LDR 15 mrt Faalmechanisme KRUIP. Rob GOMMANS. Lastechnische Discussiegroep Rotterdam. MC KnowHow lezing LDR 29 maart 2016

Transcriptie

1 LDR 15 mrt 2016 Faalmechanisme KRUIP Rob GOMMANS Rob GOMMANS 1

2 Ook te vinden op: wwwlasgroepldrnl LinkedIn: LasgroepLDR Uw naam: Hellevoetsluis, 4 maart 2016 Geachte heer / mevrouw, Het is het bestuur van de LDR een genoegen u uit te nodigen voor een bijeenkomst die plaats zal vinden bij; Novotel, Hargalaan 2, 3118 JA te Schiedam Dinsdag 15 maart 2016, aanvang 20:00 uur Deze avond zal er een interessante lezing verzorgd worden door Rob Gommans, werkzaam bij de MC Know-How, met als onderwerp: Faalmechanisme Kruip Rob Gommans is zijn carrière gestart bij DSM, waar hij betrokken was bij metaalkundig onderzoek, eigenschappen en gedrag van metallieke materialen en schadeonderzoek Met als specialisme, hoge temperatuur problemen en schadeonderzoek In 2000 heeft hij zijn eigen bedrijf gestart, Gommans Metallurgical Services (GMS) dat sinds 2016 actief is onder de naam Materials & Corrosion Know-How Met zijn opgedane kennis en Know-How zal hij tijdens de LDR bijeenkomst ons meenemen in de wereld van Kruip Kruip is de blijvende plastische vervorming van een materiaal dat gedurende langere tijd op hogere temperatuur op spanning belast wordt Kruip is doorgaans een ongewenst en levensduurbeperkend verschijnsel Kijkt u ook eens op onze website wwwlasgroepldrnl Met vriendelijke groet, Namens het bestuur van de LDR Jeroen Bodt LET OP!! In de plaats van door het bestuur af te geven verklaring dat de lezing, excursie etc is bijgewoond (voor verlenging van diverse certificaten) zal een stempel op de aan u gestuurde uitnodiging worden gezet dat door het bestuur zal worden ondertekend als bewijs van presentie Penningmeester LDR Zwijndrecht bartjonkman@upcmailnl ABN-AMRO ING Bank Dus de uitnodiging meenemen!!!

3 CURRICULUM VITAE Rob GOMMANS Rob Gommans (1961; Dutch nationality) studied materials science and engineering at the Delft Technical University and has a Master s Degree since 1987 During this period practical work has been performed at Sandoz (now Novartis) in Switzerland His Master s Thesis has been performed at the Joint Research Centre of the European Commission about the interaction between creep and high-temperature In 1987 Rob Gommans has started his career at DSM and worked for all its production plants He was involved in materials investigations, properties and behaviour of metals and alloys and failure investigations In most cases these metals have been applied as pressure vessel components or (rotating) machine parts However, Rob Gommans is specialized in high-temperature problems, brittle fracture and failure investigations and mainly worked for the ethylene and ammonia plants In 2000 Rob Gommans has started his own business as independent technical consultant in the area of materials behaviour He worked for the (petro-)chemical industry, EPC-contractors, power stations, pulp- and paper industry, boiler and vessel manufacturers, manufacturers of special high-temperature steels, steam- and gas turbine manufacturers, insurance companies and damage surveyors Rob Gommans is also active in various technical (materials) committees, such as the Technical Committee for Pressure Vessels in the Netherlands and the European Collaborative Creep Committee Rob Gommans has set-up inspection programs (ao for urea and ammonia plants) based on RBI philosophy and supervised these inspections He performed failure investigations, provided consultancy for many clients/companies, mainly in Europe, but also in Brazil, Argentina, United Arab Emirates, Saudi Arabia, Iran, Kuwait, Qatar, Syria, Libya, Egypt, Canada, USA, India, Bangladesh, Pakistan, Malaysia and Singapore He organises training and courses on materials, corrosion, inspections and is also asked as guest speaker in this area Training courses has been provided as open courses and in-house training for many clients Technical presentations have been held at various (international) conferences He assisted Giel Notten with the high-temperature subjects in his Corrosion Engineer Guide Rob Gommans has also acted as expert witness in arbitration and court cases

