Zmiany w ustalaniu poziomów jakości złączy spawanych według normy EN ISO 5817:2014

Transkrypt

1 Wstęp Zmiany w ustalaniu poziomów jakości złączy spawanych według normy EN ISO 5817:2014 Tadeusz Morawski UTiE Level, Warszawa, level_tmo@onet.pl W roku 1992 ukazała się norma europejska EN 25817, stanowiąca wprowadzenie normy międzynarodowej ISO 5817:1992, a w roku 1997 Polski Komitet Normalizacyjny wydal jej polską wersja PN-EN [1]. Była to fundamentalna norma, która zmieniła zasady oceny jakości złączy spawanych w wielu krajach europejskich. W normie określono trzy poziomy jakości na podstawie niezgodności spawalniczych występujących w spawanych łukowo złączach ze stali niskostopowych i stopowych. Przyjęto zasadę określanie jednego poziomu jakości dla poszczególnego złącza spawanego. W przypadkach konstrukcji o szczególnym zastosowaniu, poddanych obciążeniu zmęczeniowemu, lub konstrukcji wymagających szczelności może być niezbędne podanie różnych poziomów jakości dla poszczególnych niezgodności w tym samym złączu spawanym lub podanie dodatkowych wymagań. Norma EN została zastąpiona przez EN ISO 5817:2003 i jej polskie wersje PN-EN ISO 5817:2007 oraz uzupełnione wydanie z 2009 r. Dzięki nowelizacji normy [1] wprowadzono liczne zmiany oraz uporządkowano nazewnictwo niezgodności spawalniczych zgodnie z normą PN-EN ISO :2002 i z roku 2009[3]. Dokładne omówienie tych zmian opisał B. Kurpisz [4]. Oto najważniejsze z zapisów w normie PN z 2009 r. i pozostawione w najnowszym wydaniu tej normy [2]. zmieniono niektóre graniczne wartości niezgodności dla poziomów jakości; podzielono niezgodności spawalnicze na trzy grupy: niezgodności zewnętrzne (powierzchniowe), wewnętrzne i niezgodności dotyczące kształtu i wymiarów; wprowadzono nowe niezgodności spawalnicze: - zewnętrzne: 2025, 217 (por), 401 (mikroprzyklejenie), 5, 516, wewnętrzne: 1001, 2013, 2024 (krater) - kształtu: 8. rozszerzono zakres stosowania normy na złącza spawane o grubościach powyżej 0,5 mm bez podania górnej granicy grubości (było od 3 do 63 mm); Obecnie dostępna jest najnowsza wersja normy PN-EN ISO 5817:2014E [2]. Po raz pierwszy w normie zamieszczono wymagania dla złączy spawanych w konstrukcjach przenoszących obciążenia zmęczeniowe. Ta ważna nowość wymaga szerszego omówienia.

2 Zmienne obciążenia konstrukcji spawanych Zmęczenie materiału jest spowodowane działaniem zmiennego w czasie obciążenia. Przebieg zmiennych obciążeń ma zazwyczaj charakter losowy, wynikający z warunków pracy konstrukcji. Zadaniem projektantów jest takie kształtowanie połączeń spawanych, aby zmienne obciążenia występowały w powtarzających się wielkościach i częstościach w stałych przedziałach czasu t. Mamy wówczas przypadek zmiennego obciążenia sinusoidalnego, opisanego wzorem (1), które przyjęto za podstawowe do wyznaczania własności materiałów i modelowania elementów konstrukcji. σ = σm + σa sinωt (1) gdzie: ω - częstość kołowa zmian naprężenia Rys.1. Losowe zmiany obciążenia Rys.2. Rodzaj cykli zmiany naprężeń Δσ o amplitudach σ a Większość eksploatowanych konstrukcji przenosi obciążenia przeważająco stałe. Co to praktycznie oznacza oraz kiedy decydującym parametrem bezpieczeństwa konstrukcji jest jej wytrzymałość zmęczeniowa Δσ R (również oznaczana: Z G )? Konstrukcję spawaną uznaje się za przenoszącą obciążenia przeważające stałe, gdy liczba cykli N zakresu zmiany naprężeń Δσ = σ max σ min, w czasie eksploatacji konstrukcji, nie przekracza dopuszczalnej wartości N dop podanej w tabl. 1. Jeżeli rozpatrywanej wartości Δσ nie ma w tabl. 1 to dopuszczalną ilość cykli określa się ze wzoru: Ndop= 10 9 / Δσ 3 (2) W przypadku, gdy zakres naprężeń Δσ ulega istotnym zmianom w okresie eksploatacji konstrukcji należy przeprowadzić obliczenie sprawdzające wg wzoru: n1/n1 + n2/n2 + + = (ni / Ni) 1 (3) gdzie: n i liczba cykli zakresu zmienności naprężeń Δσ w badanych okresach i eksploatacji N i - dopuszczalna liczba cykli N dop dla zakresu naprężeń Δσ w kolejnych okresach i.

