Laboratórne experimenty potrubí s lokálnymi deformáciami a skúšky prírubových rúrkových spojov

• Foto

Nebezpečenstvo prevádzkovania potrubia s lokálnou deformáciou spočíva v tom, že sú tu sústredené oveľa vyššie hodnoty napätí ako v nedeformovanom potrubí. Navyše, niektoré imperfekcie sú zhoršené spojením s koróznou vadou alebo zvarom. K reálnej konštrukcii boli zvolené adekvátne zmenšeniny, ktoré boli experimentálne overené pri rôznych stavoch zaťaženia.

Druhým okruhom bolo experimentálne overenie modelov prírubových spojov rúr, ktoré sa využívajú napríklad v telekomunikáciach ako súčasť stožiarov. Bolo vyrobených niekoľko typov vzoriek, ktoré boli podrobené zaťažovaniu a meraniu.

SKÚŠKY POTRUBÍ S LOKÁLNYMI DEFORMÁCIAMI
Porucha na potrubí je stála plastická deformácia kruhového priečneho rezu potrubia. Hĺbka poruchy je definovaná ako maximálna redukcia priemeru potrubia k pôvodnému priemeru. Táto definícia poruchy zahŕňa lokálne vruby a akékoľvek zmeny od nominálneho kruhového priečneho rezu (ovalita, etc.).

Kaz na potrubí spôsobuje lokálne koncentrácie napätí a namáhania a lokálnu redukciu priemeru rúry. Hĺbka kazu je najpodstatnejší parameter ovplyvňujúci odolnosť na roztrhnutie a na únavovú odolnosť rúry. Profil kazu nie je podstatný parameter ak porucha je plochá/hladká.

Na overenie teoretických modelov a overenie vplyvu prevalenín na potrubí na ich spoľahlivosť, boli vyrobené zmenšené vzorky potrubia z nerezového plechu. Vzorky sú z rúr profilu 273 × 3 mm a na koncoch sú zablendované plechom hrúbky 6 mm. Každá vzorka je opatrená armatúrou pre napojenie kompresoru na stlačený vzduch.

POSTUP LABORATÓRNEHO EXPERIMENTU
Vzorky boli zaťažované v oceľovom ráme (obr. 1). ktorý pozostáva z dvojice vodiacich koľajníc z profilu U300. Tieto dve koľajnice sú na koncoch spojené pomocou zvarenca z plechu hrúbky 20 mm. V ráme sa nachádza pohyblivý priečnik, ktorý je taktiež zvarený z plechov hr. 20 mm. Vzorka sa upla medzi pevnú a pohyblivú časť rámu. Pomocou hydraulického lisu sa vo vzorke vyvodila osová tlaková sila približne 320 kN. Následne sa vo vzorke vyvodil vnútorný tlak 1 MPa pomocou vzduchového kompresoru. Prostredníctvom bočného hydraulického lisu sa vyvodil ohybový moment v strede rozpätia. Tenzometricky sa sledovali napätia na povrchu vzorky a jej deformácie vo zvislom a vodorovnom smere. Pre vzorky s prevaleninou sa sledovala aj zmena tejto deformácie. Pre každý typ vzorky boli zrealizované tri série meraní.

Po osadení neporušenej vzorke prebehla séria meraní a vyhodnotila sa napätosť. Vzorka bola zaťažená osovou silou 325 kN a vnútorným tlakom vzduchu 1 MPa. Potom sa pristúpilo k meraniam na porušenej vzorke viazaným hladký, kaz rozmerov cca. 60 × 50 mm a hĺbky 8 mm v polohe 11 h.

