ZASTOSOWANIE PRÓBY PĘCHERZYKOWEJ DO BADANIA SZCZELNOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH J. Czuchryj, Ł. Bartosz Instytut Spawalnictwa, Gliwice Wprowadzenie Współcześnie wykonywane konstrukcje spawane charakteryzuje duża różnorodność kształtów, rozwiązań konstrukcyjnych i zastosowań. Wśród tych konstrukcji dużą grupę stanowią wyroby w postaci różnego rodzaju rurociągów, zbiorników, cystern, silosów, pojemników, boksów, przewodów wentylacyjnych lub spalinowych, powłok osłonowych, korpusów itp. Na ogół są to konstrukcje nieciśnieniowe. Ich dopuszczenie do eksploatacji uwarunkowane jest szczelnością złączy spawanych. Konieczne jest zatem dobranie takiej metody badania szczelności, aby była ona zarówno skuteczna, jak i atrakcyjna pod względem ekonomicznym. Jedną z takich metod jest próba pęcherzykowa [1, 2]. Charakterystyka próby pęcherzykowej Zgodnie z normą PN-EN 1330-8:2001 próba pęcherzykowa stosowana jest do wykrywania przecieków poprzez zanurzenie obiektu w płynie próbnym lub pokrycie jego zewnętrznej powierzchni roztworem substancji powierzchniowo czynnej (pieniącej). Różnica ciśnienia na obu stronach ścian obiektu powinna być wystarczająco wysoka, aby ujawnić przecieki przez tworzenie się pęcherzyków. Jak widać, próba pęcherzykowa obejmuje technikę zanurzeniową oraz technikę nanoszenia cieczy. W tej drugiej można wyróżnić obiekty poddawane bezpośredniemu działaniu ciśnienia lub obiekty nie poddawane bezpośredniemu działaniu ciśnienia. W obszarze zainteresowania autorów opracowania pozostaje technika nanoszenia cieczy w odniesieniu do obiektów nie poddawanych bezpośredniemu działaniu ciśnienia. Technika ta wymaga przyłożenia odpowiedniej komory próżniowej (z wziernikiem obserwacyjnym) do badanego odcinka spoiny lub części obiektu, pokrytej uprzednio cieczą czynną powierzchniowo (rys.1).
Rys.1. Zasada badania szczelności z zastosowaniem próby pęcherzykowej i techniki nanoszenia cieczy: 1 - obszar badany z cieczą wykrywającą, 2 - wziernik obserwacyjny, 3 - króciec pompy próżniowej, 4 - uszczelnienie, 5 badany obiekt, 6 - komora próżniowa, 7 - manometr. Badanie szczelności złączy spawanych polega na wykorzystaniu zjawiska przenikania gazu (powietrza) z ośrodka o ciśnieniu wyższym do ośrodka o ciśnieniu niższym, w przypadku gdy istnieje połączenie między tymi ośrodkami. Badanie odbywa się w powietrzu atmosferycznym dzięki wytworzonemu podciśnieniu w nakładanej na badany odcinek komorze. Kapilarne nieszczelności w spoinie stanowią połączenie między ośrodkami o różnym ciśnieniu. W pokrytym pianotwórczym roztworem złączu następuje przenikanie powietrza z atmosfery do komory poprzez nieszczelności, w wyniku oddziaływania różnicy ciśnień. Powoduje to powstanie pęcherza pozwalającego na umiejscowienie nieszczelności. Podczas badania należy wziąć pod uwagę środki ostrożności związane z projektowaniem i konstrukcją komory próżniowej celem zapobieżenia ewentualnej implozji. Podczas próby ciśnienie powinno być stopniowo zmniejszane do określonego ciśnienia badania (np. do osiągnięcia 20 kpa lub 50 kpa). Wartość ciśnienia powinna być utrzymana przynajmniej 30 sekund. Dla złączy spawanych wymaga się, aby obszar badany obejmował spoinę oraz co najmniej 25 mm z każdej jej strony, licząc od przejścia spoiny do materiału podstawowego. Metody pęcherzykowej nie stosuje się do badania szczelności konstrukcji, dla których przewidziano przeprowadzenie ciśnieniowej próby wodnej. Ciśnieniowa próba wodna jest jednocześnie próbą wytrzymałości kontrolowanej konstrukcji i nie może być zastąpiona innymi metodami badań szczelności. 2
