Ľubomír GAJDOŠ, Martin ŠPERL* Lomové zkoušky trubky DN 500 z oceli L485MB (1. část) Úvodem je nutno říci, že cílem experimentů na trubním tělese DN500 z oceli L485MB bylo studium kritických podmínek lomu a ověření lomových kritérií v podmínkách tzv. trubní napjatosti. Aby mohly být tyto cíle splněny, bylo třeba opatřit plášť trubky vhodnými trhlinami. Jak kritické chování trhlin, tak i ověřování lomových kritérií v podmínkách trubní napjatosti je nejlépe studovat na neprůchozích podélných trhlinách. O jejich generování jsme již pojednali v našich některých předchozích publikacích (např. [1], [2]). Důležitá je přitom minimální délka zkušebního trubního tělesa. K jejímu určení je nutno uvážit, že pracovní délka tělesa (charakterizovaná absencí napěťových efektů od přivařených den) bude menší o hodnotu 2.2,5. (Rt) 3,5. (Dt), kde R je střední poloměr trubky, D je vnější průmer trubky a t je tloušťka stěny trubky. Zpravidla postačuje, aby vzdálenost mezi svary klenutých den byla alespoň 3,5D. Tato délka umožňuje umístit řadu startovacích zářezů v podélném směru tělesa, z nichž se cyklickým zatěžováním vyvinou trhliny. Zářezy lze vyrobit, např. tenkým brusným kotoučem, nebo tenkou kruhovou pilkou. Povrchovou délku zářezů je vhodné vztahovat ke tloušťce stěny trubního tělesa. K ověření nebezpečnosti tzv. dlouhých trhlin by jejich délka neměla přesáhnout dvacetinásobek tloušťky stěny trubního tělesa. Aby bylo možné po cyklování trubního tělesa považovat zářez s iniciovanou trhlinou na jeho čele za trhlinu, musí fyzický rozměr iniciované únavové trhliny ve směru hloubky a t podle práce [3] vyhovovat rov.(1). Zde je hloubka zářezu (vrubu) a ρ je poloměr čela zářezu. Velikost ekvivalentní trhliny je pak podle obr. 1 dánztahem (2). a 0, 13 a ρ t ae = av + at v (1) (2) U lomových zkoušek trubních těles s monotonně rostoucím zatížením je velmi důležitá jednak povrchová délka trhlin a jednak, a to zejména, jejich hloubka. Vzhledem k vysokým hodnotám lomové houževnatosti materiálů plynovodních potrubí a jejich tenkostěnnosti je žádoucí, aby při lomových zkouškách bylo obvodové lomové napětí menší než mez kluzu. Výpočty ukazují, že pro splnění tohoto požadavku by měla být hloubka podélných poloeliptických trhlin větší než je polovina tloušťky stěny. Máli mít hloubka trhliny před lomovou zkouškou určitou hodnotu, pak je třeba, aby hloubka startovacího zářezu byla oproti této hodnotě menší o únavový nárůst trhliny po obvodě čela zářezu. Zkoušky na trubním tělese DN500 Příprava trhlin v plášti trubky K lomovým zkouškám bylo připraveno trubní těleso z přetížené trubky z Mittal Steel Ostrava, a.s., o délce L 4 m vyrobené z oceli L485MB. Nominální vnější průměr trubky byl D = 508 mm a tloušťka stěny t = 10 mm. K čelům trubky byla přivařena klenutá dna a dále byla trubka opatřenstupním ýstupním hrdlem tlakové vody. Na tělese byly vyrobeny celkem tři zářezy, označené K, A, B (obr. 2). Dle odzkoušeného postupu, aplikovaného v předchozích případech, měl být zářez K tzv. kontrolním a zářezy A, B pracovními. Význam kontrolního zářezu spočívá v tom, že protržení jeho ligamentu během cyklování určuje okamžik zastavení cyklování na základě toho, že trhlina iniciovaná na tomto zářezu se po protržení ligamentu stává průchozí. Okamžik zastavení cyklování se pak dá dobře určit, protože protržení ligamentu je