Tadeusz Morawski ”Level”, Warszawa, · Norma EN 25817 została zastąpiona przez EN ISO...

KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2014” 10 - 12 września 2014 r.

Zmiany w ustalaniu poziomów jakości złączy spawanych

według normy EN ISO 5817:2014

Tadeusz Morawski UTiE ”Level”, Warszawa, [email protected]

Wstęp

W roku 1992 ukazała się norma europejska EN 25817, stanowiąca wprowadzenie

normy międzynarodowej ISO 5817:1992, a w roku 1997 Polski Komitet Normalizacyjny

wydal jej polską wersja PN-EN 25817 [1]. Była to fundamentalna norma, która zmieniła

zasady oceny jakości złączy spawanych w wielu krajach europejskich. W normie określono

trzy poziomy jakości na podstawie niezgodności spawalniczych występujących w spawanych

łukowo złączach ze stali niskostopowych i stopowych.

Przyjęto zasadę określanie jednego poziomu jakości dla poszczególnego złącza

spawanego. W przypadkach konstrukcji o szczególnym zastosowaniu, poddanych obciążeniu

zmęczeniowemu, lub konstrukcji wymagających szczelności może być niezbędne podanie

różnych poziomów jakości dla poszczególnych niezgodności w tym samym złączu spawanym

lub podanie dodatkowych wymagań.

Norma EN 25817 została zastąpiona przez EN ISO 5817:2003 i jej polskie wersje

PN-EN ISO 5817:2007 oraz uzupełnione wydanie z 2009 r. Dzięki nowelizacji normy [1]

wprowadzono liczne zmiany oraz uporządkowano nazewnictwo niezgodności spawalniczych

zgodnie z normą PN-EN ISO 6520-1:2002 i z roku 2009[3]. Dokładne omówienie tych zmian

opisał B. Kurpisz [4]. Oto najważniejsze z zapisów w normie PN z 2009 r. i pozostawione w

najnowszym wydaniu tej normy [2].

• zmieniono niektóre graniczne wartości niezgodności dla poziomów jakości;

• podzielono niezgodności spawalnicze na trzy grupy: niezgodności zewnętrzne

(powierzchniowe), wewnętrzne i niezgodności dotyczące kształtu i wymiarów;

• wprowadzono nowe niezgodności spawalnicze:

- zewnętrzne: 2025, 217 (por), 401 (mikroprzyklejenie), 505, 516, 510

- wewnętrzne: 1001, 2013, 2024 (krater)

- kształtu: 508.

• rozszerzono zakres stosowania normy na złącza spawane o grubościach powyżej 0,5 mm

bez podania górnej granicy grubości (było od 3 do 63 mm);

Obecnie dostępna jest najnowsza wersja normy PN-EN ISO 5817:2014E [2]. Po raz pierwszy

w normie zamieszczono wymagania dla złączy spawanych w konstrukcjach przenoszących

obciążenia zmęczeniowe. Ta ważna nowość wymaga szerszego omówienia.


Zmienne obciążenia konstrukcji spawanych

Zmęczenie materiału jest spowodowane działaniem zmiennego w czasie obciążenia.

Przebieg zmiennych obciążeń ma zazwyczaj charakter losowy, wynikający z warunków pracy

konstrukcji. Zadaniem projektantów jest takie kształtowanie połączeń spawanych, aby

zmienne obciążenia występowały w powtarzających się wielkościach i częstościach w stałych

przedziałach czasu t. Mamy wówczas przypadek zmiennego obciążenia sinusoidalnego,

opisanego wzorem (1), które przyjęto za podstawowe do wyznaczania własności materiałów i

modelowania elementów konstrukcji.

σ = σm + σa sinωt (1)

gdzie: ω - częstość kołowa zmian naprężenia

Rys.1. Losowe zmiany obciążenia Rys.2. Rodzaj cykli zmiany naprężeń Δσ o amplitudach σa

Większość eksploatowanych konstrukcji przenosi obciążenia przeważająco stałe. Co

to praktycznie oznacza oraz kiedy decydującym parametrem bezpieczeństwa konstrukcji jest

jej wytrzymałość zmęczeniowa ΔσR (również oznaczana: ZG)?

Konstrukcję spawaną uznaje się za przenoszącą obciążenia przeważające stałe,

gdy liczba cykli N zakresu zmiany naprężeń Δσ = σmax – σmin, w czasie eksploatacji

konstrukcji, nie przekracza dopuszczalnej wartości Ndop podanej w tabl. 1.

