Zastosowanie metody ultradwikowej do oceny stanu złczy spawanych spgnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej

Transkrypt

1 Dr in. Boena RAKWIC Mgr in. Robert WOJTYNEK Instytut Techniki Górniczej KOMAG Zastosowanie metody ultradwikowej do oceny stanu złczy spawanych spgnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono akredytowan procedur bada nieniszczcych metod ultradwikow, wykorzystywanych do kontroli jakoci elementów maszyn i urzdze, na etapie ich wytwarzania i uytkowania. Zaprezentowano wyniki bada niecigłoci wewntrznych złczy spawanych elementów sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej, na podstawie których podjto prób okrelenia wpływu obcienia stosowanego podczas cyklicznych bada zmczeniowych sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej, na jako złczy spawanych. S u m m a r y Accredited procedure for non-destructive tests with use of ultrasonic method to control quality of machines components at the stage of their manufacture is presented. The results of internal discontinuity of welded joints of powered roof support, used to determine the impact of load during load cycles of fatigue test on the quality of welded joints are given. 1. Wprowadzenie Elementy podstawowe sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej wykonywane s za pomoc technik spawalniczych. W celu okrelenia bezpieczestwa ich uytkowania prowadzona jest kontrola jakoci spoin, zarówno na etapie produkcji, jak równie w czasie eksploatacji. W wymaganiach ofertowych dotyczcych zakresu remontu sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej, pknicia spoin, obok ubytków korozyjnych blach poszycia i tników, wygicia sworzni, rozkalibrowania otworów w parach obrotowych oraz deformacji konstrukcji, wymieniane s jako jedno z podstawowych uszkodze. Wyszczególnione uszkodzenia wpływaj na wytrzymało elementów sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej i mog stanowi przyczyn wypadków, jak w przypadku zdarze zaistniałych w KWK Katowice-Kleofas i KWK Zofiówka, opisanych w Raporcie z oceny bezpieczestwa pracy w kopalniach wgla kamiennego [13]. Celem identyfikacji uszkodze wewntrznych spoin powstałych w procesie spawania oraz monitorowania wystpowania wad w czasie eksploatacji maszyn i urzdze, jak równie dla oceny stanów poawaryjnych i poremontowych wykorzystywane s nieniszczce badania metod ultradwikow. Zastosowanie tego nieinwazyjnego narzdzia do wykrywania niecigłoci materiałowych umoliwia wielokrotn ocen jakoci wykonania oraz stopnia zuycia elementu obiektu bada i nie powoduje osłabienia jego parametrów wytrzymałociowych [1 4, 6, 12, 15, 17]. Badania ultradwikowe metod echa polegaj na wykrywaniu wad wewntrznych przy wykorzystaniu zjawiska odbicia fali przechodzcej przez badany materiał od granicy z drugim orodkiem. Na podstawie obserwacji tego zjawiska mona wnioskowa o wystpowaniu niecigłoci w materiale. Wynik pomiaru czasu, jaki upływa od chwili wysłania fali ultradwikowej w głb badanego materiału, do chwili jej powrotu po odbiciu, stanowi podstaw okrelenia połoenia i wymiaru niecigłoci [1, 5, 7]. W artykule przedstawiono przykład bada ultradwikowych złczy spawanych w spgnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej, przeprowadzonych przez akredytowane Laboratorium Inynierii Materiałowej i rodowiska Instytutu KOMAG w Gliwicach. Zaprezentowano kryteria oceny jakoci złczy spawanych, procedur bada oraz analiz wyników bada w wietle przyjtych wymaga jakoci [11, 16]. W niniejszym artykule zaprezentowano równie wyniki oceny stanu złczy spawanych, dokonywanej sukcesywnie podczas cyklicznych bada zmczeniowych sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej. 2. Kryteria oceny jakoci złczy spawanych Obowizek kontroli stanu technicznego złczy spawanych w ramach badania technicznego, którego celem jest ustalenie czy sekcja obudowy zmechanizowanej spełnia warunki techniczne producenta okrelone w dokumentacji, zawarto w Rozporzdzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczestwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpoarowego w podziemnych 14 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

