29/10/2018

1

Bram Hazenberg MSc IWE

25 oktober 2018

Lassen en de invloed op mechanische

eigenschappen en falen

Enkele van onze diensten

Metallurgisch

Onderzoek

PQT

Breukmechanica

& ECA

On site onderzoek

Corrosie

Testen

Las advies

Materiaal

Testen

Schadeonderzoek

29/10/2018

2

Schade onderzoek bij Element Nederland

Vooral onderzoek aan metalen constructies, tegenwoordig ook kunststoffen

• Het vaststellen van aard en oorzaak van de opgetreden schade • materiaaladvies• verzorgen van lezingen, cursussen

3

Laboratoria in: Amsterdam, Beek, Breda, Emmen en Hengelo

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

4

29/10/2018

3

Schade onderzoek: het eerste begin

• 2710 Liberty ships gebouwd tussen 1941 en 1945 op slechts 8 werven

• eerste toepassing van lassen op deze schaal

• 1300 schepen toonden brosse breuken/scheuren

• 3 schepen zijn in tweeën gebroken (totaal 12 inclusief andere typen)

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

29/10/2018

4

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

7

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

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!

29/10/2018

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

Verschillende faalmechanismen

• Plotselinge overbelasting leidende tot scheur of breuk

• Falen op termijn door degradatie en/of scheurvorming

gevolgd door breuk

vermoeiing (en corrosie-vermoeiing)

thermische vermoeiing

kruip

corrosie

waterstofschade

spanningscorrosie

ovan binnenuit

ovan buitenaf

10

29/10/2018

6

Overbelasting: 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

29/10/2018

7

Brosse of taaie breuk?

De hoogte van de overgangstemperatuur wordt onder andere bepaald door:

koolstofgehalte

korrelgrootte

mate van verhindering voor de verplaatsing van dislocaties (bijv. door precipitaten)

13

Brosse of taaie breuk?

Korrelgroei wordt o.a. bepaald door:

Hoogte temperatuur

Tijdsduur verhoogde temperatuur

14

29/10/2018

8

Brosse of taaie breuk?

De hoogte van de overgangstemperatuur wordt onder andere bepaald door:

koolstofgehalte

korrelgrootte

mate van verhindering voor de verplaatsing van dislocaties (bijv. door precipitaten)

=> houdt dus rekening met materiaalkeuze en warmte-inbreng (HI) bij lassen

15

taaie breuk

16

• onder hoge kracht of druk

• en/of hoge temperatuur

• falen gaat gepaard met

sterke deformatie

dimples: cup & cone

29/10/2018

9

17

procesleiding

brosse breuk

• beduidend minder hoge

druk/belasting

• bij lage temperatuur

• geen deformatie bij breuk

Splijt

degradatie:

Waterstof

verbrossing

Brosse breuk trekoog en tandwiel

18

Kerfslagwaarde indicatief, met breukmechanica: rekenen!

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

𝐾𝐼 = 𝐶𝑔𝑒𝑜𝑚.𝑓

𝑎

𝑡. (𝜋. 𝑎). 𝜎 ≥ 𝐾𝐼𝑐

29/10/2018

10

Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren

19

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

20

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.

29/10/2018

11

Scheuren tijdens fabricage: koudscheuren

21

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

rdhe

id

Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren (interdendritisch)

22

Drijvende kracht: krimp(spanningen)

stolscheuren

smeltscheuren

29/10/2018

12

Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren

23

Invloedsfactoren

Heat input:

Stroom, spanning,

lassnelheid

microstructuur

lasnaadvorm

hoog C%, Excessieve

las

Trek(las)-

spanningen

Legerings

gehalte

Hoog S%

warm-

scheuren

naadvulling

Vorm lasrups H/B

Scheuren tijdens fabricage: stolscheuren

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

24

29/10/2018

13

Scheuren tijdens fabricage: warmscheuren in austenitisch RVS

25

• 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%

PAUZE

29/10/2018

14

Lassen van stijve dikwandige constructies

27

3 voorbeelden

28

1 Scheuren tijdens fabricage boxconstructie: “X”-scheuren bij lassen, S355J2+N

28

Vervaardiging

van zeer stijve

box constructie

t=35 mm met

dwarsschotten

t=40 mm

29/10/2018

15

1 Scheuren tijdens fabricage boxconstructie: “X” scheuren bij lassen

29

visueel/MPI: Scheuren in centrum kopse einden van de dwarsschotten t=40 mm:

1 X-Scheuren bij lassen tijdens fabricage boxconstructie: X =?

30

Zonder onderzoek is op basis van het uiterlijk door belanghebbenden

het volgende gemeld:

- “centerline cracking, midline cracking, centerline segregation” : Dit

bepaalt de positie van de scheuren, maar is in zich geen scheurtype.

