Het falen van stalen Het falen van stalen leidingen of vatenleidingen of vaten

Dr. Ir. Peter van Houten IWEDr. Ir. Peter van Houten IWEIr. Lammert Brantsma Ir. Lammert Brantsma IWEIWE, IWI, IWI

Schielab b.v.Schielab b.v.

Schielab

Breda Rotterdam Veendam Sittard

www.schielab.nlwww.schielab.nl

ActiviteitenActiviteiten

Materiaal beproeving:Materiaal beproeving:mechanisch testen, chemische analysemechanisch testen, chemische analysebreukmechanica (breukmechanica (CTODCTOD, SENT, vermoeiing), SENT, vermoeiing)metallografiemetallografiereplica onderzoek aan hoge temperatuur installatiesreplica onderzoek aan hoge temperatuur installatiescorrosie testen corrosie testen

Schade onderzoek:Schade onderzoek:Vooral aan metalen, soms aan kunststoffen constructiesVooral aan metalen, soms aan kunststoffen constructies

aard en oorzaak van opgetreden schade vaststellenaard en oorzaak van opgetreden schade vaststellenconsultancy, deskundige in rechtszaken consultancy, deskundige in rechtszaken specials op verzoek, o.a.:specials op verzoek, o.a.:

Barst proeven, beperkt rekenwerk, enz. afhankelijk van de vaardiBarst proeven, beperkt rekenwerk, enz. afhankelijk van de vaardigheid en de kennis van de gheid en de kennis van de medewerkers medewerkers Verzorgen van materiaal cursussen (Staal, RVS, Lassen, e.a.)Verzorgen van materiaal cursussen (Staal, RVS, Lassen, e.a.)

Enige van de faciliteitenEnige van de faciliteiten

Microscopie

Spectroscopie

Automatische hardheid meting

Raster elektronen microscopie en EDX

OpdrachtgeversOpdrachtgeversOntwerpers, verkopers, bouwers, afnemers en gebruikers van Ontwerpers, verkopers, bouwers, afnemers en gebruikers van

installaties installaties Constructie bedrijven , Constructie bedrijven , OffOff shoreshore pijpenleggers en constructie bouwerspijpenleggers en constructie bouwersOffOff shoreshore Staal handelStaal handelOlie en gas exploratie en productieOlie en gas exploratie en productiePetrochemiePetrochemieElektriciteitsproducentenElektriciteitsproducentenMetaalbewerkingsbedrijvenMetaalbewerkingsbedrijvenPijpfabrieken, Pijpfabrieken, buispaalfabrikantenbuispaalfabrikanten en en pijpenbuigerspijpenbuigersDrukvatenbouwersDrukvatenbouwersEnzEnz… enz..… enz..

En, bij grotere schades en ongelukken:En, bij grotere schades en ongelukken:Verzekeringsmaatschappijen, advocatenVerzekeringsmaatschappijen, advocatenArbeidsinspectieArbeidsinspectie

Het begin: het ontwerp van een installatieHet begin: het ontwerp van een installatieconstructieve eisen:constructieve eisen:

-- belastingenbelastingen-- statischestatische--, dynamische sterkte, dynamische sterkte-- stabiliteit(knik, plooi)stabiliteit(knik, plooi)-- weerstand tegen brosse breukweerstand tegen brosse breuk-- stijfheid (statischestijfheid (statische--, dynamische, thermische belasting), dynamische, thermische belasting)-- vervormingcapaciteit, incasseringsvermogen vervormingcapaciteit, incasseringsvermogen

(zetten, onvoorziene temp. verschillen, k(zetten, onvoorziene temp. verschillen, krimpvervorming, enz.),rimpvervorming, enz.),e.e.ae.e.a. op basis van:. op basis van:veiligheidseisen en factorenveiligheidseisen en factorenafmetingen (ook van deelconstructies)afmetingen (ook van deelconstructies)Levensduur, inspectie mogelijkheden en onderhoudLevensduur, inspectie mogelijkheden en onderhouduiterlijk uiterlijk

met in acht name van:met in acht name van:gebruik van standaard “componenten”gebruik van standaard “componenten”maakbaarheidmaakbaarheidverkrijgbaarheid van materialenverkrijgbaarheid van materialentoegankelijkheid voor lassentoegankelijkheid voor lassentoegankelijkheid voor onderhoudtoegankelijkheid voor onderhoudmontage en demontagemontage en demontage

Ontwerp:Ontwerp: bouwen = lassenbouwen = lassen

Δ enz.

