[Tisk]  [Poslat e-mailem]  [Hledat v článcích]
MECHANICKÉ ZKOUŠKY NA MATERIÁLECH VÝROBKŮ
PROVOZOVANÝCH ZA NÍZKÝCH A VYSOKÝCH TEPLOT
Datum: 1.9.2008
Autor: Ing. Jiří Podhora, CSc. - CheVess ENGINEERING, s.r.o., Brno
Na tradičním semináři Hrotovice 2007 jste mohli vyslechnout přednášku na téma: MECHANICKÉ ZKOUŠKY NA MATERIÁLECH VÝROBKŮ PROVOZOVANÝCH ZA NÍZKÝCH A VYSOKÝCH TEPLOT.

Pro zajištění provozní bezpečnosti výrobků je nutno provádět mechanické zkoušky použitých základních materiálů, svařovacích materiálů a svarových spojů. Materiály výrobků a jejich svarové spoje, které budou provozovány za nízkých teplot resp. za vysokých teplot, musí být navíc kontrolovány mechanickými zkouškami na odolnost vůči křehkému porušení, případně zkouškami za vyšších teplot. Podrobný přehled destruktivních zkoušek obsahuje příručka TDS Brno - SMS, s.r.o. „Destruk­tivní zkoušení základních materiálů a svarových spojů" vydaná v březnu 2005. V posledním období byly zavedeny do soustavy ČSN některé nové svářečské normy, které souvisejí s novými metodami destruktivního zkoušení, nebo s rozšířením jejich platnosti pro státy v oblasti Pacifi­ku.

1. ÚVOD

Náročné svařované výrobky, jako např. tlaková zařízení, staticky nebo dynamicky na­máhané ocelové konstrukce, které navíc pracují za nízkých resp. vysokých teplot, jsou obvykle konstruovány a vyráběny podle zvláštních předpisů a norem. V těchto předpisech a výrobko­vých normách jsou stanoveny požadavky na materiály, na jejich zkoušky a kritéria, jimž vý­sledky zkoušek musí vyhovět. Pokud jsou tyto svařované výrobky provozovány za nízkých teplot, které jsou vyvolány okolní atmosférou nebo provozním médiem, jsou uvedeny v souvisejících výrobkových normách požadavky na plastické vlastnosti základních a svařova­cích materiálů, včetně jejich svarových spojů, z hlediska odolnosti vůči křehkému porušení. Pevnostní vlastnosti materiálů se při snižování jejich teploty naopak zvyšují a není je proto nut­no při snížených zkušebních teplotách kontrolovat.

Pro svařované výrobky, které jsou provozovány za zvýšených nebo vysokých teplot, musí být použité materiály a jejich svarové spoje ověřovány z hlediska vyhovujících creepo-vých vlastností, krátkodobé smluvní meze kluzu Rp a odolnosti vůči zkřehnutí při zvýšených provozních teplotách a v některých případech i na odolnost vůči křehkému porušení (např. při tlakové zkoušce nádoby chladnou kapalinou).

Největší různorodost destruktivních zkoušek se dá očekávat při výrobě tlakových zaří­zení. Proto další text příspěvku bude zaměřen zejména na destruktivní zkoušky materiálů a sva­rů tlakových zařízení, tj. tlakových nádob, kotlů a potrubí. U ocelových konstrukcí pouze na oblasti, které jsou pro ně z hlediska mechanických zkoušek specifické (cyklické zatěžování při nízkých teplotách apod.)

V současné době se rovněž řeší problematika mechanických zkoušek u svařovacích ma­teriálů pro nízké a vysoké teploty v nových evropských a mezinárodních normách pro evropské státy a státy v oblasti Pacifiku.

2.SVAŘOVANÉ VÝROBKY PRO NÍZKÉ TEPLOTY

2.1 Křehký lom

Jak bylo v úvodu řečeno, pevnostní vlastnosti materiálů se při snižování pracovní teplo­ty nesnižují. U některých typů ocelí (např. nízkouhlíkových, nízkolegovaných apod.) dochází v tzv. přechodové teplotní oblasti k prudkému snížení plastických vlastností. Původně plastická ocel přechází, při snižování teploty, do křehkého stavu. Tím, za určitých podmínek, vzniká nebezpečí křehkého lomu celého výrobku.

