RADIOGRAFICZNA OCENA JAKOŚCI ZŁACZY SPAWANYCH PŁYT POMOSTOWYCH WEDŁUG WYMAGAŃ NORMY PN-EN

Transkrypt

1 RADIOGRAFICZNA OCENA JAKOŚCI ZŁACZY SPAWANYCH PŁYT POMOSTOWYCH WEDŁUG WYMAGAŃ NORMY PN-EN Janusz Czuchryj, Sławomir Sikora, Krzysztof Staniszewski Instytut Spawalnictwa, Gliwice Wprowadzenie Badania nieniszczące, stosowane do wykrywania niezgodności w złączach spawanych, umożliwiają zwykle wyznaczenie ich wymiarów, tj. długości, szerokości i wysokości, oraz określenie na tej podstawie jakości połączeń. Wymagany poziom jakości złączy powinien być ustalony na etapie ich projektowania. Dla pojedynczego złącza ustala się zwykle jeden poziom jakości. W niektórych przypadkach może być konieczne ustalenie różnych poziomów jakości w tym samym złączu spawanym lub wprowadzenie szczególnych wymagań dla przyjętego poziomu jakości. Ostatni przypadek dotyczy na ogół konstrukcji bardzo odpowiedzialnych, tzn. takich, których awaria (zniszczenie) grozi nadzwyczajnymi konsekwencjami. Przykładem takich konstrukcji są płyty w pomostach obiektów przemysłowych, w których wykorzystuje się blachy jako elementy nie tylko pokryciowe, ale również jako elementy nośne przez zastosowanie odpowiednich użebrowań (rys.1) [1]. Rys. 1. Żebra podłużne płyt pomostowych a) ortotropowej: 1- bezpośrednio przyspawane, 2 i 3 z nakładkami ciągłości; b) przechodzące w sposób ciągły przez środniki poprzecznic pomostu; c) o przekroju skrzynkowym, usytuowane: 1 - między poprzecznicami, 2 - na poprzecznicy.

2 Do tej samej grupy konstrukcji zalicza się również płyty pomostowe w różnego rodzaju mostach drogowych (rys.2). Rys. 2. Płyty pomostowe w moście autostradowym: a) schemat przekroju poprzecznego mostu, b),c) szczegóły wykonania użebrowań; 1- płyta pomostu, 2 połączenie spawane usztywnienia płyty pomostu żebrem podłużnym, 3 połączenie spawane żebra podłużnicy i poprzecznicy, 4 wycięcie w środniku belki poprzecznej, 5 nakładka belki poprzecznej, 6 połączenie spawane belki poprzecznej z głównym dźwigarem lub ramą poprzeczną, 7 połączenie spawane środnika belki poprzecznej z płytą pomostu.

