Vermoeiing in metalen

Transcriptie

1 Vermoeiing in metalen Lasgroep Zuid Pascal Schreurs Sintra Engineers

2 Onafhankelijk ingenieursbureau Gespecialiseerd in het mechanische gedrag van materialen in hun omgeving en belastingsomstandigheden, schakel tussen theorie en praktijk. Fitness for service analyses volgens BS7910 / API579 beoordelingen van locale of generieke wanddikte afname en pitting schade breukmechanische analyses koude brosheid studies beoordelen van lasfouten (misallignments, ) FEA analyses Restlevensduur analyses aan equipment in kruipgebied vermoeiingsgebied Trouble shooting bij (Mechanische) schades Reparatie advies Gebruik maken van de expertise / diensten van MCC en/of CODE-PS 19 oktober

3 Referentielijst 19 oktober

4

5 Gespecialiseerd in het gedrag van metalen in hun omgeving en belastingsomstandigheden, schakel tussen theorie en praktijk. onderzoeken van schadegevallen het geven van materiaal- en reparatieadviezen opstellen inspectieplannen en -termijnen uitvoeren van risk-based inspecties Langdurige industriele kennis en ervaring in dit vakgebied

6 Gespecialiseerd in productontwikkeling voor verschillende industrieën met behulp van state-ofthe-art computersimulaties. Sterktepunten kunststof en metaal materiaalkennis technische know-how creativiteit en flexibiliteit. Klanten : automotive leveranciers deurmodules, riemspanners, front end modules, dashboards etc. general industry printers & copiers, kinderzitjes, achtbanen

7 Metaalkundig onderzoek (mirco- structuur, hardheidsmetingen, ) Schade analyses (Macroscopisch, Microscopisch, SEM/EDX, ) Onsite onderzoek (Replica onderzoek) Toepassing in: Kennis opbouw voor de gebruiker van een machine of installatie Contra expertise Klant leverancier geschillen

8 Niet Destructief Onderzoek (NDO) Ultrasone wanddikte metingen Ultrasoon lasonderzoek Magnetisch en Penetrant onderzoek Wervelstroom onderzoek Corrosie & erosie monitoring Visueel onderzoek Video inspectie Thermografie NDO specialisatie Turn around coördinatie Specialistische slijpwerkzaamheden bij schade Training & consultancy L3 services Onafhankelijke cross checking Rope Access + NDO

9 Gespecialiseerd in de voorbereiding en uitvoering van TurnArounds en investeringsprojecten Onze activiteiten zijn o.a. planning, management en implementatie van nieuwbouw, renovaties en modificaties van industriële productie installaties. Diensten Opstellen van scope dmv o.a. Risk assessment (opstellen D-begroting) Opstellen bestekken (C-begroting) Werkvoorbereiding/procurement (B-begroting) Opzetting planning / gate keeping / begeleiding contractors Constructie management + planning&cost control P.O. Plannen aanpassen Vakgebieden Static, EMRA, Civiel en Rotating equipement Piping, drukhouders, appendages, Rotating equipement, Pb/E/I Rotating equipement, appendages, automatisering Project & Constructie management, Qa/Qc, Planning &Control, Expediting Medical Services, EH&S management

10 AKconflex B.V.: specialist in Pipestress & Vesselengineering Onze diensten: Sterkteberekeningen van pijpleidingen en apparaten Flexibiliteitsberekeningen van pijpleidingsystemen Maintenance engineering Onze klanten o.a.: DSM/Sabic Sitech Services NUON Bronswerk MCL Wij bieden onze klanten specialistische kennis gecombineerd met uitstekende service, flexibiliteit en korte doorlooptijd.

