Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een ...
Transcript of Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een ...
Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander
Erik W. SchuringECN-E&S-Materiaal Technologie
1
Inhoud
• Introductie ECN• Aanleiding voor het onderzoek• Uitgevoerd onderzoek• Resultaten
• Metallografisch onderzoek• Hardheidsmetingen• Sterkte en vermoeiingsevaluatie
• Conclusies• Discussie
2
Introductie ECN
Wind
ZonBiomassa, Kolen& Milieu (BMK)
Waterstof & Schoon Fossiel
(H2SF)
Energie in de Gebouwde Omgeving & Netten (EGON)
Beleidsstudies(BS)
Engineering & Services(E&S)
Energy Efficiency in Industrie (EEI)
3
Introductie ECN
Targets ECN research
Transform energy generation and use:
efficiency improvement
generation of sustainable energy
clean use of fossil fuels
maximum reliabilityminimum environmental burden
optimal cost effectiveness
4
Introductie ECN
ECNECN’’s s research research areasareas
Clean C
onversion of Fossil Fuels
35%turnover
CFF
Emission Reduction
Climate-Neutral Energy Supply
Energy and Environmental
Quality
FCT
Fuel Cell Vehicles
Micro Co-generation
Systems
Renewable Energy
40%turnover
Solar
Thin-film PVTechnology
Grid ConnectedPV Systems
Wind
Wind FarmOperations
Wind Farm Design
Wind Turbine-Technology
Bio
Biomass Co-firingIn Large Scale
Power Generation
Combined Heat & Power
Fuels and Products
Effic
ient
Use
15%turnover
EEI
MolecularSeparation Technology
Industrial Waste Heat Utilisation
Process Intensification
REBE
Low & Zero Energy Buildings
10%turnover
PC
Policy Studies
5
Introductie ECN
Turnover shareTurnover share per unit (2004)per unit (2004)
Fuel Cell Technology
19%
Clean Use of Fossil Fuels
16%
RE in the Built Environment
8%
Wind Energy12%
Solar Energy15%
Energy Eff. in the Industry
7%
Policy Studies 11%
Biomass13%
6
Introductie ECN
ECN ECN EnergyEnergy Efficiency in the Efficiency in the IndustryIndustry (EEI)(EEI)
Separation technology(membranes)
Waste heat technology(heat pumps)
Reactor technology
.
7
Introductie ECN
ECN ECN Energie Energie in de in de Gebouwde omgeving Gebouwde omgeving & & Netten Netten (EGON)(EGON)
• PV system integration
• PV/Thermal systems
• Storage technology
• Energy management systems
• Integral energy concepts
8
Introductie ECN
ECN Wind EnergyECN Wind Energy
Design of wind farmsDesign of wind turbinesOperation of wind farms
9
Introductie ECN
ECN Biomass, ECN Biomass, Kolen Kolen en Milieu (BKM)en Milieu (BKM)
• Co-firing in coal plants
• Decentralized generation (CHP)
• Fuels and products
10
Introductie ECN
ECN Solar EnergyECN Solar Energy
Crystalline silicon PV technology
Thin-film siliconPolymer and dye solar cells
11
Introductie ECN
ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF)
• System concepts and technology assessments
• Low-carbon energy carriers• Stirling micro-cogeneration• Emission reduction• Environmental research
12
ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF)• PEMFC cell and stack technology
• SOFC cell and stack technology
• Fuel processing technology
• Super capacitors
• Fuel cell system integration
InDEC B.V.
Introductie ECN
13
Introductie ECN
Engineering & Services (E&S)Engineering & Services (E&S)
• Design and construction of complex
installations and components
• Materials testing, Advise and damage assessment
• Software development
14
AanleidingAanleidingFalen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO
• Bij regulier onderhoud zijn de HT en LT-OVO en verdamper van de 3-beschikbare lijnen vervangen.
• Binnen 2 maanden na in bedrijfname traden de eerste lekkages op in de zadelpunten van de spriet/kast verbindingen.
• In een periode van 7 maanden traden 44 lekkages op in de zadelpunten van de lijnen 1, 2 en 3.
