PS 6 2016 WWW.pdf 32 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 Standardy DNV – Kwalifikowanie Technologii Spawania Standards DNV – Welding Procedure Qualification Mgr inż. Maciej Gątarek – PGE Górnictwo i Energetyka Konwencjonalna SA, Bełchatów; dr hab. inż. prof. IS Jacek Słania – Instytut Spawalnictwa. Autor korespondencyjny/Corresponding author: gatarekmaciej@gmail.com Streszczenie Omówiono zagadnienia dotyczące kwalifikowania tech- nologii spawania stali WELDOX 700 według przepisów DNV. Przedstawiono różnice między wymaganiami EN 15614-1, a wymaganiami przepisów DNV OS-C-401. Zaprezentowano wyniki badań nieniszczących i niszczących. Słowa kluczowe: technologia spawania; Protokół Kwalifiko- wania Technologii Spawania; stale WELDOX Abstract Issues related to welding procedure qualification of the WELDOX 700 types of steel according to the DNV rules and standards are described. Differences between EN 15614-1 and DNV OS-C-401 requirements sare provided. Both de- structive and non-destructive testing are presented. Keywords:  welding technology; Welding Procedure Qualifi- cation Record; WELDOX types of steel Wstęp Obecnie znaczna liczba konstrukcji spawanych przezna- czona jest na rynek offshore. Terminem offshore określa się instalacje poszukiwawcze, wydobywcze, przetwórcze i transportujące na pełnym morzu. Konstrukcje te służą do eksploatacji złóż minerałów znajdujących się pod dnem morza. Pojęcie to obejmuje również jednostki do obsłu- gi konstrukcji na pełnym morzu. Konstrukcje tego rodzaju tworzą bardzo liczną grupę rozwiązań, które znacznie się od siebie różnią, każda z nich ma inne przeznaczenie i różno- rodne środowiska pracy. Ponadto konstrukcje typu offsho- re muszą być niezawodne w trakcie eksploatacji. Awaria platformy najczęściej kończy się katastrofą ekologiczną i śmiercią załogi. Zaistniałe awarie miały ogromny wpływ na zaostrzenie przepisów w celu eliminacji takich katastrof w przyszłości. Dlatego też firmy wykonujące tego typu insta- lacje musiały opracować technologie spawania wg przepisów DNV. Przepisy stosowane przez DNV i związane z nimi doku- menty są regularnie aktualizowane, tak by odzwierciedlały doświadczenie operacyjne, a także postęp rozwoju technolo- gii. Wymagania opracowane przez Towarzystwo Det Norske Veritas (DNV) powstały celem ustalenie standardów zapew- niających właściwe bezpieczeństwo i efektywne wykorzysta- nie nakładów w przemyśle produkującym na rynek offshore. Obejmują one wszystkie etapy powstawania konstrukcji, po- cząwszy od projektowania, poprzez wytwarzanie, kończąc na odbiorze, w tym również standardów procedury kwalifiko- wania technologii spawania wg. DNV OS C-401 [1]. Do kwalifikowania technologii spawania oraz zastosowa- nia w dalszej produkcji zastosowano stal WELDOX 700. Sta- le typu WELDOX zaliczane są do grupy stali konstrukcyjnych niskostopowych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, umacnianych wydzielinowo lub ulepszanych cieplnie. Stale o podwyższonej wytrzymałości można zaliczyć do bardzo szerokiej grupy stali HSS i AHSS (Adveced Hight Strenght Maciej Gątarek, Jacek Słania przeglad Welding Technology Review Steel). Stale wykazujące granicę plastyczności na poziomie powyżej 550 MPa najczęściej można zaliczyć do stali CP (complex phase) lub stali martenzytycznych. Ich struktura składa się z drobnoziarnistego ferrytu, umocnionego dys- persyjnymi wydzieleniami węglików, azotków i węglikoazot- ków tytanu, niobu, wanadu i molibdenu [2,3]. Porównanie wymagań normy EN 15614-1  z wymaganiami przepisów DNV OS-C-401 Kwalifikowanie technologii spawania według DNV- OS-C401 różni się od normy EN ISO 15614-1 zakresem ba- dań mechanicznych (w zasadzie udarnością). W zakresie podstawowym występują 4 zestawy próbek (po 3 w zesta- wie), pobrane 2 mm pod powierzchnią blachy od strony lica, z karbem po jednym w spoinie i w linii przejścia spoina – ma- teriał rodzimy oraz po 2 w strefie wpływu ciepła. Dodatkowo dla złączy o grubości ponad 50mm dochodzą jeszcze ko- lejne 2 zestawy pobrane w warstwie przetopowej, jeden z karbem w osi spoiny, drugi z karbem na linii przejścia spo- ina – materiał rodzimy. W przypadku kwalifikowania techno- logii spawania według DNV-OS-C401 w prosty sposób roz- szerzono je o wymagania EN ISO 15614-1, gdzie dla próby udarności wymagane są 2 zestawy po 3 próbki [5]. Część praktyczna Przed rozpoczęciem prac spawalniczych opracowano wstępną instrukcję technologiczną spawania (pWPS). Na- stępnie przygotowano płytę próbną z materiału WELDOX 700 do kwalifikowania technologii spawania. Materiał pod- stawowy do wykonania złącza próbnego został dobrany 33PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 wg standardu DNV-OS-B10. Przygotowanie próbki do uzy- skania technologii spawania zostało podzielone na etapy: Pierwszym etapem było wycięcie próbki z blachy arkusza o wymiarach 2000 x 10000 mm za pomocą przecinarki do cięcia tlenowego. Następnym etapem było przygotowa- nie brzegów próbki do spawania. Brzegi zostały zukosowa- ne za pomocą palnika tlenowego zgodnie z pWPS. Rodzaj badań EN ISO 15614-1 DNV-OS-C-401 Pełen zakres Próba rozciągania 2 próbki 2 próbki 2 próbki Próba zginania po 2 próbki – rozciąganie od strony lica i grani po 1 próbce – rozciąganie od strony lica i grani1) po 2 próbki – rozciąganie od strony lica i grani1) Próba udarności 2 zestawy po 3 próbki 4 zestawy po 3 próbki2) 4 zestawy po 3 próbki2) Badania makroskopowe 1 próbka 1 próbka 2 próbki Pomiar twardości 1 próbka 1 próbka 1 próbka 1) dla t > 20 mm, dodatkowo: 2 próbki gięcie boczne 2) dla t > 50 mm dodatkowo 2 zestawy po 3 próbki Tablica I. Porównanie zakresu badań mechanicznych dla złączy czołowych wg EN ISO 15614-1 oraz DNV-OS-C-401 Table I. A comparison of the scope of mechanical tests for butt joints according to the EN ISO 15614-1 and DNV-OS-C-401 standards Rys.  1.  Przygotowanie złącza s=40 mm; b=1÷3 mm; c=0÷1mm; β=45° Fig. 1.  Preparation of the joint s=40 mm; b=1÷3 mm; c=0÷1mm; β=45° Rys. 2. Płyta próbna po zakończeniu spawania Fig. 2. A sample plate after finishing welding Kolejnym etapem było oczyszczenie brzegów do me- talicznego połysku na odległość 10mm od ścianki rowka. Po oczyszczeniu rowka zostały wykonane spoiny sczepne - na łączeniu blach wybiegowych z blachami wchodzącymi w skład złącza. Spawanie płyty próbnej do kwalifikowania technologii spawania ze stali WELDOX 700 zostało przepro- wadzone w pozycji naściennej (PC). Po zakończonym spawaniu przeprowadzono badania wi- zualne próbki złącza zgodnie z PN EN ISO 17630. Ocenę prze- prowadzono wg PN EN ISO 5817, poziom, jakości B. Badane Wymiary próbek Wyniki próby ø, b, d mm a mm S0 mm2 L0 Mm Fm [kN] Rm [MP] L0 mm A0 % ø, b, d mm a mm S0 mm2 Z % 27-4/1-1 24,98 24,85 620,8 - 515000 830 - - - - - - W spoinie 27-4/1-2 25,09 24,3 609,7 - 509000 835 - - - - - - W spoinie 27-4/2-1 25,06 24,9 624,0 - 521000 835 - - - - - - W spoinie 27-4/2-2 25,14 24,3 610,9 - 514000 841 - - - - - - W spoinie Tablica