mgr inż. Janusz ŁUKASZEWICZ Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE MIKROPRÓBEK POBRANYCH ZE ZBIORNIKÓW POWIETRZA Streszczenie: W artykule przedstawiono fragment procesu badania stanu technicznego rakiet po wieloletniej eksploatacji mającego na celu określenie możliwości ich dalszej eksploatacji po okresie gwarantowanym przez producenta obejmujący badania materiałowe mikropróbek pobranych z wysokociśnieniowych, kulistych zbiorników powietrza. Omówiono przedmiot przeprowadzanych badań oraz zastosowane podczas badań procedury. Przedstawiono także wnioski z przeprowadzonych badań i analiz. Wykazano przydatność zastosowanych metod badawczych w procesie badania stanu technicznego elementów rakiet po wieloletniej eksploatacji. STRENGTH RESISTANCE TESTS FOR MICRO-SAMPLES TAKEN FROM AIR CONTAINERS Abstract: A fragment of technical status examination and testing process for missiles after the long term service is presented in the paper. It deals with material testing of micro-samples taken from high air pressure spherical containers. The goal of testing is to find out if the missiles are still suitable for service when the manufacturer s guarantee time has already expired. Tested items and used procedures are described. Some conclusions are included and one of them is that testing methods applied in the process of evaluation of long term serviced missiles are useful. 1. Wstęp Od wielu lat w Wojskowym Instytucie Technicznym Uzbrojenia prowadzone są badania mające na celu zapewnienie bezpiecznej eksploatacji środków bojowych oraz określenie możliwości przedłużenia okresu ich eksploatacji poza okres gwarantowany przez producenta. Jednym z elementów podlegających badaniom są długotrwale eksploatowane wysokociśnieniowe, stalowe zbiorniki kuliste na sprężone powietrze, stosowane w rakietach przeciwlotniczych klasy ziemia-powietrze oraz rakietach woda-woda. Spełniają one rolę akumulatorów energii niezbędnej do zasilania pokładowych urządzeń i mechanizmów sterujących lotem rakiety. Podczas eksploatacji rakiet zbiorniki są wielokrotnie napełniane powietrzem o ciśnieniu dochodzącym do 40 MPa. W związku z tym pojawia się istotne zagrożenie dla zbiorników ciśnieniowych związane z możliwością wystąpienia korozji związanej z wilgotnością przechowywanego w zbiornikach powietrza. Z tego względu stawiane są bardzo wysokie wymagania od-nośnie jakości powietrza wykorzystywanego do napełniania zbiorników Istnieje także możliwość nie spełnienia przez personel obsługujący ścisłych wymogów dotyczących prędkości napełniania i opróżniania zbiorników. Ponadto część zbiorników po napełnieniu powietrzem może przebywać kilka lat w warunkach, gdzie zmienna temperatura otoczenia powoduje wahania ciśnienia powietrza w ich wnętrzu. W związku z powyższym istnieje konieczność kontroli stanu technicznego zbiorników, jakości połączeń spawanych i gwintowych oraz 103
sprawdzania, czy nie następuje degradacja materiału związana z wieloletnią eksploatacją często w niekorzystnych warunkach klimatycznych. 2. Cel badań Wysokociśnieniowe, kuliste zbiorniki powietrza po wieloletniej eksploatacji jako podzespoły zagrażające bezpieczeństwu eksploatacji oraz mające istotne znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania rakiety, poddawane są kompleksowym sprawdzeniom z wykorzystaniem wielu metod badawczych. Często wyniki uzyskane przy badaniu jedną z nich umożliwiają przeprowadzenie badań inną metodą. Oto przykład zależności między różnymi metodami badawczymi. Symulacja pracy zbiornika i występowania miejsc koncentracji naprężeń metodą elementów skończonych (MES) umożliwia określenie