10 VHODNOSŤ PRE PREVÁDZKU 10.1 Všeobecne o prístupe Vhodnosť pre prevádzku Vyrobená konštrukcia musí vyhovieť požiadavkám obsiahnutým v normách akosti výrobkov. Prípustnosť defektov v týchto normách sa stanovovala na základe skúseností z praxe, zohľadnením možností nedeštruktívneho skúšania a ekonomických hľadísk. Pri kontrolách konštrukcií v priebehu životnosti sa vyskytujú defekty, ktoré síce nespĺňajú požiadavky podľa noriem akosti výrobku, ale neznižujú spoľahlivosť prevádzky a plánovanú životnosť zariadenia. Pri oprave defektov zváraním môžu vzniknúť ďalšie defekty, lokálna zmena vlastností materiálu a vnesené zvyškové napätia môžu znížiť únosnosť a životnosť opravovanej časti. Preto je lepšie takéto defekty neopravovať lepšie je tolerovať defekty, ktoré spĺňajú podmienku vhodnosť pre prevádzku (fitness for service). Hodnotenie prípustnosti defektov sa vykonáva využitím poznatkov náuky o medzných stavoch materiálov, najmä lomovej mechaniky, využitím poznatkov z praxe, ako aj podľa prístupu vhodnosť pre prevádzku. V staršej anglickej literatúre sa používal výraz fitness for purpose (vhodnosť na daný účel), pozri [10-1, 2]. Hodnotenie správania sa defektov vychádza zo vzťahu troch druhov údajov: - namáhanie napätia, deformácie, - defekty: rozmery, druh, orientácia, - mechanické charakteristiky materiálov. Presné stanovenie údajov potrebných na hodnotenie prípustnosti defektov je finančne aj časovo náročné a býva limitované praktickými možnosťami. Preto je účelné používať tri stupne prísnosti (presnosti) hodnotenia prípustnosti defektov. Prísnosť hodnotenia musí byť určená podľa - významu konštrukcie, - miery ohrozenia prostredia pri havárii zariadenia. 10.2 Zatriedenie konštrukcií podľa významu Na hodnotenie prípustnosti defektov v konštrukčných častiach sa vo všeobecnosti konštrukcie zadeľujú do troch skupín: Zvláštne konštrukcie ktorých poškodenie ohrozuje bezpečnú prevádzku, ich porušenie ohrozuje zdravie veľkého počtu ľudí alebo dlhodobo znehodnotí životné prostredie. Patria sem zariadenia primárneho okruhu a vybrané zariadenia sekundárneho okruhu jadrových elektrární. Náročné konštrukcie ktorých havária (porušenie) zapríčiní veľké ekonomické škody, ohrozuje viac ľudí a krátkodobo poškodí životné prostredie. Sem patria zariadenia ťažkej chémie, veľké zásobníky skvapalnených plynov, diaľkové plynovody, veľké mosty, uzávery plavebných komôr atď. Konštrukcie všeobecného použitia ktorých havária spôsobí menšie ekonomické škody a môže spôsobiť len úrazy obsluhujúceho personálu. 218
Vstupné údaje potrebné na hodnotenie prípustnosti defektov konštrukcií jednotlivých skupín významnosti sú: pre zvláštne konštrukcie: - presná napäťová analýza pre normálne prevádzkové podmienky, narušenie normálnych prevádzkových podmienok, spúšťanie a zastavenie, vrátane havarijného zastavenia, - 100 %-ná nedeštruktívna kontrola zvarových spojov, konštrukcie, kombinovaná kontrola významných oblastí; stanovenie rozmerov, orientácie, polohy a typu defektov, - štatisticky spracované medzné charakteristiky použitých konštrukčných materiálov (nielen zaručované), vrátane lomovomechanických: statická a dynamická lomová húževnatosť K CJ, K ID, lomová húževnatosť pri zastavení trhliny K Ia, rýchlosť rastu únavovej trhliny da/dn ΔK vo vzduchu a vo vode, charakteristiky vysokodeformačnej únavy atď. Treba tiež stanoviť zmenu charakteristík vplyvom dlhodobej prevádzky, neutrónové alebo tepelnedeformačné krehnutie a pod., pre náročné konštrukcie: - nedeštruktívna kontrola významných častí konštrukcie, najmä zvarových spojov, - dôležité mechanické charakteristiky (katalógové údaje), ako napr. rázová húževnatosť KCV, statická lomová húževnatosť K CJ, pre konštrukcie všeobecného použitia: - napätia podľa výpočtu pri navrhovaní, doplnené alebo upravené pre skutočné podmienky namáhania, - napäťová analýza pre významné prevádzkové režimy, - nedeštruktívna kontrola významných častí konštrukcie, najmä zvarových spojov, - mechanické charakteristiky konštrukčných materiálov podľa atestov alebo katalógové údaje: rázová húževnatosť KCV ocele a zvarového kovu spoja. 