• Naar aanleiding van eerder onderzoek is geconcludeerd dat de lasuitvoering verdacht is. Doel van het onderzoek is daarom de laskwaliteit in relatie tot de opgetreden lekkages te onderzoeken
15
AanleidingAanleidingFalen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO
Materialen en lasmethode• Basismateriaal Spriet en Header: 15Mo3 (Wstnr 1.5414)
• Toegepaste wanddikten:
• Sprieten 7,1 en 5,6mm (LT-OVO) - 7,1 en 6,3 mm (LT-OVO) ) (7.1 is later ivm corrosietoeslag toegepast)
• Kast: 23,4mm
• Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaalChemische samenstelling in gewichtsprocenten
C Si Mn Mo Overige0,16 Max. 0,40 0,60 0,30 Max. Cu -= 0,30
5023440-570295<60
Charpy V[J]
Rek[%]
Treksterkte[MPa]
0,2% Rekgrens[MPa]
Diameter[mm]
Mechanische eigenschappen
150160180225264
500400300200100
0,2% Rekgrens [MPa] vs temperatuur [°C]
16
AanleidingAanleidingFalen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO
Materialen en lasmethode
• Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal
17
AanleidingAanleidingFalen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO
Bedrijfscondities Verdamper, HT- en LT-OVO
Verdamperkast LT-OVO HT-OVO Afpersen
Bedrijfsdruk [bar] 120 114 114 158
Bedrijfstemperatuur [°C 325 415 415 15
Onder kruipregiem (>450°C)
Overige belastingen van de constructies• Hameren ter verwijdering depositie: HT-OVO en verdamper elke 30 min gedurende 120 sec. LT-
OVO elke 4h gedurende 120 sec.
• Langstromende turbulente rookgassen brengen de sprieten in trilling (eigenfrequentie)
Deze condities belasten de constructie op vermoeiing
18
Falen lasverbinding in HT en LT OVO Uitgevoerd onderzoekUitgevoerd onderzoekFalen lasverbinding in HT en LT OVO
• Onderzocht: spriet-kastverbindingen van lijn 2 en 3:
• Lijn 2: Verdampberbovenkast van #1
• Lijn 3:
• Bovenkast 1 HT-OVO
• Onderkast 1 HT-OVO,
• Bovenkast 9 LT-OVO
• Onderkast 9 LT-OVO
• Metallografisch onderzoek aan spriet-kastverbindingen over rechte overgangen en zadelpunten
• Lasfouten
• Lasgeometrie
• Lasnaadvoorbewerking
• Hardheidsmetingen over basismaterialen (spriet en kast), WBZ en lasmetaal
• Sterkte en vermoeiingsevaluaties
19
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-MacroscopischAfwijkingen:
• Afwijkende positionering:• Off-set van spriet in de kast• Scheve montage
• Onvolkomen doorlassing• Plakfouten• Inkarteling cq afbranden van de laskant-
voorbewerking spriet
20
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Lasfouten:• Plakfouten• Onvolkomen doorlassen
Metallografisch onderzoek-Microscopisch
21
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Microscopisch
Scheurinitiatie en scheurgroei (na 7 maanden bedrijf):
• Vanuit onvolkomen doorlassing
• Vanuit plakfout
• Scheuruitbreiding van max 0,5 mm aangetroffen
22
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Defectgrootte is gemeten:• Op de beide zadelpunten en
rechte overgangen per las• Evenwijdig aan de spriet (X)• Evenwijdig aan de kast (Y)• Berekend als percentage van de
lashoogte, a
Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten
Off set spriet:+= naar binnen-= richting kast
a=hoogte las
X= defectgrootte langs Spriet
Y= defectgrootte langs Kast
12 en 6h posities: rechte overgangen
23
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten• Kritische defectgrootte is bepaald aan de hand van sterkte-evaluaties op basis
van breukmechanica• Uitgaande van de opgegeven bedrijfscondities
Kritische defectgrootte voor plastische vervorming tijdens bedrijf (ontwerp):Verdamper-bovenkast : 3 mm of 35%HT-OVO (6,3mm) : 3,5 mm of 36%LT-OVO (5,6mm) : 2 mm of 24%
Criteria:LT-OVO is meest kritisch met 24% als kritische defectgrootte tov de lashoogte aAls Nominale waarde voor kritische defectgrootte is genomen:• 35% van de lashoogte a voor de HT-OVO en verdamperbovenkast• 24% van de lashoogte a voor de LT-OVO
24
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefectenVerdamperbovenkast-Lijn 2, 9 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: 10,2-12,4 mmLashoogte a-zadelpunt: 7,4-9,9 mmDefectgrootte: 0-3,7 mm
