obr1mPredmetom analýzy bol poškodený zvarový spoj na vysokotlakovej prípojke plynového potrubia zásobníka plynu, ktorá bola prevádzkovaná takmer 10 rokov. V zimných mesiacoch bol v nadzemnej časti prípojky zistený únik plynu, miesto úniku bolo po odstránení ochranného opláštenia identifikované v oblasti zvarového spoja redukcie DN 80/50 (prechodka).

 

 

Zvarový spoj rúrky Ø 60,3 x 6,3 mm a redukcie Ø 88,9x8,0 mm bol vyhotovený dodávateľským spôsobom, kombináciou metód zvárania 311 a 111. Išlo o tupý úkosovaný (typ V) zvarový spoj s prispôsobením hrúbky steny redukcie (na 6,0 mm) podľa normy STN 13 1075 [1]. Koreňová časť zvarového spoja bola zváraná plameňom, použil sa prídavný materiál typu G104 s priemerom 2,5 mm. Na výplň boli použité elektródy s bázickým obalom výrobcu ESAB pod označením E-B 121 s priemerom 2,5 a 3,2 mm. Zvary boli vyhotovené s prevýšením krycej vrstvy bez opracovania. Zváralo sa v polohe PC.

Prípojka vysokotlakového plynového potrubia bola vyhotovená z materiálu vyššej pevnostnej triedy – ocelí 12 022.1 (rúrka) a 11 503.5 (redukcia) [2]. Vychádzajúc zo skupinového značenia ocelí pre zváranie v zmysle TNI CEN ISO/TR 15608 ide o kategóriu materiálov skupiny 1.1 (rúrka) a 1.2 (redukcia). Pri uvedenom značení je dôležitým parametrom dosahovaná pevnosť na medzi klzu materiálu. Podľa pevnostných charakteristík je horná medza klzu rúrky ReH ≤ 275 MPa a horná medza klzu redukcie ReH ≤ 360 MPa.

Ďalšie špecifiká týkajúce sa materiálových charakteristík neboli známe. Voľba a výber materiálov pre normalizované súčasti potrubí je predmetom normy STN 13 0300 [3], s dokumentáciou zhotoviteľa boli odovzdané iba osvedčenia o kvalite (zhode) a nešpecifické osvedčenia (opis tavby) použitých základných a zváracích materiálov. V oboch prípadoch nejde o hutné atesty podľa normy STN EN 10204.

 

Rozsah analytických prác

Na základe vstupných údajov o materiáloch a spôsobe vyhotovenia prípojky bol navrhnutý rozsah analýz, s cieľom určiť charakter a rozsah poškodenia zvarového spoja. Pre ďalší postup analytických prác boli z dodaného odrezku zvarového spoja odobraté vzorky, na ktorých sa vykonali nedeštruktívne a metalografické skúšky:

a) skúška prežiarením na zistenie rozsahu poškodenia a magnetická kontrola na lokalizáciu miesta iniciácie trhliny,

b) makroskopické a mikroskopické štúdium,

c) fraktografická analýza lomových plôch rastrovacím elektrónovým mikroskopom,

d) skúšky tvrdosti HV 1,

e) chemická analýza privarovacej redukcie.

 

Výsledky skúšok

Nedeštruktívna kontrola poškodeného zvarového spoja

Pred odberom vzoriek na mikroštruktúrnu analýzu sme dodaný odrezok zvarového spoja tlakovej prípojky hodnotili magnetickou práškovou metódou a skúškou prežiarením.  Účelom zvolenej metodiky bolo podať skutočný obraz chyby, určiť charakter a presné iniciačné miesto trhliny a jej šírenie sa do preferentného smeru v objeme materiálu – buď zvarový kov, prípadne prechodová oblasť.