2 zakładach górniczych [14]. Kontroli podlegaj elementy podstawowe sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po jej demontau, w tym: stropnica, spgnica, osłona odzawałowa i łczniki układu lemniskatowego. Zgodnie z załcznikiem 4 do wyej wymienionego rozporzdzenia nie dopuszcza si pkni w spoinach nonych ww. elementów sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej [14]. W zwizku z powyszym przyjto [16], e w przypadku stosowania ultradwikowej metody bada złczy spawanych za niedopuszczalne uznaje si wartoci wysokoci echa fali odbitej wiksze ni 1,5 mm + 8 db. Powyszy zapis oznacza, e niedopuszczalna jest niecigło, dla której wysoko echa fali odbitej jest o 8 db wiksza od wskazania dla referencyjnego otworu płaskodennego o rednicy 1,5 mm. 3. Badania ultradwikowe 3.1. Obiekt bada Badania ultradwikowe przeprowadzono w ramach cyklicznych bada zmczeniowych sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej, oceniajc stan wytypowanych złczy spawanych spgnicy, po 30, 60 i 100 tysicach cykli obcienia, realizowanego z amplitud obcienia zewntrznego stanowic 1,12 nominalnego obcienia statycznego. Po przeanalizowaniu budowy spgnicy do bada wytypowano dziesi odcinków złczy spawanych o łcznej długoci wynoszcej 7,1 m i podstawowych parametrach zestawionych w tabeli Cel, zakres i przebieg bada Celem bada było porównanie wartoci parametrów ultradwikowych uzyskanych dla złczy spawanych spgnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej poddanej 30, 60 i 100 tysicom cykli obcienia oraz wskazanie złczy, dla których warto wskazania defektoskopu była wiksza ni warto dopuszczalna, okrelona jako 1,5 mm + 8 db. Zakres bada nieniszczcych złczy spawanych obejmował identyfikacj niecigłoci wewntrznych podłunych metod ultradwikow. Algorytm procedury bada ultradwikowych przedstawiono na rysunku 1. Badania prowadzono w czterech etapach. W pierwszym przeprowadzono kontrol wizualn badanych złczy spawanych i przystpiono do przygotowania powierzchni obiektu bada, po której przesuwano głowic ultradwikow. W celu zapewnienia dobrego i równomiernego przylegania głowicy oraz swobodnego jej przesuwania oczyszczono powierzchnie badanego obszaru poprzez usunicie powłok ochronnych i zanieczyszcze, za pomoc miejscowego szlifowania i czyszczenia przy uyciu zmywacza. Przed przystpieniem do bada ultradwikowych, w etapie drugim, przeprowadzono sprawdzenie aparatury, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN :2003+A1:2006, obejmujce [9]: Element sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej Wybrane parametry badanych złczy spawanych w spgnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej [11, 16] Oznaczenie złcza spawanego rodzaj złcza Parametry złcza spawanego rodzaj spoiny długo złcza Tabela 1 grubo blach połczonych złczem S1 ktowe ½ V S2 doczołowe V S ktowe ½ V S Spgnica S5 doczołowe V S S S8 ktowe ½ V S S MASZYNY GÓRNICZE 3/

3 wizualn kontrol defektoskopu ultradwikowego, głowic, kabli i wzorców pod ktem stwierdzenia czy nie s one uszkodzone lub zuyte, sprawdzenie liniowoci podstawy czasu i wzmo- cnienia defektoskopu, sprawdzenie rodka głowicy i kta wizki. W etapie trzecim przeprowadzono badania ultradwikowe technik impulsow echa. Na wstpie przeprowadzono kalibracj defektoskopu ultradwikowego na wzorcu do bada Nr 2. Nastpnie, zgodnie z norm PN-EN 1714:2002+A1:2005+A2:2005, ustalono parametry badania - tabela 2. Sprawdzenie ustawienia czułoci i zakresu badania wykonano metod DGS, w której do oceny wysokoci echa reflektorów stosuje si teoretyczne krzywe opisujce zaleno odległo wzmocnienie dla reflektorów tarczowych [8]. W badaniach uwzgldniono poprawk na straty przeniesienia, wynoszc 4 db. Układ współrzdnych prostoktnych do okrelania połoenia wskaza zlokalizowano zgodnie z ustaleniami normy PN-EN 1714:2002+A1:2005+ A2:2005 (rys. 2), przy czym o x jest równoległa do osi podłunej złcza, a o z pionowa. Ustalenie kryteriów oceny wyników bada Etap 1. Przygotowanie powierzchni obiektu bada - usunicie powłok ochronnych poprzez miejscowe szlifowanie - usunicie zanieczyszcze przy uyciu zmywacza Etap 2. Sprawdzenie aparatury do bada ultradwikowych - ocena wizualna stopnia zuycia defektoskopu, głowic, kabli i wzorców - sprawdzenie liniowoci podstawy czasu i wzmocnienia defektoskopu, - sprawdzenie rodka głowicy i kta wizki Etap 3. Przeprowadzenie bada ultradwikowych - kalibracja defektoskopu na wzorcu - ustalenie parametrów badania - sprawdzenie ustawienia czułoci i zakresu badania - lokalizacja układu współrzdnych do okrelania połoenia wskaza - nanoszenie rodka sprzgajcego - badanie materiału podstawowego w obszarze przeszukiwania - obserwacje pod ktem identyfikacji niecigłoci wewntrznych - udokumentowanie wyników bada ultradwikowych - kontrolna kalibracja defektoskopu na wzorcu Etap 4. Ocena wskaza z bada w wietle kryteriów Rys.1. Algorytm procedury bada [8, 10] 16 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