11 Wat is FFS FFS betekent Fitness For Service (letterlijke vertaling: geschikt voor de toepassing) Verzamel naam voor specialistische rekenmethodieken om de geschiktheid van (druk)apparatuur aan te tonen 19 oktober

12 Doel van FFS Voorkomen dat falen van drukapparatuur met onacceptabele consequenties zich voordoen binnen de geplande levensduur (of tot de eerst volgende shutdown-inspectie). Voorkomen van ongeplande stilstand Voorkomen van reparaties welke uitlopen TA tot gevolg hebben Bepalen van inspectie termijn en omvang 19 oktober

13 Waarom FFS 19 oktober

14 VERMOEIING 19 oktober

15 Enkele misvattingen over vermoeiing Vermoeiing ontstaat alleen in rotating equipement High cycle fatigue schade treed op in een korte periode Ik heb toch maar 1 wisseling per week, dus ik heb geen last van vermoeiing 19 oktober

16 Inhoud Beetje theorie en berekeningen Schade onderzoek en Inspectie Enkele voorbeelden 19 oktober

17 Wat is vermoeiing Het onstaan van scheuren als gevolg van een wissellende belasting Geconstateerd in bij bouw /constructie van stoomtreinen Wohler heeft proeven uitgevoerd om dit gedrag te analyseren. 19 oktober

18 Vermoeiing in stappen Cyclische slip Crack Nucleation Micro scheurgroei Macro scheurgroei Falen van constructie Initiatie periode Scheurgroei periode K t Stress concentration factor K I Stress intensity factor K I > K Ic Breuktaaiheid

19 Scheur initiatie

20 Microscheurgroei

21 Levensduur vs indicatie diepte/lengte

22 Vermoeiing in stappen Cyclische slip Crack Nucleation Micro scheurgroei Macro scheurgroei Falen van constructie Initiatie periode Scheurgroei periode K t Stress concentration factor K I Stress intensity factor K I > K Ic Breuktaaiheid

23 Spanningsconcentratie factoren Treden in ronde gaten, diameter overgangen, lasverbindingen Voor ronde gaten in platen op trek belast geldt : Kt = 3 Kunnen worden opgezocht in diverse handboeken zoals Peterson s stress concentration factors Bij een speciale vorm kan deze factor berekend worden middels FEA. Factor is een dimensieloos getal

24 Voorbeeld van spanningsconcentratie σ piek =σ nom K t stress concentration factor Ktg rmin σ σ t σmax t/r 19 oktober 2011 Stress concentration factor Ktg for an elliptical of U-shaped notch in a semi-infinite thin element in tension 24

25 Kerf gevoeligheid van materiaal Eerste proeven uitgevoerd met kleine proefstaven en scherpe overgangen Latere proeven uitgevoerd met dezelfde Kt factor maar grotere diameter proefstaven. Standtijd van nieuwe proeven bleek korter te zijn Dit is afhankelijk van kerf gevoeligheid van materiaal. Bepaald door o.a. Peterson, Neuber en Siebel Volgens Peterson geldt: q := K f 1 K t 1 K f = vermoeiingsgrens ongekerfd / vermoeiingsgrens gekerfd

26 Kerf gevoeligheid

27 Een voorbeeld K t := 3 Spanningsconcentratie factor σ f := 50MPa Vermoeiingssterkte materiaal q := ( ) q K f := K t Alluminium met notch radius <1mm en 4mm Vermoeiingsfactor 1.2 K f = 2.8 σ ft := σ f K f Toelaatbare spanning in constructie σ ft = MPa

28 Vermoeiingscurve 1 3 C := σ a n 5 Spannigs amplitude [MPa] 5 x n ( aantal wissellingen)

29 Overige parameters van invloed Parameters van invloed: Oppervlakte ruwheid Wanddikte Temperatuur Gelast / ongelast Gemiddelde spanning Belasting boven rekgrensniveau

30 Invloed oppervlakte ruwheid Geen invloed bij klein aantal wisselingen

31 Residuele spanningen Residuele drukspanningen werken positief, trekspanningen negatief 1 x overbelasten bij 1 e inbedrijfname van constructie kan vermoeiingstechnische voordelen opleveren. In lasverbindingen zijn residuele trekspanningen aanwezig van rekgrens niveau

