Breukmechanische beproevingen van Lasverbindingen. Februari 2015 G.M. van Krieken IWE

Transcriptie

1 Breukmechanische beproevingen van Lasverbindingen Februari 2015 G.M. van Krieken IWE

2 Geschiedenis - Start in Venezuela 1948 P. Schelte Heerema, oprichter Venezuela Heerema Constructora De eerste offshore booreilanden geinstalleerd in Lake Maracaibo

3 Geschiedenis 1960 Noordzee

4 Introductie Heerema On- and Offshore Engineering & Fabrication Contractor Offshore Transport & Installation Contractor

5 Heerema Fabrication Group Activiteiten - Ontwerp, inkoop en fabricage van zware staal constructies (Offhore) Faciliteiten - Binnen en buiten fabricagemogelijkheden met toegang tot open zee Locaties - Fabricagewerven rond de Noordzee in Zwijndrecht, Vlissingen en Hartlepool (UK) - Fabricagewerkplaats in Opole (Polen) - Engineering kantoor in Zwijndrecht

6 Heerema Marine Contractors Activiteiten Vloot - Offshore heavy-lifting, diepwater en subsea installatie services - Engineering en Project management. - Vier SSCV s/dcv s - Vracht en lanceer pontons - Anker sleepboten en bijbehorend equipment Locaties - Leiden (NL), Houston (USA), Luanda (Angola), Lagos (Nigeria), Singapore, Perth (Australia) en Mexico city (Mexico)

7 Heerema Group - Locaties Groningen The Hague Zwijndrecht Leiden Vlissingen Hartlepool Opole New Orleans Houston Geneva Mexico City Lagos Singapore Vilahermosa India Luanda Perth Rio de Janeiro

8 HMC - Vloot THIALF Deepwater Construction Vessel with the largest crane capacity in the world (14,200 mt). BALDER Deepwater Construction Vessel equipped with the largest capacity J- lay tower for deepwater pipelaying HERMOD Semi Submersible Construction Vessel with a crane capacity of 8200 mt AEGIR Deepwater Construction Vessel equipped with the J-lay tower for deepwater pipe laying Tugs & Barges A fleet of cargo and launch barges between 300 ft and 851 ft length. The H-851 being the largest launch barge in the world.

9 HMC s Kern taken Heavy Lifting platform ontwikkeling ontmanteling Installatie van vaste jackets in de Noordzee Installatie van gehele topsides platvormen Thialf: installing topsides onto the Norsk Hydro Grane platform in the North Sea 9

10 HMC s Kern taken Floatovers Floatover of the Malampaya Deck for Shell in the Philippines Floatover of East Area 1B offshore Nigeria executed in 2007 Floatover of Arkutun Dagi (to be installed 2013, Russia) 10

11 PPD Pipeline Production Department Balder - J-Lay Aegir - J-Lay + Reeling

12 PPD disciplines Lassen Niet Destructief Onderzoek Coaten

13 Heerema Ichthys project

14 Klantspecificaties CTOD SENT J-Factor JR-curven SENB ECA Wide plate testen Fitness for purpose

15 Inhoud Geschiedenis breukmechanica Inleiding breukmechanica Breukmechanische testen Pauze Uitvoering breukmechanische beproeving Toepassingen

16 Doel breukmechanische beproeving Voorspellen materiaalgedrag Specifiek het fenomeen brosse breuk Voorkomen van falen constructies en ongelukken

17 Titanic ( )

18 Brug bij Hasselt, Albertkanaal (1938)

19 SS John P Gaines (Liberty schip) (1943) Geheel gelast tankschip brak doormidden tijdens proefvaart Oorzaken: ontwerp, staalkwaliteit, slecht laswerk, overbelasting en slecht weer (watertemp. 4 C en luchttemp. -3 C)

20 Oorzaken Berekening op basis van sterkte Klinkverbinding lasverbinding Opleidingen voor lasser? Lastechniek in de kinderschoenen

21 Oorzaken Vermoeiing Invloed materiaaleigenschappen Geometrie Kennis breukmechanica

22 Leonardo da Vinci ( ) Experimenten met een metaal draad, kracht en lengte Zand valt in de emmer Als de draad breekt stopt het zand Breekpunt kan berekend worden Test werd herhaald met verschillende materialen En verschillede draadlengten Leonardo: lengte van de draad had invloed op de weerstand tegen breuk

23 Geschiedenis Kwantitatief Begrip Da Vinci (1500) Tot ca was het fysische mechanisme en de drijvende kracht achter breuk en scheurgroei niet bekend. Ontwerpen en berekeningen op basis van sterkte Veiligheidsfactor (groot) Grand Palais, Paris Overblijfsel wereld tentoonstelling 1900

