Követelmények a mederhíd acélanyagával és hegesztett kötéseivel szemben Karol Kálna*

Átírás

1 Kövtlményk a mdrhíd acélanyagával é hgzttt kötéivl zmbn Karol Kálna* Doc. Ing. Karol Kálna, DrSc., Wlding Rarch Intitut - Indutrial Intitut SR, Bratilava, Bratilava, Račianka 71 Abtract Rquird proprti of tl and wldd joint for bridg tructur. Th fatigu failur and th brittl fractur ar th mot important limit tat of bridg tl tructur. Ritanc againt th fatigu failur can b achivd by a lction of th uitabl form of tructur dtail and by a guarant of th uitabl quality of production, abov all of th wlding (minimization of not admiibl dfctdicontinuiti a wll a gomtric imprfction). Ritanc againt th brittl fractur may b achivd by a lction of ufficintly tough matrial, tl and wld mtal. To dtrmin rquirmnt for th tructural and wld matrial proprti and th quality auranc rpctivly ( tabl 4 8) thr wr takn into conidration th rcommndation of adquat IIW documnt, EN tandard and our rarch and practical xprinc. Bvzté A híd acélzrkzténk tönkrmntli határállapotát alapvtőn a fáradáo károodá é az zt kövtő ridg töré.jllmzi. A hídzrkzt fáradáal zmbni llnálláa a zrkzt mgfllő kialakítáával é gyártáának minőégbiztoítáával érhtő l. Vonatkozik z főlg a hgztéi művltkr (a mg nm ngdtt hibák minimalizáláával, a folytonoági hiányok é az alakhibák kiküzöböléévl). A ridg törél znbn mgkívánt llnállá az lgndőn zívó acél é a hgztő hozaganyagok mgválaztáával érhétő l. A zrkzti anyagok tulajdonágaival zmbni kövtlményk mghatározáánál fontoak a gazdaági zmpontok, amlyk az acél é a hgztő hozaganyagok árán kívül magukban foglalják a munkaigény gyártá költégit i (pl. a hgzttt köté lkézíté é az hhz zükég lőmlgíté, a varrat mgmunkáláa é javítáa tb.). Mértzé kifáradára Az acélzrkzt é rézgyégink trvzékor az IIW Doc. XIII /XV [1] zrint kll kifáradára mértzni. Ha a zrkzt valamly rézgyég nm fll mg az lőírának, akkor: - a fáradá zmpontjából lőnyöbb alakra kll áttrvzni, - magaabb minőégfokozatú hgzttt kötékt kll lőírni, pl. az EN , EN 1712, EN zrint, - lő kll írni a fáradái rpdék kltkzé zmpontjából vzélyztttt varratok é átmntk közörülél történő mgmunkáláát, vagy a hgztéi varrat átmnténk TIG - átolvaztáát. Mértzé ridg törér Acélzrkztk trvzéét é mértzéét ridg törér a különfél zabványok (API, ASME, BS, EN tb.) zigorú ljáráai zrint végzik. Lényg