Urządzenia do próby pęcherzykowej Brak na rynku krajowym urządzeń umożliwiających przeprowadzenie próby pęcherzykowej w odniesieniu do złączy spawanych spowodował podjęcie w Instytucie Spawalnictwa prac projektowych. W ich wyniku zbudowano prototyp urządzenia, oznaczonego symbolem UKS-0, który sprawdzono w warunkach przemysłowych [3, 4, 5]. Prace nad udoskonaleniem konstrukcji urządzenia, a w szczególności komory próżniowej, były kontynuowane. Na ich podstawie opracowano nową wersję urządzenia (UKS-1), wyposażonego w podłużną komorę próżniową o zwiększonej wydajności. Kolejny etap prac modernizacyjnych polegał na opracowaniu i wyposażeniu urządzenia UKS w dodatkową komorę do badania złączy krzyżujących się i na powierzchniach zakrzywionych. Powstała w ten sposób wersja UKS-2 [6, 7], znacznie lepiej spełniająca wymagania klientów z przemysłu. W badaniach szczelności złączy spawanych problem stanowi ocena szczelności złączy ze spoinami pachwinowymi. W szczególności dotyczy to połączeń cargi z dnem dużych zbiorników magazynowych. Aby ułatwić tę ocenę, opracowano odpowiednią komorę kątową (rys.2) i wdrożono do produkcji urządzenie UKS-3 [8], umożliwiające kontrolę szczelności spoin pachwinowych w różnego rodzaju złączach kątowych. Rys.2. Widok komory kątowej podczas badania złącza próbnego ze spoiną pachwinową. 3
Wykonanie komory kątowej jest jednak skomplikowane i czasochłonne, a w związku z tym kosztowne. Z tego powodu zawieszono produkcję wersji UKS-3 do czasu opracowania komory tańszej i lepszej w zastosowaniu przemysłowym. Obecnie, do seryjnej produkcji wchodzi wersja urządzenia o oznaczeniu UKS-4, zmodernizowanego (w porównaniu do wersji poprzednich) pod względem ergonomicznym i pomiarowym. Urządzenie UKS-4 do pęcherzykowej próby szczelności złączy spawanych składa się z trzech podstawowych zespołów, tj.: okrągłej komory próżniowej, podłużnej komory próżniowej i pompy ssącej. Komory ograniczają przestrzeń, w której wytwarzane jest podciśnienie robocze po odpompowaniu powietrza. Komory próżniowe zbudowane są z przeźroczystych płyt obserwacyjnych, ścianek bocznych ograniczających komory na obwodzie i uszczelek gumowych o przekroju okrągłym. Przeźroczyste płyty umożliwiają obserwację badanego odcinka złącza podczas przeprowadzania próby, natomiast uszczelki ściśle przylegając do złącza izolują przestrzeń komór od otoczenia. Istnieje możliwość regulacji stopnia przylegania uszczelki do badanej powierzchni. W płyty obserwacyjne wbudowano łączniki do elastycznych przewodów, zawory zapowietrzające i manometry. Elastyczne przewody umożliwiają wypompowanie powietrza z komór próżniowych, natomiast zawory ich zapowietrzenie po wykonaniu próby oraz regulację ciśnienia poprzez odpowiednie ustawienie pokrętła. Obserwacja wskazań manometrów gwarantuje uzyskanie wymaganych parametrów próby. Ponadto w komorach zamontowano oświetlenie ułatwiające obserwację powstających pęcherzyków na badanym odcinku spoiny. Oświetlenie stanowią nastawne diody typu LED o średnicy 10 mm, charakteryzujące się dużym natężeniem światła. Diody zasilane są z toroidalnego transformatora napięciem bezpiecznym o wartości 12 V. Komora okrągła przeznaczona jest do badania