Lassen en de invloed op mechanische eigenschappen en falen

Transcriptie

1 Lassen en de invloed op mechanische eigenschappen en falen Bram Hazenberg MSc IWE 16 april 2019 Enkele diensten van Element Materiaal Testen Metallurgisch Onderzoek Breukmechanica & ECA Corrosie Testen Schadeonderzoek PQT On site onderzoek Las advies 1

2 Opdrachtgevers Ontwerpers, verkopers, bouwers, afnemers en gebruikers van producten, 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 Ministerie van SZW (arbeidsinspectie) Raad voor de Veiligheid 3 Lassen en schadeonderzoek: het eerste begin 2710 Liberty ships gebouwd tussen 1941 en 1945 op slechts 8 werven eerste toepassing van lassen op deze industriële schaal 1300 schepen toonden brosse breuken/scheuren 3 schepen zijn in tweeën gebroken (totaal 12 inclusief andere typen) 4 2

3 Schadeonderzoek: waarom? Je moet eerst weten wat het probleem is, voordat je het kunt oplossen. -> onjuiste oplossingen kunnen het probleem ook verergeren! Enkele scenario s: het materiaal/product blijkt anders dan gespecificeerd de procescondities blijken anders (geworden) dan waarvoor de installatie is ontworpen het materiaal en/of de lassen bevatten defecten het materiaal/ontwerp is niet geschikt voor de toepassing de gebruiker heeft het product verkeerd gebruikt (of misbruikt) 5 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 3

4 Verificatie van materialen; kloppen de fabriekscertificaten Feiten Bij ca. 10% van de door Element onderzochte schades blijkt het toegepaste materiaal niet overeen te komen met het materiaal op tekening of blijkt het certificaat heel andere beproevingsresultaten te vermelden dan de door Element bepaalde waarden Materialen met een op het certificaat vermelde warmtebehandeling, blijken regelmatig niet of anders warmte behandeld te zijn, waardoor: Bijvoorbeeld de kerfslagwaarde van 300 J op het certificaat in werkelijkheid slechts 3 J bedraagt => Dit zijn de bouwstenen van het uiteindelijke product! Na ontwerpen volgt bouwen => lassen Lasdefecten, o.a. scheuren (koud, warm) bindingsfouten, onvoldoende doorlassing aanloopkleuren (rvs!) materiaalveranderingen, b.v. verbrossing vervormingen restspanningen Δ HI Δ enz. Δ Hardheid Δ lastechniek Δ T v + Δ T i Σ effect toleranties Δ C-eq + Δ naadvorm ΔChemische analyse Δ breekrek Δ rekgrens + + Δ kerftaaiheid Δ treksterkte Lassen heeft grote invloed op de integriteit, kwaliteit Maximale en uiterlijk lasellende van = een Σ individuele constructie afwijkingen als gevolg van het lassen 8 4

5 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 9 Enkele faalmechanismen Plotseling: overbelasting leidende tot scheur of breuk Op termijn: door degradatie en/of scheurvorming gevolgd door breuk 10 5

6 Overbelasting in twee smaken: bros of taai Taai: snelheid < 6m/s stabiele scheurgroei externe belasting veel vervorming -> neemt energie op Bros: snelheid ~ 1000m/s, afhankelijk van: type belasting (snelheid, spanningsintensiteit K) dikte en verdere afmetingen constructie (2D/3D) temperatuur foutgrootte waterstof materiaalkwaliteit (samenstelling, microstructuur, korrelgrootte etc.) instabiele scheurgroei vervormingsloos en weinig tot geen energie opname 11 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 6

7 Brosse breuk trekoog en tandwiel Kerfslagwaarde indicatief, met breukmechanica: rekenen! breuk als spanningsintensiteitsfactor K I K Ic [N/mm 3/2 ] K I = Cgeom. f a t. (π. a). σ KIc 13 Brosse of taaie breuk? De hoogte van de overgangstemperatuur wordt onder andere bepaald door: koolstofgehalte mate van koudversteviging mate van verhindering voor de verplaatsing van dislocaties (bijv. door precipitaten) korrelgrootte 14 7

8 Brosse of taaie breuk? Korrelgroei wordt o.a. bepaald door: hoogte (gloei)temperatuur tijdsduur verhoogde temperatuur 15 Brosse of taaie breuk? De hoogte van de overgangstemperatuur wordt onder andere bepaald door: koolstofgehalte mate van koudversteviging mate van verhindering voor de verplaatsing van dislocaties (bijv. door precipitaten) korrelgrootte => houd dus rekening met materiaalkeuze en warmte-inbreng (HI) bij lassen 16 8

9 Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren in wbz of lasmetaal, transkristallijn of interkristallijn, kartelig, zonder deformatie, scherpe scheurtippen Gecombineerde mat.dikte Eis hardheid reinheid toevoeg Voorwarmtemperatuur opslag waterstofgehalte toevoeg toevoegmat. waterstof arm gloeien Reinheid oppervlak basismetaal Afkoeltijd t8/5 HI= UxIxŋx60/ v lasx1000 Diffundeerbaar waterstof Krimpverhindering Eis naadvulling krimp restspanningen PWHT Eis KSW 17 Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren Dwars (koud) scheuren in hoge sterkte stalen constructie static fatique : Above a tensile strength of ~1240 MPa (180 ksi), most high strength low alloy steels, such as AISI 4130 and 4340 (42CrMo4), and precipitation hardening stainless steels are susceptible to hydrogen-embrittlement cracking in marine atmospheres when the residual or applied tensile stresses are sufficiently high, and the cracking usually occurs in a form of delayed failure. 18 9

