Het falen van constructies door scheuren of breuk in relatie tot lassen

Transcriptie

1 Het falen van constructies door scheuren of breuk in relatie tot lassen Schade onderzoek John Meijers 7 mei 2019

2 Enkele van onze diensten Materiaal Testen Metallurgisch Onderzoek Breukmechanica & ECA Corrosie Testen Schadeonderzoek PQT On site onderzoek Las advies

3 Schade onderzoek bij Element Vooral aan metalen constructies, tegenwoordig ook kunststoffen Het vaststellen van aard en oorzaak van de opgetreden schade materiaaladvies verzorgen van lezingen, cursussen 3

4 Schade onderzoek: het eerste begin 2710 Liberty ships gebouwd tussen 1941 en 1945 op slechts 8 werven eerste toepassing van lassen op deze schaal 1300 schepen toonden brosse breuken/scheuren 3 schepen zijn in tweeën gebroken (totaal 12 inclusief andere typen) 4

5 Wie zijn onze opdrachtgevers? Ontwerpers, verkopers, bouwers, afnemers en gebruikers van installaties of constructies Staalhandel, en afnemers: Constructiebedrijven Off shore pijpenleggers en constructiebouwers Olie en gas exploratie en productie Chemie en Petrochemie Elektriciteitsproducenten Metaalbewerkingsbedrijven Pijpfabrieken, buispaalfabrikanten en pijpenbuigers Drukvatenbouwers enz enz.. en, bij grotere schades en ongelukken: Verzekeringsmaatschappijen Arbitrage instituut, advocaten, rechtbanken, Justitie Arbeidsinspectie Raad voor de Veiligheid 5

6 Het begin: het ontwerp van een installatie / constructie constructieve eisen belastingen statische-, dynamische sterkte stabiliteit (knik, plooi) weerstand tegen brosse breuk stijfheid (statische-, dynamische, thermische belasting) vervormingcapaciteit, incasseringsvermogen (zetten, onvoorziene temperatuur- verschillen, krimpvervorming, enz.) 6

7 Na ontwerpen volgt bouwen = lassen Lasdefecten, o.a. scheuren (koud, warm) Δ enz. Δ HI Δ Hardheid bindingsfouten, onvoldoende doorlassing aanloopkleuren (rvs!) materiaalveranderingen, b.v. verbrossing vervormingen restspanningen Δ lastechniek Δ naadvorm Δ breekrek + Δ kerftaaiheid Σ effect toleranties Δ rekgrens + Δ treksterkte Δ C-eq + ΔChemische analyse Maximale lasellende = Σ individuele afwijkingen als gevolg van het lassen Δ T v + Δ T i Lassen heeft grote invloed op de integriteit, kwaliteit (en uiterlijk) van een constructie 7

8 LMK: Las Methode Kwalificatie (WPQ) Vooraf aantonen dat cruciale delen van het ontwerp met voldoende, vooraf aangegeven, kwaliteit gemaakt kunnen worden. Dus: testen van de opgestelde lasspecificaties maar dan moeten die (gestandaardiseerde) kwalificatieproeven niet teveel afwijken van de werkelijke productieomstandigheden en constructiedetails! >> indien nodig mock-up testen 8

9 LMK versus praktijk beperkt bereikbaar voor NDO zeer hoge constraint (krimpverhindering) zeer veel indicaties gevonden aan de positie van doorlassing > fabricage gestopt 9

10 Verschillende faalmechanismen Plotselinge overbelasting leidende tot breuk Falen op termijn door scheurvorming gevolgd door breuk Mechanische Vermoeiing Corrosie-vermoeiing (Mechanische+Chemische Belasting) Thermische vermoeiing Materiaaldegradatie Kruip Spanningscorrosie ovan binnenuit ovan buitenaf 10

11 Overbelasting: 2 smaken: bros of taai Taai: snelheid < 6m/s stabiele scheurgroei externe belasting veel vervorming -> neemt energie op Bros: snelheid ~ 1000m/s, afhankelijk van: temperatuur samenstelling, microstructuur Korrelgrootte type belasting waterstof dikte en verdere afmetingen constructie instabiele scheurgroei vervormingloos 11

12 Brosse of taaie breuk? Type breuk wordt bepaald door de taaiheid onder plotselinge (KSW) of langzaam oplopende belasting (CTOD); taaiheid is een materiaaleigenschap Uitgangsmateriaal wordt beïnvloed door het lassen: 200 Kerfslag energie (J) 6-80 C temperatuur T gebruik 12