Δ lastechniek

Δ naadvorm

Δ breekrek+

Δ kerftaaiheid

Δ rekgrens+

Δ treksterkte

Δ C-eq + ΔChemische

analyse

Δ Tv + Δ Ti

Δ Hardheid

Δ HI

Σ effect toleranties

Δ enz.

Δ lastechniek

Δ naadvorm

Δ breekrek+

Δ kerftaaiheid

Δ rekgrens+

Δ treksterkte

Δ C-eq + ΔChemische

analyse

Δ Tv + Δ Ti

Δ Hardheid

Δ HI

Σ effect toleranties

- Lasdefecten, o.a.

- scheuren

- onvoldoende doorlassing

- aanloopkleuren (rvs)

- vervormingen

- restspanningen

- materiaalveranderingen, b.v. verbrossing

- Maximale lasellende = Σ individuele afwijkingen als gevolg van het lassen

- Lassen heeft grote invloed op de integriteit en kwaliteit van de constructie

Ontwerp: lasdefectenOntwerp: lasdefectenDefecten zijn vaak onvermijdelijk.Defecten zijn vaak onvermijdelijk.

Welke lasdefecten zijn toelaatbaar in rondWelke lasdefecten zijn toelaatbaar in rond-- of of langslassenlangslassen of of leidingmateriaalleidingmateriaalVooraf: inschatting invloed van fouten middels mechanisch testenVooraf: inschatting invloed van fouten middels mechanisch testen van van lasverbindingen en breukmechanica > de grootte van niet toelaatblasverbindingen en breukmechanica > de grootte van niet toelaatbare are foutenfoutenZijn die niet toelaatbare fouten wel aan te tonen met NDO of Zijn die niet toelaatbare fouten wel aan te tonen met NDO of laboratorium onderzoek?laboratorium onderzoek?

Soms worden onverwachte fouten Soms worden onverwachte fouten aangetroffen na het bouwen aangetroffen na het bouwen of tijdens het gebruik: of tijdens het gebruik:

Dan reparatie, of, Dan reparatie, of,

fitness fitness forfor purposepurpose

Ontwerp Ontwerp lassen: kwaliteit en kosten van de constructielassen: kwaliteit en kosten van de constructie

Blijf zoeken naar Blijf zoeken naar de grenzen van het technischde grenzen van het technischmogelijke en normatief toelaatbaremogelijke en normatief toelaatbare !!

Zowel voor:Zowel voor:Naadvorm met minimale naadinhoudNaadvorm met minimale naadinhoud

NaadinhoudNaadinhoudNaadvormNaadvorm

Lassnelheid (Lassnelheid (HIHI))Hardheid, taaiheidHardheid, taaiheid

VoorwarmtemperatuurVoorwarmtemperatuurWanddikte x Wanddikte x rekgrensrekgrens

actuele of minimum gespecificeerdeactuele of minimum gespecificeerde

KwalificatieKwalificatieVooraf aantonen dat cruciale delen van het ontwerp met voldVooraf aantonen dat cruciale delen van het ontwerp met voldoende, vooraf oende, vooraf aangegeven, kwaliteit gemaakt kunnen worden.aangegeven, kwaliteit gemaakt kunnen worden.

Dus: testen van de opgestelde lasspecificatiesDus: testen van de opgestelde lasspecificaties

De basis voor het opstellen van lasspecificaties is kennis van:De basis voor het opstellen van lasspecificaties is kennis van:

Ontwerpen en berekenenOntwerpen en berekenenMateriaal eigenschappen alsMateriaal eigenschappen als

Sterkte, taaiheid, corrosiebestendigheidSterkte, taaiheid, corrosiebestendigheidLasmetaalkundeLasmetaalkundeLastechnologieLastechnologieWijze van samenbouw Wijze van samenbouw MontageMontageBedrijfsomstandigheden van de constructieBedrijfsomstandigheden van de constructie

Druk, temperatuur, cycli, milieuDruk, temperatuur, cycli, milieuEconomie (kosten: materiaal en manuren) Economie (kosten: materiaal en manuren)

