MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2007
JIŘÍ JEDLIČKA
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav PTAD
Provozní predikce životnosti ocelových lan Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Doc. Ing. Michal Černý, CSc.
Jiří Jedlička
Brno 2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma PROVOZNÍ PREDIKCE ŽIVOTNOSTI OCELOVÝCH LAN vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ
Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Michalu Černému, CSc. Za odborné vedení a cenné připomínky při zpracování této diplomové práce. Rád bych poděkoval i pracovníkům oddělení křehkého lomu ÚFM AV ČR za podnětné připomínky a umožnění realizace zkoušek.
Abstrakt
Cílem diplomové práce s názvem PROVOZNÍ PREDIKCE ŽIVOTNOSTI OCELOVÝCH LAN je určení změny odolnosti v jednoosém tahu u ocelových lan typu nosného a tažného, které jsou vystaveny působení agresivního okolí s obsahem iontů Cl a SO2. S ohledem na vysokou hodnotu nosnosti lan (MN), je práce zaměřena na modifikovanou zkoušku jednotlivých komponent lana, t.j. zkoušku drátů, které tvoří prameny spleteného lana, na metodiku zkoušek z pohledu řízeného určení místa vzniku lokální deformace před přetržením a na rozbor porušení materiálu z pohledu fraktografie. V závěru je provedeno doporučení v rámci protikorozní ochrany ocelových lan při absenci Zn povlaků a nátěrů.
Klíčová slova: ocelová lana, koroze, jednoosá tahová zkouška
Summary
The aim of the dissertation called OPERATING LIFETIME PREDICTION OF STEEL WIRE ROPES is to define the change of resistance in uniaxial traction of steel wire and bearer ropes which are exposed to aggressive vicinity containing Cl and SO2 ions. Considering the high value of the ropes bearing (MN), this work focuses on modified testing of the individual components of the rope, i.e. testing the wires which make strands of braided rope, on methodics of the tests regarding the guided definition of the place of origin of local deformation before the fracture and on the analysis of material failure in regard to fractography. In conclusion, recommendations within the frame of anticorrosive protection of steel wire ropes with the absence of Zn coatings and paints are made.
Key words: steel wire ropes, corrosion, one axial test
OBSAH
ÚVOD……………………………………………………………………………..………………...……9
1.
HISTORIE A VÝVOJ………………………………………………………………..…...…10
2.
ZÁKLADNÍ POJMY KONSTRUKCE OCELOVÝCH LAN…….…………….11
2.1
Základní pojmy pro prameny…………………………………………………………………12
2.2
Základní pojmy pro ocelová lana……………………………………………………….…….13
2.3
Rozdělení ocelových lan…………………………………………………………………….…15
2.3.1
Všeobecné rozdělení lan podle použití……………….………………………...……………16
2.3.2
Rozdělení lan podle dalších hledisek……………………………………………….……….16 Základní materiál pro výrobu ocelových lan..……………………………………….………18
2.4 2.4.1
Ocelové dráty……………………………………………………………………………......18
2.4.2
Textilní vložky ocelových lan……………………………………………………………….19
2.4.3
Mazivo……………………………………………………………………………………….19
3.
OCHRANA PROTI KOROZI………………………………………………………….…20 3.1
Koroze…………………………………………………………………………………………..20
3.2
Koroze ocelových lan………………………………………………………..…………………22
3.2.1
Lanové dráty………………………………………………………………………..………22
3.2.2
Lana…………………………………………………………………………………...……23
3.2.3
Lanové prvky………………………………………………………………….……………24
3.3
4.
Trvanlivost, údržba a výměna lan……………………………………………………….……25
TECHNICKÁ RIZIKA PŘI PROVOZU OCELOVÝCH LAN ……………...…25
4.1
Bezpečnost a nosnost ocelových lan……………………………………………………...……26
4.2
Opotřebování…………………………………………………………………………….……..28
4.3
Dynamické namáhání………………………………………………………………….………29
5.
CÍL PRÁCE……………………………………………………………………………………30
6.
EXPERIMENRÁLNÍ ČÁST PRÁCE…………………………….……………………30
6.1
Zkušební materiál………………………………………………………………………...……31
6.2
Vzorky pro experiment…………………………………………………………………...……32
6.2.1
Korozní degradace…………………………………………………………………..……35
6.2.1.1.
Korozní degradace v atmosféře s obsahem SO2……….…………………………..…..35
6.2.1.2.
Korozní degradace v solné mlze…………………………………………………….....37
6.2.2
Zkušební systém………………………………………………………………….….…….40
Zkušební metodiky……………………………………………………………….……….……42
6.3
6.3.1
Zkoušení ocelových pramenů lan……………………………………………..….………42
6.3.2
Zkoušení jednotlivých ocelových drátů………....………………………………….……44
6.3.3.1
Fraktografický rozbor porušení.……………………………………………………………47
7.
VÝSLEDKY MĚŘENÍ A DISKUZE…………………………………………….…...…51 7.1
Tažná lana………………………………...……………………………………………………51
7.2
Nosná (výtahová) lana…………………………………………………………………………52
8.
ZÁVĚR………………………………………………………………………………….………54 LITERATURA…………….………………………………………………..…………………56 PŘÍLOHY……..……….………………………………………………………..………………57
ÚVOD Ocelová lana dnes zasahují prakticky do všech technických činností. Jejich mnohotvárné využití umožňují výhodné vlastnosti ocelových patentovaných drátů, zejména jejich vysoká pevnost, která dovoluje konstruovat lana malého průměru a nízké hmotnosti při technickém zvládnutí předem stanovených určitých vlastností (tažnost, prodloužení, modul pružnosti apod.). Při vysoce jakostní výrobě drátů mohou tedy lana mít určité významné vlastnosti v předem stanovených mezích. Tím se otevřela cesta nového použití ocelových lan, do jisté míry odlišná od dosavadního klasického směru, vyznačující se užitím ocelového lana jako stavebního prvku ve stavebních konstrukcích ocelových i u předpjatého betonu [1]. Z jednoduchého srovnání lana jako vyměnitelného strojního prvku s nevyměnitelným prvkem ve stavebních konstrukcích vyplývají i do jisté míry odlišné požadavky na jeho jakost. Během provozu působí na lana mnoho negativních jevů, mezi které hlavně patří: opotřebení, dynamické namáhání a v neposlední řadě koroze. Poznání negativních jevů a jejich vliv na ocelová lana je velmi důležité, hlavně pro uživatele a to jak z pohledu na bezpečnost a spolehlivost tak i z pohledu životnosti lana. Tato diplomová práce se bude zabývat provozními, ale hlavně korozními vlivy na únosnost ocelových lan.
Obr. 1.0 – Ukázka ocelových lan
1. HISTORIE A VÝVOJ Použití lan má svoji dlouhou historii. Až do poloviny 19. století se na výrobu lan používala především vlákna rostlinného původu. Vyplývalo to z neznalosti jiných vhodných materiálů a samozřejmě i z nedostatečných technologických možností zpracování kovů. Pokusy o výrobu kovových lan se vyskytli už před naším letopočtem. Svědčí o tom nález trojpramenného bronzového lana v Pompejích (pramen měl 19 drátků průměru asi 0,7 mm). Než se však lana začala prakticky využívat, muselo uplynout ještě mnoho století. Až v roce 1834 dal vyrobit horní rada Wilhelm Albert, celým jménem Albert Wilhelm August Julius pro důl Carolina v Clausthale ocelové lano, které bylo vyrobené ručně podle zásady výroby textilních lan [1]. Lano bylo dlouhé asi 30 až 35 m a jeho pevnost byla přibližně 1/5 dnes dosahovaných hodnot. Odpovídalo to však tehdejším možnostem techniky. Směr vinutí drátů v pramenu a prameny v laně byl souhlasný, a tak vzniklo dodnes používané jednosměrné vinutí lan [3]. Rozhodujícími podměty tohoto pokroku bylo zdokonalení výroby ocelových drátů a vynález tkalcovského stroje. Lana se začala používat především v hornictví a
Obr. 1.1 – visutý most
Obr. 1.2 –lanová dtáha
postupně pronikala i do dalších odvětví průmyslu. Poté se stala neodmyslitelnými prvky zdvihacích a dopravních zařízení. První pokusy použít lano také jako stavební prvek se omezily koncem minulého století pouze na mostní stavitelství, a to jen v ojedinělých případech.
Dnes se rozšiřuje tradiční použití pro zavěšené konstrukce mostů, pro zakotvení vysokých anténních stožárů. V betonových i ocelových předpjatých konstrukcích se nabízí využití lan jako předpínací výztuže. Lanovými střechami započal rozvoj nových typů konstrukcí, jejichž nosné prvky jsou tvořeny výhradně lany, tedy konstrukcí lanových.