10.3 Medzné stavy konštrukcií Konštrukcia sa v priebehu prevádzky môže natoľko poškodiť, že sa stane nevhodnou pre použitie hovoríme, že dosiahla medzný stav. Podľa miery poškodenia rozlišujeme dva medzné stavy: - prevádzkový medzný stav, ktorý je určený kritériami normálneho používania prevádzkyschopnosti, - konečný medzný stav (medzný stav porušenia), ktorý zodpovedá maximálnej únosnosti, alebo životnosti konštrukcie. Prevádzkový medzný stav závisí vo veľkej miere od určenia a typu konštrukcie. Netesnosť je významný medzný stav pre tlakové zariadenia tlakové nádoby, kotly, uskladňovacie nádrže a potrubia. Nadmerné deformácie alebo vibrácie sú medzné stavy použiteľnosti mostov, oceľových konštrukcií, morských plošín, dopravných zariadení atď. Konečný medzný stav nastane pri náhlom porušení, plastickom zrútení, strate stability niektorých kritických častí, ktoré vyvolajú zrútenie haváriu celej konštrukcie. Havária konštrukcie môže mať tragické následky, straty na životoch a veľké ekonomické škody (v závislosti od určenia a typu konštrukcie). 219
Netesnostné porušenie môže mať tragické následky pre tlakové zariadenia obsahujúce jedovaté, výbušné alebo iné nebezpečné látky. Postupné poškodzovanie, napr. únavový alebo korózny rast trhlín, môže byť odhalené pri prevádzkových kontrolách skôr, než poškodenie dosiahne nebezpečnú úroveň. Niektoré predpisy stanovujú maximálne prípustné poškodenie pri prevádzkovej kontrole, ako prevádzkový medzný stav. Keď sa prevádzkové kontroly nerobia, alebo nie sú dostatočne spoľahlivé, postupné poškodzovanie sa môže natoľko rozšíriť, že spôsobí haváriu (konečný medzný stav) konštrukcie. Hodnotenie prípustnosti defektov v konštrukčných častiach sa robí podľa týchto medzných stavov materiálov pre tieto spôsoby porušenia: a) krehký lom (porušenie), b) šmykové porušenie, c) tvárne plastické porušenie, d) únavový rast trhliny a únavové porušenie, e) vznik netesnosti tlakových zariadení, f) korózia, korózny rast trhliny, g) tečenie (creep) materiálu za vysokých teplôt. 10.3.1 Spôsoby porušenia konštrukčných častí Charakteristické znaky jednotlivých spôsobov porušenia a prístupy hodnotenia odolnosti materiálov proti porušeniu sú: a) Krehké porušenie (krehký lom) je spôsobené štiepnou trhlinou, ktorá sa šíri rýchlosťou 100 až 1000 m/s; lomová plocha je kolmá na max. ťahové napätie σ 1 a má kryštalický vzhľad; okolie lomu nevykazuje znateľnú plastickú deformáciu. Krehké porušenie môže vzniknúť aj pri nízkom nominálnom napätí σ nom R e. Vzniká spravidla z ostrých defektov typu trhliny okamžite alebo po tvárnom náraste trhliny do kritických rozmerov. Charakteristikou odolnosti materiálu proti iniciácii krehkej trhliny je lomová húževnatosť K IC (δ IC, J IC ), charakteristikou odolnosti materiálu proti zastaveniu krehkej trhliny je lomová húževnatosť pri zastavení trhliny K Ia, prípadne prechodová teplota húževnato-krehkého porušenia TT alebo teplota zastavenia trhliny TZT. Vzájomný vzťah krehkolomových charakteristík je na obr. 6-5 v 3. knihe učebných textov [10-15]. b) Šmykové porušenie je spôsobené šmykovou trhlinou, ktorá sa šíri rýchlosťou 100 až 250 m/s; lomová plocha je šikmá na max. napätie σ 1 (spravidla pod 45 uhlom), má matný vzhľad; okolie lomovej plochy je len málo zdeformované. Šmykové porušenie vzniká pri nominálnom napätí R e σ nom R m, ale môže sa šíriť aj pri nízkom napätí σ nom R e. Rýchlosť šírenia šmykovej trhliny v závisí od veľkosti hnacej sily a akumulovanej energie v potrubiach namáhaných tlakom plynu (pary) býva v = 150 až 250 m/s. Charakteristikou odolnosti materiálu proti šmykovému porušeniu je lomová húževnatosť K IIC a medza pevnosti v strihu R ms. Keďže tieto charakteristiky chýbajú, v inžinierskych výpočtoch sa hodnotia: - defekty ako pri krehkom porušení, použitím lomovej húževnatosti K IC alebo K CJ - lomové napätie τ C = R ms = 0,8 R m (10-1) 220
c) Tvárne plastické porušenie vzniká nad prechodovou teplotou TT pri vysokom nominálnom napätí R e σ nom R m. Prebieha spojovaním tvárnych trhliniek, pomaly. Lomová plocha je členitá, plastického vzhľadu, okolie lomu je zdeformované (vznikne kontrakcia). Charakteristikami materiálu proti tvárnemu porušeniu sú medza klzu R e a pevnosti R m ; charakteristikou proti porušeniu telesa s trhlinou je T modul (modul tvárneho trhania materiálu): (10-2) d) Únavový rast trhliny a porušenie vzniká pri opakovanom kmitavom zaťažovaní konštrukčnej časti. Pre telesá s defektmi únavový rast trhliny a životnosť telesa závisí od rozkmitu napätia Δσ, resp. rozkmitu súčiniteľa intenzity napätia ΔK. Stredné napätie σ m má na únavu materiálu len malý vplyv. Únavová trhlina je kolmá na max. kmitavé napätie, lomová plocha sa vyznačuje žliabkami (čelo