18/04/2019

1

Bram Hazenberg MSc IWE

16 april 2019

Lassen en de invloed op mechanische

eigenschappen en falen

Enkele diensten van Element

Metallurgisch

Onderzoek

PQT

Breukmechanica

& ECA

On site onderzoek

Corrosie

Testen

Las advies

Materiaal

Testen

Schadeonderzoek

18/04/2019

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

18/04/2019

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

18/04/2019

4

Verificatie van materialen; kloppen de fabriekscertificaten

• 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

Feiten

• 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

Maximale lasellende = Σ individuele afwijkingen als gevolg van het lassen

8

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

Lassen heeft grote invloed op de integriteit , kwaliteit

en uiterlijk van een constructie

18/04/2019

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

9

maar dan moeten die (gestandaardiseerde) kwalificatieproeven niet teveel afwijken van de werkelijke productieomstandigheden en constructiedetails!

>> indien nodig mock-up testen

Enkele faalmechanismen

Plotseling: overbelasting leidende tot scheur of breuk

Op termijn: door degradatie en/of scheurvorming gevolgd door breuk

10

18/04/2019

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

12

Uitgangsmateriaal wordt beïnvloed door het lassen:

6

200

-80 C temperatuur

Kerfslag

energie (J)

T gebruik

18/04/2019

7

Brosse breuk trekoog en tandwiel

13

Kerfslagwaarde indicatief, met breukmechanica: rekenen!

breuk als ∶ 𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡sfactor KI ≥ KIc [N/mm3/2]

𝐾𝐼 = 𝐶𝑔𝑒𝑜𝑚.𝑓

𝑎

𝑡. (𝜋. 𝑎). 𝜎 ≥ 𝐾𝐼𝑐

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

18/04/2019

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

18/04/2019

9

Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren

17

Reinheid

oppervlak

basismetaal

Afkoeltijd

t8/5

Diffundeer-

baar water-

stof

Krimp-

verhindering

HI=

UxIxŋx60/

vlasx1000

Gecom-

bineerde

mat.dikte

Voorwarm-

temperatuurwater-

stofgehalte

toevoegmat.

water-

stof arm

gloeien

Eis

hardheid

Eis

krimp

Eis KSW

naadvulling

restspan-

ningen

PWHT

reinheid

toevoeg

opslag

toevoeg

in wbz of lasmetaal, transkristallijn of interkristallijn,

kartelig, zonder deformatie, scherpe scheurtippen

Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren

18

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.

18/04/2019

10

Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren

19

Let op verschil tussen C-gehalte en C-equivalent!

Graville diagram

Ceq

C

Koolstofgehalte bepaalt de maximale hardheid

Koolstofequivalent bepaalt de doorhardingsdiepte

1. C als (2), Ceq lager

2. C als (1), Ceq hoger

3. Ceq als (1), C hoger

warmte-inbreng

ha

rdh

eid

Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren (interdendritisch)

20

Drijvende kracht: krimp(spanningen)

stolscheuren

smeltscheuren

18/04/2019

11

Scheuren tijdens fabricage: stolscheuren

OP-lassen: H/B-scheur onder het oppervlak

21

Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren in austenitisch RVS

22

• 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%

18/04/2019

12

Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: indicaties las root

23

diaphragm plate

t = 25 mm

transverse stiffener

t = 20 mm

skid beam

t = 50 mm

longitudinal stiffener

t = 30 mm

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

18/04/2019

13

Doorlassing voor (links) en na (rechts) reparatielassen

Verbetering?

25

gerapporteerd: scheuren tijdens fabricage skid beam: repareren?

In doorsneden geen

scheuren aangetroffen!

Scheuren tijdens fabricage skid beam: na reparatie

26

• overmatige doorlassing

• zeer wijde vooropeningen

• bindingsfouten

18/04/2019

14

Overwegingen bij het lassen van starre dikwandige constructies

27

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?

Lascondities simuleren met mock up en test plate

28

18/04/2019

15

PAUZE

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

30

Klein foutje in de doorlassing,

grote gevolgen!

18/04/2019

16

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

31

Trekstang van mobiele kraan: afstemming lasdetails en afwerking

(slijpen) op type belasting

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

32

pijp-pijp verbinding: vermoeiing

bij lassen op een onderlegstrip

positie las op overgang….

Vermoeiingsscheuren blijven

vaak lang verborgen…

18/04/2019

17

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing geïnitieerd aan de tip van een oplassing

33

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

34

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!

18/04/2019

18

Schade in gebruiksfase – corrosie bij lassen van RVS

35

Eisen aan lasnaadvoorbereiding, doorlassing, geometrische laskwaliteit en aanloopkleuren: AWS D18.1 en EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group).

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. 1—10 No. 3—50 No. 5—200 No. 7—1000 No. 9—12 500

No. 2—25 No. 4—100 No. 6—500 No. 8—5000 No. 10—25 000

max. strogeel,

Ar: < 50 ppm O2

Figure 2: Weld Discoloration Levels on Inside of Austenitic Stainless Steel Tube

Schade tijdens gebruiksfase: corrosie

36

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 MICsecundaire schade door vervuiling rest systeem

oorzaak: slechte kwaliteit laswerk, waaronder aanloopkleuren en verbrande lassen (backing), onvoldoende doorlassing, bramen van het doorslijpen (geen lasnaadvoorbereiding) enuitlijnigheid (spleten).

oplossing: leiding volledig vervangen

18/04/2019

19

Schade tijdens gebruiksfase: spanningscorrosie bij lassen in RVS

37

Opslagtank, AISI type 316 roestvast staal• product vooraf onbekend• temperatuur langere tijd > 50C• 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

Praktijkvoorbeeld:

Schade zwart-wit verbinding

in een uitlaat verloopstuk van

een USX

18/04/2019

20

Inleiding

• Uitlaat verloopstuk van USX (Ultra Selective Exchanger) aan het einde van een kraakgasleiding

• Overgang P22 (10CrMo9-10) naar 321H

• Medium: kraakgas bij 500-550°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 650-780°C) alleen aan P22-zijde

• Nikkel basis las (Ni > 60%) tussen rvs en P22

40

18/04/2019

21

Overzicht scheur(oppervlak)

• text

41

P22

321H -> 304(H)

origineel ontroest

scheurkenmerken in detail

• text

42

origineel

18/04/2019

22

Microscopisch onderzoek

43

bm korrelgrootte 6

wbz korrelgrootte 2

Buigtest (RT) + Vickers hardheid

P22 over las

44

weld

P22 basismateriaal

positionHardness

[HV10]

Average hardness

[HV10]

P22 base metal 147 - 148 - 148 148

P22 heat affected zone 147 - 146 - 146 146

weld cap 225 - 224 - 221 223

304(H) base metal 164 - 166 - 165 165

18/04/2019

23

Conclusies

• Uitlaat verloopstuk gefaald als gevolg van ontlaatverbrossing

• Verbrossing is ontstaan door een combinatie van laswarmte, PWHT en

procestemperatuur (500-550°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 375-575°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

18/04/2019

24

Zwart-wit verbinding: best practice

• Nikkel basis bufferlaag aan zijde P22

• PWHT (half uur tot vele uren 650-780°C) alleen aan P22-zijde

• Nikkel basis las (Ni > 60%) tussen rvs en P22

47

• 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

?

Bedankt voor jullie aandacht!