Verifikace numerických procesů svařování Anotace: Hlavní motivací celého projektu byla absence souboru predikčních nástrojů využívajících kombinaci experimentálních měření a numerických simulací, jejichž aplikací by bylo možné předcházet vzniku mezního stavu konstrukčních materiálů u bezpečnostně a ekologicky rizikových zařízení. Hlavní náplní projektu proto bylo určení těchto predikčních nástrojů. Dílčím cílem byl také výzkum v oblasti virtuálních simulací svařování, jejich validace a přiblížení reálné skutečnosti s cílem stanovit numerickou metodou velikost zbytkových napětí a distorzí po svařování. Z tohoto pohledu lze díky numerickým analýzám provádět optimalizaci technologie svařování s ohledem na výsledné parametry procesu. Při svařování volně uložených dílů dochází ke vzniku velkých distorzí konstrukce, avšak zbytková napětí jsou malá. Naopak při svařování tuhých pevně upnutých konstrukcí jsou redukovány distorze na minimum, ale vznikají zde vysoká vnitřní napětí. Je na zvážení konstruktéra a technologa, jestli je prioritou hodnota vnitřního napětí nebo distorze konstrukce. Zpravidla se předpokládá, že u dobře svařitelných ocelí se konstrukčními a technologickými opatřeními zamezí vzniku distorzí. U ocelí hůře svařitelných je však nutno snížit úroveň zbytkových napětí na minimum i za cenu větších distorzí konstrukce, které se potom eliminují rovnáním konstrukce a většími přídavky na obrábění. Ze zkušeností z provozu zařízení (plynárenský průmysl, velkokapacitní nádrže, energetika) je zřejmé, že zařízení mohou pracovat i několik let s vadami, které jsou podle norem pro výrobu a svařování nepřípustné. Při zvážení možnosti dalšího provozu takových zařízení je třeba uvažovat nejen velikost vady, ale i podmínky provozu, které mají rozhodující vliv na možný další rozvoj vad, tzn. i možnost dalšího provozu zařízení. Výsledným krokem je vytvoření metodiky hodnocení vad ve svarech nalezených během provozu a stanovení možnosti dalšího použití zařízení s vadou, neboť okamžité zastavení provozu neredundantních zařízení bývá velmi nákladné. Metodika byla navrhnuta tak, aby posouzení bylo provedeno na základě znalosti technologického postupu svařování, zatěžování konstrukce a velikosti nalezené vady. Cíle projektu: Obecným cílem projektu bylo vytvoření predikčního nástroje, jehož aplikací by bylo možné předcházet vzniku mezního stavu konstrukčních materiálů u bezpečnostně a ekologicky rizikových průmyslových zařízení. Dílčím cílem byl také výzkum v oblasti virtuálních simulací svařování, validace numerických simulací a přiblížení reálné skutečnosti s cílem stanovit numerickou metodou velikost zbytkových napětí a distorzí po svařování. Navržené hlavní cíle projektu vycházejí z věcné náplně projektu o poskytnutí účelové podpory programového projektu výzkumu a vývoje, která byla stanovena v roce 2006. Splněné cíle projektu: 1. Na vybraných hodnocených zařízeních vytipovat kritické oblasti z pohledu požadavků na dlouhodobý provoz těchto zařízení 2. Provést analýzu informací o řešení životnosti svarových spojů včetně stanovování zbytkového napětí po svařování a jeho zahrnutí do hodnocení dlouhodobého provozu 3. Navrhnout a verifikovat metodiku stanovení napjatosti, distorzí a metalurgické struktury materiálu po provedení operace svařování s využitím numerických analýz a porovnání s experimenty 4. Aplikovat metodiku RBI v petrochemickém průmyslu