doprovázeno únikem vody. Zářezy byly vyrobeny ve dvou stupních, a to použitím a) brusného řezacího kotouče o průměru Tab. 1 Skutečné hodnoty geometrických veličin z obr. 2 a lomové tlaky označení zářezu c a t a= + a t p lom (MPa) B 130 - - - 4,5 K 130 6,1 1,76 7,86 5,98 A 50 4,86 0,26 5,12 18,51 - konečná hloubka zářezu; a t - únavový nárůst hloubky trhliny Ø 110 mm o tloušťce 2 mm a b) kruhové pilky HSS o průměru Ø 29 mm a tloušťce 0,5 mm. K tomu, aby zářez K mohl plnit funkci kontrolního zářezu, měl být asi o 1 mm hlubší než pracovní zářez B se stejnou povrchovou délkou. Avšak při výrobě zářezů nebylo v důsledku geometrických nepřesností při ručním postupu splněno přísné dodržení předepsaných hloubek, takže skutečné hloubky zářezů se lišily od předepsaných (tab. 1). Průběh zkoušek Destrukční zkoušky se uskutečnily v CEPS, a. s., v Jesenici u Prahy. Trubní těleso bylo nejdříve osazeno vysokotlakými dny a návarky pro měření a přívod tlakovacího média (vody). Po naplnění tělesodou následovalo cyklické zatěžování trubky kolísáním tlaku vody v mezích p min = 0,5 MPa a p max = 4,5 MPa. Po aplikaci 1650 cyklů prorostla proti předpokladu trhlina B přes tloušťku stěny a začalo zde docházet k mírnému úniku vody. V tomto okamžiku bylo cyklování zastaveno, vodypuštěna a trhlina B byla po vybroušení do tvaru V svaru zavařena. Bylo zřejmé, že při výrobě zářezů nebylo v důsledku geometrických nepřesností při ručním postupu zajištěno přísné dodržení předepsaných hloubek, takže na některém místě čela trhliny B byla patrně její hloubkětší než u trhliny K. Po zavaření trhliny B následovala první destrukční zkouška. Během této zkoušky došlo při tlaku vody p K = 5,98 MPa k protržení ligamentu trhliny K. Pohled na trhlinu K po jejím roztržení ukazuje obr. 3. Jak je vidět, byl materiál po obou stranách trhliny jen málo deformován v radiálním směru, což ukazuje na to, že hloubka trhliny K byla jen nepatrně menší než hloubka trhliny B. Z obr. 3 je však patrné otevření trhliny v její střední části. Část pláště tělesa po obou Obr. 1 Náhradrubu s trhlinou ekvivalentní trhlinou Obr. 2 Schematické znázornění umístění startovacích zářezů na trubce 12
Obr. 3 Pohled na trhlinu K po protržení ligamentu stranách trhliny byla pak vyříznuta a na toto místo bylevařena záplata. Další tlakování probíhalo monotónním zatěžováním až do tlakové úrovně pa = 18,51 MPa, kdy došlo k protržení ligamentu trhliny A, a tím k její změně na průchozí trhlinu s následujícím krátkým šířením na obě strany podél osy těles celkové délce ~ 560 mm. Lom byl doprovázen značnou radiální deformací a značným otevřením trhliny ve střední části, viz obr. 4, na kterem je také patrná původní povrchová délka trhliny (žlutooranžový proužek ve střední části trhliny). Trhlina pak byla z pláště trubního tělesyříznuta a lomová plocha byla podrobena dalšímu šetření. Skutečné rozměry trhlin, určené po ukončení zkoušek, jsou spolu s lomovými tlaky uvedeny v tab. 1. Skutečnost, že trhlina A se po roztržení ligamentu rozeběhla podél osy trubky na obě strany, svědčí o tom, že u trhliny A nebylo splněno kritérium LBB (leak before break dříve teče než praská) [1]. Trhlina po protržení ligamentu nezůstala stabilní, ale začala se šířit nejdříve podél trubky, avšak vzápětí na to se stočila do směru přibližně rovnoběžného se šroubovicovým svarem (pravá část trhliny), resp. do