Faalmechanisme KRUIP INHOUDSOPGAVE

Rob Gommans

LZL ‐ lezing op 29 september 2015

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

MCC Materials & Corrosion Consultants

1


• • • • • •

gespecialiseerd in het gedrag van metalen in hun omgeving (T, medium, %, pH, etc.) en belastingsomstandigheden (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

Rob Gommans

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


2


Rob Gommans

INHOUDSOPGAVE 1. introductie en schades

2. kruip ‐ inleiding 3. kruip ‐ mechanismen 4. kruip ‐ levensduur 5. kruip ‐ voorbeelden 6. SRC = Strain Relaxation Cracking

wat is “KRUIP”? tijd-afhankelijke plastische vervorming onder invloed van belasting (constant of wisselend) onder invloed van hoge temperatuur (T > 0,4 Tm in K) bij σ < Re (T) -

staal : aluminium : lood : ijs : kunststoffen :

> 400 °C > 100 °C > -50 °C > -150 °C > 0 °C

gevolg: vervormingen  scheuren (locaties met hoogste spanning het eerst)


3


Rob Gommans

RestLevensduur problematiek bij 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 langer buis onder inwendige druk  zwelt op


4

Rob Gommans


thin-lip fish-mouth rupture (short-term overheating)

thick-lip creep rupture (long-term creep)

veel toegepaste materialen staalsoort type

voorbeelden

C-staal C-Mn staal

St.35.8, St. 45.8 P265GH, P355GH

16Mo3, 16Mo5, Grade 1 13CrMo4-5, Grade 11/12 10CrMo9-10, Grade 22 laaggelegeerd Cr-Mo-V staal 14MoV6-3, 1CMV hooggelegeerd Cr-Mo staal X11CrMo5; Grade 5 X11CrMo9-1; Grade 9 martensitisch Cr-Mo staal X20CrMoV11-1, Grade91

grenstemperatuur [°C] voor kruip voor kruip-vermoeiing

400

350

475

425

575

525

laaggelegeerd Cr-Mo staal

austenitisch RVS Alloy 800 H/HT

TP 304, TP316 TP321, TP347 TP310 X10NiCrAlTi32.20


5

Rob Gommans


secondary

primary Yield strain

tertiary

  t Elastic deformation

Time

Few voids

Orientation

Micro-cracks

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)


6

Rob Gommans


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

...... ....

........... . . ........... ... ....... . ..... .. .......... .. ... ............ Klasse 0

.... ....... . ........... .. ........ ................................. .... ............. ... .. .. .. ... . . . . . .. ...... ....... ..... ... . ... .... . ........ ........ . ...... . .... ........... .. .... ....... ...... ...................................... ............. ...... . ... .... .... .. ............. . ..... .............................................................................. Klasse 3

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

. .. . . .. . . . .. . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .... . . .. . .. . .. . . . . . . . . .. . . ..... .. . . . . . . . . . STAGE 2

Klasse 1

Klasse 2

1m m

Klasse 4

1m m

Klasse 5

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


7

Rob Gommans


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

werkproces beheersing faalmechanismen

berekening spanningen en verbruiksfractie (u)

“kruip en LCF”

selectie kritische componenten

RToD T0102 PRD 2.3 bijlage 7

opstellen eerste / vervolg aanvullend onderzoek uitvoering onderzoek

ontoelaatbare kruipschade : uitbreiding onderzoek, reparatie of vervanging

evaluatie resultaten

INHOUDSOPGAVE 1. introductie en schades 2. kruip ‐ inleiding

3. kruip ‐ mechanismen 4. kruip ‐ levensduur 5. kruip ‐ voorbeelden 6. SRC = Strain Relaxation Cracking


8

Rob Gommans


KRUIP = tijd-afhankelijke plastische vervorming onder invloed van belasting, temperatuur en tijd 400

350

warmsterkte P355GH

sterkte [MPa]

300

250

200

150

Re

100

[MPa]

R1%100k [MPa] Rmg200k [MPa]

50

0 0

100

200

300

400

500

temperatuur [°C]