2 ltéré a fiktív rpdé a F nagyágában van, amlynk mért a mgkövtlt töréi zívóág K IR (MPa. m ) mghatározáához haznált özfüggébn jlnik mg. A fiktív rpdé gy hipottiku mghibáodá, amly nm fordulhat lő a zrkztbn. Az a F mért függ a zrkzt gyártáának minőégétől, blértv a hgzté módját é a varratok roncolámnt vizgálatának trjdlmét. Az acélok é a hgzttt köték K IR töréi zívóágának mghatározáa A töréi zívóág mghatározáára a módoított Land-fél özfüggét haználtuk [2]. Az igénybvétl zintj S2, a károodá kövtkzményi C2 é az igénybvétl módja főlg tatiku az ENV ljáráa zrint. A fiktív rpdé a F mértét az IIW Doc. X [3] javalata zrint válaztottuk mg. A zükég (a mgkövtlt) töréi zívóág K IR értékét a kövtkző özfüggél lht mghatározni: K IR = f yt F c F π. a. k. k (2k 1) (1) amlyhz tünkbn a F = {5 mm; 0,2. t; 20 mm}; k c = 1,5; k F = 1,0; k = 2,0 értékk tartoznak. A k = 2,0 tényző haználata jogo a nm hőkzlt varratokkal kézült zrkzti rézgyégknél. Flvév az anyag mgbíhatóági tényzőjét γ M = 1,2 értékr é a tompa varratok fzültég-gyűjtéi tényzőjét k = 1,2 értékr, a hgzttt kötékbn a maradó fzültég: σ r = R = f yt é igy az rdö fiktív fzültég: σ T = 2. f yt. Az acélhidakra érvény BS 5400 brit zabványban [4] az UMIST 1997 javalata alapján a tatikuan é a fáradára igényb vtt zrkztknél gyaránt azono mértű fiktív rpdél zámoltak, mégpdig: a F = {3 mm; 0,15. t; 12 mm}. A brit zakmbrk zt az UK-ban alkalmazott gyártái ljárá magaabb minőégévl magyarázzák. Az acélok é a hgzttt köték mgkövtlt KV R ütőmunkájának mghatározáa A K IC töréi zívóág é a KV ütőmunka között ninc jó korrláció. A töréi zívóág vizgálatánál való vatagágú, hozú, él, fáradáo rpdél bmtztt próbattt haználnak; a trhlé laú. Az ütőmunka vizgálatához pdig kimértű, 10x10 mm mértű, kély, a = 2 mm mély é r = 0,25 mm lkrkítéű ugarú próbattt. A zívóág hőméréklt: K IC (T) é KV(T) özfüggék gymáal zmbn ltolódtak. A mgfllő KV (J) ütőmunka lőzt mghatározáára a Sailor Cortn-fél özfüggé [5] haználható: K IC = 14,5. KV = C KV 2 KV = ( K IC / CI ) (2) A VÚZ Hgztéi Kutatóintézt (Bratilava) zrint [6] az állandó érték nagyobb lht: C 2 = 18. Az (1) özfüggél mghatározott K IR töréi zívóág é a (2) zrinti KV R ütömunka értékit az 1. táblázatban tüntttük fl.

3 1. táblázat: Az anyagok mgkövtlt töréi zívóága é ütömunkája Vatagág t (mm) S355 f y (MPa) K IR ( MPa m) KV R (J) S420 f y (MPa) K IR ( MPa m) KV R (J) S460 f y (MPa) K IR (MPa m) KV R (J) Az EN zrinti zavatolt tulajdonoágok Szükég, hogy az acélok jó hgzthtők lgynk ckély lőmlgíté mlltt i é kllőn zívóak. Az adott fltétlk mlltt a lglőnyöbbk a finomzmcé hgzthtő acélok az EN zrint normalizált állapotban: az S355NL é S420NL vagy az EN trmomchanikuan hngrlt: S355ML é S420ML minőégjlűk. 2. táblázat: Az acélok vgyi öztétl (kiválaztott lmk, öntéi analízi, tömg%) EN é 3 zrint Acél C Si Mn P S Nb V Ni CEV S355NL 0,18 0,50 0,90-1,65 0,030 0,025 0,05 0,12 0,50 0,43 S420NL 0,20 0,60 1,00-1,70 0,030 0,025 0,05 0,20 0,80 0,48 S460NL 0,20 0,60 1,00 1,70 0,030 0,025 0,05 0,20 0,80 - S355ML 0,14 0,50 1,60 0,030 0,025 0,05 0,10 0,30 0,39 S420ML 0,16 0,50 1,70 0,030 0,025 0,05 0,12 0,30 0,45 S460ML 0,16 0,60 1,70 0,030 0,025 0,05 0,12 0,45 0,46 3. táblázat: Az acélok zilárdági, alakváltozái é zívóági tulajdonágai az EN é 3 zrint Acél R m R (MPa) A 5 KV (J) KV (J) t (mm) vatagág zrint % (hozirányban) (krztirányban) (MPa) C -40 C -30 C -40 C S355NL S420NL S460NL S355ML S420ML S460ML