3 W normie PN-EN :2009, dla złączy spawanych płyt pomostowych w mostach stalowych, dla poziomu jakości B zdefiniowanego zgodnie z normą PN-EN ISO 5817 ustalono wymagania dodatkowe. Ten nowy poziom jakości oznaczono symbolem B+. Z tego powodu podjęto pracę, polegającą na porównaniu zasad oceny jakości złączy spawanych płyt pomostowych według wymagań normy PN-EN ISO 5817 i PN-EN , czyli na porównaniu wymagań obowiązujących dla poziomu jakości B i B+. Porównanie powinno przyczynić się do zoptymalizowania tych zasad ze względu na przedstawione w normach wymagania. Poziomy jakości i klasy wykonania konstrukcji W normie PN-EN ISO 5817, dla materiałów o grubości t 0,5 mm, określono trzy zbiory wartości wymiarowych dobieranych dla danego zastosowania. Zbiory te, nazwane poziomami jakości, oznaczono literami B, C i D. (rys. 3). Rys. 3. Poziomy jakości według PN-EN ISO 5817 w zależności od przyporządkowanych im wymagań. Poziom B odpowiada najwyższym wymaganiom wobec wykonanych złączy spawanych, natomiast poziom D wymaganiom najniższym. Poziom C stanowi wymagania pośrednie. Zaleca się, aby dla dowolnego zastosowania wybór poziomu jakości uwzględniał znaczenie projektu, przewidywane procesy obróbcze, rodzaje działającego na wyrób obciążenia, warunki eksploatacji, konsekwencje ewentualnej awarii oraz zagadnienia ekonomiczne. Norma obejmuje rodzaje niezgodności spawalniczych właściwe dla różnych metod spawania. Rozważenia wymagają tylko te, które są charakterystyczne dla danego procesu i zastosowania. W normie PN-EN , dotyczącej wykonania konstrukcji ze stali w gatunku nie wyższym niż S960, niezależnie od ich rodzaju i kształtów (np. budynki, mosty, elementy pełnościenne, kratowe, narażone są na zmęczenie lub oddziaływania sejsmiczne itp.), wyspecyfikowano wymagania w odniesieniu do tzw. klas wykonania konstrukcji. Zgodnie z tą normą zdefiniowano cztery klasy wykonania konstrukcji, a mianowicie: EXC1,, EXC3 i EXC4. Klasa EXC1 charakteryzuje się najniższymi wymaganiami, natomiast klasa EXC4 najwyższymi. Klasy wykonania mogą być stosowane do całej konstrukcji, części konstrukcji lub do jej konkretnych elementów. W ramach jednej konstrukcji może zatem występować kilka klas wykonania. Element lub grupa elementów zwykle przypisywane są

4 jednej klasie wykonania. Klasy wykonania konstrukcji ustala się uwzględniając czynniki (klasy konsekwencji, kategorie użytkowania, kategorie produkcji) wpływające na niezawodność konstrukcji, co z kolei determinuje stosowanie określonych wymagań związanych z działaniami wykonawczymi danej konstrukcji (tabl.1). Dla poszczególnych klas wykonania konstrukcji stalowych ustalono kryteria akceptacji niezgodności spawalniczych występujących w wykonywanych złączach spawanych (tabl.1). Tablica 1 Lp Określenie Zależności Klasy konsekwencji Kategorie użytkowania Kategorie produkcji Klasy wykonania konstrukcji Poziom jakości złącza wg PN- EN ISO 5817 *) CC1 CC2 CC3 SC1 SC2 SC1 SC2 SC1 SC2 PC1 PC2 PC1 PC2 PC1 PC2 PC1 PC2 PC1 PC2 PC1 PC2 EXC1 EXC3 EXC3 D C oraz D **) B Klasa EXC4 ma zastosowanie w konstrukcji specjalnych w rozumieniu przepisów krajowych lub konstrukcji, których zniszczenie grozi nadzwyczajnymi konsekwencjami. Uwaga: w przypadku, gdy klasa wykonania nie jest określona stosuje się klasę. **) Dopuszcza się poziom jakości D dla niezgodności w postaci: podtopień (5011, 5012), nawisu (506), śladu zajarzenia (601) i zakończeń krateru (2025). ***) Poziom jakości nie określony przez wymagania PN-EN ISO Uwaga: przy ustalaniu kryteriów akceptacji nie uwzględniono niezgodności w postaci niewłaściwego brzegu spoiny (505) i mikroprzyklejenia (4014). Jak wynika z tablicy 1, przy wykonywaniu konstrukcji zgodnie z najmniej rygorystyczną klasą wykonania EXC1 wymagany jest poziom jakości D złączy spawanych. Dla bardziej rygorystycznej klasy wykonania obowiązują poziomy jakości C i D (określony ze względu na obecność tylko niektórych niezgodności). Jeżeli w dokumentacji (projekcie) konstrukcji nie podano klasy jej wykonania, to w każdym przypadku należy stosować klasę. Przy bardzo rygorystycznej klasie wykonania konstrukcji EXC3 wymagany jest poziom jakości B złączy. Podczas wykonania konstrukcji specjalnych (klasa EXC4) mają zastosowanie najwyższe wymagania dotyczące złączy spawanych, czyli poziom jakości B+. Kryteria akceptacji niezgodności spawalniczych według PN-EN ISO 5817 i PN-EN Porównanie kryteriów akceptacji niezgodności spawalniczych przeprowadzono dla złączy stalowych ze spoinami czołowymi i pachwinowymi. Wymagania obowiązujące dla poszczególnych niezgodności oraz poziomów jakości B i B+ zestawiono w tablicy 2. EXC3 *) EXC3 *) EXC3 *) EXC4 B+ ***)

