Wybrane aspekty badań szczelności (LT) spawanych kotłów

Technologie |
Spawanie
Wybrane aspekty badań szczelności (LT)
spawanych kotłów grzewczych
w fazie ich produkcji
Bardzo istotnym zagadnieniem w procesie produkcyjnym kotłów centralnego ogrzewania jest ich szczelność.
Produkcja kotłów jest oparta w dużej mierze na procesach spawalniczych (cięcie termiczne, spawanie).
W zdecydowanej większości firm produkcyjnych stosuje się proces spawania metodą MAG (135), choć
istnieją jeszcze zakłady (najczęściej niewielkie), które preferują metodę spawania łukowego ręcznego
elektrodami otulonymi (111).
Jan Plewniak, Paweł Wilk
N
ormy PN-EN 288 (już wycofane) i ich zmodyfikowane
wersje PN-EN ISO 15614, określiły, że procesy spawalnicze są procesami specjalnymi, co oznacza, że wymagają stosowania [1]:
●● udokumentowanych procedur określających sposób
spawania;
●● odpowiedniego wyposażenia do spawania, wraz z zapewnieniem właściwego stanowiska pracy;
●● monitorowania i nadzorowania procesów spawania;
●● zatwierdzenia sposobu spawania i wyposażenia;
●● właściwej obsługi urządzeń poprzez zweryfikowanych
spawaczy, którzy zapewniają poprawność procesu.
Kontrola przed, w trakcie i po spawaniu (PN-EN ISO 38343) jest nieodzowna aby zapewnić prawidłowość wykonanych
złączy. Zwykle mając na myśli kontrolę, kojarzymy ją z badaniami szczelności gotowego wyrobu czyli z końcową fazą produkcji.
Kompleksowa kontrola dotyczyć może materiałów podstawowych i dodatkowych zastosowanych do produkcji, przygotowania elementów (odtłuszczenie, przeszlifowanie, ukosowanie, sczepianie), sprawdzenie aktualnych uprawnień spawaczy, nadzoru
nad procesem spawania łącznie z korygowaniem parametrów
i prawidłowością zatwierdzanych WPS-ów [2]. Spełnienie tych
warunków pozwala mieć gwarancję na wyprodukowanie kotła
o wysokich parametrach jakościowych.
Kontrola po spawaniu najczęściej opiera się na badaniach
nieniszczących. Podstawowym badaniem, któremu należy
poddać 100% spoin jest badanie wizualne VT. Badanie to
52
polega na oględzinach powstałych złączy spawanych w celu
wykrycia ewentualnych niezgodności spawalniczych. Dzięki badaniom wizualnym można m.in. wykryć miejsca gdzie
występują znaczne podtopienia i przeprowadzić naprawę, aby
nie następowało pocienienie ścianek kotła. Jest to ważny parametr, ponieważ miejsce, w którym występuje zmniejszenie
grubości ścianki, może być w przyszłości (w trakcie eksploatacji urządzenia) najbardziej narażone na rozszczelnienie.
Podczas prac spawalniczych przy produkcji kotłów można
spotkać się z większością niezgodności opisanych w normie
PN- EN ISO 6520-1 [3]. Badanie wizualne stwarza również
możliwość ewentualnego wykrycia i naprawy spoin, w których występuje porowatość. Doświadczony spawacz po samym wyglądzie lica może wstępnie określić miejsce takiej niezgodności. Jest to o tyle istotne, że podczas prób szczelności,
w przypadku występowania gniazd pęcherzy, łańcuchów czy
pęcherzy kanalikowych, może się okazać, iż w danym miejscu
znajduje się nieszczelność. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe niezgodności spawalnicze.
Najczęściej wykonywane próby szczelności kotłów grzewczych to:
●● próba szczelności naftą i kredą
●● próba szczelności kredą i penetrantem
●● próba szczelności wywoływaczem i penetrantem
●● próba pneumatyczna i pęcherzykowa
●● próba hydrauliczna
Trzy pierwsze wymienione próby dotyczą głównie kontroli
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Technologie
Spawanie
szczelności spoin po spawaniu wewnętrznego płaszcza. Jest to
jeden z najistotniejszych elementów kotła, który jest narażony na działanie nie tylko wysokich temperatur, toksycznych
i żrących produktów spalania, złej jakości paliwa ale także
m.in. na zawartość wilgoci w spalanym paliwie i siarki, której
tlenki mają bardzo negatywny wpływ na elementy kotła. Dodatkowo, od zewnątrz płaszcz wewnętrzny jest „atakowany”
przez powracającą z układu wychłodzoną wodę. Taka sytuacja, gdzie z jednej strony w palenisku znajduje się pewna ilość
żaru, a z drugiej, schłodzona woda uderza w nagrzane miejsca, stwarza możliwość do tworzenia się ognisk korozji.