0-40,6 %w.v.: 11% boven 35% van lashoogte a
HT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 18 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 7,8-11,5 mm, Onderkast: 11,2-14,2Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 4,4-9,8 mm, Onderkast: 6,4-8,9Defectgrootte: Bovenkast: 0-6,9 mm, Onderkast 0-8 mm
Bovenkast: 0-74%, Onderkast 0-60% w.v.: 18% boven 35% van lashoogte a
25
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten
LT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 20 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 8,7-12,3 mm, Onderkast: 11,6-14Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 7,2-10 mm, Onderkast: 5,6-9,9Defectgrootte: Bovenkast: 0-7,5 mm, Onderkast 0-7,5 mm
Bovenkast: 0-64%, Onderkast 0-57% w.v.: 25% boven 24% van lashoogte a
26
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen
Positie Verdamper HT-OVO LT-OVOLijn 2 [HV10] Lijn 3 [HV1] Lijn 3 [HV1]
Kast 152 152 158Spriet 164 163 178Sluitlaag 279 275 281CG-WBZ-kast 299 323 310CG-WBZ-Spriet 314 262 301
Gemiddelde hardheden bovenkasten
Volgens overlegde LMK:Max hardheid WBZ: 221HV10Bij een interpass temperatuur van 350°C
27
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-HardheidsmetingenHardheidsverloop las-WBZ-Basismateriaal
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
Afstand (mm)
HV
1
Las-sprietLas-kastsmeltlijn
LasmetaalWBZbasismateriaal
Bovenkast verdamper lijn 2:
Piek hardheid boven 350HV1
28
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen
Conclusies hardheidsmetingen:• Te lage HI aangehouden• Interpass temperatuur niet aangehouden• Voorwarmen noodzakelijk (niet in LMK voorgeschreven)
29
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie
Betrokken op de Procescondities• Opstarten en stoppen• Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing)• Thermische belasting• Kruip• Thermische schok (noodstop of trip van de installatie)• Statische belasting tijdens bedrijf• Periodiek hameren
30
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie (1)Opstarten en stoppenTemperatuur en belasting zullen geleidelijk toe of afnemen. De frequentie van starts en stops in relatief laag gezien de bedrijfsperiode. Dit zal geen significante invloed op de levensduur hebben.
Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing)Belastingsvariaties t.g.v. variaties in rookgassnelheden zijn beperkt. In de verdampersectie zijn deze het grootst.De pijpenbundels zullen/kunnen o.i.v. drag forces en vortex exitatie maximaal enkele millimeters verplaatsen. Daarvoor zijn snelheidsvariaties van 6m/s nodig of voor vortex exitatie een rookgassnelheid van ca 1m/s.KruipDe ontwerpspecificaties en gebruikscondities liggen in temperatuur onder 0,4x Tsmelt en liggen dus buiten het kruipregime
31
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie (2)Thermische belastingOnder operationele condities zullen temperatuurfluctuaties niet groter zijn dan 50-100°C. Uitgaande van dat ∆T=50°C over de wand van de pijpenbundels:max ∆σ=87MPa.
Statische belasting tijdens bedrijfUitgaande van de ontwerpdruk (max 120 bar) en geen of geringe variaties daarin, is de statische belasting van de constructie: σ=56MPa
Thermische schok (noodstop of trip van de installatie)Noodstop: Voor falen t.g.v. noodstops binnen 7 maanden moet deze meerdere keren PER DAG uitgevoerd worden. Dit is bedrijfsmatig NIET mogelijk. Door storingen zijn wel vaker dan normaal start/stop cycli uitgevoerd. De maximale spanningswisseling is de som van thermische en drukbelasting: ∆σ=143MPa
32
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie (3)Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels)• Leidt tot trillingen en vermoeiingsbelasting op de lasverbindingen
• Gemeten belastingen t.g.v. hameren:Versnelling: 120 – 560 x g (ca 1200-5600 m/s)Frequentie: ca 1000Hz
• Laterale verplaatsing t.g.v. het hameren: 0,03-0,15mm
• Rekening houdend met een spanningconcentratiefactor bij een scherp defect en een defectgrootte van 3mm kan een eenvoudige (sterk indicatieve) scheurgroeiberekening worden uitgevoerd.