5. Navrhnout a verifikovat metodiku posuzování životnosti svarových spojů obsahujících vady vzniklé během procesu svařování nebo během provozu se zahrnutím vlivu zbytkových napětí Stručný popis projektu V průběhu prvního a první poloviny druhého roku plnění projektu byla zpracována databáze kritických svarových spojů (etapa 1), literární rešerše Životnost svarových spojů (etapa 2) a Klasifikace vad svarových spojů (etapa 3). Na základě toho, že poskytovatelem služeb byla společnost MERO ČR, a.s. byla problematika sestavení databáze kritických svarových spojů změřena na velkokapacitní nádrže na ropu. Z této databáze byla jako jedny z nejvíce namáhaných míst vybrána hrdla. Hodnocení hrdel a příslušných svarových spojů jako kritických oblastí tvoří těžiště celého projektu. Dle prací provedených v etapách 1 až 3 byla upřesněna náplň etap 4 až 7. V etapě 4 (Experimenty) byly provedeny experimentální svarové spoje včetně měření, měření materiálových charakteristik, měření zbytkových napětí po svařování a vyhodnocení výsledku. Etapa 5 (Numerické analýzy I) byla věnována numerickým analýzám provedených experimentů, stanovení zbytkového napětí po svařování numerickými metodami a porovnání vypočtených a naměřených hodnot. Etapa 6 (Numerické analýzy II) obsahuje provedení analýz predikce zbytkových napětí a distorzí a v etapě 7 (Numerické analýzy III) byly provedeny analýzy provozních režimů vybraných konstrukčních uzlů. V Etapě 8 (Aplikace metodiky RBI a RCM v petrochemickém průmyslu) byla na základě britského předpisu EEMUA No.159 zpracována metodika pro hodnocení životnosti a predikce inspekčních intervalů uskladňovacích nádrží na ropu a ropné produkty s ohledem na hodnocení provozních rizik nádrží. Metodika byla zpracována do softwarové podoby a zavedena do programu pro hodnocení provozních rizik nádrží MERO ČR, a.s. V návaznosti na výsledky experimentů v etapě 4, numerických analýz v etapě 7 probíhaly optimalizace vytvořeného softwaru. Cílem prací prováděných v etapě 9 (Metodika predikce životnosti svarových spojů) bylo vypracování metodiky hodnocení přípustnosti defektů v obvodových svarových spojích hrdel uskladňovacích nádrží ropy společnosti MERO ČR, a.s. Základní koncepce navrhované metodiky vychází z přístupů shrnutých v literární rešerši norem pro klasifikaci vad svarových spojů [9], která byla vypracována v rámci etapy 3. Ve smyslu těchto přístupů byly defekty považovány za trhliny. Hodnocení jejich přípustnosti bylo na základě poznatků získaných v etapě 3 možno provést použitím metody R6. Cílem hodnocení bylo odlišení defektů, které mohou vést k havárii a musí být opraveny od defektů, které jsou z hlediska strukturní integrity konstrukce bezpečné a mohou tedy být ponechány bez opravy. Mechanické vlastnosti posuzovaných svarových spojů byly zjištěny experimentálně na zkušebních tělesech zhotovených ze vzorků materiálu používaného pro výrobu nádrží v rámci etapy 4 [13] podle požadavků experimentálního programu navrženého v etapě 3 [9]. Výsledkem měření byly základní pevnostní charakteristiky získané ze zkoušky tahem a hodnoty lomové houževnatosti, které jsou nezbytné pro výpočet přípustných velikostí defektů v obvodových svarových spojích hrdel. V návaznosti na uvedené práce bylo provedeno vyhodnocení napětí působícího v hodnocených svarových spojích. K tomuto účelu byly využity výsledky etapy 7 [18]. Kromě těchto napětí, která jsou vyvolána vnějším zatížením, působí ve svarových spojích ještě reziduální napětí po svařování, které zde hraje významnou roli, protože svarové spoje nebyly žíhány. Pro jeho zahrnutí do hodnocení byly využity výsledky etapy 6, kde byly analyzovány možnosti stanovení reziduálního napětí po svařování včetně klasifikace těchto napětí. Na základě takto stanovených napětí byly s využitím přístupu
