Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander. Erik W. Schuring ECN-E&S-Materiaal Technologie

Transcriptie

1 Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander Erik W. Schuring ECN-E&S-Materiaal Technologie 1

2 Inhoud Introductie ECN Aanleiding voor het onderzoek Uitgevoerd onderzoek Resultaten Metallografisch onderzoek Hardheidsmetingen Sterkte en vermoeiingsevaluatie Conclusies Discussie 2

3 Introductie ECN Wind Zon Beleidsstudies (BS) Waterstof & Schoon Fossiel (H2SF) Biomassa, Kolen & Milieu (BMK) Energie in de Gebouwde Omgeving & Netten (EGON) Engineering & Services (E&S) Energy Efficiency in Industrie (EEI) 3

4 Introductie ECN Targets ECN research Transform energy generation and use: efficiency improvement generation of sustainable energy maximum reliability minimum environmental burden optimal cost effectiveness clean use of fossil fuels 4

5 Introductie ECN ECN s research areas Renewable Energy Wind Solar Bio Wind Farm Design Thin-film PV Technology Biomass Co-firing In Large Scale Power Generation Wind Farm Operations Grid Connected PV Systems Combined Heat & Power Efficient Use EEI Industrial Waste Heat Utilisation Molecular Separation Technology Process Intensification REBE Low & Zero Energy Buildings 15% turnover Wind Turbine- Technology 40% turnover PC Policy Studies 10% turnover Fuels and Products 35% turnover FCT Fuel Cell Vehicles Micro Co-generation Systems CFF Emission Reduction Climate-Neutral Energy Supply Energy and Environmental Quality Clean Conversion of Fossil Fuels 5

6 Introductie ECN Turnover share per unit (2004) Fuel Cell Technology 19% Biomass 13% Policy Studies 11% Clean Use of Fossil Fuels 16% Energy Eff. in the Industry 7% RE in the Built Environment 8% Wind Energy 12% Solar Energy 15% 6

7 Introductie ECN ECN Energy Efficiency in the Industry (EEI) Separation technology (membranes). Waste heat technology (heat pumps) Reactor technology 7

8 Introductie ECN ECN Energie in de Gebouwde omgeving & Netten (EGON) PV system integration PV/Thermal systems Storage technology Energy management systems Integral energy concepts 8

9 Introductie ECN ECN Wind Energy Design of wind farms Design of wind turbines Operation of wind farms 9

10 Introductie ECN ECN Biomass, Kolen en Milieu (BKM) Co-firing in coal plants Decentralized generation (CHP) Fuels and products 10

11 Introductie ECN ECN Solar Energy Crystalline silicon PV technology Thin-film silicon Polymer and dye solar cells 11

12 Introductie ECN ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF) System concepts and technology assessments Low-carbon energy carriers Stirling micro-cogeneration Emission reduction Environmental research 12

13 Introductie ECN ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF) PEMFC cell and stack technology SOFC cell and stack technology Fuel processing technology Super capacitors Fuel cell system integration InDEC B.V. 13

14 Introductie ECN Engineering & Services (E&S) Design and construction of complex installations and components Materials testing, Advise and damage assessment Software development 14

15 Aanleiding Bij regulier onderhoud zijn de HT en LT-OVO en verdamper van de 3-beschikbare lijnen vervangen. Binnen 2 maanden na in bedrijfname traden de eerste lekkages op in de zadelpunten van de spriet/kast verbindingen. In een periode van 7 maanden traden 44 lekkages op in de zadelpunten van de lijnen 1, 2 en 3. Naar aanleiding van eerder onderzoek is geconcludeerd dat de lasuitvoering verdacht is. Doel van het onderzoek is daarom de laskwaliteit in relatie tot de opgetreden lekkages te onderzoeken 15