obr2m

Použitím magnetickej práškovej metódy čierno-bielou technikou skúšania, ako je uvedené na obr. 2, boli identifikované presné miesta na vonkajšom povrchu zvarového spoja. Tento spôsob identifikácie bol účinnejší než použitie penetračných prostriedkov, nakoľko trhlina sa po odstránení vnútorného tlaku uzavrela. Ako vidieť z obr. 3, trhlina sa nachádza v prechode krycej vrstvy a základného materiálu redukcie. Podľa detailu na obr. 1 je zreteľné, že trhlina na vonkajšom povrchu bola orientovaná prevažne kolmo na pôsobiace namáhanie. Celková dĺžka trhliny po obvode zúženého prierezu privarovacej redukcie je 75 mm. Detail trhliny v prechode krycej vrstvy je znázornený na obr. 3 a 4.

obr3m obr4m

Na obr. 5 je zdokumentovaná trhlina poškodeného zvarového spoja zo skúšky prežiarením. Celkovo boli vyhotovené dve snímky, použila sa metóda prežiarenia cez dve steny (podľa STN EN 1435, obr. 13) [4].

obr5m

Podľa uvedených snímok je vidieť, že iniciačné miesto je sústredené v prechode základného materiálu redukcie a zvarového kovu (detail na obr. 5 a), trhlina je ďalej orientovaná a rozdvojuje sa smerom do teplom ovplyvnenej oblasti základného materiálu redukcie, kde vyúsťuje koreň trhliny (obr. 5 b). Táto ovplyvnená oblasť je na rtg snímke znázornená tmavším pásom. Vzhľadom na to, že prechodová oblasť mohla byť počas zvárania nerovnomerne ovplyvnená teplom zváracieho zdroja, dôvodom zastavenia trhliny mohla byť vhodnejšia štruktúra tejto oblasti, resp. mäkšia štruktúrna zložka (ferit) zvarového kovu. Rozdvojenie môžeme pripísať charakteru poškodenia, keď trhlina môže smerovať z vonkajšieho alebo vnútorného povrchu redukcie.

 

Odber vzoriek na metalografickú analýzu

Na základe presnej lokalizácie boli z hodnoteného úseku odobraté tri vzorky, ktoré sa metalograficky pripravili na štúdiu svetelným mikroskopom. Príprava vzoriek pozostávala z vyhotovenia rovinných výbrusov mokrou cestou na metalografických brúskach. Použili sme automat s nastaviteľnou záťažou a časom prípravy.

Výbrusy vzoriek na makroskopickú analýzu sme leptali potieraním leptadlom ADLER. Makroštruktúra takto pripravených vzoriek je dokumentovaná na obr. 6: Vonkajší povrch zvarového spoja je v hornej časti, spodná časť v úrovni mierky je vnútorný povrch spoja (koreň). Štruktúra vzoriek pre mikroskopické štúdium bola zviditeľnená leptaním v 2-percentnom roztoku kyseliny dusičnej v metylalkohole (Nital).

Ako vidieť z obrázkov celkového stavu makroštruktúry zvarového spoja na obr. 6 (snímky a) až c)), pre poradie zodpovedajúce miestam odberu je charakteristické zviditeľnenie trhliny, ktorá je smerovaná z vonkajšieho (obr. 6 a), b)), resp. vnútorného povrchu (obr. 6 a), c)) v prechode zvarového kovu a základného materiálu. Na makrolepte všetkých troch vzoriek vidieť hrubozrnnú štruktúru a výraznú textúru pôvodne pretvárnenej štruktúry základného materiálu redukcie.

