Przyczyną rozwarstwiania się blach pasów dźwigarów skrzynkowych mostów suwnic są pęknięcia lamelarne. Pęknięcia lamelarne powstają w stalach mających duŜą zawartość wtrąceń niemetalicznych charakteryzujących się tym, Ŝe podczas procesu walcowania przybierają postać długich, wąskich włókien zorientowanych w kierunku walcowania. Obecność pasmowo ułoŜonych wtrąceń znacznie obniŜa wartość przewęŜenia i wytrzymałość blachy na kierunku prostopadłym do płaszczyzny jej walcowania. Składową napręŜeń na tym kierunku powodują obciąŜenia przenoszone przez złącza spawane blach środnikowych z pasami. Odkształcenia prostopadłe do płaszczyzny walcowania blachy inicjowane są teŜ przez napręŜenia skurczowe, występujące w obszarze wpływu ciepła spoin. W pobliŜu wymienionych złączy blach dźwigara moŜe wystąpić opisany przez J.Pilarczyka mechanizm powstawania pęknięć lamelarnych. Prowadząc badania metalograficzne blach złomowanych pasów dźwigarów skrzynkowych, wykryto poza strefą połączeń spawanych pęknięcia w postaci tarasów i uskoków charakterystycznych dla pęknięć lamelarnych. Podczas eksploatacji elementy te przenosiły siły rozciągające równoległe do kierunku walcowania blach. Wskazuje to na inny niŜ przyjmowano do tej pory charakter obciąŜeń powodujących pękanie blach w sposób lamelarny. Szczegółowa analiza stanu obciąŜenia i napręŜenia w wymienionych elementach mostów suwnicowych zawiera jeden z rozdziałów pracy. Pomimo licznych prac badawczych dotyczących zagadnienia powstawania i rozrostu pęknięć lamelarnych, nieznany jest proces pękania lamelarnego jaki zachodzi w elementach, w których stan napręŜeń rozciągających jest zgodny z kierunkiem zalegania nieciągłości ( jaki ma miejsce w pasach dolnych dźwigarów suwnic). Nieznane są równieŜ wyniki analizy numerycznej, na podstawie których moŜna wnioskować o przebiegu pękania lamelarnego zachodzącego w blachach stalowych. RównieŜ nieznane są metody, które umoŜliwiłyby w sposób nieniszczący monitorowanie inicjacji i rozwoju pęknięć lamelarnych. Obecnie stosowane metody badań nieniszczących nie dają wystarczającej rozdzielczości pomiaru i informacji o wadzie, by wnioskować o przebiegu pękania. Metody defektoskopowe zwracają jedynie informację o skrajnych etapach pękania. Dlatego teŜ w następnym rozdziale opisano przydatność obecnie stosowanych metod nieniszczących w monitoringu pęknięć lamelarnych. W rozdziale kolejnym zaproponowano metodykę umoŜliwiającą obserwację propagacji pęknięć lamelarnych przedstawiając jej podstawy teoretyczne i wyniki testów eksperymentalnych.
4 Ocena przydatności metod nieniszczących do badań pęknięć
lamelarnych
Występujące wewnątrz blach dźwigarów wtrącenia niemetaliczne i nieciągłości stali przyczyniające się do powstawania rozwarstwień są uznawane jako wady materiałowe. Defekty te moŜna ujawnić i ocenić, bez zmniejszenia właściwości uŜytkowych suwnicy, badaniami nieniszczącymi [52][53][54][55][56]. Badania defektoskopowe przeprowadza się metodami:
• wizualną,
• penetracyjną,
• elektromagnetyczną (magnetyczną, elektryczną i prądów wirowych),
• radiologiczną,
• ultradźwiękową.
Istnieją równieŜ niekonwencjonalne metody badań nieniszczących. Do tej grupy metod naleŜą:
metoda magnetycznej pamięci metalu, tomografia komputerowa z monochromatorem, technika radiografii tangensowej, holografia optyczna, sherografia, laminogafia, mikroskopia akustyczna, metody oparte na zjawiskach wzbudzanych światłem, reflektometria, refraktometria, jądrowy rezonans magnetyczny, elektronowy rezonans parametryczny, termowizja.