32 Europese codes Vermoeiingsanalyse voor gelaste en ongelaste constructies opgesplitst Ruwheid bij gelaste constructie veel minder invloed Residuele spanningen bij gelaste constructie zeer hoog Materiaal eigenschappen hebben relatief weinig invloed op vermoeiingssterkte Vermoeiingssterkte ongelaste materiaal Vermoeiingssterkte afhankelijk van treksterkte Parameters van invloed: Gemiddelde spanning Ruwheid 19 oktober

33 Vermoeiing in lasverbindingen Vorm van lasverbinding heeft invloed op de toelaatbare spanning Lasafwerking en/of doorlassing heeft invloed Lasafwerking en/of doorlassing heeft invloed op curve

34 Effect gemiddelde spanning R = R < -1 R = -1 R = 1 R = 0 19 oktober

35 Vermoeiing in lasverbindingen

36 Spreidingsband Spreidingsband in vermoeiing is zeer groot EN voor niet gelaste constructies hanteerd een factor 10 op de levensduur Kans op falen is zeer klein binnen bedrijfsperiode (<0.015%) Bepaling van inspectie interval kan scheurgroeisnelheid een antwoord geven 19 oktober

37 Low cycle fatigue (LCF) Klein aantal wisselingen Treedt op bij (locaal) cyclische plasticiteit Principe voorbeeld is paperclip lineair elastisch als σ > 2xRe Fenomeen is rek gestuurd en niet meer spanning Rek wordt lineair elastisch omgerekend naar spanning om curve compleet te maken Door Manson en Coffin vermoeiingscurve rekgestuurd opgesteld waardoor betere weergave/berekening van vermoeiingscurve bij gering aantal wissellingen

38 Wanneer LCF Voornamlijk thermisch belaste constructies Wissellende secundaire belasting Vaak in combinatie met kruip Grens tussen LCF en HCF onduidelijk Op basis van schade beeld (wel of geen plastische deformatie aan scheurtip) Op basis van aantal wissellingen (Manson-Coffin) Bij LCF is cyclisch plastische deformatie nodig Niet meer piekspannings afhankelijk 19 oktober

39 Voorbeeld van vermoeiingscurve volgens Manson-Coffin

40 2 fases in Vermoeiing Cyclische slip Crack Nucleation Micro scheurgroei Macro scheurgroei Falen van constructie Initiatie periode Scheurgroei periode K t Stress concentration factor K I Stress intensity factor K I > K Ic Breuktaaiheid

41 Breukmechanica Plaat met spanningsconcentratie Als r = 0.001mm wordt concentratie oneindig groot Nieuwe theorie nodig : Breukmechanica K I := σ Y π a k A := a ρ

42 Breukmechanica

43 Scheurgroei periode Scheurgroei periode kan worden bepaald middels breukmechanica K I := β S π a β = geometrie afhankelijke, beschikbaar in diverse literatuur a = lengte van de scheur Scheur groeit als K I > K I treshold Constructie bezwijkt als K I > K Ic K Ic is materiaal parameter welke gerelateerd kan worden aan Charpy waardes (vergelijkbaar met rekgrens)

44 Voorbeeld van scheurgroei curve (BS7910) da / dn [-] 1.00E E E E E E E E E E E E stress intensity K [MPa mm] 19 oktober

45 Voorbeeld van scheurgroeicurve 1.00E-03 Crack growth in hydrogen service da/dn 1.00E E-05 Hydrogen service GS 35um hydrogen service GS 180um Air service GS 35um air service GS 180um 1.00E K [MPa*m 1/2 ] Let op, Curves zijn afhankelijk van : Frequentie Gemiddelde spanning Faalmechanisme / materiaal medium combinatie

46 Breukvlak onderzoek Verhouding oppervlak vermoeiing / restbreuk Locatie restbreuk Initiatie plekken Vorm van de schelp 19 oktober

