI NDT VZHĽADOM NA ŢIVOTNOSŤ ZVÁRANÝCH KONŠTRUKCIÍ THE IMPORTANCE OF MATERIAL CONTROL BY NDT METHODS GIVEN THE SYSTEM LIFE OF WELDED STRUCTURES Branislav MARTANČÍK, Gabriela MARTANČÍKOVÁ, Koloman ULRICH Materiálovotechnologická fakulta STU v Trnave, Paulínska 16, Trnava, Slovenská republika, branislav.martancik@stuba.sk Abstrakt Súčasná doba nám ponúka množstvo metód nedeštruktívnej kontroly materiálov, ktoré nie sú založené len na detegovaní prítomných chýb, ale aj na určenie ich veľkosti. Defekty nachádzajúce sa vo zvarových spojoch a základnom materiáli sú ich neoddeliteľnou súčasťou. Prítomnosť defektov je preto nutné posúdiť vzhľadom na normy pojednávajúce o akosti kvality výrobkov. Na základe skúseností a poznatkov z praxe sa zvarové konštrukcie zaraďujú do jednotlivých tried podľa požiadaviek obsiahnutých v normách kvality. Pri kontrolách konštrukcií v priebehu životnosti sa vyskytujú defekty, ktoré síce nespĺňajú požiadavky podľa noriem akosti výrobkov, ale neznižujú ich spoľahlivosť v prevádzke a ich plánovanú životnosť. Pri oprave defektov zváraním môžu vzniknúť ďalšie defekty, lokálne zmeny vlastností materiálu a vnesené zvyškové napätia, ktoré môžu znížiť únosnosť a životnosť opravovaných častí zváraných konštrukcií. V takýchto prípadoch je lepšie tieto defekty neopravovať, ale tolerovať ich, ak spĺňajú podmienky vhodnosti pre prevádzku. Hodnotenie prípustností defektov vo zváraných konštrukciách sa vykonáva využitím poznatkov náuky o medzných stavov materiálov, najmä lomovej mechaniky, využitím poznatkov z praxe, ako aj podľa prístupu s podmienkou vhodnosti pre prevádzku. Moderné metódy nedeštruktívnej kontroly materiálov umožňujúce určenie veľkosti defektov a najmä trhlín nachádzajúcich sa nie len v objeme, ale aj na povrchu skúšaných výrobkov majú veľký význam pri posudzovaní ich zostatkovej životnosti. Tento príspevok pojednáva o výhodách nedeštruktívnej kontroly materiálov vzhľadom na životnosť zváraných konštrukcií. Kľúčové slová: nedeštruktívna kontrola, defekty, životnosť zváraných konštrukcií Abstract Present time offers us a variety of methods Non-destructive control of materials that are not based solely on detecting errors present, but also to determine their size. Defects located in welded joints and base materials are an integral part. The presence of defects is therefore necessary to consider with regard to dealing with the quality standards of product quality. Based on the experience and knowledge of practical welded structures are in different classes according to the requirements contained in the standards of quality. Structures in the controls during the lifetime of the defects occur, which, while satisfying the requirements of the standards of product quality, but do not undermine their reliability in operation and their planned lifetime. For repair welding defects may incur additional defects, local changes in material properties and residual stress introduced, which can reduce resistance and life of the repaired sections of welded structures. In such cases it is better to rectify these defects, but tolerate them if they meet the eligibility criteria for the operation. Evaluation of acceptability of defects in welded structures is performed using knowledge of teaching about the limiting condition of materials, particularly fracture mechanics, using the knowledge from experience, as well as by access to an eligibility condition for operation. Modern non-destructive material testing methods for determining the size of defects and cracks mainly located not only in volume but also on the surface of the tested products are of great importance in assessing the residual life. This post discusses the benefits of non-destructive inspection of materials in view of the life of welded structures. Keywords: non-destructive testing, defects, system life of welded structures