miejsc rozmieszczenia czujników tensometrycznych do pomiaru odkształceń oraz mikrofonów do pomiaru emisji akustycznej (EA) podczas prób ciśnieniowych. Wykonanie symulacji pracy zbiornika z wykorzystaniem MES wymaga podania wymiarów zbiornika oraz informacji o gatunku materiału, jego wytrzymałości na rozciąganie i sposobie obróbki mechanicznej i termicznej. Informacje te nie są podawane przez producenta, a zatem należy wykonać pomiary geometryczne oraz przeprowadzić badania materiałowe. Małe średnice oraz grubości ścianek uniemożliwiały pobranie pełnowymiarowych próbek do badań wytrzymałościowych. Konieczne było wykonanie badań mikropróbek pobranych ze zbiorników. Badań materiałowych mikropróbek podjęły się Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krukowskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie oraz Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Zakres badań przeprowadzonych w obu instytucjach wzajemnie uzupełnia się, a uzyskane wyniki przedstawiono poniżej. 2. Przedmiot badań Przedmiotem badań były trzy zbiorniki pochodzące z trzech różnych typów rakiet. Zbiornik oznaczony jako Z-1 pochodzi z rakiety woda-woda i został przedstawiony na Rys.1. Rys.1. Wygląd i podstawowe wymiary zbiornika powietrza Z-1. 104
Oto jego podstawowe dane techniczne: średnica zewnętrzna - 193 mm; grubość ścianki - 4,2 do 4,7 mm; pojemność - 2,7 litra; ciśnienie robocze - 35 MPa. Zbiornik oznaczony jako Z-2 pochodzi z rakiety ziemia-powietrze i został przedstawiony na Rys.2. Rys.2. Wygląd i podstawowe wymiary zbiornika powietrza Z-2. Oto jego podstawowe dane techniczne: średnica zewnętrzna - 450 mm; grubość ścianki - 9,4 do 10,8 mm; pojemność - 42 litry; ciśnienie robocze - 39,5 MPa 105
Zbiornik oznaczony jako Z-3 pochodzi z rakiety ziemia-powietrze i został przedstawiony na Rys.3. Rys.3. Wygląd i podstawowe wymiary zbiornika powietrza Z-3. Oto jego podstawowe dane techniczne: średnica zewnętrzna - 255 mm; grubość ścianki - 5,3 mm; pojemność - 7,3 litra; ciśnienie robocze - 36 MPa. 3. Przebieg i wyniki badań 3.1. Badania przeprowadzone na Politechnice Warszawskiej 3.1.1. Statyczna próba rozciągania Wykonano statyczne próby rozciągania trzech próbek pobranych z elementów: Zbiornik na sprężone powietrze typ 1 próbka oznaczona Z-1; Zbiornik na sprężone powietrze typ 2 próbka oznaczona Z-2; Zbiornik na sprężone powietrze typ 3 próbka oznaczona Z-3. Pomiary wytrzymałości wykonano przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Zwick Z250. Próbki rozciągano z prędkością odkształcenia równą 0,0005 1/s. Krzywe uzyskane w próbie przedstawiono na rysunku poniżej: 106
Z-3 Z-1 Z-2 Rys.4: Krzywe rozciągania uzyskane dla próbek Z-1, Z-2 i Z-3. Parametry obliczone z krzywej rozciągania przedstawiono w tabeli poniżej: Oznaczenie próbki R p0.2 R m F m A c Legenda MPa MPa kn % Z-1 1284 1311 28,76 20,28 Z-2 1032 1119 106,08 24,51 Z-3 1587 1595 51,75 16,50 107
3.1.2. Analiza składu chemicznego Badania składu chemicznego przeprowadzono za pomocą spektroskopu rentgenowskiego Metorex X-Met. Na podstawie badań określono zawartość pierwiastków stopowych. Wyniki pomiaru przedstawiono w Tabelach 1, 2 i 3. Tabela 1. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z-1 Pierwiastek V Cr Mn Fe Ni Cu Mo W 0,05 1,15 0,95 97,02 0,48 0,12 0,02 0,54 Tabela 2. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z-2 Pierwiastek Cr Mn Fe Cu Mo 0,96 1,01 98,00 0,12 0,03 Tabela 3. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z-3 Pierwiastek V Cr Mn Fe Ni Cu Mo W 0,46 2,24 0,65 94,95 1,04 0,12 0,04 2,01 Pomiar twardości wykonano metodą Vickersa (zgodnie z normą PN-EN ISO 6507-1:1999). Wyniki pomiarów zamieszczono w Tabeli 4. Tabela 4. Wyniku pomiaru twardości dla materiału rodzimego Numer próbki Twardość HV5 Z-1 426 Z-2 362 Z-3 363 3.1.3. Badania metalograficzne mikropróbek Obserwacje mikroskopowe wykonano za pomocą mikroskopu świetlnego na próbce wyciętej z badanego materiału. Otrzymane obrazy mikrostruktur zamieszczono na rysunkach. Próbka ze zbiornika Z-1 108
