Konstrukcje spawane – krytyczne podejście inżynierskie wspomagające projektowanie

Krytyczne podejście inżynierskie (ang. Engineering Critical Assessment, ECA) to analiza wykorzystująca wiedzę na temat mechanizmów niszczenia konstrukcji, analizy naprężeń oraz własności materiałowych w celu oszacowania przydatności konstrukcji, zawierającej uszkodzenie bądź niezgodności spawalnicze, do użytku. Obecnie stosowane technologie spawalnicze nie pozwalają na uzyskanie połączeń idealnych, pozbawionych niezgodności. W odniesieniu do konstrukcji spawanych wyznacza się wymagania określające dopuszczalne maksymalne wymiary niezgodności. Wymagania te opierają się na normach, w których zdefiniowane poziomy jakości zostały sklasyfikowane w zależności od rodzaju i wymiarów niezgodności. Powszechnie stosowanym przykładem takiej normy jest PN-EN ISO 5817:2014-05 [1]. Norma ta bazuje na arbitralnie przyjętych kryteriach jakościowych, niewynikających z warunków wytrzymałościowych oraz eksploatacyjnych, ale z możliwości wykrywania niezgodności przy użyciu badań nieniszczących (NDT). Dynamiczny rozwój metod badań nieniszczących znacząco zwiększył możliwości, a metody takie jak TOFD (time of flight diffraction) oraz PA (phased array) mogą wykryć nawet najmniejsze niezgodności. W efekcie istnieje tendencja do zaostrzania wymagań jakościowych, chociaż niespełnienie ich nie zawsze oznacza utratę własności eksploatacyjnych przez konstrukcję. Sprzyja temu również dynamiczny rozwój technologii spawalniczych oraz materiałów podstawowych i dodatkowych. Zastosowanie analizy wymagań jakościowych według procedury krytycznego podejścia inżynierskiego pozwala na oszacowanie wpływu danej niezgodności na konstrukcję, uwzględniając rzeczywiste warunki wytrzymałościowe i eksploatacyjne. Niestety, taka analiza wymaga zaawansowanego zaplecza badawczego, doświadczenia i odpowiednich kwalifikacji personelu, co znacznie utrudnia jej przeprowadzenie. Ideą powstania krytycznego podejścia inżynierskiego było zmniejszenie liczby napraw spawalniczych podczas produkcji. W tym celu poszukiwano sposobu oceny przydatności do pracy konstrukcji zawierających niezgodności spawalnicze.

Zobacz też:

• O czasie życia kratowych wież stalowych
• Norma PN-EN 1090 wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Nowelizacja
• Spawanie prętów do zbrojenia betonu – nowa jakość i wymagania

W latach 60. XX wieku w Wielkiej Brytanii w Instytucie Spawalnictwa TWI rozpoczęto pierwsze badania metodami mechaniki pękania (CTOD), opisujące zachowanie się konstrukcji zawierających niezgodności. Postęp naukowy w zakresie zrozumienia mechaniki pękania doprowadził do powstania dokumentu PD 6493 [2] zawierającego pierwsze wytyczne dotyczące metod oceny i poziomy akceptacji niezgodności w złączach spawanych. Inspirację do dalszego rozwoju tego dokumentu stanowiły wymagania przemysłu naftowego i gazowego dla morskich platform wiertniczych na Morzu Północnym, zawierających ogromną liczbę połączeń spawanych. Kolejnym etapem było rozszerzenie dokumentu [2] o zasady oceny pęknięć zmęczeniowych. W efekcie zastosowania wymagań z powyższego dokumentu zminimalizowano liczbę napraw niezgodności spawalniczych przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa konstrukcji narażonej na pracę w agresywnym środowisku morskim i zmęczenie. Dalszy rozwój dokumentu [2] polegał na jego rozszerzaniu o kolejne mechanizmy powstawania uszkodzeń, aż ostatecznie dokument ten został zastąpiony w 1999 r. normą [3]. Jej wydanie z 2013 r. (2015 to rok aktualizacji załącznika A1) jest bardzo rozbudowane i uwzględnia ocenę uszkodzeń powstałych w wyniku następujących mechanizmów:

• pękanie kruche,
• zmęczenie,
• pełzanie,
• korozja wewnętrzna,
• korozja zewnętrzna,
• korozyjne zmęczenie,
• erozja,
• kawitacja.

Fot. Budowa gazociągu Strachocina – granica RP (fot. autora)

Idea krytycznego podejścia inżynierskiego, zwana również ideą przydatności użytkowej (z ang. fitness-for-service), jest akceptowana i wykorzystywana przez szerokie grono inżynierskie na całym świecie. Określenie wymagań według zasad ECA należy uzgodnić ze wszystkimi stronami oraz pamiętać, że powinny one stanowić narzędzie uzupełniające dobrą jakość wykonania, nie zastępujące jej. Jakość zatem powinna być odpowiednia – zapewniająca spełnienie wymagań eksploatacyjnych. Procedura wdrożenia krytycznego podejścia inżynierskiego została opisana między innymi w normach BS 7910:2013+A1:2015 [3] oraz API 579- 1/ASME FFS-1 [4]. Krytyczne podejście inżynierskie może zostać użyte podczas:

• projektowania konstrukcji w celu pomocy w doborze odpowiedniej metody spawania lub metody kontroli jakości;
• produkcji w celu oszacowania:

– maksymalnych, dopuszczalnych wymiarów niezgodności, minimalnej odporności na pękanie, maksymalnych występujących naprężeń,

– znaczenia istniejących niezgodności niespełniających wymagań;

• eksploatacji konstrukcji w celu podjęcia decyzji o konieczności naprawy lub oszacowania pozostałego okresu przydatności do eksploatacji.

Poprawne przeprowadzanie analizy ECA zapewni wiele korzyści:

• możliwość oceny pozostałej trwałości konstrukcji,
• zapewnienie bezpiecznej eksploatacji konstrukcji,
• wykazanie tolerancji na uszkodzenia z zachowaniem bezpieczeństwa,
• wydłużenie interwałów inspekcji konstrukcji,
• skrócenie czasu przestoju i wyłączenia konstrukcji.

W ostatnich latach można zaobserwować coraz szersze zastosowanie zasad krytycznego podejścia inżynierskiego przy budowie rurociągów przesyłowych. Rurociągi przesyłowe są konstrukcjami rozległymi, o długościach nieraz kilkuset kilometrów, i w takim przypadku zastosowanie kosztownych metod badań, których wyniki umożliwią obniżenie kosztów z tytułu napraw, jest opłacalne. Koszt zbędnych napraw będzie zatem wyższy od kosztów badań. Doprowadziło to do rozbudowy istniejących, obecnie stosowanych, norm dotyczących spawania rurociągów o metody wyznaczania alternatywnych wymagań jakościowych dla spoin, opartych na zasadach mechaniki pękania. Przykładami takich norm są amerykańska norma API Standard 1104 [5] i kanadyjska norma CSA Z662 [6].

Literatura

1. PN-EN ISO 5817:2014-05 Spawanie. Złącza ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawania wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych.
2. BS PD 6493 Guidance on some methods for the derivation of acceptance levels for defects in Fusion welded joints, 1980.
3. BS 7910:2013+A1:2015 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures.
4. API 579-1/ASME FFS-1 Fitness-for-service, lipiec 2016.
5. API Standard 1104, wyd. 21., Welding of Pipelines and Related Facilities, 2013.
6. CSA Z662:19 Oil and gas pipeline systems.
7. S. Felber, Pipeline Engineering, OEGS, Wiedeń 2009.

inż. Kamil Kubik

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa

Polecamy: Produkty budowlane