postupu únavovej trhliny), okolie únavového lomu je nedeformované (bez kontrakcie). Únavová trhlina vznikne z ostrých defektov alebo vrubov. Keď únavová trhlina dosiahne kritický rozmer, nastane dolom, ktorý môže prebiehať krehkým alebo tvárnym lomom.pri hodnotení prípustnosti defektov v konštrukčných častiach namáhaných únavou sú tieto namáhané spravidla v oblasti vysokokmitovej únavy. Pri namáhaní v oblasti vysokodeformačnej (nízkocyklovej) únavy z defektov okamžite vznikne únavová trhlina, ktorá rastie veľmi rýchle až do kritických rozmerov. Takáto konštrukčná časť má krátku (obmedzenú) životnosť.keď je konštrukčná časť zaťažená (pri σ < R e ) pomerne malým počtom kmitov, považuje sa to za kvázistatické namáhanie. Pri väčšom počte kmitov zaťaženia treba konštrukčnú časť posudzovať z hľadiska únavy. Hranica medzi kvázistatickým a únavovým namáhaním sa približne stanovuje podľa pomeru skutočnej životnosti N A = N F k požadovanej životnosti N R za čas prevádzky (plánovanej životnosti) podľa vzťahov: N A / N R > 10 kvázistatické namáhanie, N A / N R 10 únavové namáhanie. Presnejšie delenie je v časti 9, obr. 9-1, v 3. knihe učebných textov [10-15]. e) Netesnostné poškodenie tlakového zariadenia trhlina môže únavovým, koróznym alebo iným mechanizmom prerásť cez celú stenu zariadenia a spôsobiť netesnosť. Keď trhlina pritom nedosiahla kritický rozmer, nevznikne náhle porušenie zariadenia a c > h. Únik média možno zistiť, a tak zabrániť ďalšiemu rastu trhliny do kritických rozmerov. Tento spôsob poškodenia tlakových zariadení nazývame netesnostným, alebo netesnosť pred porušením (anglicky Leak before Break LbB). 10.4 Vstupné údaje pre hodnotenie prípustnosti defektov 10.4.1 Napätie Pri hodnotení prípustnosti defektov v konštrukčných častiach prístupom vhodnosť pre prevádzku je účelné deliť napätia (obr. 10-1) na: a) Primárne napätia vyvolané vonkajším zaťažením, vrátane vlastnej hmotnosti. Tieto sa ďalej delia na napätia: - membránové σ m sú konštantné po priereze, - ohybové σ b nie sú konštantné po priereze. 221
Napätia σ m a σ b sú nominálne napätia σ nom. a) b) c) d) Obr. 10-1 Druhy napätí: a) primárne, b) zvyškové a teplotné, c) lokálne špičkové, d) celkové b) Sekundárne napätia sem patria napätia: - teplotné σ t vyvolané teplotným poľom - zvyškové σ r vyvolané lokálnym deformačným účinkom; najčastejšie pri zváraní alebo naváraní. Napätia σ b a σ r spravidla nie sú konštantné po priereze. c) Lokálne špičkové napätia σ 1 vyvolané koncentráciou napätia z lokálnych tvarových zmien a vrubov σ l = σ nom (k S 1) kde k S je teoretický súčiniteľ koncentrácie napätia σ max = σ nom + σ l = σ nom. k S K lokálnym napätiam sa nezaraďuje zvýšenie napätia v okolí rovinných defektov a nespojitostí. Účinok defektov sa vyjadruje súčiniteľom intenzity napätia K 1. Súčiniteľ intenzity napätia K 1 určuje napäťové pole vo vrchole ideálnej trhliny, v telese zaťaženom kolmo na rovinu trhliny v oblasti lineárne pružných deformácií. 10.4.2 Mechanické charakteristiky materiálov 222
Zmluvná zaručená medza klzu R e, medza pevnosti R m, ťažnosť A 5, vrubová húževnatosť KCV atď., sú výrobcom (dodávateľom) materiálu zaručené hodnoty charakteristík, spravidla s vysokou spoľahlivosťou (štatisticky najnižšia hodnota). Typická medza klzu R e, rázová húževnatosť KCV atď., sú štatisticky stanovené najpravdepodobnejšie charakteristiky materiálu, udávané výrobcom ocele, resp. zváracieho prídavného materiálu. Reálna skutočná medza klzu R e, reálna lomová húževnatosť K CJ atď., sa stanovujú skúškou telies (tyčí) odobratých z reálnej vzorky, alebo štatistickým rozborom údajov z informačného systému mechanických vlastností ocelí alebo mechanických vlastností zvarových spojov (IS MVO/MVZS), spravidla s pravdepodobnosťou 90 alebo 95 %. Dovolené napätie (namáhanie) σ D sa používa pri navrhovaní (výpočte) konštrukcie. Určenie σ D je v norme navrhovania výrobku. Spravidla sa určuje takto: σ D = min {R e /n 1 ; R m /n 2 } kde n 1, n 2 sú súčinitele bezpečnosti. 10.4.3 Nedokonalosti zvarového spoja defekty a) Základné pojmy Je viacero spôsobov hodnotenia nedokonalostí zvarových spojov konštrukcií. Pri použití prístupu vhodnosť pre prevádzku sa rozlišujú defekty: - rovinné nespojitosti, - priestorové nespojitosti, - tvarové odchýlky. Defekty nespojitosti (chyby, vady) materiálu zmenšujú nosný prierez a vyvolávajú vysokú lokálnu koncentráciu napätia. Rovinné defekty typu trhlín spôsobujú koncentráciu napätia s nereálnymi hodnotami súčiniteľa k S, preto sa na hodnotenie správania sa takýchto defektov používa súčiniteľ intenzity napätia K I. Defekty typu nespojitostí delíme na: - rovinné: trhlina, studený spoj, neprevarený koreň, zápal atď., - priestorové: bubliny, póry, troskové vtrúseniny (inklúzie). Podrobnejšie delenie je v STN ISO 6520 [10-3]. Defekty sa môžu vyskytovať ojedinele alebo skupinovo. Blízke defekty sa posudzujú spoločne, ako jeden defekt. Tvarové odchýlky pod týmto pojmom rozumieme: - lineárne presadenie hrán (obr. 10-2a), - uhlové presadenie strieškovitosť (obr. 10-2b), 223