Na základe vykonaných prehliadok, laboratorného experimentu a numerických štúdií odporúčame pre prevádzkované potrubia kvality X60 a X70:

• Pri hladkých viazaných prevaleninách s hĺbkou do 1× hrúbka potrubia vykonať vizuálnu kontrolu.
• Pri hladkých viazaných prevaleninách s hĺbkou od 1× hrúbka potrubia do 3× hrúbka potrubia pri meraní, keď potrubie leží na kameni, vykonať vizuálnu kontrolu a magnetickú práškovú metódu.
• Pri hladkých viazaných prevaleninách s hĺbkou od 1× hrúbka potrubia do 2,25× hrúbka potrubia pri meraní, keď kamenná podpora bola odstránená, vykonať vizuálnu kontrolu a magnetickú práškovú metódu.
• Pri hladkých viazaných prevaleninách s hĺbkou nad hore uvedené hodnoty zatlačenia potrubia vykonať vizuálnu kontrolu a magnetickú práškovú metódu aj ultrazvuk.
• V prípade, že kazy zasahujú zvary je potrebné vykonať vizuálnu kontrolu a magnetickú práškovú metódu aj ultrazvuk.
• V prípade zistenia aj minimálnych trhlín je treba vymeniť poškodené časti.

SKÚŠKY PRÍRUBOVÝCH SPOJOV
Prírubové spoje sú najrozšírenejším typom spoja na spájanie montážnych rúrových prvkov a dielov. Najstarším typom prírubového spoja je spoj plnými prírubami bez výstuh. Rozvoj technológií a požiadavky na znižovanie ceny a hmotnosti konštrukcií si vyžiadali používanie iných typov prírub.

Požiadavka na aplikáciu protikoróznej ochrany pozinkovaním ponorom na vnútorný povrch rúrového prvku si vyžiadala zavedenie prstencových prírub. Požiadavky na znižovanie hmotnosti konštrukcie si zase vyžiadalo zavedenie prírub z výstuhami. Vypaľovanie príruby a otvorov pre skrutky plazmovými prístrojmi vznáša požiadavku realizácie všetkých potrebných úkonov na jeden zápal. To znamená vytvorenie príruby s delenou vonkajšou časťou. Pod pojmom vonkajšia časť príruby je myslená časť medzi kružnicou vedenou okrajom príruby a kružnicou vedenou stredom otvorov pre skrutky.

V normách zaoberajúcich sa návrhom prírubových spojov nie je jednoznačne uvedené či uvedené vzorce platia iba pre návrh plných prírub bez výstuh, alebo ich možno použiť aj pre návrh prstencových prírub bez výstuh.

EXPERIMENTÁLNE OVERENIE PRÍRUB
Experimentálne overenie prírub sa realizovalo na modeloch oceľových prírub priemeru ∅ 150 mm resp. ∅ 180 mm, v triedach materiálu S 235 a S 355. Prípoj príruby predstavovalo šesť skrutiek M 10 mm v kvalite 8.8. Overovala sa odolnosť voči osovej ťahovej sile vyvodenej skúšobným lisom. Vypočítaná sila potrebná na roztrhnutie skrutkového spoja bola 278,40 kN.

Overované vzorky boli navrhnuté tak, že základným nosným prvkom pre upevnenie skúšobných vzoriek prírub bola oceľová rúra CHS ∅ 70 × 6 mm dĺžky 180 mm z materiálu triedy S 355. Na hornom konci tejto rúry bola privarená matica M 42 pevnostnej triedy 5.6., ktorá slúžila na upevnenie overovanej vzorky na horné tiahlo upínacieho zariadenia. Na dolnom konci nosnej rúry bola privarená príslušná overovaná príruba.

Na pripojenie skúšobných vzoriek do upínacieho zariadenia bol navrhnutý skrutkový spoj so šiestimi skrutkami M 10 triedy 8.8. Vypočítaná odolnosť takéhoto skrutkového spoja proti ťahu bola F_t,Rd = 200,45 kN. Vypočítaná minimálna sila potrebná na pretrhnutie skrutkového spoja bola F_t,min,ub = 278,40 kN.

Pri trhacích skúškach sa však vyskytol dosť závažný problém. Pri skrutkových spojoch s jednou maticou na skrutke miesto toho, aby sa pretrhol driek skrutky, sa sťahovali matice zo závitu pri silách menších ako pri silách potrebných na pretrhnutie skrutkového spoja.

