LGW 2 mrt 2017 Faalmechanisme KRUIP Rob GOMMANS 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 Rob GOMMANS 1
EEN NIEUWE NAAM, EEN VERTROUWD GEZICHT ROB GOMMANS ZET ZIJN ACTIVITEITEN VOORT ONDER DE NAAM MATERIALS & CORROSION KNOW-HOW Materials & Corrosion Know-How is gespecialiseerd in de structurele integriteit van installaties en apparaten : gedrag van materialen in hun omgeving (T,pH,%) en belasting (t,p,n) definiëren en voorspellen van faal- en degradatie-mechanismen corrosie-, materiaal- en lasproblemen alsmede schade-onderzoek trouble shooting, reparatie-adviezen en probleemoplossingen fitness for service en (rest)levensduurvraagstukken Materials & Corrosion Know-How is een Besloten Vennootschap geregistreerd in Nederland Gommans Metallurgical Services (GMS) is een handelsnaam van Materials & Corrosion Know-How BV Vestigingsadres : Eiland 15, 6107CA Stevensweert Correspondentie-adres : MTOC-gebouw, Kampstraat 86, 6163HG Geleen T 046 419 7709 KVK 12056223 M 06 5135 6198 BTW NL814100478B01 robgommans@mc-knowhownl IBAN NL31 INGB 0007 1819 24 wwwmc-knowhownl BIC INGB NL2A Kwalificaties: MSc in Materials Science and Engineering from Delft Technical University since 1987 EurIng (FEANI) since 2000 Level 3 Inspection Specialist since 2003
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 E-mail : 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 E-mail : 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 1997 - Working Group on Materials (WG/M) of the TCD member since 1993 ; chairman since 1997 - European Collaborative Creep Committee : - chairman of the Working Group on Austenitic Steels (1995-1999) - member of the Management Committee (1995-1999) - member of the Working Group on Austenitic Steels (1992-1995 and 1999-2006) - Dutch Contact Group on Creep and High-Temperature Phenomena (from 1989 onward), part of the Dutch Materials Society Secretary of the Contact Group since 2010 - 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
Company details Statutory address Materials & Corrosion Know - How bv Eiland 15 6107CA Stevensweert The Netherlands Correspondence-address MTOC Building Kampstraat 86 6163HG Geleen The Netherlands Telephone Rob Gommans +31 46 410 7709 (office) +31 6 5135 6198 (mobile) Internet internet site wwwmc-knowhownl e-mail address robgommans@mc-knowhownl Banking data ING Bank PO Box 54 6190AB Amsterdam The Netherlands IBAN NL31 INGB 0007 1819 24 BIC / SWIFT INGB NL2A Chamber of Commerce Chamber Roermond nr 1205 6223 SBI-codes 7112 / 71202 / 71203 / 72192 VAT-number Qualifications NL814100478B01 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 315736) Gommans Metallurgical Services is a trade name of MC Know-How bv
is een ingenieursbureau : 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-, las- en reparatie-adviezen opstellen inspectieplannen en -termijnen uitvoeren van risk-based inspecties langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied brosse breuk tijdens afpersen (omgevingstemperatuur te laag) Rob GOMMANS 1
C-Mn staal / PWHT 560 C / martensiet / tegenlas CORROSIE onder ISOLATIE LPG opslagbol fire proofing fire drills Rob GOMMANS 2
CORROSIE onder ISOLATIE ½Mo stalen regeneratieleiding molzevennh3 fabriek) alternerende bedrijfsvoering (T = ambient 350 C) P = 70 bar waterstof (H2) personal protection isolatie Rob GOMMANS 3
is een ingenieursbureau : 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-, las- en reparatie-adviezen opstellen inspectieplannen en -termijnen uitvoeren van risk-based inspecties langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied brosse breuk tijdens afpersen (omgevingstemperatuur te laag) Rob GOMMANS 1
brosse breuk tijdens afpersen (omgevingstemperatuur te laag) C-Mn staal / PWHT 560 C / martensiet / tegenlas Rob GOMMANS 2
CORROSIE onder ISOLATIE LPG opslagbol fire proofing fire drills CORROSIE onder ISOLATIE ½Mo stalen regeneratieleiding molzevennh3 fabriek) alternerende bedrijfsvoering (T = ambient 350 C) P = 70 bar waterstof (H2) personal protection isolatie Rob GOMMANS 3
HP scrubber failure urea plant, Curitiba (Bra) corrosion meets weld defect + failing leak detection system overheating due to operator error root cause : management decision other examples : row 2 of AFA2 gas turbine (choking) Agrium primary reformer 1998 Rob GOMMANS 4
8 nov 2012 explosie Centrale Nijmegen Hoofdstoom Leiding Ø600 x 35 mm 180 bar - 540 C X20CrMoV121 8 nov 2012 explosie Centrale Nijmegen Hoofdstoom Leiding Ø600 x 35 mm 180 bar - 540 C X20CrMoV121 Rob GOMMANS 5
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 6
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 7
thin-lip fish-mouth rupture (short-term overheating) thick-lip creep rupture (long-term creep) Rob GOMMANS 8
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 primary secondary tertiary Yield strain t Elastic deformation Time Few voids Orientation Micro-cracks Rob GOMMANS 9
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 10
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 11
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 12
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 13
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 14
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 15
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 Rob GOMMANS 16
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 Rob GOMMANS 17
KRUIPCURVE infuence of temperature or stress primaire kruip afnemende kruipsnelheid door versteviging door vorming van meer dislocaties Rob GOMMANS 18
secundaire kruip Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocaties gevormd worden als dat opgeheven worden SECONDAIRE KRUIP Rob GOMMANS 19
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 20
Deformation mechanism maps (1) Deformation mechanism maps (2) Rob GOMMANS 21
extrapolatie probleem 1 E-03 Alloy 800 H/HT @ 800 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-08 1 10 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 22
tertiaire kruip vermindering van dragend oppervlak door vorming van holten en scheuren Kruipstadia / kruipklassen Neubauer (1983) Rob GOMMANS 23
KLASSE 3 vergroting 200x KLASSE 5 vergroting 50x Rob GOMMANS 24
KLASSE 4B vergroting 100x KLASSE 1 (zware degradatie) vergroting 500x Rob GOMMANS 25
INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden kruipproef Rob GOMMANS 26
13 CrMo 4-5 bij T = 500 C parametrische benadering Larson - Miller P LM = T * (C + log t R ) C = 15-25 / T in K / t R in hours Rob GOMMANS 27
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 extrapolatie onbetrouwbaar? P91 @ 600 C 10 5 h avg rupture USA : 100 MPa 1995 : 94 MPa 2009 : 90 MPa Rob GOMMANS 28
invloed legeringselementen 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 Rob GOMMANS 29
P 91 influence of creep strength on wall thickness Rob GOMMANS 30
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 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 Rob GOMMANS 31
INHOUDSOPGAVE 1 introductie en schades 2 kruip inleiding 3 kruip mechanismen 4 kruip levensduur 5 kruip voorbeelden 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 32
kruip - cases - korte-duur oververhitting - lange-duur oververhitting - kruip-vermoeiing interactie 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 Rob GOMMANS 33
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 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 Rob GOMMANS 34
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? 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 Rob GOMMANS 35
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 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 Rob GOMMANS 36
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 u = Σ N / N f fatigue damage kruip vermoeiing - interactie creep damage u = Σ t / t R Rob GOMMANS 37
BEDANKT VOOR UW AANDACHT! Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant Kampstraat 86 6163 HG Geleen robgommans@mc knowhownl Rob GOMMANS 1