Badania wizualne
Badania wizualne polegają na dokładnych oględzinach powierzchni materiału. Stosowanymi przyrządami są lupy, endoskopy (boroskopy, fiberoskopy) itp. PoniewaŜ
pęknięcia lamelarne propagują wewnątrz blachy, metody wizualne mogą być stosowane do wykrywania tego rodzaju defektów tylko jako badania wstępne.
Badania penetracyjne
Badania penetracyjne przeprowadza się zwykle po badaniach wizualnych. Zasada badań wykorzystuje zjawisko kapilarności (włoskowatości), które polega na wnikaniu cieczy do wąskich przestrzeni i wznoszeniu się w nich nawet wbrew prawu cięŜkości.
Podobnie jak w przypadku badań wizualnych, badania penetracyjne mogą być stosowane tylko jako badania wstępne przy wykrywaniu defektów, jakimi są pęknięcia lamelarne. Nie są uŜyteczne do obrazu nieciągłości nie wychodzących na powierzchnię, co
często ma miejsce w przypadku badanego rodzaju pęknięć.
Badania szczelności
Badania szczelności mają na celu wykrycie w kontrolowanym obiekcie nieciągłości materiałowych usytuowanych na wskroś. Stanowią liczną grupę metod, dobieranych zgodnie z wymaganą czułością i wymaganiami jakie stawia badany obiekt. Wśród badań szczelności są:
badania ciśnieniowe (gazem, cieczą), próba naftą i kredą, natryskiwanie wodą, nadmuchiwanie, metody: podciśnieniowa, amoniakalna, chlorowcowa, spektrometryczna, znaczników radioaktywnych, akustyczna.
PoniewaŜ zwykle pęknięcie materiału na wskroś spowodowane rozwojem w nim procesu lamelarnego jest równowaŜne ze zniszczeniem wykonanego z niego elementu konstrukcji podane metody badania szczelności nie są przydatne w wykrywaniu pęknięć
lamelarnych.
Badania elektromagnetyczne
W badaniach elektromagnetycznych wykorzystuje się zjawiska towarzyszące wzbudzaniu pola elektromagnetycznego w obiekcie przeznaczonym do kontroli. Najczęściej stosowane są badania magnetyczne i wiroprądowe.
Badania magnetyczne polegają na wzbudzaniu w kontrolowanym obiekcie pola magnetycznego i poszukiwaniu tzw. lokalnych, magnetycznych pól rozproszenia, powstających nad powierzchnią obiektu w miejscu występowania lub bezpośredniej bliskości
wad materiałowych. Do wykrycia pól rozproszenia moŜna zastosować proszek ferromagnetyczny, taśmę magnetyczną, cewki indukcyjne, sondę Halla lub sondę Forstera. W zaleŜności od sposobu wykrywania pola rozproszenia rozróŜnia się:
• badania magnetyczno - proszkowe,
• badania magnetograficzne,
• badania wykorzystujące przetworniki pomiarowe reagujące na pole magnetyczne. Badania wiroprądowe polegają na wzbudzaniu w badanych obiektach zmiennego pola magnetycznego o odpowiednio wysokiej częstotliwości tak, aby powstały prądy wirowe oraz na poszukiwaniu miejsc, w których pole magnetyczne tych prądów (przeciwpole) ulega nagłej zmianie.
Badania elektromagnetyczne umoŜliwiają wykrycie w obserwowanym obiekcie nieciągłości, takich jak róŜnego rodzaju pęknięć, zawalcowań, wtrąceń niemetalicznych, naderwań, zakuć, łusek itp. Metodami tymi moŜna przeprowadzić detekcję nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych. W przypadku wykrywania pęknięć lamelarnych jest to wadą, poniewaŜ pęknięcia lamelarne mogą występować na całej grubości profilu walcowanego (najczęściej w środku blach lub pod spawami). Inną wadą tej grupy metod, która w znacznym stopniu ogranicza detekcję pęknięć lamelarnych jest to, Ŝe metody te wykrywają nieciągłości, których kierunek zalegania zorientowany jest pod kątem nie większym niŜ o 300 od kierunku pola magnetycznego (optymalne wykrywanie wad wystąpi przy kierunku zalegania ich prostopadłym do pola).