Napr. pri modely príruby označenej ako vzorka 11 na skrutkovom spoji s jednou maticou na skrutke nastalo poškodenie (začiatok sťahovania závitu) pri ťahovej sile F_t,min,ub,11 = 233,50 kN. Priebeh trhacej skúšky je zobrazený na obrázku 9 a 10.

Pri tej istej vzorke na skrutkovom spoji s dvomi maticami na skrutke nastalo poškodenie pri ťahovej sile F_t,min,11 = 323,00 kN. Priebeh trhacej skúšky je zobrazený na obrázku 11 a 12. 

Skrutkový spoj zo vzorky 11 s dvomi maticami na skrutke dosahuje potrebnú odolnosť proti ťahu. Pridaním druhej matice na skrutku sa zvýšila únosnosť spoja o 38,30 %.

Pri dynamicky namáhaných konštrukciách sťahovaním závitu zo skrutiek vznikajú aj ďalšie problémy. Pri stožiaroch je vo väčšine prípadoch rozhodujúcim zaťažením zaťaženie vetrom. Pri nárazovom vetre, pri poryve dosahujúcom rýchlosť na hranici únosnosti stožiara by mohlo nastať čiastočné stiahnutie závitu cca 2 – 3 mm. Na drieku skrutky by sa tak poškodila protikorózna ochrana, v mieste kde je len veľmi ťažké kontrolovať priebeh korózneho procesu. Ďalej by sa na drieku skrutky vytvoril vrub, čím by sa znížila odolnosť konštrukcie proti únave. Ďalším problémom je, že sa vytratí uťahovacia sila zo skrutiek a príruby jednotlivých montážnych dielov nebudú pevne spojené, ale vznikne možnosť kmitania medzi susednými montážnymi dielmi, čo ďalej zvyšuje únavové namáhanie v skrutkovom spoji.

Na základe získaných výsledkov bolo zistené, že existuje pomerne dobrá zhoda medzi výsledkami získanými z matematických modelov a výsledkami z experimentálneho overovania.

Závery možno zhrnúť do nasledovných bodov:

1. Pri experimentálnom overovaní s jednou maticou na skrutke, prichádzalo k sťahovaniu matice zo skrutky, preto by bolo vhodné v extrémnych podmienkach (na Slovensku vysokohorské podmienky nad 1 500 m zemepisnej výšky) používať v prírubovom spoji dve matice na skrutku.
2. Vzorce použite v jednotlivých normách s väčšou či menšou presnosťou platia pre návrh plných prírub bez výstuh. Pri prstencových prírubách bez výstuh vznikajú väčšie deformácie, ktoré zvyšujú páčenie skrutiek.
3. Rozšírenie vonkajšej časti príruby alebo delenie vonkajšej časti príruby má vplyv na deformáciu príruby, nemá zásadný vplyv na únosnosť príruby.
4. Ako efektívne sa ukazujú prstencové príruby s výstuhami, ktoré umožňujú výrazné zníženie hrúbky príruby.

Uvedené závery naznačujú akým smerom by sa mali uberať zmeny a doplnenia v existujúcich normách zaoberajúce sa touto problematikou pri vytvorení postupov pre inžiniersku a projekčnú prax.

Laboratory Experiments of a Piping with Local Deformations and Tests of Flange Tube Joints
At gas-pipelines are identified hundreds of local deformations – shaped imperfections that were identified by internal inspections. Risk operation of pipe with local deformation is that, that there are much higher concentrated stress than in the non-deformed pipe. In addition, some imperfections are worse combining with corrosive defects or longitudinal weld. Second part of this paper is about expermental verification of flange joints.

Autoři

• prof. Ing. Brodnianský Ján PhD.
• Ing. Magura Martin PhD.
• Ing. Recký Jozef PhD. Eur. Ing.