Obr. 1.3 – Brooklyn bridge
2. ZÁKLADNÍ POJMY KONSTRUKCE OCELOVÝCH LAN Ocelové lano můžeme definovat jako prvek strojů, který je při práci namáhaný především tahem a ohybem. Jeho konstrukce musí zodpovídat základnímu požadavku – dosáhnout vysokou nosnost při poměrně malém průměru, malé hmotnosti a dostatečné ohebnosti. Řez ocelovým lanem a vysvětlení některých pojmů znázorňuje (obr. 2.1 a 2.2).
Obr. 2.1 – Řez ocelovým lanem 1 - průměr d ocel. lana 2 - průměr d1 pramene 3 - duše pramene
4 - dráty pramene průměru d2 5 - textilní vložka lana průměru d3
Obr. 2.2 – Ocelové lano - core – jádro - wire – drát - strand – pramen - wire rope – lano
2.1 Základní pojmy pro prameny Pramen je tvořen několika holými nebo pozinkovanými dráty, které jsou vinuté do šroubovice tak, aby se dotýkali a vytvářeli stále týž pramen. Dráty se vinou do pramenů okolo duše pramene v jedné nebo několika vrstvách (obr. 2.3).
Obr. 2.4 – Směry vinutí pramenů Obr. 2.3 – Druhy pramenů 1 – jednovrstvý pramen, 2 – dvojvrstvý pramen, 3 – trojvrstvý pramen, 4 – čtyřvrstvý pramen, 5 – dvojvrstvý pramen s textilní vložkou
Duše pramene je zpravidla ocelový drát umístěný v ose pramene. Jestliže má drát tvořící duši menší průměr než ostatní dráty, nazýváme jej jádrovým drátem a jeho nosnost do nosnosti pramene nezapočítáváme – značí se 0 (nula). Když má ale drát tvořící duši stejný nebo větší průměr než ostatní dráty a je vyhotovený z materiálu stejné pevnosti, jeho nosnost se do nosnosti pramene započítává a drát značíme 1 (jeden). Konstrukce pramene je určená číselným vzorcem, který udává počet drátů v jednotlivých vrstvách pramene – např. konstrukce 1+6, 1+6+12 a nebo v+9+15. Směr vinutí pramenů může být pravý nebo levý. Pravovinutý pramen má povrchové dráty vinuté do šroubovice, která při pohledu na svislý pramen stoupá zleva doprava. Levovinutá stoupá zprava doleva(obr. 2.4).
2.2 Základní pojmy pro ocelová lana Lano tvoří více (většinou šest) pramenů, které jsou zavinuté do šroubovice okolo společné vložky nebo duše, ale může se skládat jen z jediného pramene. Lany nazýváme také konstrukce, při kterých je několik lan zavinutých do dalšího lana (kabelové lano). Příklady různých lan jsou znázorněné na (obr. 2.5)
Obr. 2.5 – Druhy lan podle počtu pramenů 1 - jednopramenné lano otevřené 2 - jednopramenné lano uzavřené 3 - šestipramenné lano s textilní vložkou 4 - více pramenné dvojvrstvé lano
Obr. 2.6 – Značení konstrukce lan dle ČSN [3] 1 – konstrukce 1+6 ČSN 02 4310 2 – konstrukce 6[1+4(4+4)]+v ČSN 02 4347
Vložka je jádro lana vyrobené z vláknin, okolo které jsou uložené jednotlivé prameny. Musí být zpracovaná z nové, ještě nepoužité, pevné a pružné vlákniny. Konstrukce lana je daná upořádáním pramenů v laně a drátů v pramenu. Je uvedená v záhlaví jednotlivých rozměrových norem číselným vzorcem a obrazem průměru lana. Příklad značí (obr. 2.6) Podle nové evropské normy EN 12385 - 2, EN 12385 - 5 a EN 12385 - 1 (všeobecná ustanovení) se značí lana podle následujících vzoru (obr. 2.7).
Obr. 2.7 – Značení lan dle EN [2] Značení jádra lana: FC = jádro vlákna NFC = přírodní vlákno SFC = umělé vlákno IWRC = ocelové jádro
Značení pro stavbu pramene: S = typ pramene Seale W = typ pramene Warrington F = M = typ pramene Crosslay
Povrchová úprava drátů: U = bez úpravy – holý GB = pozinkovaný výplňový drát
Typy vinutí lan: sZ = protisměrné pravovinuté lano zS = protisměrné levovinuté lano zZ = stejnosměrné pravovinuté lano sS = stejnosměrné levovinuté lano
Jmenovitý průměr lana je průměr kružnice, která je opsaná jeho průměru; udává se v mm a označuje průměr lana. Skutečný průměr je největší rozměr lana, který se zjistí měřením posuvným měřidlem v rovině kolmé na osu lana. Správný a nesprávný způsob měření je na obr. 2.8.
Obr. 2.8 – Způsob měření průměru lana [5] - vlevo správná metoda měření, - vpravo špatná metoda měření
2.3
Rozdělení ocelových lan Lana můžeme dělit podle různých hledisek, uvedeme si ta nejdůležitější a
nejzajímavější, která budou účelná pro tuto diplomovou práci. 2.3.1 Všeobecné rozdělení lan podle použití
Podle způsobu použití rozdělujeme ocelová lana na: •
kotvící
•
vázací
•
nosné
•
tažné
•
zdvihací
•
speciální
•
jiné
2.3.2 Rozdělení ocelových lan podle dalších hledisek •
podle povrchu drátů rozeznáváme lana z holých nebo pozinkovaných drátů
•
podle počtu pramenů rozeznáváme obyčejná lana, která jsou vyrobená z jednoho nebo ze šesti pramenů; počet pramenů může být i větší. Prameny mohou být uložené v jedné nebo v několika vrstvách. Jednopramenná lana mohou být otevřená nebo uzavřená; lana otevřená mají povrchovou vrstvu vytvořenou z drátů kruhového průřezu, při uzavřených lanech se tato vrstva skládá z profilových „Z“ drátů.
•
podle způsobu vinutí drátů v pramenech rozeznáváme lana vinutá - klasickým způsobem; dráty jsou vinuté do pramenů s různou výškou vinutí v jednotlivých vrstvách, přičemž v narovnaném stavu mají všechny stejnou délku (obr. 2.9).
Obr. 2.9 – Klasický způsob [3]
- souběžným způsobem; dráty jsou v jednotlivých vrstvách vinuté do pramenů se stejnou výškou vinutí, přičemž narovnané mají dráty různou délku (obr.2.10).
Obr. 2.3.1 – Klasický způsob
Obr. 2.3.2 – Souběžný způsob
Obr. 2.10 – Souběžný způsob [3]
Klasickým způsobem bývají vinuté jednopramenné a šestipramenná lana a lana s trojbokými prameny. Souběžným způsobem jsou vinutá lana konstrukce Seal, Warrington, lana s výplňovými dráty a lana kombinované konstrukce (obr. 2.11).
Obr. 2.11 – Druhy lan vinutých souběžným způsobem [5]
•
podle způsobu práce lana rozeznáváme nepohyblivá lana; jedná se např. o kotvící lana, nosné lana lanových drah apod. Používají se zpravidla jednopramenná lana zhotovená ze silných drátů (např. nosná lana lanových drah jsou jednopramenná uzavřené konstrukce), protože v tomto případě se na ohebnost lana nekladou mimořádné nároky pohyblivá lana; jde např. o lana těžebních strojů, jeřábů, apod. V tomto případě se většinou používají lana šestipramenná (i více) s vložkou. Konstrukce s drátěnou duší se volí tehdy, jestliže je lano při práci vystavené vyšším teplotám, anebo je potřebné dosáhnout maximální nosnost lana bez zvětšení jeho průměru. Jsou však méně ohebná a nemají vnitřní mazání.
2.4
ZÁKLADNÍ MATERIÁL NA VÝROBU OCELOVÝCH LAN
2.4.1 Ocelové dráty
Tvoří nosnou část lana. Na výrobu ocelových lan se ve většině případů používá patentovaný, tažený holý nebo pozinkovaný drát. Výchozím materiálem pro drátovnu je válcovaný drát průměru 5 až 12 mm, vyrobený z uhlíkové, nelegované oceli. Patentování je zvláštní způsob izotermického kalení, spočívající v ohřátí válcovaného drátu na kalicí teplotu asi 920 °C a kalení do olověné nebo solné lázně na teplotu asi 500 °C. Tím se dosáhne velmi jemné perlitické struktury, smíšené s bainitem, velmi houževnaté. Po patentování lze drát na drátotazích i vícenásobně táhnout, např. až do úběru 40% původní průřezové plochy. Lana jsou vyráběna převážně z drátů kruhového průřezu. Vedle uhlíkové oceli se vyskytují i další materiály, které se používají k výrobě lan. Jde především o nerezové oceli, mající až o 15% menší pevnost než lepší uhlíkové a menší odolnost proti abrazivnímu opotřebení, ale naproti tomu jsou mnohem více odolné proti korozivnímu prostředí než uhlíkové oceli. Stejně je na tom i slitina mosaz/bronz/monel. Jako nejmodernější materiál a hitem v poslední době ve výrobě lan se objevil kevlar. V rozborech, kde byla voda prokázána jako velmi korozivní činitel u ponořených částí ocelových lan, kevlarová lana poskytla uspokojivé výsledky. Vlastnosti kevlaru jsou odlišné od oceli, a to v modulu pružnosti, odolnosti proti abrazi a odporu v otlačení. Tyto lana jsou velmi málo odolná proti otěru, tudíž se musí chránit povlakem, obvykle polyetylénovým materiálem. Kevlarové lano se natáhne asi dvakrát tolik jak ocel pod plným zatížením. Z toho vyplývá, že poskytuje vyšší stupeň bezpečnosti a v nejbližší době by se mohlo více rozšířit [7].
