Het falen van stalen leidingen of vaten Dr. Ir. Peter van Houten IWE Ir. Lammert Brantsma IWE,, IWI
Schielab b.v. Schielab Breda Rotterdam Veendam Sittard www.schielab.nl
Activiteiten Materiaal beproeving: mechanisch testen, chemische analyse breukmechanica (CTOD( CTOD,, SENT, vermoeiing) metallografie replica onderzoek aan hoge temperatuur installaties corrosie testen Schade onderzoek: Vooral aan metalen, soms aan kunststoffen constructies aard en oorzaak van opgetreden schade vaststellen consultancy, deskundige in rechtszaken specials op verzoek, o.a.: Barst proeven, beperkt rekenwerk, enz. afhankelijk van de vaardigheid en de kennis van de medewerkers Verzorgen van materiaal cursussen (Staal, RVS, Lassen, e.a.)
Enige van de faciliteiten Automatische hardheid meting Microscopie Spectroscopie Raster elektronen microscopie en EDX
Opdrachtgevers Ontwerpers, verkopers, bouwers, afnemers en gebruikers van installaties Constructie bedrijven, Off shore pijpenleggers en constructie bouwers Off shore Staal handel Olie en gas exploratie en productie Petrochemie Elektriciteitsproducenten Metaalbewerkingsbedrijven Pijpfabrieken, buispaalfabrikanten en pijpenbuigers Drukvatenbouwers Enz enz.. En, bij grotere schades en ongelukken: Verzekeringsmaatschappijen, advocaten Arbeidsinspectie
Het begin: het ontwerp van een installatie constructieve eisen: - belastingen - statische-,, dynamische sterkte - stabiliteit(knik, plooi) - weerstand tegen brosse breuk - stijfheid (statische-,, dynamische, thermische belasting) - vervormingcapaciteit, incasseringsvermogen (zetten, onvoorziene temp. verschillen, krimpvervorming, k enz.), e.e.a.. op basis van: veiligheidseisen en factoren afmetingen (ook van deelconstructies) Levensduur, inspectie mogelijkheden en onderhoud uiterlijk met in acht name van: gebruik van standaard componenten maakbaarheid verkrijgbaarheid van materialen toegankelijkheid voor lassen toegankelijkheid voor onderhoud montage en demontage
Ontwerp: bouwen = lassen - Lasdefecten, o.a. Δ HI -scheuren Δ enz. Δ Hardheid - onvoldoende doorlassing - aanloopkleuren (rvs) Δ lastechniek Σ effect toleranties Δ T v + Δ T i - vervormingen - restspanningen - materiaalveranderingen, b.v. verbrossing Δ naadvorm Δ breekrek + Δ kerftaaiheid Δ rekgrens + Δ treksterkte Δ C-eq + ΔChemische analyse - Maximale lasellende = Σ individuele afwijkingen als gevolg van het lassen - Lassen heeft grote invloed op de integriteit en kwaliteit van de constructie
Ontwerp: lasdefecten Defecten zijn vaak onvermijdelijk. Welke lasdefecten zijn toelaatbaar in rond- of langslassen of leidingmateriaal Vooraf: inschatting invloed van fouten middels mechanisch testen van lasverbindingen en breukmechanica > de grootte van niet toelaatbare are fouten Zijn die niet toelaatbare fouten wel aan te tonen met NDO of laboratorium onderzoek? Soms worden onverwachte fouten aangetroffen na het bouwen of tijdens het gebruik: Dan reparatie, of, fitness for purpose