13 Brosse of taaie breuk? De hoogte van de overgangstemperatuur wordt onder andere bepaald door: Koolstofgehalte mate van verhindering voor de verplaatsing van dislocaties (bijv. door precipitaten) korrelgrootte => houdt dus rekening met materiaalkeuze en warmte-inbreng (HI) bij lassen 13

14 Brosse of taaie breuk? Korrelgroei wordt o.a. bepaald door: Hoogte temperatuur Tijdsduur verhoogde temperatuur 14

15 taaie breuk onder hoge kracht of druk en/of hoge temperatuur falen gaat gepaard met sterke deformatie dimples: cup & cone 15

16 brosse breuk Splijt beduidend minder hoge druk bij lage temperatuur geen deformatie bij breuk procesleiding Waterstof verbrossing 16

17 Brosse breuk trekoog en tandwiel 17

18 Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren reinheid toevoeg Voorwarmtemperatuur opslag waterstofgehalte toevoeg toevoegmat. waterstof arm gloeien Reinheid oppervlak basismetaal Afkoeltijd t8/5 Krimpverhindering Gecombineerde mat.dikte HI= UxIxŋx60/ v las x1000 Diffundeerbaar waterstof Eis hardheid Naadvulling (Volgorde) Restspanningen PWHT Eis krimp Eis KSW 18

19 Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren Dwars (koud) scheuren in hoge sterkte stalen constructie static fatique : Bij treksterktes hoger dan ~1240 MPa (180 ksi), zijn de meeste hoogvaste stalen, laag gelegeerde materialen, zoals bv AISI 4130/4140 en precipitatie hardende roestvast stalen gevoelig voor scheuren door waterstof verbrossing in maritime atmosferen als De residuele- of de opgelegde (systeem) spanningen voldoende hoog zijn. Deze scheurvorming wordt eerst na verloop van tijd zichtbaar. Bekend als Delayed cracking. 19

20 hardheid Scheuren tijdens fabricage: Let op verschil tussen C-gehalte en C-equivalent! Graville diagram koudscheuren Koolstofgehalte bepaalt de maximale hardheid Koolstofequivalent bepaalt de doorhardingsdiepte 1. C als (2), Ceq lager 2. C als (1), Ceq hoger 3. Ceq als (1), C hoger C Ceq warmte-inbreng 20

21 Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren Drijvende kracht: krimp(spanningen) Stolscheuren Smeltscheuren 21

22 Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren Invloedsfactoren Hoog S% Vorm lasrups H/B Microstructuur Legerings gehalte Lasnaadvorm Warmscheuren Trek(las)- spanningen Naadvulling Hoog C%, Excessieve las Heat input: Stroom, spanning, lassnelheid 22

23 Scheuren tijdens fabricage: stolscheuren OP-lassen: H/B-scheur onder het oppervlak 23

24 Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren in austenitisch RVS Ontstaan door laag smeltende fasen (soms eutectica) in austenitisch Cr-Ni staal Bestrijden door een structuur van austeniet met enig ferriet, omdat hier meer verontreinigingen in kunnen worden opgelost Element Oplosbaar in ferriet Oplosbaar in austeniet Si Nb P S 18,5% 4,5% 2,8 % 0,18% 2,15% 2,00% 0,25% 0,05% 24

25 Scheuren tijdens fabricage: reheat cracking Kan optreden bij in ferritische kruipvaste (CrMo(V)) stalen bij: meerlagen lassen PWHT 25

26 Scheuren tijdens fabricage: smeedscheuren en overlappingen Overlappingen komen ook voor in o.a.: platen pijpen bouten 26

27 Scheuren tijdens fabricage: hardingscheuren gescheurde matrijs asje 27

28 Scheuren tijdens fabricage: X -scheuren bij lassen Vervaardiging van zeer stijve box constructie met dwarsschotten 28

29 Scheuren tijdens fabricage: X scheuren bij lassen Scheuren in centrum kopse einden van de schotten: 29

30 Scheuren tijdens fabricage: X =? Scheuren bij lassen Wat voor een soort scheuren betreft het? Zonder onderzoek is van alles geroepen: - centerline cracking, midline cracking, centerline segregation : Dit bepaalt de positie van de scheuren, maar is in zich geen scheurtype. warmscheuren?? Nee, dat niet, want in basismateriaal. - Zijn het laminaties of delaminatie, dus onvoldoende materiaalkwaliteit??zat dat er dan al in voorafgaande aan het lassen, als fout of slechts als onvolkomenheid? - Voldeed de materiaalkwaliteit dan niet aan het bestelde?? - Nee, dat niet want de scheuren zijn pas na lassen ontstaan. Zouden het dan laminaire scheuren zijn? Had er dan geen optimaal lasontwerp gemaakt moeten worden, met referentie naar een vereiste Z- kwaliteit materiaal volgens NEN-EN 10164?? 30