2 1. VPLYV DEFEKTOV NA ŢIVOTNOSŤ ZVÁRANÝCH KONŠTRUKCIÍ Pri výrobe konštrukcia musí vyhovieť požiadavkám obsiahnutým v normách kvality výrobkov. Prípustnosť defektov v týchto normách sa stanovovala zo skúseností z praxe, zohľadnením možností nedeštruktívneho skúšania a ekonomických hľadísk. Hodnotenie prípustnosti defektov sa vykonáva využívaním poznatkov náuky o medzných stavoch materiálov, najmä lomovej mechaniky, využitím poznatkov z praxe, ako aj podľa prístupu vhodnosti pre prevádzku (fitness for sevice / purpose). Hodnotenie správania sa defektov vychádza zo vzťahu troch druhov údajov a to z namáhania (napätia a deformácie), defektov (ich rozmery, druh a orientácia) a mechanických charakteristík materiálov. Presné stanovenie údajov potrebných pre hodnotenie prípustnosti defektov je finančne a časovo náročné a býva limitované praktickými možnosťami, na základe čoho je účelnejšie používanie troch stupňov prísnosti (presnosti) hodnotenia prípustnosti defektov, ktoré sa určujú podľa významu konštrukcie a miery ohrozenia prostredia pri havárii [1.]. 1.1 Zatriedenie konštrukcií podľa významu Na hodnotenie prípustnosti defektov v konštrukčných častiach sa vo všeobecnosti konštrukcie zatrieďujú do troch skupín: Zvláštne konštrukcie, ktorých poškodenie ohrozuje bezpečnú prevádzku, ich porušenie ohrozuje zdravie veľkého počtu ľudí alebo dlhodobo znehodnotí životné prostredie. Patria sem zariadenia primárneho okruhu a vybrané zariadenia sekundárneho okruhu jadrových elektrární. Tieto konštrukcie si vyžadujú presnú napäťovú analýzu, 100 % nedeštruktívnu kontrolu zvarových spojov, konštrukcie, kombinovanej kontroly významných oblastí, stanovenie rozmerov, polohy, typu a orientácie vyskytujúcich sa defektov a nutné štatistické spracovanie medzných charakteristík použitých konštrukčných materiálov vrátane lomovomechanických. Náročné konštrukcie, ktorých havária (porušenie) zapríčiní veľké ekonomické škody, ohrozuje viac ľudí a krátkodobo poškodí životné prostredie. Do tejto skupiny patria zariadenia ťažkej chémie, veľké zásobníky skvapalnených plynov, diaľkové plynovody a pod.. Pre tieto zariadenia je potrebná nedeštruktívna kontrola významných častí konštrukcie a poznať mechanické charakteristiky. Konštrukcie všeobecného použitia, ktorých havária spôsobí menšie ekonomické škody a môže spôsobiť len úrazy obsluhujúceho personálu. Pre tieto konštrukcie je potrebné poznať napätia podľa výpočtov, napäťovú analýzu pre významné prevádzkové režimy, mechanické charakteristiky konštrukčných materiálov podľa atestov alebo katalógových údajov a nedeštruktívnu kontrolu významných častí konštrukcie [1.]. 1.2 Medzné stavy konštrukcií Konštrukcia sa v priebehu prevádzky môže natoľko poškodiť, že sa stane nevhodnou pre použitie. Tento stav nazývame dosiahnutie medzného stavu konštrukcie. Podľa miery poškodenia sa rozlišujú dva medzné stavy konštrukcií: prevádzkový medzný stav určujú ho kritéria normálneho používania, čiže prevádzkyschopnosť, ktorá vo veľkej miera závisí od určenia a typu konštrukcie (tlakové zariadenia, kotly, potrubia netesnosť, mosty, dopravné zariadenia, plošiny vibrácie, deformácie), konečný medzný stav (medzný stav porušenia) zodpovedá maximálnej únosnosti alebo životnosti konštrukcie, ktorá nastáva pri náhlom porušení, plastickom zrútení, strate stability niektorých kritických častí, ktoré vyvolávajú zrútenie a haváriu celej konštrukcie, ktorá môže mať tragické následky, straty na životoch a veľké ekonomické škody, podľa závislostí na určení typu konštrukcie [1.]. Postupné poškodzovanie, napríklad únavový alebo korózny rast trhlín, môže byť odhalené pri prevádzkových kontrolách skôr ako poškodenie dosiahne nebezpečnú kritickú úroveň. Niektoré predpisy stanovujú maximálne prípustné poškodenie pri prevádzkovej kontrole ako prevádzkový medzný stav. Pri absencii prevádzkových kontrol alebo ich nedostatočnej spoľahlivosti sa postupné poškodzovanie môže natoľko rozšíriť, že spôsobí haváriu (konečný medzný stav) konštrukcie. Prípustnosť defektov nachádzajúcich sa v materiáli konštrukčných častí sa hodnotí podľa medzných stavov materiálov pre tieto 2