Należy zaznaczyć, że wszystkie wymienione badania jak
i czynności pomocnicze powinny być realizowane zgodnie
z obowiązującymi przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy
w połączeniu ze zdrowym rozsądkiem.
Próba nafty z kredą jest jedną z najczęściej stosowanych
prób szczelności. Polega na pomalowaniu (pokryciu powierzchni) spoin (najczęściej od strony lica) mieszaniną kredy
z wodą (czasem z dodatkiem rozpuszczalników, w celu zapewnienia szybkiego schnięcia), a następnie nałożeniu z przeciwnej strony nafty. Okazuje się, że najlepsze efekty penetracji
otrzymuje się dzięki zastosowaniu nagrzanej nafty. Doświadczalnie można stwierdzić, że optymalna temperatura nafty
do próby to przedział 30-50 °C. Ciepła nafta ma polepszone
własności jeśli chodzi o lejność, co w połączeniu ze zjawiskiem
włoskowatości (kapilarności) daje bardzo dobre efekty. Bardzo często aby wzmocnić wskazania na kredzie zabarwia się
naftę np. penetrantem barwnym, dzięki czemu miejsca ewentualnych nieszczelności są lepiej widoczne.
Próba szczelności kredą i penetrantem jest podobnie przeprowadzana jak próba nafty z kredą. Oczywiście różnica polega na tym, że penetrantu się nie podgrzewa. Temperatura
powierzchni badanej nie powinna przekraczać zakresu 10-50
°C [4].
Nakładanie penetrantu na elementy o wyższej temperaturze jest niewskazane i najczęściej kończy się tym, iż penetrant
wyschnie nim zdąży spenetrować daną spoinę.
W niektórych zakładach zamiast kredy stosuje się mieszaninę wapna z wodą lub wywoływacze stosowane przy próbach
penetracyjnych. Wapno ma podobne właściwości, przez co
bez przeszkód może być stosowane w tego rodzaju badaniach.
Z kolei stosowanie wywoływacza jest kosztowne i z racji tego
jest sporadycznie realizowane.
Kredę na kotle najczęściej rozprowadza się za pomocą
pędzla. Należy tutaj pamiętać o tym aby spoiny, jak i obszar
przy nich, były wolne od zanieczyszczeń i tłuszczów. Warto
a
b
c
przyklejenie
nieszczelność
d
podtopienie
nieregularna szerokość lica
e
Rys. 1 Niezgodności spawalnicze; a) por, b) pęcherz gazowy, c) łańcuch pęcherzy,
d) przyklejenie wraz z nieszczelnością, e) podtopienie i nieregularna szerokość lica spoiny;
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
53
Technologie |
Spawanie
aby przed nakładaniem kredy oczyścić kocioł sprężonym
powietrzem, w celu usunięcia z niego drobnego, luźnego
pyłu. Spawacze stosujący pasty lub spraye przeciwodpryskowe powinni zwrócić uwagę aby tak manewrować uchwytem
spawalniczym po oczyszczeniu go i nałożeniu ww. preparatów, ażeby nic nie przedostało się w okolice spoiny. W takim
przypadku smarowanie kredą jest znacznie utrudnione z racji
braku przyczepności do zatłuszczonej powierzchni. Ważnym
aspektem jest również odpowiednie wymieszanie mieszanki
kredy (wapna) z wodą i w miarę możliwości równomierne jej
rozprowadzenie.
Występowanie na powierzchni spoin dużych grudek lub
znacznej grubości „wywoływacza”, może spowodować, iż
nafta i penetrant nie zawsze przedostaną się na powierzchnię
kredy – np. w przypadku rozprowadzenia zbyt małej ilości
czynnika penetrującego.
Nakładanie penetrantu podczas prób szczelności bardzo
często jest utrudnione z racji różnych konstrukcji wymienników ciepła (Rys. 2). Konstruktorzy kotłów muszą pamiętać
aby dane urządzenie spełniało swoją rolę i miało jak najwyższą
sprawność, a jednocześnie aby konstrukcja była technologiczna, co znacząco ułatwia produkcję, a ponadto spełnia przyjęte
kryteria jeśli chodzi o projektowanie i budowę wymienników
CO. Późniejsze sprawdzenie szczelności, badanie wizualne
złączy spawanych i ewentualne stwierdzenie nieszczelności
czy występowanie niezgodności spawalniczych dadzą możliwość naprawy kotła.