obr6am obr6bm obr6cm

Trhlina je iniciovaná z povrchu na hranici natavenia základného materiálu alebo tesne vedľa nej. Pri opise makroštruktúry zvarového spoja podľa normy STN EN 1321 je hodnotený odrezok zvaru v koreňovej vrstve s pretečením, táto chyba je podľa klasifikácie [5] označená ako plynulý nadmerne pretečený koreň pod číslom 5042. Výraznejšie pretečenie a zápal v prechode do základného materiálu rúrky je na obr. 6 b) vľavo – chyba 5013. Štruktúra zvarového kovu koreňovej vrstvy je jemnozrnná, prežíhaná, výplňová vrstva je viac hrubozrnná, s ostrým rozhraním hranice natavenia (smerom do základného materiálu redukcie). V tejto časti zvarového spoja je aj výraznejšia šírka teplom ovplyvnenej oblasti (až do 7,0 mm). Povrch krycej zvarovej húsenice je s pravidelným až nepravidelným prechodom (kumulované chyby 502, 506) z dôvodu výraznejšieho presadenia na obr. 6 c). Chyba presadenia medzi rúrami – lineárne presadenie je označená číslom 5072.

Pri analýze mikroštruktúry sme sa zamerali predovšetkým na posúdenie mikroštruktúrneho stavu podhúsenicovej zóny a TOO zvarového spoja v mieste výskytu trhlín. Vzhľadom na skutočnosť, že makroskopickým rozborom boli zistené odchýlky v štruktúre redukcie, zamerali sme sa práve na túto oblasť.

obr7m obr8m

V TOO  redukcie  je dominantná martenzitická štruktúra s rôznou veľkosťou zŕn – prevažne hrubozrnná. Smerom do základného materiálu redukcie sme pozorovali transformované perlitické zrná s bielymi pásmi, ako je uvedené na obr. 7. Tieto boli podľa teploty ovplyvnenia zváraním (medzi A1-A3, pod A1 na obr. 8) v rôznom štádiu transformácie s jemnými martenzitickými ihlicami. Vzhľadom na prítomnosť takto transformovaných oblastí sme očakávali aj zvýšené hodnôt tvrdosti HV.

obr9m obr10m

Na obr. 9 je znázornené prechodové pásmo – TOO zvarového spoja v časti rúrky, kde smerom doprava sa feriticko-perlitická štruktúra transformovala, výraznejšie zhrubnutie zrna sme v tejto časti nezaznamenali. Mikroštruktúra privarovacej redukcie je dokumentovaná na obr. 10, kde vidieť perlitické zrná o veľkosti nad 60 µm. Hanice týchto zŕn sú lemované bielymi útvarmi vo forme sieťovia, zodpovedajúce pravdepodobne feritu. Tento štruktúrny stav nekorešponduje s mikroštruktúrou oceli triedy 11 503 (stav .5), nakoľko táto má v uvedenom stave feriticko-perlitickú mikroštruktúru.

obr11m obr12m
obr13m obr14m
obr15m obr16m

Na obr. 11 je iniciačné miesto trhliny od koreňa v leštenom stave – po naleptaní sa zviditeľnila štruktúra zvarového spoja. Trhlina sa šíri z vnútorného povrchu redukcie (sústružený povrch) transkryštalickým štiepnym mechanizmom. Počas mikroskopickej analýzy sme na pripravených vzorkách identifikovali sekundárne trhlinky, ktoré sa ukotvili na hranici natavenia zvarového kovu (detail na obr. 14). Štruktúra zvarového kovu má lejaci sloh, je tvorená zmesnou feritickou štruktúrou od acikulárneho feritu, postranného feritu až po polyedrické feritické zrná ako ukazujú obr. 17 až 18.

obr17m obr18m

Analýza prejavu poškodenia z lomovej plochy

Počas vzorkovania na mikroskopické štúdium sa vzorka obojstranne iniciovaná trhlinou oddelila v smere hrúbky steny redukcie, čím sme získali bez vnesenia nežiaducich deformácií dostatočne veľkú plochu na fraktografickú analýzu. Pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu sme mohli študovať prejav poškodenia v najkritickejšej časti zvarového spoja redukcie (vyhriata TOO), ktorá vykazovala hrubozrnnú martenzitickú štruktúru.