3 spôsoby porušenia: a) krehký lom (porušenie), b) šmykové porušenia, c) tvárne (plastické) porušenie, d)únavový rast trhliny a únavové porušenie, e) vznik netesností tlakových zariadení, f) korózia, korózny rast trhliny, g) tečenie (creep) materiálu pri vysokých teplotách [1.]. 1.3 Vstupné údaje pre hodnotenie prípustnosti defektov Pri určovaní významnosti zistených defektov sa všeobecne postupuje takto: a) ak zistené defekty vyhovujú prijatým kritériám prípustnosti pre výrobu a montáž, schválenie ďalšej prevádzky kontrolovaného zariadenia nie je podmienené nijakými ďalšími opatreniami alebo postupmi, b) ak zistené defekty v danom zariadení presahujú hranice prípustnosti podľa prijatých kritérií, ale sa dajú kvalifikovane porovnať s defektmi, ktorých prípustnosť v analogických zariadeniach bola už akceptovaná, vykoná sa posúdenie ich prípustnosti na tejto základni, c) ak nie sú splnené podmienky v zmysle predchádzajúcich článkov a), b), posúdi sa prípustnosť konkrétnych zistených defektov na základe analýzy ich vplyvu na spoľahlivosť a bezpečnosť proti porušeniu kontrolovaného zariadenia, resp. jeho časti, Použité metódy stanovenia prípustnosti defektov v zmysle článku c) musia zodpovedať súčasnému stavu teoretických poznatkov a praktických skúseností v oblasti spoľahlivosti a bezpečnosti zváraných konštrukcií proti porušeniu. Podliehajú preto sústavnému doplňovaniu a spresňovaniu na báze nových vedeckých poznatkov a noriem z vedných disciplín medzných stavov porušovania materiálov a lomovej mechaniky [2.]. Na posudzovanie prípustnosti zistených defektov sa uplatňuje prístup hodnotenia spôsobilosti zváranej konštrukcie (jej konštrukčných časti) pre ďalšiu prevádzku s použitím vhodného postupu spočívajúci v týchto krokoch : a) v súlade s požiadavkami zvolenej metodiky určovania významnosti defektov v daných podmienkach namáhania konštrukčnej časti sa spracujú informácie o druhu, množstve, rozmeroch a polohách defektov, zistených nedeštruktívnymi skúškami; menovite sa vykoná idealizácia ich tvaru a rozmerov a ich rekategorizácia podľa kritérií pre ich interakcie s povrchom a/alebo s blízko uloženými defektmi, b) podľa konštrukčnej dokumentácie a údajov o spektre prevádzkového zaťaženia, ktorému sa konštrukcia podrobila do doby zistenia defektu (vrátane prevádzkových teplôt a pracovného prostredia), sa určí: druh a výška namáhania konštrukčnej časti s defektom (výpočtom) a podľa potreby sa určí tiež, rozsah degradácie vlastností materiálov v priebehu prevádzky v porovnaní s projektovými parametrami a s vlastnosťami pred uvedením zariadenia do prevádzky (podľa potreby), vstupné údaje pre stav zodpovedajúci ovplyvneniu prevádzkovými parametrami po dobu do zistenia posudzovaného defektu (príslušnými štandardnými skúškami kontrolných zvarových spojov) v odôvodnených porovnateľných prípadoch sa môžu použiť štatisticky vierohodné údaje z informačných systémov o vlastnostiach konštrukčných materiálov a zvarových spojov [3.], c) s uplatnením štandardných a zúčastnenými stranami dohovorených postupov a metód sa posúdi, či z hľadiska ďalšej spoľahlivej a bezpečnej prevádzky danej zváranej konštrukcie zistené defekty možno považovať za prípustné (ak neznižujú únosnosť, spoľahlivosť a bezpečnosť zariadenia v priebehu zvyškovej životnosti), za dočasne tolerovateľné (napríklad do najbližšej periodickej kontroly, alebo s podmienkou zníženia parametrov ďalšieho prevádzkového zaťaženia), alebo napokon či zistené defekty treba odstrániť pred uvedením kontrolovaného zariadenia do ďalšej prevádzky [4.]. 3

