Hodnocení vlastností svarových spojů pomoci metody malých vzorků

 

---

Svarové spoje vždy představují kritickou část každé konstrukce a jejich dokonalému provedení je věnováno mnoho péče a úsilí spočívající v optimalizaci celé řady procesů, počínaje volbou přídavného materiálu, metody svařování, dalších svařovacích podmínek, úpravy povrchů atd. Z povahy procesu tavného svařování je zřejmé, že provedený svarový spoj bude v důsledku existence tepelně ovlivněné oblasti a rovněž v důsledku tepelných cyklů nutně kritickým místem celé konstrukce, limitujícím do značné míry možnosti a dobu její exploatace. Získání relevantních údajů o hodnotách mechanických vlastností provozovaného svarového spoje je bez destrukce svaru a následného nového vyvaření zhola nemožné. Takový radikální zásah do konstrukce je však samozřejmě spojen s negativními vlivy, spočívajícími v dalším tepelném ovlivnění zbývajících částí, které může vést ke snížení životnosti. I při takto radikálním zásahu se studium exploatovaného svarového spoje většinou redukuje na proměření profilu tvrdosti a mikrostrukturní rozbor.

Metoda smallpunch test (penetrační test) je metoda, která umožňuje objektivní hodnocení aktuálních materiálových vlastností za použití minimálního objemu hodnoceného materiálu odebraného z reálně provozované konstrukce. Z odebraného materiálu lze kromě provedení kontrolního chemického rozboru a metalografické analýzy vyrobit zkušební tělesa – disky o rozměrech průměr 8 mm a tloušťka 0,5 mm pro penetrační test a na základě těchto testů stanovit mechanické vlastnosti (mez kluzu, mez pevnosti, tažnost), přechodovou teplotu FATT a v případech, kdy je to nutné, také creepové vlastností materiálu.

Z uvedeného přehledu je zřejmé, že metoda penetračních testů má široké využití zejména při hodnocení degradace materiálu a stanovení zbytkové životnosti provozovaných komponent zejména v energetice. Přitom je velice důležité, že míru degradace vlastností provozovaných komponent lze hodnotit téměř nedestruktivním způsobem, kdy experimentální materiál lze odebrat přímo na místě provozování komponenty z vybraného kritického místa při zachování její funkčnosti a v drtivé většině případů i bez nutnosti následných oprav místa po odběru.

Metoda má také široké uplatnění všude tam, kde je poměrně složité odebrat vzorek destruktivním způsobem (mosty, ocelové konstrukce, energetické celky, vodní díla apod.).

Druhou širokou oblastí využití této metody jsou případy, kdy je předmětem studia konkrétní oblast svarového spoje a polohu zkušebního disku je možné lokalizovat např. při studiu vlastností jednotlivých pásem tepelně ovlivněné zóny (TOZ) do velmi úzkého objemu materiálu, nebo při hodnocení vlastností návarových vrstev. Pokud je tedy k dispozici dostatečné množství experimentálního materiálu obsahujícího svarový spoj (například vyřazené svarové spoje dlouhodobě provozovaných komponent pracujících v energetice), pak má tato metoda díky své lokalizaci do konkrétních míst své zcela nezastupitelné místo při studiu různých vlivů, které se podílejí na výsledné degradaci provozované komponenty (stav úrovně pevnostních a křehkolomových vlastností po tloušťce stěny u tlustostěnných komponent, studium mechanických vlastností v jednotlivých pásmech tepelně ovlivněné zóny a svarovém kovu, atd.).

U tlustostěnných komponent umožňuje metoda penetračních testů např. hodnocení křehkolomových vlastností jak v různých tloušťkách (vnější povrch, střed, vnitřní povrch) respektujících různé úrovně tangenciálního napětí, tak v různých orientacích zkušebního disku ve stěně komponenty (axiální, tangenciální a radiální směr). Podobně lze pomocí penetračních testů hodnotit mechanické vlastnosti svarových spojů, konkrétně svarového kovu a tepelně ovlivněné oblasti či mechanické vlastnosti návarových vrstev apod.