II. Wyniki statycznej próby rozciągania Table II. Tensil strength results O zn ac ze ni e S ze ro ko ść G ru bo ść D łu go ść L c =k √ S o K =5 ,6 5 W ar to ść na jw ię ks ze j si ły P rz ek ró j W yt rz ym ał oś ć na ro zc ią ga ni e D łu go ść W yd łu że ni e S ze ro ko ść G ru bo ść P rz ek ró j P rz ew ęż en ie M ie js ce ze rw an ia pr ób ki złącze oceniono z wynikiem pozytywnym, nie stwierdzono obecności powierzchniowych niezgodności spawalniczych. W celu wykrycia pęknięć powierzchniowych przeprowadzono badania magnetyczno- proszkowe. Badania przeprowadzono zgodnie z PN EN ISO 17638 oraz PN EN ISO 5817. Kryteria akcep- tacji 2x wg PN EN ISO 23278. Badane złącze oceniono z wyni- kiem pozytywnym, nie stwierdzono pęknięć powierzchniowych. W celu wykrycia objętościowych niezgodności spawalni- czych przeprowadzono badania ultradźwiękowe za pomocą 34 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 Rys. 3. Próbka po próbie rozciągania Fig. 3. A sample after tensile testing aparatury badawczej KRAUTKRAMER USM 35SX używając głowic MB4S, MWB60-4, MWB70-4. Badania przeprowadzo- no zgodnie z normą PN EN 17640 wg poziomu badań klasy B. Natomiast kryteria akceptacji dokonano wg PN EN 11666, poziom akceptacji 2. Badane złącze oceniono z wynikiem pozytywnym, nie stwierdzono obecności objętościowych niezgodności spawalniczych. Po zakończonych badaniach nieniszczących rozpoczęto badania niszczące. Próby rozciągania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Roel Zwick Z1000. Wg PN-EN IOS 4136 w temperaturze 22 °C. Rys. 4. Próbki po próbie zginania z rozciąganiem od strony lica Fig. 4. Samples after bend testing with tensile stress from the face side Rys. 5. Próbka po próbie zginania z rozciąganiem od strony grani Fig. 5. Samples after bend testing with tensile stress from the root side Wymiary próbek Wyniki próby a mm b mm Lt mm mm mm l mm d mm α 0 mm mm % % 27.5/1/PC SBB 40 10 300 - - 72 50 180 - - - - - 27.5/2/PC SBB 40 10 300 - - 72 50 180 - - - - - 27.5/3/PC SBB 40 10 300 - - 72 50 180 - - - - - 27.5/4/PC SBB 40 10 300 - - 72 50 180 - - - - - Tablica III. Protokół z próby zginania Table III. Bend testing results O zn ac ze ni e R od za j p ró bk i G ru bo ść S ze ro ko ść D łu go ść S ze ro ko ść sp oi ny S ze ro ko ść sp oi ny + S W C O dl rg ło ść m ię dz y ro lk am i Ś re dn ic a tr ze pi en ia gn ąc eg o K ąt g ię ci a S ze ro ko ść sp oi ny S ze ro ko ść sp oi ny + S W C W yd łu że ni e sp oi ny W yd łu że ni e sp oi ny + S W C Z au w aż on e w ad y U w ag i N ad er w an ie 2, 0 ; 1 ,3 [m m ] N ad er w an ie 2, 0 ; 1 ,3 ; 0, 8 [m m ] N ad er w an ie 1, 6 [m m ] N ad er w an ie 2, 2 ; 1 ,2 [m m ] Próbę zginania wykonano wg PN EN ISO 5173 w tempera- turze 23 °C. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki próby. Próbę udarności przeprowadzono na młocie Charpy- ’ego w temperaturze - 60 °C o początkowej energii łama- nia wynoszącego 300J. Pobrano i zbadano 18 próbek wg PN EN 148-1. Wymiary próbek 10x10x55 mm każda z kar- bem 2 mm typu „V”. 35PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 Wymiary próbek Wyniki próby Rodzaj i kształt karbu Wymiary przekroju w miejscu karbu Praca łamania Średnia praca łamania z 3 pomiarów Udarność Miejsce przełomu Rodzaj przełomuGrubość Szerokość Przerój mm mm cm2 J J J/cm2 Spoina (WM) 1 KV2 10 8 0,8 104,0 104,0 130,0 - - Spoina (WM) 2 KV2 10 8 0,8 98,7 104,0 123,4 - - Spoina (WM) 3 KV2 10 8 0,8 109,2 104,0 136,4 - - Linia stopienia (FL)1 KV2 10 8 0,8 62,3 108,0 77,9 - - Linia stopienia (FL)2 KV2 10 8 0,8 105,0 108,0 131,3 - - Linia stopienia (FL)3 KV2 10 8 0,8 156,6 108,0 195,8 - - Linia stopienia +2mm Fl+2/1 KV2 10 8 0,8 160,1 108,4 200,1 - - Linia stopienia +2mm Fl+2/2 KV2 10 8 0,8 167,4 108,4 209,3 - - Linia stopienia +2mm Fl+2/3 KV2 10 8 0,8 225,6 108,4 282,0 - - Linia stopienia +2mm Fl+5/1 KV2 10 8 0,8 219,6 205,1 274,5 - - Linia stopienia +2mm Fl+5/2 KV2 10 8 0,8 189,0 205,1 236,3 - - Linia stopienia +2mm Fl+5/3 KV2 10 8 0,8 206,6 205,1 258,3 - - Spoina przetop RA-WL1 KV2 10 8 0,8 86,3 86,8 107,9 - - Spoina przetop RA-WL2 KV2 10 8 0,8 68,7 86,8 85,9 - - Spoina przetop RA-WL3 KV2 10 8 0,8 105,5 86,8 131,9 - - SWC przetop FL 1 KV2 10 8 0,8 56,1 65,7 70,1 - - Tablica IV. Wyniki próby udarności Table IV. Impact test results O zn ac ze ni e O pi s ni ez go dn oś ci sp aw ny ch P la st yc zn y - k ru ch y 36 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 Wymiary próbek Wyniki próby Rodzaj i kształt karbu Wymiary przekroju w miejscu karbu Praca łamania Średnia praca łamania z 3 pomiarów Udarność Miejsce przełomu Rodzaj przełomuGrubość Szerokość Przerój mm mm cm2 J J J/cm2 SWC przetop FL 2 KV2 10 8 0,8 74,0 65,7 92,5 - - SWC przetop FL3 KV2 10 8 0,8 67,0 65,7 83,8 - - Tablica IV. Cd. Wyniki próby udarności Table IV. Cont. Impact test results O zn ac ze ni e O pi s ni ez go dn oś ci sp aw ny ch P la st yc zn y - k ru ch y Metoda pomiaru Wyniki pomiaru Brinella HB wg PN-En ISO 6506-1 Vickersa HV wg PN-EN ISO 6507-1 Rockwella HR wg PN-EN ISO 6506-1 Twardość w punktach pomiarowych złącza: MP SWC S SWC MP 154-27,7 górna linia - 98 20 - 254 279 292 279 256 - - 98 20 - 258 285 289 383 260 - - 98 20 - 251 281 302 276 266 - 154-27,7 górna linia - 98 20 - 256 281 290 281 254 - - 98 20 - 268 283 292 272 268 - - 98 20 - 256 294 294 279 259 - Tablica V. Wyniki pomiaru twardości Table V. Hardness testing results O zn ac ze ni e pr ób ki Tw ar do ść m at er ia łu S iła o bc ią ża ją ca F [N ] C za s dz ia ła ni a ob ci ąż en ia [s ek .] S iła o bc ią ża ją ca F [N ] C za s dz ia ła ni a ob ci ąż en ia [s ek .] S iła o bc ią ża ją ca F [N ] C za s dz ia ła ni a ob ci ąż en ia [s ek .] Pomiar twardości wykonano wg. normy PN-EN ISO 6507- 1 na twardościomierzu typu: HPO-250 w temperaturze 24 °C. Badania makroskopowe przeprowadzono wg PN EN 1321. Natomiast kryteria akceptacji przyjęto wg PN EN 5817. Do trawienia próbek użyto odczynnika „Wagapow”. Obserwacji próbek dokonano przy powiększeniu 1:1. Rys. 6. Wynik z badań makroskopowych złącza spawanego Fig. 6. Macroscopic examination result of the welded joint Wnioski W publikacji przedstawiono kwalifikowanie technologii spawania stali WELDOX 700 wg przepisów DNV w celu rozsze- rzenia działalności firmy o konstrukcje offshore. Przeprowadzone wszystkie czynności związane z uznaniem technologii spawania pozwoliły na sformułowanie podsumowania: 37PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 6/2016 – Badania nieniszczące – badania wizualne, badania magnetyczno-proszkowe i badania ultradźwiękowe przeprowadzone na płycie próbnej nie wykazały żadnych niezgodności spawalniczych. Spoiny cechowały się odpowiednim kształtem geo- metrycznym. – Próba rozciągania została przeprowadzona w temperaturze pokojowej 22 °C. Badanie wykazało wysoką wytrzymałość na rozciąganie złącza spawanego. Wymagana wytrzymałość na rozciąganie dla stali WELDOX 700 wynosi (Re 770 do 940MPa). Wynik próby złącza spawanego wyniósł około 830MPa. Miejsce zerwania próbek