4 Hodnotenie prípustnosti defektov nachádzajúcich sa v materiáli zváraných konštrukcií a ich konštrukčných častí je možné na základe vstupných údajov platných pre danú konštrukciu. Medzi tieto vstupné údaje patria: napätie podľa prístupu vhodnosti pre prevádzku je pri hodnotení prípustnosti defektov v konštrukčných častiach účelné deliť napätia na primárne (vyvolávané vonkajším zaťažením, vrátane vlastnej hmotnosti), sekundárne (teplotné σ t vyvolané teplotným poľom, zvyškové σ r vyvolané lokálnym deformačným účinkom) a lokálne špičkové napätia σ 1 (vyvolané koncentráciou napätia z lokálnych tvarových zmien a vrubov, zvýšené napätia v okolí rovinných defektov a nespojitostí). Pri určovaní prípustnosti defektov sa musia uvažovať hodnoty celkových napätí pôsobiacich v okolí defektu v dôsledku uvažovaných spôsobov namáhania, s výnimkou vplyvu koncentrácie napätia vyvolanej samotným defektom, ktorá sa vyjadruje súčiniteľom intenzity napätia KI [5.]. mechanické charakteristiky materiálov: zmluvná zaručená medza klzu R e, medza pevnosti R m, ťažnosť A 5, vrubová húževnatosť KCV, atď. (charakteristiky zaručené s vysokou spoľahlivosťou výrobcom materiálu ), typická medza klzu R e, vrubová húževnatosť KCV, atď. (štatisticky stanovené najpravdepodobnejšie charakteristiky materiálu udávané výrobcom), reálna skutočná medza klzu R e, reálna lomová húževnatosť K CJ, atď. (stanovené skúškou telies odobratých z reálnej vzorky alebo štatistickým rozborom údajov z informačného systému mechanických vlastností ocelí alebo zvarových spojov), dovolené napätie (namáhanie) σ D (používané pri navrhovaní konštrukcie, σ D = min {R e /n 1 ; R m /n 2 } ; n 1, n 2 - súčinitele bezpečnosti) [1.]. nedokonalosti zvarového spoja defekty: - rozdelenie defektov podľa druhu existuje viacero spôsobov hodnotenia nedokonalostí zvarových spojov konštrukcií použitím prístupu vhodnosti pre prevádzku (rovinné nespojitosti trhlina a pod., priestorové nespojitosti bubliny, póry a pod., tvarové odchýlky lineárne presadenie hrán a pod., - roztriedenie defektov podľa polohy delenie defektov podľa polohy v materiáli konštrukčnej časti (povrchové, podpovrchové nachádzajúce sa tesne pod povrchom, vnútorné) [1.]. Zistené defekty sa porovnávajú so stavmi pri predprevádzkovej (tzv. nultej) kontrole a pri predchádzajúcich prevádzkových NDT danej konštrukčnej časti. NDT sa musia vykonať v súlade so schváleným programom zabezpečovania kvality pri prevádzkových kontrolách tak, aby poskytovali čo najspoľahlivejšie údaje [6.]. 1.4 Stanovenie zvyškovej ţivotnosti Obr. 1 Zmena kritickej dĺžky trhliny vplyvom krehnutia ocele a rast defektu v priebehu životnosti konštrukcie [1.] Fig. 1 Resizing critical crack length due to embrittlement of steel and the growth defect during the life of the structure 4

5 Obr. 2 Schéma hodnotenie prípustnosti defektov prístupom vhodnosť pre prevádzku [1.] Fig. 2 Scheme assessment of acceptability of defects approach fitness for service V priebehu životnosti konštrukcie možno očakávať rast defektov a zhoršenie vlastností (húževnatosť) materiálov. Stav defektov sa overuje pri periodických kontrolách, ktoré musia obsahovať okrem vizuálnej kontroly celej konštrukcie aj nedeštruktívnu kontrolu najnamáhanejších uzlov. Zmena vlastností materiálov sa odhaduje skúškami svedočných vzoriek alebo odobratého vzorkového materiálu. Pri hodnotení prípustnosti defektov v priebehu životnosti konštrukcie treba použiť skutočné údaje o defektoch, ako aj skutočné charakteristiky materiálov. Keď za plánovanú dobu defekty nenarastú do neprípustných rozmerov možno predĺžiť životnosť konštrukcie. Na kontrolu kvality výroby sa predpisuje dovolená veľkosť defektu a D, ktorú možno metódami NDT skúšania spoľahlivo zistiť. Dovolená veľkosť defektu a D musí byť väčšia, ako defekt zodpovedajúci náhradnej veľkosti defektu D n, pri ultrazvukovej kontrole. Keď sa vyskytuje v konštrukcii defekt a 1 väčší ako dovolený a D, treba posúdiť, či môže zmenšiť únosnosť alebo skrátiť životnosť konštrukcie. Keď nie, je výhodnejšie defekt neopravovať zváraním, ale ho tolerovať. Oprava defektov zváraním môže viesť k vytvoreniu nových defektov, vneseniu napätí a zmenu mechanických charakteristík materiálu [1.]