kolmého směru na šroubovicový svar (levá část trhliny). Tato skutečnost ukazuje na to, že původní velikost trhliny (povrchová délka) 2c = 100 mm byla při lomovém tlaku pa = 18,51 MPa nadkritická vzhledem k platnosti kritéria LBB. Obr. 4 Trhlina A po destrukci při tlaku pa = 18,51 MPa vzhledu odebraných segmentů. Po opakovaném pečlivém očištění v ultrazvukové pračce v acetonové lázni a orientační prohlídce světelným stereomikroskopem byla morfologie lomů podrobně prohlédnuta řádkovacím elektronovým mikroskopem JSM 840A. Přitom bylo zjištěno, že lomové plochy jsou pokryty vrstvou korozních produktů, které omezují podrobné sledování mikromorfologických znaků lomových ploch. Z tohoto důvodu musely být lomové plochy před pořízením mikrosnímků čištěny ve speciálním roztoku (500 ml HCl + 500 ml H2O + 3,5 g hexamethylentetraminu). V další etapě prací byly připraveny vzorky, na kterých byl sledován profil stěny trubky porušené jak v zářezu A, tak v zářezu K. Boční stěny těchto vzorků, ležící v rovině kolmé k magistrální rovině lomu (t. j. v radiální rovině trubky), byly metalograficky vyleštěny a bylo na nich provedeno sledování profilu a hloubky vrubů. Výsledky fraktografické analýzy segmentu se zářezem A Na obr. 5a až 5c je ukázán makrofraktografický charakter lomové plochy, vytvořené šířením trhliny ze zářezu A. Rozdělení segmentu na 3 části (vzorky A1, A2 a A3) je uvedeno na obr. 5a. Snímek 5b dokumentuje, že hloubka zářezu je prakticky konstantní. Z lomové plochy tohoto vzorku byla pořízena fotodokumentace mikromorfologických znaků. Na snímku je schematicky označena poloha metalografického řezu M, na kterém byl sledován profil vrubu a lomové plochy. Ze snímku 5c je patrno lokální zvětšení hloubky druhého vrubu zhruba o 1,2 mm. Snímky dokumentují, že zářez A byl vyroben ve dvou krocích. Nejprve byl vyříznut zářez hloubky cca 3,6 mm (první vrub), který byl potom prohlouben o cca 1 mm (druhý vrub). Na základě měření hloubek v zářezu podél celé jeho délky lze konstatovat, že s výjimkou výběhu na vnější povrch stěny trubky je hloubka zářezu A prakticky konstantní a kolísá v rozsahu (4,5 4,9) mm. Celkové uspořádaní lomové plochy, odpovídající šíření trhliny ze zářezu A, je uvedeno na obr. 6. Charakter mikromorfologie lomu v různých místech stěny trubky je ilustrován na obr. 7a až 7d. Únavová trhlina se iniciovale dně vrubu a šířila se do hloubky cca 0,1 mm. Zbývající část nosného průřezu stěny trubky byla porušena při druhé destrukční zkoušce. Dobrou trojrozměrnou představu o profilu zářezu i o lomové ploše trhliny A dávají obr. 8a a 8b. Na obou snímcích jsou vyznačeny jak hloubky obou vrubů, tak délky trhlin, odpovídající jednotlivým etapám porušení stěny trubky v zářezu A. Snímky prokazují Fraktografické vyšetřování Fraktografická analýza lomových povrchů trhliny A i K byla uskutečněna na fraktografickém pracovišti Katedry materiálů Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT [4]. Na základě orientační prohlídky segmentů odebraných z přilehlých míst k lomovým plochám obou trhlin yčištěných v ultrazvukové pračce v acetonové lázni byly z těchto segmentů odříznuty vzorky rozměrově přijatelné pro sledování v řádkovacím elektronovém mikroskopu. Potom byly pořízeny makrosnímky, jejichž cílem byla dokumentace 3/2007 Slovgas Obr. 5a Celkový pohled na rozřezaný segment trubky s lící trhliny šířící se ze zářezu A Obr. 5b Makroskopický charakter střední části lomu (vzorek A2) Obr. 5c Makroskopický charakter lomové plochy vzorku A3 v oblasti výběhu zářezu A nnější povrch stěny trubky 13