- nesprávny tvar povrchu (profil) spoja: prevýšenie v (obr. 10-2a) a prechodový uhol ϕ v úpätí spoja (obr. 10-2a, c). Obr. 10-2 Chyby tvaru povrchu (profilu) zvarového spoja Vplyv povrchových nedokonalostí tvaru zvarového spoja sa zohľadní súčiniteľom koncentrácie napätia k S. K odchýlkam možno zaradiť aj metalurgické odchýlky lokálne zmeny chemického zloženia, štruktúry a mechanických vlastností materiálov. Vo výpočtoch to treba zohľadniť použitím skutočných mechanických charakteristík materiálov v mieste posudzovania defektu. b) Roztriedenie defektov podľa polohy Defekty podľa polohy v konštrukčnej časti sa delia na: - povrchové, - podpovrchové nachádzajúce sa blízko povrchu, - vnútorné. Osobitnú skupinu tvoria rovinné defekty rovnobežné s povrchom konštrukčnej časti, orientované v smere membránového namáhania. Sem patria: rozvrstvenie plechu, lamelácia (odlúpnutie) návaru a pod. K povrchovým defektom zvarových spojov patria aj nedokonalosti tvaru spoja (obr. 10-2). 224
10.4.4 Základné pojmy pri hodnotení prípustnosti defektov Hranica rozlišovateľnosti detekovateľnosti je najmenší defekt, ktorý používanými nedeštruktívnymi metódami skúšania môžeme spoľahlivo stanoviť. Náhradná veľkosť defektu D n je rozmer umelého defektu (napr. priemer kruhovej plochy kolmej na os ultrazvukových lúčov), ktorý pri rovnakých dráhach a rovnakom útlme ultrazvuku v materiáli majú rovnaké poruchové echá ako prirodzený defekt pozri STN 01 5022 [10-4] a STN EN 1712 [10-5]. Vo všeobecnosti údaj D n nezodpovedá rozmerom skutočného defektu. Dovolená veľkosť defektu a D, c D je najväčší rozmer určitého druhu defektu, ktorý je povolený pri výrobe konštrukcie. Dovolená veľkosť defektu je mierou kvality výroby, stanovuje sa podľa praxou osvedčených pravidiel s ohľadom na možnosti nedeštruktívneho skúšania a ekonomické hľadiská. Tolerovateľná prijateľná veľkosť defektu a t, c t je najväčší rozmer trhliny určitého tvaru, ktorý možno pripustiť na základe vhodnosti pre prevádzku pri daných prevádzkových podmienkach a danej životnosti. Tolerovateľná veľkosť defektu je limitnou hodnotou, nad ktorou už defekt v konštrukcii nemôžeme ponechať, musíme ho opraviť. Dočasne tolerovateľná veľkosť defektu je najväčší rozmer trhliny, ktorý môže počas prevádzky rásť, ale spĺňa podmienky vhodnosť pre prevádzku do najbližšej kontroly. Dovolený a tolerovateľný defekt obidva sú prípustné defekty. Kritická veľkosť defektu a c, c c je najmenší rozmer defektu trhliny určitého tvaru, ktorý pri daných podmienkach namáhania spôsobí náhly rozvoj trhliny alebo porušenie. 10.5. Hodnotenie prípustnosti defektov podľa medzných stavov porušenia 10.5.1 Tvárne plastické porušenie Tvárne porušenie materiálu vplyvom defektov môže nastať tromi spôsobmi: a) lokálne porušenie konštrukčnej časti (steny) v okolí defektu, b) porušenie zoslabeného (netto) prierezu, c) porušenie celého, pôvodného prierezu nastáva pri preťažení konštrukčnej časti. 10.5.1.1 Lokálne porušenie steny Pri hodnotení defektov sa stanovuje nominálne napätie σ n v priereze A d = B. (2 c + B), pozri obr. 10-3. Medzné namáhanie je f m = R e alebo medza plastického tečenia materiálu f m = 0,5 (R e + R m ). Defekty sú tolerovateľné keď: kde F je výsledné namáhanie od vonkajších síl zoslabenom priereze, (10-3) 225
A o plný, nezoslabený prierez, A d plocha defektov v kritickom priereze, n súčiniteľ bezpečnosti. Obr. 10-3 Schéma pre hodnotenie prípustnosti defektov pri tvárnom porušení výpočet netto napätia 10.5.1.2 Porušenie zoslabeného netto prierezu Posudzuje sa namáhanie celého zoslabeného netto prierezu, pozri obr. 10-3. Označenie rozmerov defektu trhliny a detailu je taktiež na obrázku. a) Priechodná trhlina dlhá 2 c = 2 ā kde σ m je membránové (ťahové) napätie, σ b ohybové napätie. (10-4) b) Povrchová trhlina upnuté konce (10-5) pričom: α = (a/b)/[1 + (B/c)] pre W 2 (c + B), 226
