TNO-rapport WATERSTOFDIFFUSIE IN EEN CONSTRUCTIEDETAIL VAN STAAL VOORZIEN VAN EEN ZINKLAAG

Transcriptie

1 IT 00 * * FI _ NO 4 5 ilzm 1 W. - j

2 r* * * * * * Ri.:istaaI Pctu' 20.)(iO 3'2 LA U'çhi TNO-rapport 99M ISCAJVIS WATERSTOFDIFFUSIE IN EEN CONSTRUCTIEDETAIL VAN STAAL VOORZIEN VAN EEN ZINKLAAG TNO Industrie Standplaats Laan van Westenenk 501 Postbus AM Apeldoorn Datum 6 april 1999 Telefoon Fax Auteur(s) AH.M. Krom F. Schat Opdrachtgever Bouwdienst RWS t.a.v. Ir. H. van der Weijde Postbus AB Zoetermeer Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Opdrachtnummer: Uw referentienummer: 99014/HW.VFJNIS Oplaag: 4 Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de 'Algemene Voorwaarden voor Onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan. TNO TNO Industrie is een fusie van TNO Kunststoffen en Rubber InstituutlBranchecentra, TNO Metaalinstituut en TNO Produktcentrum T Nederlandse organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek Op opdrachten aan TNO zijn van toepassing de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, zoals gedeponeerd bij de Arrondissementsrechtbank en de Kamer van Koophandel te 's Graven hage.

3 99M /SCA/ VIS pagina 1 1 Inleiding In opdracht van Bouwdienst Rijkswaterstaat is een berekening gemaakt van waterstof diffusie in een 40 mm dikke staaiplaat type S355 voorzien van een zinklaag. Waterstof ontstaat tijdens het storten van het beton op de locaties met een zinklaag uit een chemische reactie tussen het zink en de betonvloeistof. Na het storten bevindt de constructie zich in een droge omgeving waar geen waterstofontwikkeling meer plaatsvindt. Vanwege de kwaliteit van de zinklaag wordt aangenomen dat een deel van het waterstof diffundeert in het staal. Gevraagd is te bepalen in hoeverre het gediffundeerde waterstof een nadelige invloed heeft op waterstofbrosheid van het staal, met name in de warmte-beïnvloede zone (WBZ) van de las waarin te hoge hardheden gemeten zijn. De lassen bevinden zich op een afstand van minimaal 150 mm vanaf de mogelijke waterstof bron. Informatie van RWS: Constructiestaal Staaltype S 355, 40 min dik. Flensbreedte is 300 mm Chemische samenstelling, 2 varianten: C=0,17%, CEV 0,44% en C=0,16%, CEV 0,46% Zinklag Zinldaag is aanwezig aan de rand van de plaat met een breedte van 50 mm en aan de dikterand Lasuitvoering Voorwarmen op 50 0C Hoeklassen en stompe naden Hardheid De maximale gemeten hardheid in de HAZ is < 350HV10. Door de opdrachtgever is gevraagd rekening te houden met een hardheid in de WBZ van maximaal 400HV10.

4 99M /SCA/ VIS pagina 2 2 Onderzoek schatting waterstofconcentratie waarbij geen verbrossing optreedt Een indicatie van de hoeveelheid waterstof in staal kan worden gegeven met de wet van Sieverts clie als volgt luidt: = (1) waarin ko de pre-exponentiele factor is, zh de oplossingsenthalpie en p de waterstofdruk. Voor ijzer geldt ko = 0,82 mo1im3ipa" en AH = 28,6 kj/mol. Bij 1 bar (10 Pa) waterstofdruk en 25 C is de waterstofconcentratie 0,0025 H mol/m 3. Dit is gelijk aan 0,0003 wt ppm. Aangenomen wordt nu dat er bij deze concentratie geen waterstofverbrossing optreedt. Aan de band van eindige-elementenberekeningen wordt nu bepaald hoe hoog de concentratie bij de zinklaag moet zijn om een waterstofconcentratie van 0,0003 wt ppm bij de WBZ te bereiken. waterstofconcentratie bij de zinklaag In Figuur 1 is het model van de eindige elementen berekening weergegeven voor de waterstofverdeling in een stalen constructiedeel. Gesimuleerd is een doorsnede van een halve tiens met een breedte van 150 mm en een dikte van 40 mm, onder cle flens is op de halve flens breedte(150 mm) een las aanwezig. In Figuur 2 is de waterstofverdeling voor verschillende concentraties in ppm weergegeven gerekend vanaf het randoppervlak (waterstofbron) naar de locatie las op een afstand van 150 mm. Volgens deze figuur wordt een waterstofconcentratie van ca. 0,0005 ppm bereikt indien bij de bron continu 10 ppm waterstof wordt toegevoerd. Geschatte waterstofconcentratie na het beton storten Bij experimenten met een hoge waterstof partiaal druk bij TNO is gebleken dat ongeveer 2 pm waterstof in het staal diffundeert, nadat het proefstuk blootgesteld is gedurende 64 uur op 600 C bij een druk van 180 bar zuivere waterstof. Derhalve wordt de aangenomen hoeveelheid van 10 ppm als zeer hoog geacht.