4 Rob GOMMANS CURRICULUM VITAE Rob Gommans (1961) studied materials science and engineering at the Delft Technical University and has a Master s Degree since 1987 During this period practical work has been performed at Sandoz (now Novartis) in Switserland His Master s Thesis has been performed at the Joint Research Centre of the European Commission in Petten about the interaction between creep and high-temperature corrosion of Alloy 800H in a sulfidising, carburising and oxidising atmosphere In 1987 Rob Gommans has started his career at DSM and worked for all (53) its production plants He was involved in materials investigations, properties and behaviour of metals and alloys and failure investigations In most cases these metals have been applied as pressure vessel components or (rotating) machine parts However, Rob Gommans is specialized in high-temperature problems, brittle fracture and failure investigations and mainly worked for the ethylene, syngas and power generation plants He has many contacts in the (petro-)chemical industry in Europe and actively participated in national and European projects In 2000 Rob Gommans has started his own business as independent technical consultant in materials science : "Gommans Metallurgical Services" (GMS) He worked for the (petro-)chemical industry, EPC-contractors, power stations, pulp- and paper industry, boiler and vessel manufacturers, manufacturers of special high-temperature steels, steam- and gas turbine manufacturers, insurance companies and damage surveyors robgommans@gms-consultantsnl Between 2005 and 2015 he owned MCC Materials & Corrosion Consultants, a company specialised in investigations, inspections, and consultancy on materials and corrosion Mainly for pressure vessels and (rotating) machinery in the process industry Complete inspections including scaffolding, insulation (removal and application) and NDT were managed in-house "One-stop shopping" for materials and welding, corrosion, inspections, regular and specialised NDT (including rope access), mechanical testing, metallurgical laboratory Since 2016 Rob is active under the name of Materials & Corrosion Know-How (MC-KnowHow) The activities have remained similar and more emphasis is given to defining and predicting failure and damage mechanisms robgommans@mc-knowhownl ; website : wwwmc-knowhownl In 2008 SINTRA Engineers (Structural INTegrity and Reliability Analysis) has been initiated As the name already indicates the integrity and safety of plants, equipment and damaged components is assessed using Fitness-For-Service techniques (API-579, BS-7910) Fracture mechanics and Finite-Element-Modeling calculations (Abaqus) are used Website : wwwsintra-engineersnl In 2009 the MTOC (Dutch for Materials and Technological Research Centre) has been initiated This building houses specialised companies in the area of materials, engineering, technology, simulations, advanced calculations and investigations By joining these expertise s in one building a higher level of synergy is achieved for the clients MC-KnowHow and Sintra Engineers participate in the MTOC Website : wwwmtocinfo Rob Gommans is also active in various technical (materials) committees : - Technical Committee for Pressure Vessels (TCD; Technische Commissie voor Drukapparatuur) member since Working Group on Materials (WG/M) of the TCD member since 1993 ; chairman since European Collaborative Creep Committee : - chairman of the Working Group on Austenitic Steels ( ) - member of the Management Committee ( ) - member of the Working Group on Austenitic Steels ( and ) - Dutch Contact Group on Creep and High-Temperature Phenomena (from 1989 onward), part of the Dutch Materials Society Secretary of the Contact Group since member of the Corrosion Advisory Board of the IIR (sinds 2011), that organizes conferences and courses in the area of corrosion and materials Rob Gommans has performed inspections, failure investigations, provided consultancy for many clients/companies, mainly in Europe, but also in Brazil, Argentina, United Arab Emirates, Saudi Arabia, Iran, Kuwait, Qatar, Syria, Libya, Egypt, Canada, USA, India, Bangladesh, Pakistan, Malaysia and Singapore He organises training and courses on materials, corrosion, inspections and is also asked as guest speaker in this area Rob Gommans has also acted as expert witness in arbitration and court cases

5 INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden optioneel : 1 hoge temperatuur corrosie 2 SRC = Strain Relaxation Cracking gespecialiseerd in het gedrag van metalen in hun omgeving (T, medium, %, ph, etc) en belastingsomstandigheden (P, tr, Nf) schakel tussen theorie en praktijk onderzoeken van complexe schadegevallen het geven van materiaal- en reparatie-adviezen opstellen inspectieplannen en -termijnen uitvoeren van risk-based inspecties langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied Rob GOMMANS 1

6 C-Mn staal / PWHT 560 C / martensiet / tegenlas CORROSIE onder ISOLATIE ½Mo stalen regeneratieleiding molzevennh3 fabriek) alternerende bedrijfsvoering (T = ambient 350 C) P = 70 bar waterstof (H2) personal protection isolatie Rob GOMMANS 1

7 overheating due to operator error root cause : management decision other examples : row 2 of AFA2 gas turbine (choking) Agrium primary reformer nov 2012 explosie Centrale Nijmegen Hoofdstoom Leiding Ø600 x 35 mm 180 bar C X20CrMoV121 Rob GOMMANS 2