16 Aanleiding Materialen en lasmethode Basismateriaal Spriet en Header: 15Mo3 (Wstnr ) Toegepaste wanddikten: Sprieten 7,1 en 5,6mm (LT-OVO) - 7,1 en 6,3 mm (LT-OVO) ) (7.1 is later ivm corrosietoeslag toegepast) Kast: 23,4mm Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal Chemische samenstelling in gewichtsprocenten C Si Mn Mo Overige 0,16 Max. 0,40 0,60 0,30 Max. Cu -= 0,30 Mechanische eigenschappen Diameter [mm] <60 0,2% Rekgrens [MPa] 295 Treksterkte [MPa] Rek [%] 23 Charpy V [J] 50 0,2% Rekgrens [MPa] vs temperatuur [ C]

17 Aanleiding Materialen en lasmethode Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal 17

18 Aanleiding Bedrijfscondities Verdamper, HT- en LT-OVO Verdamperkast LT-OVO HT-OVO Afpersen Bedrijfsdruk [bar] Bedrijfstemperatuur [ C Onder kruipregiem (>450 C) Overige belastingen van de constructies Hameren ter verwijdering depositie: HT-OVO en verdamper elke 30 min gedurende 120 sec. LT- OVO elke 4h gedurende 120 sec. Langstromende turbulente rookgassen brengen de sprieten in trilling (eigenfrequentie) Deze condities belasten de constructie op vermoeiing 18

19 Uitgevoerd onderzoek Onderzocht: spriet-kastverbindingen van lijn 2 en 3: Lijn 2: Verdampberbovenkast van #1 Lijn 3: Bovenkast 1 HT-OVO Onderkast 1 HT-OVO, Bovenkast 9 LT-OVO Onderkast 9 LT-OVO Metallografisch onderzoek aan spriet-kastverbindingen over rechte overgangen en zadelpunten Lasfouten Lasgeometrie Lasnaadvoorbewerking Hardheidsmetingen over basismaterialen (spriet en kast), WBZ en lasmetaal Sterkte en vermoeiingsevaluaties 19

20 Resultaten Afwijkende positionering: Metallografisch onderzoek-macroscopisch Afwijkingen: Off-set van spriet in de kast Scheve montage Onvolkomen doorlassing Plakfouten Inkarteling cq afbranden van de laskantvoorbewerking spriet 20

21 Resultaten Lasfouten: Plakfouten Onvolkomen doorlassen Metallografisch onderzoek-microscopisch 21

22 Resultaten Metallografisch onderzoek-microscopisch Scheurinitiatie en scheurgroei (na 7 maanden bedrijf): Vanuit onvolkomen doorlassing Vanuit plakfout Scheuruitbreiding van max 0,5 mm aangetroffen 22

23 Resultaten Metallografisch onderzoek-bepaling grootte lasdefecten Defectgrootte is gemeten: Op de beide zadelpunten en rechte overgangen per las Evenwijdig aan de spriet (X) Evenwijdig aan de kast (Y) Berekend als percentage van de lashoogte, a a=hoogte las Y= defectgrootte langs Kast X= defectgrootte langs Spriet Off set spriet: += naar binnen -= richting kast 12 en 6h posities: rechte overgangen 23

24 Resultaten Metallografisch onderzoek-bepaling grootte lasdefecten Kritische defectgrootte is bepaald aan de hand van sterkte-evaluaties op basis van breukmechanica Uitgaande van de opgegeven bedrijfscondities Kritische defectgrootte voor plastische vervorming tijdens bedrijf (ontwerp): Verdamper-bovenkast : 3 mm of 35% HT-OVO (6,3mm) : 3,5 mm of 36% LT-OVO (5,6mm) : 2 mm of 24% Criteria: LT-OVO is meest kritisch met 24% als kritische defectgrootte tov de lashoogte a Als Nominale waarde voor kritische defectgrootte is genomen: 35% van de lashoogte a voor de HT-OVO en verdamperbovenkast 24% van de lashoogte a voor de LT-OVO 24

