8.4. Otkazi u eksploataciji zavarenih spojeva Uobičajeni načini otkaza prema fizikalnim pojavama, koje dovode do otkaza su: • žilavi lom, Rm MPa • krhki lom, KIc, JIc, CTOD MPam1/2, mm • trajne deformacije, Re MPa • lom zbog umaranja, Rd MPa • puzanje, R m ;t °C ;τ h MPa • prevelike elastične deformacije, f, krutost mm • gubitak stabilnosti, Fkr, σkr, vitkost • opća korozija ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- • ostali oblici korozije: korozija uz naprezanje, interkristalna korozija, selektivna, pitting,

korozija u rascjepu (zazoru), • abrazija, erozija, kavitacija i slične pojave, • termički šokovi i termički umor, • propuštanje, • prevrtanje, klizanje, sudar, projektilno djelovanje, bičevanje, • razne kombinacije (korozija uz naprezanje, korozija uz umaranje...). Žilavi lom se događa kod naprezanja iznad vrijednosti vlačne (zatezne) čvrstoće. U praksi se

dešava kada je zavarena konstrukcija opterećena većim naprezanjem od proračunom za tu

konstrukciju dozvoljenim naprezanjem, dolazi do vidljivih deformacija i žilavog loma

konstrukcije.

Shematski prikaz promjene žilavosti / radnje loma ovisno o temperaturi, te pojednostavljeni

prikaz prijelomne površine epruvete nakon vlačnog pokusa za žilavi i krhki lom.

Temperatura, oC

Udarna žilavost, J

Radnja loma, J/mm 2

Kriterij:

K v < 27 J

K v < 35 J/mm 2

ili neki drugi kriterij (zahtjev)

Žilavo stanje

Krhko stanje

Krhki lom se događa kod vrijednosti naprezanja ispod granice razvlačenja (U praksi se dešava

kada je temperatura u eksploataciji zavarene konstrukcije niža od temperature prijelazne

temperature (iz žilavog u krhko stanje), kod djelovanja napr. korozije uz naprezanje, i.t.d. . Na

prijelomnim površinama nema vidljive plastične deformacije, lom je obično ubrzan.

Primjer krhkog loma:

Trajne deformacije nastaju kada naprezanja prelaze granicu elastičnosti (no možemo reći i

granicu razvlačenja jer su to vrijednosti – točke vrlo blizu u Hook-ovom dijagramu). Nastaju

kada su radna naprezanja iz bilo kojih razloga veća od proračunom dozvoljenih ( preopterećenje

zavarene konstrukcije).

Lom zbog umaranja nastaje usljed dugotrajnog promjenljivog naprezanja. Ako je broj promjena

naprezanja ispod 105 ciklusa naprezanja obično se govori o niskocikličkom naprezanju (Low

Cycle Fatigue), a iznad 106 ciklusa govori se o visokocikličkom naprezanju (High Cycle

Fatigue).

Mjesto inicijacije pukotine

Čelik Mn-Cr-Mo-V, promjer posude 2200, debljina stjenke 140 mm

+ +

-

σ

σ(t)

t

+ +

-σ

σσ σ

σ

d

g

m

a

a

σ

σ

g

m σ σσ

m dg

Vrsta Čistonaizmjenično

Naizmjenično sprednaprezanjem

Čistoistosmjerno

Istosmjerno sprednaprezanjem

Statičko

σ

σmg

0 međuvrijednost + 0,5 međuvrijednost + 1,0

σσ

d

g=r - 1 - 1 r 0 0 0 r 1 + 1,0

Oznaka

Slučaj opterećenjaprema Bachu

RR

e

mDNσ DIσ

ΙΙΙ ΙΙ Ι

Naprezanja su posljedica djelovanja dinamičkih sila (napr. prelasci vozila preko mosta,

djelovanje vjetra, …), dinamičke promjene temperature u eksploataciji, te kombinacije

dinamičkih sila i temperaturnih naprezanja i dr.

Lom zbog puzanja obično se veže uz energetska postrojenja koja rade na povišenim

temperaturama uz određene vrijednosti naprezanja. Po definiciji puzanje je posljedica

dugotrajnog statičkog opterećenja na određenim temperaturama eksploatacije (obično

povišenim). No, u eksploataciji se sve obično dodatno komplicira (promjenljiva naprezanja,

kombinirana naprezanja), pa se moraju prihvatiti određene aproksimacije kako bi se mogli

provoditi proračuni zavarenih konstrukcija i kako bi se mogao izvršiti izbor odgovarajućih

materijala. Nesigurnost (aproksimacije) se pokrivaju faktorom sigurnosti.