8 multiple factors required for catastrophes such as : facilitated by : material defect, weld defect design mistake operating mistake management decision corrosion, mechanical failure etc lack of knowledge, training lack of exchanging information of failures retirement of experienced engineers and experts INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden Rob GOMMANS 3

9 wat is KRUIP? tijd-afhankelijke plastische vervorming onder invloed van belasting (constant of wisselend) onder invloed van hoge temperatuur (T > 0,4 T m in K) bij σ < R e (T) - staal : > 400 C - aluminium : > 100 C - lood : > -50 C - ijs : > -150 C - kunststoffen : > 0 C gevolg: vervormingen scheuren (locaties met hoogste spanning het eerst) RestLevensduur problematiek bij hoge-temperatuur installaties - hoge-druk stoomsystemen (>50 bar) stoomketels, OVO s, turbines, leidingwerk - gasturbines (stationair en vliegend) - stralings- en convectiesecties van fornuizen -? staaf onder belasting wordt langer buis onder inwendige druk zwelt op Rob GOMMANS 4

10 thin-lip fish-mouth rupture (short-term overheating) thick-lip creep rupture (long-term creep) Rob GOMMANS 5

11 veel toegepaste materialen staalsoort grenstemperatuur [ C] type voorbeelden voor kruip voor kruip-vermoeiing C-staal C-Mn staal laaggelegeerd Cr-Mo staal laaggelegeerd Cr-Mo-V staal hooggelegeerd Cr-Mo staal martensitisch Cr-Mo staal St358, St 458 P265GH, P355GH 16Mo3, 16Mo5, Grade 1 13CrMo4-5, Grade 11/12 10CrMo9-10, Grade 22 14MoV6-3, 1CMV X11CrMo5; Grade 5 X11CrMo9-1; Grade 9 X20CrMoV11-1, Grade austenitisch RVS Alloy 800 H/HT TP 304, TP316 TP321, TP347 TP310 X10NiCrAlTi primary secondary tertiary Yield strain t Elastic deformation Time Few voids Orientation Micro-cracks Rob GOMMANS 6

12 Scheuren betekenen het eindstadium van de levensduur Vooraf hieraan onderkennen we gedurende de bedrijfstijd diverse degradatiestadia die aangegeven worden in kruipklassen 0 t/m 5 Achtereenvolgens ontstaat: Structuurverval en carbidevorming (klasse 1) Ontstaan van niet-georiënteerde kruipholten (klasse 2) Ontstaan van georiënteerde kruipholten (klasse 3) Microscheuren (klasse 4) Macroscheuren (klasse 5) Neubauer (TüV 1983), VGB TW-507, NordTest TR 170 STAGE 2 Klasse 0 Klasse 1 Klasse 2 1m m Klasse 3 Klasse 4 Klasse 5 1m m Rob GOMMANS 7

13 structuurverval en carbidevorming (klasse 1) structuurdegradatie door globularisering van perliet, bainiet of martensiet (in ferritische stalen) verdere rijping en faseverandering door vorming carbides in de korrels en op de korrelgrenzen, met lagere hardheid en kruipsterkte als gevolg gaat door als f (t,t) geïsoleerde kruipholten (klasse 2) secundair kruipstadium holten (voids) worden gevormd op de korrelgrenzen, bij voorkeur op tripelpunten, tgv afschuiving van de korrels onderscheid tussen klasse 2A en 2B is de hoeveelheid gevormde (geïsoleerde) holten Rob GOMMANS 8

14 georiënteerde kruipholten (klasse 3) Holten gaan zich oriënteren op de korrelgrenzen Oriëntatie zichtbaar loodrecht op de spanningsrichting Onderscheid tussen klasse 3A en 3B is de hoeveelheid gevormde holten (3B: parelsnoer) klasse 3 Rob GOMMANS 9

15 micro-scheuren (klasse 4) Holten groeien en groeien aaneen, waardoor de tussenliggende damwanden verdwijnen, en de eerste microscheurtjes worden gevormd scheurtjes verminderen de dragende doorsnede, waardoor spanning en vervormingssnelheid toenemen klasse 4A Rob GOMMANS 10

16 klasse 4B macroscheuren (klasse 5) Tertiaire kruipstadium Microscheurtjes groeien, groeien aaneen en vormen macroscheuren, die met DPI of MPI, vaak met blote oog zichtbaar zijn Rob GOMMANS 11

17 klasse 5 Werkproces RestLevensduur houdt zich bezig met de beheersing van de faalmechanismen kruip en kruip-vermoeiing (LCF) TEAM (senior) proces technoloog (senior) mechanical engineer inspectie deskundige (IKT-3) hoge-temperatuur materiaaldeskundige vertegenwoordiger AKI Rob GOMMANS 12