Ograniczenia, jakie wynikają z wykorzystywania do detekcji pęknięć lamelarnych zjawisk magnetycznych schematycznie przedstawia rys. 4.1. Na rysunku linie przerywane obrazują strumień linii sił pola magnetycznego. Występująca w badanym materiale nieciągłość zmienia przenikalność magnetyczną, co powoduje skierowanie części strumienia magnetycznego przez cewki indukcyjne umieszczone między biegunami indukując większą wartość napięcia. Zmiana napięcia przetwarzana jest na sygnał akustyczny lub wizualny będący wskazaniem o istnieniu wady, rys. 4.1.b) Na rys. 4.1.a) z uwagi na umiejscowienie szczeliny oraz rys. 4.1.c) orientację szczeliny rozproszenie pola magnetycznego w badanym materiale jest niewielkie. W tych przypadkach przetwornik pomiarowy defektoskopu nie wygeneruje wskazania o wadzie.
Rys. 4.1 Zasada badania z wykorzystaniem defektoskopu magnetycznego z przetwornikiem pomiarowym nieciągłości: a) zalegających na zbyt duŜych głębokościach, b) ułoŜonych prostopadle do lini sił pola magnetycznego, c) równolegle z linami sił pola magnetycznego.
Metoda magnetyczna została wykorzystana do wstępnych badań diagnostycznych trwale odkształconych dźwigarów skrzynkowych suwnicy pomostowej [3]. Wykorzystano defektoskop Unifluxut. Zgodnie z wymogami normy PN-EN ISO 9934-1 dobrano parametry badania przy pomocy wzorca Bertholda i miernika natęŜenia pola magnetycznego MFM 200.6. Przed pomiarem powierzchnia blachy została przygotowana przez szlifowanie ręczne. Jako czynnik kontrastowy wykorzystano biały podkład magnetyczny. W miejscach magnesowania prądem zmiennym, w celu wykrycia rozkład pola rozproszenia, na powierzchnię blachy nanoszony był czarny proszek magnetyczny w aerozolu MR 76. Obserwację przeprowadzono w oświetleniu białym. Schemat przykładania defektoskopu magnetycznego pokazuje rys. 4.2 [3].
Rys. 4.2 Schemat badania metodą magnetyczno-proszkową [3].
Badaniami objęto krawędzie pasów dolnych na całej długości (rys. 4.3), spoiny pachwinowe łączące pasy ze środnikami i spoiny poprzeczne pasów dolnych. Badano równieŜ strefę przyspoinową, tzn. ustalono obszary o szerokości 50 mm z jednej i drugiej strony spoin pachwinowych łączących blachy środnikowe z pasami dolnymi.
Rys. 4.3 Szkic sytuacyjny mostu suwnicy Q=33/5t, L=28m, z zaznaczonymi strefami badań magnetycznych [3].
W wyniku przeprowadzonych badań nie stwierdzono pęknięć spoin i braku przetopu w połączeniach spawanych. Zaobserwowano liczne brzegowe rozwarstwienie pasów dolnych badanych dźwigarów. Przykładowy widok rozwarstwień umieszczony jest na rys. 4.4 [3].
Rys. 4.4 Brzegowe rozwarstwienie pasa dolnego dźwigara napędowego [3].
Badania radiologiczne
Badania radiologiczne polegają na przepuszczeniu przez badany materiał promieniowania jonizującego X lub γ, rzadziej promieniowania α, β, neutronowego lub protonowego. Przenikające przez materiał promieniowanie ulega zjawiskom falowym oraz korpuskularnym, jak dyfrakcja, interferencja itp. co powoduje miejscowe zmiany natęŜenia promieniowania.
Miejscowe osłabienia i wzmocnienia wychodzącego z materiału promieniowania obrazują stan wewnętrzny materiału, równieŜ nieciągłości. Są one rejestrowane a następnie analizowane.
Badania radiologiczne przeprowadza się metodą przepuszczania. Ostatnio firma Philips zaproponowała technikę opierającą się na pomiarze promieniowania rozproszenia wstecznie o nazwie ComScan (Compran Scattered) umoŜliwiającą umieszczenie urządzeń wysyłających i analizujących promieniowanie po jednej stronie badanego obiektu.