Obr. 6 Celkové uspořádaní lomové plochy, odpovídající šíření trhliny ze zářezu A (detail z obr. 5b) Obr. 8a Řez M-M z obr. 5b (bez náklonu) Obr. 7d Detail oblasti 3 Obr. 7c Detail oblasti 2 Obr. 7b Detail oblasti 1 Obr. 7a Detail oblasti vyznačené na obr. 6 Obr. 8b Řez M-M z obr. 5b (náklon 520) poměrně značnou kontrakci tloušťky stěny v průběhu porušení trubky při druhé destrukční zkoušce. Ve větším detailu je profil zářezu A v řezu M-M zobrazen na obr. 9. Snímek dokumentuje změny morfologických charakteristik lomu, odpovídající změnám mechanismu porušování v různých fázích zkoušky trubky (U = únava, ZP = zóna protažení). Výsledky fraktografické analýzy segmentu se zářezem K Obr. 9 Detail profilu zářezu A v řezu M-M (náklon 52 ) 14 Celkový pohled na rozřezaný segment trubky, obsahující lomovou plochu vytvořenou šířením trhliny ze zářezu K, je uveden na obr. 10a, kde je uvedeno i dále používané označení jednotlivých vzorků. Snímek 10b dokumentuje, že hloubka zářezu je prakticky konstantní. Na snímku je také schematicky označena poloha metalografického řezu M, na kterém byl sledován profil vrubu a lomové plochy. Celkově snímky ilustrují, že zářez K byl vyroben ve dvou krocích. V prvním kroku byl brusným řezacím kotoučem vyříznut zářez hloubky cca 5,9 až 6,5 mm (první vrub), který byl potom kru-
Obr. 10a Rozřezaný segment trubky s trhlinou K Obr. 10b Detailní pohled na lomovou plochu vzorku K3 Obr. 10c Lomová plochzorku K1 v oblasti výběhu zářezu K na povrch Obr. 11 Celkové uspořádání lomu u vzorku K3 Obr. 12a Detail z obr. 11 Obr. 13 a Řez M-M z obr. 10b 3/2007 Slovgas Obr. 12b Únavový lom (detail obl. 1 obr. 12a) hovou pilkou HSS prohlouben zhruba o 0,3 mm (druhý vrub). Na základě měření hloubek v zářezu podél celé jeho délky lze konstatovat, že s výjimkou výběhu nnější povrch stěny trubky je hloubka zářezu K prakticky konstantní a kolísá v rozsahu (6,4 6,9) mm. Celkové uspořádání lomu je zobrazeno na obr. 11. Odsud je vidět, že na druhý vrub, jehož hloubka kolísá, navazuje pásmo únavového lomu a potom pásmo odpovídající porušení při první destrukční zkoušce (5,98 MPa). Charakter mikromorfologie lomu v oblasti únavového porušování oblasti statického porušení při první destrukční zkoušce je zřejmý z obr. 12a. Jak je patrné z obr. 12b, šířily se únavové trhliny striačním mechanismem. Porušení při první destrukční zkoušce bylo způsobeno mechanismem transkrystalického tvárného lomu (obr. 12c). Výskyt protažených důlků svědčí o působení smykových sil. Profil zářezu K v řezu M-M je zřejmý z obr. 13a a 13b, přičemž obr. 13a je bez náklonu a obr. 13b s náklonem 54º. Na snímcích jsou vyznačeny jak hloubky obou vrubů, tak délky trhlin, odpovídající jednotlivým etapám porušení stěny trubky v zářezu K. Snímky prokazují, že i když protržení stěny trubky v zářezu K nebylo pro- Obr. 12c Tvárný lom (detail oblasti 2 z obr. 12a) Obr. 13b Řez M-M z obr. 10b (náklon 54 ) 15