18 ontwerp uur na uur : inventarisatie (P, T, N) en dimensies berekening spanningen en verbruiksfractie (u) selectie kritische componenten opstellen eerste / vervolg aanvullend onderzoek uitvoering onderzoek evaluatie resultaten werkproces beheersing faalmechanismen kruip en LCF RToD T0102 PRD 23 bijlage 7 ontoelaatbare kruipschade : uitbreiding onderzoek, reparatie of vervanging INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden Rob GOMMANS 13

19 KRUIP = tijd afhankelijke plastische vervorming onder invloed van belasting, temperatuur en tijd warmsterkte P355GH 300 sterkte [MPa] Re [MPa] R1%100k [MPa] Rmg200k [MPa] temperatuur [ C] Kruipproef Rob GOMMANS 14

20 KRUIPCURVE infuence of temperature or stress primaire kruip afnemende kruipsnelheid door versteviging door vorming van meer dislocaties Rob GOMMANS 15

21 secundaire kruip Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocaties gevormd worden als dat opgeheven worden SECONDAIRE KRUIP Rob GOMMANS 16

22 DISLOCATIE-KRUIP dislocatie-beweging door glijden (in één glijvlak) m = 0 en n 3 dislocatie-beweging door glijden en klimmen DIFFUSIE-KRUIP m = 2 (volume) m = 3 (korrelgrens) en n = 1 Rob GOMMANS 17

23 Deformation mechanism maps (1) Deformation mechanism maps (2) Rob GOMMANS 18

24 extrapolatie probleem 1 E-03 Alloy C 1 E-04 strain rate [1/h] 1 E-05 Alloy 800H bottom manifold DMY T = 800 C P = 30 bar 1 E-06 diffusion creep dislocation creep combined creep 1 E-07 1 E stress [MPa] 100 stabiliteit micro-structuur S T A BI E L N IE T- S T A BI E L Omega methode Rob GOMMANS 19

25 tertiaire kruip vermindering van dragend oppervlak door vorming van holten en scheuren INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden Rob GOMMANS 20

26 kruipproef 13 CrMo 4-5 bij T = 500 C Rob GOMMANS 21

27 parametrische benadering Larson - Miller P LM = T * (C + log t R ) C = / T in K / t R in hours Manson - Haferd log t R -C P MH = ( T To) n T in K / t R in hours / n ~ 1 / C = / To ~ bedrijfstemperatuur Rob GOMMANS 22

28 extrapolatie onbetrouwbaar? 600 C 10 5 h avg rupture USA : 100 MPa 1995 : 94 MPa 2009 : 90 MPa invloed legeringselementen Rob GOMMANS 23

29 modified 9Cr-steel (P91) element content influence C N V Nb formation of carbides and carbo-nitrides formation of carbo-nitrides VC (VNb)C (VNb)(CN) NbC (NbV)C (NbV)(CN) Cr oxidation resistance; Cr 23 C 6 formation Mo solid solution hardening; stabilisation of Cr 23 C 6 ; formation of Mo 2 C and Laves Ni < 040 limitation of delta-ferrite formation Mn residual Si residual Al < 0040 desoxidation P < 0020 impurity S < 0010 impurity P 91 Rob GOMMANS 24

30 influence of creep strength on wall thickness calculation of used-life fraction dimensions load material information (minimum) design curves or parametric formulae stress operating history P(t) and T(t) operating time component formulae hoop stress formula bend : torus factor T-piece : z - factor rupture time used - life fraction u = Σ ij t ij / t Rij Rob GOMMANS 25

31 sensitivity of used-life fraction ( for ferritic steels in HP-steam systems ) - temperature : - pressure : - wall thickness - hours - u doubles every C - u + 2% for every bar - (variable) - linear INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden Rob GOMMANS 26

32 calculation of used-life fraction dimensions load material information (minimum) design curves or parametric formulae stress operating history P(t) and T(t) operating time component formulae hoop stress formula bend : torus factor T-piece : z - factor rupture time used - life fraction u = Σ ij t ij / t Rij kruip - cases - korte-duur oververhitting - lange-duur oververhitting - kruip-vermoeiing interactie Rob GOMMANS 27

33 case : korte-duur oververhitting KVW-coil in convectie-sectie van oven - normaal niet in kruipgebied (300 C) - oververhitting bij opstart (>534 C) - medium = ketelvoedingswater (126 bar) - materiaal = staal 15Mo3 bedrijfsgegevens C? rookgas 400 temperatuur [ C] 300 KVW druk 0 16:48 18:00 19:12 20:24 21:36 22:48 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48 flow Rob GOMMANS 28