10 hardheid Scheuren tijdens fabricage: Let op verschil tussen C-gehalte en C-equivalent! koudscheuren Koolstofgehalte bepaalt de maximale hardheid Koolstofequivalent bepaalt de doorhardingsdiepte Graville diagram 1. C als (2), Ceq lager 2. C als (1), Ceq hoger 3. Ceq als (1), C hoger C Ceq warmte-inbreng 19 Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren (interdendritisch) Drijvende kracht: krimp(spanningen) stolscheuren smeltscheuren 20 10

11 Scheuren tijdens fabricage: OP-lassen: H/B-scheur onder het oppervlak stolscheuren 21 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% 22 11

12 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: indicaties las root skid beam t = 50 mm longitudinal stiffener t = 30 mm transverse stiffener t = 20 mm diaphragm plate t = 25 mm 23 Scheuren tijdens fabricage skid beam: indicaties aan de doorlassing. NDO -> Scheuren? achterzijde las niet bereikbaar voor NDO zeer hoge restraint (krimpverhindering) zeer veel indicaties gevonden aan de positie van doorlassing, gemeld als scheuren, -> fabricage gestopt 24 12

13 gerapporteerd: scheuren tijdens fabricage skid beam: repareren? Doorlassing voor (links) en na (rechts) reparatielassen Verbetering? In doorsneden geen scheuren aangetroffen! 25 Scheuren tijdens fabricage skid beam: na reparatie overmatige doorlassing zeer wijde vooropeningen bindingsfouten 26 13

14 Overwegingen bij het lassen van starre dikwandige constructies Zaken van belang in het ONTWERP: De krimp van de ene las kan de vooropening van de andere 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? 27 Lascondities simuleren met mock up en test plate 28 14

15 PAUZE Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Klein foutje in de doorlassing, grote gevolgen! 30 15

16 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Trekstang van mobiele kraan: afstemming lasdetails en afwerking (slijpen) op type belasting 31 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing pijp-pijp verbinding: vermoeiing bij lassen op een onderlegstrip positie las op overgang. Vermoeiingsscheuren blijven vaak lang verborgen 32 16

17 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing geïnitieerd aan de tip van een oplassing 33 Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing Plaatdikte t = 155 mm Grade E staal volgens ABS rules (0,14% C) Lasreparatie in radius Basismateriaal 149 HV10 WBZ 426 HV10 => Houd je aan het plan! 34 17

18 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 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, bramen van het doorslijpen (geen lasnaadvoorbereiding) en uitlijnigheid (spleten). oplossing: leiding volledig vervangen 36 18

19 Schade tijdens gebruiksfase: spanningscorrosie bij lassen in RVS 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 EN hoog niveau van residuele spanningen bij de lassen oplossing: volledig vervangen 37 Praktijkvoorbeeld: Schade zwart-wit verbinding in een uitlaat verloopstuk van een USX 19

20 Inleiding Uitlaat verloopstuk van USX (Ultra Selective Exchanger) aan het einde van een kraakgasleiding Overgang P22 (10CrMo9-10) naar 321H Medium: kraakgas bij C, ontwerpdruk 4,1 bar Verloopstuk vervangen voor 2013 (exacte datum/jaar onbekend) Turn Around oktober 2016:UT+RT+PT -> geen scheur Bij voorbereidingen hydrotest in maart 2017 bleek de las alsnog lek 39 Zwart-wit verbinding: best practice Nikkel basis bufferlaag aan zijde P22 PWHT (half uur tot vele uren C) alleen aan P22-zijde Nikkel basis las (Ni > 60%) tussen rvs en P

21 Overzicht scheur(oppervlak) origineel ontroest P22 text 321H -> 304(H) 41 scheurkenmerken in detail origineel text 42 21

22 Microscopisch onderzoek bm korrelgrootte 6 wbz korrelgrootte 2 43 Buigtest (RT) + Vickers hardheid P22 basismateriaal P22 over las weld position Hardness Average hardness [HV10] [HV10] P22 base metal P22 heat affected zone weld cap (H) base metal

23 Conclusies Uitlaat verloopstuk gefaald als gevolg van ontlaatverbrossing Verbrossing is ontstaan door een combinatie van laswarmte, PWHT en procestemperatuur ( C) Falen is opgetreden na uitgebruikname, als gevolg van de verdere verbrossing bij lage temperatuur en residuele- en/of thermische spanningen De lasverbinding is niet uitgevoerd volgens de eigen (huidige) best practice 45 Schade tijdens fabricage en/of bedrijf: ontlaatverbrossing (temper embrittlement) Verbrossing van een (ferritisch, kruipvast) gelegeerd staal na gloeien/toepassen bij temperaturen C. Gevolg is aanzienlijke stijging overgangstemperatuur Verbrossende elementen (o.a. Sb, P, Sn en As) segregeren naar de korrelgrenzen. -> een grofkorrelige warmte beïnvloede zone is dus dubbel ongunstig 46 23

24 Zwart-wit verbinding: best practice Nikkel basis bufferlaag aan zijde P22 PWHT (half uur tot vele uren C) alleen aan P22-zijde Nikkel basis las (Ni > 60%) tussen rvs en P22 Ook goed uitgevoerde lassen moeten bij hoge temperatuur blootstelling na circa 5 jaar vervangen worden als gevolg van verbrossing van de wbz door C-diffusie en precipitatie Vermijd een grofkorrelige wbz door lassen met lage warmte inbreng en/of het werken met dunne lagen voor uitgloeien van de onderliggende lagen 47 Bedankt voor jullie aandacht!? 24