Kwalificatieproeven moeten een afspiegeling zijn van de Kwalificatieproeven moeten een afspiegeling zijn van de werkelijke productieomstandighedenwerkelijke productieomstandigheden

De bouw van een reactorvat

Doel van een kwalificatie: het geven van Doel van een kwalificatie: het geven van duidelijkheid over een complex geheel van duidelijkheid over een complex geheel van

factorenfactoren

lasmetaalkunde

lastechnologie

lasdetail

basismaterialenLasvaardigheid en theorie

Lasparameters V, I, v, lastoevoegmateriaal, laspositie, enz. enz.

ontwerp

lasonderzoek

lasmethodebeschrijvingen

LasafwijkingenLasafwijkingen

Lasafwijkingen:Lasafwijkingen:Gerelateerd aan het ontwerpGerelateerd aan het ontwerp

Gerelateerd aan de lasserGerelateerd aan de lasser

Gerelateerd aan het proces, zoalsGerelateerd aan het proces, zoalsrandinkartelingrandinkartelingslakslakporositeitporositeitbindingsfoutenbindingsfoutenonvolkomen onvolkomen doorlassingdoorlassing

Gerelateerd aan de lasmetaalkunde en uitvoering, zoalsGerelateerd aan de lasmetaalkunde en uitvoering, zoalsscheurenscheurenverbrossingverbrossingsegregatiesegregatieuitscheidingenuitscheidingen

koudscheur

Kleine defecten met grote gevolgen:Kleine defecten met grote gevolgen:

Alexander Kielland vijfpoots eiland 1980: 123 doden

Klein lasdefect en hoge dynamische belasting

vermoeiing , Δ NDO defect

GoedGoed-- of afkeur ??of afkeur ??Aan de basis staan Normen, specifiek voor een type product Aan de basis staan Normen, specifiek voor een type product GoedGoed-- en afkeur is gebaseerd op:en afkeur is gebaseerd op:

het type producthet type producthet soort materiaalhet soort materiaalde aard van de belastingde aard van de belasting

statisch statisch dynamischdynamischimpact impact

de spanningstoestandde spanningstoestanddikte van het materiaaldikte van het materiaalgeometrische overgangengeometrische overgangen

mogelijke defecten en hun kerfwerkingmogelijke defecten en hun kerfwerkingafgerond of niet (afgerond of niet (porositeitenporositeiten, slakinsluitingen), slakinsluitingen)vlak (scheuren, bindingsfouten, onvolkomen vlak (scheuren, bindingsfouten, onvolkomen doorlassingdoorlassing))

FeitenFeiten

Bij ca. 10% van de door Schielab onderzochte schades blijkt het Bij ca. 10% van de door Schielab onderzochte schades blijkt het toegepaste materiaal niet overeen te komen met het materiaal op toegepaste materiaal niet overeen te komen met het materiaal op tekening of blijkt het certificaat heel andere waarden te tekening of blijkt het certificaat heel andere waarden te vermelden dan die door Schielab bepaald zijn vermelden dan die door Schielab bepaald zijn

3% van de voor een LK of LMK toegepast of beschikbaar 3% van de voor een LK of LMK toegepast of beschikbaar gesteld materiaal voldoet zelf niet aan de eisen die worden gesteld materiaal voldoet zelf niet aan de eisen die worden gesteld aan de las: dit betekent afkeur nadat:gesteld aan de las: dit betekent afkeur nadat:

De las is gelegdDe las is gelegdHet proeflassen is bijgewoondHet proeflassen is bijgewoondDe las is beproefdDe las is beproefd

VoorafVooraf testen van de uitgangsmaterialen bespaart problemen en geld!testen van de uitgangsmaterialen bespaart problemen en geld!

LeidingwerkLeidingwerk en vaten: materialenen vaten: materialen

CC--MnMn staalstaalHoge sterkte staalHoge sterkte staalRoestvast staalRoestvast staalKoper Koper

Maar ook Maar ook Nikkellegeringen, Nikkellegeringen, Titaan, zirkoon e.a.Titaan, zirkoon e.a.KunststoffenKunststoffen

Ieder materiaal heeft zijn eigen specifieke positieve en negatieIeder materiaal heeft zijn eigen specifieke positieve en negatieve eigenschappen.ve eigenschappen.Deze bepalen ook de specifieke aandachtspunten bij het lassen vaDeze bepalen ook de specifieke aandachtspunten bij het lassen van leidingen en vaten.n leidingen en vaten.