34 calculation of used-life fraction Pijp ø114,3 x 8,8 mm P= 126 bar (max) material information parametric ISO TR-7468 minimum : σ = 1,25 stress operating history P(t), T(t) figuur tijd = 8 uur component formulae hoop stress formula σ = P (OD-d) / 2d rupture time used - life fraction u = Σ ij t ij / t Rij RESULTAAT : oververhitting niet relevant materiaal in-bedrijfname 1982 bedrijfsuren component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 0 P11 = 13CrMo44 bereken-datum P22 = 10CrMo910 bereken-datum onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tr-min bedrijftijd u-max [mm] [mm] [mm] [bar] [Mpa] [Mpa] [oc] [uren] [uren] [-] P=constant slangen 101,6 7,0 7, ,1 106,4 570 P ,0237 uitlaatkast 101,6 7,0 7, ,1 106,4 570 P ,0237 leiding WV ,3 8,8 8, ,5 94,4 570 P ,0153 < 3% P = uurgemiddelde slangen 101,6 7,0 7,0 73,2 49,5 61,8 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 76,7 51,8 64,8 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 86,9 58,7 73,4 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 101,2 68,4 85,5 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 108,0 73,0 91,2 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 108,5 73,3 91,6 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 98,2 66,4 82,9 570 P , u slangen 101,6 7,0 7,0 118,4 80,0 100,0 570 P , u u-totaal Σ 8 0,0168 uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen? Rob GOMMANS 29

35 case : lange-duur oververhitting OVO-coil in convectie-sectie van oven - normaal in kruipgebied (515 C) - set-point 20 C overtreden (binnen vergunning) - medium = hoge-druk stoom (P = 126 bar) - materiaal = staal 10 CrMo 910 calculation of used-life fraction pijp material information ø114,3 x 10 mm parametric ISO TR-7468 ø273,1 x 14 mm minimum : σ = 1,25 operating history P= 126 bar (max) P(-), T(+20 C) stress tijd = 12 jaar component formulae hoop stress formula σ = P (OD-d) / 2d rupture time used - life fraction u = Σ ij t ij / t Rij Rob GOMMANS 30

36 lange-duur oververhitting materiaal in-bedrijfname 1980 bedrijfsuren component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500 P11 = 13CrMo44 bereken-datum ,500 P22 = 10CrMo910 bereken-datum ,500 onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tr-min u-max u-max of DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oc] [uren] [-] [-] OVO-1 slangen P22 384, uitlaatkast P22 792, materiaal in-bedrijfname 1995 component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500 P11 = 13CrMo44 bereken-datum P22 = 10CrMo910 bereken-datum onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tr-min u-max of DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oc] [uren] 2007 Σ u 2007 [-] OVO C slangen P22 110, uitlaatkast P22 241, lange-duur oververhitting : vaak : op termijn korte-duur oververhitting : - vaak geen probleem - maar (laten) controleren ONTHOUDEN : iedere +15 C halvering levensduur dus : bij 45 C factor 2*2*2 = 8 korter Rob GOMMANS 31

37 u = Σ N / N f fatigue damage kruip vermoeiing - interactie creep damage u = Σ t / t R fatigue damage base-load operation (creep-damage) u = Σ t / t R eg 25 yrs creep damage Rob GOMMANS 32

38 fatigue damage change base-load two-shifting (LCF after creep) eg in year 27 creep damage BEDANKT VOOR UW AANDACHT! Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant Rob GOMMANS 33

39 Company details Statutory address Materials & Corrosion Know - How bv Eiland CA Stevensweert The Netherlands Correspondence-address MTOC Building Kampstraat HG Geleen The Netherlands Telephone Rob Gommans (office) (mobile) Internet internet site wwwmc-knowhownl address robgommans@mc-knowhownl Banking data ING Bank PO Box AB Amsterdam The Netherlands IBAN NL31 INGB BIC / SWIFT INGB NL2A Chamber of Commerce Chamber Roermond nr SBI-codes 7112 / / / VAT-number Qualifications NL B01 MSc in Materials Science and Engineering (1987, Delft University) EurIng recognised by FEANI (2000, certificate 00/001/GO) Level III Inspection Specialist (2003, Hogeschool Utrecht - NL) Membership KIVI (Royal Dutch Institute of Engineers) - member number 4423 FEANI (European Federation of National Engineering Associations) Bond voor Materialenkennis (Dutch Materials Society) NACE (National Association of Corrosion Engineers, member nr ) Gommans Metallurgical Services is a trade name of MC Know-How bv