LZL 29 sep 2015 Faalmechanisme KRUIP Rob GOMMANS INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden 6 SRC = Strain Relaxation Cracking MCC Materials & Corrosion Consultants 1
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 multiple factors required for catastrophes such as : material defect, weld defect design mistake operating mistake management decision corrosion, mechanical failure etc facilitated by : lack of knowledge, training lack of exchanging information of failures retirement of experienced engineers and experts MCC Materials & Corrosion Consultants 2
INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden 6 SRC = Strain Relaxation Cracking 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) MCC Materials & Corrosion Consultants 3
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 MCC Materials & Corrosion Consultants 4
thin-lip fish-mouth rupture (short-term overheating) thick-lip creep rupture (long-term creep) 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, Grade91 400 350 475 425 austenitisch RVS Alloy 800 H/HT TP 304, TP316 TP321, TP347 TP310 X10NiCrAlTi3220 575 525 MCC Materials & Corrosion Consultants 5
primary secondary tertiary Yield strain t Elastic deformation Time Few voids Orientation Micro-cracks 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) MCC Materials & Corrosion Consultants 6
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 Werkgroep 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 MCC Materials & Corrosion Consultants 7
ontwerp 100000 uur na 100000 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 6 SRC = Strain Relaxation Cracking MCC Materials & Corrosion Consultants 8
KRUIP = tijd-afhankelijke plastische vervorming onder invloed van belasting, temperatuur en tijd 400 350 warmsterkte P355GH 300 sterkte [MPa] 250 200 150 100 Re [MPa] R1%100k [MPa] Rmg200k [MPa] 50 0 0 100 200 300 400 500 temperatuur [ C] Kruipproef MCC Materials & Corrosion Consultants 9
KRUIPCURVE infuence of temperature or stress primaire kruip Afnemende kruipsnelheid door versteviging door vorming van meer dislocaties MCC Materials & Corrosion Consultants 10
secundaire kruip Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocaties gevormd worden als dat opgeheven worden SECONDAIRE KRUIP MCC Materials & Corrosion Consultants 11
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 6 SRC = Strain Relaxation Cracking MCC Materials & Corrosion Consultants 12
kruipproef 13 CrMo 4-5 bij T = 500 C MCC Materials & Corrosion Consultants 13
parametrische benadering Larson - Miller P LM = T * (C + log t R ) C = 15-25 / 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 = 10-15 / To ~ bedrijfstemperatuur MCC Materials & Corrosion Consultants 14
extrapolatie onbetrouwbaar? P91 @ 600 C 10 5 h avg rupture USA : 100 MPa 1995 : 94 MPa 2009 : 90 MPa modified 9Cr-steel (P91) element content influence C N V Nb 008 012 003 007 018 025 006 010 formation of carbides and carbo-nitrides formation of carbo-nitrides VC (VNb)C (VNb)(CN) NbC (NbV)C (NbV)(CN) Cr 80 95 oxidation resistance; Cr 23 C 6 formation Mo 085 105 solid solution hardening; stabilisation of Cr 23 C 6 ; formation of Mo 2 C and Laves Ni < 040 limitation of delta-ferrite formation Mn 03 06 residual Si 02 04 residual Al < 0040 desoxidation P < 0020 impurity S < 0010 impurity MCC Materials & Corrosion Consultants 15
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 MCC Materials & Corrosion Consultants 16
sensitivity of used-life fraction ( for ferritic steels in HP-steam systems ) - temperature : - pressure : - wall thickness - hours - u doubles every 15-20 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 6 SRC = Strain Relaxation Cracking MCC Materials & Corrosion Consultants 17
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 MCC Materials & Corrosion Consultants 18
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 600 500 534 C? rookgas 400 temperatuur [ C] 300 KVW 200 100 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 MCC Materials & Corrosion Consultants 19