vázeno prakticky žádnou makroskopickou deformací, byla kontrakce tloušťky stěny v průběhu porušení trubky při první destrukční zkoušce poměrně velká. Závěr 1. části Na základě destrukčních zkoušek na trubním tělese DN500/10 z oceli L485MB s podélnými neprůchozími trhlinami lze konstatovat: a1) Únavové trhliny z delšího a hlubšího zářezu (K) se šířily striačním mechanizmem a samotné porušení ligamentu trhliny K při destrukční zkoušce proběhlo transkrystalickým tvárným lomem s výskytem protažených důlků, což svědčí o působení smykových sil během lomového procesu. b1) Hloubka únavové trhliny iniciované ve dně startovacího zářezu K se podél čela trhliny pohybovala kolem hodnoty 1,8 mm, zatímco hloubka únavové trhliny iniciované ve dně kratšího a mělčího startovacího zářezu (A) nepřekročila podél čela trhliny hodnotu 0,3 mm. To znamená, že v důsledku menšího rozkmitu faktoru intenzity napětí byla rychlost růstu únavové trhliny ve dně startovacího zářezu A během cyklování více než šestkrát menší než rychlost růstu trhliny v zářezu K. c1) Na lomové ploše trhliny A nebyl zjištěn podkritický nárůst během první destrukční zkoušky, tedy do lomového tlaku p K = 5,98 MPa trhliny K. Toto ukazuje na to, že úroveň J integrálu v nejhlubším místě trhliny A při tlaku 5,98 MPa byla nižší než iniciační hodnota pro stabilní podkritický růst trhliny J in. Samotná lomová plocha byla mikrofraktograficky charakterizována poměrně výraznou zónou protažení (stretch zone), která navazovala na úzké pásmo únavového lomu. Tato zóna byla důsledkem plastické deformace, odpovídající otupování čela trhliny při monotonně rostoucím zatěžování při druhé destrukční zkoušce. (Tato práce byla podporován rámci výzkumného záměru AV0Z20710524 a grantových projektů (a) MPO č. FT-TA/091 a (b) GAAVČR č. 200710604) Lektor: Ing. Ivan Hamák, Výskumný ústav zváračský - Priemyselný inštitút SR Bratislava * Ing. Ľubomír Gajdoš, CSc., Ing. Martin Šperl, Ústav teoretické a aplikované mechaniky AVČR Praha e-mail: gajdos@itam.cas.cz, sperl@itam.cas.cz h 16 Skupina SPP, a. s., má za sebou úspešný rok Koncom mája tohto roku zverejnila skupina SPP, a. s., hospodárske výsledky za rok 2006, pri vykazovaní ktorých sa po prvý raz postupovalo podľa Medzinárodných účtovných štandardov pre finančné výkazníctvo (IFRS). Spoločnosť SPP, a. s. Valné zhromaždenie spoločnosti SPP, a. s., schválilo 29. mája 2007 individuálne hospodárske výsledky spoločnosti, podľa ktorých SPP, a. s., dosiahol za rok 2006 zisk po zdanení vo výške 24 mld. Sk, čo predstavuje medziročný nárast o 3,6 mld. Sk. Úroveň dosiahnutého zisku SPP, a. s., v roku 2006 výrazne ovplyvnil zisk z finančných operácií spoločnosti, ktorý vzrástol v porovnaní s rokom 2005 o viac ako 6 mld. Sk. Významnú časť z tohto objemu pritom tvoril účtovný vplyv právneho unbundlingu. Uvedená účtovná operácia bola mimoriadna iba pre rok 2006. Finančný zisk navyše pozitívne ovplyvnili aj vyššie úrokové miery na Slovensku, vyššie dividendy z dcérskych spoločností a pozitívny vplyv derivátových operácií uzavretých na zabezpečenie kurzových rizík. Podľa predsedu predstavenstva SPP, a. s., Jana Masmanna bol rok 2006 pre spoločnosť rokom najväčších zmien. K 1. júlu 2006 sa od SPP, a. s., právne odčlenili plynárenské činnosti bývalých divízií prepravy a distribúcie. Po zavŕšení procesu unbundlingu tak dnes na slovenskom trhu plnohodnotne pôsobia samostatní operátori plynárenských sietí SPP - preprava, a. s., a SPP - distribúcia, a. s. Celkovú činnosť SPP, a. s., ovplyvňovalo nielen legislatívne dianie na Slovensku, ale aj