Obr. 2.12 – Kevlarové lana [8]
2.4.2 Textilní vložky lan
Na výrobu vložky lana se musí použít nová, ještě nezpracovaná dlouho vláknitá příze. Používá se sisal nebo příze z tvrdých i měkkých vláken. Do lan malých průměrů (<3,55 mm) jsou tyto příze nevhodné, proto se do takových lan používají bavlněné nebo kordové příze. 2.4.3 Mazivo
Vliv prostředí, v kterém ocelové lano pracuje, se projevuje různým způsobem, často vzniká koroze jednotlivých drátů lana. Aby se zabránilo vlivu prostředí a korozních účinků a následujících nežádoucích jevů, je potřebné, aby měla lana spolehlivou ochranu, kterou zabezpečuje dobré mazání povrchu lana i její vložky [9]. Ocelové lano při své práci prochází většinou soustavou kladek, na kterých se ohýbá a tehdy nastává posuv drátů pramenů mezi sebou a v místě vzájemného styku vznikají poměrně vysoké tlaky. Při tomto posouvání je třeba zabezpečit, aby se tento posuv uskutečňoval na mazivu, čímž se maximálně vyloučí otěr jednotlivých drátů. Není podstatné, zda dráty lana jsou holé nebo pozinkované. To proto, že pozinkování chrání dráty v laně před korozí hlavně v neutrálním prostředí, ale nechrání je při kombinovaném namáhání v silně agresivním prostředí. Mazivo ve vložce lana chrání lano před korozí zevnitř po celý čas jeho životnosti. Víme, že nemůžeme míchat různé druhy mazadel či olejů bez toho, aby to
nemělo vliv na kvalitu obou druhů. Duše lan, které se používají, jsou mazané Elaskonem 20, mazadlem, které výrobce v teplotě cca 100 ºC rozpustí, namaže duši lana a po ztuhnutí maziva se duše oplete ocelovými dráty. Nejnovějším mazadlem, které nahrazuje Elaskon 20 a Elaskon 20 BB je Elaskon SK-U. Při práci s lany v mokrém nebo vlhkém prostředí, je potřebné použít mazadlo biologicky lehko odbouratelné. Na to bylo speciálně vyvinuté mazadlo Elaskon NK-S, které v plné míře nahradilo doposud používané mazadlo Elaskon 30 Bio. Při užívaní lan během provozu zabezpečuje mazivo primárně mazání ocelových drátů, čím se zabezpečuje, aby nedošlo ke zkorodování vnitřních drátů dříve, než ke zkorodování a opotřebení vnějších drátů. Vizuální prohlídkou lana by se tato koroze nezjistila. Zjistila by se jen při defektoskopické kontrole lana. Dobře však víme, že defektoskopická kontrola se pro svou finanční náročnost u běžných zdvíhacích zařízení a výtahů nepoužívá. U pohyblivých lan je důležitou úlohou mazání zamezení tření mezi jednotlivými dráty v prameni. Mazivo nesmí být vytlačené, musí pevně přiléhat k drátům a pokrýt všechny místa. V případě nepohyblivých lan je v první řadě kladen důraz na ochranu proti korozi. U těchto lan musí být všechny dutiny v laně vyplněné mazivem, nesmí být vytlačené na povrch a nesmí odkapávat. Vyhodnocení zkoušek mechanických vlastností drátů ocelového lana můžete vidět na obr. 2.13. Všechny uvedené příklady hovoří o důležitosti mazání lan. Správné mazání spočívá mj. v tom, že na lano se nanáší jen velmi jemná vrstva maziva. Tato vrstva se aplikuje pokud možno na suché lano za pěkného slunečného počasí. Čím teplejší prostředí, tím dříve prchavá ředící látka z maziva vyprchá.
Obr. 2.13 – Průměrná pevnost drátů
3. OCHRANA PROTI KOROZI Zajištění takové ochrany, aby po dobu životnosti konstrukce nedošlo k poškozením lana korozí, která by snížila skutečnou nosnost lana a tím bezpečnost konstrukce proti porušení, je nedílnou součástí návrhu lanového prvku.
3.1 Koroze Jde především o znehodnocování materiálu a to je způsobeno chemickým nebo fyzikálně-chemickým působením okolního prostředí. Korozí rozumíme proces vzájemného působení povrchu kovového materiálu a jeho okolí, který vede k nenávratné přeměně materiálu kovového materiálu v nekovový materiál, v tak zvanou reakční zplodinu, znamenající nežádoucí a trvalou ztrátu kovové hmoty. Na průběh koroze má vliv řada faktorů, které označujeme jako činitele korozního procesu. Jsou jimi: vliv materiálu – jedná se o chemické složení, strukturu, nestejnorodost (nehomogenita) složení a struktury, přítomná vnitřní pnutí, stupeň a druh znečištění, a také jakost a čistota povrchu. vliv konstrukce - materiálová skladba (předmět je sestaven z jednoho či více materiálů), jeho utváření (jednoduchý, hladký tvar nebo tvarově členitý tvar s obtížně přístupnými místy s možným ukládáním nečistot, vlhkosti atd.) vliv prostředí - nehomogenita, teplota a teplotní změny, charakter proudění prostředí, na korodující povrch spolupůsobí přítomná tuhá fáze, její fyzikální a chemický charakter, a také přítomné látky korozi podporující (stimulátory) nebo potlačující (inhibitory).
3.2 Koroze ocelových lan Lano před účinky koroze chráníme antikorozní ochranou drátů a doplňujeme ji ochranou lana jako celku. Jedině uzavřené jednopramenné lano je, pokud jde o odolnost proti korozi, označováno za konstrukce výhodnou, s ohledem na uzavření vnitřku lana kompaktní krycí vrstvou ze Z-drátů. Všechna ostatní lana jsou z hlediska koroze jako celek rovnocenná – účinnost krycí vrstvy uzavřených lan jako antikorozního obalu pro jejich jádro nelze přitom přeceňovat. Krycí vrstva není ani vodotěsná, a pokud vnitřek lana není dobře konzervován, může naopak krýt uvnitř vzniklou a pokračující korozi. Důležitou součástí antikorozní ochrany je správná volby takových součástí, které vznik a rozvoj koroze nepodporují.
3.2.1 Lanové dráty
Ve všech případech, kdy je lano vystaveno vlivu povětrnosti, volíme dráty s pozinkovaným povrchem. Požadavek odolnosti drátů proti korozi je spojován s předepsáním minimálního přípustného průměru drátů. Podle normy DIN Navrhování anténních stožárů požaduje kromě silného pozinkování volbu co největšího průměru drátů a jako minimum uvádí 0,7 mm. Naše norma pro navrhování předpjatých ocelových konstrukcí doporučuje volit průměr drátů v lanech vystavených atmosférickým vlivům alespoň 2 mm, nejméně však 1 mm.
V 80% případů přetrhnutí lan to byla právě koroze, která přetrhnutí zapříčinila. Velmi nebezpečná je koroze vnitřních drátů, které se při vizuálních prohlídkách lan nemůže zjistit. Při korozi povrchových drátů se rychle zvětšuje i jejich opotřebení. Postupným zmenšováním nosného průřezu lana dochází k přetěžování, vznikají zlomy drátů, které způsobují až konečné celkové přetrhnutí lana [9].