uvedeném ve standardu R6 vypočteny přípustné velikosti defektů pro všechna hodnocená hrdla v závislosti na úhlové poloze defektu. Poděkování Projekt by nemohl být realizován bez podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR a společnosti MERO ČR, a.s. LITERATURA Vypracované výzkumné práce v průběhu roku 2006 [1] Stuchlík, V., Křupka, V., Průběžná zpráva části grantového úkolu MPO ev. č. FT-TA3/004 za rok 2006 (podklad k výročnímu hodnocení), Zpráva ÚAM Brno, arch. číslo 3939/06, Brno, 2006 [2] Ochodek, V., Klasifikace svarových spojů v normách a předpisech, Dílčí zpráva za rok 2006 č. OH120-FT-TA3/004-06/1 VŠB TUO, prosinec 2006 [3] Slováček, M., Ochodek, V., Diviš, V., Verifikace numerického procesu svařování, stanovení úrovně zbytkového napětí a distorzí včetně predikce životnosti staticky a opakovaně zatěžovaných konstrukcí, posouzení vad a stanovení kritické velikosti vady, roční zpráva 2006, Zpráva ÚAM Brno, Arch. číslo 4002/06, prosinec 2006, Brno Vypracované výzkumné práce v průběhu roku 2007 [4] Křupka, V., Stuchlík, V.: Etapa 1: Příprava databáze kritických svarových spojů, Etapa 7: Numerické analýzy III, Etapa 8: Aplikace metodiky RBI a RCM v petrochemickém průmyslu, Zpráva ÚAM Brno, arch. č. 4167/07, září 2007. [5] Ochodek, V.: Etapa 3 : Klasifikace vad svarových spojů.. Literární rešerše, Zpráva č. OH120- FT- TA3/004-07/1, VŠB-TU Ostrava. [6] Ochodek, V.: Měření vybraných vlastnosti modelových svarových spojů a konstrukčních uzlů. Etapa 4. Experimenty, Zpráva č. OH120- FT-TA3/004-07/1, VŠB-TU Ostrava. [7] Slováček, M., Diviš, V., Junek, L.: Etapa 2: Informace o řešení životnosti svarových spojů, včetně stanovování zbytkového napětí po svařování a jeho zahrnutí v predikci životnosti nebo stanovení možnosti vzniku vad, zpráva ÚAM Brno, arch. číslo 4240/07, Brno, prosinec 2007 [8] Křupka, V., Stuchlík, V.: Etapa 8: Aplikace metodiky RBI a RCM v petrochemickém průmyslu, Zpráva pro poskytovatele finanční podpory za rok 2007, Zpráva ÚAM Brno, arch. č. 4199/07, Brno, prosinec 2007 [9] Jurášek, V.: Etapa 3: Rešerše použitých norem pro klasifikaci vad svarových spojů, zpráva ÚAM Brno, archivní číslo 4226/07, Brno, prosinec 2007
[10] Vlček, L.: Etapa 5: Numerické analýzy I Průběžná zpráva, zpráva ÚAM Brno, archivní číslo 4228/07, Brno, prosinec 2007 [11] Junek, L., Vlček, L.,: FT-TA3/004, Průběžná zpráva v druhém roce řešení 2007, zpráva ÚAM Brno, archivní číslo 4241/07, Brno, prosinec 2007 Vypracované výzkumné práce v průběhu roku 2008 [12] [13] [14] [15] [16] Vlček, L. : Etapa 6 Numerické analýzy II průběžná zpráva, ÚAM Brno, arch. č. 4320/08, Brno, srpen 2008. Dlouhý, I., Tříletý, L., Chlup, Z.: Lomová houževnatost plechů a svarových spojů oceli 11503, zpráva ÚFM AVČR pro ÚAM Brno v rámci HS 8/2008, červenec 2008 Ochodek, V.: Měření vybraných vlastnosti modelových svarových spojů a konstrukčních uzlů - měření zbytkových napětí- Etapa 4., zpráva č. OH120- FT-TA3/004-08/1, VŠB-TU Ostrava. Vlček, L. : Etapa 6 Numerické analýzy II průběžná zpráva, zpráva pro poskytovatele finanční podpory grantového úkolu ve třetím roce řešení 2008, ÚAM Brno, arch. č. 4426/08, Brno, prosinec 2008. Křupka, V., Stoniš, J.: Etapa 7: Numerické analýzy III průběžná zpráva, Etapa 8: Aplikace metodiky RBI a RCM v petrochemickém průmyslu průběžná zpráva, ÚAM Brno, arch. č. 4433/08, Brno, prosinec 2008. Vypracované výzkumné práce v průběhu roku 2009 [17] [18] [19] [20] Vlček, L. :, Etapa 6 Numerické analýzy II průběžná zpráva, ÚAM Brno, arch. č. 4498/09, Brno, červenec 2009 Jurášek, L., Stoniš, J., Etapa 9 Vypracování metodiky predikce životnosti svarových spojů průběžná zpráva ÚAM Brno, archivní číslo 4533/09, září 2009 Ochodek, V.: Doplňující experimenty pro verifikaci procesu svařování, měření zbytkového napětí po svařování, vyhodnocení výsledků a příprava vstupních dat pro numerickou simulaci svařování-etapa 4., Zpráva č. OH120- FT-TA3/004-09/1, VŠB-TU Ostrava, prosinec 2009 Křupka, V., Stoniš, J., Etapa 8: Aplikace metodiky RBI a RCM v petrochemickém průmyslu průběžná zpráva, Zpráva ÚAM Brno, archivní číslo 4556/09, Brno, prosinec 2009 Publikované články v roce 2006 /1/ DIVIŠ, V., SLOVÁČEK, M., OCHODEK, V. Numerical simulation of welding process real size industrial parts using by local global approach. In. 8th International seminar-numerical Analysis of Weldability, 24-27.9.2006, TU Graz /2/ OCHODEK, V. Vybrané aplikace magnetoelastické metody v technické praxi.in. Seminář PCS s.r.o., 19.9.2006, Valtice. /3/ STUCHLÍK, V., KŘUPKA, V. Hodnocení rizik provozu pomocí metodiky RBI, ISBN:80-214-3251-9,