3 Tablica 1. Dopuszczalna liczba cykli N dop zakresu zmienności naprężeń Δσ przenoszonych przez złącze spawane, które uznaje się za pracujące przy obciążeniach przeważająco stałych L.p. Δσ [MPa] N dop [cykle] , , , Przykład zastosowania obliczeń zawiera tabl. 2 dla konstrukcji spawanej obciążonej w okresach użytkowania i. Wynik obliczeń: ni / Ni = 0,88 < 1 oznacza, że konstrukcja jest poddawana obciążeniom przeważająco stałym Tablica 2. Przykład obliczeń (n i / N i ) Okres eksploatacji i n i Δσ [MPa] N dop[cykle] n i/n dop 1 0, , , , , , , ,25 Suma ni/ndop 0,88 < 1 Wytrzymałość zmęczeniowa konstrukcji spawanych Wytrzymałością zmęczeniową Δσ R (lub Z G ) nazywamy takie naprężenie σ max dla danego cyklu naprężeń, że element nie ulegnie zniszczeniu po osiągnięciu umownej granicznej liczby cykli N G, (dla stali N G = ). Wytrzymałość zmęczeniową złączy spawanych wyrażają wykresy S-N (Wöhlera) wiążące wielkość zakresu naprężeń Δσ (S- Stres, ang. naprężenie) z liczbą cykli obciążeń N, które przedstawiono w układzie współrzędnych [σ, logn] na rys. 3, jako ilustrację zależności: N = c / Δσ m gdzie: c stała przybierająca różne wartości w zależności od stopnia nasilenia karbu w rozpatrywanym złączu, np. dla kategorii złącza Δσ c = 125, c = 3, przy m = 3,0 m- współczynnik przyjmujący wartości w przedziale od 3,0 do 4,0, najczęściej m=3,0 i m=3,5 i określa stopień nachylenia krzywych S-N.

4 Rys. 3. Wykres zmęczeniowy dla stali i zmiennych naprężeniach normalnych Tablica 3. Wartości stałej c oraz trwałej wytrzymałości zmęczeniowej Δσ D =const (dla N= ) przy naprężeniach rozciągających i ściskających dla współczynników m i różnego stopnia nasilenia karbu wyrażonego klasą zmęczeniową, tj. wartością Δσ c przy liczbie cykli N= Δσ c m = 3,0 m =3,5 c Δσ D [MPa] c Δσ D [MPa] 125 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Wykres zmęczeniowy jest linią prostą łamaną (rys. 3). Punkt przecięcia się obydwóch odcinków wykresu wyznacza teoretyczną, graniczną liczbę cykli, która w różnym stopniu może odbiegać od przyjętej bazowej liczby cykli N G. Połączenia spawane, w zależności od kształtu, rodzaju spoin, jakości powierzchni oraz działających naprężeń zostały podzielone na ponumerowane typy [5], które jako odmiennie