Cílem tohoto příspěvku je poukázat na možnosti této metody při hodnocení aktuálních materiálových vlastností provozovaných svarových spojů a uvést dva základní příklady použití této metody v praxi.

 

Princip odběru malých vzorků z provozovaných komponent

Jak již bylo řečeno, metodu penetračních testů lze využít jednak ve spojení s odběrem minimálního množství experimentálního materiálu z reálně provozované konstrukce či komponenty a jednak samostatně pro hodnocení vlastností v lokálních oblastech zájmu.

Princip odběru malého vzorku zařízením SSamTM-2 fy Rolls-Royce spočívá v odbroušení mezivrstvičky materiálu mezi odebíraným vzorkem a zbytkem posuzované součásti pomocí rotujícího nástroje tvaru kloboučku o průměru 50 mm a tloušťce asi 0,7 mm (viz. obr.1, 2). Pomocí pákového mechanismu je brusný kotouček, který je po obvodu pokryt drtí nitridu bóru nebo diamantu, posunován pomalou rychlostí do záběru. Celý proces odběru trvající cca 1 – 2 hodiny umožní získat vzorek experimentálního materiálu tvaru kulového vrchlíku o průměru cca 30 mm a o výšce asi 2,5 až 3 mm. Absence tepelného a deformačního ovlivnění odebraného vzorku, jakož i posuzované součásti, je zajištěna vysokou obvodovou rychlostí odběrového nástroje a jeho pomalým posuvem do záběru. Po dokončení odbrušování je vzorek materiálu zachycen pomocí permanentního magnetu, což vzorek ochrání před ztrátou a destrukcí rotujícím nástrojem. Ukázku odebraného vzorku a místa po odběru je možné vidět na obrázku 3.

Na takto odebraných vzorcích je standardně proveden kontrolní chemický rozbor a mikrostrukturní rozbor spolu s proměřením tvrdosti v lokalitách zájmu. Jednotlivé vzorky jsou poté elektrojiskrově rozřezány na planžety o tloušťce 0,8 – 0,9 mm. Z planžet jsou následně vystřiženy polotovary těles pro penetrační testy (obr. 4), které jsou broušením zpracovány na finální rozměr zkušebních disků.

Z odebraného vzorku je možné podle místa odběru připravit 3 – 4 zkušební tělesa tvaru disku o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm pro následný penetrační test.

 

Princip provádění penetračního testu

Princip penetračního testu spočívá v průniku razníku s kulovou plochou přes plochý vzorek tvaru disku, který je uchycen mezi horním přidržovačem a dolní matricí (obr. 5).

V průběhu testu je snímána závislost zatížení – posunutí razníku, která má pro většinu konstrukčních materiálů zkoušených při laboratorní teplotě typický tvar (obr. 6).

Z výše uvedené závislosti jsou stanovovány následující charakteristiky používané pro odhad pevnostních charakteristik a lomového chování materiálů:

Fe [N] síla charakterizující přechod z linearity do stádia spojovaného s rozvojem plastické deformace přes tloušťku vzorku, odpovídá zatížení na mezi kluzu u standardní zkoušky tahem.

Fm [N] maximální síla zaznamenaná v průběhu penetračního testu, odpovídá zatížení na mezi pevnosti u standardní zkoušky tahem um [mm] posunutí razníku odpovídající Fm,

uf [mm] posunutí razníku odpovídající porušení zkušebního tělesa, které odpovídá smluvnímu 20 % poklesu maximální síly v průběhu penetračního testu (Ff = 0,8. Fm)

Pevnostní charakteristiky jsou stanovovány na základě korelačních závislostí mezi výsledky standardizovaných tahových zkoušek a penetračních testů.