Ontwerp lassen: kwaliteit en kosten van de constructie Blijf zoeken naar de grenzen van het technisch mogelijke en normatief toelaatbare! Zowel voor: Naadvorm met minimale naadinhoud Naadinhoud Naadvorm Lassnelheid (HI( HI) Hardheid, taaiheid Voorwarmtemperatuur Wanddikte x rekgrens actuele of minimum gespecificeerde
Kwalificatie Vooraf aantonen dat cruciale delen van het ontwerp met voldoende, oende, vooraf aangegeven, kwaliteit gemaakt kunnen worden. Dus: testen van de opgestelde lasspecificaties De basis voor het opstellen van lasspecificaties is kennis van: Ontwerpen en berekenen Materiaal eigenschappen als Sterkte, taaiheid, corrosiebestendigheid Lasmetaalkunde Lastechnologie Wijze van samenbouw Montage Bedrijfsomstandigheden van de constructie Druk, temperatuur, cycli, milieu Economie (kosten: materiaal en manuren)
Kwalificatieproeven moeten een afspiegeling zijn van de werkelijke productieomstandigheden De bouw van een reactorvat
Doel van een kwalificatie: het geven van duidelijkheid over een complex geheel van factoren Lasparameters V, I, v, lastoevoegmateriaal, laspositie, enz. enz. lasmetaalkunde ontwerp lasdetail lastechnologie lasmethodebeschrijvingen lasonderzoek Lasvaardigheid en theorie basismaterialen
Lasafwijkingen Lasafwijkingen: Gerelateerd aan het ontwerp Gerelateerd aan de lasser Gerelateerd aan het proces, zoals randinkarteling slak porositeit bindingsfouten onvolkomen doorlassing Gerelateerd aan de lasmetaalkunde en uitvoering, zoals scheuren verbrossing segregatie uitscheidingen koudscheur
Kleine defecten met grote gevolgen: Klein lasdefect en hoge dynamische belasting vermoeiing, Δ NDO defect Alexander Kielland vijfpoots eiland 1980: 123 doden
Goed- of afkeur?? Aan de basis staan Normen, specifiek voor een type product Goed- en afkeur is gebaseerd op: het type product het soort materiaal de aard van de belasting statisch dynamisch impact de spanningstoestand dikte van het materiaal geometrische overgangen mogelijke defecten en hun kerfwerking afgerond of niet (porositeiten( porositeiten,, slakinsluitingen) vlak (scheuren, bindingsfouten, onvolkomen doorlassing)
Feiten Bij ca. 10% van de door Schielab onderzochte schades blijkt het toegepaste materiaal niet overeen te komen met het materiaal op tekening of blijkt het certificaat heel andere waarden te vermelden dan die door Schielab bepaald zijn 3% van de voor een LK of LMK toegepast of beschikbaar gesteld materiaal voldoet zelf niet aan de eisen die worden gesteld aan de las: dit betekent afkeur nadat: De las is gelegd Het proeflassen is bijgewoond De las is beproefd Vooraf testen van de uitgangsmaterialen bespaart problemen en geld!
Leidingwerk en vaten: materialen C-Mn staal Hoge sterkte staal Roestvast staal Koper Maar ook Nikkellegeringen, Titaan, zirkoon e.a. Kunststoffen Ieder materiaal heeft zijn eigen specifieke positieve en negatieve eigenschappen. Deze bepalen ook de specifieke aandachtspunten bij het lassen van n leidingen en vaten.