Jeżeli rozpatrywanej wartości Δσ nie ma w tabl. 1 to dopuszczalną ilość cykli określa się ze

wzoru:

Ndop= 80·109 / Δσ3 (2)

W przypadku, gdy zakres naprężeń Δσ ulega istotnym zmianom w okresie eksploatacji

konstrukcji należy przeprowadzić obliczenie sprawdzające wg wzoru:

n1/N1 + n2/N2 +····+ = (ni / Ni)≤ 1 (3)

gdzie:

ni – liczba cykli zakresu zmienności naprężeń Δσ w badanych okresach „i” eksploatacji

Ni - dopuszczalna liczba cykli Ndop dla zakresu naprężeń Δσ w kolejnych okresach „i”.


Tablica 1. Dopuszczalna liczba cykli Ndop zakresu zmienności naprężeń Δσ przenoszonych

przez złącze spawane, które uznaje się za pracujące przy obciążeniach przeważająco stałych

L.p. Δσ [MPa] Ndop

[cykle]

1 200 10·103

2 180 14·103 3 160 20·103 4 140 30·103 5 120 46·103 6 100 80·103 7 80 160·103 8 60 370·103 9 50 640·103

10 40 1,25·106 11 34 2,5·106 12 30 3,0·106 13 20 10·106

Przykład zastosowania obliczeń zawiera tabl. 2 dla konstrukcji spawanej obciążonej w

okresach użytkowania „i”. Wynik obliczeń: ni / Ni = 0,88 < 1 oznacza, że konstrukcja jest

poddawana obciążeniom przeważająco stałym

Tablica 2. Przykład obliczeń (ni / Ni)

Okres eksploatacji „i” ni Δσ [MPa] Ndop[cykle] ni/Ndop

1 0,9·103 140 30·103 0,03

2 8·103 100 80·103 0,10

3 74·103 60 370·103 0,20

4 375·103 40 1,25·106 0,30

5 750·103 30 3,0·106 0,25

Suma ni/Ndop 0,88 < 1

Wytrzymałość zmęczeniowa konstrukcji spawanych

Wytrzymałością zmęczeniową ΔσR (lub ZG) nazywamy takie naprężenie σmax dla

danego cyklu naprężeń, że element nie ulegnie zniszczeniu po osiągnięciu umownej

granicznej liczby cykli NG, (dla stali NG = 10·106). Wytrzymałość zmęczeniową złączy

spawanych wyrażają wykresy S-N (Wöhlera) wiążące wielkość zakresu naprężeń Δσ

(S- Stres, ang. naprężenie) z liczbą cykli obciążeń N, które przedstawiono w układzie

współrzędnych [σ, logN] na rys. 3, jako ilustrację zależności:

N = c / Δσm

gdzie: c – stała przybierająca różne wartości w zależności od stopnia nasilenia karbu w

rozpatrywanym złączu, np. dla kategorii złącza Δσc = 125, c = 3,91·1012

przy m = 3,0

m- współczynnik przyjmujący wartości w przedziale od 3,0 do 4,0, najczęściej m=3,0 i m=3,5

i określa stopień nachylenia krzywych S-N.


Rys. 3. Wykres zmęczeniowy dla stali i zmiennych naprężeniach normalnych

Tablica 3. Wartości stałej „c” oraz trwałej wytrzymałości zmęczeniowej ΔσD=const (dla N= 5·10

6)

przy naprężeniach rozciągających i ściskających dla współczynników „m” i różnego stopnia nasilenia karbu wyrażonego klasą zmęczeniową, tj. wartością Δσc przy liczbie cykli N=2·10

6

Δσc m = 3,0 m =3,5

c ΔσD [MPa] c ΔσD [MPa]

125 3,91·1012 92 4,37·1013 96

112 2,81·1012 82 2,97·1013 86

100 2,00·1012 74 2,00·1013 77

90 1,46·1012 66 1,38·1013 69

80 1,02·1012 59 9,16·1012 62

71 7,16·1011 52 6,03·1012 55

63 5,00·1011 46 3,97·1012 48

56 3,51·1011 41 2,63·1012 43

50 2,50·1011 37 1,77·1012 38

45 1,82·1011 33 1,22·1012 35

Wykres zmęczeniowy jest linią prostą łamaną (rys. 3). Punkt przecięcia się obydwóch

odcinków wykresu wyznacza teoretyczną, graniczną liczbę cykli, która w różnym stopniu

może odbiegać od przyjętej bazowej liczby cykli NG.