Ve většině případů se pro stanovení pevnostních vlastností provádí penetrační testy pouze při laboratorní teplotě. Pokud je nutné získat informace i o křehkolomových vlastnostech, je možné provést sérii penetračních testů při různých zkušebních teplotách a ze získané teplotní závislosti lomové energie získat opět na základě empiricky stanovených korelací hodnotu tranzitní teploty FATT.

Tyto korelační vztahy jsou založeny na podobnosti lomového chování ocelí a kovů s bcc mřížkou, vykazujících tranzitní chování (viz obr. 7) a jejich matematický popis uvádějí vztahy (2) a (3)

FATT = α . TSP (2)

resp.

FATT = α . TSP + β (3)

Praktické příklady využití metody penetračních testů

V této části jsou uvedeny praktické příklady, kdy bylo využito možnosti hodnocení svarových spojů pomoci metody penetračních testů. V prvém případě se jednalo ohodnocení vlastností svarového spoje vyřazené provozované komponenty za účelem posouzení dlouhodobých změn struktury a mechanických vlastností v důsledku creepové exploatace. Druhým příkladem je hodnocení korozního napadení svarového spoje pomoci odběru malého množství materiálu přímo z posuzované komponenty.

Příklad 1 – Hodnocení svarového spoje provozované komponenty energetického zařízení

V rámci hodnocení zbytkové životnosti provozovaného svarového spoje byla provedena analýza křehkolomových vlastností svarového spoje materiálu výstupního parovodu VT páry – potrubí z výstupní komory výstupního přehříváku (Elektrárna Tušimice) z jakosti 15 128.5 5.[3]. Jedná se o svarový spoj tlustostěnných trubek o rozměrech 324x48 mm.

Komplexní hodnocení křehkolomových vlastností výše uvedeného svarového spoje bylo provedeno penetračními testy a porovnáno s výsledky získanými na standardních zkušebních tělesech Charpy V.

Hodnocení křehkolomových vlastností základního materiálu penetračními testy bylo provedeno v podélném směru ve třech úrovních tloušťky stěny (vnější povrch, střed, vnitřní povrch), u svarového spoje bylo provedeno hodnocení křehkolomových vlastností svarového kovu a tepelně ovlivněné zóny. Penetrační testy byly po naleptání makrostruktury svarového spoje odebrány v axiálním směru. Směr odběru penetračního disku je vždy určen normálou kolmou k rovině disku, tzn., že směr odběru je totožný s osou zatěžování penetračního testu [1]. Získané hodnoty tranzitních teplot TSP byly porovnány z hlediska vlivu umístění odběru penetračního testu ve svarovém spoji. Na obr. 8 je dokumentováno umístění zkušebních disků a těles do svarového spoje.

Ze získaných výsledků byly sestrojeny závislosti lomových energií pro svarový kov, tepelně ovlivněnou oblast a základní materiál (obr. 9).

Teplotní závislost lomové energie pro TOZ vykazuje největší rozptyl hodnot, což je logický důsledek nehomogenní struktury této oblasti (obr. 9). Nicméně hodnota přechodové teploty TSP pro tepelně ovlivněnou oblast a svarový kov je v podstatě na stejné úrovni a nižší než u základního materiálu, což svědčí o kvalitně provedeném svarovém spoji a o jeho vyšší odolnosti vůči degradaci vlivem provozu. Pokud provedeme srovnání s přechodovou teplotou základního materiálu v radiálním směru, je rozdíl mezi přechodovými teplotami základního materiálu 21 K (obr. 10). Vzhledem k tomu, že vliv orientace zkušebního tělíska ve stěně trubky na hodnotu TSP nebyl v dřívější práci potvrzen [4], je i při zvážení rozptylu vlastností materiálu rozdíl 21 K mezi teplotami značný.