- “laminaties of delaminatie”, dus onvoldoende materiaalkwaliteit?? Zat

dat er dan al in voorafgaande aan het lassen, als fout of slechts als

onvolkomenheid? Voldeed de materiaalkwaliteit dan niet aan het

bestelde?? Nee, dat niet. Resultaten van materiaaltesten voldeden,

en de scheuren zijn pas na het lassen ontstaan.

Zouden het dan laminaire scheuren zijn? Had er dan geen optimaal

lasontwerp gemaakt moeten worden, met referentie naar een vereiste

Z-kwaliteit materiaal volgens NEN-EN 10164 ??

Wat voor een soort scheuren betreft het?

29/10/2018

16

31

1 Scheuren tijdens fabricage boxconstructie: X=lamellaire scheuren

• Materiaal: S355J2+N (genormaliseerd, kerfslag 27 J @ -20°C), t=35 mm, schotten t=40 mm, materiaal met certificaten ex. Thyssen Krupp, materialen getest en in orde bevonden.

> dus geen materiaalfout

• LMK volgens ISO 15614-1: geen problemen (zonder constraint wel lasbaar).

• Geen Z-kwaliteit gespecificeerd in het ontwerp > ontwerpfout

Berekening van lasdetail Eurocode 3: Ontwerp en berekening van staalconstructies: NEN-EN 1993-1-10+C2:2011 paragraaf 3: ZEd=36! >> speciale voorzorgsmaatregelen nodig, zelfs als Z35 materiaal (max Z-kwaliteit) zou worden gebruikt

• Oorzaak: lamellar tearing (let wel: nog steeds geen onderzoek gedaan…)

• NEN-EN 10164 2004: inleiding: Through thickness properties are characterized in this document by specified values for reduction of area in a through thickness tensile test. There is no direct relationship between these values and the integrity of structures, because the risk of lamellar tearing is also basically influenced by the type of structure, weld design and welding procedure.

The minimum values for reduction of area in this document cannot therefore by themselves be regarded as ensuring safety against occurrence of lamellar tearing. However the reduction of area is a good general guide to lamellar tear resistance i.e. the risk of lamellar tearing decreases with increased reduction of area in the through thickness tensile test.

32

1 Scheuren tijdens fabricage boxconstructie: X=lamellaire scheuren

Alternatieve lasdetails

29/10/2018

17

33

2 Scheuren bij fabricage ring beam: scheuren in plaatmateriaal, waterstof gerelateerd?

Star lasdetail, t=50 mm.

Na lassen rootzijde niet toegankelijk voor

onderzoek.

UT: detectie van lineaire indicaties

in plaatmateriaal.

34

2 Scheuren bij fabricage ring beam: UT: scheuren in plaatmateriaal, waterstof gerelateerd?

Sagging (excessive penetration ISO 5817 level D) met lack of fusion

buiten de bedoelde lasdoorsnede

29/10/2018

18

2 Scheuren bij fabricage ring beam : UT: scheuren in plaatmateriaal, waterstof gerelateerd?

35

te zware doorlassing (level D) met bindingsfout + slakgevulde interrun lof

2 Ring beam: mock up en test plate

36

29/10/2018

19

3 Scheuren tijdens fabricage skid beam: UT: indicaties las root

37

diaphragm plate

t = 25 mm

transverse stiffener

t = 20 mm

skid beam

t = 50 mm

longitudinal stiffener

t = 30 mm

3 Scheuren tijdens fabricage skid beam: indicaties aan de doorlassing. NDO > Scheuren?

• beperkt bereikbaar voor NDO

• zeer hoge constraint (krimpverhindering)

zeer veel indicaties gevonden aan de positie van doorlassing, gemeld als

scheuren, => fabricage gestopt

38

29/10/2018

20

root van las voor (links) en na (rechts) reparatielassen

Verbetering?

39

3 gerapporteerd: scheuren tijdens fabricage skid beam: wat nu: repareren?

In doorsneden geen

scheuren aangetroffen!

3 Scheuren tijdens fabricage skid beam: na reparatie

40

Overmatige doorlassing

en

bindingsfout

29/10/2018

21

Conclusies mbt het lassen van starre dikwandige constructies

41

Zaken van belang in het ONTWERP:

• De krimp van de ene las kan de vooropening van de 2de las

beinvloeden: 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?

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

42

Trekstang van mobiele kraan: afstemming lasdetails en afwerking

(slijpen) op type belasting

29/10/2018

22

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

43

pijp-pijp verbinding: vermoeiing

bij lassen op een onderlegstrip

positie las op overgang….

Vermoeiingsscheuren blijven

vaak lang verborgen…

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

44

29/10/2018

23

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

45

Klein foutje in de doorlassing,

grote gevolgen!

Scheuren tijdens gebruiksfase: vermoeiing

46

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!

29/10/2018

24

Schade in gebruiksfase – corrosie bij lassen van RVS

47

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

48

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

29/10/2018

25

Schade tijdens gebruiksfase: spanningscorrosie bij lassen in RVS

49

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

?

Bedankt voor uw aandacht!