Wśród metod radiometrycznych jest metoda przemysłowa (radiografia warstwowa), która umoŜliwia uzyskanie ostrego obrazu wybranej warstwy.
Metoda bazująca na radiografii warstwowej, do której jako detektora promieniowania uŜyto kilku komór jonizujących i wykorzystano komputer nazywa się tomografią komputerową i umoŜliwia obserwację przestrzennego obrazu badanej objętości obiektu.
Badania radiologiczne są często stosowanymi badaniami nieniszczącymi, poniewaŜ zapewniają:
• dobrą wykrywalność nieciągłości wewnętrznych,
• prostą interpretację wyników,
• moŜliwość archiwacji i wielokrotnej interpretacji wyników. Wadami są:
• Wykorzystywane zjawiska w metodach radiologicznych w przypadku niewłaściwego posługiwania się nimi są bardzo szkodliwe dla zdrowia.
• Aparatura oraz pomieszczenia radiologiczne wymagają przeglądów.
Prześwietlenia prowadzono aparatem rentgenowskim Andrex typu Smart 300 dla blach o grubości 14mm. Wady aparatury radiologicznej, oraz uzyskane zbyt małej jakości obrazu radiograficznego pęknięć lamelarnych występujących w prześwietlanym obiekcie przyczyniły się do odrzucenia tej grupy metod w badaniach procesu pękania lamelarnego.
Badania ultradźwiękowe
Badania ultradźwiękowe polegają na wprowadzaniu do badanego materiału drgań o częstotliwości grupowej z zakresu od 20 kHz do 100 MHz (1 GHz). Drgania te przechodząc przez materiał, w zaleŜności od napotkanych przeszkód, ulegą zjawiskom falowym jak odbicie, załamanie, transformacja, rozproszenie i ugięcie fali, które zmieniają wartość ciśnienia akustycznego fali. Wielkość zmian parametrów drgań jak amplitudy, częstotliwości grupowe, przesunięcia fazowe informuje o stanie wewnętrznym badanego obiektu. Na odpowiedź badanego obiektu na wprowadzane drgania wpływają równieŜ właściwości materiałów, jakie napotyka na swojej drodze wiązka ultradźwiękowa.
Najczęściej stosowane rodzaje fal ultradźwiękowych, według podziału na róŜny kierunek ruchu cząstek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali to:
• fale podłuŜne
• fale poprzeczne
• fale powierzchniowe (Rayleigh’a)
• fale płytowe (Lamba)
• fale Love’a
• fale podpowierzchniowe.
Generatorami fal ultradźwiękowych są głowice ultradźwiękowe, posiadające przetworniki wzbudzające drgania na zasadzie:
• piezoelktrycznej,
• magnetostrykcyjnej,
• elektromagnetycznej i prądów wirowych,
• oddziaływania promienia lasera.
Główny podział głowic ultradźwiękowych dotyczy fal, jakie one przetwarzają oraz ilości umieszczonych w nich przetworników:
• głowice normalne fal podłuŜnych z jednym przetwornikiem nadawczo-odbiorczym,
• głowice podwójne fal podłuŜnych z dwoma przetwornikami: nadawczym i odbiorczym,
• głowice skośne podwójne fal poprzecznych,
• głowice fal powierzchniowych,
• głowice mozaikowe.
Defektoskopy ultradźwiękowe są urządzeniami słuŜącymi do wzbudzenia ukierunkowanych drgań ultradźwiękowych w badanym materiale przy uŜyciu głowicy, zwykle z przetwornikiem piezoelektrycznym i do odebrania za pośrednictwem głowicy drgań powracających z badanego materiału. Odbierana wiązka ultradźwiękowa prezentowana jest na ekranie defektoskopu w sposób graficzny. Dzielą się na stacjonarne i przenośne oraz na analogowe, analogowo-cyfrowe i cyfrowe.
Badania ultradźwiękowe przeprowadza się metodami:
• cienia (przepuszczania),
• echa,
• rezonansu.
W metodach automatycznych stosowane są teŜ:
• TOFD (Time Of Flight Diffraction),