zastosowanie próby pęcherzykowej do badania szczelności złączy

zastosowanie próby pęcherzykowej do badania szczelności złączy

ZASTOSOWANIE PRÓBY PĘCHERZYKOWEJ
DO BADANIA SZCZELNOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH
J. Czuchryj, Ł. Bartosz
Instytut Spawalnictwa, Gliwice
Wprowadzenie
Współcześnie wykonywane konstrukcje spawane charakteryzuje duża różnorodność
kształtów, rozwiązań konstrukcyjnych i zastosowań. Wśród tych konstrukcji dużą grupę
stanowią wyroby w postaci różnego rodzaju rurociągów, zbiorników, cystern, silosów,
pojemników, boksów, przewodów wentylacyjnych lub spalinowych, powłok osłonowych,
korpusów itp. Na ogół są to konstrukcje nieciśnieniowe. Ich dopuszczenie do eksploatacji
uwarunkowane jest szczelnością złączy spawanych. Konieczne jest zatem dobranie takiej
metody badania szczelności, aby była ona zarówno skuteczna, jak i atrakcyjna pod względem
ekonomicznym. Jedną z takich metod jest próba pęcherzykowa [1, 2].
Charakterystyka próby pęcherzykowej
Zgodnie z normą PN-EN 1330-8:2001 próba pęcherzykowa stosowana jest do
wykrywania przecieków poprzez zanurzenie obiektu w płynie próbnym lub pokrycie jego
zewnętrznej powierzchni roztworem substancji powierzchniowo czynnej (pieniącej). Różnica
ciśnienia na obu stronach ścian obiektu powinna być wystarczająco wysoka, aby ujawnić
przecieki przez tworzenie się pęcherzyków. Jak widać, próba pęcherzykowa obejmuje
technikę zanurzeniową oraz technikę nanoszenia cieczy. W tej drugiej można wyróżnić
obiekty poddawane bezpośredniemu działaniu ciśnienia lub obiekty nie poddawane
bezpośredniemu działaniu ciśnienia.
W obszarze zainteresowania autorów opracowania pozostaje technika nanoszenia
cieczy w odniesieniu do obiektów nie poddawanych bezpośredniemu działaniu ciśnienia.
Technika ta wymaga przyłożenia odpowiedniej komory próżniowej (z wziernikiem
obserwacyjnym) do badanego odcinka spoiny lub części obiektu, pokrytej uprzednio cieczą
czynną powierzchniowo (rys.1).
Rys.1. Zasada badania szczelności z zastosowaniem próby pęcherzykowej i
techniki nanoszenia cieczy: 1 - obszar badany z cieczą wykrywającą, 2 - wziernik
obserwacyjny, 3 - króciec pompy próżniowej, 4 - uszczelnienie, 5 – badany obiekt,
6 - komora próżniowa, 7 - manometr.
Badanie szczelności złączy spawanych polega na wykorzystaniu zjawiska przenikania
gazu (powietrza) z ośrodka o ciśnieniu wyższym do ośrodka o ciśnieniu niższym, w
przypadku gdy istnieje połączenie między tymi ośrodkami. Badanie odbywa się w powietrzu
atmosferycznym dzięki wytworzonemu podciśnieniu w nakładanej na badany odcinek
komorze. Kapilarne nieszczelności w spoinie stanowią połączenie między ośrodkami o
różnym ciśnieniu. W pokrytym pianotwórczym roztworem złączu następuje przenikanie
powietrza z atmosfery do komory poprzez nieszczelności, w wyniku oddziaływania różnicy
ciśnień. Powoduje to powstanie pęcherza pozwalającego na umiejscowienie nieszczelności.
Podczas badania należy wziąć pod uwagę środki ostrożności związane z projektowaniem
i konstrukcją komory próżniowej celem zapobieżenia ewentualnej implozji. Podczas próby
ciśnienie powinno być stopniowo zmniejszane do określonego ciśnienia badania (np. do
osiągnięcia 20 kPa lub 50 kPa). Wartość ciśnienia powinna być utrzymana przynajmniej
30 sekund. Dla złączy spawanych wymaga się, aby obszar badany obejmował spoinę oraz
co najmniej 25 mm z każdej jej strony, licząc od przejścia spoiny do materiału
podstawowego.