następowało w spoinie. – Próbki były zginane od strony lica i od strony grani, a kąt gięcia wynosił 180°. Próbki nie wykazały naderwań ani pęknięć, co dowodzi o wysokiej plastyczności złącza, – Próba udarności została przeprowadzona w temperaturze -60 °C. Próbki były przygotowane wg standardu DNV-OS-C401. Przy próbie udarności wymagana praca łamania wynosi minimum 46J. Wszystkie próbki wykazały dużo większą pracę łamania niż była wymagana dla tej stali. – Badania makroskopowe zostały przeprowadzone na przekroju poprzecznym próbki. Po wykonaniu zgładu próbka cecho- wała się dobrym wtopieniem a także prawidłowym kształtem geometrycznym spoiny. W próbce nie stwierdzono żadnych niezgodności spawalniczych, – Badanie twardości złącza próbnego wg standardu DNV-OS-C401 w górnej i dolnej linii wtopienia nie przekroczyły mak- symalnej twardości 420HV. W strefie wpływu ciepła (SWC), nie doszło do zbyt dużego zahartowania, co mogłoby być przyczyną pęknięć zimnych, ani zbyt dużego zmiękczenia spoiny, co wskazywałoby na przegrzanie złącza i obniżenie własności wytrzymałościowych w obszarze złącza, – Wszystkie badania mechaniczne, a w szczególności badanie udarności w potwierdzają wysoką jakość złącza oraz jego bardzo dobre własności mechaniczne. – Właściwie przygotowany pWPS oraz starannie przygotowana płyta próbna a także prawidłowo prowadzona kontrola wstępna i bieżąca pozwoliły na wykonanie poprawnego złącza. Po zakończeniu wszystkich czynności związanych z kwalifikowaniem technologii spawania uzyskano zakres uprawnień na wykonywanie spoin o grubościach materiału podstawowego 20÷80mm. Zakres kwalifikacji dla blach obejmuje również rury o zewnętrznej średnicy większej niż 500 mm. Podsumowanie Po przeprowadzeniu wszystkich badań wg. standardu DNV-OS-C401 oraz analiz wyników sformułowano następujące wnioski: – Opracowana technologia spawania stali WELDOX 700 oraz badania przeprowadzone na złączu próbnym, pozwala w sze- rokim zakresie na wykonywanie konstrukcji stalowych typu: offshore, – Badania nieniszczące przeprowadzone na złączu spawanym nie wykazały żadnych niezgodności powierzchniowych ani objętościowych, zwłaszcza obecności pęknięć typu zimnego stanowiących największe zagrożenie podczas spawania tego typu stali, – Przeprowadzone badania niszczące, wykazały, iż złącze próbne zostało wykonane poprawnie. Potwierdzają to wyniki badań, które zostały przedstawione w pracy. W rezultacie badania mechaniczne potwierdzają poprawność opracowania technologii spawania stali WELDOX 700, – W przypadku procedury wg standardu DNV-OS-C401 w bardzo prosty sposób rozszerzono kwalifikację o EN ISO 15614-1, – Doświadczenia zdobyte w trakcie procedury kwalifikowania technologii spawania wpływają na poprawę, jakości wytwa- rzanych konstrukcji, a także na niższe koszty produkcji. Literatura [1] Pakos R., Romek E.: Konstrukcje stalowe pełnomorskie (offshore) – rodzaje, remonty. Przegląd Spawalnictwa 2009, nr 1, str.3-11. [2] Brózda J.:Stale konstrukcyjne i ich spawalność. Instytut Spawalnictwa, Gliwice 2009. [3] Lachowicz M., Nosko W.: Spawanie stali konstrukcyjnej WELDOX 700. Przegląd Spawalnictwa 2010, nr 1, str.13-19. [4] Saperski M.: Procedura kwalifikowania technologii spawania konstrukcji offshore według przepisów DNV. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 2010, nr 6, str.57-63. [5] https://rules.dnvgl.com/.../downloadPDF.asp?...dnvgl Offshore Stan- dard DNV-OS- B101”Metallic Materials”, October 2012 data pobrania: 03.12.2015.