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 1 0 0 P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 0 0 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 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237 uitlaatkast 101,6 7,0 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237 leiding WV-424 114,3 8,8 8,8 126 75,5 94,4 570 P1 522 8 0,0153 < 3% P = uurgemiddelde slangen 101,6 7,0 7,0 73,2 49,5 61,8 570 P1 1467 1 0,0007 19-20u slangen 101,6 7,0 7,0 76,7 51,8 64,8 570 P1 1233 1 0,0008 20-21u slangen 101,6 7,0 7,0 86,9 58,7 73,4 570 P1 778 1 0,0013 21-22u slangen 101,6 7,0 7,0 101,2 68,4 85,5 570 P1 445 1 0,0022 22-23u slangen 101,6 7,0 7,0 108,0 73,0 91,2 570 P1 351 1 0,0028 23-24u slangen 101,6 7,0 7,0 108,5 73,3 91,6 570 P1 345 1 0,0029 24-01u slangen 101,6 7,0 7,0 98,2 66,4 82,9 570 P1 497 1 0,0020 01-02u slangen 101,6 7,0 7,0 118,4 80,0 100,0 570 P1 249 1 0,0040 02-03u u-totaal Σ 8 0,0168 uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen? MCC Materials & Corrosion Consultants 20
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 MCC Materials & Corrosion Consultants 21
lange-duur oververhitting materiaal in-bedrijfname 1980 bedrijfsuren component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500 P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 1995 127,500 P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007 229,500 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] 1995 2007 [-] [-] OVO-1 slangen 1143 100 90 126 737 921 515 P22 384,000 03320 05977 uitlaatkast 2731 280 245 126 639 799 515 P22 792,000 01610 02898 materiaal in-bedrijfname 1995 component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500 P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 2007 P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007 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-1 + 20 C slangen 1143 100 100 126 657 821 535 P22 110,000 09273 uitlaatkast 2731 280 280 126 551 689 535 P22 241,000 04232 12593 05842 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 MCC Materials & Corrosion Consultants 22
INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip - inleiding 3 kruip - mechanismen 4 kruip - levensduur 5 kruip - voorbeelden 6 SRC = Strain Relaxation Cracking SIC = Strain-Induced Cracking andere termen RC SRC SIC SAC SOC SAGBO RHC SRC PWHT C WPhC Relaxation Cracking Strain Relaxation Cracking Stress Induced Cracking Strain Age Cracking Stress Oxidation Cracking Stress Assisted Grain Boundary Cracking Re-Heat Cracking Stress Relief Cracking Post Weld Heat Treatment Cracking White Phase Cracking MCC Materials & Corrosion Consultants 23
SIC = Strain-Induced Cracking relaxatie-scheurvorming bij austenitische stalen : - temperatuurgebied 500-750 C (of start/stop door dit gebied) - brosse intergranulaire scheuren - temperatuur-verouderd (harde korrels, zachte korrelgrenzen) - meest gevoelig : HAZ van : - koud-gedeformeerd - (reparatie-) lassen - rekgestuurd strain-induced (spanning / stress) - metallisch filament in scheurmidden (Fe- en/of Ni-rijk) en omzoomd door Cr-oxide ALLOY 800HT 600 C - 6000u MCC Materials & Corrosion Consultants 24
RVS 347H (600 C / 4200 uur) Alloy 800H 600 C / 150 uur 3-punts buigrelaxatie-proef hardheid > 200 HV (tenzij verandert door T > 750 C) MCC Materials & Corrosion Consultants 25
SIC-senstitive micro-structure TEM thin foil SIC-senstitive micro-structure normal austenite structure sensitive austenite structure soft grains hard grains no precipitates many small precipitates Cr 23 C 6 and γ = Ni 3 (Al,Ti) MCC Materials & Corrosion Consultants 26
normaal in austeniet : 15% deformatie toelaatbaar in SIC-gevoelig materiaal : slechts 1-2 % toelaatbaar anders SIC oplossing : anti-sic gloeien (PWHT, stabiel gloeien) anti-sic gloeien sensitive structure 875/980 C - 3u normal structure LARGE hard grains soft grains many small precipitates Cr 23 C 6 and γ = Ni 3 (Al,Ti) large grain-boundary precipitates MCC Materials & Corrosion Consultants 27
invloed anti-sic gloeien as welded PWHT 980 C / 3 hrs Alloy 617 650 C / 150 uur 3-punts buigrelaxatie-proef na anti-sic gloeien (PWHT) : > 15% koudvervorming toelaatbaar INSPECTIE - identificatie T=500-750 C (minder <2 jaar in bedrijf) + lassen / koudgedeformeerd - DPT, X-ray, (US), replica, (schuitjes) REPARATIE - indien mogelijk : alleen uitslijpen - matching lassen - anti-sic gloeien (PWHT, stabiel gloeiing) MCC Materials & Corrosion Consultants 28
SIC - gevoeligheidsgebieden + aanbevolen gloeiingen materiaal SIC-gebied [ C] RVS 304(H) 550-625 stabiel-gloeiing basismetaal PWHT van gelaste verbinding RVS 316(H) 500-625 RVS 321(H) 525-625 875 C - 3 uur 875 C - 3 uur RVS 347 (H) 550-650 Alloy 800H/HT 575-725 875 C - 3 uur (*) Alloy 617 575-775 980 C - 3 uur Alloy 625 625-675 980 C - 3 uur (*) indien gelast met 617, dan 980 C - 3 uur bron : PMP/NIL/TNO-project PRD 53 BEDANKT VOOR UW AANDACHT! Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant T : +31 (0)46 410 7709 E : gommans@m c cnl MCC Materials & Corrosion Consultants 29