4 Parametry badania ultradwikowego złczy spawanych ustalone według normy PN-EN 1714:2002+A1:2005+A2:2005 [11, 16] Nazwa parametru poziom badania zakres badania czstotliwo badania Warto parametru A 100% spoiny 4 Hz kierunek wprowadzania fal 70 º ustawienie głowicy zakres podstawy czasu poziom odniesienia metoda nastawy czułoci połoenie A, przeszukiwanie L mm 1,5 mm 2-DGS Tabela 2 Rys.2. Lokalizacja złczy spawanych w spgnicy i przyjtych układów współrzdnych prostoktnych [11, 16] Przed rozpoczciem bada na oczyszczon powierzchni obiektu w obszarze bada naniesiono rodek sprzgajcy ZG-F, zapewniajcy przechodzenie drga emitowanych przez głowic do badanego materiału. Przeszukiwania rozpoczto od bada materiału podstawowego, w celu wykrycia w nim ewentualnych wad, np. rozwarstwie, zakłócajcych wskazania uzyskiwane dla badanych spoin. Przeszukiwania objtoci spoin przeprowadzono rcznie przy zastosowaniu przesuwu zygzakowego głowicy ultradwikowej, zapewniajcego skuteczno wykrywania niecigłoci oraz uzyskania informacji o ich lokalizacji i wielkoci. Niecigłoci klasyfikowano zgodnie z kształtem obwiedni: niezgodnoci punktowe okrelono w przypadku zobrazowania typu A w postaci pojedynczego ostrego wskazania z amplitud rosnc do maksimum i nastpnie opadajc do 0, niezgodnoci liniowe okrelano w przypadku zobrazowania typu A w postaci pojedynczego ostrego wskazania z amplitud rosnc do maksimum, nastpnie utrzymujc si bez zmian lub ze zmianami i opadajc do 0. Długo niecigłoci liniowych okrelono metod 6 db spadku echa. Uzyskane wyniki udokumentowano w kartach pomiaru oraz oszacowano ich niepewno pomiaru. Po zakoczeniu bada przeprowadzono kontroln kalibracj defektoskopu ultradwikowego na wzorcu do bada Nr 2. W etapie czwartym dokonano oceny na podstawie bada ultradwikowych, w wietle ustalonego kryterium. MASZYNY GÓRNICZE 3/

5 3.3. Wyniki bada Badania ultradwikowe przeprowadzone dla 10 odcinków złczy spawanych w spgnicy wykazały wystpowanie: jednego wskazania przekraczajcego warto dopuszczaln w złczach spawanych po 30 tysicach cykli obcienia, trzech wskaza przekraczajcych warto dopuszczaln w złczach spawanych po 60 tysicach cykli obcienia, dziewiciu wskaza przekraczajcych warto dopuszczaln w złczach spawanych po 100 tysicach cykli obcienia. Wyniki bada ultradwikowych przedstawiono w tabeli 3, a lokalizacj zidentyfikowanych niecigłoci złczy spawanych na rysunku 3. Analizujc uzyskane wyniki bada stwierdzono wzrost liczby i długoci uszkodzonych złczy spawanych (nr S2 i S5) po 60 i 100 tysicach cykli obcienia, w odniesieniu do 30 tysicy cykli obcienia. Wraz z rosnc liczb cykli obcienia stwierdzono wzrost wartoci przekraczajcych warto graniczn, wynoszc 1,5 mm + 8 db, od 1 do 9 dla spgnicy po 100 tysicach cykli obcienia. Uszkodzenia wystpiły w dwóch sporód dziesiciu badanych złczy spawanych, łczcych tniki rodkowe z blachami zamykajcymi przedniej czci spgnicy. Oznaczenie złcza spawanego Wyniki bada ultradwikowych złcza spawanego S8 [11, 16], przy poziomie akceptacji do 8 db Tabela 3 Oznaczenie na rysunku Współrzdne połoenia wskazania X Y Z Długo wskazania Lx Wysoko echa wzgldem poziomu odniesienia H [db] Ocena spgnica sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 30 tysicach cykli wytrzymałoci zmczeniowej S ,0 NA Niepewno U [%] S ,0 A ,5 A 15 spgnica sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 60 tysicach cykli wytrzymałoci zmczeniowej S2 S ,0 NA ,0 A ,0 NA ,5 NA 15 spgnica sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 100 tysicach cykli wytrzymałoci zmczeniowej ,0 NA ,0 A S ,3 NA ,0 NA ,0 NA ,5 NA ,5 NA ,3 A S ,3 NA ,5 NA ,5 NA Oznaczenia: A wskazanie akceptowalne, NA wskazanie nieakceptowane 18 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

