titPríspevok popisuje využitie ultrazvukových metód Phased Array a TOFD pri skúšaní zvarových spojov vyhotovených zváraním horúcim telesom na tupo a elektrofúznym zváraním na plastových potrubiach. Skúšanie sa uskutočňuje na zvarových spojoch s umelo vytvorenými defektmi v oblasti zvarových spojov. Zároveň obsahuje aj návrh na vhodnú metodiku a nastavenie ultrazvukového zariadenia na skúšanie plastových materiálov.
Význam plastov ako konštrukčných materiálov sa stále zvyšuje, preto stúpajú aj požiadavky na ich skúšanie ultrazvukom i napriek ich pomerne nepriaznivým akustickým vlastnostiam. Ich spoločným znakom je podstatne vyšší činiteľ útlmu než v prípade kovov.

Plasty – alternatíva kovov
Uplatňuje sa najmä ak ide o plnené plasty; tam je útlm ešte vyšší. Vyššie ultrazvukové frekvencie než 5 MHz sú na skúšanie plastov, zvlášť plnených, použiteľné len výnimočne, pretože u nich, podobne ako pri kvapalinách, rastie útlm pohlcovaním s druhou mocninou frekvencie. Pri plnených plastoch sa ešte pridáva rozptyl, ak zrná alebo vlákna plniacej látky majú rozmery porovnateľné s dĺžkou vlny. Tá býva v plastoch približne polovičná, než pri kovových materiáloch. Plnenie zrnitými alebo vláknitými materiálmi a rovnako aj pórovitosť spôsobujú taký útlm na ultrazvukovej frekvencii, ktorá by zodpovedala požadovanej rozlišovacej schopnosti, že ultrazvuk je niekedy pre dané požiadavky nevhodný. Ultrazvukom sa v plastoch hľadajú dutiny, nespojitosti, pórovitosť a niekedy sa vyhodnocuje ich pevnosť na základe rýchlosti šírenia ultrazvuku. Z hľadiska skúšania ultrazvukom je možné plasty rozdeliť na mäkké a tvrdé. Tvrdé plasty, ako napríklad plexisklo (metylmetakrylát) polystyrén, polyamid a teflón majú dobré akustické vlastnosti, zatiaľ čo mäkké plasty, ako je polyetylén, polyvinylchlorid a polyizobutylén majú nižšiu rýchlosť šírenia a veľké pohlcovanie, preto sa ultrazvukom skúšajú zle (obr. 1).

obr1

Ak sú však tvrdé plasty plnené, závisí možnosť ich skúšania od typu plnenia a niekedy je podstatne horšia. Okrem toho je útlm ultrazvuku aj v prípade tvrdých plastov nadmerne vysoký, ak sú ešte v nevytvrdenom stave. Vo všeobecnosti sa dá povedať, že menší útlm majú plasty s väčšou rýchlosťou šírenia ultrazvuku.
Všetky typy sond určené na skúšanie plastov, hlavne pre frekvencie nižšie než 2 MHz, by mali mať čo najväčšiu pomernú šírku frekvenčného pásma (Δf/fS = 0,8 až 1), aby mali krátke mŕtve pásmo a rozlišovacie schopnosti aj v blízkosti sondy. Na skúšanie plastov sa vyrábajú špeciálne sondy. Takými sondami je možné v bežných plnených plastoch zistiť defekty s náhradnou veľkosťou niekoľko desatín milimetra. Plasty sa častou skúšajú imerznou technikou. Výsledky sú veľmi dobré, pretože koeficient odrazu na rozhraní plastu a vody je menší ako pri kovoch a rovnako sú menšie straty lomom na zakrivených povrchoch. Uhly dopadu sa volia tak, aby sa defekty zisťovali pozdĺžnou vlnou, aj keď vzniku priečnej vlny nemožno zabrániť. Ak majú byť rozlišované aj malé defekty, odporúča sa fokusácia, podobne ako pri kovových materiáloch. Pre zvary je možné použiť iba pozdĺžne vlny a skúšať priamym odrazom. Pre hrúbky stien do 30 mm sú vhodné sondy s uhlom lomu 60° a 70° v skúšanom plaste. Pre zvary väčších hrúbok sa používajú sondy s uhlom 45°. Uhlové sondy sú špeciálne a ich použitie bolo umožnené lomovým klinom z plastu s veľmi malou rýchlosťou šírenia ultrazvukových vĺn. Hodnoty uhlov sú však približné, pretože závisia od rýchlosti šírenia pozdĺžnej vlny. Preto pri každej uhlovej sonde pre plasty je dané, pre akú rýchlosť šírenia je navrhnutý alebo známy uhol dopadu. Zvary na plastoch sú často veľmi úzke a preto je účelné tandemové usporiadanie sond.