5 ukształtowane są karbami o większym lub mniejszym wpływie na koncentrację naprężeń przy zmiennych obciążeniach. Poniżej zestawiono typy połączeń spawanych: Elementy niespawane, Unwelded parts of a komponent Złącza doczołowe, obciążenia poprzeczne, But welds, transverse loaded 300 Ciągłe spoiny podłużne, Longitudinal load-carrying welds Złącza krzyżowe i typu T, Cruciform joints and/or T-joints, 0 - Nieobciążone przyłącza itp., Non-load-carrying attachments Złącza zakładkowe, Lap joint 700 Wzmocnienia, Reinforcements 0 Połączenia kołnierzowe, odgałęzienia i dysze, Flanges, branches and nozzles Złącza rurowe, Tubular joint Każdy z wymienionych wyżej typów połączeń tworzy zbiór elementów, o takich samych lub podobnych kształtach, które w praktyce wykonywane są odmienną technologią i z inną dokładnością. Są one zaliczane do różnych klas wytrzymałości zmęczeniowej FAT (fatigue class). Klasy zmęczeniowe złączy spawanych określane są wartościami zakresu zmienności naprężeń Δσ c (125, 112, 100, 90, ) dla liczby cykli N = (wykresy S-N na rys. 3). Wartość obliczeniową trwałej wytrzymałości zmęczeniowej Δσ D przyjmuje się jako odpowiadającą wartości Δσ dla okresu użytkowania złącza odpowiadającego liczbie N = cykli (rys. 3). Przykłady złączy spawanych (tabl. 4 do 8) o różnych klasach zmęczeniowych (FAT) reprezentują kolejne typy połączeń z zaznaczonymi kierunkami działania obciążeń oraz miejscem najczęściej pojawienia się pęknięcia zmęczeniowego. Ta generalna klasyfikacja nie uwzględnia zmian w poziomie jakości złączy spawanych, które wynikają z obecności niezgodności spawalniczych. Wzięto pod uwagę tylko wpływ karbu, a takim jest zaprojektowany i wykonany określony typ połączenia.

6 Tablica 4 Element konstrukcyjny Charakterystyka złącza Description Structural Detail Typ Nr Złącza doczołowe, obciążenia poprzeczne Nr Butt welds, transverse loaded Transverse loaded butt weld (X-groove or V- groove) ground flush to plate, 100% NDT. Misalignment < 5% of plate thickness. Transverse butt weld made in shop in flat position, NDT weld., Reinforcement < 0.1 a thickness Transverse butt weld not satisfying conditions of above. NDT welded on non-fusible temporary backing, root crack. Backing removed, root visually inspected. Misalignment <10% of plate thickness. Transverse butt weld on permanent backing bar. Misalignment <10% of plate thickness. Klasa FAT Tablica 5 Element konstrukcyjny Charakterystyka złącza Description Structural Detail Typ Nr 400 Złącza krzyżowe i typu T Nr Cruciform joints and/or T-joints Cruciform joint or T-joint, K-buttwelds, full penetration, weld toes ground, potential failure from weld toe. Single sided T-joints and cruciform joints without misalignment Cruciform joint or T-joint, fillet welds or partial penetration K-butt welds, potential failure from weld toe. Misalignment <15%of primary plate thickness in cruciform joints. Single sided T-joints and cruciformjoints without misalignment Cruciform joint or T-joint, single-sided arc or laser beam welded V-butt weld, full penetration, potential failure from weld toe. Full penetration checked by NDT of root. Misalignment <15% of primary plate thickness incruciform joints.. If root is not inspected, then root crack Splice of circular hollow section with intermediate plate, single sided butt weld, potential failure from toe: wall thickness > 8 mm wall thickness < 8 mm Klasa FAT