externé trhové faktory. Trh bol výrazne ovplyvnený globálnym rastom cien ropy s významným tlakom na ceny zemného plynu. V uplynulom roku medzinárodná agentúra Moody s zvýšila rating SPP, a. s., z A2 na A1 so stabilným výhľadom. Obchod so zemným plynom SPP, a. s., počas roka 2006 nakúpil od spoločnosti Gazprom export 6,5 mld. m 3 zemného plynu, z domácej ťažby na Slovensku 0,1 mld. m 3 zemného plynu (niečo vyše 1 %). Celkový objem predaja zemného plynu zaznamenal medziročne mierny pokles, potešiteľný však je celkový nárast počtu odberateľov zemného plynu, čo potvrdzuje pretrvávajúci záujem obyvateľstva o tento zdroj ekologického energonosiča. Pozitívny nárast vykazuje aj predaj CNG (Compressed Natural Gas - stlačený zemný plyn). V minulom roku SPP, a. s., otvoril ďalšiu plniacu stanicu pre vozidlá s pohonom na CNG v Bratislave. Skupina SPP, a. s. Valné zhromaždenie SPP, a. s., schválilo aj Infoservis konsolidované hospodárske výsledky skupiny SPP. Podľa Medzinárodných účtovných štandardov pre finančné výkazníctvo vyprodukovala zisk po zdanení vo výške 25,1 mld. Sk, čo predstavuje medziročný nárast o 3,3 mld. Sk v porovnaní s rokom 2005. Dosiahnutý konsolidovaný zisk skupiny SPP, a. s., za rok 2006 ovplyvnil vyšší zisk z finančných operácií (najmä vyššie prijaté úroky), zmeny v ocenení finančných derivátov či zisk z predaja majetkových účastí. SPP - distribúcia, a. s. SPP distribúcia, a. s., dosiahla podľa slovenských účtovných štandardov (SAS) za rok 2006 zisk po zdanení vo výške 2,5 mld. Sk (za obdobie od 1. júla do 31. decembra 2006). Predseda predstavenstva SPP - distribúcia, a. s., Sebastian Jochem na stretnutí s novinármi vyzdvihol skutočnosť, že sa im podarilo zrealizovať právny unbundling s ročným predstihom oproti požiadavke slovenskej legislatívy. Aj napriek náročnosti celého procesu je presvedčený o tom, že sa podarilo dobre zvládnuť stanovené úlohy SPP - preprava, a. s. Podľa slovenských účtovných štandardov (SAS) vyprodukovala SPP - preprava, a. s., za rok 2006 zisk po zdanení vo výške 3,8 mld. Sk (za obdobie od 1. júla do 31. decembra 2006). Predseda predstavenstva SPP - preprava, a. s., Christophe Poillion zdôraznil, že založením tejto spoločnosti sa splnili legislatívne požiadavky nytvorenie nezávislého prevádzkovateľa prepravnej siete. Konštatoval ďalej, že spoločnosť prevádzkuje plynárenskú diaľnicu a získala aj jedinečnú príležitosť sústrediť svoju pozornosť a úsilie na hlavný predmet činnosti, ktorým je zabezpečenie spoľahlivej prepravy ruského zemného plynu na európske trhy. (SPP, a. s.) Aktualizácia údajov v systéme GIS D Na začiatku roka 2007 podpísala spoločnosť CORINEX GROUP, a. s., zmluvu so svojím dlhoročným zákazníkom, SPP - distribúcia, a.s., o realizácii projektu Maintenance Data GIS D (Geografický Informačný Systém). V rámci tohto projektu sa začala realizovať aktualizácia vybraných údajov v systéme GIS D s cieľom dosiahnuť konzistenciu údajov v systémoch GIS D a CIS D (Gustomer Information System - zákaznícky informačný systém) a zobrazenie reálneho umiestnenia odberných miest a odberateľov spoločnosti SPP - distribúcia, a. s., v distribučnej sieti. Výsledky spracovania budú jedným zo vstupov na realizáciu ďalších projektov, ako napr. vývoj a nasadenie aplikácie SIMONE, ktorá bude zabezpečovať výpočet hydraulickej schémy potrubia. (Corinex Group, a.s.)