LZL lezing KRUIP 29sep2015 hand-out

LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans

MCC Materials & Corrosion Consultants 1

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



• gespecialiseerd in het gedrag van metalenin hun omgeving (T, medium, %, pH, etc.) enbelastingsomstandigheden (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



INHOUDSOPGAVE







wat is “KRUIP”?

tijd-afhankelijke plastische vervormingonder invloed van belasting (constant of wisselend)onder invloed van hoge temperatuur (T > 0,4 Tm in K)bij σ < Re (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 problematiekbij 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 langerbuis onder inwendige druk zwelt op



thin-lipfish-mouthrupture

(short-term overheating)

thick-lipcreep rupture

(long-term creep)

veel toegepaste materialen

staalsoort grenstemperatuur [°C]

type voorbeelden voor kruip voor kruip-vermoeiing

C-staalC-Mn staal

St.35.8, St. 45.8P265GH, P355GH

400 350

laaggelegeerd Cr-Mo staal

laaggelegeerd Cr-Mo-V staalhooggelegeerd Cr-Mo staal

martensitisch Cr-Mo staal

16Mo3, 16Mo5, Grade 113CrMo4-5, Grade 11/1210CrMo9-10, Grade 2214MoV6-3, 1CMVX11CrMo5; Grade 5X11CrMo9-1; Grade 9X20CrMoV11-1, Grade91

475 425

austenitisch RVS

Alloy 800 H/HT

TP 304, TP316TP321, TP347TP310X10NiCrAlTi32.20

575 525



primary secondary tertiary

Elastic deformation

Time

Few voids Orientation Micro-cracks

t

Yield strain

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)



..

.

STAGE 2

... .... ... .. ... ... .. .. . . .. ... .. ..

.....

..

. ..

. . .. ... . ...

.. .. ..

.... .. . ..

..

.. ....

...

.. ..

.

... .

.

.. .. ..

.. . .. . ..

.....

..

. ..

. . .. ... . ...

.. .. ..

.... . . ..

.

.. ....

...

..

...

.. .

.

.. .. ..

. ... .

1mm

1mm

..

. .

............. ..

.................... ......

....................... ..... .....

........................ .... ... ....

...

...

......

...

... ......

.........

............

... ...

...... ...

... ...... .........

...

...

...... ...

............

......

............... ......

... ..... ...

......

......... ...

. ....

...

. .... .... .... .... .... .... .... ...

............ ........

........ ....

.......

....

....

. .... ...

. .... .... ...

. .... ...

. ...

. .... ...

. ... . .... ... . ...

. ... . ...

. ...

. .... .... ...

. .... ...

. .... ...

. ...

..

Klasse 0 Klasse 1 Klasse 2

Klasse 3 Klasse 4 Klasse 5

Neubauer (TüV 1983), VGB TW-507, NordTest TR 170

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



werkproces

beheersing

faalmechanismen

“kruip en LCF”

RToD T0102

PRD 2.3 bijlage 7

uitvoering onderzoek

evaluatie resultaten

berekening spanningenen verbruiksfractie (u)

na 100.000 uur : inventarisatie(P, T, N) en dimensies

ontwerp 100.000 uur

selectie kritische componenten

opstellen eerste / vervolgaanvullend onderzoek

ontoelaatbare kruipschade :uitbreiding onderzoek,reparatie of vervanging

INHOUDSOPGAVE









KRUIP = tijd-afhankelijke plastische vervorming

onder invloed van belasting, temperatuur en tijd

warmsterkte P355GH

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 100 200 300 400 500

temperatuur [°C]

ste

rkte

[M

Pa]

Re [MPa]

R1%100k [MPa]

Rmg200k [MPa]

Kruipproef



KRUIPCURVE

infuence of temperature or stress

primaire kruip

Afnemende kruipsnelheiddoor versteviging door vorming van meer dislocaties



secundaire kruip

Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocatiesgevormd worden als dat opgeheven worden

SECONDAIRE KRUIP



tertiaire kruip

vermindering van dragend oppervlak door vorming van holten en scheuren

INHOUDSOPGAVE









kruipproef

13 CrMo 4-5 bij T = 500°C



parametrischebenadering

PLM = T * (C + log tR)

C = 15-25 / T in K / tR in hours

Larson - Miller

Manson - Haferd

log tR - CPMH = ----------------

( T – To) n

T in K / tR in hours / n ~ 1 /C = 10-15 / To ~ bedrijfstemperatuur



extrapolatie onbetrouwbaar ?