31 Scheuren tijdens fabricage: X=lamellaire scheuren Materiaal: S355J2+N (genormaliseerd, kerfslag C), t=35 mm, schotten t=40 mm, materiaal met certificaten ex. Thyssen Krupp, materialen naar voldoening getest LMK volgens ISO : geen problemen. > dus geen materiaalfout Geen Z-kwaliteit gespecificeerd in het ontwerp > ontwerpfout Berekening van lasdetail Eurocode 3: Ontwerp en berekening van staalconstructies: NEN-EN C2:2011 paragraaf 3: Z Ed =36! >> speciale voorzorgsmaatregelen nodig zelfs, als Z35 materiaal (max Z-kwaliteit) zou worden gebruikt Oorzaak: lamellar tearing (let wel: nog steeds geen onderzoek gedaan ) NEN-EN : inleiding: Through thickness properties are characterized in this document by specified values for reduction of area in a through thickness tensile test. There is no direct relationship between these values and the integrity of structures, because the risk of lamellar tearing is also basically influenced by the type of structure, weld design and welding procedure. The minimum values for reduction of area in this document cannot therefore by themselves be regarded as ensuring safety against occurrence of lamellar tearing. However the reduction of area is a good general guide to lamellar tear resistance i.e. the risk of lamellar tearing decreases with increased reduction of area in the through thickness tensile test. 31

32 Scheuren tijdens fabricage boxconstructie: X=lamellaire scheuren Alternatieve lasdetails 32

33 Scheuren tijdens fabricage: scheuren in plaatmateriaal, waterstof gerelateerd? Star lasdetail, t=40 mm. Na lassen rootzijde niet toegankelijk voor onderzoek. US detectie van scheuren in plaatmateriaal. 33

34 Scheuren tijdens fabricage: UT: scheuren in plaatmateriaal, waterstof gerelateerd? Sagging (excessive penetration ISO 5817 level D) met lack of fusion buiten de bedoelde lasdoorsnede, + slakgevulde interrun lof 34

35 Scheuren tijdens fabricage: UT: scheuren in plaatmateriaal, waterstofgerelateerd? bindingsfout buiten de bedoelde lasdoorsnede Scheuren?? Hoezo GEEN scheuren 35

36 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: scheuren in plaatmateriaal? skid beam t = 50 mm longitudinal stiffener t = 30 mm transverse stiffener t = 20 mm diaphragm plate t = 25 mm 36

37 Scheuren tijdens fabricage skid beam: repareren? looking at weld root before (left) and after (right) repair welding > result became worse In doorsneden geen scheuren aangetroffen! 37

38 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: scheuren in plaatmateriaal? weld lack of fusion [mm] excess penetratio n [mm] width penetratio n at root [mm] ***) angle of weld [ ] 1.2L geometric/welding imperfections excessive penetration + root porosity (outside load carrying cross section) 1.2R excessive penetration 1.3L excessive penetration 1.3R High gap widths due to shrinkage > excessive weld penetration but no lack of fusion defects. So what has been seen with UT? 1.4L excessive penetration 1.4R excessive penetration + lack of inter-run fusion (2x) 2.2L lack of root fusion 2.2R L R lack of root fusion (2x), excessive gouging excessive penetration + lack of root fusion lack of root fusion, excessive gouging Repair welds: (involving substantial gouging) actually made things worse, leading to lack of fusion defects! 2.4L lack of root fusion 2.4R Req. *) not permitted 4.0 **) lack of root fusion, excessive gouging 38

39 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: scheuren in plaatmateriaal?: after repair Excessive penetration and lack of fusion 39

40 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: scheuren in plaatmateriaal: lot after repair 40

41 Conclusies mbt het lassen van starre dikwandige constructies Zaken van belang in het ONTWERP: De krimp van de ene las kan de vooropening van de 2de las beïnvloeden: positie van lassen maar ook lasvolgorde spelen een rol star > krimpverhindering > hoge trekspanningen dikwandig > plane strain 3D stresses ipv plane stress 2D stresses rekgrens kan met factor 3 toenemen t.o.v. de uniaxiale rekgrens! Dit leidt tot verhinderde deformatie > minder spanningsafbouw daardoor extra gevoelig voor waterstofgerelateerde schade rootzijde vaak inwendig en visueel niet toegankelijk, alle NDO vanaf de buitenzijde > lastige interpretatie van rootzijdige indicaties. Is voor de sterkte/stijfheid/corrosiebestendigheid van de constructie noodzakelijk dat alles met volle panelen volledig dichtgelast wordt? 41