3.2.2 Lana
Lano z drátů, ať už se zinkovým povlakem, pro použití za vlivu povětrnosti nebo korozního prostředí, nebo holých, je nutno vždy opatřit antikorozní ochranou jako celek. Míru ochrany volíme jako u jiných konstrukčních prvků úměrně působícímu prostředí. Antikorozní ochrana lana se skládá:
z konzervování vnitřku lana z povrchové úpravy lana Konzervování vnitřku lana má prvořadou důležitost – provádí se při výrobě lana jednou provždy, nelze jej prakticky obnovit a jeho stav nelze bez porušení lana kontrolovat. Většinou se konzervuje vnitřek lana zinkochromátovou nátěrovou hmotou. Důležitá je volba správné konzistence nátěrové hmoty, aby si při vyplnění všech dutin mezi dráty zachovala pružnost a soudržnost. Povrchová úprava lana má zajistit dokonalou ochranu konzervovaného jádra před vnějšími vlivy, aby pouze v případě náhodných porušení ochranné vrstvy zabraňovalo samo vzniku a rozšíření koroze. Běžnou povrchovou úpravou lana je krycí nátěr trojnásobnou vrstvou olejové barvy. Na lana vystavená silným účinkům povětrnosti a tvořící přitom hlavní nosný prvek lze doporučit asfaltové nátěry – používají se např. u kotevních lan anténních stožárů nebo u nosných lan zavěšených mostů (francouzská praxe). V zásadě se vyžaduje od všech nátěrových hmot čistota, pokud jde o obsah kyselin, vysoká elastičnost, odolnost vůči teplu a chladu. Dále se vyžaduje trvalá a přirozená přilnavost, odolnost vůči vodě a agresivním vlivům prostředí, chemická neutrálnost a stabilita, nepropustnost struktury nátěrového filmu, odolnost vůči ohni, olejům a tukům. V poslední době se pro vinutá lana a prameny používá na jejich antikorozní ochranu povlak z umělé hmoty.
3.2.3 Lanové prvky
Žádný systém konzervování vnitřku lana nelze pokládat za zcela jistý a žádný systém povrchové úpravy za naprosto dokonalý – to je zásada, kterou třeba uplatňovat při řešení podrobností návrhu antikorozní ochrany. Nutno především věnovat pozornost prohlídkám, aby po nich byla neprodleně zahájena oprava případných malých závad. Nejvíce působí koroze na ocelová lana v lodním průmysle, zejména na lana používané na mořských rybářských lodích. Podle údajů z obr. 3.1 představuje atmosférická koroze menší vliv na dráty než efekt „splash zone“ (účinek vln,...). Na dalším obrázku 3.2 je příklad průchodu závěsů chodníkem na mostě G. Washingtona v New Yorku. Neporušený stav takových míst je nutno udržovat stálou a dokonalou údržbou, zejména čištěním a konzervováním. Je třeba se vyvarovat jakéhokoliv vzniku galvanických dvojic. Za takovou dvojici nutno přitom považovat zejména zinkové povlaky a velké plochy nezinkované oceli. Proto se např. vkládají manžety ze zinkového plechu v místech připojení nebo dotyku negalvanizované oceli s pozinkovanými dráty, aby nedošlo k rychlým úbytkům zinkového povlaku drátů.
Obr. 3.1 – Rychlost koroze v různém vodním prostředí [11]
Obr. 3.2 – Průchod závěsů zavěšeného mostu mostovkou [1]
3.3
TRVANLIVOST, ÚDRŽBA A VÝMĚNA LAN
Životnost lana, tj. doba jeho používání, je závislá na řadě okolností a ve výpočtu lana se s tím také počítá. Proto životnost lan u různých jeřábů je různá (od 1 až 2 měsíců do několika let). Na životnost lan mají v podstatě vliv zvláště tito činitelé: konstrukce lana, průměr kladek, mazání lan, vhodný tvar drážek, směr ohybu, zatížení lana, koroze a zacházení s lany. Tab. 1.0 – Závislost negativních jevů během provozu lan [12]
nebezpečí
ohrožení
koroze
provozní podmínky
opotřebení
iniciace
poškození
prostředí - vlhkost
porušené dráty
škoda
v laně dotyk lano –
zmenšení
přetržení lana,
kladka, jejich
průřezu, zlomy
pád břemen, možný úraz
různý materiál dynamické
kmitání lana,
snížení
namáhání
změny rychlosti
bezpečnosti
Údržba lan je soustředěna v periodických prohlídkách, v čištění a mazání. Při prohlídce se kontroluje počet viditelných zlomených drátů na deset délek vinutí pramene. Dosáhne-li tento počet nebezpečné hodnoty určené normou ČSN 27 0140, musí se lano vyměnit. Při prohlídce se zpravidla lano také čistí od nečistot a zbytků starého maziva. Lano se maže jednak uvnitř, neboť duše je napuštěna mazivem, jednak se musí přimazávat vně. Na přimazání se používá čistých minerálních tmavých olejů prostých kyselin, dostatečně hustých.
4. TECHNICKÁ RIZIKA PŘI PROVOZU OCELOVÝCH LAN Podrobný rozbor technického rizika ocelových lan používaných na různých druzích zdvihacích zařízení ukázal, že je důležité brát v úvahu zejména tři činitele, které nejvíce ovlivňují spolehlivost a tím i riziko jejich provozu [12]. Jsou jimi: skutečná nosnost ocelového lana opotřebení a koroze ocelového lana dynamické namáhání ocelového lana
4.1 Bezpečnost a nosnost ocelových lan Všechny tyto činitele snižují bezpečnost lana, která je počítaná podle vztahu 4.1.1:
b=
kde:
Nm Fst max
(4.1.1)
Nm ... jmenovitá nosnost lana v N nebo kN Fst max ... maximální statické zatížení lana v N nebo kN
Takto vypočítaná bezpečnost je bezpečností teoretickou, její velikost je daná normami a předpisy. Závisí od účelu použití ocelového lana i druhu dopravního zařízení. Požadovaná počáteční bezpečnost pro různá ocelová lana je uvedená v tab. 4.1
Obr. 4.1 – Typické poškození ocelových lan
Tab. 1.1 – Bezpečnost ocelových lan (roky) [9] Druh ocelového lana - použití
Bezpečnost
Tažná lana
6-9
Vyrovnávací lana
5-7
Vodicí a odrazová lana
5-7
Jeřábová lana
3 – 8,5
Výtahová lana
8 – 16
Nosná lana lanovek
3,5 – 4
Tažná lana lanovek
5–6
Lana lyžařských vleků
4–5
Kotevní lana
3,5 - 5
Poměrně vysoké hodnoty bezpečnosti zohledňují výše vzpomínané činitele, které ji během provozu snižují různým podílem. Už při aplikaci lana v provozu je jeho bezpečnost nižší, nakolik je ovlivněná velikostí skutečné nosnosti ocelového lana. Skutečná nosnost lana je menší než nosnost jmenovitá a zjišťuje se zkouškou vzorky lana na tah vcelku (Obr. 4.2)
Obr. 4.2 – Půdorysné schéma zkoušky lana tahem [1]
Na lano osazené do čelistí trhacího stroje a natažené základní silou (20 až 50 kN) podle průměru lana, se připevní pevné objímky a vodicí tyčky s indikátorovými hodinkami pro měření prodloužení. Na středu zkušebního vzorku jsou umístěny ve stejné vzdálenosti další objímky zajišťující měření čistého protažení lana na stejných odměrných délek LE (vesměs to bývá 1000mm). Zatěžování vzorku se provádí po určitých rovnoměrných stupních. Po dosažení přípustného maxima na posledním zatěžovacím stupni provádíme opět po stupních odlehčování. Po ukončení programu tahové zkoušky v navrženém postupu a rozsahu k získání charakteristik prodlužování lana následuje plynulé zatěžování lana až do přetržení (MN). Poměr mezi skutečnou nosností Ns a jmenovitou nosností Nm je tzv. součinitel nosnosti ks (4.1.2)
ks =
Ns Nm
(4.1.2)
Na základě výsledků zkoušek vzorků lan různých konstrukcí je možné při praktickém řešení rizika provozu lan uvažovat s velikostí ks v hranicích 0,70 – 0,95 [13], což znamená, že skutečná bezpečnost lana při začátku jeho provozu představuje jen 70 – 95% velikosti vypočítané bezpečnosti.
4.2 Opotřebování Druhým rizikovým činitelem je opotřebení ocelového lana, které je definované jako úbytek kovového průřezu. Tento úbytek vzniká mechanickým opotřebováním povrchových drátů lana, korozí a zlomy drátů. V našich podmínkách je dovolený maximální úbytek kovového průřezu ocelového lana a tím i jeho nosnosti 20%, v některých státech je maximální hranice úbytku 15 – 17%. Opotřebováním dochází teda k dalšímu snížení vypočítané bezpečnosti, zohledňuje ho součinitel opotřebení ko.
4.3 Dynamické namáhání Z praktických měření vyplývá, že za nejvážnější rizikový činitel během provozu ocelového lana lze považovat jeho dynamické namáhání [12]. Příčiny vzniku dynamického namáhání jsou různé, vhodnou porovnávací veličinou jeho hodnocení je součinitel dynamického namáhání kd, který je dán vztahem (4.3.1)
kd =
kde:
Fst max + ∆Fmax Fst max
(4.3.1)
Fst max ... maximální statická sílá působící na ocelové lano v N ∆ Fmax ... maximální amplituda od maximální statické síly v N
Hodnoty sil potřebných k výpočtu součinitele dynamického namáhání byly získané ze záznamů, příklad záznamu s označenými silami (obr. 4.3) Velikost kd je závislá na režimu pohybu břemena zavěšeného na ocelovém laně. Na různých druzích, zdvíhacích zařízení (jeřáby a tažné stroje) byla zjištěná velikost součinitele dynamického namáhání v rozmezí 1,22 – 3,86. O tento násobek se nám následně zmenší vypočítaná bezpečnost ocelového lana.