4 Az acél EN zrint zavatolt zívóága nm kilégítő. Némly lm mnnyiég, amlyk a hgzthtőégét bfolyáolják, nagyon ok, úgyzintén a CEV zén kvivaln i. Az limrt acélművk zállítanak acéllmzkt é gyéb gyártmányokat lőnyöbb vgyi öztétlll é zilárdági tulajdonágokkal i. Az acélokkal zmbni lőírt kövtlménykt tapaztalataink alapján határozzuk mg, konkrétan a vgyi öztétlt é a zilárdági tulajdonágokat, főlg az ütőzívóág értékéről kll az acélgyártó céggl mggyzni. Az acél mgkövtlt tulajdonágai A jó hgzthtőég é a zükég zívóág biztonágo lérééhz az EN zrinti vgyi öztétl lőíráát kll btartani a 4. táblázati értékhatárok mllt: 4. táblázat: Az acél vgyi öztétlér lőít értékhatárok (tömg%) Acél EN C Nb Nb+V+Ti CEV CEV % % % t 25 mm t=26-50 mm S355NL EN ,17 0,05 0,12 0,41 0,43 S420NL EN ,19 0,05 0,12 0,43 0,45 S460NL EN ,19 0,05 0,12 0,44 0,46 S355ML EN ,14 0,05 0,12 0,38 0,41 S420ML EN ,16 0,05 0,12 0,41 0,43 S460ML EN ,16 0,05 0,12 0,42 0,44 Kéntartalom S < 0,010 %, fozfortartalom P < 0,020 %. A zrkzti acélok alapvtő zilárdági jllmzői fljnk mg az EN é -3 kövtlmányink az alábbiak zrint: a) A ténylg adatok (nm a zabvány) zrinti folyáhatár/zakítózilárdág arány: R /R m < 0,85; b) A hg-acélanyag mgkövtlt zívóága, a K CJ ( MPa m) töréi zívóág é a KV (J) ütőmunka értékit a T S vizgálati hőmérékltn (átlago érték / gy minimum) az 5. táblázatban foglaltuk öz. 5. táblázat: A KV (J) ütőmunka é a K CJ ( MPa m) töréi zívóág mgkövtlt értéki Acél S355 S420 S460 A lmz T Acél: KV (J) Hganyag* S, Hoziránybairányban (J) T Krzt- KV K CJ ; MPa m vatagága, C mm = -30 C-on t O/30 27/21 40/ /45 45/34 55/ t /38 40/30 47/ /45 45/34 55/ t /45 45/34 50/ /50 50/35 70/50 150

5 *) K CJ vagy K 0,2 a T S hőmérékltn a nmzti zabvány vagy az ASTM E , ASTM E zrint. Lgalább 6 db próbattt kll vizgálni, a zámított értékt az adatok 90%- o valózínűégéhz rndlv kll mghatározni. c) A vatagág irányában igénybvtt lmzkr (fnnáll a lamllári károodá vzély): A zakadái kontrakció lőírt érték az EN zrint: Z Z > 35 % é mlltt az ütőmunkájuk az EN zrint: KV Z 40/30 J T S = -20 C-on (5) Az acélgyártmányok vizgálatairól zóló dokumntumok tartalmát az EURONORM 168 (1998) írja lő. Az lőmlgíté hőméréklténk mgállapítáa a hgzténél Az lőmlgíté hőméréklt a hgzténél az EN , C3. Mlléklt zrint finom zmcé, gyngén ötvözött acélokra ltt mghatározva. A kizámított T p értékk llnőrzöttk. A zén-kvivalnk CE (mggyznk a CEV-vl) é a CET a kövtkző özfüggékkl adottak: Mn Cr + Mo + V CE = C Ni + Cu + 15 Mn + Mo Cr + Cu Ni CET = C A CE é CET zén-kvivalnk külömböznk gymától, nm lht őkt átzámítani (zükég imrni az acél valódi vgyi öztétlét). Az lőmlgíté hőméréklt a kövtkző özfüggél határozható mg: T p = 697. (CET) tgh (t/35) (HD) 0,35 + [53. (CET) 32]. Q 328 (8) ahol t (mm) a hgzttt rézk vatagága Q (kj/mm) a hgzté hőbvitl HD a hganyg hidrogéntartalma (ml/100 g hganyag) 6. táblázat. Az lőmlgíté hőméréklténk kizámított értéki, T p ( C) hgzténél (6) (7) Q KJ/mm 1,20 2,0 2,05 CET Karaktriztiku vatagág, t (mm) % , , , , , , , , ,