Oorzaken van falen van stalen Oorzaken van falen van stalen leidingen en vatenleidingen en vaten

Plotselinge overbelasting (impact, waterslag) Plotselinge overbelasting (impact, waterslag) Overbelasting Overbelasting

Vermoeiing Vermoeiing Thermische vermoeiing Thermische vermoeiing KruipKruipCorrosieCorrosie

Van binnenuitVan binnenuitVan buitenafVan buitenaf

Beschadiging Beschadiging

Overbelasting: bros of taaiOverbelasting: bros of taai

Taai: Taai: snelheid < 6m/ssnelheid < 6m/sStabiele scheurgroei onder een externe belastingStabiele scheurgroei onder een externe belastingveel vervormingveel vervorming

Bros:Bros:snelheid ~ 1000m/s, afhankelijk van:snelheid ~ 1000m/s, afhankelijk van:

temperatuurtemperatuursamenstelling,samenstelling,microstructuurmicrostructuurkorrelgroottekorrelgrootteafmeting constructieafmeting constructiebelastingbelasting

instabiele scheurgroei instabiele scheurgroei vervormingloos vervormingloos

Uitgangsmateriaal wordt beïnvloed door het lassen:

Bros of Taai ?Bros of Taai ?bepaald door de kerftaaiheid, een materiaaleigenschap

6

200

-80 C

temperatuur

Kerfslag

energie [J]

T gebruik

Kerftaaiheid overgangscurve C-Mn staal

- minder hoge druk

- bij lage temperatuur

- geen deformatie bij breuk

Taaie en brosse overbelastingTaaie en brosse overbelasting

proces leidingketelpijp

- onder hoge kracht of druk

- en/of hoge temperatuur

-falen gaat gepaard met sterke deformatie

VermoeiingsscheurgroeiVermoeiingsscheurgroei en breuken breuk

Vermoeiing:Vermoeiing:scheurbeginscheurbeginscheurgroeischeurgroeiVerlies van dragende doorsnede, gevolgd door taaie of brosse resVerlies van dragende doorsnede, gevolgd door taaie of brosse restbreuktbreuk

Gevolg van:Gevolg van:verkeerde constructieverkeerde constructieverkeerde (las)uitvoering (procedure of man)verkeerde (las)uitvoering (procedure of man)ongunstige wisselende (trek)belastingongunstige wisselende (trek)belasting

Langdurig wisselende belastingen:

Vermoeiing van een hydraulische cilinderVermoeiing 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 Vermoeiing blijft lang onontdekt, en kan leiden tot plotseling catastrofaal falen:plotseling catastrofaal falen:

Ook wisselende thermische belasting kan tot vermoeiing Ook wisselende thermische belasting kan tot vermoeiing leidenleiden

Pijp/flens dubbelwandig RVS vat:

Oorzaak: verschillen in uitzetting leidt in een starre constructie tot hoge spanningen

Aantonen van vermoeiing: visueel tot elektronenmicroscopieAantonen van vermoeiing: visueel tot elektronenmicroscopie

Thermische vermoeiing in Thermische vermoeiing in CC--stalenstalen ketelpijp:ketelpijp:

Oorzaak: aanwezigheid van een inspuitkoeler

dwarsdoorsnede

Kruip: langdurig hogere T, pKruip: langdurig hogere T, p

las 3

las

Las

las

Lasmetaal met kruipschade klasse 3b

Holtevorming (=rek) in het materiaal door diffusie en trekbelasting

(verplicht) replica onderzoek in energiecentrales = niet destructieve

metallografie

Ketting van kruipholten

Kruip in een HK40 naftakraker pijpKruip in een HK40 naftakraker pijp

Schade door corrosie Schade door corrosie

Algemene corrosie (corrosietoeslag)Algemene corrosie (corrosietoeslag)InterkristallijneInterkristallijne corrosie (corrosie (CC--MnMn, RVS), RVS)Putcorrosie (Putcorrosie (rvsrvs) )

PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%NPRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%Nin buitenlucht gewenst > 23in buitenlucht gewenst > 23voor zeewater gewenst > 40voor zeewater gewenst > 40

SpleetcorrosieSpleetcorrosieSpanningscorrosieSpanningscorrosieCorrosie vermoeiingCorrosie vermoeiingGalvanische corrosieGalvanische corrosieCorrsoieCorrsoie ondeonde rafzettingenrafzettingenMicrobiologisch geïnduceerde Microbiologisch geïnduceerde corrosie (corrosie (MICMIC))

Vaak mengvormen/combinatiesVaak mengvormen/combinaties

Corrosievormen:

Visueel naadje !Visueel naadje !