A ... Detaljna kontrola pri svakoj periodičkoj kontroli u eksploataciji B ... Propisati pooštrenu kontrolu (kontrola mikrostrukture replikama, ...) C ... Ograničiti rad do popravka ili zamjene zavarene konstrukcije ili dijela zavarene konstrukcije D, E ... Pukotine se ubrzano šire, neke postaju već makroskopskih dimenzija, postoji opasnost od

ubrzanog loma konstrukcije ili dijela konstrukcije ukoliko se ne zaustavi rad postrojenja.

Prevelike elastične deformacije mogu se shvatiti kao deformacije u blizini granice elastičnosti.

Što su više iznad granicu elastičnosti i granice razvlačenja postupno dovode do povećanja

čvrstoće i pada žilavosti osnovnog materijala i zavarenog spoja (tzv. Baushinger-ov efekt; dolazi

do porasta čvrstoće i pada žilavosti kod naprezanja iznad granice razvlačenja, kada između

takva dva naprezanja protekne dovoljno vrijeme).

Gubitak stabilnosti vezan je uz štapove i rešetkaste konstrukcije, kada kod određenih naprezanja

dolazi do nedozvoljenog izvijanja štapa, što može dovesti do otkaza napr. rešetkaste

konstrukcije.

t1 t2 t3

I II III

T = const.

σ = const. (p = const.)

Klasa 0

Klasa 1

Klasa 2

Klasa 3

.

.

.

.

... .

. .

..

.

.

.. .

.. .

. .

..

.

.

.. ..

......

.. .......

..... .

..............

.

Klasa 4

Lom

Trajanje eksploatacije (t)

Vrijeme do loma zbog puzanja

A

B

C

D

E

Udio mikropukotina

na granicama zrnaDeformacija zbog puzanja

Opća korozija može samostalno ili što je češći slučaj, u kombinaciji sa drugima naprezanjima,

prouzročiti otkaz zavarenoe konstrukcije. Ona se može obuhvatiti proračunom, pa se tako može

osigurati pouzdan rad zavarene konstrukcije (napr. postoje pouzdani iskustveni podaci o brzini

opće korozije u morskoj vodi, na atmosferskom zraku i u drugim eksploatacijskom uvjetima).

Ostali oblici korozije češće uzrokuju otkaz zavarenih konstrukcija nego opća korozija.

Kompleksniji su njihovi mehanizmi nastajanja, a nije ih moguće obuhvatiti proračunima

zavarenih konstrukcija. Pouzdanost zavarenih konstrukcija od otkaza uslijed ostalih oblika

korozije postiže se određenim laboratorijskim i pogonskim – eksploatacijskim eksperimentalnim

istraživanjima (standardiziranim ili ne standardiziranim).

Interkristalna korozija. Izlučivanjem Cr karbida u području od 850 do 450 oC (najače na

temperaturi oko 650 oC) po granicama zrna slabi se korozijska otpornost zavarene konstrukcije.

Kada se u eksploataciji nađe pod utjecajem agresivnog medija vrlo brzo dolazi do tzv.

interkristalne korozije.

Interkristalna korozija

Korpzija uz naprezanje

Jamičasta (piting) korozija čelika AISI 304 u slankastoj vodi.

Makro presjek zavarene cijevi iz nerđajućeg čelika na kojoj se pojavilo oštećenje zbog

interkristalne korozije, sa obje strane zavara, u ZUT-u (područje koje je bilo izloženo utjecaju

topline u intervalu od 850 do 450 oC). Desno je prikazan izgled mikrostrukture u zoni oštećenja.

Debele linije između kristalnih zrna su mjesta izlučivanja Cr karbida. Vidljivo je da korozija

prodire između granica zrna i neka su zrna potpuno izgrižena korozijom (crna polja).

Abrazija, erozija i kavitacija najčešće se vežu uz različite cjevovode, pumpe, posude pod tlakom

i sl.

Abrazivna djelovanja (napr. djelovanje krutih čestica u cjevovodu), erozija (utjecaj atmosferalija:

vjetra, vlage, sunca, …) i kavitacije (različita turbulentna strujanja u zavarenim cjevovodima kao

posljedica utjecaja račvanja, suženja i proširenja, skretanja i sl.) također nije moguće obuhvatiti

proračunima. Na osnovu eksperimentalnih istraživanja (laboratorijskih i u eksploataciji) izabire

se odgovarajući materijal i tehnologija zavarivanja koji će omogućiti pouzdan rad zavarene

konstrukcije u određenim uvjetima eksploatacije.