42 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Vermoeiingsinitiatie en scheurgroei onder invloed van langdurig wisselende belastingen (ver) onder de rekgrens Relatief vlak en glad fluweelachtig breukdeel, zonder deformatie, met scheurgroei- rust lijnen ( beach marks ) Gevolg van bijvoorbeeld: verkeerde constructie of constructiedetail verkeerde (las)uitvoering onbekende / onbedoelde wisselende belasting -> brosse of taaie restbreuk van de resterende dragende doorsnede 42

43 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Macroscheurgroeilijnen (beach marks), maar ook micro scheurgroeistappen (striaties) 43

44 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Vermoeiing in alle soorten en maten: initiatie ter plaatse spanningsconcentratie > vaak bij geometrische overgangen, verjongingen, spiebanen, boringen, lassen, oplassingen en lasreparaties. 44

45 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Trekstang van mobiele kraan: afstemming lasdetails (slijpen) en afwerking op type belasting 45

46 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing pijp-pijp verbinding: vermoeiing bij lassen op een onderlegstrip Vermoeiingsscheuren blijven vaak lang verborgen 46

47 Scheuren tijdens gebruiksfase: thermische vermoeiing Ook wisselende thermische belasting kan tot vermoeiing leiden Pijp/flens verbinding met dubbelwandig RVS vat C-stalen ketelpijp met inspuitkoeler Oorzaak: verschillen in uitzetting in een starre constructie leidend tot hoge spanningen 47

48 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Klein foutje, grote gevolgen! 48

49 Scheuren tijdens gebruiksfase: kruip Holtevorming (=rek) in het materiaal door diffusie en trekbelasting onder hoge T en p (verplicht) replica onderzoek in energiecentrales = niet destructieve metallografie. Lasmetaal met kruipschade klasse 3b Rozenkrans van kruipholten 49

50 Scheuren tijdens gebruiksfase: kruip kruipscheur in een radiatie naftakraker pijp (centrifugaal gegoten pijp) chemische samenstelling: 0, %C, 0,8%Mn, 1,0%Si, 25%Cr, 21%Ni T, p in combinatie met interne spanningen door carburisatie = opkoling (zwellen primaire carbiden) 50

51 Schade tijdens gebruiksfase: corrosie Corrosievormen: Algemene corrosie (corrosietoeslag) en al het andere, vaak onverwachte: Interkristallijne corrosie (C-Mn, RVS) Putcorrosie RVS: PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%N in buitenlucht gewenst > 23 voor zeewater gewenst > 40 Spleetcorrosie Spanningscorrosie Corrosievermoeiing Corrosie onder afzettingen Microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC) Galvanische corrosie (giet Al met RVS bouten) Vaak mengvormen/combinaties 51

52 Schade tijdens gebruiksfase: corrosie Rondlassen in 50 mm bluswaterleiding AISI type 316L roestvast staal ½ jaar na oplevering vrijwel stilstaand leidingwater schade: perforaties aan de lassen door putcorrosie, spleetcorrosie en MIC secundaire schade door vervuiling rest systeem oorzaak: slechte kwaliteit laswerk, waaronder aanloopkleuren en verbrande lassen (backing), onvoldoende doorlassing en uitlijnigheid (spleten) oplossing: leiding volledig vervangen 52

53 Schade in gebruiksfase corrosie bij lassen van RVS Eisen aan lasnaadvoorbereiding, doorlassing, geometrische laskwaliteit en aanloopkleuren: AWS D18.1 en EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group). max. strogeel, Ar: < 50 ppm O 2 Figure 2: Weld Discoloration Levels on Inside of Austenitic Stainless Steel Tube The tube sample was prepared using an automatic orbital bead-on-plate weld on the outside diameter of a 2 in [50.8 mm] stainless steel tube. The weld penetrated through the tube wall. The concentration of oxygen in ppm added to the pure argon backing gas for each weld was as follows: No No No No No No No No No No

54 Schade tijdens gebruiksfase: spanningscorrosie Opslagtank, AISI type 316 roestvast staal product vooraf onbekend temperatuur langere tijd > 50 C stoom tracing bij lossen schade: spanningscorrosie, met name bij de lassen oorzaak: chloriden in product, hoge inwendige spanningen bij de lassen oplossing: volledig vervangen 54

55 Schade tijdens gebruiksfase: microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC) Opslagtank voor warm water, AISI type 316L roestvast staal schade: microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC) -> volumineuze tubercules van corrosieproduct, iridiserende kleuren, vaak sterk ondergraven putten (pinholes) oorzaak: procescondities & Slechte kwaliteit laswerk (onvoldoende backing) oplossing: repareren en coaten 55

56 Bedankt voor uw aandacht!?