Aantasting van verbrande lassen

Corrosie van rondlassen in een Corrosie van rondlassen in een waterblusleidingwaterblusleiding Ø50 mm,Ø50 mm,RVS type 316LRVS type 316L

½ ½ jaarjaar nana opleveringoplevering, , vrijwelvrijwel stilstaandstilstaandleidingwaterleidingwater..

perforaties aan de lassen door perforaties aan de lassen door putcorrosie, spleetcorrosie en putcorrosie, spleetcorrosie en MICMIC,,door door vervuilingvervuiling water en water en verspreidingverspreidingcorrosieproductencorrosieproducten secundairesecundaire schadeschade((putvormingputvorming in in delendelen verver van de van de lassenlassen, MIC), MIC)

oorzaakoorzaak: : slechteslechte kwaliteitkwaliteit laswerklaswerk::geengeen backing (backing (formeergasformeergas) > ) > aanloopkleurenaanloopkleurenverbrandverbrand lasmetaallasmetaal (“(“bloemkolenbloemkolen”)”)uitlijnigheid/onvoldoendeuitlijnigheid/onvoldoende doorlassingdoorlassing ((spletenspleten))onvoldoendeonvoldoende lasnaadvoorbewerkinglasnaadvoorbewerkingverbrandeverbrande lassenlassen ((bloemkolenbloemkolen))

LeidingLeiding moestmoest totaaltotaal vervangenvervangen wordenworden

aanloopkleuren, onregelmatigedoorlassing, verspreiding van corrosieproducten

Microbiologisch geMicrobiologisch geïïnduceerdenduceerde corrosie (corrosie (MICMIC))

OpslagtankOpslagtank voorvoor warm water, 316Lwarm water, 316LKarakteristiekKarakteristiek uiterlijkuiterlijk van MIC: van MIC: volumineuzevolumineuze tuberculestubercules van van corrosieproductcorrosieproduct, , iridiserendeiridiserende kleurenkleuren, , vaakvaak sterksterk ondergravenondergraven (pinholes).(pinholes).

OorzaakOorzaak: : conditiescondities, , onvoldoendeonvoldoende kwaliteitkwaliteit van van hethet laswerklaswerk ((geengeen backing)backing)remedieremedie: : reparerenrepareren en en coatencoaten

Spanningscorrosie in Spanningscorrosie in roestvaststalenroestvaststalen tankwand van een schiptankwand 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 Preferente aantasting van een langslaslangslas in een RVS 316L in een RVS 316L leidingleiding

leidingwerkleidingwerk werdwerd gespoeldgespoeldmet 5% met 5% zoutzuurzoutzuur, 20°C, 20°CPM: PM: algemenealgemene aantastingaantastingLas: Las: galvanischgalvanisch effect eneffect eninterdendritischeinterdendritische aantastingaantastingvan van hethet ferrietferriet in de in de fabriekslasfabriekslasoorzaakoorzaak: : materiaalkeuzemateriaalkeuze

Beschadiging Beschadiging

Beschadiging van een oliepijpleiding door een sleuvengraver voorglasvezelkabels:

De tijdelijke reparatieHet lek

Langzame scheurgroei door corrosie aan de tip van de beschadiging > lekkage

Beschadiging van een oliepijpleidingBeschadiging van een oliepijpleidingVaststellen van het schademechanisme en de grondoorzaak

Wezenlijk voor faalmechanismeWezenlijk voor faalmechanisme

Materiaalkeuze Materiaalkeuze vsvs bedrijfsconditiesbedrijfscondities

Constructieve aspectenConstructieve aspecten

Gebruik/misbruikGebruik/misbruikVeranderingen van de beoogde bedrijfscondities !Veranderingen van de beoogde bedrijfscondities !

Bedankt voor uw aandacht !Bedankt voor uw aandacht !