5 Lp. 1 2 Tablica 2. Porównanie kryteriów akceptacji niezgodności spawalniczych dla poziomów jakości B i B+ dla złączy ze spoinami czołowymi i pachwinowymi. OZNACZENIE NIEZGODNOŚCI Pęcherze gazowe (2011). Pęcherze równomiernie rozłożone (2012). Skupisko porowatości (umiejscowione) gniazda pęcherzy (2013). 3 Łańcuch pęcherzy (2014) Pęcherze podłużne (2015). Pęcherze kanalikowe (2016) Wtrącenia stałe (300). Wtrącenia żużla (301). Wtrącenia topnika (302). Wtrącenia tlenków (303) Wtrącenia metaliczne inne niż miedź (304) Wtrącenia miedzi (3042) Podtopienie ciągłe (5011) KRYTERIA AKCEPTACJI Wg PN-EN ISO 5817 POZIOM JAKOŚCI B w.p. A1 1% w.w. A1 2% d 0,2s; max 3 mm; d 0,2a; max 3 mm A2 4% d 0,2s; max 2 mm; d 0,2a; max 2 mm w.p. A1 2% w.w. A1 4% d 0,2s; max 2 mm; d 0,2a; max 2 mm h 0,2s; max 2 mm; l s; max 25 mm. h 0,2a; max 2 mm; l a; max 25 mm h 0,2s; max 2 mm; l s; max 25 mm. h a; max 2 mm; l a; max 25 mm h 0,2s; max 2 mm; h 0,2a; max 2 mm Nie dopuszcza się Dla t 0,5 3 mm nie dopuszcza się. Dla t>3 mm: h 0,05t; max 0,5 mm Wg PN-EN POZIOM JAKOŚCI B+ Akceptowalne tylko pęcherze pojedyncze. Maksymalna suma pęcherzy: 2%. Akceptowalne tylko pęcherze pojedyncze. Pęcherzy długich nie dopuszcza się. Nie dopuszcza się spoiny czołowe: h 0,5 mm akceptowalne lokalnie. a) spoiny pachwinowe: niedopuszczalne poprzeczne do kierunku naprężeń. A1 maksymalny wymiar powierzchni niezgodności w odniesieniu do powierzchni rzutowej. A2 maksymalny wymiar sumy powierzchni rzutowania niezgodności odniesiona do powierzchni ocenianej L p x w p gdzie L p = 100 mm. t- grubość ścianki lub blachy; h wysokość lub szerokość niezgodności, l długość niezgodności; d średnica pęcherza, s nominalna grubość spoiny czołowej; a minimalna grubość spoiny pachwinowej, w.p. warstwa pojedyncza, w.w. wiele warstw. Z analizy tablicy 2 wynika, że zgodnie z oczekiwaniami, w najogólniejszym ujęciu, kryteria akceptacji niezgodności spawalniczych określone na poziomie jakości B+ są na ogół bardziej rygorystyczne niż na poziomie jakości B. W niektórych przypadkach takie same.