7 Tablica 6 Element konstrukcyjny Charakterystyka złącza Description Structural Detail Typ Nr 0 Nieobciążone przyłącza itp Nr 0 - Non-load-carrying attachments Transverse non-load-carryingattachment, not thicker than main plate K-butt weld, toe Grodnu Two sided fillets, toe Grodnu Fillet weld(s), as welded thicker than main plate Non-loadcarrying rectangular orcircular flat studs, pads or plates. L mm L > and 1 mm L >1 and 300 mm L > 300 mm Trapezoidal stiffener to deck plate, fullpenetration butt weld, calculated onbasis of stiffener thickness, out of planebending SLongitudinal fillet welded gusset oflength l. Fillet weld around end. l < mm l < 1 mm l < 300 mm l > 300 mm Klasa FAT Tablica 7 Element konstrukcyjny Charakterystyka złącza Description Structural Detail Typ Nr 600 Złącza zakładkowe Nr Lap joints Longitudinally loaded lap joint with side fillet Wells. Weld terminations more than 10 mm from main plate edge. Fatigue of parent metal Fatigue of weld (calc. on max.weld length of 40 times the throat of the weld) Transverse loaded overlap joint with fillet welds Stress in plate at weld toe (toe crack) Stress in weld throat (root crack) Typ Nr 700 Wzmocnienia Nr 700 Reinforcements End of long doubling plate on beam, reinforced welded ends ground (based on stress range in flange at weld toe) td 0.8 t 0.8 t < td 1.5 t td > 1.5 t End of reinforcement plate onrectangular hollow section. No undercut at transverse weld! wall thickness: t < 25 mm Klasa FAT

8 Tablica 8 Element konstrukcyjny Charakterystyka złącza Description Structural Detail Klasa Typ Nr 300 Ciągłe spoiny podłużne FAT Nr Longitudinal load-carrying welds Longitudinal butt weld, both sides ground flush parallel to load direction,proved free from 125 significant defects byappropriate NDT withoutstop/start positions, NDT 100 with stop/start positions 90 Continuous automatic longitudinal fully penetrated K-butt weld without stop/-start positions. NDT 125 double sided fillet weld without stop/start position 100 Continuous manual longitudinal fillet or butt weld 90 Poziomy jakości złączy spawanych obciążonych zmęczeniowo Wpływ niezgodności spawalniczych na wytrzymałość złączy jest ściśle związany z rodzajem i poziomem obciążeń zewnętrznych. Oznacza to, że niezgodności tego samego rodzaju i wielkości działają inaczej na złącza obciążone statycznie oraz inaczej w przypadku obciążeń zmęczeniowych lub udarowych. Normy [wersje 1 do 2] nowelizowane kilka razy w okresie 20 lat stanowiły o poziomach jakości B, C, D w złączach przenoszących obciążenia stałe lub przeważająco stałe. Dopiero PN-EN ISO 5817: 2014 [2] wprowadza w punkcie 3.9 definicję klasy zmęczeniowej FATx (fatigue slass), podaną już wyżej w niniejszym tekście. W miejsce symbolu x zapisuje się wartość, w MPa, zakresu zmienności naprężeń Δσ c przy N= cykli. W Aneksie C normy [2] zamieszczono dodatkowe wymagania dla obciążonych zmęczeniowo stalowych złączy spawanych. Zrezygnowano ze stosowania poziomu jakości D, a dla poziomów C i B wprowadzono uzupełniające wymagania. W ten sposób utworzone zostały trzy poziomy jakości: C63, B90 i B125 równoważne klasom zmęczeniowym FAT63, FAT90 i FAT125. W tablicy 9 podano wymiary graniczne niezgodności spawalniczych dla tych poziomów jakości. Poziom jakości C63 w zasadzie określany jest takimi samymi wymaganiami, co złącza o poziomie jakości C (tabl. 1 w PN[2] oraz symbol a opisany w tabl. 9). Poziom jakości B90 ma szereg ostrzejszych wymagań wg niezgodności: pęcherze, wtrącenia i kształt złącza (tabl. 9). Dla osiągnięcia poziomu jakości B125 powierzchnia złącza spawanego nie może być w stanie surowym (as welded). Dotyczy to tylko spoin czołowych, bo złącza ze spoinami pachwinowymi są wykluczone z poziomu jakości B125.