6 Kövtlményk a hgztél zmbn Hganyagok A hganyagot a mgkövtlt folyáhatára, zívóága é diffúzió kép hidrogéntartalma alapján kll kiválaztani. A hganyag folyáhatára é zakítózilárdága nm lht az acélénál zámott tvőn nagyobb. A hganyag lht nagyobb: ahol w R, w R folyáhatára az acélanyagénál ( R ) lgfljbb 100 MPa-lal w R = R + (1 ~ 100) MPa (9) R = (0,9 ~ 1,2) w m w R m, R, R m R m az anyagok ténylg jllmzői, nm pdig a zavatolt értékk. A hganyag mgkövtlt zívóágának mgállapítáánál a 5. táblázatban lévő adatok a mérvadók. A diffúzió kép hidrogéntartalom bfolyáolja a hganyag tulajdonágait valamint az lőmlgíté hőmérékltét a hgzténél. Ezért a hgztéhz cak olyan hganyagok haználhatók, amlyknk a diffúzió kép hidrogéntartalma garantált. 7. táblázat: Az S355 é S420 acélokhoz javaolt hganyagok típuai A hgzté módja Szabvány t < 25 mm t = mm MAW 111 EN 499 E42 3B H10 E 42 5B H10 SAW 121 EN 756 S42 3A B S2 S42 5AB S2 MAG 135 EN 440 G42 3M G3 Si1 G42 5M G3 Si1 MAGT 136 EN 758 T42 3 1Ni PM1 T42 5 1Ni PM1 A hgztér vonatkozó kövtlményk a) Az acélzrkzt gyártója mg kll flljn az EN kövtlményink, jogoítvánnyal kll rndlkzni a mgfllő nmzti hatóágtól é tljítni kll az EN 719 kövtlményit. Hgztni az adott hgztéi ljáráal cak az EN zrint érvény vizgákkal bíró zakmbrknk zabad. Az EN é az EN ISO zrint mgadott hgztéi ljáráokat (WPS) vizgálatokkal kll llnőrízni, minőítni é jgyzőkönyvzni (WPQR) az EN é az EN ISO zrint. b) A mdrhíd acélzrkzt gyártóinak b kll tartaniuk a mghatározott hgztéi hőrzimt: lőmlgíté, hőbvitl, varratközi hőméréklt, utóhőkzlé. A gyártóknak garantálni kll a hganyag mgkövtlt tulajdonágait: a rlatív folyáhatárt a (9) zrint, zívóágot: KV (J) é K CJ ( MPa m ) az 5. táblázat zrint. Vitatott tkbn a K CJ töréi zívóág dönt. c) A hgzté lkzdé lőtt a gyártóknak l kll végzniük mindn alkalmazott hgztéi ljáráal é jllmző anyagvatagággal (pl. t = mm).

7 kézíttt hgzttt köték próbatztjit (MAW 111, SAW 121, MAG 135, MAGT 136). A kövtkző vizgálatokat é lmzékt kll lvégzni: - Az acél é a hganyag vgyi lmzé, - A hgzttt köté makrotruktúrájának vizgálata, - A hgzttt köté kményégénk vizgálata, HV 10, - A hgzttt köté zakítóvizgálata az EN 895 é a hganyag vizgálata az EN 876 zrint, - Az acél, a hganyag é hgzté átmnti zónájáank ütő-hajlító vizgálata, a KV mghatározáa az E 875 zrint -30 C-on, - Töréi zívóág, K CJ vagy K 0,2 mghatározáa a tlj anyagvatagágú mintákkal -30 C-on. A hgzttt köték mgállapított jllmzőit archiválják, hogy flhaználhatók lgynk a zrkzt kzdti é időzako vizgálatakor fltárt anyaghiányok vzélyégénk a mgítéléér a mgfllőég az üzmbn tartára módzrrl a híd élttartalma folyamán. d) Az acélzrkzt gyártóinak lhtővé kll tnni a bruházónak vagy az általa mgbízott zrvztnk a hgzté minőégénk llnőrzéét a gyártá é a zrlé mindn zakazában. Az llnőrök kéréér a hgzttt kötéből próbattt kll kézítniük az NDT é mchanikai vizgálatokhoz. ) A hibá hgzték kijavítáára külön hgztéi tchnológiát WPS kll kidolgozni. Roncolámnt varratvizgálat A hgzttt köték mgkövtlt minőégét az EN 25817, B minőégi fokozata zrint llnőrzik. A vizgálat trjdlmét é módját a trvző határozza mg a tatiku é fáradái igénybvétl figylmbvétlévl. A roncolámnt vizgálatokat (NDT) a mgfllő EN zabványok zrint kll lvégzni (lád a 8. táblázatot). 8. táblázat. A varratok roncolámnt vizgálata é a mgkövtlt minőég zintj A vizgálat módzr A vizgálat módja Jllmző A minőég zintj Szmrvétlzé (VT) EN EN B Rádiografiai (RT) EN 1435 tr. B EN EN ú.2 Ultrahango (UT) EN 1714 tr. B EN1713 EN 1712-ú.2 Pntráció (PT) EN EN 1289 EN 1289-ú.1 Mágnzhtő poro (MT) EN 1290 EN 1291 EN 1291-ú.1 Különö figylmt kll zntlni a hgzttt köté alakhibáinak: a túl maga varratdomborulatra (az ISO é 503 z.), amlynk a mrdkég (505) α 120 kll lgyn. A roncolámnt vizgálatokat cak a mgfllő vizgálatra érvény vizgákkal rndlkző zakmbrk végzhtik.