5 99M /SCA/ VIS pagina 3 3 Conclusies De verwachting is dat de hoeveelheid gediffundeerde waterstof geen nadelige invloed heeft op de vorming van waterstofbrosheidscheuren in de WBZ van de las. 4 Literatuur Rapport 'Verbetering van de arbeidsomstandigheden tijdens het lassen van constructiesstaal soorten', 21/06/1993, TOP-metalen Den Haag Quick, N.R., en Johnson, , 'Hydrogen and deuterium in iron, Acta Metallurgica 26 (1978) TNO Industrie gezien, F. Schat A.H.M. Krom

6 99M /SCA/ VIS pagina 4 Bijlage Eindige-elementenberekeningen aan de waterstofverdeling in een stalen gelaste constructiedeel van een brug locaal voorzien van een zinklaag EEM-model Het model is een vlakke doorsnede van 300 bij 40 mm. Vanwege de symmetrie wordt alleen de helft in elementen verdeeld (150 bij 40 mm). De randvoorwaarden zijn als volgt: de linker kant (symmetrielijn) is geïsoleerd, op de rechtkant wordt de concentratie voorgeschreven in ppm, op de onderkant is de concentratie nul en op de bovenkant is de concentratie nul tot 50 mm uit de hoek. Op het resterende deel van de bovenkant wordt de concentratie voorgeschreven die gelijk is aan de waterstofconcentratie aan de rechterkant. Dus alleen daar waar de zinklaag is aangebracht wordt waterstof aangevoerd. Op de andere randen behalve de symmetrierand wordt waterstof afgevoerd. De berekeningen zijn uitgevoerd met het eindige-elementenpakket MARC versie K7.2. Daar de beschrijving van diffusie hetzelfde is als de beschrijving van warmte-transport wordt gebruik gemaakt van de 'heat' mogelijkheden in MARC. Het EEM-model bestaat uit 960 vlakke kwadratische elementen (type 41). Resultaten Alleen de stationaire toestand is berekend. De tijd die nodig is om de stationaire toestand te bereiken is afhankelijk van de waterstofdiffusiesnelheid. Deze kan voor het betreffende staal zeer sterk variëren. Een voorbeeld van de stationaire waterstofverdeling in het constructiedeel is weergegeven in Figuur 1. De waterstofverdeling bij verschillende waterstofaanvoer 2.5 mm vanaf de onderkant is weergegeven in Figuur 2. Uit deze figuur volgt dat onafhankelijk van de voorgeschreven waterstofconcentratie de waterstofconcentratie ongeveer 5x10 5 lager is dan de voorgeschreven waterstofconcentratie. In Figuur 3 is de waterstofverdeling 2,5 mm vanaf de bovenkant weergegeven.

7 99M / SCA/ VIS pagina t n1r.lk (pprq Figuur 1 Stationaire waterstofverdeling in ppm. Aan de rechterbovenkant komt de waterstof aangevoerd (10 ppm). De positie van de las is linksonder. De afinetingen van de doorsnede zijn 150 bij 40 mm.

8 99M /SCA/ VIS pagina 6 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 _ 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E ,ippm _. løppm 100 ppm afstand tot waterstofbron [mm] Figuur 2 De waterstofverdeling in ppm op 2,5 mm vanaf de onderkant evenwijdig aan de rand lopend vanaf de rand naar de las op 150 mm bij verschillende voorgeschreven waterstofconcentraties [0, 1, 1, 10, 100 ppm]. 1.E+02 1.E+01 1.E-,-00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 0,lppm - lppm - loppm -looppm afstand tot waterstofbron [mm] Figuur 3 De waterstofverdeling in ppm op 2,5 mm vanaf de bovenkant evenwijdig aan de rand lopend vanaf de rand naar het midden bij verschillende voorgeschreven waterstofconcentraties [0,1,1,10,100 ppm] (waterstofconcentratie wordt over een lengte van 50 mm voorgeschreven).

9

10