Krytyczne podejście inżynierskie w budowie rurociągów magistralnych

W praktyce do określania wymagań jakościowych dla połączeń spawanych stosowana jest norma PN-ISO 5817 [1] oraz inne – przedmiotowe – pochodne od niej. Główną zasadą jest to, że wymagania przedstawione w nich mają charakter arbitralny i określane są wg stanu aktualnej techniki (materiały, technologia oraz wykrywalność metodami nieniszczącymi – NDT). Stały postęp w wymienionych kategoriach tworzy możliwości zaostrzania kryteriów jakościowych, niekoniecznie uzasadnionych realną potrzebą wynikającą z konieczności zabezpieczenia warunków eksploatacji i bezpieczeństwa konstrukcji. Pomimo wszystko jakość kosztuje i w wielu przypadkach można zadać pytanie, czy jest to do końca uzasadnione. Z drugiej strony również dynamiczny postęp w badaniach materiałowych, konstrukcyjnych i eksploatacyjnych prowadzi czasami do odmiennych wniosków. Okazuje się, że dla zabezpieczenia wymaganych warunków eksploatacji można złagodzić kryteria jakościowe. Krytyczne podejście inżynierskie (ECA – ang. Engineering Critical Assesment) to specyficzna metoda kształtowania wymagań jakościowych metalowych konstrukcji inżynierskich. Najpowszechniej stosowane jest w przypadku konstrukcji spawanych. Od wielu lat stosowane są metody, za pomocą których można wyznaczyć wymagania jakościowe na podstawie warunków eksploatacyjnych. W artykule pt. „Krytyczne podejście inżynierskie jako narzędzie do analizy wymagań jakościowych konstrukcji spawanych” opisano wspomnianą metodę wg ECA. Praktycznym wymiarem idei ECA są procedury badawczo-obliczeniowe, których celem jest określenie wymagań wynikających z rzeczywistych warunków eksploatacyjnych i ewentualnych zagrożeń. Służą temu normy, w których zestawiono odpowiednie procedury dla realizacji celów ECA, a przykładem może być norma API 1104 [2]. Przedstawiono w niej procedury dla wyliczania dopuszczalnych wymiarów niezgodności w odniesieniu do rurociągów magistralnych. Procedury dotyczą wyliczania wymiarów niezgodności w spoinach obwodowych, przyjmując, że spoiny te są najbardziej narażone na oddziaływania występujące podczas montażu, eksploatacji i oddziaływań środowiskowych. Przyjęto trzy procedury dla wyznaczania wymiarów dopuszczalnych niezgodności.

Fot. stock.adobe / tomas

Pierwsza procedura jest oparta na kryterium kruchego pękania w postaci CTOD (ang. Crack Tip Opening Displa- cement – rozwarcie wierzchołka szczeliny pęknięcia). Parametry CTOD wyznacza się w sposób eksperymentalny dla materiału spoiny i strefy wpływu ciepła. Według tych parametrów wybiera się odpowiedni wykres z normy [2], za pomocą którego wyznacza się wymiary maksymalnych wad spawalniczych (rys. 1). Na wykresie wpływ oddziaływań reprezentowany jest przez rodzinę krzywych. Krzywe te są dobierane w zależności od danego współczynnika krzywej P_r, będącego stosunkiem wartości maksymalnego naprężenia osiowego od wszystkich oddziaływań σ_a do naprężenia płynięcia plastycznego σ_f wyliczanego wg normy. Jak widać, dopuszczalne wymiary niezgodności spawalniczych zależne są od warunków eksploatacyjnych.

Czytaj też:

• Nietypowe metody posadowienia rurociągów
• Gazociąg do naprawy
• Budowa gazociągu Strachocina-granica RP
• Budowa gazociągu do EC Żerań

Druga procedura bazuje na analizie krzywej FAD (Failure Assesment Diagram), którą się buduje przez wyznaczenie zależności parametru kruchego pękania K_r od wielkości określającej odporność na utratę stateczności na skutek plastycznego zaklęśnięcia L_r. Wykres FAD przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Wykres FAD wyznaczony dla warunków określonych przez krytyczne parametry Kr i Lr

Krzywa FAD jest miejscem geometrycznym punktów w przestrzeni określonej kategoriami naprężeń i ciągliwości (odporności na kruche pękanie) w stanach krytycznych. W tym celu trzeba wykonać badania CTOD i posługując się procedurami wg normy, wyliczyć parametry K_r dla warunków, w których następuje kruche pęknięcie. Parametry L_r wyznacza się również za pomocą procedur obliczeniowych z normy, wykorzystując dane dotyczące oddziaływań wynikających z obciążeń eksploatacyjnych, środowiskowych i innych przewidzianych przez projektanta oraz własności wytrzymałościowych materiału rury dla warunków zainicjowania utraty stateczności – wspomnianego plastycznego zaklęśnięcia. Na rys. 2 szare pole przedstawia obszar bezpiecznej eksploatacji. Wszystkie zatem niezgodności, których wymiary i w konsekwencji po przeliczeniu ich na parametry K_r i L_r mieszczą się w obszarze FAD, są dopuszczalne. Z doświadczenia wynika, że wymiary niezgodności określonych przez parametry krytyczne są większe od dopuszczalnych wymiarów niezgodności wg normy [1].

prof. dr inż. Piotr Sędek Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa

Literatura
1. PN-ISO 5817 Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych.
2. API 1104 Welding of Pipelines and Related Facilities załącznik A (normatywny) Alternative Acceptance Standards for Girth Wells, wyd. 21, 2013.