24 Tay Bridge disaster (1897) Spoorbrug Ingestort met trein tijdens storm Wind belasting factor was vergeten Giet- en smeedijzer

25 Ontdekking Griffith (World War I) De spanning nodig om bulk glas te breken is 100 Mpa De theoretische spannning nodig om de binding tussen de atomen te verbreken is Mpa

26 Ontdekking van Griffith (World War I) Ontdekking microscopische gebreken - lage breuksterkte - afhankelijkheid afmetingen op sterkte Eerste experimenten met proefstuk met defect

27 Irwin ( ) Defineert de plastische zone aan scheurtip De plastische zone neemt toe met toename van de opgelegde kracht totdat het materiaal breekt Achter de scheurtip ontlaat of relaxed het materiaal

28 Kwantitatief begrip Griffith (World War I) - Energie balans benadering analyseren van een eliptisch gat met onstabiele scheurgroei op glasproefstukken Irwin (Word War II) - Vervolg op Grifith testen met metalen introduceerde de effecten van plasticiteit Paris (1960 s) - Inniteerde onderzoek naar vermoeiingsscheuren Wells and Rice ( ) - Ontwikkelde berekeningen van niet-lineair materiaal gedrag bij de scheurtip. - Ontwikkelde CTOD en J-integraal methoden

29

30 start scheur

31 Scheur

32 Breukmechanica Scheur initiatie - Ontstaan Scheur groei Langzaam stabiel of snel en onstabiel Kritische scheurlengte

33 Schematisch Scheur initiatie kerf, kras lasdefect

34 Scheurtip

35 Scheur initiatie aan de rand Scheurlengte: 7,25mm Kunststof proefstuk met monochromatisch licht

36 Ingesloten scheur Kunststof proefstuk met monochromatisch licht

37 Kritische scheurlengte Scheurlengte net voor falen / instorten constructie of component

38 Scheurgroei Langzaam en stabiel, stopt na verwijderen belasting Snel en onstabiel, brosse breuk

39 Quasi-stabiele scheuruitbreiding Constante belasting en bijzonder omstandigheden Spanningscorrosie, corrosief milieu Kruip, hoge temperatuur Vermoeiing, variërende belasting Corrosie-vermoeiing Spanningscorrosie

40

41 Breukgedrag Taaie breuk Brosse breuk

42 Linear elastische- en elastich-plastisch breuk mechanisme

43 Verschil taai - bros SPANNING BROS MATERIAAL TAAI MATERIAAL OPGENOMEN ENERGIE Taaiheid REK

44 Taaie breuk Overbelasting tijdens gebruik Verkeerd materiaal Onvoldoende sterk ontwerp Verzwakking van het materiaal Etc.

45 Taai - Macroscopisch Grote macroscopische vervorming Cup-cone breuken, bij loodrechte belasting Verse breukvlakken: dof grijs mogelijk ruw uiterlijk

46 Microscopisch (elektronen microscoop)

47 Brosse breuk - Splijtbreuk Trekkracht groter dan bindingskracht atomen Geen plastische vervorming Hoge scheurvoortplantingssnelheid Breukvlak vaak glinsterend uiterlijk Breukvlak relatief vlak

48 Macroscopisch Nauwelijks vervorming breukvlakken Breukvlakken zijn vlak, soms ridges zichtbaar, Geen verdere afwijkingen zichtbaar

49 Microscopisch

50 Voorbeeld brosse breuk Drukvat Tijdens hydrostatische test met koud water Materiaal verbroste

51 Kerfslagproef?

52 Kerfslagproef en relatie brosse breuk? Liberty schepen: relatie tussen kerfslagwaarde en brosse breuk? kerfslagproef = voorspellen brosse breuk? Experimenten met verschillende type kerfslagstaven (V-kerf, U-kerf) Geen relatie brosse breuk en kerfslagwaarde Geen verhouding taai-bros als functie van temperatuur Geen relatie laterale expansie

53 Zoektocht andere testmethoden Proefstuk met een scheur erin Testen met trek- of buigbelasting Testmethode afhankelijk van materiaalgedrag, bros taai, Lineair elastisch (brosse materialen) Elastisch-plastisch (taaie materialen)

54 Pre-cracking Scheur nodig met scherpe tip Door voor-vermoeien Realiteit benaderen Begin scheurtip vrij van: - reststpanningen - harding - plastische vervorming

55 CTOD (Crack Tip Opening Displacement) SENB (Single-Edge Notched Bending) Historisch eerste breuktaaiheids test Door Wells tijdens studie aan constructie staal Kerf flanken openen zich meten Na breuk ontstaat ronde kerf t.g.v. plastische deformatie