Do rozprowadzania nafty bądź penetrantu najczęściej stosuje się pędzel i natrysk w postaci sprayu. W celu dokładnego umieszczenia czynnika we wszystkich miejscach można
zastosować pędzel na przedłużeniu, który doskonale penetruje najgłębiej oddalone miejsca gdzie nie można sięgnąć
ręką. Przydatnym sprzętem może być również opryskiwacz
odpowiednio przystosowany do warunków pracy (Rys. 3).
Przedłużona lanca wraz z dyszą o odpowiedniej średnicy pozwala na dotarcie nafty we wszystkie miejsca. Przy rozprowadzaniu penetrantu należy zachować dużą ostrożność aby nie
ochlapać spoin pomalowanych kredą (znajdujących się na zewnątrz). W przypadku pominięcia tego faktu kontroler może
mieć później problem z interpretacją danego wskazania.
Czas penetracji jest uwarunkowany grubością złączy i zastosowanych środków do badania. W przypadku nafty próba
powinna trwać dwie godziny, w przypadku penetrantu barw-
Rys. 3 Opryskiwacz mający
szerokie zastosowanie
podczas prób penetracyjnych
nego dla blach o grubości <6 mm czas wywoływania wynosi około jednej godziny. Przy większych grubościach należy
oczywiście zwiększyć czas [4].
Najczęściej stosuje się dwie metody badań związanych
z usytuowaniem kotła. Pierwsza metoda to badanie wymiennika w pozycji stojącej (Rys. 4).
Druga metoda jest bardziej pracochłonna i polega na obracaniu kotła o 90° (na boki) po upływie określonego czasu
penetracji. Zwolennicy tej metody uważają, iż wówczas penetrant w 100% rozlewa się we wszystkie miejsca, które należy
sprawdzić. Wadą natomiast jest dłuższy czas trwania próby
i duża skłonność do wyciekania penetrantu przez ramki furtek lub otwory wyczystek.
Kontrola szczelności polega na dokładnych oględzinach
i poszukiwaniu nawet najmniejszych wskazań mogących
świadczyć o nieszczelności (Rys. 5).
Bardzo ważnym czynnikiem mogącym przyspieszyć tok
produkcji jest wzajemna kontrola. Zdarzają się zakłady, w których osoba sczepiająca płaszcz zewnętrzny na kotle, weryfikuje dodatkowo wszystkie spoiny szukając ewentualnych
pominięć ze strony kontroli, która sprawdzała wskazania nieszczelności na płaszczu wewnętrznym. Trwa to stosunkowo
krótko, a może zaoszczędzić wiele pracy w przypadku znajdującej się tam nieszczelności (uwidoczni się ona na próbie
Rys. 2 Różne konstrukcje kotłów; a) zasypowy, b) płomieniówkowy z podajnikiem, c) kocioł z opłonkami
i podajnikiem. Miejsca utrudnione do sprawdzenia oznaczono strzałkami. źródło: www.logiterm.pl
54
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Technologie
Spawanie
Rys. 4 Kocioł po badaniu penetracyjnym
wykonywanym w pozycji stojącej
hydraulicznej). Ewentualna naprawa musi być poprzedzona
zarówno oczyszczeniem spoiny z kredy czy pozostałości
czynnika penetrującego, jak i bardzo dokładnym wyszlifowaniem czy wycięciem spoiny. Naprawione miejsca powinno się
zbadać powtórnie ww. metodą.
Nie należy naprawiać spoiny z pominięciem jej oczyszczenia i wyszlifowania. Jest to niezgodne ze sztuką spawalniczą.
Pospawanie płaszcza zewnętrznego daje możliwość przystąpienia do dalszych etapów kontroli kotłów CO poprzez
próby ciśnieniowe. Stanowisko do takich prób zostało przedstawione na rysunku 6.
a
Oczywiście przed przeprowadzeniem próby należy odczekać aż pospawany wymiennik ciepła ostygnie. Następnym
krokiem jest zaślepienie wszystkich otworów prowadzących
do płaszcza wodnego. W standardowych kotłach różnego rodzaju muf spawalnych służących do zainstalowania miarkownika ciągu, termomanometru, kranika spustowego, a również
przewodów (rur) zasilających instalację i rur wody powracającej jest około ośmiu. Przygotowując kocioł do prób ciśnieniowych należy zwrócić uwagę na kilka kwestii. Korki i kraniki
(służące do zaślepienia, napełniania i opróżniania wymiennika) powinny być szczelnie wkręcone aby zapobiec zmniejszeniu ciśnienia w układzie. Ważne jest również, aby w miarę
możliwości kranik do napełniania wody (przy próbie hydraulicznej) był usytuowany jak najwyżej, dzięki czemu czynnik
wypełniający kocioł wpływa bez oporów i dużo szybciej niż
gdyby był usytuowany na spodzie kotła. Należy także zwrócić
uwagę, aby istniała możliwość odpowietrzenia układu czyli
tzw. przelew, który też powinien znajdować się jak najwyżej,
a najlepiej na górze urządzenia grzewczego.