α = (2 a/b)/(c/w) pre W < 2 (c + B). Vzťahy pre ďalšie prípady výskytu defektov, ako napr. vnútorné defekty, defekty v obvodovom zvare rúr, atď., sú v literatúre [10-1, 2, 13]. 10.5.2 Krehké porušenie Pri posudzovaní defektov prístupmi lomovej mechaniky treba stanoviť súčiniteľ intenzity napätia K I na základe veľkosti namáhania σ a rozmerov defektov a. Vo všeobecnosti je súčiniteľ intenzity napätia K I určený výrazom: (10-6) Skutočný rozmer defektu sa nahradí trhlinou ideálneho tvaru: elipsa, polelipsa, štvrťelipsa; veľké defekty sa nahradia priechodnou trhlinou, obr. 10-4. Vyhodnocujú sa priemery defektov do normálových rovín hlavných napätí σ 1 a σ 2. Vypočítajú sa hodnoty K I vo vrcholoch elipsy. Najvýznamnejším údajom je spravidla najväčšia hodnota K I. a) b) c) d) Obr. 10-4 Nahradenie tvaru defektu trhlinou ideálneho tvaru a), b) eliptickou trhlinou; c), d) priechodnou trhlinou Keď výsledné napätie σ T pôsobiace v okolí defektu trhliny prevyšuje medzu klzu materiálu R e na stanovenie súčiniteľa intenzity napätia K I treba použiť prístupy elasticko plastickej lomovej mechaniky EPLM. Osvedčil sa prístup J integrálu podľa Landesa [10-6]: K I = σ T pre σ T < R e (10-7) K I = R e. pre σ T < R e (10-8) e = σ/r e 227
σ T = k S. σ n + σ r kde k S je súčiniteľ koncentrácie napätia, σ r zvyškové napätie. Keď je lomová húževnatosť materiálu K CJ väčšia ako n.k I, defekt je tolerovateľný, nemusí sa opraviť. K CJ > n. K I (10-9) Japonský predpis JWES 2805-1997 [10-7] používa CTOD prístup v tvare (10-10, 10-11): Závislosť medzi rozovretím vrcholu trhliny CTOD = δ a lokálnou deformáciou ε v oblasti trhliny sa vyjadruje vzťahmi: δ = ε e. ā. (π/2). e 2 pre e 1 (10-10) δ = ε e. ā. (π/8) [9e - 5] pre e > 1 (10-11) e = ε/ε e kde ε/ε je deformácia na medzi klzu: ε e = R e /E Celková deformácia ε sa stanoví zo vzťahu: ε = k e. ε n + k r. ε e = (k e. σ n + k r. R e ) / E (10-12) kde σ n je nominálne napätie, ε n nominálna deformácia, k e súčiniteľ koncentrácie deformácie. Pre približný výpočet možno použiť miesto k e teoretický súčiniteľ koncentrácie napätia k t. Súčiniteľ intenzity napätia K I sa stanoví zo vzťahu (platí exaktne len v elastickej oblasti: e < 1): (10-13) Na posudzovanie defektov v tvárnych materiáloch, s nízkym pomerom R e /R m (napr. austenitických ocelí) je výhodné použiť dvojkritériový prístup R6 (10-14) kde parametre krehkého porušenia K r a tvárneho porušenia L r sú určené vzťahmi: kde ρ je súčiniteľ vplyvu plastickej deformácie od zvyškových napätí. (10-15) Závislosť (10-14) je ohraničená vzťahom: L r max = (R e + R m ) / 2R e (10-16) 228
Podrobnejší opis metódy je v časti 6.6 v 3. knihe učebných textov [10-15]. 10.5.2.1 Súčiniteľ koncentrácie deformácie k e Súvislosť medzi teoretickým súčiniteľom koncentrácie napätia k t, súčiniteľom koncentrácie napätia k s a súčiniteľom koncentrácie deformácie k e možno vyjadriť Neuberovým vzťahom: (10-17) Súčiniteľ koncentrácie deformácie k e pre deformačne spevňujúce sa materiály: σ = C. ε n možno stanoviť zo vzťahov [10-7]: k e = k t = k s k t. σ R e (10-18) k e =k t + A (e - 1/k t ) σ n R e k t. σ (10-19) A = λ (k t 2/(1+n) k t ) / (1 - λ/k t ) λ = σ n / σ kde n je exponent deformačného spevnenia materiálu, stanovuje sa podľa ASTM E 646-93 [10-8]. Približnú hodnotu n možno stanoviť zo vzťahu: n = 0,12. ln (1390/R e ) R e (MPa) (10-20) Závislosť súčiniteľov koncentrácií napätia k s a deformácie k e od pomerného nominálneho napätia σ n /R e na okraji platne s kruhovým otvorom r/w = 1/7, exponent n = 0,15, je na obr. 10-5. Obr. 10-5 Závislosť súčiniteľov koncentrácií napätia k S a deformácie k e od pomerného nominálneho napätia σ n / R e v platni s kruhovým otvorom 229