Detailnou analýzou sme zistili, že okrem magistrálnych trhlín (lomová plocha je kolmá na povrch redukcie) sa v tejto oblasti vyskytujú sekundárne trhlinky (na obr. 19), ktoré kopírujú hranice martenzitických zŕn (obr. 20).

obr19m obr20m

Ako vidieť z obr. 20, prevládajúcim mechanizmom poškodenia je transkryštalické štiepne porušenie, ktoré sa vplyvom ataku spôsobeného prítomnosťou vodíka mení na interkryštalické štiepenie. Na lomovej ploche potom môžeme sledovať úplne oddelené martenzitické zrná (detail v strede).

 

Skúšky tvrdosti zvarového spoja

Skúšky tvrdosti predstavujú jednu zo skúšobných metód, ktorá sa používa na overenie mechanických vlastností vyhotoveného zvarového spoja. Hodnoty tvrdosti HV 1 sme namerali v dvoch rovnobežných líniách prechádzajúcich z jedného materiálu cez zvarový kov smerom do druhého materiálu v hĺbke cca do 2,0 mm pod vonkajším povrchom (zo strany krycej vrstvy – smer I) a cca do 2,0 mm pod vnútorným povrchom rúrky (zo strany koreňa – smer II) podľa [6].

Výsledky skúšok tvrdosti zvarového spoja sú uvedené v tab. 1, pričom pod označením ZM1 je základný materiál privarovacej redukcie – perlitický (menší podiel feritu)  a ZM2 je základný materiál rúrky – feriticko-perlitický.

tab1

Identifikácia základného materiálu privarovacej redukcie

Vzhľadom na rozdiely v štruktúrnej stavbe a zistených odchýlok tvrdosti v oblastiach ovplyvnených zváraním, ako aj základného materiálu redukcie, bola táto časť zvarového spoja overená spektrálnou analýzou. Cieľom analýzy bolo overiť zastúpenie hlavných prvkov ako C, Mn, Si a sprievodných prvkov materiálu redukcie, ktorý podľa dodaného osvedčenia o kompletnosti výrobku zodpovedá norme STN 41 1503 a teda materiálu triedy 11 503 v stave .5 (kalený a popustený). Pre uvedený stav je podľa materiálového listu obsah prvkov max. 0,18 hm. % C, max. 1,60 hm. % Mn a max. 0,55 hm. % Si.

Z výsledkov uvedených v tab. 2 vyplýva, že obsah uhlíka je oveľa výraznejší na to, aby tento materiál zodpovedal oceli 11 503. Hodnoty z meraní sú nasledovné: C 0,58 hm. %, Mn 0,63 hm. % a Si na úrovni  1,35 hm %. Oceľ je legovaná ďalšími prvkami ako Cr, Ni (ktoré výrazne ovplyvňujú zvariteľnosť ocele pri tak vysokom obsahu kremíka), ďalej boli identifikované prvky ako  Nb, Ti a V. Tieto majú priaznivý vplyv na veľkosť zrna a tým aj dosahované mechanické vlastnosti, predovšetkým však pevnosť.

tab2

Na základe uvedených zistení v tab. 2 a výbere hlavných prvkov ako C, Si, Cr a Nb bol spresnený materiál ocele, ktorý koncentráciou prvkov zodpovedá oceli určenej pre zušľachťovanie, trieda ocele vychádza na 14 260.  Výsledky analýzy predstavujú priemernú hodnotu z troch meraní na pripravenom odrezku (bez ovplyvnenia).

 

Diskusia výsledkov

Z doposiaľ vykonaných analýz možno predpokladať, že primárnou príčinou poškodenia zvarového spoja vysokotlakovej prípojky plynu bola zámena materiálu privarovacej redukcie. Z nameraných hodnôt tvrdosti HV 1, výsledkov mikroštruktúrneho rozboru a spektrálnej chemickej analýzy vyplýva, že materiál redukcie nie je totožný s oceľou triedy 11 503.5. Táto materiálová zámena spolu s aplikovaným technologickým postupom zvárania, ktorý v dokumentácii dodávateľa služby nebol uvedený (napr. v súlade s platnými STN EN ISO 15607 a STN EN ISO 15609, alebo aspoň s odkazom na všeobecné smernice pre zváranie podľa STN EN 1011) mala za následok skrehnutie TOO zvarového spoja privarovacej redukcie. Pri použitom zdroji zvárania (plameň a elektrický oblúk) tak nastali výrazne zmeny v štruktúre základného materiálu redukcie.