Rys.5. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-1 pow. 500x. Rys.6. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-1 pow. 1000x. Na podstawie badań mikrostruktury materiału rodzimego stwierdzono, że materiał ma strukturę sorbityczną, typową dla materiału po ulepszaniu cieplnym hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Struktura jest iglasta z wydzieleniami węglikowymi, charakterystyczna dla danego materiału i nie wykazuje oznak degradacji. Na podstawie analizy wyników stwierdzono, że badany element wykonany jest ze stali 12Ch2NWFA zgodnie z GOST 11268 (1976). Parametry wytrzymałościowe są zgodne z normą. 109
Próbka ze zbiornika Z-2 Rys.7. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-2 pow. 200x. Rys.8. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-2 pow. 200x. Na podstawie badań mikrostruktury materiału rodzimego stwierdzono, że materiał ma strukturę sorbityczną, typową dla materiału po ulepszaniu cieplnym hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Struktura jest iglasta z wydzieleniami węglikowymi, charakterystyczna dla danego materiału i nie wykazuje oznak degradacji. Na podstawie analizy wyników stwierdzono, że badany element wykonany jest ze stali 15ChA zgodnie z GOST 4543 (1971). Parametry wytrzymałościowe są zgodne z normą. 110
Próbka ze zbiornika Z-3 Rys.9. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-3 pow. 200x. Rys.10. Mikrostruktura materiału rodzimego próbki Z-3 pow. 200x. Na podstawie badań mikrostruktury materiału rodzimego stwierdzono, że materiał ma strukturę sorbityczną, typową dla materiału po ulepszaniu cieplnym hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Struktura jest iglasta z wydzieleniami węglikowymi, charakterystyczna dla danego materiału i nie wykazuje oznak degradacji. Na podstawie badań stwierdzono, że badany element wykonany jest ze stali 12Ch2NWFA zgodnie z GOST 11268 (1976). Parametry wytrzymałościowe są zgodne z normą. 111
3.2. Badania przeprowadzone przez Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN 3.2.1. Analiza składu chemicznego zbiorników stalowych Badania wykonane emisyjnym spektrometrem optycznym z wyładowaniem jarzeniowym Jobin Yvon 10 000 RF Pozycja linii centrowanie Fe 371.994 Warunki zewnętrzne: temperatura: 20 C Wilgotność: 40% Tabela 5. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z1 Pierwiastek S Ni Mo Cu V W Al Cr C Si Mn P 0,018 0,25 0,027 0,145 0,013 0,059 0,009 1,133 0,224 1,143 0,943 0,019 Tabela 6. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z2 Pierwiastek S Ni Mo Cu V W Al Cr C Si 0,018 0,193 0,033 0,203 0,008 0,011 0,012 0,981 0,216 1,139 Pierwiastek Mn P 0,900 0,018 Tabela 7. Wyniki pomiaru zawartości pierwiastków stopowych dla próbki Z3 Pierwiastek S Ni Mo Cu V W Al Cr C Si 0,018 1,170 0,027 0,134 0,193 1,141 0,013 2,365 0,180 0,341 Pierwiastek Mn P 0,458 0,019 3.2.2. Badania własności wytrzymałościowych Badania wykonane na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 6025 zmodernizowanej przez firmę Zwick z ekstensometrem makro. Prędkość przesuwu trawersy v=1 mm/min. Warunki zewnętrzne: temperatura 23 C Tabela 8. Zbadane własności wytrzymałościowe próbek Oznaczenie próbki R p0.2 R m F m A c MPa MPa kn % Z-1 1284 1210 28,76 20,28 Z-2 1032 1069 106,08 24,51 Z-3 1587 1112 51,75 16,50 112