8 A hgzttt köték vizgálata a mdrhíd gyártáakor Tkintttl a hgztéi munkák nagy trjdlmér é a mdrhíd acélzrkzt gyártáának időigényér, a zrkzt gyártáa közbn i zükég a hgzté minőégét é a hgzttt köték mgkívánt tulajdonágait llnőrizni é igazolni. A gyártá közbni vizgálatok trjdlm kötődik a gyártá lötti vizgálat programjához, a híd tndr dokumntációjához. A varratok próbamintáit a zrkzt ténylg varratainak a folytatáából klln kivnni. Ha z nm lhtég, akkor a próbahgzté lmzi lgynk kllőn nagyok, hogy modllzzék a hgzté való hőlvztéi vizonyait. A gyártáközi vizgálatok trjdlménél figylmb kll vnni az időtényzőt (pl. 3 hónaponként), úgyzintén az lkézíttt varratok hozát (pl m). Javaolható a zrkzti acél lmzanyag vatagág irányú tulajdonágainak a vizgálata i. Általáno kövtlményk a zrkzt rézgyégink trvzééhz A fáradáo károodá é zt kövtőn a ridg töré vzélyénk cökknté érdkébn különö figylmt kll fordítani az alapvtő zrkzti rézk mgtrvzéér. A fő alaplvk a kövtkzők: a) Előnyb kll rézítni a kétoldali tompavarratok haználatát a má típuú kötékkl zmbn. b) Az gyoldali köté alkalmazáának zükég tén n haználjunk acél alátét kötékt; alátét nélküli kötét kll alkalmazni, a varrat gyökét ki kll közörülni é varrattal fltöltni. c) T köté tébn az áthgzttt gyökkl kézült K varratot kll lőnyb rézítni a arokvarratok hlytt. A arokvarratokat a mrvítőbordák hozzáhgztééhz haználjuk. d) A tompa varratokat a grnicktől é mrvítőbordáktól mgfllő távolágban úgy kll lhlyzni, hogy a roncolámnt vizgálatokat l lhn végzni (blértv az ultrahango vizgálatot i). ) Krztköték tébn a jobban igénybvtt lmzk maradjanak gybn, a kvébé trhltkt kll hozzáhgztni. f) Krülni kll a mrv comópontokat, mrt kdvznk a varratrpdék é a lamllári flzakadáok kltkzéénk. g) Három gymára mrőlg lmz kapcolatánál a mrvítők arkait ki kll vágni, a lkrkíté ugara r (25 mm + lmzvatagág), lád az EN Hgzté. Alapvtő kötéi módok az acélok hgztéénél 2. réz: Acélzrkztk. A mdrhíd próbatrhlé A mdrhíd acélzrkzténk próbatrhlékor az acéllmk hőméréklt nm lht +10 C-nál kibb hőmérékltű. Hivatkozáok [1] Hobbachr, A. (1996): Rcommndation for fatiqu dign of wldd joint and componnt. IIW Doc. XIII /XV

9 [2] Bgly, J. A. Land, J. D. (1972): Th J-intgral a a fractur critrion, ASTM STP 514, [3] Burdkin, F. M. (1992): Propoal for collaborativ programm for matrial lction for wldd tructural tlwork. IIW Doc. X [4] BS Stl, concrt and compoit bridg. Spcification for matrial and workmanhip. Stl. [5] Sailor, R. H. Cortn, H. T. (1973): Rlationhip btwn matria fractur tughn uing fractur mchanic and tranition tmpratur tt, ASTM STP 514, 164. [6] Kálna, K. Hamák, I. (1999): A S420 é S460 acélok hgzttt kötéink ridgtöré jllmzöi (zlovák) Zvárani Svařování, 48, 3, 56.