Jak wspomniano badaniom wizualnym trzeba poddać
100% spoin, również po pospawaniu płaszcza zewnętrznego,
dzięki czemu będzie można uniknąć ewentualnych napraw
po próbie szczelności.
Do próby pneumatycznej najczęściej stosuje się sprężone
powietrze z racji niskich kosztów. Próba ta musi być przeprowadzona bardzo ostrożnie, z zachowaniem przepisów
i wytycznych wewnątrzzakładowych. Podczas tego badania
może nastąpić rozszczelnienie kotła spowodowane np. przyklejeniem spoiny (efektem jest głośny huk). Ciśnienie występujące podczas próby to cztery bary; jest to wartość większa od
ciśnienia roboczego, dzięki której, można również sprawdzić
wytrzymałość konstrukcji. Pewien bufor jest niestety potrzebny, bowiem zdarzają się sytuacje zagotowania wody w kotle,
b
Rys. 5 Wskazania nieszczelności podczas badania penetracyjnego
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
55
Technologie |
Spawanie
Rys. 6 Stanowisko
prób ciśnieniowych
a) położenie
poszczególnych elementów
układu, b) widok na
kolektory ciśnieniowe;
kolektory
do prób
ciśnieniowych
zbiornik
pompa
silnik elektryczny
badane kotły
a
b
przez co wzrasta ciśnienie i może wystąpić rozerwanie wymiennika. Wiele zależy od wielkości kotła, ponieważ w urządzeniu grzewczym, które będzie ogrzewać czteropiętrowy
blok panuje dużo większe ciśnienie niż w takim do ogrzewania domu jednorodzinnego.
Próba pneumatyczna jest swego rodzaju próbą pęcherzykową. Korzystając z faktu, iż wymiennik jest wypełniony
sprężonym powietrzem, nanosi się na spoiny roztwór pianotwórczy czyli tzw. mydliny. Roztwór ten powinien charakteryzować się z jednej strony wysoką pianotwórczością, a z drugiej
możliwością swobodnego naniesienia go na badane spoiny,
w taki sposób, aby w trakcie smarowania nie wytwarzać
piany. Piana ta mogłaby niekorzystnie wpływać na przebieg
56
badania myląc kontrolera. Przykład nieszczelności wykrytych
tą metoda pokazano na rysunku 7. Próba pęcherzykowa jest
realizowana z reguły tylko na płaszczu zewnętrznym, z uwagi na łatwy dostęp do spoin. W sporadycznych przypadkach,
gdy nie ma możliwości zdiagnozowania miejsca przecieku
wody wewnątrz kotła (podczas próby hydraulicznej), istnieje
możliwość obrócenia go na bok, w którym występuje dana
nieszczelność, i przeprowadzenie badania za pomocą próby
pęcherzykowej.
W miejscach gdzie występują ewentualne nieszczelności zaczynają się pojawiać pęcherze powietrza. Czasem są to
maleńkie pęcherzyki, które narastają na siebie jeden na drugi tworząc całe skupisko łatwe do rozpoznania. W wyjątkowych przypadkach nieszczelność jest tak duża, że obniżenie
ciśnienia jest znaczne; wówczas nie tworzą się pęcherzyki.
Wielu pracowników wykonujących to badanie kontroluje
spoiny przykładając do nich zewnętrzną część dłoni w celu
wychwycenia strugi wylatującego czynnika roboczego. Punkt
lub miejsce, w którym zaobserwowano nieszczelność należy
zaznaczyć i opisać, aby ułatwić przeprowadzenie naprawy.
Podczas badania trzeba na bieżąco sprawdzać stan ciśnienia
w układzie. Nie można dopuścić do sytuacji, gdy po wykryciu
jednej dużej nieszczelności kontynuuje się badanie, ponieważ
obniżające się ciśnienie może nie być wystarczające do wykazania innych, mniejszych nieszczelności.
Kocioł jest wstępnie szczelny gdy nie pojawiają się pęcherzyki powietrza. Słowo „wstępnie” oznacza, że dokładna weryfikacja nastąpi podczas hydraulicznej próby ciśnieniowej.