Połączenia spawane, w zależności od kształtu, rodzaju spoin, jakości powierzchni oraz

działających naprężeń zostały podzielone na ponumerowane typy [5], które jako odmiennie


ukształtowane są karbami o większym lub mniejszym wpływie na koncentrację naprężeń przy

zmiennych obciążeniach. Poniżej zestawiono typy połączeń spawanych:

100 - Elementy niespawane, Unwelded parts of a komponent

200 - Złącza doczołowe, obciążenia poprzeczne, But welds, transverse loaded

300 – Ciągłe spoiny podłużne, Longitudinal load-carrying welds

400 - Złącza krzyżowe i typu T, Cruciform joints and/or T-joints,

500 - Nieobciążone przyłącza itp., Non-load-carrying attachments

600 - Złącza zakładkowe, Lap joint

700 – Wzmocnienia, Reinforcements

800 – Połączenia kołnierzowe, odgałęzienia i dysze, Flanges, branches and nozzles

900 - Złącza rurowe, Tubular joint

Każdy z wymienionych wyżej typów połączeń tworzy zbiór elementów, o takich

samych lub podobnych kształtach, które w praktyce wykonywane są odmienną technologią i z

inną dokładnością. Są one zaliczane do różnych klas wytrzymałości zmęczeniowej FAT

(fatigue class). Klasy zmęczeniowe złączy spawanych określane są wartościami zakresu

zmienności naprężeń Δσc (125, 112, 100, 90,…) dla liczby cykli N = 2·106 (wykresy S-N na

rys. 3). Wartość obliczeniową trwałej wytrzymałości zmęczeniowej ΔσD przyjmuje się jako

odpowiadającą wartości Δσ dla okresu użytkowania złącza odpowiadającego liczbie

N = 5·106cykli (rys. 3).

Przykłady złączy spawanych (tabl. 4 do 8) o różnych klasach zmęczeniowych (FAT)

reprezentują kolejne typy połączeń z zaznaczonymi kierunkami działania obciążeń oraz

miejscem najczęściej pojawienia się pęknięcia zmęczeniowego.

Ta generalna klasyfikacja nie uwzględnia zmian w poziomie jakości złączy

spawanych, które wynikają z obecności niezgodności spawalniczych. Wzięto pod uwagę

tylko wpływ karbu, a takim jest zaprojektowany i wykonany określony typ połączenia.


Tablica 4

Element konstrukcyjny Structural Detail

Charakterystyka złącza Description Klasa FAT Typ Nr 200 - Złącza doczołowe, obciążenia poprzeczne

Nr 200 - Butt welds, transverse loaded

Transverse loaded butt weld (X-groove or V-groove) ground flush to plate, 100% NDT. Misalignment < 5% of plate thickness.

112

Transverse butt weld made in shop in flat position, NDT weld. , Reinforcement < 0.1 a thickness

90

Transverse butt weld not satisfying conditions of above. NDT

80

…welded on non-fusible temporary backing, root crack. Backing removed, root visually inspected. Misalignment <10% of plate thickness.

80

Transverse butt weld on permanent backing bar. Misalignment <10% of plate thickness.

71

Tablica 5


Charakterystyka złącza Description Klasa FAT Typ Nr 400 Złącza krzyżowe i typu T

Nr 400 - Cruciform joints and/or T-joints

Cruciform joint or T-joint, K-buttwelds, full penetration, weld toes ground, potential failure from weld toe.

80

Single sided T-joints and cruciform joints without misalignment

90

Cruciform joint or T-joint, fillet welds or partial penetration K-butt welds, potential failure from weld toe. Misalignment <15%of primary plate thickness in cruciform joints.

63

Single sided T-joints and cruciformjoints without misalignment

71

Cruciform joint or T-joint, single-sided arc or laser beam welded V-butt weld, full penetration, potential failure from weld toe. Full penetration checked by NDT of root. Misalignment <15% of primary plate thickness incruciform joints. .

If root is not inspected, then root crack

71

36

Splice of circular hollow section with intermediate plate, single sided butt weld, potential failure from toe: wall thickness > 8 mm

wall thickness < 8 mm

56 50


Tablica 6


Charakterystyka złącza Description Klasa FAT Typ Nr 500 Nieobciążone przyłącza itp

Nr 500 - Non-load-carrying attachments

Transverse non-load-carryingattachment, not thicker than main plate

K-butt weld, toe Grodnu Two sided fillets, toe Grodnu Fillet weld(s), as welded thicker than main plate

100 100 80 71

Non-loadcarrying rectangular orcircular flat studs, pads or plates.