47 Voorbeelden 19 oktober

48 Beach marks

49 Inspectie naar vermoeiing Inspectie naar aanleiding van vermoeiing is moeilijk Tot 80%-90% van levensduur is aan oppervlak niets zichtbaar Bij hoge frequentie gaat scheurgroei zeer snel Voorbeeld: PSA vat met cycli per jaar Levensduur is 15 jaar Inspectie frequentie is 1.5 jaar Katalysator in vat heeft levensduur van 10 jaar 19 oktober

50 Bedrijfsbelasting rek (microns/meter) ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch Tijd (minuten ) vanaf start uur 19 oktober

51 Rainflow counting Spanning [MPa] Tijd 19 oktober

52 Rainflow counting 19 oktober

53 Minor Regel N <1 N failure Kruip en vermoeiing versterken elkaar 19 oktober

54 Cases van vermoeiingsschade Menger Kruimbuffervat Gebruik maken van rekstrookmetingen PSA vat

55 Menger G1201 Horizontale menger, vat tot aan as gevuld Batch bedreven proces. Batch duurt ongeveer 1.5uur Tbedrijf = 120 C zakt naar 80 C gedurende proces Vermogen tijdens vullen = 140kW, normaal bedrijf = 70kW

56 MENGER

57

58 Schade locaties

59 Tekening

60 Schade onderzoek

61 Schade beeld

62 Startpunt voor vermoeiing

63 FEA analyse aan Paddel

64 Vermoeiingscurve Vermoeiingscurve volgens EN type 7.4 class Spanningsamplitude [MPa] 100 Norm-waarde mean data max data Aantal wisselingen N [-] 0 1E+09

65 Resultaten vermoeiingsanalyse

66 Kruimbuffervat Tank met roerwerk Wanddikte 5mm Materiaal Duplex Inhoud : loog houdend water (T=90 o C) met rubbervlokken 0,5 jaar in bedrijf

67 Tekeningen van het vat

68 Enkele foto s

69 Tank inwendig

70 1e schade Dubbelingsplaat voor bevestiging van baffles Gerepareerd door nieuwe plaat in te lassen zonder dubbelingsplaat

71 Enkele foto s

72 Doorsnede van scheur oppervlak Vermoeiing Corrosie-vermoeiing

73 Scheur doorsnede geetst

74 FEA analyse aan wand

75 2e Schade in kruimbuffervat

76 Detail foto s

77 Foto s schade onderzoek

78 Schade oorzaak

79 Tekening alpha laval warmtewisselaar

80 Enkele foto s

81 Schade onderzoek aan H4505

82 Schade onderzoek

83 Schade oorzaak Schade onderzoek blijkt vermoeiing Oorzaak vermoeiingsbelasting onbekend Stoomwezen verplicht verder onderzoek naar oorzaak Mogelijke oplossingen zijn: Trillingsmetingen rekstrookmetingen

84 Rekstrookmetingen ANON Afvoerleiding ANON toevoerleiding

85 Rekstrookmeting rek (microns/meter) ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch Tijd (minuten ) vanaf start uur

86 Globale proces beschrijving 3 bar stoomnet Pluimkoeler LIC LT 26 bar cond. Dampafscheider Flashvat 100grC 140grC Cond. koeler LPV c. hexanon Naar H4504 Cond. cond,. watertank watertank 100grC c. hexanon Vam T4014

87 Mechanische berekening Bepaling van optredende DT 2 balken parallel met elkaar verbonden 1 balk word warm, andere niet hoe groot is de spanning dan?

88 Bepaling van piekspanningen

89 Vermoeiingsschade in pijp-pijpplaat verbinding

90 Schade beeld tijdens inspectie

91 Oorzaak?

92 Vermoeiingsschade in pijp-pijpplaat verbinding

93 Schade veroorzaakt door vermoeiing Klopt schade-beeld met belasting? Waar komt belasting vandaan? Tijdens debottlenecking 2004 is aanstroom-opening van rand naar midden verplaatst, tevens is de toevoersnelheid product versnelt van 25 min naar 5 min. Produkt komt standaard binnen met 50 o C lagere temperatuur dan Marlotherm (metaal temp)