Lassen aan gasvoerende leidingen
Auteurs: Ing. W.N. Schipaanboord (IWE, IWI, I&K III, EN473 UT L3), Ing. B.G. Koppens, J. Marquering (EWT),
SAMENVATTING De technische achtergronden van het veilig kunnen lassen aan gastransportleidingen onder bedrijfscondities (met name bedrijfsdruk – typische drukken van gastransportleidingen 40 -80 bar - en gasstroomsnelheid – tot 25 meter per seconde) worden beschreven. Vooral van belang is het veilig kunnen lassen aan oudere gastransportleidingen met een hoger Ceq (IIW), waarbij ingegaan wordt op het lastoevoegmateriaal, lasmethode en hoe het waterstofgehalte te beperken. Als zodanig is in dit artikel meer dan 20 jaar bedrijfservaring met lassen aan gasvoerende gastransportleidingen verwerkt.
1
INLEIDING
Voor het maken van aansluitingen op gastransportleidingen die niet uit bedrijf genomen kunnen worden, wordt vaak gebruik gemaakt van zogenaamde hot tapping. N.V. Nederlandse Gasunie last zogenaamde splittees op leidingen die in volledig bedrijf zijn en blijven. Het gedeelde T-stuk wordt op de leiding geplaatst en vervolgens door langslassen aan elkaar verbonden tot één T- stuk. Daarna wordt geïnspecteerd waarna rondlassen voor de verbinding van het T-stuk met de transportleiding zorgen.
Vaak liggen aan het lassen aan gasvoerende leidingen economische redenen ten grondslag. Het uit bedrijf nemen van leidingen is namelijk kostbaar omdat leveringscontracten doorgaans uitgaan van continue levering. Strikte voorwaarde is dat er geen enkele concessie wordt gedaan aan de veiligheid. Lassen aan gasvoerende leidingen is werken met verhoogd risico. Deze werkmethodiek is gebaseerd op zorgvuldig onderzoek, intensieve laboratorium test programma’s en gesimuleerde real life beproevingen. Door nauwgezette specificaties en het toepassen van uitgebalanceerde lasmethodebeschrijvingen worden de risico’s beheersbaar gemaakt. Dat goede procedures en kwaliteitsbeheersing nodig zijn bij deze werkzaamheden met verhoogd risico tonen figuur 1 en 2.
Gasunie heeft vanaf 1978 onderzoek uit laten voeren, onder andere bij TNO, om zo onderbouwing te krijgen van een betrouwbare en veilige manier van lassen aan gasvoerende leidingen. Dit artikel gaat in op de regelgeving, kritieke aspecten van het lassen aan gastransportleidingen in bedrijf en de beheersing van deze kritieke aspecten. In dit artikel wordt verder ingegaan op de metaalkundige achtergronden.
Figuur 1 - Rondlas van reparatieschaal faalt na breuk en blaast een gat van circa 6 m diep; een kruisende gasleiding moet uit bedrijf worden
Figuur 2 - Gasvoerende leiding is API 5L X42 zonder koolstofbeperking. Schalen zijn met cellulose elektroden gelast. Scheurinitiatie heeft plaatsgevonden op een arc strike.
2
REGELGEVING
De Europese norm voor het lassen van gastransportleidingen, de NEN EN 12732, geeft in haar eerste editie van 2000 aan dat het lassen ten behoeve van het zogenaamde hot tappen alleen mag worden uitgevoerd na “voldoende research en ontwikkeling om zeker te stellen dat de veiligheid en de uitvoering geborgd zijn en dat de mechanische eigenschappen correct zijn".
Voor aanvang van de uitvoering van laswerkzaamheden op drukhoudende leidingen en systemen moet de leidingbeheerder afwegen of het ontwerp, de materialen en de conditie van de constructie geschikt zijn om aan te kunnen lassen onder de heersende bedrijfsdruk. Voorts wordt verwezen naar kritieke aspecten die benoemd moeten worden in de lasprocedure-specificatie.