. 1.5 Prevádzková spoľahlivosť zváraných konštrukcií Zvárané konštrukcie svojím charakterom predstavujú rizikové zariadenia (tlakové nádoby) vo všetkých oblastiach, kde ich používame. Napriek pokroku vo výpočtových metódach, konštrukcii, materiáloch, technológii výroby týchto zariadení, aj ich prevádzky sa stále stretávame s výskytom porúch a havárií s vážnymi dôsledkami. Je to dané tým, že pracovné parametre sa stále zvyšujú a zvárané konštrukcie pracujú blízko medzných stavov. V týchto súvislostiach neustále vzrastá význam spoľahlivosti ako jednotlivých zariadení, tak celých technických systémov [7.]. Obr. 3 Prevádzková spoľahlivosť zváraných konštrukcií [7.] Fig. 3 Operational reliability of welded structures 5

6 1.6 Prístupy hodnotenia ţivotnosti zváraných konštrukcií V súčasnosti sa pri návrhu zváraných konštrukcií a ich častí, z hľadiska ich únavy a životnosti, používajú dva hlavné prístupy SAFE LIFE a DAMAGE TOLERANCE. Schéma prístupov je na obr. 4. SAFE LIFE - musí byť preukázané, že výskyt poruchy konštrukcie s katastrofálnymi následkami je v priebehu jej stanovenej bezpečnej životnosti extrémne nepravdepodobný DAMAGE TOLERANCE - konštrukcia musí preniesť bez poruchy alebo nadmerných deformácií zodpovedajúce zaťaženie i v prípade výskytu únavového, korózneho alebo iného poškodenia, pokým nie je toto poškodenie objavené, SLOW CRACK GROWTH šíriacim sa poruchám a defektom nie je dovolené dosiahnutie kritickej veľkosti, potrebnej k ich nestabilnému šíreniu. Bezpečnosť je zaistená pomalým šírením trhliny kontrolovaným v stanovených intervaloch, Obr. 4 Schéma rozdelenia prístupov hodnotenia životnosti leteckých konštrukcií [8.] Fig. 4 Scheme allocation approaches lifetime evaluation of aircraft structures FAIL SAFE: - konštrukcia je vyrobená zo segmentov, ktorých účelom je zadržať lokálne poškodenie a zabrániť tak celkovému poškodeniu. Bezpečnosť je zaistená pomalým šírením trhliny vo zvyšnej časti konštrukcie, - nestabilne rýchlo šíriace sa trhliny v konštrukcii sa zastavia skôr, než dôjde k jej celkovému porušeniu. Bezpečnosť je zaistená pomalým šírením trhliny kontrolovaným v stanovených intervaloch [8.]. POĎAKOVANIE: Príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VMSP-P SYSTOP. LITERATURA [1.] Kolektív autorov: Konštrukcia a navrhovanie. Bratislava: ZEROSS, 2001, ISBN ] KÁLNA, K.: Hodnotenie prípustnosti defektov v priebehu prevádzky jadrových energetických zariadení. Štandardné odporúčané postupy, Správa VÚZ , Bratislava, 11/1994 [3.] Katalóg mechanických vlastností zvarových spojov: Materiály na výrobu jadrových energetických zariadení, VÚZ Bratislava, I. Oceľ 22K: 1987; JE II : 12/1992 [4.] IIW-SST : The fitness for purpose of welded structures, Force Institute, Copenhagen,

7 [5.] QI : Hodnotenie prípustnosti defektov vo zvarových spojoch tlakových zariadení pri únavovom namáhaní. Inštrukcia pre systém kvality. 1. vydanie, VÚZ Bratislava, 8/1998 [6.] QI : Stanovenie tolerovateľných rozmerov defektov nájdených pri prevádzkových kontrolách tlakových zariadení. Inštrukcia pre systém kvality. 1. vydanie. VÚZ Bratislava, ev. č. 4806, 8/1998 [7.] Dostupné na internete: Návrh a posudzovanie tlakových nádob. < [8.] WHITEHEAD, R. S. a kol.: Certification Testing Methodology of Composite Structures, Northrop Corporation, Aircraft Division, NADC , October