Metody pęcherzykowej nie stosuje się do badania szczelności konstrukcji, dla których
przewidziano przeprowadzenie ciśnieniowej próby wodnej. Ciśnieniowa próba wodna jest
jednocześnie próbą wytrzymałości kontrolowanej konstrukcji i nie może być zastąpiona
innymi metodami badań szczelności.
2
Urządzenia do próby pęcherzykowej
Brak na rynku krajowym urządzeń umożliwiających przeprowadzenie próby
pęcherzykowej w odniesieniu do złączy spawanych spowodował podjęcie w Instytucie
Spawalnictwa prac projektowych. W ich wyniku zbudowano prototyp urządzenia,
oznaczonego symbolem UKS-0, który sprawdzono w warunkach przemysłowych [3, 4, 5].
Prace nad udoskonaleniem konstrukcji urządzenia, a w szczególności komory próżniowej,
były kontynuowane. Na ich podstawie opracowano nową wersję urządzenia (UKS-1),
wyposażonego w podłużną komorę próżniową o zwiększonej wydajności. Kolejny etap prac
modernizacyjnych polegał na opracowaniu i wyposażeniu urządzenia UKS w dodatkową
komorę do badania złączy krzyżujących się i na powierzchniach zakrzywionych. Powstała
w ten sposób wersja UKS-2 [6, 7], znacznie lepiej spełniająca wymagania klientów
z przemysłu.
W badaniach szczelności złączy spawanych problem stanowi ocena szczelności złączy
ze spoinami pachwinowymi. W szczególności dotyczy to połączeń cargi z dnem dużych
zbiorników magazynowych. Aby ułatwić tę ocenę, opracowano odpowiednią komorę kątową
(rys.2) i wdrożono do produkcji urządzenie UKS-3 [8], umożliwiające kontrolę szczelności
spoin pachwinowych w różnego rodzaju złączach kątowych.
Rys.2.
Widok komory kątowej podczas badania złącza próbnego ze spoiną pachwinową.
3
Wykonanie komory kątowej jest jednak skomplikowane i czasochłonne, a w związku
z tym kosztowne. Z tego powodu zawieszono produkcję wersji UKS-3 do czasu opracowania
komory tańszej i lepszej w zastosowaniu przemysłowym. Obecnie, do seryjnej produkcji
wchodzi wersja urządzenia o oznaczeniu UKS-4, zmodernizowanego (w porównaniu do
wersji poprzednich) pod względem ergonomicznym i pomiarowym.
Urządzenie UKS-4 do pęcherzykowej próby szczelności złączy spawanych składa się
z trzech podstawowych zespołów, tj.: okrągłej komory próżniowej, podłużnej komory
próżniowej i pompy ssącej. Komory ograniczają przestrzeń, w której wytwarzane jest
podciśnienie robocze po odpompowaniu powietrza.
Komory próżniowe zbudowane są z przeźroczystych płyt obserwacyjnych, ścianek
bocznych ograniczających komory na obwodzie i uszczelek gumowych o przekroju okrągłym.
Przeźroczyste
płyty
umożliwiają
obserwację
badanego
odcinka
złącza
podczas
przeprowadzania próby, natomiast uszczelki ściśle przylegając do złącza izolują przestrzeń
komór od otoczenia. Istnieje możliwość regulacji stopnia przylegania uszczelki do badanej
powierzchni. W płyty obserwacyjne wbudowano łączniki do elastycznych przewodów,
zawory zapowietrzające i manometry. Elastyczne przewody umożliwiają wypompowanie
powietrza z komór próżniowych, natomiast zawory ich zapowietrzenie po wykonaniu próby
oraz regulację ciśnienia poprzez odpowiednie ustawienie pokrętła. Obserwacja wskazań
manometrów gwarantuje uzyskanie wymaganych parametrów próby. Ponadto w komorach
zamontowano oświetlenie ułatwiające obserwację powstających pęcherzyków na badanym
odcinku spoiny. Oświetlenie stanowią nastawne diody typu LED o średnicy 10 mm,
charakteryzujące się dużym natężeniem światła. Diody zasilane są z toroidalnego
transformatora napięciem bezpiecznym o wartości 12 V. Komora okrągła przeznaczona jest
do badania złączy doczołowych krzyżujących się oraz złączy na powierzchniach
zakrzywionych (np. sferycznych). Komora podłużna przeznaczona jest do badania płaskich
złączy doczołowych i charakteryzuje się zwiększoną wydajnością. Konstrukcja obu komór
umożliwia
badanie
szczelności
spoin
pachwinowych
w
złączach
zakładkowych
(nakładkowych), przy czym grubość materiału podstawowego nie powinna przekraczać
10-12 mm. Pompa ssąca wytwarza w komorach wymagane podciśnienie przez
wypompowanie z nich powietrza poprzez elastyczny przewód łączący komory z pompą.