Een lijst van kritieke aspecten worden genoemd in de bijlage D van NEN EN 12732. Bijlage D heeft een informatief karakter. De volgende belangrijkste concrete ‘eisen’ worden in deze bijlage D gesteld aan het lassen: x
x x
x
De minimum gespecificeerde rekgrens van het lasmetaal 400 N/mm² De treksterkte tussen 400 en 560 N/mm² De breukrek (A5) 26% De Charpy-V kerfslagwaarde van het lasmetaal minimaal gemiddeld 47 Joule; een enkele waarde van minimaal 32 Joule is acceptabel; de testtemperatuur moet in
x
overeenstemming zijn met de standaard die de leidingeigenaar hanteert Uit een set van drie waarnemingen het gemiddelde diffundeerbare waterstofgehalte HDM 3 ml, een enkele waarde mag maximaal 3,5 ml bedragen.
Figuur 3 - Uitvoering van een DN 600 hot tap voor by pass leiding en DN 600 stopple TEE. Gelast onder de heersende bedrijfsomstandigheden van druk en gasstroming. Langs- en rondnaden zijn magnetisch onderzocht alsmede ToFD onderzoek van de langsnaden
Figuur 4 - In situ oplasreparatie (3x) uitgevoerd op een DN 450 leidingpijp alsmede twee sets reparatieschalen (gedeeltelijk afgebeeld)
Voorts geeft bijlage D in de EN 12732 een aantal suggesties om voorzorgsmaatregelen te nemen om koudscheuren en doorbranden te voorkomen. Deze zijn: x
x
Genormaliseerde staalsoorten (van voor 1970) zijn gevoeliger voor koudscheuren. Maatregelen zijn voorwarmen of de gastroomsnelheid verlagen, Bij een zekere minimum wanddikte moet een minimale uittreklengte worden onderhouden, zodat de voorloopsnelheid bij het lassen garandeert dat geen lokale
x
doorbranding ontstaat,
x
minimale pijpwanddikte,
Drukverlaging van de leiding moet worden overwogen bij beneden een bepaalde
Een minimale gasstroomsnelheid moet worden onderhouden beneden een bepaalde minimale pijpwanddikte,
x
Er moet een minimale afstand tussen de te lassen hot tap fitting en andere lassen worden aangehouden.
Tot zover de Europese regelgeving. De Europese norm is functioneel gesteld en geeft geen details. De technische detailering is destijds ingebracht door Gasunie tijdens de totstandkoming van deze EN 12732. Deze Europese norm is later tevens NEN norm geworden. Ook door andere Europese normalisatie instituten is de EN 12732 geaccepteerd zoals DVGW ‘Arbeitsblatt’ GW 350.
3
PIJPLEIDINGMATERIALEN
De oudste pijpleidingpijpmaterialen (uit de 60-er jaren) zijn van genormaliseerde kwaliteit en met voorwarmen tot 150 ºC goed lasbaar. Het IIW koolstofequivalent is vanaf de begintijd van de transportleidingbouw (1964-1970) gelimiteerd tot 0,47 (voor de Nederlandse situatie) en het koolstofgehalte is beperkt tot 0,23%, maar in incidentele gevallen wordt nog wel pijpleidingmateriaal aangetroffen die deze waarden in geringe mate overschrijden. Deze materialen zijn vermoedelijk destijds volgens API 5L zonder aanvullende specificatie geleverd. In zulke gevallen kan bijvoorbeeld een Ceq(IIW) ~ 0,50 voorkomen. De rekgrens van deze staaltypen was aanvankelijk beperkt tot 345 N/mm² . Vanaf 1970 is staal kwaliteit St 60.7 gespecificeerd welke later is overgegaan in StE415.7TM met een rekgrens van 415 N/mm². De DIN 17172, welke in 1996 is overgegaan in EN 10208-2, specificeert vanaf circa 1970 ook thermo-mechanisch behandelde staalsoorten en "quenched and tempered" staalsoorten. Deze hebben een sterk verminderde gevoeligheid voor koudscheuren ten opzichte van de genormaliseerde kwaliteit, maar door hogere sterkten (rekgrens tot 550 N/mm²) is evaluatie van de lasprocedures vereist. Beide staalsoorten zijn in 1984 onderzocht op transformatie gedrag. Met de Smitweld lassimulator van TNO zijn in opdracht van Gasunie zowel genormaliseerd staal met een Ceq (IIW) van 0,49 - wanddikte 13 mm - als thermomechanisch (TM) behandeld staal met een Ceq (IIW ) van 0,37 - wanddikte 7 mm onderzocht.