Obr. 4.3 – Záznam průběhu sil při dynamickém namáhání ocelového lana
5.
CÍL PRÁCE Předkládaná diplomová práce na téma Provozní predikce životnosti ocelových
lan se soustřeďuje na verifikaci pevnostních charakteristik jednotlivých komponentů (drátů, ocelových lan, které jsou degradovány korozními účinky). S ohledem na vysokou únosnost více pramenných ocelových lan (nosných i tažných), se zde navržená metodika zkoušení zaměřuje na posouzení napěťově deformační charakteristiky Jednotlivých drátů a jejich změnu v rámci korozního opotřebení. Změna deformačního chování ocelových drátů lan z důvodu koroze, charakteristika fragmentace, metodika zkoušení a návrh protikorozní ochrany ocelových lan v prostředí s ionty chlóru a prostředí kyselých dešťů jsou cílem této diplomové práce.
6.
Experimentální část Experimentální měření bylo provedeno na dvou typech lan. Jedno lano je určeno
pro výtahové stroje – nosné lano (fy. Otis ) a druhé je vlečné lano - tažné, které se používá např. u vleků (např. lyžařských, těžebních), strojírenském průmyslu, báňském průmyslu apod.
Obr. 6.0 – Ukázka lanové dráhy
4.4 Zkušební materiál Zkušební materiál byl dán typem použitého lana a je uveden v tzv. hutním atestu lana (obr. 6.1) – u vlečného lana a informačním listu od fy. Otis (obr. 6.2). Hutní atest i informační list (výběr) jsou uvedeny níže.
Obr. 6.1 – Hutní atest vlečného lana
Otis - výtahové lano (informační list): číslo konstrukce lana: konstrukce lana: průměr lana: počet pramenů: počet drátů v laně: počet drátů v prameni: průměr drátů: jmenovitá nosnost lana: jmenovitá pevnost drátů: materiál vložky lana: způsob vinutí: směr vinutí:
6.2
ČSN EN 12385-5 8 x 19S-FC 10 mm 8 152 19 0,4 - 0,65 mm
vlákno protisměrný pravý
Vzorky pro experiment Ocelové dráty o průměru 1,26 mm (velký průměr) a délce 500 mm byly
odříznuty z pozinkovaného ocelového lana o průměru 18 mm. Nejprve však ocelové lano muselo být rozpleteno, protože se skládalo ze šesti pramenů o 13 ocelových drátech různého průměru. Rozpletení bylo provedeno z důvodu snížení zkušební síly. Abychom mohli být při měření objektivní, a mohli porovnávat normálové napětí při jednoosém tahu, byly vybrány pouze dráty o průměru 1,25 mm. Dále byly dráty zbaveny korozních pasivátorů. Na odmaštění byl použit Perchlórethylen. Po roztřídění a odmaštění bylo vybráno 50 kusů ocelových drátů. Dále se ocelový drát musel na obou koncích opatřit nátěrem (S2008) na délce cca 100 mm.
Obr. 6.2 – Ocelové dráty
Nanášení ochranného nátěru bylo provedeno v odsávacím boxu. Poslední úpravou ocelového drátu bylo zahnutí jedné strany ocelového drátu o 180° o průměru 18 mm, délce 50 mm (obr. 6.2). Důvodem ohnutí ocelového drátu bylo jejich zavěšení do korozních boxů na tyče (obr. 6.3).
Obr. 6.3 – Korozní box, tyče, dráty
Obr. 6.4 – Pramen ocelového lana
Obr. 6.5 – Čepy trhacího stroje
Mimo tyto ocelové dráty se připravovaly vzorky pramenů ocelových lan. Prameny se tentokrát nerozplétaly, ale byly použité o délce 1000 mm a 250 mm (metalografie), odmaštěné ve výše uvedeném odmašťovadle a také opatřeny ochranným nástřikem v odsávacím boxu o délce 100 mm. U těchto pramenů se oka dělaly pomocí upínacích svorek. Na každé oko byly použity 2 kusy svorek, celkově tedy 4 kusy na každý pramen ocelového lana (obr. 6.4). Velikost „trhacích ok“ byla navržena podle průměrů čepů trhacího stroje a provedena u všech lan stejná (obr. 6.5). Prameny se následně věšely na tyče pomocí umělohmotných drátků, aby nedocházelo k vzniku galvanického článku (obr. 6.6).
Pro tuto zkoušku bylo použito
6 kusů pramenů
ocelových lan.
Obr. 6.6 – Zavěšené prameny lana
Nářadí a chemikálie, které byly použity k přípravě vzorků jsou: kleště, úhlová bruska, sada klíčů, odsávací box na (ÚTAD MZLU), základní syntetická barva ( S2008), odmašťovadlo (Perchlórethylen), textílie pro odmašťování, délková měřidla, ochranné rukavice a respirátor byly dodány řešitelem.
6.2.1
Korozní degradace
Pro korozní namáhání ocelových lan byly použity komory pro urychlené laboratorní korozní zkoušky v souladu s ČSN. Byly provedeny zkoušky ve dvou korozních prostředích:
- v atmosféře s obsahem S02 - v solné mlze
6.2.1.1
Korozní zkouška v atmosféře s obsahem S02 (ČSN 03 8130) Tato norma platí pro zrychlené laboratorní korozní zkoušky za přítomnosti oxidu
siřičitého a vodní páry.
Obr. 6.7 – Siřičitá komora
Vlhký vzduch obsahující oxid siřičitý u mnoha kovů rychle vyvolává snadno viditelné známky koroze podobající se té, k niž dochází v průmyslových atmosférách. Proto je velmi vhodným zkušebním prostředím pro detekci pórů nebo jiných zdrojů narušení ochranných povlaků a nedostatku korozní odolnosti spojených s nevhodným složením slitiny nebo nevhodnou úpravou. Nedoporučuje se považovat výsledky získané zkouškou za přímou informaci o korozní odolnosti zkoušených materiálů ve všech prostředích, kde tyto materiály mohou být používány. Obdobně platí, že výsledky zkoušky dosažené na různých materiálech nemají být chápány jako přímá informace o relativní korozní odolnosti těchto materiálů v provozu. Podmínky expozice lze měnit tím, že expozice probíhá buď nepřetržitě, nebo v cyklech, při nichž je vzorek střídavě vystaven působení atmosféry obsahující oxid siřičitý a okolní atmosféry. Tato norma nepředpisuje použití konkrétní varianty zkoušky, dobu trvání zkoušky, typ vzorků ani kritéria vyhodnocení. Tyto podrobnosti jsou stanoveny ve specifikaci na příslušný materiál nebo výrobek.
Obr. 6.8 – Vzorky v siřičité komoře
Zkušební komora, nejlépe o objemu 0,252 m3 s hermeticky uzavíratelnými dveřmi, zařízení na regulaci, trubice na přívod plynu, ohřívací zařízení a zdroj oxidu siřičitého. Všechny materiály použité při konstrukci zkušení komory musí odolávat působení vlhkého oxidu siřičitého a nesmějí uvolňovat žádné plyny ani páry, které mohou ovlivňovat korozi vzorků. Dno a spodní část stěn musí mít možnost ohřevu a musí být
schopné udržet nejméně 2,5 dm3 vody obsahující rozpuštěný oxid siřičitý (tento objem je zapotřebí k naplnění zkušebního zařízení). Pro tyto části i pro rám a armatury komory je vhodné použít plátování olovem, ale většina stěn a dvířka mají být zhotoveny z průhledného materiálu, např. ze skla nebo z vhodného plastu. Zkušební komora se musí nacházet v místnosti s čistou atmosférou a musí být chráněna proti velkým a rychlým změnám teploty, silnému přímému slunečnímu záření a průvanu. Zařízení na regulaci teploty s řídícím prvkem umístěným v horní části zkušební komory a s teploměrem, který je možno odečítat z vnějšku komory a jehož nádobka je umístěna 150 mm od stropu a od dvířek a 250 mm od stěny. Ohřívací zařízení umožňující zahřát zkušební komoru během 1,5 hodiny na (40 ± 3 °C) a udržovat uvnitř komory tuto teplotu. Zdroj oxidu siřičitého a zařízení na měření objemu plynu dodávaného do zkušební komory. Obvyklým zdrojem je zásobník kapalného oxidu siřičitého, plyn však lze vytvářet ve vhodném zařízení ze siřičitanu sodného a kyseliny sírové.