Chyby zvarových spojov z termoplastov
Hodnotenie kvality zvarového spoja je v rozhodujúcej miere dané požiadavkami odberateľa, pričom údaje vo všeobecne platných predpisoch treba považovať za nutne splniteľné. Pre kvalifikáciu a hodnotenie chýb zvarových spojov je možné použiť normy a predpisy.
- Norma STN EN 14728 Chyby zvarových spojov z termoplastov. Klasifikácia. Predmetom normy je klasifikácia a opis chýb, s ktorými sa možno stretnúť vo zvarových spojoch termoplastov.
- Pre hodnotenie kvality zvarového spoja pri zváraní plynovodov napr. normu STN EN 12007-2
Podľa normy STN EN 14 728 rozlišujeme nasledujúce skupiny chýb:
- Skupina 1 – trhliny (mikrotrhliny, pozdĺžne a priečne trhliny, rozvetvené trhliny, zhluk trhlín)
- Skupina 2 – dutiny (pór, skupina pórov, pórovit0osť, pozdĺžne póry, povrchové póry, bubliny, stiahnutiny)
- Skupina 3 – pevné vmestky (cudzie látky vo zvare, zoxidovaný materiál vo zvare)
- Skupina 4 – chyby spojenia a nedostatočné prevarenie (nedostatočná väzba medzi zvarom a základným materiálom, koreňová chyba)
- Skupina 5 – tvarové chyby (vruby vo zvare, nadmerné prevýšenie zvaru, paralelné alebo uhlové presadenie)
- Skupina 6 – ostatné chyby (rozmerové odchýlky zvarov, poškodenie zvaru teplom)
Technické pravidlo TPP 921 01 tvorí technický podklad pre prevádzkovateľa plynovodu v rozhodovaní o technologických postupoch zvárania pre plynovody z polyetylénu, dopĺňa normu STN EN 12007-2, kap. 4.4, ktorá stanovuje, že pred montážou plynovodu musia byť k dispozícii technologické postupy zvárania schválené prevádzkovateľom plynovodu. V pravidle sa okrem iného zároveň definuje rozsah nedeštruktívneho skúšania (NDT) podľa tab.1.

tab1
V stanovených prípadoch pri požiadavke prevádzkovateľa sa uskutočňuje ultrazvuková kontrola v súlade s STN EN 13100-3. Ide o kontrolu zvarových spojov zváraných na tupo horúcim telesom a elektrofúznych zvarov.

Materiál plynovodných potrubí
Polyetylén (PE) sa vyrába v niekoľkých základných typoch, ktoré sa od seba zásadne odlišujú niekoľkými významnými vlastnosťami. Spoločnú majú základnú surovinu pre výrobu – etylén. Z úžitkových vlastností sú spoločné najmä odolnosť proti nízkym teplotám, odolnosť voči pôsobeniu rozpúšťadiel a chemikálií, citlivosť na UV žiarenie. Sú to kryštalizujúce materiály, ľahšie ako voda a je potrebné ich chrániť proti UV žiareniu (napr. pridaním 2 – 4 % sadzí). Sadze majú aj ďalší pozitívny vedľajší vplyv, pretože pôsobia ako kryštalizačné jadrá, čím urýchľujú kryštalizáciu, a tým zlepšujú kvalitu materiálu a tiež zvarového spoja. Štandardný spôsob spájania pre PE je zváranie, prípadne mechanické spojky. Lepenie sa z hľadiska nedostatočnej pevnosti neodporúča. V ostatných vlastnostiach, napr. odolnosti proti zvýšeným teplotám, citlivosti na vznik a šírenie napäťových trhlín, pevnosti, ťažnosti a húževnatosti, sa jednotlivé typy polyetylénu výrazne odlišujú.
Vysokohustotný polyetylén PE-HD - PE-HD je vysokohustotný (hustota cca 0,95 g/cm3), nízkotlakový (nízkotlakový výrobný pochod, špeciálne katalyzátory), lineárny, tvrdý a má 80 percent kryštalického podielu. Materiály PE-HD sa hodia na rozvod pitnej vody, kanalizáciu, odpady, ale najviac pre plynárenské rozvody. Taktiež sa z nich vyrábajú stavebné izolačné fólie, obalový materiál, nádrže a priemyselné armatúry. PE-HD sa začína taviť pri teplote 120 – 130 °C, maximálna trvalá prevádzková teplota je do 40 °C. Dobre znáša nízke teploty do -50 °C, MSR je podľa typu nasledujúca:
PE 80 8,0 MPa
PE 100 10,0 MPa
PE 125 12,5 MPa
Minimálna požadovaná pevnosť MSR predstavuje nový spôsob kvalifikácie termoplastov vo forme rúr, resp. tvaroviek pre tlakové aplikácie. Základom je odolnosť proti vnútornému pretlaku vody pri 20 °C počas 50 rokov.