%
C
Mn
N
,217
1,52
TM
0,11
1,48
P
0,01 5 0,02 4
S
0,02 0 0.00 5
Cr
0,07 6 0,02 7
Ni
0,06 1 0,02 6
Mo
0,028 0,007
Cu
0,08 2 0,01 7
V
0,00 1 --
Ceq
Re [N/mm²]
0,49
340-340-332
0,37
453
Rm
A(%)
Z(%)
[N/mm² ] 635630-625 560
30-3032 27
68-6868--
Tabel 1 - Chemische analyse, koolstofequivalent (IIW) en mechanische eigenschappen van door Gasunie gebruikte pijpleidingmateriaal.
4
HARDBAARHEIDSONDERZOEK MET BEHULP VAN DE LASSIMULATOR
De staalsoorten zijn in de lassimulator blootgesteld aan een variëteit van simulaties om zo de dilatometercurven te kunnen opstellen. Tevens is aan het proefmateriaal hardheidsonderzoek uitgevoerd. Voor de piektemperaturen 10000C en 13000 C zijn de afkoeltijden gesimuleerd tussen 100 en 4 [s].
Uit onderstaande figuren is af te leiden dat bij een afkoeltijd (ǻt 8/5) van acht seconden of korter bij het genormaliseerde staal 100% martensiet wordt gevormd. Vanwege het grote aandeel koolstof (circa 0,22%), is dit een type martensiet dat gevoelig is voor waterstofverbrossing en residuele lasspanningen. Het TM staal laat zien dat vanaf een afkoeltijd (ǻt 8/5) van 2,5 seconden de perlietneus wordt gepasseerd. Dit betekent dat er een overgangsstructuur van bainiet zal ontstaan welke aanmerkelijk gunstiger is dan het brosse scheurgevoelige martensiet in het genormaliseerde staal.
Figuur 5 - TTT diagram van genormaliseerd pijpleidingstaal API 5L X56
Figuur 6 - TTT diagram van thermomechanisch behandeld pijpleidingstaal DIN 17172 StE.415.7TM De bijbehorende hardheden van deze staalsoorten zijn in onderstaande figuren 7 en 8 weergegeven. Bij een piektemperatuur van 1300 ºC wordt voor het genormaliseerde staal (Ceq IIW = 0,47) een hardheid gemeten van 450 HV10 en als de piektemperatuur gekozen wordt op 1000º C dan daalt deze hardheid tot op het niveau dat voor de EN 15614-1 nog acceptabel is (380 HV10). Experimentele data geven inderdaad hardheden tussen 450 en 500 HV10 wanneer gelast wordt met een ǻt 8/5 van 2 à 4 [s].
Figuur 7 - Hardheden als functie van afkoeltijd ǻt 8/5 bij een piektemperatuur van 1300 ºC voor 3 pijpleidingstaalsoorten met verschillende Ceq (IIW)
Figuur 8 - Als afbeelding 7 maar nu met een piektemperatuur van 1000ºC.
Voor het thermomechanisch behandelde staal, met een Ceq (IIW) van 0,37 zijn de hardheden circa 380 HV10 bij een ǻt 8/5 van 3[s] . Uit deze onderzoekingen is gebleken dat het belangrijk is om voor de leidingstaalsoorten van genormaliseerde kwaliteit, toegepast vòòr 1975, de chemische samenstelling te weten.