25 Resultaten Metallografisch onderzoek-bepaling grootte lasdefecten Verdamperbovenkast-Lijn 2, 9 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang: Lashoogte a-zadelpunt: Defectgrootte: 10,2-12,4 mm 7,4-9,9 mm 0-3,7 mm 0-40,6 % w.v.: 11% boven 35% van lashoogte a HT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 18 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 7,8-11,5 mm, Onderkast: 11,2-14,2 Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 4,4-9,8 mm, Onderkast: 6,4-8,9 Defectgrootte: Bovenkast: 0-6,9 mm, Onderkast 0-8 mm Bovenkast: 0-74%, Onderkast 0-60% w.v.: 18% boven 35% van lashoogte a 25

26 Resultaten Metallografisch onderzoek-bepaling grootte lasdefecten LT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 20 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 8,7-12,3 mm, Onderkast: 11,6-14 Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 7,2-10 mm, Onderkast: 5,6-9,9 Defectgrootte: Bovenkast: 0-7,5 mm, Onderkast 0-7,5 mm Bovenkast: 0-64%, Onderkast 0-57% w.v.: 25% boven 24% van lashoogte a 26

27 Resultaten Metallografisch onderzoek-hardheidsmetingen Gemiddelde hardheden bovenkasten Positie Verdamper HT-OVO LT-OVO Lijn 2 [HV10] Lijn 3 [HV1] Lijn 3 [HV1] Kast Spriet Sluitlaag CG-WBZ-kast CG-WBZ-Spriet Volgens overlegde LMK: Max hardheid WBZ: 221HV10 Bij een interpass temperatuur van 350 C 27

28 Resultaten Metallografisch onderzoek-hardheidsmetingen Hardheidsverloop las-wbz-basismateriaal Bovenkast verdamper lijn 2: Las-spriet Las-kast smeltlijn Piek hardheid boven 350HV1 HV basismateriaal WBZ Lasmetaal Afstand (mm) 28

29 Resultaten Metallografisch onderzoek-hardheidsmetingen Conclusies hardheidsmetingen: Te lage HI aangehouden Interpass temperatuur niet aangehouden Voorwarmen noodzakelijk (niet in LMK voorgeschreven) 29

30 Resultaten Sterkte en vermoeiingsevaluatie Betrokken op de Procescondities Opstarten en stoppen Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing) Thermische belasting Kruip Thermische schok (noodstop of trip van de installatie) Statische belasting tijdens bedrijf Periodiek hameren 30

31 Resultaten Opstarten en stoppen Sterkte en vermoeiingsevaluatie (1) Temperatuur en belasting zullen geleidelijk toe of afnemen. De frequentie van starts en stops in relatief laag gezien de bedrijfsperiode. Dit zal geen significante invloed op de levensduur hebben. Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing) Belastingsvariaties t.g.v. variaties in rookgassnelheden zijn beperkt. In de verdampersectie zijn deze het grootst. De pijpenbundels zullen/kunnen o.i.v. drag forces en vortex exitatie maximaal enkele millimeters verplaatsen. Daarvoor zijn snelheidsvariaties van 6m/s nodig of voor vortex exitatie een rookgassnelheid van ca 1m/s. Kruip De ontwerpspecificaties en gebruikscondities liggen in temperatuur onder 0,4x T smelt en liggen dus buiten het kruipregime 31

32 Resultaten Thermische belasting Sterkte en vermoeiingsevaluatie (2) Onder operationele condities zullen temperatuurfluctuaties niet groter zijn dan C. Uitgaande van dat T=50 C over de wand van de pijpenbundels: max σ=87mpa. Statische belasting tijdens bedrijf Uitgaande van de ontwerpdruk (max 120 bar) en geen of geringe variaties daarin, is de statische belasting van de constructie: σ=56mpa Thermische schok (noodstop of trip van de installatie) Noodstop: Voor falen t.g.v. noodstops binnen 7 maanden moet deze meerdere keren PER DAG uitgevoerd worden. Dit is bedrijfsmatig NIET mogelijk. Door storingen zijn wel vaker dan normaal start/stop cycli uitgevoerd. De maximale spanningswisseling is de som van thermische en drukbelasting: σ=143mpa 32