Oorzaken van falen van stalen leidingen en vaten Plotselinge overbelasting (impact, waterslag) Overbelasting Vermoeiing Thermische vermoeiing Kruip Corrosie Beschadiging Van binnenuit Van buitenaf
Overbelasting: bros of taai Taai: snelheid < 6m/s Stabiele scheurgroei onder een externe belasting veel vervorming Bros: snelheid ~ 1000m/s, afhankelijk van: temperatuur samenstelling, microstructuur korrelgrootte afmeting constructie belasting instabiele scheurgroei vervormingloos
Bros of Taai? bepaald door de kerftaaiheid, een materiaaleigenschap Uitgangsmateriaal wordt beïnvloed door het lassen: Kerftaaiheid overgangscurve C-Mn staal 200 Kerfslag energie [J] 6-80 C temperatuur T gebruik
Taaie en brosse overbelasting ketelpijp proces leiding - onder hoge kracht of druk - en/of hoge temperatuur -falen gaat gepaard met sterke deformatie - minder hoge druk - bij lage temperatuur - geen deformatie bij breuk
Vermoeiingsscheurgroei en breuk Langdurig wisselende belastingen: Vermoeiing: scheurbegin scheurgroei Verlies van dragende doorsnede, gevolgd door taaie of brosse restbreuk Gevolg van: verkeerde constructie verkeerde (las)uitvoering (procedure of man) ongunstige wisselende (trek)belasting
Vermoeiing van een hydraulische cilinder Ø0,5 m, hoge sterkte C-Mn staal Na 2 jaar gescheurd Oorzaak : ontwerp laspositie Spanningsconcentratie tgv geometrische overgang materiaalovergang
Vermoeiing blijft lang onontdekt, en kan leiden tot plotseling catastrofaal falen:
Pijp/flens dubbelwandig RVS vat: Ook wisselende thermische belasting kan tot vermoeiing leiden Oorzaak: verschillen in uitzetting leidt in een starre constructie tot hoge spanningen
Aantonen van vermoeiing: visueel tot elektronenmicroscopie
Thermische vermoeiing in C-stalen ketelpijp: dwarsdoorsnede Oorzaak: aanwezigheid van een inspuitkoeler
Kruip: langdurig hogere T, p Holtevorming (=rek) in het materiaal door diffusie en trekbelasting (verplicht) replica onderzoek in energiecentrales = niet destructieve metallografie las las 3 las Lasmetaal met kruipschade klasse 3b Las Ketting van kruipholten
Kruip in een HK40 naftakraker pijp
Schade door corrosie Corrosievormen: Algemene corrosie (corrosietoeslag) Interkristallijne corrosie (C-Mn( Mn,, RVS) Putcorrosie (rvs( rvs) PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%N in buitenlucht gewenst > 23 voor zeewater gewenst > 40 Spleetcorrosie Spanningscorrosie Corrosie vermoeiing Galvanische corrosie Corrsoie onde rafzettingen Microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC( MIC) Vaak mengvormen/combinaties
Aantasting van verbrande lassen Visueel naadje!
Corrosie van rondlassen in een waterblusleiding Ø50 mm, RVS type 316L ½ jaar na oplevering, vrijwel stilstaand leidingwater. perforaties aan de lassen door putcorrosie, spleetcorrosie en MIC, door vervuiling water en verspreiding corrosieproducten secundaire schade (putvorming in delen ver van de lassen,, MIC) oorzaak: slechte kwaliteit laswerk: geen backing (formeergas( formeergas) ) > aanloopkleuren verbrand lasmetaal ( bloemkolen bloemkolen ) uitlijnigheid/onvoldoende doorlassing (spleten) onvoldoende lasnaadvoorbewerking verbrande lassen (bloemkolen) aanloopkleuren, onregelmatige doorlassing, verspreiding van corrosieproducten Leiding moest totaal vervangen worden
Microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC( MIC) Opslagtank voor warm water, 316L Karakteristiek uiterlijk van MIC: volumineuze tubercules van corrosieproduct, iridiserende kleuren, vaak sterk ondergraven (pinholes). Oorzaak: condities, onvoldoende kwaliteit van het laswerk (geen backing) remedie: repareren en coaten
Spanningscorrosie in roestvaststalen tankwand van een schip Oorzaak: Spoelen met zout (chloride) houdend medium, T> 30 C Bijkomend: hoog spanningsniveau in de plaat (bedrijfsspanningen en residuele) Tank moest verschrot worden
Preferente aantasting van een langslas in een RVS 316L leiding leidingwerk werd gespoeld met 5% zoutzuur,, 20 C PM: algemene aantasting Las: galvanisch effect en interdendritische aantasting van het ferriet in de fabriekslas oorzaak: materiaalkeuze
Beschadiging Beschadiging van een oliepijpleiding door een sleuvengraver voor glasvezelkabels: Het lek De tijdelijke reparatie
Beschadiging van een oliepijpleiding Vaststellen van het schademechanisme en de grondoorzaak Langzame scheurgroei door corrosie aan de tip van de beschadiging > lekkage
Wezenlijk voor faalmechanisme Materiaalkeuze vs bedrijfscondities Constructieve aspecten Gebruik/misbruik Veranderingen van de beoogde bedrijfscondities!
Bedankt voor uw aandacht!