L ≤ 50 mm L >50 and ≤ 150 mm L >150 and ≤ 300 mm L > 300 mm

80 71 63 50

Trapezoidal stiffener to deck plate, fullpenetration butt weld, calculated onbasis of stiffener thickness, out of planebending

71

SLongitudinal fillet welded gusset oflength l. Fillet weld around end. l < 50 mm

l < 150 mm l < 300 mm l > 300 mm

80 71 63 50

Tablica 7


Charakterystyka złącza Description Klasa FAT Typ Nr 600 Złącza zakładkowe

Nr 600 - Lap joints

Longitudinally loaded lap joint with side fillet Wells. Weld terminations more than 10 mm from main plate edge.

Fatigue of parent metal Fatigue of weld (calc. on max.weld length of

40 times the throat of the weld)

50 50

Transverse loaded overlap joint with fillet welds Stress in plate at weld toe (toe crack) Stress in weld throat (root crack)

63 36

Typ Nr 700 Wzmocnienia Nr 700 Reinforcements

End of long doubling plate on beam, reinforced welded ends ground (based on stress range in flange at weld toe) tD ≤ 0.8 t 0.8 t < tD ≤ 1.5 t tD > 1.5 t

71 63 56

End of reinforcement plate onrectangular hollow section. No undercut at transverse weld!

wall thickness: t < 25 mm

50


Tablica 8


Charakterystyka złącza Description Klasa FAT

Typ Nr 300 Ciągłe spoiny podłużne Nr 300 - Longitudinal load-carrying welds

Longitudinal butt weld, both sides ground flush parallel to load direction,proved free from significant defects byappropriate NDT

125

withoutstop/start positions, NDT 100

with stop/start positions 90

Continuous automatic longitudinal fully penetrated K-butt weld without stop/-start positions. NDT

125

double sided fillet weld without stop/start position 100

Continuous manual longitudinal fillet or butt weld 90

Poziomy jakości złączy spawanych obciążonych zmęczeniowo

Wpływ niezgodności spawalniczych na wytrzymałość złączy jest ściśle związany z

rodzajem i poziomem obciążeń zewnętrznych. Oznacza to, że niezgodności tego samego

rodzaju i wielkości działają inaczej na złącza obciążone statycznie oraz inaczej w przypadku

obciążeń zmęczeniowych lub udarowych.

Normy [wersje 1 do 2] nowelizowane kilka razy w okresie 20 lat stanowiły o poziomach

jakości B, C, D w złączach przenoszących obciążenia stałe lub przeważająco stałe. Dopiero

PN-EN ISO 5817: 2014 [2] wprowadza w punkcie 3.9 definicję klasy zmęczeniowej FATx

(fatigue slass), podaną już wyżej w niniejszym tekście. W miejsce symbolu „x” zapisuje się

wartość, w MPa, zakresu zmienności naprężeń Δσc przy N=2·106 cykli.

W Aneksie C normy [2] zamieszczono dodatkowe wymagania dla obciążonych

zmęczeniowo stalowych złączy spawanych. Zrezygnowano ze stosowania poziomu jakości D,

a dla poziomów C i B wprowadzono uzupełniające wymagania. W ten sposób utworzone

zostały trzy poziomy jakości: C63, B90 i B125 równoważne klasom zmęczeniowym FAT63,

FAT90 i FAT125. W tablicy 9 podano wymiary graniczne niezgodności spawalniczych dla

tych poziomów jakości. Poziom jakości C63 w zasadzie określany jest takimi samymi

wymaganiami, co złącza o poziomie jakości C (tabl. 1 w PN[2] oraz symbol „a” opisany w

tabl. 9). Poziom jakości B90 ma szereg ostrzejszych wymagań wg niezgodności: pęcherze,

wtrącenia i kształt złącza (tabl. 9). Dla osiągnięcia poziomu jakości B125 powierzchnia złącza

spawanego nie może być w stanie surowym (as welded). Dotyczy to tylko spoin czołowych,

bo złącza ze spoinami pachwinowymi są wykluczone z poziomu jakości B125.


Wymagania zawarte w normie PN-EN ISO 5817: 2014 powinny mieć odniesienie

zarówno w Eurokodzie 3[6], w którym określono projektowe wymagania jakości złączy

spawanych, jak i w wymaganiach technicznych dotyczących konstrukcji stalowych zawartych

w normie PN-EN 1090-2 [7].