Z tohoto důvodu bylo provedeno hodnocení makrostruktury svarového spoje (viz obr. 11). Výsledek makrostrukturního rozboru jasně ukázal na dramatické rozdíly ve velikosti zrna jednotlivých svařených komponent. Je jasné, že rozdíl v tranzitních teplotách není způsoben změnou orientace a vyplývá zrozdílných vlastností jednotlivých základních materiálů.

Makrostruktura svarového spoje se jeví jako heterogenní s rozdílnou velikostí zrna svařovaného základního materiálu, proto analýza pokračovala mikrostrukturním rozborem obou základních materiálů (vzorek 1, vzorek 2 označených na obr. 11). Struktura obou vzorků je tvořená feritem s karbidy a oba materiály se skutečně liší pouze velikostí zrna (obr. 12, 13). Rozdíl ve velikosti zrna obou základních materiálů vysvětluje rozdíl mezi přechodovými teplotami TSP obou základních materiálů.Tato situace jen potvrzuje vysokou citlivost penetračních testů na velikost zrna, která je dána malým objemem zkušebního tělíska.

Příklad 1 velmi dobře ilustruje možnosti metody penetračních testů při studiu jednotlivých lokalit svarových spojů provozovaných energetických celků. Využití této metody spolu v kombinaci s mikrostrukturním rozborem umožňuje komplexní hodnocení zbytkové životnosti takto provozovaných komponent.

Příklad 2 – Hodnocení vlastností svarového spoje akumulátoru bubnu konvertoru

Tento příklad ukazuje způsob využití odběrového zařízení pro získání experimentálního materiálu pro následné rozbory korozních produktů akumulátorů konvertoru. Tato analýza byla provedena na vnitřním povrchu akumulátorů konvertoru. Jednalo se o dva akumulátory bubnů konvertoru o rozměrech 3 000x11 600 mm a tloušťce stěny 46 mm, z materiálu 11 483.1. Akumulátory byly provozovány při výpočtové teplotě 256 °C a výpočtovém přetlaku 4.3 MPa po dobu cca 100 000 hodin [5]. Bylo hodnoceno korozní napadení vnitřního povrchu, profil tvrdosti přes svarový spoj a mikrostruktura svarového spoje.

S ohledem na zachování oxidické vrstvy na povrchu komponent byly vzorky odebrány z nebroušeného povrchu v místě předpokládaného základního materiálu a v místě očekávaného svarového spoje. Místo po odběru vzorků je dokumentováno na obr. 14.

Pro další hodnocení byly odebrané vrchlíky rozříznuty příčně na dvě poloviny a vzorky byly připraveny pro klasický mikrostrukturní rozbor.

Na vzorcích byla hodnocena makrostruktura svarového spoje, která odhalila přesnost umístění odběru vrchlíku do oblasti svarového spoje. V obou případech vzorek obsahuje jak oblast svarového kovu, tepelně ovlivněnou zónu i základní materiál (obr.  15, 17).

Profil tvrdosti byl měřen ve středu vzorku s roztečí cca 1 mm. Pouze v tepelně ovlivněné oblasti byly provedeny 3 vpichy navíc mimo měřenou linii, pro získání většího počtu hodnot tvrdosti v této části spoje. Vpichy mimo linii měření jsou v grafu znázorněny jako prázdné symboly.

V neleptaném stavu bylo na vzorcích provedeno hodnocení zřetelné korozní poškození vnitřního povrchu, kde bylo možné dobře dokumentovatvýskyt důlkové koroze v šetřené lokalitě (obr. 19).

Z uvedených fotografií se jeví, že co do četnosti výskytu důlků je výrazněji poškozen vnitřní povrch akumulátoru 1. Korozní důlky jsou poměrně široké, se souvislou oxidickou vrstvou na jejich povrchu, popř. vyplněné korozními produkty. Na obrázku 20 je zaznamenán důlek o největší hloubce, a to 0,68 mm.