Křehký lom je náhlý nestabilní lom, který nastává při nominálním napětí, které je nižší než makroskopická mez kluzu. Patří mezi mezní stavy konstrukce, kdy v důsledku nejrůzněj­ších příčin ztrácí konstrukce plnit funkci, pro kterou je určena. Největší rozvoj řešení vzniku křehkého lomu nastal na konci II. světové války, kdy došlo k hromadné havárii celosvařova-ných lodí typu Liberty. Z 2500 vyrobených lodí se 145 rozlomilo na dvě části a téměř 700 bylo postiženo vážnými závadami. Výsledkem bylo stanovení kriteria min. vrubové houževnatosti 35 kgm/cm2. Po válce se objevilo velké množství havárií mostů, plynovodů, ropovodů, vel­kých nádrží a tlakových nádob. Dalším impulsem bylo zavádění ocelí s vysokou pevností, které jsou velmi citlivé na vznik křehkého lomu u svařovaných konstrukcí. Problematiku křehkého lomu řeší tzv. lomová mechanika.Výsledkem rozvoje lomové mechaniky jsou samostatné nor­my pro destruktivní zkoušení materiálů používaných pro výrobky, které pracují při nízkých teplotách, výrobkové normy pro taková nízkoteplotní září zení ,např. pro kryogenické nádoby ČSN EN 13458 a ČSN EN 13530, a požadavky pro předcházení křehkému lomu podle přílohy B, normy pro netopené tlakové nádoby ČSN EN 13445-2 - Materiál.

Tato příloha B specifikuje kriteria pro tři alternativní metody kontroly, jak pro základní materi­ály , tak i pro svarové spoje. Kriteria jsou založena na minimálních požadavcích na nárazovou práci (v J ), nebo vypočítanou vrubovou houževnatost (v J/cm2), při stanovených teplotách. Třetí metoda podle přílohy B počítá s koncepcí lineární lomové mechaniky. Vychází se ze sku­tečnosti, že pro vznik křehkého lomu je nutno splnit současně tři podmínky:

  • nadkritická velikost působícího napětí kolmo na trhlinu
  • přítomnost vady typu trhliny
  • nízká hodnota lomové houževnatosti materiálu při dané teplotě.

Pokud některá z těchto podmínek není splněna, nedochází ke vzniku křehkého lomu svařovaného výrobku. První dvě podmínky jsou záležitostí pevnostního výpočtu a nedestruk­tivní kontroly výrobku. Třetí podmínka se zajišťuje destruktivními zkouškami základních mate­riálů, svarových kovů a svarových spojů.

2.2 Druhy a rozsah křehkolomových zkoušek

Druhy a rozsah zkoušek pro zajištění bezpečnosti vůči křehkému porušení svařovaných výrobků určují evropské směrnice, výrobkové normy a doplňující požadavky výrobce a odběra­tele.

Pro tlaková zařízení platí směrnice Evropského parlamentu a Rady 97/23/ES (PED), která je v ČR zavedena jako Nařízení vlády č. 26/2003 Sb. v platném znění NV 621/2004. V příloze l je uvedeno, že ve výpočtu odolnosti vůči vnitřnímu přetlaku musí být použity hodno­ty, které odpovídají vlastnostem materiálu a mezi něž patří vrubová houževnatost a lomová houževnatost. Vlastnosti materiálů použitých na součásti vystavených tlaku musí vyhovovat požadavkům na nárazovou práci při zkoušce rázem v ohybu, měřené na zkušební tyči ISO s V vrubem s hodnotou, která není menší než 27 J, při teplotě , která není větší než + 20°C, avšak není vyšší, než nejnižší předpokládaná dovolená teplota. Tam, kde je to nutné, je třeba věnovat zvláštní péči volbě materiálu, aby se předešlo vzniku křehkého lomu. Další podrobnos­ti jsou uvedeny např. v normě ČSN EN 13445-2, v příloze B. Pro posuzování odolnosti vůči křehkému porušení svařovaných výrobků, které jsou provozovány za nízkých teplot, je nutno provést některé následující doplňující mechanické zkoušky.

2.2.1 Zkouška rázem v ohybu za nízkých teplot

Zkouška rázem v ohybu je důležitou materiálovou zkouškou pro stanovení plastických vlast­ností materiálů při rázovém namáhání. Provedení zkoušky a její vyhodnocení je v normě ČSN EN 10045-1. Výsledky této zkoušky vypovídají o chování základního materiálu, resp. svarové­ho spoje konstrukce nebo zařízení, z hlediska odolnosti vůči křehkému porušení. Přesto, že se jedná o relativně jednoduchou konvenční zkoušku, byla u některých materiálů zjištěna závislost mezi jejími výsledky a výsledky náročných zkoušek lomové houževnatosti.