Tablica 9. Wymiary niezgodności spawalniczych w złączach obciążonych zmęczeniowo według PN-EN IS0 5817;2014-5 [2]

Oznaczenie i nazwa niezgodności

według

PN-EN ISO 6520-1

t [mm]

Wymiary graniczne niezgodności spawalniczych

dla poziomów jakości:

C63 B90 B125

401 Przyklejenia

(niepełne wtopienie) 0,5 a a a

5011

5012

Podtopienie lica ciągłe

Podtopienie lica

przerywane

> 3 a a niedopuszczalne

5013 Podtopienie grani > 3 a a niedopuszczalne

502 Nadlew spoiny czołowej 0,5 a a h 0,2 + 0,1b, max 2 mm

503 Nadmierna wypukłość

spoiny pachwinowej 0,5 a a b

504 Wyciek 0,5 - 3

> 3 a a

h 0,2 + 0,05b

h 0,2 + 0,05b, max 1 mm

505 Niewłaściwy brzeg 0,5 a a a

5052 0,5 b b r 4 mm

509

511

Zwis

Niezupełne wypełnienie

rowka

> 3 a a niedopuszczalne

512 Nadmierna asymetria

spoiny pachwinowej 0,5 a a b

515 Wklęśnięcie grani > 3 a a niedopuszczalne

602 Rozprysk 0,5 a a niedopuszczalne

2011

2012

Pęcherz kulisty i

równomiernie rozłożony 0,5 a a

gdy pojedynczy ścieg ≤ 1%d

dla wielu ściegów ≤ 2%d

d ≤ 0,1s, max. 1 mm

2013 Gniazdo pęcherzy 0,5 a

≤ 3%d

d ≤ 0,2s, d≤ 0,2a,

d ≤ 2,5 mm

≤ 2%d

d ≤ 0,1s, max. 0,5 mm

2014 Łańcuch pęcherzy 0,5 a a

gdy pojedynczy ścieg ≤ 1%d

dla wielu ściegów ≤ 2%d

d ≤ 0,1s, max. 1 mm

2015

2016

Pęcherz podłużny

Pęcherz kanalikowy 0,5 a

h ≤ 0,2s lub 0,2a

max. h = 2 mm

as welded: max l=25 mm

odprężone: l ≤ 20 mm

a

300

301

302

302

Wtrącenie stałe

Wtrącenie żużla

Wtrącenie topnika

Wtrącenie tlenków

0,5 a

h ≤ 0,2s lub 0,2a

max. h = 2 mm

as welded: max l=25 mm

odprężone: l ≤ 20 mm

niedopuszczalne

5071 Przesunięcie liniowe blach 0,5 a h ≤ 0,1t max. 3 mm h ≤ 0,05t max. 1,5 mm

5072 Przesunięcie liniowe rur 0,5 a h ≤ 0,5t max. 1 mm a

508 Przesunięcie kątowe 0,5 β ≤ 2o β ≤ 1o β ≤ 1o

a – wymiary graniczne niezgodności podane w Tabl. 1 PN-EN ISO 5817:2014 dla poziomów C i B

b – wartość niezdefiniowana w PN, d – średnica pęcherza gazowego, h - wysokość lub szerokość niezgodności

s – nominalna grubość spoiny czołowej


Literatura

[1] PN-EN 25817:1997-4P Złącza stalowe spawane łukowo. Wytyczne do określania

poziomów jakości według niezgodności spawalniczych.

[2] PN-EN ISO 5817: 2014 -5E: Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich

stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności

spawalniczych.

[3] PN-EN ISO 6520-1:2002 i 2009P Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacja

geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach. Część 1: Spawanie

[4] Kurpisz B.: Określanie poziomów jakości złączy spawanych według znowelizowanej

normy EN 25 817, Internet

[5] Hobbacher A.: Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components.

International Institute of Welding IIW document IIW-1823-07ex XIII-2151r4-07/XV-

1254r4-07, December 2008.

[6] PN-EN 1993-1-9:2007P: Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych -- Część 1-9:

Zmęczenie

[7] PN-EN 1090-2:2009P Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych -- Część 2:

Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych (zastąpiona przez PN-EN 1090-

2+A1:2012 - wersja polska)

Tadeusz Morawski ”Level”, Warszawa, · Norma EN 25817 została zastąpiona przez EN ISO...

Documents

Transcript of Tadeusz Morawski ”Level”, Warszawa, · Norma EN 25817 została zastąpiona przez EN ISO...