Jak wiadomo woda ma dużo większą czułość niż sprężone
powietrze i rzadko, ale zdarza się, że pomimo nie wykrycia
nieszczelności próbą pęcherzykową, pojawi się ona podczas
sprawdzania wodą pod ciśnieniem.
Próba hydrauliczna polega z jednej strony na sprawdzeniu
wytrzymałości konstrukcji, a z drugiej daje możliwość dokładniejszej kontroli szczelności spoin (Rys. 8). Próba ta powinna być przeprowadzana przy ciśnieniu nie mniejszym niż
cztery bary i trwać 24 godziny [4, 5]. W tym przypadku należy bardzo dokładnie sprawdzać płaszcz zewnętrzny, a także
wnętrze wymiennika. W tym celu bardzo przydatne są różnego rodzaju lampy, lusterka, endoskopy itp. Po naprawie danej spoiny wymiennik powinien być poddany powtórnemu
badaniu, aby sprawdzić skuteczność naprawy.
Woda stosowana do prób hydraulicznych nie może mieć
niskiej temperatury. Podczas napełniania urządzenia grzewczego czynnikiem następuje skraplanie jej na ściankach kotła,
co może zmylić osobę kontrolującą.
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Technologie
Spawanie
Rys. 7 Ujawnione nieszczelności za pomocą próby pęcherzykowej
a) w spoinie otworowej, b) w spoinie czołowej;
spalania – zbyt niskie temperatury (źle dobrane parametry)
czy też palenie w kotle wilgotnym lub skrajnie mokrym paliwem.
Reasumując, kontrola obejmująca badania wizualne złączy spawanych przed, w trakcie i po spawaniu, a także
badania szczelności wyprodua
b
kowanych kotłów centralnego
Normy dotyczące produkcji kotłów grzewczych CO okre- ogrzewania jest bardzo istotna w całym procesie produkcyjślają ponadto, iż po wyprodukowaniu kotła (lecz przed uru- nym. Profesjonalne podejście do tych zagadnień niesie ze sobą
chomieniem produkcji kolejnych sztuk), wymiennik ten po- nie tylko oszczędności i zadowolenie klientów ale także znawinno podać się próbie wodnej o ciśnieniu sięgającym 2․p1 cząco wzmacnia dobre imię firmy produkcyjnej.
(gdzie p1 jest maksymalnym ciśnieniem roboczym) [6].
Ciekawym rozwiązaniem może być przeprowadzenie pródr inż. Jan Plewniak
by hydraulicznej z wykorzystaniem wody z dodatkiem lumiPol itech ni k a Cz ęstochowsk a
noforu. Luminofor jest stosunkowo tani, a jego zastosowanie
pozwala na wykrycie dużo mniejszych nieszczelności w pomgr inż. Paweł Wilk
równaniu z wcześniej omówionymi metodami. Badanie takie
LOGITER M
nie jest jednak często stosowane z racji różnych utrudnień,
typu: praca w ciemni (natężenie oświetlenia max. kilkadziesiąt lx), konieczność przystosowania wzroku przez kilkanaście
Literatura:
minut, stosowanie lampy UV o odpowiedniej długości fali czy
wynikające z tego straty czasu.
[1] PN-EN ISO 15614 Specyfikacja i kwalifikowanie technoW wielu zakładach prowadzi się ewidencję prób szczelnologii spawania metali - Badanie technologii spawania
ści. Zawiera ona informacje dotyczące danego wymiennika,
[2] PN-EN ISO 3834-3 Wymagania jakości dotyczące
opis ewentualnych nieszczelności, podpisy osób kontroluspawania materiałów metalowych - Część 3: Standardowe
jących. Pozwala to na późniejszą weryfikację w razie otrzywymagania jakości
mania reklamacji. Nierzadko można usłyszeć o sytuacjach,
[3] PN- EN ISO 6520-1 Spawanie i procesy pokrewne kiedy klient zgłasza usterkę kotła związaną z wyciekiem wody,
Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych
a przyczyną takiego stanu rzeczy jest nieodpowiedni proces
w metalach - Część 1: Spawanie
[4] Czuchryj J., Kurpisz B.:
Badanie złączy spawanych, przegląd metod, Wydawnictwo KaBe,
Krosno, 2009.
[5] PN EN 303-1 Kotły grzewcze
- Kotły grzewcze z palnikami
nadmuchowymi - Terminologia,
ogólne wymagania, badania
i oznaczenie
[6] PN- EN 12809 Kotły grzewcze na paliwa stałe - Nominalna
moc cieplna do 50 kW - Wymagania i badania
Rys. 8 Nieszczelności płaszcza wewnętrznego
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
57