5
CONTROLE DOOR MIDDEL VAN SPECTRAALANALYSE VAN LEIDINGMATERIALEN VAN GENORMALISEERDE KWALITEIT
Voor pijpleidingmaterialen met een rekgrens boven 345 N/mm² van vòòr 1975 wordt een controle op de chemische analyse uitgevoerd met behulp van een mobiele spectrometer. Bij deze verificatie wordt gebruik gemaakt van materiaalmonsters die afkomstig zijn van oude leidingstukken. Bij de calibratie van de spectraal- meetapparatuur is het evident dat er beschikking is over betrouwbaar referentiemateriaal. Dit referentiemateriaal afkomstig uit een leiding met bouwjaar 1968, heeft een Ceq (IIW) van 0,49. Bij de verificatie van oud leidingmateriaal wordt voor én na de meting van de pijpleiding, waarop wordt gelast dit referentiemonster eveneens gemeten. Bij te grote afwijking kan de afstelling van de mobiele spectrometer gecorrigeerd worden. De uitvoering van deze spectraalanalyses wordt door een volgens IEC 17025 geaccrediteerde instelling gedaan. Als onderdeel van het ISO 3834 kwaliteitsbeheerssysteem beschikt de afdeling Speciale Opdrachten van Gasunie uit Deventer over dergelijk vergelijkingsmateriaal. De instelling die
de spectraal-analyse uitvoert moet dan in geval van oud pijpleidingmateriaal vooraf kalibreren aan dit referentiemateriaal.
Tabel 2 - Analyse van referentiemonster voor mobiele spectraalanalyse (OES). Ceq (IIW) = 0,49.
Figuur 9 -9 Toepassing van spectraalanalyse op een pijpleiding
6
RELATIE TUSSEN GASTROOMSNELHEID EN AFKOELSNELHEID ǻT (8/5)
Een belangrijke parameter zoals hiervoor uiteengezet bij het lasonderzoek is de afkoeltijd tussen 800ºC en 500ºC. Bij langsstromend gas en water is sprake van geforceerde koeling. Er is onderzoek gedaan (Belgraver; 1983; De Haan; 1991, Bernouilli stromingslaboratorium) naar het verband tussen gasstroomsnelheid en afkoelsnelheid ǻt 8/5. Hierbij is vastgesteld dat bij een gastroomsnelheid vanaf 3 [m/s] een ǻt 8/5 van 8 [s] kan optreden. Er zijn metingen uitgevoerd op de volgende pijpdiameters 8”(Ɣ ) ; 18” pijp (Ÿ en ź) en de 4” pijp (Ŷ). De lasomstandigheden zijn weergegeven in tabel 3. De resultaten zijn samengevat in figuur 10. Bernouilli (1991) Gasdruk [bar] Gassnelheid [m/s] Pijpdimensies (Ø x wanddikte Materiaal Elektrode KARDO [mm] Laspositie Stroomsoort/elektrodepoling Warmte inbreng [kJ/cm]
64 8”x 7,5 mm Grade B
0-20 m/s 18”x 7,0 StE415.7TM 3,25
5GU gelijkstroom, ± 10 kJ/cm
Hoofddorp (1991) 20,5 3 4”x 4,0 Grade B 3,25 5GU gelijkstroom , 8,3
Bernouilli (1984) 60 25 18”x 8,0 StE415.7TM 3,25 3G gelijkstroom, 8,4 -11,6
Tabel 3 - Relatie tussen gastroomsnelheid en afkoelsnelheid ǻt 8/5. Gemeten met een gastemperatuur van 10,2 Cº.
Figuur 10 - Relatie tussen gasstroomsnelheid in [m/s] en afkoeltijd in [s] (Bernouilli laboratorium 1991, 1984)
Dit betekent dat bij hogere gasstroomsnelheden altijd voor de ‘perlietneus’ langs wordt afgekoeld en er dus martensiet vorming optreedt.
7
HEAT INPUT VERSUS AFKOELTIJD (8/5)
Verder moet worden nagegaan of verhoogde warmteinbreng een grote invloed heeft op de ǻt 8/5. In figuur 13 is deze relatie weergegeven voor de eerste butterlaag en de tweede butterlaag op de gasvoerende pijp met zowel een 2,5 als 3,25 mm als een 4 mm elektrode in 3G positie. In het onderzoek van 1984 is met een gasstroomsnelheid van 25 m/s gelast en een gastemperatuur van 10,2º C. Een verdubbeling in warmteinbreng geeft een verdubbeling van afkoeltijd ǻt 8/5. Voor de hoogste warmteinbreng, 16 kJ.cm, komt de tijd nauwelijks boven de 8 [s] uit. Dit betekent dat ook in de tweede butterlaag de condities aanwezig zijn om martensiet te vormen.