W urządzeniu UKS-4, wykonywanym w Instytucie Spawalnictwa, pompę ssącą stanowi
pompa próżniowa typu TW-2A produkcji USA. Widok urządzenia UKS-4, z podłączoną
komorą okrągłą, podczas badania obwodowego złącza doczołowego rury pokazano na rys. 3.
4
Rys.3.
Widok urządzenia UKS-4 podczas badania szczelności obwodowego złącza
doczołowego rury z zastosowaniem próby pęcherzykowej.
Urządzenie UKS-4 charakteryzuje się następującymi parametrami technicznymi:
1. komora okrągła:
•
średnia zewnętrzna - 292 mm,
•
średnia wewnętrzna - 210 mm,
•
maksymalna długość badanego odcinka złącza (lub odcinków na skrzyżowaniach
spoin) - 210 mm,
•
oświetlenie – diodami LED (Φ10 mm, 12 V),
•
masa – ok. 3,1 kg;
2. komora podłużna:
•
wymiary zewnętrzne – 1000 x 247 x 56 mm,
•
maksymalna długość badanego odcinka złącza – 910 mm,
•
oświetlenie – diodami LED (Φ10 mm, 12 V),
•
masa – ok. 12 kg;
3. pompa ssąca:
•
typ – pompa próżniowa,
•
model – TW – 2A,
•
zasilanie – 220 V, 50 Hz,
•
wymiary – 319 x 125 x 243 mm,
5
•
masa – 11 kg,
•
ciśnienie graniczne – 10 Pa.
Wymagania dotyczące złączy spawanych
Wysokość nadlewu, h, spoin czołowych przeznaczonych do próby pęcherzykowej
powinna być zgodna z obowiązującymi normami wyrobu i spełniać następującą zależność:
h = 1 mm + 0,1b
(max. 5,0 mm)
gdzie: b – szerokość nadlewu spoiny.
Lico tych spoin powinno łagodnie przechodzić do materiału podstawowego. Lico
spoin pachwinowych powinno być płaskie lub wklęsłe i również łagodnie przechodzić do
materiału podstawowego. Łagodne przejścia lica spoin do materiału ułatwiają przyleganie
uszczelki komory próżniowej do złącza oraz przedłużają jej żywotność. W stosunku do spoin
otworowych wymagań nie ustala się.
Przygotowanie złącza do próby
Spoinę oraz przylegającą do niej z obu stron strefę o szerokości co najmniej 40 mm
należy dokładnie oczyścić z rdzy, farby, smarów, żużla, zgorzeliny i rozprysków stopiwa
elektrod. Pozostawienie tych zanieczyszczeń na powierzchni złącza może uniemożliwić
powstawanie wskazań w postaci pęcherzyków lub powodować wskazania pozorne (fałszywe).
Na powierzchnię badanego złącza należy nanieść roztwór pianotwórczy (ciecz wykrywającą)
i równomiernie rozprowadzić go miękkim pędzlem. Nie należy stosować roztworów
gwałtownie spieniających się podczas nakładania na badaną powierzchnię.
Warunki próby
Warunki próby ustalono dla roztworu pianotwórczego, jaki stanowi woda z mydłem i
gliceryną w proporcji: woda-1 dcm3, mydło toaletowe-50 g, gliceryna-5 g. Warunkami próby
są: zastosowana różnica ciśnień, czas jej utrzymania i temperatura badanej powierzchni.
Różnica pomiędzy ciśnieniem powietrza atmosferycznego a ciśnieniem powietrza w komorze
(wartość podciśnienia) powinna mieścić się w zakresie 0,05-0,07 MPa. Czas utrzymania
różnicy ciśnień powinien wynosić co najmniej 30 sekund, natomiast temperatura badanej
powierzchni powinna mieścić się w zakresie 5-50 0C.