6.2.2.2
Korozní degradace v solné mlze (ČSN ISO 9227)
Tato norma pro základní laboratorní zkoušku v mlze roztoku chloridu sodného. Zkouška v mlze roztoku chloridu sodného se používá pro: -
kovy a jejich slitiny
-
kovové povlaky
-
organické povlaky na kovových materiálech
Příprava roztoku chloridu sodného v destilované nebo neionizované vodě o elektrolytické konduktivitě nepřevyšující 20 µS/cm se při teplotě (25 ± 2 °C) rozpustí takové množství chloridu sodného, aby vznikla koncentrace (50 ± 5 g/l). Hustota roztoku o koncentraci (50 ± 5 g/l), při teplotě 25 °C je 1,0225 až 1,0400. Chlorid sodný nesmí obsahovat více něž 0,001 % (hmot.) niklu stanovených atomovou absorpční spektrofotometrií, nebo jinou analytickou metodou obdobné citlivosti. Dále nesmí obsahovat více než 0,1 % (hmot.) jodidu sodného a více než 0,5 % (hmot.) příměsí celkově v přepočtu na čistou sůl. Všechny součásti, které budou ve styku s rozprášenou mlhou nebo zkušebním roztokem, musí být vyrobeny z materiálů, které jsou odolné proti koroznímu působení
rozprašovaného roztoku. Zkušební zařízení (obr. 6.9) se skládá ze zkušební komory, ohřívacího systému, rozprašovacího zařízení a sběrného zařízení.
Obr. 6.9 – Komora se solnou mlhou
Objem zkušební komory musí být nejméně 0,2 – 0,4 m3, horní části komory musí být konstruovány tak, aby kapky rozprašovaného roztoku, které se vytvářejí na jejich povrchu, nestékaly na zkoušené vzorky. Ohřívací zařízení musí udržovat stanovenou teplotu. Rozprašovací zařízení obsahuje přívod čistého vzduchu s regulovaným tlakem a vlhkostí, zásobník roztoku určeného k rozprašování a nejméně jeden rozprašovač. Počet a druh zkušebních vzorků, jejich tvar a rozměry musí být stanoveny v souladu se specifikací pro zkoušený materiál nebo výrobek. Pokud specifikovány nejsou, musí být tyto údaje vzájemně dohodnuty mezi zúčastněnými stranami. Vzorky musí být uspořádány tak, aby nepřišly do styku s vnitřním povrchem komory a aby
zkoušené povrchy byly vystaveny volnému proudění mlhy. Vzorky lze uvnitř komory umístit různě vysoko, avšak ze vzorků umístěných v jedné výšce nebo z jejich držáků nesmí stékat roztok na níže umístěné vzorky. Pro nové zkoušky a pro zkoušky, jejichž celková doba přesahuje 96 hodin, se však připouští rozmístění vzorků v komoře obměňovat. Držáky pro vzorky musí být vyrobeny z interních nekovových materiálů, jako sklo, plasty nebo dřevo, opatřené vhodným povlakem. Pokud je nezbytné zavěšení vzorků, nesmí k tomu být za žádných okolností použít kovový materiál, ale musí se použít syntetická vlákna, bavlněná příze nebo jiný inertní materiál. Zkušební vzorky musí být umístěny v komoře tak, aby nebyly vystaveny přímému postřiku mlhou z rozprašovače. Úhel, pod kterým je povrch vzorku v komoře vystaven působení mlhy, je velmi důležitý (obr. 6.10) .
Obr. 6.10 – Vzorky ocelových lan v solné komoře
Teplota ve zkušební komoře při rozprašování neutrálního a okyseleného roztoku chloridu sodného se doporučuje (35 ± 2 °C) a při rozprašování okyseleného roztoku
chloridu měďnatého se doporučuje teplota (50 ± 2 °C). Kolísání teploty během zkoušky má být v celém zkušebním prostoru co nejmenší. Doba zkoušky odpovídá specifikaci pro zkoušený materiál nebo výrobek. Pokud doba není stanovena, musí být dohodnuta mezi zúčastněnými stranami. Doporučené doby zkoušky jsou 2 h, 6 h, 24 h, 48 h , 96 h, 168 h, 240 h, 480 h, 720 h. V našem případě byly intervaly 1, 7, 14 a 28 dnů. Na konci doby zkoušky se vzorky vyjmou z komory a před oplachem se nechají 0,5 h až 1 h oschnout, aby se snížilo nebezpečí odstranění korozních zplodin. Před kontrolou se z povrchu vzorků pečlivě odstraní zbytky rozprášeného roztoku. Vhodný způsob je opatrně vzorky opláchnout nebo ponořit do čisté tekoucí vody o teplotě nepřesahující 40 °C a poté je ihned osušit proudem vzduchu o tlaku nepřesahujícím 200 kPa ze vzdálenosti 300 mm.
6.2.2
Zkušební systém
Zkoušky v jednoosým tahem byly provedeny na zkušební stroji značky Zwick (obr. 6.12), jehož charakteristické údaje jsou uvedeny na obr. 6.11. Zadané silové hodnoty byly snímány na zapisovači X-Y fy. Philips, který je součástí stroje viz (obr. 6.13). Snímací jednotka je navíc propojena s PC.
Obr. 6.11 – Charakteristické údaje trhacího stroje Zwick
Makroskopické snímky lomových ploch drátů byly snímány mikroskopem Olympus SZ61 s kamerovým systémem Sony ExWave HAD Color Video Camera Digital viz (obr. 6.14).
Obr. 6.12 – Trhací stroj Zwick
Obr. 6.13 – Zapisovač X - Y
Obr. 6.14 – Kamerový systém, PC
6.3
Zkušební metodika Mechanické zkoušky provedené v módu jednoosého tahového napětí byly
rozděleny na zkoušky pramenů ocelového lana a na zkoušky jednotlivých drátků po jeho rozpletení.
6.3.1
Zkoušení ocelových pramenů lan
Jako první
byla provedena zkouška celého pramene ocelového lana
s oky (viz kapitola 6.2), který se vložil do trhacích čelistí, viz (obr. 6.15). Trhací čelisti se uchycují na trhací stroj pomocí příčních čepů a následně závitových pouzder na tenzometrickou hlavu trhacího stroje a jeho příčník. Při takto provedeném experimentu je nutné zamezit zkřížení, případnému rozplétání lana v pracovním prostoru stroje po jeho upnutí. Při křížení může vzniknout možná odchylka od měření vlivem kroutícího momentu. Nastavení probíhá pomocí makro pojezdu příčníku stroje, tak aby nastalo
Obr. 6.15 – Trhací čelisti
Obr. 6.16 – Prokluz pramene lana
napnutí vzorku (lana). Následuje mikro pojezdové vypnutí lana pro nastavení nulové zátěžné tahové síly. První byl zkoušen nezkorodovaný pramen lana. Další byly trhány zkorodované prameny lan se svorkami. První pokus naznačil určité komplikace, které spočívaly v prokluzováním drátu v místě uchycení svorek. I když byly svorky
dotaženy na
maximální možnou hodnotu utahovací síly obou matic, respektive bylo dotahování prováděno i během zatěžování k eliminaci prokluzu nedošlo. Následovaly zkoušky zkorodovaných pramenů. I u těchto lan nastávalo prokluzování a to při nižší úrovni silového působení. Prokluzování pokračovalo i přes velké vrstvy korozní zplodin na koncích lana. I když koroze, jak se později ukázalo měla jen povrchový charakter, rozhodovala o hodnotě zátěžné síly nízká pevnost korozních zplodin. Při prokluzování svorek se koroze snadno odlupovala a za svorkami zůstával jen čistý pramen ocelového lana (obr. 6.16).
6.3.2
Zkoušení jednotlivých ocelových drátů
V druhé etapě zkoušení byly podrobeny verifikaci mechanických vlastností jednotlivé dráty získané (viz kapitola 6.2). Oba druhy drátů, z vlečného i výtahového lana typu dr. Warrington byly zkoušeny s postupnou eliminací prokluzu při jejich upínání. V prvním kroku byl zamítnut postup s přímím upnutím drátu do trhacího čelistí z důvodu vnesení napěťového vrubu na hraně čelistí, který způsobuje přetržení drátu v místě sevření. Z toho důvodu byl u korozně nedegradovaných drátů proveden záplet okolo zátěžného čepu.
Obr. 6.17 – Záplet překřížením – drát tažného lana
Obr. 6.18 – Záplet překřížením – drát nosného lana
I v tomto případě docházelo k postupnému uvolňování, prokluzu drátu. Získané hodnoty síly pro výpočet napětí byly nesprávné. V dalším byl proveden záplet s překřížením drátu, tak aby při dotažení docházelo ke zkracování délky smyčky kolem zátěžného čepu (obr. 6.17).