6 Przykładowo, obecność pęcherzy gazowych (2011), równomiernie rozłożonych (2012) oraz łańcuchów pęcherzy (2014) jest na poziomie jakości B dopuszczalna nawet w znacznej ilości, zależnej od maksymalnej średnicy pęcherzy pojedynczych. Natomiast na poziomie jakości B+ te same niezgodności akceptowalne są tylko w postaci pęcherzy pojedynczych. Należy rozumieć, że ich maksymalny wymiar (średnica) określony jest wymaganiami jak dla poziomu jakości B. W przypadku gniazd pęcherzy (2013) maksymalny wymiar sumy powierzchni rzutowania niezgodności, odniesiony do powierzchni ocenianej, zmniejszono na poziomie jakości B+ o połowę. Natomiast kryteria akceptacji pęcherzy podłużnych (2015) i kanalikowych (2016) na poziomie jakości B i B+ są takie same. Dopuszcza się ich obecność w złączach tylko w postaci niezgodności krótkich. W wymaganiach normy PN-EN na poziomie jakości B+ pojawiły się, zdaniem autorów opracowania, pewne niedoprecyzowania lub nawet pewne sprzeczności. W złączu spawanym akceptuje się, przykładowo, obecność pęcherzy równomiernie rozłożonych, ale pojedynczych. Natomiast z definicji tej niezgodności (podanej w normie PN-EN ISO ) wynika, że musi ona występować w postaci większej (chociaż bliżej nie określonej) liczby indywidualnych pęcherzy gazowych. Podobnie sytuacja przedstawia się dla łańcucha pęcherzy gazowych usytuowanych równolegle do podłużnej osi spoiny. Również w tym przypadku liczba pęcherzy stanowiących niezgodność spawalniczą nie jest określona. Stanowi to sprzeczność z wymaganiami, ponieważ jeden lub dwa pęcherze pojedyncze nie mogą tworzyć łańcucha. Z przedstawionego rozumowania wynika, że sprecyzowanie definicji takich niezgodności jak pęcherze równomiernie rozłożone (2012), gniazdo pęcherzy (2013) czy łańcuch pęcherzy (2014) staje się sprawą palącą. Najprostszym rozwiązaniem byłoby przyjęcie definicji zaproponowanych w normie PN 74/M-69771, według której zarówno w gnieździe jak i łańcuchu pęcherzy muszą występować co najmniej 4 pęcherze w odstępach nie większych niż potrójna średnica pęcherza największego. Na poziomie jakości B+ wtrącenia stałe (300) oceniane są bardzo rygorystycznie. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach ich obecność nie jest akceptowalna. Na poziomie jakości B tak ostre wymaganie dotyczy tylko wtrącenia miedzi (3042). Obecność pozostałych wtrąceń, tj. żużla (301), topnika (302) i tlenków (303), jest dopuszczalna w postaci wtrąceń krótkich, czyli nie dłuższych niż 25 mm. Mniejszą dopuszczalną długością (2 mm) charakteryzują się wtrącenia metaliczne inne niż miedź (304). Warto zauważyć, że wiele konstrukcji stalowych lub ich elementów scalanych jest w warunkach terenowych (na budowie) za pomocą łukowo ręcznego spawania elektrodami otulonymi (111). Ujawnienie w wykonywanych złączach spawanych drobnych wtrąceń żużla jest zatem bardzo prawdopodobne. Z tego powodu wymaganie obowiązujące dla poziomu jakości B+ wydaje się zbyt restrykcyjne oraz nieuzasadnione zarówno pod względem technicznym i ekonomicznym. Zalecenia przedstawione w porównywanych normach dość rygorystycznie odnoszą się do obecności w złączach spawanych niezgodności spawalniczych w postaci podtopień ciągłych od strony lica (5011). Na poziomie jakości B, w zakresie grubości materiału