P91 @ 600°C105h avg rupture

USA : 100 MPa1995 : 94 MPa2009 : 90 MPa

modified 9Cr-steel (P91)element content influence

CNV

Nb

0.08 – 0.120.03 – 0.070.18 – 0.250.06 – 0.10

formation of carbides and carbo-nitridesformation of carbo-nitrides

VC (VNb)C (VNb)(CN)NbC (NbV)C (NbV)(CN)

Cr 8.0 – 9.5 oxidation resistance; Cr23C6 formation

Mo 0.85 – 1.05 solid solution hardening; stabilisation of Cr23C6 ; formation of Mo2C and Laves

Ni < 0.40 limitation of delta-ferrite formation

Mn 0.3 – 0.6 residual

Si 0.2 – 0.4 residual

Al < 0.040 desoxidation

P < 0.020 impurity

S < 0.010 impurity



influence of creep strengthon wall thickness

calculation of used-life fraction

dimensions

load

stress

component formulae

hoop stress formula

bend : torus factor

T-piece : z - factor

material information

(minimum) design curves or parametric formulae

used - life fraction

u = Σij tij / tRij

rupture time

operating history

P(t) and T(t)

operating time



sensitivity of used-life fraction

- temperature :

- pressure :

- wall thickness

- hours

- u doubles every 15-20 °C

- u + 2% for every bar

- (variable)

- linear

( for ferritic steels in HP-steam systems )

INHOUDSOPGAVE










dimensions

load

stress

component formulae

hoop stress formula

bend : torus factor

T-piece : z - factor


(minimum) design curves or parametric formulae


u = Σij tij / tRij

rupture time

operating history

P(t) and T(t)

operating time

kruip - cases

- korte-duur oververhitting

- lange-duur oververhitting



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

0

100

200

300

400

500

600

16:48 18:00 19:12 20:24 21:36 22:48 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48

tem

per

atu

ur

[°C

]

bedrijfsgegevens

flow

druk

KVW

rookgas

534°C ?




pijpø114,3 x 8,8 mm

P= 126 bar (max)

stress

component formulae

hoop stress formula

σ = P · (OD-d) / 2d


parametric ISO TR-7468

minimum : σ = 1,25


u = Σij tij / tRij

rupture time

operating history

P(t), T(t) figuur

tijd = 8 uur

RESULTAAT : oververhitting niet relevant

materiaal in-bedrijfname 1982 bedrijfsurencomponent = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 0

P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 0 0P22 = 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=constantslangen 101,6 7,0 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237uitlaatkast 101,6 7,0 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237leiding WV-424 114,3 8,8 8,8 126 75,5 94,4 570 P1 522 8 0,0153

P = uurgemiddeldeslangen 101,6 7,0 7,0 73,2 49,5 61,8 570 P1 1.467 1 0,0007 19-20uslangen 101,6 7,0 7,0 76,7 51,8 64,8 570 P1 1.233 1 0,0008 20-21uslangen 101,6 7,0 7,0 86,9 58,7 73,4 570 P1 778 1 0,0013 21-22uslangen 101,6 7,0 7,0 101,2 68,4 85,5 570 P1 445 1 0,0022 22-23uslangen 101,6 7,0 7,0 108,0 73,0 91,2 570 P1 351 1 0,0028 23-24uslangen 101,6 7,0 7,0 108,5 73,3 91,6 570 P1 345 1 0,0029 24-01uslangen 101,6 7,0 7,0 98,2 66,4 82,9 570 P1 497 1 0,0020 01-02uslangen 101,6 7,0 7,0 118,4 80,0 100,0 570 P1 249 1 0,0040 02-03u

u-totaal 8 0,0168

uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode

< 3%

Σ

alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen ?