Figuur 11 - Relatie tussen warmte inbreng en afkoeltijd voor het lassen met beklede elektrode op een gasvoerende leiding, onder 60 bar druk, gasstroomsnelheid 25 m/s; buitentemperatuur 9º C en gastemperatuur 10,2 Cº. Pijpdimensies DN 450 x 8 mm.
Verder is nagegaan of het waterstof opgelost in het metaalrooster voldoende tijd heeft om te diffunderen. De gemeten afkoeltijden tussen 300 C º naar 100º C liggen tussen de 10 s voor een warmteinbreng van circa 8 kJ/cm en 20 s voor een warmteinbreng van 16kJ/cm. Deze tijden zijn minder in vergelijking met normale lasomstandigheden. Het optreden van waterstofverbrossing kan voorkomen wanneer geen adequate maatregelen worden getroffen.
Figuur 12 - Relatie tussen warmteinbreng en afkoeltijd van 300ºC naar 100º C voor het lassen met beklede elektrode op een gasvoerende leiding, onder 60 bar druk, gasstroomsnelheid 25 m/s; buitentemperatuur 9º C en gastemperatuur 10,2 Cº. Pijpdimensies DN 450 x 8 mm.
8
FITTINGMATERIALEN VOOR T-STUKKEN
De materialen van de aanboor T-stukken zijn van genormaliseerde kwaliteit waarbij de rekgrens beperkt is tot 500 N/mm² en eveneens het Ceq(IIW) 0,48. De fittingmaterialen worden voor het lassen voorgewarmd tot maximaal 150º C. Ten aanzien van de lasbaarheid zijn hier geen bijzondere metaalkundige aspecten aan verbonden.
Figuur 13 - - DN1200 aanboorfitting (splittee) in positie waarbij eerst de langsnaad wordt gelast, en na goedkeuring van beide langslassen, worden de rondnaden na elkaar gelast
Figuur 14 - DN1200 fitting – splittee zonder onderschaal- samengesteld met kogelafsluiter en aanboorflens, prefabricage afdeling Speciale Opdrachten van Gasunie te Deventer
9
LASTOEVOEGMATERIAAL
Op basis van gemodificeerde CTS testen is in het verleden met Lincoln (v/h Smitweld) een selectie gemaakt van geschikte toevoegmaterialen. Bekend is dat er drie kritieke aspecten zijn wat betreft het lassen van de relatieve stijve verbinding tussen schaaldeel en gasvoerende pijp in combinatie met de hoge afkoelsnelheid door het stromende gas. x
Vorming van harde brosse structuur (martensiet)
x
Waterstofverbrossing ten gevolge van diffundeerbare waterstof van kristalgebonden water uit de elektrodebekleding dat in het lasbad komt en in de warmte beïnvloede
x
zone Hoge residuele spanningen in het lasmetaal
Een typische chemische samenstellingen van leidingpijpmateriaal, splittee materiaal en een analyse van een low yield elektrode neersmelt (1 butterlaag) is aangegeven in tabel 4.
Tabel 4 - Overzicht van pijpleidingpijpmateriaal, splittee materiaal en neersmelt analyse. De koolstofequivalenten voor schaal en splittee materialen zijn typisch tussen 0,44 en 0,48. Het Ceq (IIW) van 0,16 mm van de neersmelt van de oplassing van de low yield elektrode is aanmerkelijk lager dan die van de schaal en de gasvoerende leiding. Van deze relatief ‘zachte laag’ wordt gebruik gemaakt om de residuele spanningen te relaxeren.
De gevoeligheid voor koudscheuren van de verbinding in combinatie met het te verbinden schaalmateriaal van de splittee kan worden beproefd zoals in figuren 15 en 16 worden getoond. In deze proef is de bekleding van de low yield laselektrode bewust met waterstof opgeladen om aan te tonen dat vanaf een bepaalde drempelwaarde koudscheuren kunnen optreden. Het proefstuk met de referentie elektrode, zie figuur 17, met laag waterstof (<1 ml HDM) blijft onbeschadigd terwijl het proefstuk met de ‘opgeladen’ elektroden een op zich scheurvrije neersmelt laat zien, maar in de WBZ van het schaalmateriaal scheurvorming optreedt, zie figuur 18.