10.5.2.2 Prípustný tolerovateľný defekt Defekt je prípustný tolerovateľný keď súčiniteľ intenzity napätia K I splňuje podmienku: n. K I K m Pri použití prístupu J-integrálu má byť splnená podmienka: Pri použití CTOD prístupu má byť splnená podmienka: (10-21) (10-22) (10-23) kde K m, J m ; δ Im sú reálne údaje lomovej húževnatosti materiálu, v ktorom sa nachádza defekt (pre 90 % pravdepodobnosť výskytu údajov). 10.5.2.3 Súčiniteľ bezpečnosti Súčiniteľ bezpečnosti n sa volí s ohľadom na presnosť údajov použitých pri hodnotení, vo výpočte (napätia, defekty, materiálové charakteristiky) a s ohľadom na možné dôsledky porušenia (ohrozenie prostredia). Podobné činitele určujú aj zatriedenie konštrukcie podľa významu do jednotlivých skupín. Pri hodnotení prípustnosti určitého defektu (určitej konštrukčnej časti s defektom) sa používajú spravidla rôzne presné údaje. Preto je opodstatnené stanoviť čiastkové parciálne súčinitele bezpečnosti n S, n D, n K n = n S. n D. n K... (10-24) Hodnoty parciálnych súčiniteľov bezpečnosti n S, n D, n V, n K uvádza tab. 10-1. Skupiny presnosti údajov sú označené S1, S2, D1, D2, K1, K2, V1, V2, R1, R2. Podmienky pre určenie jednotlivých údajov S1 až R2 sú v literatúre [10-1]. Tabuľka 10-1 Parciálne súčinitele bezpečnosti Dôsledky porušenia Mierne Závažné Označenie Parameter 1 2 1 2 presnosti údajov Napätie primárne S 1,1 1,2 1,4 1,6 sekundárne a iné S 1,1 1,1 1,2 1,3 Defekty rovinné D 1,0 1,2 1,2 1,4 priestorové D 1,0 1,1 1,2 1,3 Húževnatosť lomová K CJ K 1,0 1,1 1,2 1,4 vrubová KCV V 1,2 1,4 1,4 1,6 Pevnosť, medza klzu R 1,0 1,1 1,1 1,2 10.5.3 Hodnotenie prípustnosti defektov pri únavovom namáhaní konštrukčných častí Životnosť konštrukčného detailu s defektmi pri únavovom namáhaní únavová životnosť N sa vyznačuje tromi odlišnými etapami rozvoja: 230
- etapa iniciácie únavovej trhliny, - etapa rastu únavovej trhliny, - medza rastu dolom. Podľa toho rozlišujeme počty kmitov: N I do vzniku makroskopickej únavovej trhliny dlhej asi 1 mm, N G rast trhliny do medzného rozmeru do porušenia. Celkový počet kmitov do porušenia N F je: N F = N I + N G Trvanie jednotlivých etáp rozvoja trhliny závisí okrem vlastností materiálov, spôsobu a výšky namáhania aj od druhu a veľkosti defektov. Keď sa v konštrukčnom detaili vyskytujú rovinné defekty typu trhliny, prevažuje etapa rastu N G a etapu iniciácie možno zanedbať, obr. 10-5a. Únavovú životnosť detailu možno stanoviť lomovomechanickým prístupom, ale aj podľa kategórie detailu KD. Keď sa v konštrukčnom detaili vyskytujú len malé priestorové defekty typu bublín, pórov, troskových vtrúsenín, atď., prevažuje etapa iniciácie N I, etapa rastu N G býva podstatne kratšia, preto ju možno zanedbať, obr. 10-5b. Únavová životnosť detailu sa stanovuje podľa experimentálne stanovených závislostí Δσ-N, podľa kategórií detailu. Tento prístup sa používa v STN 73 1401 [10-9]. Dolom konštrukčného detailu môže nastať tvárnym porušením alebo krehkým lomom, v závislosti od húževnatosti materiálu a hrúbky detailu. 10.5.3.1 Rast únavovej trhliny Pri opakovanom kmitavom zaťažovaní konštrukčnej časti s trhlinou závisí rozvoj trhliny a rýchlosť jej rastu od veľkosti rozkmitu súčiniteľa a intenzity napätia ΔK [10-1, 2, 7]: kde Y je súčiniteľom tvaru trhliny závisí aj od spôsobu namáhania (10-25) Závislosť rýchlosti rastu únavovej trhliny da/dn od rozkmitu súčiniteľa a intenzity napätia ΔK je na obr. 9-13 v 3. knihe učebných textov [10-15]. Diagram má tri oblasti, ohraničené limitnými hodnotami ΔK: ΔK 0 prahová hodnota, pod ktorou trhlina nerastie ΔK CF únavová lomová húževnatosť, nastane porušenie telesa. V strednej oblasti rýchlosť rastu únavovej trhliny opisuje Paris-Erdoganov vzťah: da/dn = A. ΔK m = A 1. Δσ m. Y m. a m/2 m = 2,5 až 4 (10-26) 231
a) b) Obr. 10-6 Krivky životnosti konštrukčných častí a) s trhlinou; b) s malými priestorovými defektmi Pre feritické ocele s R e < 600 MPa, pri t 100 C a v neagresívnom prostredí (vrátane vzduchu) je podľa [10-1]: A = 9,5. 10-9 (mm/cykl.; MPa ) 232
Pre trhliny vo zvarových spojoch (zvarovom kove ZK, teplom ovplyvnenej oblasti TOO) pri vyšších hodnotách ΔK sa odporúča použiť konštanty: m = 3; A = 1,9. 10-8 (mm/cykl.; MPa ). Prahový rozkmit súčiniteľa intenzity napätia ΔK 0 pre C a CMn ocele, prostredie vzduch v závislosti od súčiniteľa nesúmernosti kmitov zaťaženia r podľa [10-1] je: r > 0,5... ΔK 0 = 2,0 MPa 0 < r < 0,5... ΔK 0 = 5,4 6,8 r... (MPa ) r < 0... ΔK 0 = 5,4 MPa Pre nežíhané zvarové spoje sa uvažuje ΔK 0 = 2,0 MPa Podrobnejšie údaje sú v časti 9.3 v 3. knihe učebných textov [10-15] a v literatúre [10-1, 2, 7]. Postup pri hodnotení správania sa defektov: - Vypočítajú sa rozkmity súčiniteľa intenzity napätia ΔK pre jednotlivé charakteristické body idealizovanej trhliny (defektu) podľa vzťahu (10-25). - Keď ΔK < ΔK 0... defekt nebude rásť, je prípustný. - Keď ΔK > ΔK 0 treba vypočítať počet kmitov do porušenia N C, integrovaním rovnice (10-26): kde a i je počiatočný charakteristický rozmer trhliny, a c kritický rozmer trhliny. Keď N C je väčšie ako počet kmitov