Princip zkoušky spočívá v přeražení zkušební tyče jedním rázem na Charpyho kyvadlovém kladivu. Zkušební tyč normalizovaného rozměru 10x10x55 mm má uprostřed V vrub. Tyč je umístěna na podporách kladiva a po kyvu se odečítá spotřebovaná potenciální energie potřebná na její přeražení. Jako výsledek zkoušky se určuje nárazová práce v Joulech (J). Zkouška rázem v ohybu má, zejména v tzv. přechodové oblasti zkušebních teplot statistický charakter, a provádí se proto obvyk­le v sadách po třech zkušebních tyčí, ze kterých se vyhodnocuje průměrná a minimální hodnota. Pro stanovení nárazové práce za minusových zkušebních teplot se zkušební vzorky ochlazují ve speci­ální chladící lázni. Podle požadova­né teploty se ke chlazení používá buď směs lihu a suchého ledu (C02), nebo tekutého dusíku. Příklad kyvadlového kladiva s energií 300 J, který je navíc vyba­ven instrumentací pro stanovení dynamické lomové houževnatosti kw je na obrázku č. 1.

2.2.2 Dynamická lomová houževnatost KId

Zkouška dynamické lomové houževnatosti KId za nízkých teplot na malých zkušebních tělesech 10x10x55 mm s V rubem a nacyklovanou trhlinou poskytuje nejpřísnější výsledky pro kontrol­ní výpočet odolnosti vůči křehkému lomu u dynamicky namáhané konstrukce. Dynamická lo­mové houževnatost je materiálovou charakteristikou, závislou na teplotě.

2.2.3 Statická lomová houževnatost KIL

Pro stanovení kritické velikosti vady např. ve svarovém spoji staticky namáhané konstrukce je nezbytné stanovit další materiálovou charakteristiku - statickou lomovou houževnatost. Podob­ně jako zkouška rázem v ohybu nebo dynamická lomová houževnatost, je tato materiálová cha­rakteristika závislá na jeho teplotě. Na rozdíl od zkoušky rázem v ohybu je zkouška statické lomové houževnatosti časově a fi­nančně náročná a aby byla platná, musí být prováděna na velkých a speciálně upravených zku­šebních tělesech a zkušebních trhacích zařízeních. Zkouška statické lomové houževnatosti při rovinné deformaci se provádí podle normy ČSN EN ISO 12737 na tělesech pro tříbodový ohyb, resp. na kompaktních CT tělesech. Příklad přípravy CT tělesa pro zkoušku je na obr. 2.

Zkouška statické lomové houževnatosti při rovinné deformaci vyžaduje určitou minimální tloušťku vzorku, kterou není možno vždy dodržet. Hodnoty KIC se proto stanovují zejména pro vysoce pevné oceli.

Pro nízkouhlíkové oceli s nižší mezí pevnosti se proto stanovuje např. statická lomová houžev­natost ku Jejíž teplotní průběh je mezi teplotní závislostí KIC a KID. Lomová houževnatost ku se z výsledků provedené zkoušky na tříbodových nebo CT tělesech vypočítává koncepcí tzv. J -integrálu. Pro kontrolu svarových spojů na odolnost vůči křehkému lomu se používají další metody výpočtu ze změření kritického rozevření trhliny δc.

Pro konkrétní základní materiály a svarové spoje, které byly na nich provedené různými meto­dami svařování, jsou k dispozici ve sbornících VŮZ Bratislava a některých dalších výzkum­ných a vědeckých pracovišť České a Slovenské republiky hodnoty statické a dynamické lomo­vé houževnatosti.

2.2.4 Zkoušky rázem v ohybu na velkých tělesech

Další důležitou oblastí kontroly odolnosti vůči křehkému lomu jsou zkoušky na velkých těle­sech, např. pro stanovení teploty zastavení trhliny na kyvadlovém kladivu s energií 10 kJ, dále pro stanovení teploty nulové houževnatosti na padostrojích apod. Všechny výsledky těchto mechanických zkoušek umožňují kontrolu svařovaných výrobků z hlediska vzniku křehkého porušení při provozu za nízkých teplot.

3. SVAŘOVANÉ VÝROBKY PRO VYSOKÉ TEPLOTY

3.1 Tečení materiálu (creep)

Tečení materiálu je jedním z jeho mezních stavů a nastává při namáhání materiálu za teplot v creepové oblasti. Při creepu dochází k nárůstu časově závislé plastické deformace ma­teriálu při konstantní teplotě a konstantním napětí. Při měření získaná crepová křivka charakte­rizuje tři stadia creepu, viz obr. 3 :

  • primární creep
  • sekundární creep, kdy se rychlost creepu prakticky nemění s časem
  • terciální creep, který končí lomem při dosažení mezní deformace.