Najdôležitejšie charakteristiky PE - HD:
• kryštalický podiel – 80 %,
• hustota cca 0,955 g/cm3,
• index toku MFR (190/5) – 0,45 g/10 min.,
• medza klzu v ťahu – 21 MPa,
• modul pružnosti v ťahu – 800 MPa,
• teplota topenia – 120 až 130 °C,
• teplota mäknutia Vicat (VST/B/50) + 67 °C,
• minimálna požadovaná pevnosť v ťahu MRS – min. 8 MPa.
Typy PE 100 majú pre rúry hornú hranicu prevádzkovej teploty 50 °C, ale ešte pri 60 °C je životnosť materiálu prekvapujúco vysoká. Všetky pevnostné skupiny PE - HD je možné navzájom zvárať. Dôležitá je zvýšená odolnosť materiálu PE 100 proti vzniku a šíreniu napäťových trhlín, ktoré boli v minulosti slabinou bežných typov PE - HD.

obr2

Princíp zvárania termoplastov
Termoplasty pôsobením tepla mäknú, prechádzajú do taveniny, v ktorej ich je možné spájať. V tejto fáze musí dôjsť k tlaku nahriatych plôch proti sebe, aby došlo k premiešaniu makromolekúl v spoji. Pri zváraných materiáloch musí byť počiatočná teplota dosiahnutá pozvoľným ochladzovaním bez jeho urýchľovania. Vzniká tak nerozoberateľný spoj s pomerne vysokou pevnosťou.
Základnými parametrami zvárania sú teplota, tlak a čas. Tieto parametre sa musia navzájom prispôsobiť s ohľadom na chemicko-fyzikálne vlastnosti zváraných plastov, druh použitia zváracej technológie a podmienky prostredia. Kvalita zváraných spojov je ovplyvňovaná dodržaním parametrov zvárania, postupom zvárania, vlastnosťami materiálov a podmienkami, za akých sa zvar zhotovuje.
Podľa vlastnosti zváraných materiálov je nutné zladiť zváracie parametre tak, aby vznikali zvary, pokiaľ je možné, bez vnútorných napätí. Požiadavku na zvar bez vnútorných napätí je možné splniť pri dostatočnom a rovnomernom zahriatí oboch zváraných plôch do hĺbky oboch materiálov a pomalým rovnomerným chladnutím.
Pri zváraní rozvodu plynu je potrebné rešpektovať pravidlá:
• zvárať možno iba rovnaké materiály (PE-HD, PE-MD),
• MFR (hmotnostný index toku taveniny [g/10min]) zváraných materiálov musí byť rovnaký, alebo veľmi blízky,
• zvárané materiály nesmú mať menšiu hustotu ako 0,93 g.cm3,
• netesný zvar na potrubí PE sa nesmie opravovať a musí byť vyrezaný.

Technológia zvárania elektrotvarovkou
Zváranie elektrotvarovkou je zvárací postup, pri ktorom sú plastové tvarovky v hrdlách vybavené vyhrievacou skrutkovicou, ktorá má charakter priamo vyhrievaného strateného vyhrievacieho telesa. Zváracie plochy, t.j. vonkajšia strana rúrky a vnútorná strana objímky, sa prekrývajú a sú pomocou odporových drôtov navinutých v elektrotvarovke ohriate až k plastifikácii tvarovky a povrchu rúrky. Plastifikovanému materiálu zabraňuje v pohybe von z tvarovky studená zóna, kde plastifikovaný materiál stuhne. Oblasti tvarovky bez odporového drôtu sa nazývajú tzv. studené zóny. Tieto zóny sú obvykle umiestnené na okrajoch a uprostred tvarovky. Takýmto usporiadaním sa pri samotnom procese zvárania zabraňuje vytláčaniu nahriatej hmoty z oblastí teplých zón, kde sa nachádza odporové vinutie. Zabránením vytekania taveniny a súčasne jej objemovou rozťažnosťou pri ohreve sa zvyšuje zvárací tlak. Touto metódou sa zvárajú potrubné systémy z materiálu PE-HD, PP, PB. spájaní postupujeme v niekoľkých fázach.