zaťaženia po hodnotenú dobu, defekt je prípustný. (10-27) 10.5.3.2 Hodnotenie defektov podľa kategórie detailu KD Kategória detailu je únavová pevnosť pre 2.10 6 kmitov zaťaženia a 95 % pravdepodobnosť prežitia [10-9]. Závislosti únavovej pevnosti Δσ od počtu kmitov zaťaženia N sú definované vzťahom Δσ 3. N = konšt... log N = log a m. log Δσ (10-28) Závislosť rozkmitu normálového napätia Δσ od počtu kmitov N pre rôzne kategórie detailov je na obr. 10-39 v 3. knihe učebných textov [10-15]. Chyby presadenia priečneho zvarového spoja spôsobujú zvýšenie hladiny nominálneho napätia účinkom sekundárneho ohybu. Vyjadruje sa prídavným efektívnym súčiniteľom koncentrácie napätia k ef. Presadenia pozdĺžneho spoja nespôsobujú koncentráciu napätia. 233
Chyby typu vrubov (zápaly) a priestorových nespojitostí (bubliny, póry, inklúzie) sa hodnotia podľa ich vplyvu na únavovú pevnosť konštrukčného detailu. Všetky chyby, ktoré menej znižujú únavovú pevnosť detailu, sú prípustné. Pre detaily s defektmi treba stanoviť kategóriu detailu s týmito defektmi KDd. Keď KDd je väčšia ako výpočtová požadovaná hodnota KDr, defekt je tolerovateľný. Ak nie, stanoví sa výpočtová únavová životnosť, alebo sa musí defekt opraviť. KDd KDr (10-29) Aj rovinné chyby sa dajú posudzovať podľa kategórie detailu. Postup pri posudzovaní povrchovej poleliptickej trhliny je naznačený na obr. 10-7. Poleliptická trhlina sa nahradí dlhou povrchovou trhlinou ekvivalentného rozmeru ā. Podľa ā B sa odčíta kategória detailu KD označené Q 20 až Q 90. Zjednodušený spôsob hodnotenia prípustnosti defektov je opísaný v IIW Doc. XIII-1539-96 [10-10] a QI 21.2-98 [10-11]. Obr. 10-7 Hodnotenie vplyvu defektov na únavovú pevnosť podľa kategórie detailu KD = Q podľa [10-1, 2] 10.5.4 Hodnotenie prípustnosti defektov v krípovej oblasti Defekty spôsobujú koncentráciu napätia a deformácie, zoslabujú nosný prierez, teda môžu urýchliť proces tečenia materiálu a/alebo vyvolať trhlinu, ktorá v priebehu prevádzky rastie a po dosiahnutí kritického rozmeru spôsobí porušenie detailu. Prístupy hodnotenia prípustnosti tolerovateľnosti defektov v konštrukčných častiach pracujúcich pri vysokých teplotách sú v BSI PD 6539:1994 [10-12] a BS 7910:1999 [10-13]. Rýchlosť rastu krípovej trhliny možno opísať vzťahom: da/dt = A. C * (t) q (10-30) 234
kde C* (t) q je integrál, charakterizujúci lokálnu zmenu napäťovo-deformačného poľa v každom čase na čele trhliny v telese nachádzajúcom sa v podmienkach rozsiahleho krípu, pozri ASTM E 1457-92 [10-14], q = 85... exponent, A = 0,003/ε f... parameter krípovej ťažnosti, (10-31) ε f krípová ťažnosť pri porušení pri napätí σ ref. Doba do lomu (porušenia) t c (h) sa stanoví zo vzťahu: (10-32) kde a c je kritický rozmer trhliny, a i skutočný rozmer defektu (trhliny), n súčiniteľ bezpečnosti. Keď trhlina narastie do kritického rozmeru, spôsobí porušenie, ktoré môže byť krehké, medzným stavom porušenia je lomová húževnatosť materiálu pri danej teplote T, alebo tvárne po dosiahnutí žiaropevnosti materiálu. 10.6 Stanovenie zvyškovej životnosti konštrukcie V priebehu životnosti konštrukcie možno očakávať rast defektov a zhoršenie vlastností (najmä húževnatosti) materiálov (obr. 10-8). Stav defektov sa overuje pri periodických kontrolách, ktoré musia obsahovať okrem vizuálnej kontroly celej konštrukcie aj nedeštruktívnu kontrolu najnamáhanejších uzlov. Zmena vlastností materiálov sa odhaduje skúškami svedočných vzoriek alebo odobratého vzorkového materiálu. Obr. 10-8 Zmena kritickej dĺžky trhliny a C vplyvom krehnutia ocele a rast defektu trhliny a o v priebehu životnosti konštrukcie 235
Pri hodnotení prípustnosti defektov v priebehu života konštrukcie treba použiť skutočné údaje o efektoch, ako aj skutočné charakteristiky materiálov. Rast defektov sa hodnotí podľa časti 10.5.3.1, rovnice (10-26), kde N je počet kmitov zaťaženia do budúcej kontroly alebo do predpokladanej životnosti. Keď za plánovanú dobu defekty nenarastú do neprípustných rozmerov možno predĺžiť životnosť konštrukcie. Úvahu pri stanovení tolerovateľnej veľkosti defektu možno vysvetliť pomocou obr. 10-9. Na kontrolu kvality výroby sa predpisuje dovolená veľkosť defektu a D, ktorú možno metódami nedeštruktívneho skúšania spoľahlivo zistiť. Dovolená veľkosť defektu a D musí byť väčšia, ako defekt zodpovedajúci náhradnej veľkosti defektu D n, pri ultrazvukovej kontrole. Obr. 10-9 Schéma hodnotenia prípustnosti