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 9.10

case : lange-duur oververhitting

calculation of used-life fractionpijp

ø114,3 x 10 mm

ø273,1 x 14 mm

P= 126 bar (max)

stress

component formulae

hoop stress formula

σ = P · (OD-d) / 2d


parametric ISO TR-7468

minimum : σ = 1,25


u = Σij tij / tRij

rupture time

operating history

P(-), T(+20°C)

tijd = 12 jaar



lange-duur oververhittingmateriaal in-bedrijfname 1980 bedrijfsuren

component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 1995 127,500P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007 229,500

onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tR-min u-max u-maxof DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oC] [uren] 1995 2007

[-] [-]

OVO-1slangen 114.3 10.0 9.0 126 73.7 92.1 515 P22 384,000 0.3320 0.5977uitlaatkast 273.1 28.0 24.5 126 63.9 79.9 515 P22 792,000 0.1610 0.2898

materiaal in-bedrijfname 1995component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500

P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 2007P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007

onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tR-min u-maxof DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oC] [uren] 2007

[-]

OVO-1 + 20°Cslangen 114.3 10.0 10.0 126 65.7 82.1 535 P22 110,000 0.9273uitlaatkast 273.1 28.0 28.0 126 55.1 68.9 535 P22 241,000 0.4232

Σ u2007

1.25930.5842

lange-duur oververhitting :

vaak : op termijn

korte-duur oververhitting :- vaak geen probleem- maar (laten) controleren

ONTHOUDEN : iedere +15°C halvering levensduurdus : bij 45°C factor 2*2*2 = 8 korter



INHOUDSOPGAVE


2. kruip - inleiding

3. kruip - mechanismen

4. kruip - levensduur

5. kruip - voorbeelden


SIC = Strain-Induced Cracking

andere termen

RC Relaxation CrackingSRC Strain Relaxation CrackingSIC Stress Induced CrackingSAC Strain Age CrackingSOC Stress Oxidation CrackingSAGBO Stress Assisted Grain Boundary CrackingRHC Re-Heat CrackingSRC Stress Relief CrackingPWHT C Post Weld Heat Treatment CrackingWPhC White Phase Cracking



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

ALLOY800HT

600°C - 6.000u



RVS 347H (600°C / 4.200 uur)

Alloy 800H600°C / 150 uur3-punts buig-

relaxatie-proef

hardheid > 200 HV (tenzij verandert door T > 750°C)



TEMthin foil

SIC-senstitivemicro-structure

SIC-senstitive micro-structure

normal austenite structure sensitive austenite structure

no precipitatesmany small precipitates

Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)

‘soft’grains

‘hard’grains



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

‘normal’ structuresensitive structure

large grain-boundary precipitatesmany small precipitates

Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)

‘hard’grains

875/980°C - 3u

‘soft’grains

LARGE.



invloed anti-SIC gloeien

Alloy 617650°C / 150 uur3-punts buig-

relaxatie-proef

na anti-SIC gloeien (PWHT) :> 15% koudvervorming toelaatbaar

PWHT 980°C / 3 hrsas welded

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)



SIC - gevoeligheidsgebieden+ aanbevolen gloeiingen

materiaal SIC-gebied[°C]

stabiel-gloeiingbasismetaal

PWHT van gelaste verbinding

RVS 304(H) 550 - 625

875°C - 3 uur 875°C - 3 uurRVS 316(H) 500 - 625

RVS 321(H) 525 - 625

RVS 347 (H) 550 - 650

Alloy 800H/HT 575 - 725980°C - 3 uur

875°C - 3 uur (*)

Alloy 617 575 - 775980°C - 3 uur

Alloy 625 625 - 675

(*) indien gelast met 617, dan 980°C - 3 uur

bron : PMP/NIL/TNO-project PRD 5.3

BEDANKT VOOR UW AANDACHT !

Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant

T : +31 (0)46 410 7709

E : gommans@m‐c‐c.nl

LZL lezing KRUIP 29sep2015 hand-out

Documents

Transcript of LZL lezing KRUIP 29sep2015 hand-out