obr3

Experimentálna časť
Pri navrhovaní experimentu sa vychádzalo z poznatkov o možných defektoch zvarových spojov na plastových potrubiach. Použité potrubie malo priemer 160 mm, hrúbku steny 9,5 mm a bolo vyrobené z materiálu s označením PE 100 (HDPE).
Na kusoch plastových rúr, použitých na zváranie elektrotvarovkou, boli podľa nasledujúcich obrázkov vytvorené umelé defekty typu zárezu, vyhĺbenej drážky a skupiny dier, predstavujúcich póry vo zvare.

obr4a
obr4b

 

Po vyhotovení zvarov s navrhnutými defektmi boli tieto podrobené skúšaniu ultrazvukom, na zváranie elektrotvarovkou bola použitá metóda Phased Array.
Na skúšanie zvaru bol použitý defektoskop Olympus OmniScan MX2, ktorý umožňuje skúšanie metódou Phased Array.
Na skúšku boli použité dve PA sondy s označením 2,25 L16A10 (frekvencia 2,25 MHz, 16 meničov) a 5L16A10 (frekvencia 5MHz, 16 meničov). Sondy majú pomerne úzku apertúru (cca. 12 mm), čo dovoľuje skúšanie relatívne úzkeho úseku, ale ako je vidieť na priložených záznamoch z merania, pri správnom nastavení je vidieť nielen jednotlivé závity vinutia, ale aj nami vytvorené defekty. Použitím sond s dvoma frekvenciami bolo možné zároveň porovnať, ktorá je pre danú hrúbku a typ materiálu vhodnejšia.
Výsledky skúšania oboma sondami sú uvedené na nasledujúcich záznamoch. Ako prvý sa vytvoril sken z miesta zvaru, ktoré neobsahovalo žiadne chyby. Výsledok vidieť na obr. 5.

obr5

Pri použití sondy s nižšou frekvenciou 2,25 MHz dostávame záznam s výraznejšou detekciou, ale s horším ohraničením okrajov echa. Pri použití nižšej frekvencie je útlm podľa fyzikálnych princípov nižší, ale rozlišovacia schopnosť je takisto nižšia. Pri použití 5 MHz sondy dostávame ostrejšie rozlíšenie okrajov detegovaného echa, samotné echo je však slabšie. V oboch prípadoch je pritom indikácia od závitov jasná a zreteľná. Tento rozdiel v zobrazení ech je spôsobený rozdielnou vlnovou dĺžkou vysielanej ultrazvukovej vlny.

obr6

Na obr. 6 je možné vidieť detekciu umelo vytvoreného defektu – drážky – vytvorenej podľa nákresu tak, aby závity nepretavili zvolené miesto a vytvorila sa dutina. Na označených miestach je opäť vidieť jasnú detekciu dutiny nachádzajúcu sa pod úrovňou vinutia, ale v miestach priamo pod vinutím toto echo zaniká práve kvôli tieneniu od vinutia. Vďaka jeho rozmerom je však defekt daného rozmeru dostatočne a zreteľne identifikovateľný. Takisto je opäť vidieť rozdiel v ostrosti detekcie pri použití dvoch rôznych frekvencií sond.

obr7

Na obr. 7 sú záznamy skúšania s detekcie skupiny vyvŕtaných dier znázorňujúcich póry. Skupina dier s priemerom 3 mm bola vyhotovená vŕtaním podľa nákresu na obrázku vyššie. Táto detekcia už bola ťažšia kvôli ich orientácii a rozmerom, pretože vinutie v mieste prechodu nad pórom ich prekryje a ich detekcia je značne zložitá, preto je na zázname vidieť detekciu póru nachádzajúceho sa práve v medzere medzi dvoma závitmi vinutia. Opäť je ale detekcia viditeľná a odlíšiteľná od vinutia.

obr8

Na obr. 8 je zobrazený posledný záznam skúšania s detekciou defektu typu zárezu vyrezaného priečne na os potrubia. V tomto prípade nebol problém s detekciou zárezu. Aj v tomto prípade je pri použití sondy s frekvenciou 2,25 MHz detekcia silnejšia, ale ohraničenie detekcie nie je také ostré ako pri použití sondy s frekvenciou 5 MHz.