Termički šokovi i termički umor predstavljaju oblik dinamičkog naprezanja zavarene

konstrukcije (u većoj ili manjoj mjeri). No za razliku od dinamičkih naprezanja koja su

posljedica djelovanja poznatih sila, ovdje je određivanje djelujućih naprezanja značajno

kompleksnije. Pouzdan rad zavarene konstrukcije u uvjetima termičkih šokova i termičkog

umaranja (termodinamički opterećene zavarene konstrukcije) osigurava se kroz ispravan izbor

osnovnih i dodatnih materijala koji daju zavarene spojeve koji moraju zadovoljiti zahtjev

pouzdanosti kako kod laboratorijskih ispitivanja, tako i u uvijetima eksploatacije.

Propuštanje se veže uz zavarene cjevovode i posude pod tlakom. Uzrok propuštanju mogu biti

proizvodne greške u zavarenim spojevima i/ili oštećenja koja su nastala u eksploataciji zavarene

konstrukcije. Tako je napr. na nekim vagonskim cisternama za prijevoz ukapljenog amonijaka

došlo do otkaza - propuštanja agresivnog medija, zbog pukotina koje su bile posljedica korozije

uz naprezanje.

Prevrtanje i klizanje, sudar, projektilno djelovanje i bičevanje su mogući otkazi koji se vežu uz

pojedine, karakteristične zavarene konstrukcije. Napr. prevrtanje i klizanje uz dizalice, sudar uz

automobile (“Crash” test), projektilno djelovanje i bičevanje uz energetska postrijenja (kod

ukrštenih cijevi u Rafineriji nafte došlo je do otkaza jedne cijevi debljine cca. 70 mm koja se

omotala oko druge – slaičan efekt kao kod crijeva za polijevanje vrta; takva ukrštanja cijevi pod

visokim tlakom treba izbjegavati ili ako se to ne može izbjeći treba izmjestiti sigurnosne ventile i

komandne ormariće daleko od mjesta mogućeg otkaza kako bi se u slučaju otkaza moglo izbjeći

daljnje štete).

Razne kombinacije otkaza su najčešća pojava u praksi. Ipak, ne pripada svakom mogućem

otkazu jednaka vjerojatnost pojavljivanja. Treba izabrati kritični otkaz ili otkaze, tj. one kojima

pripada najveća vjerojatnost pojavljivanja. Obzirom na kritični otkaz/otkaze provode se

proračuni i/ili eksperimentalna istraživanja koja trebaju potvrditi izbor materijala i tehnologiju

zavarivanja koji daju pouzdanu zavarenu konstrukciju u predviđenim uvjetima eksploatacije.

Uobičajeni uzroci otkaza odnosno uzroci grešaka (odstupanja od zahtjevane kvalitete), koje

mogu uzrokovati otkaz su:

1. Ugovorni zahtjevi za kvalitetu (nepovoljni, nejasni)

2. Konstrukcija: koncepcija, proračun i oblikovanje detalja

3. Materijal: neadekvatan izbor materijala, greške materijala

4. Tehnologija izrade i kontrole : izbor operacija, režimi, slijed operacija

5. Sredstvo rada: stroj, alat, mjerni instrument

6. Čovjek : radnik, konstrukter, kontrolor,...

7. Opći uvjeti: temperatura okoline, vjetar, vlaga, prašina, osvjetljenje, ...

Iako se neki od gornjih uzroka navode u izvještajima kontrole, šire gledano, iza svakog od

navedenih uzroka uvijek stoji čovjek odnosno greška čovjeka. Napr. greška materijala ili greška

konstrukcije nastaje neznanjem ili nesavjesnošću čovjeka. Svi navedeni uzroci grešaka i

otkaza mogu se svesti na dva uzroka ovisna o čovjeku:

1. Znanje da se postave ispravni zahtijevi za kvalitetu-karakteristike,

parametri, uvjeti, kriteriji prihvatljivosti: konstrukcija, dimenzije, materijal,

tehnologija, kontrola, uvjeti eksploatacije.

2. Savjesnost (da se ispravno postavljeni-napisani zahtijevi, postupci, ostali dokumenti,

te kriteriji prihvatljivosti dosljedno provedu).