Jeżeli przewidziano to w umowie, warunki próby należy podać w odpowiednim protokóle.
6
Badanie szczelności
Badanie szczelności złącza spawanego z zastosowaniem próby pęcherzykowej polega
na nałożeniu komory próżniowej na badany odcinek złącza, jej dociśnięciu, wypompowaniu
powietrza i obserwacji tworzenia się pęcherzy. Obserwację należy prowadzić z odległości nie
większej niż 60 cm, przy kącie nie mniejszym niż 300. Celem polepszenia kąta widzenia
mogą być stosowane przyrządy pomocnicze w postaci lup (pow. do 4 x), lusterek itp.
Natężenie oświetlenia badanej powierzchni powinno wynosić co najmniej 500 luksów. W
miejscu powstania pęcherza znajduje się wada przechodząca na wskroś materiału
(nieszczelność). Następnie komorę zapowietrza się, nakłada na kolejny odcinek złącza i
powtarza opisane czynności.
Protokół badania
Zaleca się, aby wyniki z przeprowadzonej próby pęcherzykowej były ujęte w formie
protokółu. Protokół powinien zawierać co najmniej: opis lub identyfikator badanego złącza,
zastosowaną różnicę ciśnień, czas jej utrzymania, temperaturę badanej powierzchni, rodzaj
roztworu pianotwórczego, opis lub sposób oznaczenia miejsc nieszczelnych, nazwisko i imię
operatora, certyfikat operatora, datę badania.
Podsumowanie
W praktyce przemysłowej obserwuje się coraz szersze zastosowanie różnych metod
badań
nieniszczących
do
oceny
jakości
wykonywanych
złączy
spawanych.
Do
przeprowadzenia tych badań konieczne są odpowiednie środki i niezawodne urządzenia. Z
tego powodu obserwuje się znaczne zainteresowanie wytwórców konstrukcji spawanych
sprawnym sprzętem badawczym o przystępnej cenie. Instytut Spawalnictwa wychodzi
naprzeciw tym potrzebom, oferując, między innymi, coraz nowszej generacji urządzenia do
badania szczelności złączy spawanych z zastosowaniem próby pęcherzykowej. Z oferty tej
skorzystało już wiele przedsiębiorstw. W zakresie rozwoju konstrukcji urządzeń UKS planuje
się dalsze prace, zmierzające do rozszerzenia ich możliwości badawczych. Będzie to stanowić
podstawę do dalszego upowszechniania próby pęcherzykowej w praktyce przemysłowej.
Literatura
1. PN-EN 1330-8:2001 „Badania nieniszczące. Terminologia. Terminy stosowane
w badaniach szczelności”
7
2. PN-EN 1593:2002 „Badania nieniszczące. Badania szczelności. Techniki emisji
pęcherzyków.”
3. Czuchryj J.: Zaprojektowanie i zbudowanie urządzenia do próżniowej kontroli szczelności
spoin. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Fd-51. Gliwice, 1982.
4. Czuchryj J.: Urządzenie do kontroli szczelności złączy spawanych metodą próżniową.
Prace Instytutu Spawalnictwa, 1982, nr 4
5. Czuchryj J.: Urządzenie do kontroli metodą próżniową szczelności połączeń spawanych.
Przegląd Spawalnictwa, 1984, nr 1
6. Czuchryj J.: Urządzenie UKS-2 do kontroli szczelności złączy spawanych metodą
podciśnieniową. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1993, nr 4
7. Czuchryj J., Wnęk T.: Badania nieniszczące złączy spawanych. Wyd. Instytutu
Spawalnictwa. Gliwice, 1996.
8. Czuchryj J.: Wykorzystanie metody podciśnieniowej do kontroli szczelności złączy
spawanych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1999, nr 6
9. Klimpel A., Szymański A.: Kontrola i zapewnienie jakości w spawalnictwie.
Wyd. Politechniki Śląskiej. Gliwice, 1998.
10. Czuchryj J., Stachurski M.: Badania nieniszczące w spawalnictwie. Wyd. Instytutu
Spawalnictwa. Gliwice, 2002.
8