33 Resultaten Sterkte en vermoeiingsevaluatie (3) Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels) Leidt tot trillingen en vermoeiingsbelasting op de lasverbindingen Gemeten belastingen t.g.v. hameren: Versnelling: x g (ca m/s) Frequentie: ca 1000Hz Laterale verplaatsing t.g.v. het hameren: 0,03-0,15mm Rekening houdend met een spanningconcentratiefactor bij een scherp defect en een defectgrootte van 3mm kan een eenvoudige (sterk indicatieve) scheurgroeiberekening worden uitgevoerd. Beperkingen daarbij: Geen invloed corrosie Alleen vermoeiingscomponent 33

34 Resultaten Sterkte en vermoeiingsevaluatie (4) Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels) Bedrijfsperiode tot 1 mm scheurgroei bij: Frequentie [Hz]/Versnelling [m/s] Frequentie Versnelling Verdamper 1930 jr 240 jr 30 jr 30 jr 4 jr 6 mnd Frequentie Versnelling HT-OVO 500 jr 63 jr 12 jr 90 jr 11 jr 2 jr 8 jr 1 jr 2 mnd LT-OVO 3900 jr 490 jr 90jr 700 jr 90 jr 16 jr 60 jr 8 jr 1,5 jr Er van uitgaande dat: Rest lashoogte tussen 4 en 6 mm kan liggen (25% of 35% defectgrootte) Kan lekkage enkel t.g.v. hameren optreden binnen 4-6 jaar. 34

35 Resultaten Sterkte en vermoeiingsevaluatie (5) (Tussen Conclusie) Uit de sterkte-evaluatie en het metallografisch onderzoek is gebleken dat veel defecten (LT-OVO 25%) boven de kritische grens voor plastische vervorming liggen onder statische belasting. Extra dynamische belastingen kunnen snel tot scheurinitiatie en scheurgroei leiden. Onder invloed van extra dynamische belasting kan restbreuk eerder dan 4-6 jaar optreden. De defecten zijn vaak min of meer lokaal van aard, wat verklaard waarom het nog niet eerder tot falen is gekomen. 35

36 Conclusies (1) Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering: Onvolkomen doorlassing Niet vullen van de naad Onvoldoende inbranding (plaklas) Plakfouten en (gas)insluitingen Warmscheuren Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen 36

37 Conclusies (2) Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering: Onvolkomen doorlassing Niet vullen van de naad Onvoldoende inbranding (plaklas) Plakfouten en (gas)insluitingen Warmscheuren Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen Lasfoutgroottes tot boven 25% van de lashoogte aangetroffen deze leveren gevaar voor plastische vervormingen bij normale bedrijfsvoering 37

38 Conclusies (3) Uitgaande van enkel vermoeiing ten gevolgen van Hameren en een defectgrootte van 3mm is falen binnen 4-6 jaar waarschijnlijk Naast vermoeiing zijn belastingen ten gevolge van normale bedrijfsvoering aanwezig, welke de levensduur zullen bekorten (rest-breuk) Risico op lekkages wordt na 2-3 jaar onacceptabel groot (0,5mm scheurgroei in 7 maanden is aangetroffen) De kans dat de ontwerplevensduur van jaar wordt gehaald is klein Lasuitvoering heeft geleid tot onacceptabele defecten welke leidden tot voortijdige lekkages van de spriet-kast lasverbindingen. 38

39 Aanbevelingen HT- en LT-OVO zo spoedig mogelijk vervangen Lasuitvoering en lasdetail verbeteren Lassen met een vooropening en controle van de doorlassing na ¾ van de grondnaad gelast te hebben Volledig doorlassing nodig Lassen met voldoend hoge interpass temperatuur en voorwarmen is sterk aan te raden Aanbevelingen zijn overgenomen en hebben geresulteerd in een storingvrije bedrijfsperiode sinds invoering (2002) 39