• Beperkingen daarbij:
Geen invloed corrosie
Alleen vermoeiingscomponent
33
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie (4)Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels)
FrequentieVersnelling 2500 5000 10000 2500 5000 10000Verdamper 1930 jr 240 jr 30 jr 30 jr 4 jr 6 mnd
FrequentieVersnelling 1000 2000 3500 1000 2000 3500 1000 2000 3500
HT-OVO 500 jr 63 jr 12 jr 90 jr 11 jr 2 jr 8 jr 1 jr 2 mndLT-OVO 3900 jr 490 jr 90jr 700 jr 90 jr 16 jr 60 jr 8 jr 1,5 jr
1000 750 500
Bedrijfsperiode tot 1 mm scheurgroei bij: Frequentie [Hz]/Versnelling [m/s]
2000 1000
Er van uitgaande dat:
Rest lashoogte tussen 4 en 6 mm kan liggen (25% of 35% defectgrootte)
Kan lekkage enkel t.g.v. hameren optreden binnen 4-6 jaar.
34
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten
Sterkte en vermoeiingsevaluatie (5) – (Tussen Conclusie)
• Uit de sterkte-evaluatie en het metallografisch onderzoek is gebleken dat veel defecten (LT-OVO 25%) boven de kritische grens voor plastische vervorming liggen onder statische belasting.
• Extra dynamische belastingen kunnen snel tot scheurinitiatie en scheurgroei leiden.
• Onder invloed van extra dynamische belasting kan rest-breuk eerder dan 4-6 jaar optreden.
• De defecten zijn vaak min of meer lokaal van aard, wat verklaard waarom het nog niet eerder tot falen is gekomen.
35
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO Conclusies (1)Conclusies (1)
• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering:
Onvolkomen doorlassing
Niet vullen van de naad
Onvoldoende inbranding (plaklas)
Plakfouten en (gas)insluitingen
Warmscheuren
Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen
36
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO Conclusies (2)Conclusies (2)
• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering:
Onvolkomen doorlassing
Niet vullen van de naad
Onvoldoende inbranding (plaklas)
Plakfouten en (gas)insluitingen
Warmscheuren
Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen
• Lasfoutgroottes tot boven 25% van de lashoogte aangetroffen deze leveren gevaar voor plastische vervormingen bij normale bedrijfsvoering
37
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO Conclusies (3)Conclusies (3)
• Uitgaande van enkel vermoeiing ten gevolgen van Hameren en een defectgrootte van 3mm is falen binnen 4-6 jaar waarschijnlijk
• Naast vermoeiing zijn belastingen ten gevolge van normale bedrijfsvoering aanwezig, welke de levensduur zullen bekorten (rest-breuk)
• Risico op lekkages wordt na 2-3 jaar onacceptabel groot (0,5mm scheurgroei in 7 maanden is aangetroffen)
• De kans dat de ontwerplevensduur van 10-15 jaar wordt gehaald is klein
• Lasuitvoering heeft geleid tot onacceptabele defecten welke leidden tot voortijdige lekkages van de spriet-kast lasverbindingen.
38
Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO AanbevelingenAanbevelingen
• HT- en LT-OVO zo spoedig mogelijk vervangen
• Lasuitvoering en lasdetail verbeteren
Lassen met een vooropening en controle van de doorlassing na ¾ van de grondnaad gelast te hebben
Volledig doorlassing nodig
• Lassen met voldoend hoge interpass temperatuur en voorwarmen is sterk aan te raden
Aanbevelingen zijn overgenomen en hebben geresulteerd in een storingvrije bedrijfsperiode sinds invoering (2002)
39