Znovuvyužití existujících ocelových mostních konstrukcí z pohledu diagnostiky

Tento článek popisuje poznatky a zkušenosti, získané při posouzení mostu „Malá Hrabovka“, vyrobeného v roce 1991 – 1992 při jeho znovuvyužití pro novou mostní konstrukci v km 4,103 trati Děčín – Jedlová. Jde zejména o rizika, spočívající v nedostatečné kvalitě původního základního materiálu.

Na základě objednávky SŽDC s. o. v první fázi probíhalo vizuální hodnocení mostu a dodaných podkladů zhotovitele, firmy Metrostav i projektanta, firmy TOPCON Servis s. r. o. Zde se jednalo zejména o zhodnocení vad prováděných pod protikorozní ochranu. V další fázi došlo ke zjištění vnitřních vad v základním materiálu, které nakonec vedly k rozhodnutí pro nový most nepoužít existující NK. Z původní NK byly následně získány materiálové vzorky, které byly podrobeny laboratorní analýze. Výsledky zkoušek jsou v tomto článku uvedeny a komentovány.

POPIS MOSTNÍ KONSTRUKCE A NÁVRH JEJÍ REKONSTRUKCE

Nová nosná konstrukce mostu v km 4,103 je navržena jako celosvařovaná s trámovými hlavními nosníky výšky 3 800 mm s proměnnou tloušťkou pásnic, L = 40,9 m. Hlavní nosníky a část zárodků příčníků jsou použity z vytěženého mostu „Malá Hrabovka“, původního rozpětí 42,5 m, tento most byl uložen na složišti SŽDC. Horní i dolní pásnice jsou z plechu 40 × 500 mm v krajní části, 50 × 500 mm ve střední části. Obě pásnice jsou navrženy zesílit lamelami šířky 440 mm. Osová vzdálenost hlavních nosníků je 6,76 m. Původní prvková mostovka bude nahrazena novou dolní, ortotropní. Novou mostovku představuje ocelový žlab kolejového lože navržený jako ortotropní konstrukce s příčníky a s podélnými výztuhami. Celková hmotnost nosné konstrukce je 86,8 tun oceli nové + 94,2 tun oceli z výzisku, dohromady 181 tun.

PŘÍPRAVA PODKLADU PRO PROTIKOROZNÍ OCHRANU

V prvním kroku byla provedena zhotovitelem podrobná prohlídka konstrukce, a následná obhlídka původní konstrukce řešitelem, dále pak zjištění vad, které se vyskytovaly na povrchu a jsou pro kvalitní PKO nepřípustné. Jednalo se zejména o:

• stopy po sekání, broušení, neukončené svary, nezabroušené hrany, zbytek elektrody od svařování,
• souvislý a nesouvislý zápal, rozstřiky, povrchové póry, neúplné vyplnění svaru a vadné napojení, nedovařené svary, pórovitost svarů.
• příčné poškození horního povrchu horní pásnice a další dílčí poškození.

Tyto vady lze odstranit, je to však nákladné a zadávací dokumentace musí na tyto činnosti obsahovat odpovídající položky (což je však obtížné, pokud je konstrukce špatně přístupná a vady jsou skryty PKO a objeví se až po otryskání). Pro kvalitní provedení PKO je pak nutné dostatečně připravit podklad, tedy odstranit původní nátěrový systém, který zde byl atypický:

• metalizace cca 300 – 400 μm,
• nátěrový systém 100 μm.

Velmi atypická je velmi silná vrstva metalizace, která do určité míry i skrývá některé vady na ocelové konstrukci. Takto vysoká tloušťka je z hlediska odstranění problém, vyžadující opakované a velmi zdlouhavé tryskání. To lze provést třemi způsoby, které zhotovitel ověřoval:

• tryskání suchým křemičitým pískem,
• tryskání vodním paprskem WJ tlaku 2300 Bar,
• tryskání ocelovou ostrohrannou drtí GH25+GH40.

Na základě zkoušek se ukázalo, že tryskání vodou je reálné, nicméně nezajistí dostatečnou drsnost podkladu pro provedení nátěrů a je časově náročné. Tryskání pískem nedokázalo odstranit původní metalizaci. Jedinou variantou, která odstraní původní metalizaci a zajistí přijatelný kotevní profil, bylo tryskání kovovou drtí, nicméně důsledkem je několikanásobná (cca 3 – 4×) časová náročnost oproti odstranění běžné PKO, kde vrstva metalizace je cca 100 μm. I po tryskání abrazivem je nereálné zajistit kotevní profil a potřebnou drsnost pro aplikaci nové metalizace, kde jsou požadavky na drsnost větší než v případě nátěrového systému. Bylo dosaženo pouze drsnosti BN9a a na existující NK tak bylo možno aplikovat pouze nátěrový systém.