Příspěvek konference PPK 2006 Brno. /4/ SLOVÁČEK, M., DIVIŠ, V., OCHODEK, V.: Welding numerical simulation of real ITER industrial parts, EUROPAM 2006, Toulouse, říjen 2006 Publikované články v roce 2007 /5/ MACURA, P., KUBALA, R., GANEV, N., KOLAŘÍK, K., OCHODEK, V. Zbytková napětí při kontaktní únavě materiálu. In.Experimental Stress Analysis 2007, ZÚ Plzeň, květen 2007, ISBN 978-80-7043-562-6 /6/ LINHART, V., SIGMUNDOVÁ, J., OCHODEK,V. Some comparison of residual stress measurements on pressurised pipes by the hole drilling gage and magnetoelastic method. In. 24th Danubia Adria, Advances in Experimental Metod, Sibiu, Romania /7/ OCHODEK, V., Residual stress evaluation in spirally welded pipes for gas pipeline. In. 6th International Conference on Barkhausen Noise and Micromagnetic Testing, ICBM 6, 9-10 July 2007, Valenciennes, University of Valenciennes, France /8/ JUNEK, L. DIVIŠ, V., SLOVÁČEK, M., Distortion validation of polodial segment moch-up, Intermediate Review Workshop Meeting DCNS, Cherbourg, France, November 15th and 16th /9/ STUCHLÍK, V., KŘUPKA, V.: Aplikace RBI v provozu uskladňovacích nádrží, konference SÚZ Šoporňa, listopad 2007. Publikované články v roce 2008 /10/ MRKVICA, I., KONDERLA, R, OCHODEK, V. Influence of the Tool s Geometry on Tension in Surface Layer of Workpiece.In. Nové smery vo výrobných technológiách 2008, 19-21.6.2008, ISBN 978-80-553-0044-3 /11/ JUNEK, L. DIVIŠ, V., SLOVÁČEK, M., Weld Distortion Analysis SYSWELD Method Carried out for Vacuum Vessel, Technical Information Meeting for Qualified Companies, Barcelona, Spain, December 18th and 19th Publikované články v roce 2009 /12/ MRKVICA, I., KONDERLA, R., OCHODEK, V. Influence of the Tool s Geometry on Surface Tension of Workpeace.In. Manufactoring Technology.Vol. 8. December 2008,.p.76-79,ISSN 1213248-9 /13/ LINHART, V., SIGMUNDOVÁ, J., OCHODEK, V. Some Comparison of Residual Stress Measurements on Pressurised Pipes by the Hole Drilling and Magnetoelastic Method. In. Experimental Mechanics (Kísérleti mechanika).vol.1/2008, p.34-37, HU ISSN 1787-507 /14/ MRKVICA, I., KONDERLA, R., OCHODEK, V. Influence of the Residual Stress in Surface Layer of Worpiece by Means of Tool s Geometry on Tool s Settings. In. Transctions of the VŠB- Technical University of Ostrava- Mechanical Series.Vol. 1/2009,195-202. ISBN 978-80-248-
2051-4, ISSN 1210-0471. /15/ MRKVICA, I., KONDERLA, R., OCHODEK, V. Influence of the Residual Stress in Surface Layer of Worpiece by Means of Tool s Geometry on Tool s Settings. In. Science report-project Pl-0007. Zpracování diplomových zpráv 2008 {1} KLIMEK, P. Hodnocení vybraných vlastnosti svarových spojů magnetoelastickou metodou. Diplomová práce, VŠB TUO, Ostrava, 2008, 63s. {2} ŠPITT, M. Vliv teplotního režimu svařování na vybrané vlastností feritických ocelí. Diplomová práce, VŠB TUO, Ostrava, 2008, 62s. Zpracování diplomových zpráv 2009 {3} MÁCHOVÁ, J. Hodnocení svařitelnosti feritických vysokolegovaných ocelí. Diplomová práce. Vedoucí práce Ing. Ochodek,VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 345, 2009, 70 s. {4} SOLICH, R. Hodnocení vybraných vlastností oceli magnetoelastickou metodou, Diplomová práce. Vedoucí práce Ing. Ochodek,a VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 345, 2009. 45 s. {5} SZTEFEK, R. Numerická simulace svařování technologie GMAW, Diplomová práce. Vedoucí práce Ing. Ochodek,a VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 345, 2010.