6 Rys.3. Lokalizacja zidentyfikowanych nieci gło ci w zł czach spawanych [11, 16]: a) zł cza spawane sp gnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 30 tysi cach cykli obci enia, b) zł cza spawane sp gnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 60 tysi cach cykli obci enia, c) zł cza spawane sp gnicy sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej po 100 tysi cach cykli obci enia 4. Podsumowanie Przedstawione wyniki bada potwierdzaj przydatno metody ultrad wi kowej do identyfikacji nieci gło ci zł czy spawanych. Zgodnie z wymaganiami Rozporz dzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. badanie takie nale ałoby przeprowadza po zako czeniu całego programu cyklicznego obci enia zm czeniowego sekcji. Analizuj c przedstawione w pracy wyniki bada wykonanych po poszczególnych etapach cyklicznych prób zm czeniowych mo na stwierdzi, e badania metod ultrad wi kow umo liwiaj wskazanie, ju po pocz tkowym etapie cyklicznych prób zm czeniowych, tych odcinków zł czy spawanych, które mog ulec uszkodzeniu w trakcie nast pnych bada. Ustalenie obiektywnych prekursorów wskazuj cych na propagacj nieci gło ci wymaga dalszych bada. Literatura 1. Czuchryj J., Stachurski M.: Badania nieniszcz ce w spawalnictwie, Instytut Spawalnictwa, Gliwice, MASZYNY GÓRNICZE 3/ Grynkiewicz-Bylina B.: Zastosowanie bada materiałowych nieniszcz cych do oceny stanu technicznego komponentów sekcji obudowy zmechanizowanej. Maszyny Górnicze 2007 nr 4 s Grynkiewicz-Bylina B., Jaszczuk M.: Badania nieniszcz ce elementów podstawowych sekcji obudowy zmechanizowanej. W: Nowoczesne, niezawodne i bezpieczne systemy mechanizacyjne dla górnictwa. KOMTECH Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, Grynkiewicz-Bylina B., Rakwic B.: Badania materiałowe niezb dnym elementem oceny jako ci maszyn i urz dze górniczych. W: Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpiecze stwo - Efektywno - Niezawodno, KOMTECH Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Karpi ski S., Moszuma ski J., Radwan-Wiatrowski K.: Laboratorium z podstaw spawalnictwa, Politechnika Koszali ska, Skrypt Wydziału Mechanicznego, Koszalin

7 6. Klimpel A.: Kontrola i zapewnienie jakoci w spawalnictwie. Tom 1, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice Morawski t.: Podstawy standardowej oceny jakoci spoin. W: Krajowa Konferencja bada radiograficznych, Popów PN-EN 1714:2002+A1:2005+A2:2005 Badania nieniszczce złczy spawanych - Badanie ultradwikowe złczy spawanych. 9. PN-EN :2003+A1:2006 Badania nieniszczce - Charakteryzowanie i weryfikacja aparatury ultradwikowej - Cz 3: Aparatura kompletna. 10. Procedura badawcza PB-DLS/08 Badania nieniszczce, wyd. 8. Laboratorium Inynierii Materiałowej i rodowiska ITG KOMAG, Gliwice 2011, (materiały nie publikowane). 11. Rakwic B., Wojtynek R., Grynkiewicz-Bylina B.: Weryfikacja kompetencji pracowników Laboratorium Inynierii Materiałowej i rodowiska w zakresie bada nieniszczcych. Instytut Techniki Górniczej, Gliwice (materiały nie publikowane). 12. Rakwic B., Wojtynek R.: Ocena stanu złczy spawanych w elementach sekcji cianowej obudowy zmechanizowanej oraz odkuwek elementów zawiesi za pomoc bada nieniszczcych. Maszyny Górnicze 2012, nr 2 s Raport z oceny bezpieczestwa pracy w kopalniach wgla kamiennego wydany przez Zespół Koordynacyjny powołany zarzdzeniem nr 88 Ministra Gospodarki z dnia 18 grudnia 2006 r., Warszawa, kwiecie 2007 r. 14. Rozporzdzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczestwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpoarowego w podziemnych zakładach górniczych, Dz. U nr 139, poz z pón. zm. 15. Słania J., Marcinkiewicz H., Kiełbik M.: Plan spawania elementu obudowy kopalnianej osłony odzawałowej, Przegld Spawalnictwa 2012 nr Sprawozdania z bada nieniszczcych Laboratorium Inynierii Materiałowej i rodowiska. KOMAG, Gliwice 2010 (materiały nie publikowane). 17. Szymaski A.: Kontrola i zapewnienie jakoci w spawalnictwie. Tom 2, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice, 1998 r. Artykuł wpłynł do redakcji w sierpniu 2013 r. 20 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013