ZJIŠTĚNÍ VNITŘNÍCH VAD A NEHOMOGENIT

Již ve výrobě bylo zhotovitelem zjištěno, že po dělení a opracování plechů a při kontrole svarů se na konstrukci vyskytují vnitřní nehomogenity, a to zejména v silných plechách přibližně uprostřed jejich tloušťky. Vady vizuálně odpovídaly plošným trhlinám rovnoběžným s plochou plechů. Tyto vady byly velmi četné a mnohonásobně překračovaly povolené vady základního materiálu. Na základě nejasného vzniku vad, jejich dopadu do únosnosti konstrukce, nejasnostem a problémům s nedodržením technologických postupů, požadavků TKP a ČSN EN 1090-2 bylo nakonec rozhodnuto upustit od použití existujících nosníků původního mostu, a to i z důvodu, že výrobce nemohl objektivně přebrat záruku za materiál těchto parametrů.

Zde je třeba rovněž upozornit na to, že rozsah a charakter vad byl nepřípustný i podle norem, platných v době výroby mostu, tedy tyto vady neměly projít kontrolou. Z tohoto pohledu je i uvedený rozsah vad nečekaný a nepředpokládaný.

Následně byly z konstrukce odebrány zkušební vzorky, které byly předány k dalšímu zkoumání Fakultě stavební ČVUT v Praze.

V oblasti vnitřních vad byly na vzorcích plechu provedeny tyto zkoušky:

• MPM – magnetická paměť materiálu (Ing. Svoboda, Preditest s. r. o.)
• PA – Phased Array (R. Pokorný, RTD QUALITY SERVICES, s. r. o.)
• Metalografická analýza makro a mikrostruktury (Ing. Kec, SVÚM a. s.)

Měření metodou MPM ukázalo, že na vzorcích nejsou žádné SCZ (stress concentration zones), což víceméně vylučuje existenci vnitřních trhlin vzniklých v důsledku únavového poškození.

Skenování metodou PA ukázalo, že uvnitř materiálu existuje velké množství nehomogenit, nalézajících se ve střední části plechu. Pokrývají cca 50 % plochy plechu, jak je vidět na obr. 4.

Na základě těchto zjištění byly vzorky převezeny do firmy SVÚM a. s., kde bylo provedeno podrobné metalografické zkoumání makro a mikro struktury a mechanické zkoušky.

Celkem vylo vybráno cca 10 vzorků materiálu v místech, vytypovaných PA. K metalografické analýze byl použit světelný mikroskop Zeiss Axio Observer.

Z obrázku plyne, že zhruba od 1/3 tloušťky roste četnost nekovových vměstků. Při detailnějším studiu bylo zjištěno, že se jedná o sulfidické a oxi‑sulfidické inkluze dlouhé až několik milimetrů. Kromě toho byly ve struktuře pozorovány dlouhé uskupení hlinitanových inkluzí a mikropórů.

Mikrostruktura vzorku je velmi jemnozrnná feriticko‑perlitická. Equiaxiální tvar svědčí o výskytu masivního feritu s rovnoměrnou velikostí po celé tloušťce plechu. Velikost feritických zrn odpovídala vzoru 9,5 až 10, hodnoceno dle ČSN EN ISO 643. Perlit je ve struktuře vyloučen po řádcích, což bude velmi pravděpodobně způsobovat anizotropii vlastností materiálu. Perlit má lamelární morfologii, kde se střída lamela feritu a lamela cementitu. Lze předpokládat, že tyto inkluze jsou důsledkem nedokonalého procesu válcování.

Je tedy jednoznačné, že ultrazvuková echa indikovaly nekovové vměstky a mikrodiskontinuity. Je také důležité poznamenat, že některá echa mohly indikovat výraznější perlitické pásy, které byly nalezeny během mikrostrukturních analýz.

Poslední otázkou bylo zjistit, zda a jak, nebo v jakém rozsahu mají zjištěné nehomogenity vliv na mechanické vlastnosti oceli. Pro zjištění odpovědi byly provedeny následující zkoušky:

• zkouška tahem za pokojové teploty na zkušebním stroji INSTRON 1185 řízeným deformací,
• zkouška rázem za ohybu při –20 °C podélně a příčně na směr válcování.

Pro zkoušku tahem byly provedeny vzorky se závitovou hlavou a průměrem dříku 4 mm. Vzorky byly odebrány kolmo k rovině plechu, tedy ve směru tloušťky plechu (T‑S).