3.2.3. Podsumowanie wyników badań przeprowadzonych w IMIM PAN w Krakowie Niniejsza podsumowanie zostało wykonane na podstawie analizy wyników badań dokonanej przez prof. dr. hab. inż. Edmunda Tasaka z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej im. SL Staszica w Krakowie z Katedry Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków. Z przedstawionej analizy wynika, że zbiorniki Z-1 i Z-2 są wykonane z tego samego gatunku stali, natomiast zbiornik Z-3 ze stali innego gatunku zawierającego więcej chromu niklu i wolframu. Analizowane stale należą do grupy stali do ulepszania cieplnego i porównania własności wynika, że zbiorniki były ulepszane cieplnie (hartowane i odpuszczane). Z analizy Polskich Norm wynika, ze najbardziej zbliżonym gatunkiem stali z której wykonano zbiorniki Z-1 i Z-2 jest gatunek 20HGSA wg PN 89/H-84030/04. Stal ta po hartowaniu i odpuszczaniu w różnych temperaturach ma własności podane w Tabeli 9. Analiza składu chemicznego zbiornika Z-3 wskazuje, że znak stali winien być następujący 20H3NWF. Jednak w Polskich Normach brak jest stali o podobnym składzie chemicznym. Stal o najbardziej zbliżonym składzie chemicznym należy do stali przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach w gatunku 20H3MWF wg PN-75/H-84024. Skład tej stali wg normy podano w Tabeli 10. Tabela 9. Własności stali 20HGSA hartowanej z temperatury 880 C w oleju i odpuszczanej w różnych temperaturach. Dane zaczerpnięte z charakterystyk stali do ulepszania cieplnego. Rodzaj Temperatura odpuszczania, C własności 400 450 500 550 600 Re - 990 860 745 670 Rm 1180 1075 960 860 815 A 5 15,3 16,5 19,1 20 24,5 Tabela 10. Skład chemiczny stali 20H3MWF wg PN-75/H-84024. 20H3MWF Skład chemiczny, % (wybrane pierwiastki istotnie wpływające na gatunek stali) C Mn Si Cr Ni W Mo V min. 0,16 0,25-2,4-0,3 0,35 0,013 maks. 0,24 0,60 0,40 3,3 0,5 0,5 0,55 0,008 zbiornik Z-3 0,180 0,458 0,341 2,365 1,170 1,141 0,027 0,193 Własności tej stali wg normy to Re>740MPa i Rm>880MPa Materiał zbiornika Z-1 ma wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1200MPa. Własności te wskazują, że zbiornik był hartowany i odpuszczany w temperaturze około 450 C. Również materiał zbiornika Z-2 ma podobne własności (Rm=1070MPa). Wskazuje to, że obróbka cieplna zbiorników była podobna. Zbiornik Z-3 ma wytrzymałość 1112MPa. Brak jest jednak w normie danych dla tej stali z uwagi, że stal o podobnym składzie chemicznym jest wysoko odpuszczana w temperaturze 650 C z uwagi na pracę w podwyższonych temperaturach. Przy tak wysokim odpuszczaniu Rm jest na poziomie 880MPa a Re=740MPa. Jednakże z porównania własności wynika, że stal, z której wykonany jest zbiornik Z-3 po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze około 500 C będzie miała własności wytrzymałościowe na poziomie około 1100 MPa. 113
4. Podsumowanie badań Uzyskane wyniki badań wykazały, że możliwe jest pobranie i zbadanie z pozytywnymi wynikami mikropróbek ze zbiorników kulistych powietrza. Wyniki badań materiałowych pozwoliły na zidentyfikowanie materiału, z którego wykonano zbiorniki będące przedmiotem badań. Uzyskane dane wytrzymałościowe umożliwiły przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych zbiorników oraz wykonanie cyfrowych symulacji naprężeń w nich występujących podczas eksploatacji. Badania należy kontynuować. Literatura: [1]. Materiały archiwalne WITU- niepublikowane [2]. Janusz Walczak: Wytrzymałość Materiałów, PWN, Warszawa 1954. [3]. R. Kurowski, M.E. Niezgodziński: Wytrzymałość Materiałów, PWN, Warszawa 1955. 114