Figuur15 - Uitvoering van gemodificeerde CTS test.
Figuur16 - Schematische laagopbouw van de gemodificeerde CTS test.
Figuur 17 - Overzicht van een proefserie van CTS testen op schaalmateriaal met Ceq = 0,48 en 4,5 tot 6 ml HDM. De laselektroden zijn met opzet opgeladen met waterstof. Doel van deze proef is om de scheurgvoeligheid van de verbinding te testen.
Figuur 18 - Scheurvorming in de warmtebeinvloede zone van het schaalmateriaal. Het lasmetaal is scheurvrij. Het schaaldeel zal beperkt moeten worden in koolstofequivalent of de voorwarmtemperatuur moet worden verhoogd.
De remedies om de kritieke aspecten te kunnen beheersen zijn als volgt: x
x
Het bestanddeel van martensiet tot een minimum beperken, en zo mogelijk de martensietstructuur ontlaten, De vochtgevoeligheid van de elektrodebekleding zo laag mogelijk houden en vochtopname tijdens blootstelling van de elektrodebekleding zien te voorkomen. Streven naar een product waarbij de vrij diffundeerbare waterstof (HDM) kleiner is
x
dan 3 ml maar liefst nog lager, De laagopbouw van de hoeklas verstandig kiezen alsmede de lasvolgorde in rondgaande richting. Door de butterlagen 2 maal langer te kiezen dan de dikte van de splittee respectievelijk reparatieschaal wordt een gunstiger spanningsafbouw
x
gerealiseerd, Een kerndraad kiezen van zuiver ijzer met extreem weinig verontreinigingen en laag gehalte aan koolstof en mangaan.
Dit is opgelost als beschreven in de volgende paragrafen.
9.1
Verbeterde verpakking voor de elektroden
In samenwerking met een elektrodenfabrikant Smitweld zijn in 1980 experimenten uitgevoerd waarbij gezocht is naar een kerndraad met extreem laag koolstof. Deze eisen kunnen worden gerealiseerd door een kerndraad te kiezen met extreem laag koolstof- en mangaangehalte. Deze staat bekend als de ARMCO kerndraad. De bekleding is uiteraard basisch. Onderzoek door TNO in opdracht van Gasunie heeft aangetoond dat deze combinatie een zeer gunstig effect heeft op de kwaliteit van de elektrode. Het waterstof heeft een veel hogere diffusiesnelheid in het ARMCO ijzer dan in andere staalsoorten, zie tabel 5, en kan daardoor snel migreren naar de WBZ van poijp en splittee respectievelijk reparatieschaal
Verder is het is dus van belang om het waterstofgehalte zo laag mogelijk te houden.
Tabel 5 - Overzicht van diffusiesnelheden in technische materialen. De ARMCO kerndraad, gebruikt voor de fabricage van low yield elektrode, heeft een factor 10 hogere diffusiesnelheid dan neersmelt van een ‘normale’elektrode (uit ref. 1)
Om de hoeveelheid vochtopname na het verbreken van de verpakking te beperken, is in 1983 onderzoek gedaan door Gasunie. Deze experimenten waren bevredigend en Gasunie is de elektroden in eigen beheer vacüum gaan verpakken. In opdracht van Gasunie heeft TNO metingen naar vochtopname- en diffundeerbaar waterstof uitgevoerd, die de gunstige effecten van deze verpakkingsmethodiek bevestigen. Inmiddels is het vacüum verpakken van basische elektroden gemeengoed.
9.2
Kwantitatieve eis voor maximaal toelaatbare waterstofoncentratie in lasmetaal
De koudscheurproef volgens de implanttest geeft een goede handreiking om kwantitatief de samenhang naar waterstof afkomstig uit de elektrodebekleding en koudscheurgevoeligheid van leidingmateriaal te onderzoeken.