Tab. 1 – Výsledky zkoušky tahem

Tab. 2 – Výsledky zkoušky tahem – v rovině plechu

Z předložených vzorků je patrné, že obsahují výraznou mez kluzu, která je však nižší než základní hodnota 345 MPa. U ostatních hodnot, jako je mez pevnosti, tažnost a kontrakce je v hodnotách značný rozptyl. Je jednoznačné, že tento vliv je způsoben rozdílným obsahem nekovových inkluzí, neboť střední rozměr rovnoosých důlků je nepřímo úměrný množství potenciálních indikátorů, zde nekovových vměstků.

Výsledky lze porovnat se standardními zkouškami odebranými ve směru válcování plechu. Je patrný velmi překvapující negativní efekt manganových vměstků a orientace vzorků na všechny hodnocené parametry během tahové zkoušky, viz tab. 2.

Lomové plochy všech vzorků byly analyzovány na SEM, makromorfologicky vykazují vrstevnatost bez výrazných plastických deformací. Propagace lomu probíhala v rovinách kolmých na hlavní zatížení. Při větším zvětšení lze pozorovat lupínky sulfidických vměstků.

Zkouška rázem v ohybu byla provedena na tělesech rozměru 10 × 10 × 55 mm s V‑vrubem, vzorky byly odebrány podélně (L‑T) a příčně (T‑L) na směr válcování. Výsledky ukazují, že hodnota absorbované práce ve směru válcování je poměrně dobrá, nicméně v případě vzorků kolmo na směr válcování tato práce klesá. Nicméně, hodnoty vrubové houževnatosti i tak splňují požadavky kladené na ocel S355J2.

Tab. 3 – Výsledky zkoušky rázem v ohybu, teplota –20 °C

Na lomové ploše vzorků T-L lze pozorovat větší podíl křehkého porušení, sníženou plasticitu materiálu a nižší boční rozšíření vzorků. Při detailním studiu pak lze pozorovat štěpné fasety s říčkovitými stupni, mimo oblast s křehkým porušením pak jamkovitou morfologii s různou hloubkou a velikostí dutin. Někde lze nalézt mikrodelaminace, uvnitř kterých lze nalézt sulfidy (MnS).

ZÁVĚR

Výsledky výzkumu ukazují, že zjištěné vnitřní nehomogenity mají vliv na mechanické vlastnosti oceli. Tento vliv je významný zejména pro namáhání kolmo ke směru materiálu, kdy dochází ke snížení meze kluzu a současně i tažnosti a redukci meze pevnosti. Pro namáhání ve směru materiálu byl dopad též pozorován, nicméně byl výrazně nižší.

Lze konstatovat, že pro rozhodnutí o možném využití materiálu je zásadní způsob namáhání. Pokud bude plech namáhán prioritně ve své rovině (jak externím namáháním, tak i vlivy od svařování), nedojde k zásadní změně konstrukce (ve smyslu významnějších úprav, rozpalování a úpravám tvaru v mostárně), která nevykazuje vady a poruchy, tak lze konstrukci i s uvedenými vadami dále využít. Využití je samozřejmě podmíněno podrobným diagnostickým průzkumem, který musí obsahovat zjištění stavu PKO s ohledem na její odstranění a novou aplikace a diagnostiku vnitřních nehomogenit, a to pro plechy tloušťky nad 30 mm. Doporučuje se využití metody PA a MMM.

V případě, že by plechy byly namáhány dodatečně vlivem úprav kolmo k jejich rovině jak externím zatížením (křížové a T styky), tak i namáháním od svařování (zejména navařené prvky a výztuhy či jiné plechy kolmo k rovině plechu), pak může dojít k delaminaci plechu. V tomto případě se doporučuje nahradit původní plech novým bez uvedených vad.

PODĚKOVÁNÍ

Příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu DG18P02OVV033 Metody pro zajištění udržitelnosti ocelových mostních konstrukcí industriálního kulturního dědictví podporovaném Ministerstvem kultury ČR.

LITERATURA:
[1] Ryjáček, P., Posouzení stavu NK mostu v km 4,103 s ohledem na charakter a způsob odstranění vad.
[2] Svoboda, J., Kontrola tří vzorků ocelových plechů metodou MPM (Magnetická Paměť Materiálu), Protokol č. 02-5-1130/18-MPM
[3] Pokorný, R., Kontrola vzorků metodou UT-PA (Malá Hrabovka), Zpráva 6385/01/2018
[4] Poloch, A., Kec, J., SVÚM a.s.: Hodnocení makro a mikrostruktury plechů s vnitřními indikacemi, 2018
[5] Poloch, A., Kec, J., SVÚM a.s.: Hodnocení mechanických vlastností plechů s vnitřními delaminacemi, 2019

Autor:
doc. Ing. Pavel Ryjáček, Ph.D. a kolektiv řešitelů
Fakulta stavební ČVUT v Praze