I tento zkušební postup se jevil jako nevhodný – k přetržení drátu docházelo v místě jeho překřížení. Překřížení způsobovalo zvýšení koncentrace napětí vlivem průměru drátu. Po vědecké konzultaci na ÚFM AV ČR byly navrženy dva nové typy zatěžování drátu se zvýšeným třením v závitových drážkách. Byly navrženy dvě možné metody (obr 6.19 a 6.20), ale realizována byla pouze zkouška osového zatěžování jednoho drátu (obr 6.20 ).
Obr. 6.19 – Metoda č. 1 - nebyla realizována - na levém obrázku je pohled zboku - dva pravé obrázky jsou zepředu
Obr. 6.20 – Metoda č. 2 - realizována ocelový drát se natáčí na čepy
Pozn. metoda č. 1 – nebyla realizována z důvodu podílu dvou průřezů drátu na hodnotě pevnosti, dosažené výsledky by tak nebyly objektivní z důvodu výběrových možnosti. Realizována byla pouze metoda č. 2 Zkušební modul byl vyroben v dílnách ÚTAD MZLU. Jeho prototyp potvrdil závěry rozvahy a výsledky získané tímto postupem lze považovat za korektní.
Obr. 6.21 – Zkouška etalonu – tažné lano
Obr. 6.22 – Zkouška etalonu – nosné lano
Následně byly provedeny zkoušky etalonu modifikované délky, tzn. korozně nedegradovaných drátů z obou typů lan (obr. 6.21) u tažného lana a (obr. 6.22) u nosného lana. Poté proběhly testy zkorodovaných drátů tažného lana v pořadí dle délky korozní expozice. Výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 1.2. Závislosti měnící se zátěžné síly na délce korozní degradace drátu uvádí graf č. 1.
Tab. 1.2 – Výsledky trhacích zkoušek tažného lana
Den odběru
Odběr 1
Odběr 2
Odběr 3
Odběr 4
Odběr 5
1
1,67
1,6
1,57
1,57
1,56
7
1,53
1,5
1,44
1,43
1,43
14
1,43
1,42
1,42
1,39
1,39
28
1,38
1,38
1,36
1,34
1,3
Graf č. 1
KOROZNÍ DEGRADACE TAŽNÉHO LANA 1,8
1,6
Síla potřebná k přetžení drátu ( kN)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 0
1
7
14
28
Délka expozice (dny)
6.3.2.1
Posouzení lomové plochy drátů
Vzhled lomové plochy u obou typů drátů byl proveden na kamerovém systému (kap. 6.2.2). V obou případech se jedná o tvárné porušení čížkovým lomem (obr. 6.23).
Obr. 6.23 - Lomová plocha (tažné lano) - etalon
Obr. 6.24 - Lomová plocha (nosné lano) - etalon
Hloubka osové deformace kalíšku je výraznější u nosného lana (obr. 6.24). Vzhled je ovlivněn výškou obvodového smykového pásu, které je úměrné průměru drátu. Je
zřejmé, že
v obou případech dochází k trojosé deformaci materiálu vlivem
normálového napětí v ose X drátu a Y-Z příčné deformaci (viz Hookův zákon). Hodnoty napětí jsou ovlivněny v maximální míře mikrostrukturou oceli (obr. 6.25).
Obr. 6.25 – Příčný řez pramenem lana
Pozorování metodou světelné mikroskopie ukázalo silně vláknitou strukturu drátu, která je výhodná s ohledem působícího nominálního napětí (obr. 6.26). V příčném řezu je patrná homogenní jemnozrnná struktura následkem zušlechtění materiálu obr (obr. 6.27) (vliv patentování).
Obr. 6.27 – Struktura materiálu příčného řezu
Obr. 6.26 – Protáhlá zrna
Názorný je i příčný řez lanem, který vypovídá o postupu koroze u tažných lan. U výtahových lan nemohlo být metalografické pozorování provedeno z důvodu rychlé korozní degradace (obr. 6.28). U výtahových lan byla z toho důvodu provedena jen kontrola korozního napadení v místě svorek (obr. 6.29), která ukazuje na podíl korozní akcelerace galvanického původu (obr. 6.30).
Obr. 6.28 – Úplná materiálová degradace nosného lana bleskovou korozi
Obr. 6.29 – Korozní napadení v místě svorek
Obr. 6.30 – Korozní akcelerace v místě umístění svorek
Obr. 6.31 – Makroskopický příčný řez
7. VÝSLEDKY MĚŘENÍ A DISKUZE Získané výsledky průběhu měření byly rozděleny do dvou skupin podle původu lana, respektive použitého korozního prostředí.
7.1
Tažná lana
Výsledky z jednoosé tahové zkoušky pro tažná lana uvádí graf č. 1. Z uvedeného grafu je zřejmý pokles síly potřebné k přetržení drátu vlivem délky expozice korozním prostředí. Pokles je viditelný hlavně v úvodu grafu, kde síla potřebná k přetržení poklesla o 5 %. V rámci třetího a čtvrtého odběru je pokles síly nevýrazný. Důvodem k tomu je hloubky korozního poškození drátu, která je zachycena v příčném a podélném řezu lana (obr. 6.25 a 6.31). Na obrázcích je vidět, že korozní poškození se vztahuje jen na povrchové vrstvy drátu a s časem je korozní přírůstek minimální. ( parabolická, respektive kubická závislost přírůstku korozních zplodin za čas). Dosažené silové, resp. Napěťové úrovně vychází ze zkoušek provedené nově navrženým způsobem – metoda č. 2 (obr. 6.20). K porušení drátu docházelo ve všech
Obr. 6.32 - Lomová plocha přetrženého tažného lana - SO2 , 14 dní
případech přibližně v polovině měrné délky, vzdálenosti mezi horní a dolním upínacím modulem. Lomová plocha drátu tažného lana vykazuje tvárné porušení v centrální části (obr. 6.32), které lze označit jako kvazitvárné, se smykovými pásy na okraji. Identický vzhled lomové plochy u etalonů i vzorků z prostředí SO2. Korozní degradace v tomto prostředí byla minimální i po 28 dnech. Byl zaznamenán jen nepatrný pokles času do přetržení drátu, t.j. mírné snížení houževnatosti. Z tohoto důvodu degradace v SO2 nebyla věnována následně taková pozornost jako koroznímu napadení v NaCl. Hloubka tzv. kalíšku je dána značnou pevností drátu, který je tepelně zpracován na horní mez pevnosti přibližně 1550 MPa , podle hutního atestu. Výsledky získané na etalonech jsou v naprostém souladu s výsledky uvedené v hutním atestu lana a lze tedy předpokládat, že tedy i výsledky korozně degradovaných drátů lana lze považovat za směrodatné. Z ohledem na prezentované výsledky lze vyslovit závěr, že materiál lana je korozně odolný zvláště je-li prosycení vložky lana dostatečné při aplikaci technické vazelíny s přísadou inhibitorů tzv. long time inhibitorů sulfatany. Mazání a tedy i korozní ochrana v průběhu používání tohoto typu tažného typu lana není nutné.
7.2
Nosná (výtahová) lana
Korozní namáhání u tohoto typu lana a jeho verifikace je prakticky
Obr. 6.33 - Galvanická koroze v místě svorek - zvyšuje rychlost koroze v místě poškození Zn povlaku
neproveditelná z důvodu bleskové koroze drátů okamžitě po odstranění tukové, mazací vrstvy. Po očištění drátů odmašťovadlem a jejich umístění do komory se solnou mlhou, došlo již v průběhu několika hodin k masivní korozní degradaci. Přibližně po třech dnech expozice již bylo na korozní zplodiny převedena přibližně 50% objemu kovu drátu. Z tohoto důvodu u nosných lan byla provedena pouze kontrola nosnosti jednotlivých drátů (etalonů) pro srovnání s informačním listem. Totéž platí i pro korozní napadení pramenů lana s umístěním svorek. Koroze lan probíhala přibližně stejnou rychlostí, ale v úvodu se projevila akcelerace vlivem galvanické koroze v místě umístění svorky, což je patrné z obrázku (obr. 6.33). Z tohoto důvodu napěťová verifikace pramenů nebyla provedena protože docházelo ke kontinuálnímu vytažení koncové části pramene lana ze svorky, která nepřenášela požadované napětí. U etalonu – pramenu se ani po dotahování během zkoušky nepodařilo zastavit vytahování konců, disfunkce svorky u korozně poškozených vzorků byla ještě markantnější. Únosnost pramene pak byla přímo úměrná sile potřebné ke stažení korozních produktů z povrchu pramene. Korozní poškození probíhalo u tohoto typu v celém průřezu. Tento poznatek vede k závěru, že by nosná, zejména pak výtahová lana nesmí pracovat bez aplikace protikorozní ochrany ( mazání plus konzervace).
Poznámka: Korozní napadení v NaCl se i u zinkových drátů projevuje poklesem únosnosti až o 30% na rozdíl od poklesu tažnosti u vzorků v SO2. Pozornost by si zasloužila verifikace vlastností v jednoosém tahu za zvýšené deformační rychlosti (např. 5ms-1), realizovatelná pro tahovou zkoušku na upraveném Charpyho kladivu nebo na tzv. rychlém tahovém stroji ( Zwick-Roell), kde se rychlost příčníku pohybuje okolo ms-1.