7 podstawowego od 0,5-3,0 mm, wymagania normy PN-EN ISO 5817 nie dopuszczają ich obecności w złączach. Identyczne wymaganie sformułowano w normie PN-EN na poziomie jakości B+ w odniesieniu do spoin pachwinowych usytuowanych poprzecznie do kierunku oddziałujących naprężeń. Z kolei możliwa jest w złączach spawanych obecność podtopień ciągłych o maksymalnym wymiarze h 0,5 mm, zarówno na poziomie jakości B jak i B+. W pierwszym przypadku zalecenie odnosi się do złączy z materiałów o grubości t>3 mm, natomiast w drugim do spoin czołowych, przy czym podtopienie może mieć charakter wyłącznie lokalny. W obecności podtopień od strony lica (5011) złącze pracuje w warunkach złożonego stanu naprężeń (mimośrodowe rozciąganie rys.4). Rys. 4. Poglądowe przedstawienie oddziaływania podtopień od strony lica (5011) w spawanym złączu doczołowym. Zatem przedstawiony sposób oceny wydaje się uzasadniony. Jednak w literaturze [2] opublikowano badania, których wyniki prowadzą do wniosku, że przywiązywanie tak dużej jak obecnie wagi do występujących w złączu podtopień nie jest dostatecznie uzasadnione. Podsumowanie Porównanie zasad oceny jakości złączy spawanych płyt pomostowych w różnego rodzaju mostach wykazało, że kryteria akceptacji niezgodności spawalniczych określone na poziomie jakości B+ są na ogół bardziej restrykcyjne niż na poziomie jakości B. W szczególności dotyczy to różnego rodzaju wtrąceń stałych (300), których obecność na poziomie jakości B+ jest niedopuszczalna w żadnym zakresie. W przypadku pęcherzy równomiernie rozłożonych (2012) i łańcuchów pęcherzy (2014) wymaganie przedstawione na poziomie jakości B+ jest dyskusyjne. Dla tego rodzaju niezgodności trudno bowiem akceptować wyłącznie pęcherze pojedyncze. Dla pęcherzy podłużnych (2015) i kanalikowych (2016) wymagania na obu analizowanych poziomach są takie same. Akceptuje się wyłącznie niezgodności krótkie. W złączach spawanych płyt pomostowych obecność podtopień ciągłych (5011) tolerowana jest zarówno na poziomie jakości B jak i B+. Maksymalny akceptowalny ich wymiar wynosi 0,5 mm. Na poziomie jakości B zalecenie dotyczy materiałów podstawowych

8 o grubości t>3 mm. Według wymagań obowiązujących dla poziomu B+ podtopienie ciągłe może występować wyłącznie jako lokalne. Norma PN-EN charakteryzuje się, jak każde nowe opracowanie, pewnymi niedoskonałościami. Może to powodować nieporozumienia w interpretacji przedstawionych w normie wymagań. Z tego powodu warto, naszym zdaniem, poddać zawartość normy analizie przed jej szerokim zastosowaniem w praktyce przemysłowej. Przedstawione porównanie i jego wyniki należy traktować jako głos w tego rodzaju dyskusji. Literatura: 1. J. Augustyn, E. Śledziewski. Technologiczność stalowych konstrukcji spawanych. Wydawnictwo Arkady Warszawa, T. Robakowski. Wpływ wad w złączach spawanych na własności eksploatacyjne konstrukcji spawanych. Wydawnictwo Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, J. Brózda, J. Czuchryj. Radiografia złączy spawanych. Wydawnictwo Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, J. Czuchryj, H. Papkala, A. Winiowski. Niezgodności w złączach spajanych. Wydawnictwo Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, K. Staniszewski, S. Sikora, J. Czuchryj. Ocena jakości złączy spawanych w konstrukcjach budowlanych na podstawie badań radiograficznych i poziomu jakości B+. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 5/2011 Wykaz wykorzystanych norm: PN-EN :2006 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych Część 2: Mosty stalowe. PN-EN ISO 5817:2009 Spawanie Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką) Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych. PN-EN ISO 5817:2009/A1 Spawanie Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką) Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych. PN-EN :2009 Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych. PN-74/M Spawalnictwo Wady złączy doczołowych wykrywane badaniami radiograficznymi Nazwy i odniesienia.