złączy doczołowych krzyżujących się oraz złączy na powierzchniach zakrzywionych (np. sferycznych). Komora podłużna przeznaczona jest do badania płaskich złączy doczołowych i charakteryzuje się zwiększoną wydajnością. Konstrukcja obu komór umożliwia badanie szczelności spoin pachwinowych w złączach zakładkowych (nakładkowych), przy czym grubość materiału podstawowego nie powinna przekraczać 10-12 mm. Pompa ssąca wytwarza w komorach wymagane podciśnienie przez wypompowanie z nich powietrza poprzez elastyczny przewód łączący komory z pompą. W urządzeniu UKS-4, wykonywanym w Instytucie Spawalnictwa, pompę ssącą stanowi pompa próżniowa typu TW-2A produkcji USA. Widok urządzenia UKS-4, z podłączoną komorą okrągłą, podczas badania obwodowego złącza doczołowego rury pokazano na rys. 3. 4
Rys.3. Widok urządzenia UKS-4 podczas badania szczelności obwodowego złącza doczołowego rury z zastosowaniem próby pęcherzykowej. Urządzenie UKS-4 charakteryzuje się następującymi parametrami technicznymi: 1. komora okrągła: średnia zewnętrzna - 292 mm, średnia wewnętrzna - 210 mm, maksymalna długość badanego odcinka złącza (lub odcinków na skrzyżowaniach spoin) - 210 mm, oświetlenie diodami LED (Φ10 mm, 12 V), masa ok. 3,1 kg; 2. komora podłużna: wymiary zewnętrzne 1000 x 247 x 56 mm, maksymalna długość badanego odcinka złącza 910 mm, oświetlenie diodami LED (Φ10 mm, 12 V), masa ok. 12 kg; 3. pompa ssąca: typ pompa próżniowa, model TW 2A, zasilanie 220 V, 50 Hz, wymiary 319 x 125 x 243 mm, 5
masa 11 kg, ciśnienie graniczne 10 Pa. Wymagania dotyczące złączy spawanych Wysokość nadlewu, h, spoin czołowych przeznaczonych do próby pęcherzykowej powinna być zgodna z obowiązującymi normami wyrobu i spełniać następującą zależność: h = 1 mm + 0,1b (max. 5,0 mm) gdzie: b szerokość nadlewu spoiny. Lico tych spoin powinno łagodnie przechodzić do materiału podstawowego. Lico spoin pachwinowych powinno być płaskie lub wklęsłe i również łagodnie przechodzić do materiału podstawowego. Łagodne przejścia lica spoin do materiału ułatwiają przyleganie uszczelki komory próżniowej do złącza oraz przedłużają jej żywotność. W stosunku do spoin otworowych wymagań nie ustala się. Przygotowanie złącza do próby Spoinę oraz przylegającą do niej z obu stron strefę o szerokości co najmniej 40 mm należy dokładnie oczyścić z rdzy, farby, smarów, żużla, zgorzeliny i rozprysków stopiwa elektrod. Pozostawienie tych zanieczyszczeń na powierzchni złącza może uniemożliwić powstawanie wskazań w postaci pęcherzyków lub powodować wskazania pozorne (fałszywe). Na powierzchnię badanego złącza należy nanieść roztwór pianotwórczy (ciecz wykrywającą) i równomiernie rozprowadzić go miękkim pędzlem. Nie należy stosować roztworów gwałtownie spieniających się podczas nakładania na badaną powierzchnię. Warunki próby Warunki próby ustalono dla roztworu pianotwórczego, jaki stanowi woda z mydłem i gliceryną w proporcji: woda-1 dcm 3, mydło toaletowe-50 g, gliceryna-5 g. Warunkami próby są: zastosowana różnica ciśnień, czas jej utrzymania i temperatura badanej powierzchni. Różnica pomiędzy ciśnieniem powietrza atmosferycznego a ciśnieniem powietrza w komorze (wartość podciśnienia) powinna mieścić się w zakresie 0,05-0,07 MPa. Czas utrzymania różnicy ciśnień powinien wynosić co najmniej 30 sekund, natomiast temperatura badanej powierzchni powinna mieścić się w zakresie 5-50 0 C. Jeżeli przewidziano to w umowie, warunki próby należy podać w odpowiednim protokóle. 6