6
8. Závěr Předložený
diplomový
projekt
s názvem
PROVOZNÍ
PREDIKCE
ŽIVOTNOSTI OCELOVÝCH LAN, vytváří ucelený soubor poznatků z oblasti konstrukčního prvku, kterou je aplikace ocelových lan. Použití lan, jako jedné z nejstarších a nejzákladnějších kinematických dvojic (dokonale ohebné lano!) je v mnoha směrech podrobně popsáno v odborné literatuře (viz. teoretická část práce). Praktické poznatky spolu s experimentální verifikací zaměřenou do oblasti ovlivnění funkce ocelových lan v kryptopodmínkách, které modelují působení reálného pracovního prostředí, by měly doplnit znalosti z provozní degradace lan.
Diplomovou práci lze popisně rozdělit ne dvě samostatné, ale úzce související části. Je to kompilační část a část popisující realizaci experimentálních záměrů v rámci splnění cílů práce dle navržené zkušební metodiky.
Rešeršní část práce je cíleně zaměřena na vytvoření uceleného souboru poznatků z (ze):
-
historie a vývoje v aplikaci lan obecně a lan ocelových,
-
detailní rozdělení nejfrekventovanějších druhů lan a osvětlení konkrétních hledisek pro jejich praktické posouzení v rámci tohoto dělení,
-
akceptabilní materiály pro výrobu ocelových drátů, vložek lan i jejich provozní ochrany,
-
korozní degradace ocelových lan z největších světových zkušeben,
-
provozní
degradace
ocelových
lan
v podmínkách
statického
a
kvazidynamického zatěžování.
Substruktura experimentální části DP je tvořena popisem vlastních měření a jejich detailnímu odbornému rozboru. Zahrnuje poznatky z (ze):
-
výběru materiálů zkušebních vzorků z pohledu nejširšího použití,
-
přípravy zkušebních vzorků v rámci navržené metodiky zkoušení jednoosým tahem,
-
popis korozního zatížení vzorků v rámci urychlených korozních zkoušek,
-
problematiky zkoušení pramenů a drátů lan tažných i nosných v dodaném stavu při použití „běžné“ měřící techniky,
-
návrhu a realizace zkušebního modulu pro zkoušení drátů ocelových lan,
-
postupu zkoušení korozně degradovaných lanových pramenů a drátů na stejném zkušebním zařízení,
-
metalografické a faktografické analýzy materiálu a podmínek výsledné fragmentace,
-
souhrnné diskuze získaných výsledků v průběhu měření pramenů a drátů jednoosým tahem.
Diplomová práce v rámci komplexního splnění stanovených cílů svými výsledky přináší do technické praxe poznatky z oblasti zkoušení korozně poškozených lan v nespecifických podmínkách, tzn. v dostupných laboratořích, které nedisponují zkušebními stroji se zátěžnou sílou řádově v meganewtonech. Dalším výstupem je potvrzení nebezpečnosti korozní degradace u nosných, nezinkovaných ocelových lan, kde nedodržení bezpečnostních předpisů z hlediska zamezení korozní degradace může mít fatální ekonomické, ale i společenské následky.
LITERATURA
[1] SPAL, Luděk. Ocelová lana ve stavebních konstrukcích. Praha, SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1971. 124 s. 04-708-71. [3] SZOJKA, Ladislav. Údržba ocelových lan. Bratislava, Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry ALFA, 1982. 110 s. 63-155-82. [9] BOROŠKA, Ján. – Hulín, J. – Lesňák, O. Oceľové laná. Bratislava, ALFA, 1982. 480 s. [12] BOROŠKA, Ján. Technické riziká prevádzky oceľových lán zdvíhacích zariadení, Zdvíhací zařízení v teorii a praxi: sborník přednášek mezinárodní konference: Brno, 20 - 21. 5. 2003. Brno, 2003. [13] BOROŠKA, Ján. - SINAY, J. - ŠTROFFEK, J. Oceľové lano ako objekt technického
rizika.
In.:
Výskum,
výroba
a použitie oceľových
lán.
Vydavateľstvo Štroffek, 1996. s. 11 – 16. [14] ŠADEROVÁ, J. – RITÓK, J. Stanovenie súčiniteľa dynamického namáhania lana. In.: Vývojové trendy v mechanizačnej a dopravnej technike pri ťažbe surovín. Vydavateľstvo Štroffek, 1997. s. 217 – 220.
Zdroje z webovských stránek:
[2]
URL:
http://www.drako.com/en/Lieferprogramm/lieferprogramm.html
[online]. [cit. 7. 6. 2006] [4]
URL:
[online]. [cit. 7. 6. 2006]. [5]
URL:
[online]. [cit. 7. 6. 2006]. [6] URL: [online]. [cit. 8. 6. 2006]. [7] Rope Construction and Materials. Chapter 2. 1998. [cit. 9. 6. 2006]. Dostupné z
3200/c-2.pdf>. Vyžaduje Adobe Acrobat. [8] URL: [online]. [cit. 9. 6. 2006]. [10] URL: [online]. [cit. 9. 6. 2006].
[11] Wire Rope and E.M. Cable Lubrication. Chapter 6. 1998. [cit. 9. 6. 2006]. Dostupné z . Vyžaduje Adobe Acrobat.
PŘÍLOHY
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Obr. 1.0 – Ukázka ocelových lan Obr. 1.1 – Visutý most Obr. 1.2 – Lanová dráha Obr. 1.3 – Brooklyn bridge Obr. 2.1 – Řez ocelovým lanem Obr. 2.2 – Ocelové lano Obr. 2.3 – Druhy pramenů Obr. 2.4 – Směry vinutí pramenů Obr. 2.5 – Druhy lan podle počtu pramenů Obr. 2.6 – Značení konstrukce lan dle ČSN Obr. 2.7 – Značení lan dle ČSN Obr. 2.8 – Způsob měření lana Obr. 2.9 – Klasický způsob vinutí Obr. 2.10 – Souběžný způsob vinutí Obr. 2.11 – Druhy lan vinutých souběžným způsobem Obr. 2.12 – Kevlarové lano Obr. 2.13 – Průměrná pevnost Obr. 3.1 – Rychlost koroze v různém vodním prostředí Obr. 3.2 – Průchod závěsu zavěšeného mostu mostovkou Obr. 4.1 – Typické poškození ocelových lan Obr. 4.2 – Půdorysné schéma zkoušky lana tahem Obr. 4.3 – Záznam průběhu sil při dynamickém namáhaní ocelového lana Obr. 6.0 – Ukázka lanové dráhy Obr. 6.1 – Hutní atest vlečného lana Obr. 6.2 – Ocelové dráty Obr. 6.3 – Korozní box, tyče, dráty Obr. 6.4 – Pramen ocelového lana Obr. 6.5 – Čepy trhacího stroje Obr. 6.6 – Zavěšené prameny lana Obr. 6.7 – Siřičitá komora Obr. 6.8 – Vzorky v siřičité komoře Obr. 6.9 – Komora se solnou mlhou Obr. 6.10 – Vzorky ocelových lan v solné komoře Obr. 6.11 – Charakteristické údaje trhacího stroje Zwick Obr. 6.12 – Trhací stroj Zwick Obr. 6.13 – Zapisovač X – Y Obr. 6.14 – Kamerový systém, PC
• • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Obr. 6.15 – Trhací čelisti Obr. 6.16 – Prokluz pramene lana Obr. 6.17 – Záplet překřížením – drát tažného lana Obr. 6.18 – Záplet překřížením – drát nosného lana Obr. 6.19 – Metoda č. 1 Obr. 6.20 – Metoda č. 2 Obr. 6.21 – Zkouška etalonu – tažné lano Obr. 6.22 – Zkouška etalonu – nosné lano Obr. 6.23 – Lomová plocha (tažné lano) – etalon Obr. 6.24 – Lomová plocha (nosné lano) – etalon Obr. 6.25 – Příčný řez pramenem lana Obr. 6.26 – Protáhlá zrna Obr. 6.27 – Struktura materiálu příčného řezu Obr. 6.28 – Úplná materiálová degradace nosného lana bleskovou korozi Obr. 6.29 – Korozní napadení v místě svorek Obr. 6.30 – Korozní akcelerace v místě svorek Obr. 6.31 – Makroskopický příčná řez Obr. 6.32 – Lomová plocha přetrženého tažného lana – SO2, 14 dní Obr. 6.33 – Galvanická koroze v místě svorek
• • •
Tab. 1.0 – Závislost negativních jevů během provozu lan Tab. 1.1 – Bezpečnost ocelových lan Tab. 1.2 – Výsledky trhacích zkoušek tažného lana
•
Graf č.1 – Korozní degradace tažného lana