56 CTOD Proefstuk is gelijk aan dikte gebruikt materiaal In Europa als defect validatie Bepalen laskwaliteit in petrochemische industrie en offshore Fitness for Service Standards

57 Verloop scheurgroei

58 Resultaat CTOD

59 Breukvlak Voor vermoeiingsscheur Verspaande kerf Scheurvorming door buiging Brosse rest breuk (vloeibare stikstof)

60 CTOD δc δ c Sample fails on rising load with no stable crack growth

61 CTOD δ m δ m Sample fails on falling load with crack growth

62 Test temperatuur CTOD

63 J Ic of J-R Test Ontwikkelt nucliearedrukvaten - Hoge taaiheid en lage sterkte mateiralen (KIc > 100) Doel brosse breuk voorspellen J is de mechanische energie die vrijkomt tijdens het groeien van de scheur J-R curves zijn geen materiaal eigenschappen - Afmetingen en vorm van het proefstuk bepalen het resultaat

64 J Ic test uitvoering Zelfde proefstuk als CTOD Proefstuk wordt opeenvolgend hoger belast Verplaatsing en scheurlengte worden gemeten oppervlak onder de grafiek geeft de hoeveelheid energie weer die nodig is voor scheurgroei Analyseren van de gegevens geeft een J-factor

65 Typische J-R Curve (belastings-ontlasting)

66 Toepassing J-R curve Alleen voor brossere materialen - De plastische zone aan de scheurtip is klein in vergelijk met het proefstuk Alleen voor materialen zonder elastisch-plastisch gedrag Breuk onder nominale linear elastische condities

67 Resume Breukmechanica: initiatie scheurgroei breken Testen gebasseerd op energie nodig voor scheuren falen Voorspellen materiaalgedraag gedrag t.p.v. indicatie Acceptatie criteria voor NDO vaststellen Voorkomen ongelukken

68 Lasonvolkomenheden

69 Lassen en breukmechanische proeven

70 Uitnemen proefstukken

71 Invloed lassen op CTOD Lastoevoegmateriaal met goede CTOD waarden Warmte beinvloede zone meest kritische zone Invloed: Lasser, lasproces en parameters Zone met grove korrels is de meest brosse zone, lage CTOD waarden Overmatching lastoevoegmateriaal een eis

72

73 Invloed basismateriaal M=200x M=500x M=500x WBZ, M=500x Problemen kerfslagwaarden

74

75 Verloop breukmechanische beproeving De beproeving van alle breukmechanische beproevingen verloopt ongeveer hetzelfde, namelijk: - Bepaal welke beproeving vereist is (CTOD, SENT of..) - Bepaal de proefstuk afmetingen en hoe uit te nemen - Na verspanen, meet de afmetingen na - Voor-vermoeien proefstuk - Span proefstuk in en belast - Breek het proefstuk - Bepaal breuk type - Meet de voorvermoei scheur en de test scheur op - Analyseer belastingsdata en COD data om de CTOD waarden te bepalen

76 Uithalen proefstukken Afmetingen Positie kerf Geen warmte invloed bewerking (thermisch snijden) Geen start en stops

77

78 Voorvermoeien

79 Voorvermoeide staaf

80 Detail

81 Test opstelling CTOD

82 Staaf na testen

83 Detail

84 Breukvlak staaf, voor beoordeling

85 SENT (Single-Edge Notched Tension)

86 Voorvermoeiien

87 Detail voor vermoeiingscheur

88 Testopstelling

89 Breukvlakken SENT

90 Reden van beproeven Lasmethode kwalificaties Vooraf materiaal gedrag bepalen lijn(scheur)vormige indicaties onder belasting constructies na installatie niet meer bereikbaar Platforms, pijpleidingen op zeebodem, etc. Nucleaire installaties Fitness for Purpose Oudere installatie met indicaties Hoe reageert dit materiaal op indicaties Installatie veilig? Welke maatregelen nodig

91 Toepassingen Pijpleidingen Off-shore constructies Nucleaire industrie Drukvaten Fitness for Purpose

92 Reeling and pipe lay offshore

93 J-lay

94 PIpe lay offshore

95 Enbridge s July 2010 pipeline rupture in Michigan

96 Oosterschelde stormvloedkering Constructie wordt ondersteund door vakwerk constructie van buizen Door vekeerde materiaalbewerking is het buismateriaal bros geworden Deze buizen zijn wel verwerkt en in de constructie gelast. Ontdekt nadat constructie geplaatst was. Uitgebreide Fitness for Purpose berekening naar gevaar bros breken Meeste knooppunten met lage kerftaaiheid zijn blijven zitten, enkele zijn vervangen.

97 Onderzoek aan knooppunt bij TNO

98 The Big Bang (TWI