Hegesztett kötések méretezése fáradásra az ASME BPVC szerint

A jelen írásban az ASME BPVC előírásainak figyelembevételével foglalkozunk a hegesztett kötések fáradásra történő méretezésével. Az ASME BPVC irányelv a nyomástartó edényekkel szemben támasztott tervezési követelmények felől közelíti meg a témát. Ezeknél a készülékeknél jellemzőek a nagy nyomás- és hőmérséklet ingadozások, melyek a hegesztési varratokat is váltakozó mechanikai terhelésnek, fáradásos igénybevételnek teszik ki. A nagyciklusú kifáradásra jellemző, hogy a tönkremenetelt okozó repedés kialakulása megtörténik folyáshatárt el nem érő terhelés esetén is.

Általános megfigyelés, hogy a hegesztett szerkezetek esetében a fáradásos repedés legtöbbször a varrat hőhatás övezetében alakul ki. Ezért szükséges sokszor ezen tönkremenetel figyelembe vétele már a tervezés során. A hegesztések fáradásra való méretezése azonban nagyon sok bizonytalansággal terhelt, ez főként a lejátszódó folyamatok összetettsége miatt van így. Például a varrat végleges geometriai formája, a kialakuló anyag szerkezete, keménysége vagy a hőfolyamatból eredő és visszamaradó mechanikai feszültségek, előzetesen a tervező asztalon nem, vagy csak nagyon pontatlanul határozhatók meg. Továbbá a gyártás során a gyártási paraméterek csekély változása is nagy befolyással lehet a fönt fölsorolt jellemzőkre. Pedig később a hegesztett szerkezet élettartamára pont ezek vannak döntő hatással. Ennek a bizonytalanságnak a szemléltetésre lentebb látható az 1. ábra, ahol a jelölt két vizsgálati pont azonos körülmények közölt készült, azonos kialakítású próbatestet jelöl, melyeket azonos terhelésnek vetettek alá és mégis majdnem háromszoros eltérést tapasztaltak az élettartamukban.

Szerencsére, ezen bizonytalanságok leküzdésében több szabvány is a segítségünkre van, melyekre nyugodtan támaszkodhatunk, ezek közül néhány:

Szabványok hegesztett kötések méretezése témakörben

• EN1993-1-9 (EuroCode)
• BS7608 (Guide to fatigue design and assessment of steel products)
• ASME BPVC Div. VIII. (Rules for Construction of Pressure Vessels)

Jelen szabványok mindegyikét egy-egy gyakorlati probléma hívta életre, ennek megfelelően alapvetően annak a bizonyos problémának a megoldására készültek. Például az Eurocode jellemzően az építőipar számára készült és az ide vonatkozó fejezete is főként ezen problémakörre alkalmazható.

A felsorolt szabványok közül az ASME BPVC fáradással foglalkozó részét szeretném ismertetni. Ezt az irányelvet az Amerikai Gépészmérnökök Egyesülete adja ki és a nyomástartó edények szemszögéből közelíti meg a témát. A nyomástartó edényekre és készülékekre jellemzőek a nagy nyomás- és hőmérséklet ingadozások, amik a hegesztési varratokat is váltakozó mechanikai terhelésnek teszik ki. A nagyciklusú kifáradásra jellemző, hogy a tönkremenetelt okozó repedés kialakulása megtörténik folyáshatárt el nem érő terhelés esetén is.

Az ASME BPVC a következő fáradásos tönkremenetelekkel foglalkozik:

• Fáradás elasztikus vizsgálati megközelítésben: ez tipikusan a nagy ciklusú kifáradás vizsgálatokat jelenti, itt a terhelés nem éri el a folyáshatárt;
• Fáradás plasztikus vizsgálati megközelítésben: ez a kis ciklusú fáradási vizsgálatokat jelent, ebben az esetben a terhelések meghaladják a folyáshatárt;
• Hegesztések fáradási vizsgálata;

Az élettartam becsléséhez első lépéseben szükséges a mechanikai terhelés amplitúdójának meghatározása, ehhez a valós gyakorlati esetekben végeselemes szoftver használata szükséges. Itt a számítást két részre kell bontani, először el kell végezni a szimulációt a mechanikai terhelésekre, majd egy külön lépésben a hőterhelésekre is. Ha meg van ezeknek a legnagyobb (max.) és legkisebb (min.) értéke, akkor szimulációs eszközzel kiszámítható a max. és min. egyenértékű feszültség. Az eredmények kombinációjával meghatározható a terhelési tartomány, ami egyenlő a feszültség amplitúdó kétszeresével. Így megkaptuk a  (mechanikus terhelés) és a  (termikus terhelés) értékeket, amikből kiszámítható a váltakozó egyenértékű feszültség a lenti formulával:

A képletben megjelenő tényezők értéke és meghatározása megtalálható az ASME BPVC ide vonatkozó fejezetében.

Az élettartam becslés elvégzéséhez szükség van egy Wöhler görbére is, ezt a direktívából a releváns anyagcsoportra ki lehet nyerni. Mindig egyenletes formában adják meg, amelyek segítségével meghatározható az adott terheléshez tartozó ciklusszám, amit a szerkezet még tönkremenetel nélkül el tud viselni.

Fáradási görbe (2. ábra) szerkezeti acélok, gyengén- és erősen ötvözött acélok, nagyszilárdságú szerkezeti acélok illetve mangán ötvözésű rozsdamentes acélok 370°C üzemi hőmérséklet és 552 MPa (80ksi) szakító szilárdság alatt.

Az élettartam (N) az X érték segítségével kiszámítható:

N=10^x

Az eddig leírtak alapvetően az alapanyag vizsgálatára alkalmazhatóak, a hegesztések esetében még ki kell egészíteni a feszültségek leolvasásának megfelelő módjával. Ugyanis a végeselemes háló sajátossága, hogy az alapanyag és a varrat találkozás egy élben valósul meg, aminek a rádiusza nulla. Ez egy nem valóságos feszültséggyűjtő helyként viselkedik, következésképpen az innen kinyert feszültség értékek sem valódiak. A 3. ábrán fekete vonal jelzi a nyers, szimulációból közvetlenül kivett értékeket, a varrat gyökétől vett távolság függvényében. Az eredményeken nagyon jól megfigyelhető a varrat tő közelében lévő szingularitás. Ennek a numerikus anomáliának az elkerülésére általános módszer, hogy a nyers értékekre egy függvényt illesztünk, a jelen példában egy harmadfokú polinomot és az illesztett görbének a varrattőbe adódó értékét vizsgálják a továbbiakban.