9 Wymagania zawarte w normie PN-EN ISO 5817: 2014 powinny mieć odniesienie zarówno w Eurokodzie 3[6], w którym określono projektowe wymagania jakości złączy spawanych, jak i w wymaganiach technicznych dotyczących konstrukcji stalowych zawartych w normie PN-EN [7]. Tablica 9. Wymiary niezgodności spawalniczych w złączach obciążonych zmęczeniowo według PN-EN IS0 5817; [2] Wymiary graniczne niezgodności spawalniczych t dla poziomów jakości: [mm] C63 B90 B125 Oznaczenie i nazwa niezgodności według PN-EN ISO Przyklejenia 401 0,5 a a a (niepełne wtopienie) Podtopienie lica ciągłe 11 Podtopienie lica > 3 a a niedopuszczalne 12 przerywane 13 Podtopienie grani > 3 a a niedopuszczalne 2 Nadlew spoiny czołowej 0,5 a a h 0,2 + 0,1b, max 2 mm 3 Nadmierna wypukłość spoiny pachwinowej 0,5 a a b 4 Wyciek 0,5-3 h 0,2 + 0,05b a a > 3 h 0,2 + 0,05b, max 1 mm 5 Niewłaściwy brzeg 0,5 a a a 52 0,5 b b r 4 mm Zwis Niezupełne wypełnienie rowka Nadmierna asymetria spoiny pachwinowej > 3 a a niedopuszczalne 0,5 a a b 515 Wklęśnięcie grani > 3 a a niedopuszczalne 602 Rozprysk 0,5 a a niedopuszczalne Pęcherz kulisty i równomiernie rozłożony 2013 Gniazdo pęcherzy 0,5 a 0,5 a a 3%d d 0,2s, d 0,2a, d 2,5 mm 2014 Łańcuch pęcherzy 0,5 a a Pęcherz podłużny Pęcherz kanalikowy Wtrącenie stałe Wtrącenie żużla Wtrącenie topnika Wtrącenie tlenków 0,5 0,5 a a h 0,2s lub 0,2a max. h = 2 mm as welded: max l=25 mm odprężone: l 20 mm h 0,2s lub 0,2a max. h = 2 mm as welded: max l=25 mm odprężone: l 20 mm gdy pojedynczy ścieg 1%d dla wielu ściegów 2%d d 0,1s, max. 1 mm 2%d d 0,1s, max. 0,5 mm gdy pojedynczy ścieg 1%d dla wielu ściegów 2%d d 0,1s, max. 1 mm a niedopuszczalne Przesunięcie liniowe blach 0,5 a h 0,1t max. 3 mm h 0,05t max. 1,5 mm 72 Przesunięcie liniowe rur 0,5 a h 0,5t max. 1 mm a 8 Przesunięcie kątowe 0,5 β 2 o β 1 o β 1 o a wymiary graniczne niezgodności podane w Tabl. 1 PN-EN ISO 5817:2014 dla poziomów C i B b wartość niezdefiniowana w PN, d średnica pęcherza gazowego, h - wysokość lub szerokość niezgodności s nominalna grubość spoiny czołowej

10 Literatura [1] PN-EN 25817:1997-4P Złącza stalowe spawane łukowo. Wytyczne do określania poziomów jakości według niezgodności spawalniczych. [2] PN-EN ISO 5817: E: Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych. [3] PN-EN ISO :2002 i 2009P Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach. Część 1: Spawanie [4] Kurpisz B.: Określanie poziomów jakości złączy spawanych według znowelizowanej normy EN , Internet [5] Hobbacher A.: Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. International Institute of Welding IIW document IIW ex XIII-2151r4-07/XV- 1254r4-07, December [6] PN-EN :2007P: Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych -- Część 1-9: Zmęczenie [7] PN-EN :2009P Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych -- Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych (zastąpiona przez PN-EN A1: wersja polska)