Po naleptání obou vzorků bylo pozorováno a vyhodnoceno částečné oduhličení obou odebraných vzorků v důsledku provozu. Maximální hodnota oduhličení byla naměřena u akumulátoru 2 (0,28 mm). (obr. 21).

V dalším průběhu byla rovněž vyhodnocena a zdokumentována mikrostruktura v jednotlivých oblastech svarového spoje. U obou vzorků je patrná hrubá licí struktura svarového kovu s poměrně výraznou tepelně ovlivněnou oblastí dosahující šířky až 2,8 mm u vzorku 1 a 3,2 mm u vzorku 4. V pozorované části vlastních svarových spojů, tedy v oblasti povrchové housenky, nebyly patrné žádné zjevné defekty, které by bylo možné uvést do souvislosti s provozem.

Uvedený příklad opět ilustruje, jakým způsobem lze tuto metodu využít pro hodnocení struktury, zejména analýzu korozního poškození jak co do kvalifikace, tak i co do kvantifikace, tj. co do četnosti a hloubky výskytu a rovněž pro dokumentaci a jednoznačnou kvantifikaci oduhličené vrstvy jednotlivých vzorků.

V případě komponent provozovaných v creepových podmínkách lze dobře hodnotit přítomnost kavitačního poškození, které se zejména v interkritické oblasti svarového spoje začíná rozvíjet pod povrchem komponenty a které standardní metalografické hodnocení pomocí replik není schopno zachytit. Ve srovnání s hodnocením výskytu kavitačního poškození pomoci replik je odběr vrchlíku z povrchu komponenty mnohem přesnější a zasahuje do větší hloubky pod povrchem. Výhodou také je, že takto odebraný vzorek je možné hodnotit také na elektronovém mikroskopu, tedy při zvětšení větším než 1 000x, což metoda replik neumožňuje.

 

Závěr

V uvedeném příspěvku je představeno hodnocení materiálu pomocí metody penetračních testů a možnosti jejího využití pro hodnocení materiálových vlastností a mikrostruktury, zejména provozovaných svarových spojů. Jsou uvedeny dva konkrétní příklady úspěšné aplikace této metody pro hodnocení materiálových vlastností svarových spojů.

 

Literatura:

[1] SmallPunch Test Metod for Metallic Materiále. CEN WORKSHOP AGREEMENT CWA 15627, December 2007

[2] MATOCHA, K.: Hodnocení mechanických vlastností konstrukčních ocelí pomocí penetračních testů. Monografie. VŠB-TU Ostrava & materiálový a metalurgický výzkum s. r. o., 73 s., 55 obr., ISBN 978-80-248-2223-5

[3] Kander, L.; Stejskalová, Š. a spol.: Hodnocení zbytkové životnosti provozovaných tlustostěnných komponent ETU metodou penetračních testů; technická zpráva T45/2012, Ostrava, listopad 2012

[4] Kander, L.; Stejskalová, Š. a spol.: Vyhodnocení Vidalových křivek běžnou metodou a metodou smallpunch test ze základního materiálu, svarového kovu a TOZ vzorku 43 výstupní komora výstupního přehříváku (komora Pk18), technická zpráva T61/2011, Ostrava, listopad 2011

[5] Stejskalová Š.; Kuboň Z.: Stanovení stupně degradace klíčových uzlů kotelního celku konvertoru K2 ve VÍTKOVICE-STEEL, a. s.; technické zpráva T11/2005, 05/2005, Ostrava

Poděkování

Tato práce vznikla při řešení projektu č. CZ.1.05/2.1.00/01.0040 „Regionální materiálově technologické výzkumné centrum“, v rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU a státního rozpočtu ČR.

 

TEXT/FOTO Šárka STEJSKALOVÁ a kol. Materiálový a metalurgický výzkum, Ostrava Vítkovice

Další spoluautoři: Ladislav KANDER, Miroslav FILIP, Petr ČÍŽEK, Karel MATOCHA