defektov prístupom vhodnosť pre prevádzku Keď sa vyskytne v konštrukcii defekt a I väčší ako dovolený a D, treba posúdiť či môže zmenšiť únosnosť alebo skrátiť životnosť konštrukcie. Keď nie, je výhodnejšie defekt neopravovať zváraním, ale ho tolerovať. Defekt a I môže v priebehu životnosti konštrukcie rásť vplyvom únavy, koróznym účinkom lomová húževnatosť materiálu môže klesať vplyvom starnutia (krehnutia), pozri obr. 10-8. Ku koncu životnosti konštrukcie defekt dosiahne rozmer a Z, ktorý musí byť menší ako kritický rozmer defektu a C (aby nevzniklo porušenie) o súčiniteľ bezpečnosti m 1 : m 1 = a C / a Z (10-33) Hodnota m 1 závisí od presnosti stanovenia rozmerov defektu a lomovej húževnatosti materiálu; podľa [10-1] je m 1 = 1,2 až 3,0. Keď mechanizmus rastu defektu a lomovú húževnatosť materiálu nevieme dostatočne presne určiť, použijeme väčší súčiniteľ bezpečnosti a odhadneme limitnú veľkosť defektu a L : a L = a C / m 2 m 2 = 2 až 4. 236
Keď veľkosť defektu a I je menšia ako limitná veľkosť a L, defekt je tolerovateľný, možno ho ponechať v konštrukcii bez opravy. Keď je väčšia, treba ho opraviť, alebo stanoviť dobu prevádzky, po ktorú možno defekt ponechať. Hovoríme, že defekt je dočasne tolerovateľný. Správanie sa defektov v priebehu životnosti tlakových zariadení je znázornený na obr. 10-8. Sú tam časové závislosti kritickej dĺžky trhliny a C a dĺžky určitej, najaktívnejšej trhliny a o. Vplyvom poklesu lomovej húževnatosti K C materiálov sa skracuje aj kritická dĺžka trhliny a C. Defekt alebo trhlina ekvivalentnej dĺžky a o spočiatku nemení svoje rozmery (čas TS), až v bode 1 začne rásť. Doteraz trhlina nebola odhalená, lebo bola menšia než nastavená citlivosť UZ kontroly, vyjadrená náhradnou veľkosťou defektu D n a zodpovedajúcou dĺžkou trhliny a 2. Po nájdení neprípustného defektu a 3 treba posúdiť, či treba miesto opraviť alebo možno defekt ponechať po najbližšiu kontrolu. Posúdenie sa robí prístupom vhodnosť pre prevádzku (fitness for service FfS). Keby sa defekt (trhlina) neopravil a rástol ďalej, v bode C by dosiahol kritickú veľkosť a C, nastalo by porušenie zariadenia. Bod 4 zodpovedá dĺžke trhliny a LB, pri ktorej vznikne netesnosť tlakového zariadenia (označené LbB Leak before Break). Netesnosť zariadenia možno ľahko zistiť a zariadenie odstaviť bez toho, aby nastalo jeho úplné porušenie. Lomová húževnatosť materiálov aj na konci životnosti zariadení musí byť taká, aby bola splnená podmienka a C > a LB > a D (10-34) kde a D je dovolená (tolerovateľná) dĺžka trhliny, stanovená prístupom vhodnosť pre prevádzku FfS. Podrobnejší opis prístupov je v literatúre [10-1, 2; 11]. Literatúra [10-1] BSI PD 6493:1991 Guidance on methods for asessing the acceptability of flaws in fusion welded structures [10-2] IIW Doc. SST-1157-90 The fitness for purpose of welded structures. Force Institutes, Copenhagen, 1990 [10-3] STN ISO 6520 Zváranie. Klasifikácia chýb zvarových spojov pri tavnom zváraní kovov s vysvetleniami [10-4] STN 01 5022:1998 Nedeštruktívne skúšanie. Skúšanie materiálov a výrobkov ultrazvukom. Vyhodnotenie veľkosti chýb [10-5] STN EN 1712 Nedeštruktívne skúšanie kovov. Skúšanie zvarových spojov ultrazvukom. Úrovne prípustnosti [10-6] Begley, J. A., Landes, J. D.: The J-integral as a fracture criterion. ASTM STP 514, 1972, 1-20 [10-7] WES 2805:1997 Method of assessment for flaws in fusion welded joints with respect to brittle fracture and fatigue crack growth. JWES. Tokyo, 1998 [10-8] ASTM E646-93 Standard test method for tensile strain-hardening exponents (n-values) of metallic sheets materials. ASTM Vol. 03.01, PA 19428 [10-9] STN 73 1401:1998 Navrhovanie oceľových konštrukcií [10-10] IIW Doc. XIII-1539-96 Hobbacher, A.: Recomendation for fatigue design of welded joints and components. 237
[10-11] Kálna, K.: Výpočtová únavová pevnosť zvarových spojov s defektami. Smernica EGU VÚZ Bratislava, QI 21.2-98 [10-12] BSI PD 6539:1994 Guide to methods for assessment of the influence of crack growth on the significance of defects in components operating at high temperatures. BSI London [10-13] BS 7910:1999 Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures. BSI London [10-14] ASTM E1457-92 Standard test method for measurement of creep crack growth rates in metals. ASTM Vol. 03.01, PA 19428 [10-15] Navrhovanie zváraných konštrukcií. 3. kniha učebných textov pre kurzy zváračských inžinierov. VÚZ PI SR2003 238