Metalografickým štúdiom odrezkov sa preukázalo, že mikroštruktúra redukcie DN 80/50 je perlitická s hodnotami tvrdosti 253 až 296 HV1. Počas zvárania takejto ocele (vhodnosť na zváranie sa vyjadruje hodnotou uhlíkového uhlíkového ekvivalentu ocele napr. CEV) je tendencia k vzniku zakalených štruktúr (martenzitu) – pokiaľ sa nepoužije predhrev pri zváraní. Pre materiál redukcie je hodnota uhlíkového ekvivalentu CEV pri dosadení obsahu hlavných legujúcich prvkov podľa [7] úmerná 0,854 hm. %.

Na druhej strane martenzit v TOO redukcie je pomerne hrubozrnný, s veľkými ihlicami. Obecne,  martenzitická štruktúra je veľmi citlivá na skrehnutie dôsledkom prítomnosti vodíka nielen vo zvarových spojoch, ako uvádzajú autori [8].

 

Závery

Výsledky z analýzy poškodeného zvaru vysokotlakovej časti plynového potrubia možno zhrnúť nasledovne:

a) príčinou poškodenia zvarového spoja prípojky bol nevhodný typ mikroštruktúry (martenzitická) v TOO privarovacej redukcie,

b) vznik martenzitickej štruktúry bol spôsobený nesprávnym technologickým postupom zvárania na zvarovom spoji kombinovaných materiálov, ktoré sa výrazne odlišovali v obsahu uhlíka,

c) podľa výsledkov z chemickej analýzy privarovacej redukcie DN 80/50 táto nezodpovedá chemickým a materiálovým zložením oceli tr. 11 503.5,

d) nevhodný typ mikroštruktúry, výrazne hrubozrnná prechodová oblasť zvarového spoja a následné prevádzkové podmienky iniciovali vznik a šírenie trhlín, ktoré spôsobili netesnosť a únik plynu,

e) k poškodeniu prispel aj účinok molekulárneho vodíka v plyne.

 

Literatúra

[1] STN 13 1075. Potrubie. Potrubie. Úprava koncov súčastí potrubí na zváranie. 1990. SÚTN Bratislava. 1990

[2]  Žúbor, P. a kol.: Analýza príčiny vzniku trhliny na VVTL prípojke Gajary 146. EP č. INW 2/09/2011.

[3] STN 13 0300. Potrubie. Materiál na normalizované súčasti potrubí. 1991. SÚTN Bratislava. 1991

[4] STN EN 1435. Nedeštruktívne skúšanie zvarov. Skúšanie zvarových spojov prežarovaním. 2002. SÚTN Bratislava. 2002

[5] STN EN ISO 6520-1. Zváranie a príbuzné procesy. Zatriedenie chýb zvarových spojov kovových materiálov. Časť 1: Tavné zváranie. 2008. SÚTN Bratislava. 2008

[6] STN EN ISO 9015-2. Deštruktívne skúšky zvarov kovových materiálov. Skúšanie tvrdosti. Časť 2: Skúšanie mikrotvrdosti zvarových spojov. 2003. SÚTN Bratislava. 2003

[7] Hrivňák, I.: Teória zvariteľnosti kovov a zliatin. VEDA – Vydavateľstvo SAV Bratislava,1989. ISBN 80-224-0016-5

[8] Hazlinger, M – Moravčík, R. – Čaplovič, Ľ.: Degradačné procesy a predikcia životnosti materiálov. Nakladateľstvo STU Bratislava, 2010. ISBN 978-80-227-3334-2.

 

TEXT/FOTO: Ing. Peter ŽÚBOR, PhD, Inweld Consulting