9.3
Lasprocedure voor de implanttest
Voor de uitvoering naar de koudscheurgevoeligheid is gebruik gemaakt van de implanttest. Met de implanttest kan, in tegenstelling tot hiervoor getoonde CTS en de in de literatuur beschreven Tekken Y-U-Groove test een kwantitatieve relatie worden vastgesteld tussen kritieke breukspanning en hoeveelheid diffundeerbaar waterstof in het lasmetaal en de WBZ. In dit onderzoek zijn de implantstaven voorzien van een schroefvormige kerf zodat deze altijd in de WBZ ligt. Eventuele scheurvorming wordt doorgaans in het basismateriaal (schalen of split TEES) aangetroffen. Het lassen van de implanttest is uitgevoerd met parameters representatief voor het lassen onder praktijk condities. Tabel 6 geeft een overzicht van deze parameters.
Plaatmateriaal STE 415.7- TM Plaatdikte 7,3 mm Voorwarmtemperatuur 20ºC Elektrode LAKO* Diameter 3,25 mm Stroomsoort gelijkstroom, elektrode negatief Laspositie PA Lasspanning 22-25 [V] Lasstroom 120-135[A] Voortloopsnelheid 15,4- 20,3 cm/min Warmte-inbreng 9,1- 12,0 kJ/cm ǻt 800ºC -500ºC 3,3- 4,2 [s] Tabel 6 - Overzicht van lasparameters toegepast bij de implanttest. Van het genormaliseerde staal en thermomechanisch behandeld staal zijn proefstaven in lengterichting van de pijpwand uitgenomen. Bovendien zijn van het genormaliseerde staal ook proefstaven vervaardigd in de dikte richting van de pijpwand. (“Z-richting”). Bij het uitvoeren van de implantproeven is het belastingsniveau in stappen van 25 N/mm² verminderd totdat geen breuk meer optrad binnen een tijdspanne van 24 uur. De resultaten zijn weergegeven in figuur 19. Zo is de kritieke breukspanning bepaald als funktie van het waterstofgehalte in de neersmelt. Een hoge kritieke breukspanning betekent een beperkte gevoeligheid voor koudscheuren. In deze experimenten uit 1983 was dat voor het ‘moderne’
TM-staal bij 3 ml HDM circa 525 N/mm². Een beperking in het waterstofgehalte tot 1 à 1,5 ml HDM brengt de kritieke breukspanning van de neersmelt terug tot circa 400 a 425 N/mm². Bij de totstandkoming van de EN 12732 annex D is deze waarde als maximum voorgesteld door Gasunie waarbij nog verantwoord op leidingpijpmateriaal gelast kan worden zonder beperking in druk en gasstroomsnelheid. Bij het genormaliseerde staal in dikterichting was deze kritieke breukspanning slechts 280 N/mm².
Figuur 19 - Implantkoudscheurtest uitgevoerd op pijpleidingmateriaal door TNO in opdracht van Gasunie. Hoeveelheid diffundeerbare waterstof per 100 gr lasmetaal en kritieke breukspanning voor langsrichting: O Genormaliseerd staal met Ceq (IIW) = 0,49 • Thermomechanisch behandeld staal Ceq (IIW) = 0,37 Ɓ Genormaliseerd staal met Ceq (IIW) = 0,49 (Z-richting)
10
HET LASSEN VAN DE LANGSNAAD
Voor het lassen worden standaard lasprocedures toegepast, handlassen met beklede basisch elektroden al dan niet in combinatie met gemechaniseerd lassen. Een schematische weergave van het lasdetail voor een langsnaad in de laspositie PC is gegeven in figuur 20. Er wordt altijd op een onderlegstrip gelast om contact met de gasvoerende leidingpijp te voorkomen. Dit is een eis die ook in de EN 12732 wordt genoemd. Na inspectie met ToFD ultrasone techniek worden de beide rondlassen na elkaar gelast. Het ToFD onderzoek is inmiddels voor Gasunie de standaard inspectietechniek voor onderzoek naar de integriteit van de langslassen van splittees en reparatieschalen. Een voorbeeld hiervan is in figuur 21 gegeven. De lasmethodekwalificatie wordt volgens EN 15614-1 uitgevoerd.