3.2 Druhy a rozsah creepových zkoušek

Zkoušky creepových vlastností základních materiálů a svarových spojů jsou dlouhodo­bou záležitostí (za l rok je možno získat cca. 8,7 x 103 hod na jedné zkušební tyči). Nejběžnější informace uváděné v materiálových listech pro výpočet zařízení jsou následující:

  • mez pevnosti při tečení (tj. napětí, způsobující při dané teplotě T porušení za stanove­nou dobu t sub>r),
  • mez tečení (tj. napětí, při němž je při dané teplotě T dosaženo předepsané trvalé defor­mace za stanovenou dobu t často se volí tato trvalá deformace 1%),
  • rychlost deformace (při stacionárním creepu).

Zkouška sestává z ohřevu zkušební tyče na jmenovitou teplotu a deformace zkušební tyče po­mocí konstantní tahové síly nebo konstantního tahového napětí aplikovaných podél její podélné osy po jistou časovou periodu, aby bylo dosaženo buď:

- stanoveného trvalého prodloužení při tečení nebo lomu zkušební tyče (nepřerušovaná zkouška), nebo

- hodnoty trvalého prodloužení ve vhodných intervalech v průběhu zkoušky nebo lomu zku­šební tyče (přerušovaná zkouška).

Zkušební stroj musí aplikovat zatěžující sílu podél osy zkušební tyče a současně udržovat ne­žádoucí ohyb či zkroucení zkušební tyče na minimu. Zkušební stroj může být jednotkový nebo hromadný pro větší počet zkušebních tyčí.

K měření prodloužení u nepřerušovaných zkoušek musí být použito průtahoměru, který splňu­je požadavky na provedení třídy l nebo lepší podle ČSN EN 10002-4, nebo jinými vhodnými způsoby splňující tyto požadavky. Průtahoměr musí být kalibrován v min. tříletých intervalech.

Zařízení pro ohřev musí zkušební tyč ohřát na jmenovitou teplotu T. Povolené úchylky mezi indikovanou teplotou Ti a jmenovitou teplotou T a maximální přípustný teplotní gradient po tyči jsou závislé na jmenovité zkušební teplotě. Např. při jmenovité teplotě T do 600° C je po­volená úchylka ± 3° C a max. přípustný teplotní gradient 4° C.

Indikátor teploty musí mít rozlišovací schopnost alespoň 0,5 °C a zařízení pro měření teploty niusí mít přesnost ± l °C. Spoj termočlánků musí zajistit dobrý tepelný kontakt s povrchem zkušební tyče a musí být zacloněn od přímých tepelných radiací. Termočlánky by měly být kalibrovány alespoň každých 12 měsíců.

Zkušební tyče pro zkoušky creepových vlastností jsou válcové a mohou být v různém provedení. Příklad zkušební tyče s osazením a měřenou délkou mimo zkoušenou délku je na obrázku 4.

Během zkoušky je důležité zajistit dostatečný počet záznamů o teplotě zkušební tyče, aby zkouška splňovala požadavky evropské normy. Výsledky jsou zpracovávány ve formě zkušebního protokolu a předány k dalšímu zpracování (kontrola životnosti, materiálová norma).

3.3 Zkouška tahem za zvýšené teploty

U tlakových zařízení, které dlouhodobě pracují za zvýšených teplot, může být výrobko­vou normou předepsána klasická zkouška tahem za zvýšené teploty podle normy ČSN EN 10002-Část 5. Zkouška má přesně stanovené podmínky na zařízení, průtahoměry, ohřívací zaří­zení, rychlost zatěžování a další. Vyhodnocuje se:

  • smluvní mez kluzu (Rp),
  • celková smluvní mez kluzu (Rt),
  • ověření trvalé smluvní meze kluzu (Rr).

3.4 Zkoušky zkřehnutí materiálů při zvýšených teplotách

Při dlouhodobé expozici některých nízkouhlíkových a nízkolegovaných materiálů při zvýšených teplotách (nad cca 320° C) dochází po několikaletém provozu ke snížení původně vyhovujících vlastností. Toto dlouhodobé zkřehnutí lze simulovat relativně krátkodobým te­pelným zkřehnutím se stupňovitým ochlazováním (tzv. step cooling). Zkouší se na tyčích a se zařízením pro zkoušku rázem v ohybu. Vyhodnocuje se posuv přechodových křivek KV.



 Hodnocení
Zhodnoťte, jak se Vám článek líbil (1 = výborný ... 5 = špatný)
 
průměrné hodnocení: 2,33 (počet známek: 6) 

Diskuze ke článku
V diskuzi není žádný příspěvek
Přihlášení/odhlášení odběru příspěvků e-mailem:
váš e-mail:

Podmínky užívání portálu TLAKinfo.
Připomínky, náměty a dotazy - redakce portálu.
© Copyright TLAKinfo 2005-2021, všechna práva vyhrazena.