Záver
Na základe priložených záznamov zo skúšania je možné usúdiť, že identifikácia nami vytvorených umelých defektov bola úspešná vo všetkých prípadoch, a preto pre daný materiál a použitú techniku môžeme tvrdiť, že prípadné defekty je možné spoľahlivo odhaliť. Možné problémy pri identifikácii indikácií nastávajú, ak jej rozmery sú porovnateľné s rozmermi vinutia a nachádza sa práve pod závitom vinutia, vtedy závit pôsobí ako prekážka a prekrýva daný defekt.
Nami použité 16-meničové sondy majú pomerne malý rozmer, preto dokážu udržať kontakt aj pri nie celkom rovnom povrchu tvarovky. Pri prvých pokusoch bola použitá sonda so 64 meničmi, ktoré dokázali pokryť oveľa väčšiu plochu tvarovky, ale keďže povrch tvarovky nie je rovinný (tvarovky od rôznych výrobcov sa líšia vonkajším povrchom, môže byť geometricky zložitejší a povrch drsnejší), bol problém pri skúšaní s takouto sondou udržať potrebný kontakt. Experimentálne meranie preukázalo, že metóda Phased Array je vhodná na skúšanie zvarových spojov vyhotovených elektrofúzne pomocou tvarovky. Keďže sa skúša kontaktne, bez použitia predsádky, nie je potrebné ani špeciálne vybavenie, potrebná je len sonda systému Phased Array a prístroj schopný pracovať s touto metódou.

Poďakovanie
Príspevok vznikol v rámci riešenia projektov VEGA: 1/0836/13, KEGA: 034ZU-4/2015 a KEGA: 014ZU-4/2015.

Referencie
[1] KOVÁČIK, M. - HYŽA, R. 2013. Ultrazvuková skúška časti obvodového zvaru čpavkovej tlakovej nádoby technikami Phased Array a TOFD. [Online] 2013. [Dátum: 21. 04 2013.] http://www.ssndt.sk/files/odborne/PA%20a%20TOFD%20na%20cpavku.pdf.
[2] KOVÁČIK, M. 2010. Skúšanie materiálov ultrazvukom. Bratislava: s. n., 2010.
[3] MARTANČÍK, B. 2012. Výskum diagnostiky defektov pomocou nových ultrazvukových metód TOFD a Phased Array a vplyv na životnosť zváraných konštrukcií. Bratislava: Slovenská technická unverzita v Bratislave, 2012. s. 151, dizertačná práca.
[4] OBRAZ, J. 1989. Zkoušení materiálu ultrazvukem. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury, 1989. s. 464. ISBN 80-03-00097-1.
[5] OLYMPUS. 2004. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications. Waltham, MA : Olympus NDT, 2004. s. 351. ISBN 0-9735933-0-X.
[6] OLYMPUS. 2012. Phased Array Testing Basic Theory for Industrial Applications. 2nd ed. Waltham, MA : Olympus NDT, 2012. s. 113. DMTA-20003-01EN.
[7] LOYDA, M – ŠPONER, V. – ONDRÁČEK, L a kol. 2001: Svařování termoplastů. Praha. Uno, 2001. ISBN 80-223-6603-6
[8] MORAVEC, J., BRADÁČ, J., BERAN, D., NOVÁKOVÁ, I.: The Impact of Thermal Cycles of Superheated Steam on Pipes Material of By-Pass of Steam and Gas-Steam. In: 23rd International Conference on Metallurgy and Materials, Metal 2014, Brno, 2014. ISBN 978-80-87294-52-9.
[9] SEJČ, Pavol - BIELAK, Róbert - ŠVEC, Pavol - ROŠKO, Miroslav. Computer simulation of heat affected zone during MIG brazing of zinccoated steel sheets. In Kovové materiály. Metallic materials. Roč. 44, č. 4 (2006), s.225-234. ISSN 0023-432X.

TEXT/FOTO Ing. Martin Faturík, Ing. Radoslav Koňár, PhD., doc. Ing. Miloš Mičian, PhD., Strojnícka fakulta, Katedra technologického inžinierstva, Žilinská univerzita
Odborný príspevok recenzoval: Ing. Pavol Radič, VÚZ – PI SR, Bratislava