Figuur20 -Lasdetail langsnaad van reparatieschaal/splittee
Figuur 21 - ToFD Inspectie van de langslas geeft een goed beeld van eventueel inwendige defecten en of doorlassing fouten
11
HET LASSEN VAN DE RONDNAAD
Het lassen van de rondlas wordt uitgevoerd in de laspositie PF met een low yield elektrode. Voor de schematische opbouw zie figuur 22. De butterlaag heeft tot doel om een relatief zachte laag lasmetaal te creëren voordat de aanhechting aan het schaaldeel plaats heeft. De voet van de butterlaag wordt ook breder gekozen om een gunstiger spanningsafbouw te realiseren. Constructief is de verjonging aan het einde van de schaal gunstig om de stijfheid, te verminderen. Figuur 23 en 24 illustreren de laagopbouw van een rondlasverbinding. De kwalificatie van de rondlas bestaat uit macro’s en hardheidsmetingen en buigproeven.
Figuur 22 - Typische laagopbouw voor de butterlagen en hoeklas voor splittees en reparatie schalen
Figuur 1023 - Lasdetail van de rondlas van reparatieschaal/splittee
Figuur 1124 - Laagopbouw van elektrode met ARMCO kerndraad
Na het lassen wordt een magnetisch scheuronderzoek uitgevoerd.
12
CONCLUSIES
Gasunie's afdeling Speciale Opdrachten heeft in de voorbije jaren circa 2000 lasverbindingen op gasvoerende pijpleidingen uitgevoerd waarbij de in deze publikatie beschreven techniek de basis vormde. Deze techniek is zeer betrouwbaar gebleken en biedt de onderneming de mogelijkheid om met inacht name van Veiligheid en Milieu met minimale gastransportverliezen betrouwbare verbindingen uit te realiseren.
x
Het lassen op gasvoerende leidingen van ongelegeerd staal onder druk en
x
gasstroom kan veilig worden uitgevoerd
x
betrouwbare verbindingen mits aan de kwaliteitseisen wordt voldaan
Het toepassen van een low yield elektrode met basische bekleding levert
Beperken van het waterstofgehalte in het lasmetaal is de dominante factor in het vermijden van scheuren
13
TOEKOMSTIGE ONTWIKKELINGEN
Gewerkt wordt aan de invoering van gemechaniseerd lassen (FCAW proces) van de rondlassen. Belangrijke aspecten zijn laskwaliteit van rondlas (is een hoeklas) en sterkte van deze las.
REFERENTIES 1. PREDICTIVE MODEL for the prevention of weld metal hydrogen cracking in high strength multipass welds; Pekka Nevasmaa; Department of mechanical engineering, university of Oulu; pg.114
Dankwoord Reparatielassen en alle verwante activiteiten worden uitgevoerd door Gasunie’s afdeling Speciale Opdrachten. De auteurs danken de heren Richard van der Velden (Manager van de groep Speciale Opdrachten van Gasunie Deventer), Wytze Sloterdijk en Jan Spiekhout (beide Executive Senior Consultants bij Kema Gas Consulting en Services te Groningen– voorheen Gasunie Engineering and Technology) voor hun ondersteuning bij het schrijven van deze publicatie.
LAKO en KARDO zijn handelsnamen van LINCOLN-Smitweld
Gegevens auteurs: x
Ing. W.N. Schipaanboord (IWE, IWI, I&K III, EN473 UT L3), KEMA- Groningen (voorheen Gasunie Engineering and Technology), lascoördinator Speciale Opdrachten van Gasunie Deventer. Voormalig lid van CEN normencommissie
TC234/SC1/WG3/TG4 en NEN 3650. Tel. +31(0)5706969111. Email:
[email protected] x
Ing. B.G. Koppens; Plv. manager van de groep Speciale Opdrachten van Gasunie Deventer. Tel. +31(0)5706969111
x
J. Marquering (EWT), uitvoering lascoördinator Speciale Opdrachten van Gasunie Deventer. Tel. +31(0)5706969111