Badanie szczelności Badanie szczelności złącza spawanego z zastosowaniem próby pęcherzykowej polega na nałożeniu komory próżniowej na badany odcinek złącza, jej dociśnięciu, wypompowaniu powietrza i obserwacji tworzenia się pęcherzy. Obserwację należy prowadzić z odległości nie większej niż 60 cm, przy kącie nie mniejszym niż 30 0. Celem polepszenia kąta widzenia mogą być stosowane przyrządy pomocnicze w postaci lup (pow. do 4 x), lusterek itp. Natężenie oświetlenia badanej powierzchni powinno wynosić co najmniej 500 luksów. W miejscu powstania pęcherza znajduje się wada przechodząca na wskroś materiału (nieszczelność). Następnie komorę zapowietrza się, nakłada na kolejny odcinek złącza i powtarza opisane czynności. Protokół badania Zaleca się, aby wyniki z przeprowadzonej próby pęcherzykowej były ujęte w formie protokółu. Protokół powinien zawierać co najmniej: opis lub identyfikator badanego złącza, zastosowaną różnicę ciśnień, czas jej utrzymania, temperaturę badanej powierzchni, rodzaj roztworu pianotwórczego, opis lub sposób oznaczenia miejsc nieszczelnych, nazwisko i imię operatora, certyfikat operatora, datę badania. Podsumowanie W praktyce przemysłowej obserwuje się coraz szersze zastosowanie różnych metod badań nieniszczących do oceny jakości wykonywanych złączy spawanych. Do przeprowadzenia tych badań konieczne są odpowiednie środki i niezawodne urządzenia. Z tego powodu obserwuje się znaczne zainteresowanie wytwórców konstrukcji spawanych sprawnym sprzętem badawczym o przystępnej cenie. Instytut Spawalnictwa wychodzi naprzeciw tym potrzebom, oferując, między innymi, coraz nowszej generacji urządzenia do badania szczelności złączy spawanych z zastosowaniem próby pęcherzykowej. Z oferty tej skorzystało już wiele przedsiębiorstw. W zakresie rozwoju konstrukcji urządzeń UKS planuje się dalsze prace, zmierzające do rozszerzenia ich możliwości badawczych. Będzie to stanowić podstawę do dalszego upowszechniania próby pęcherzykowej w praktyce przemysłowej. Literatura 1. PN-EN 1330-8:2001 Badania nieniszczące. Terminologia. Terminy stosowane w badaniach szczelności 7
2. PN-EN 1593:2002 Badania nieniszczące. Badania szczelności. Techniki emisji pęcherzyków. 3. Czuchryj J.: Zaprojektowanie i zbudowanie urządzenia do próżniowej kontroli szczelności spoin. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Fd-51. Gliwice, 1982. 4. Czuchryj J.: Urządzenie do kontroli szczelności złączy spawanych metodą próżniową. Prace Instytutu Spawalnictwa, 1982, nr 4 5. Czuchryj J.: Urządzenie do kontroli metodą próżniową szczelności połączeń spawanych. Przegląd Spawalnictwa, 1984, nr 1 6. Czuchryj J.: Urządzenie UKS-2 do kontroli szczelności złączy spawanych metodą podciśnieniową. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1993, nr 4 7. Czuchryj J., Wnęk T.: Badania nieniszczące złączy spawanych. Wyd. Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, 1996. 8. Czuchryj J.: Wykorzystanie metody podciśnieniowej do kontroli szczelności złączy spawanych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1999, nr 6 9. Klimpel A., Szymański A.: Kontrola i zapewnienie jakości w spawalnictwie. Wyd. Politechniki Śląskiej. Gliwice, 1998. 10. Czuchryj J., Stachurski M.: Badania nieniszczące w spawalnictwie. Wyd. Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, 2002. 8