Kruipproef


9


Rob Gommans

KRUIPCURVE infuence of temperature or stress

primaire kruip Afnemende kruipsnelheid door versteviging door vorming van meer dislocaties


10


Rob Gommans

secundaire kruip Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocaties gevormd worden als dat opgeheven worden

SECONDAIRE KRUIP


11


Rob Gommans

tertiaire kruip

vermindering van dragend oppervlak door vorming van holten en scheuren

INHOUDSOPGAVE 1. introductie en schades 2. kruip ‐ inleiding 3. kruip ‐ mechanismen

4. kruip ‐ levensduur 5. kruip ‐ voorbeelden 6. SRC = Strain Relaxation Cracking


12

Rob Gommans


kruipproef

13 CrMo 4-5 bij T = 500°C


13


Rob Gommans

parametrische benadering Larson - Miller PLM = T * (C + log tR) C = 15-25 / T in K / tR in hours

Manson - Haferd log tR - C PMH = ---------------( T – To) n T in K / tR in hours / n ~ 1 / C = 10-15 / To ~ bedrijfstemperatuur


14

Rob Gommans


extrapolatie onbetrouwbaar ?

P91 @ 600°C 105h avg rupture USA : 100 MPa 1995 : 94 MPa 2009 : 90 MPa

modified 9Cr-steel (P91) element

content

C N V Nb

0.08 – 0.12 0.03 – 0.07 0.18 – 0.25 0.06 – 0.10

influence formation of carbides and carbo-nitrides formation of carbo-nitrides VC (VNb)C (VNb)(CN) NbC (NbV)C (NbV)(CN) oxidation resistance; Cr23C6 formation

Cr

8.0 – 9.5

Mo

0.85 – 1.05

Ni

< 0.40

Mn

0.3 – 0.6

residual

Si

0.2 – 0.4

residual

Al

< 0.040

desoxidation

P

< 0.020

impurity

S

< 0.010

impurity


solid solution hardening; stabilisation of Cr23C6 ; formation of Mo2C and Laves limitation of delta-ferrite formation

15

Rob Gommans


influence of creep strength on wall thickness

calculation of used-life fraction material information

dimensions

(minimum) design curves or parametric formulae

load

operating history P(t) and T(t)

stress component formulae hoop stress formula bend : torus factor T-piece : z - factor


operating time

rupture time

used - life fraction

u

=

Σij tij / tRij

16

Rob Gommans


sensitivity of used-life fraction ( for ferritic steels in HP-steam systems )

- temperature :

- u doubles every 15-20 °C

- pressure :

- u + 2% for every bar

- wall thickness

- (variable)

- hours

- linear

INHOUDSOPGAVE 1. introductie en schades 2. kruip ‐ inleiding 3. kruip ‐ mechanismen 4. kruip ‐ levensduur

5. kruip ‐ voorbeelden 6. SRC = Strain Relaxation Cracking


17

Rob Gommans



dimensions

(minimum) design curves or parametric formulae

load

operating history P(t) and T(t)

stress component formulae hoop stress formula bend : torus factor T-piece : z - factor

operating time

rupture time


u

=

Σij tij / tRij

kruip - cases - korte-duur oververhitting - lange-duur oververhitting


18

Rob Gommans


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

bedrijfsgegevens 600

534°C ?

rookgas

500

temperatuur [°C]

400

KVW

300

200

druk

100

flow

0 16:48

18:00

19:12

20:24

21:36

22:48

0:00


1:12

2:24

3:36

4:48

19

Rob Gommans



pijp ø114,3 x 8,8 mm

parametric ISO TR-7468

P= 126 bar (max)

minimum : σ = 1,25

operating history P(t), T(t)  figuur

stress

tijd = 8 uur

rupture time

component formulae hoop stress formula


σ = P · (OD-d) / 2d

u

Σij tij / tRij

=

RESULTAAT : oververhitting niet relevant component =

materiaal P1 = 15Mo3 P11 = 13CrMo44 P22 = 10CrMo910

LEIDING

onderdeel

in-bedrijfname uren per jaar bereken-datum 1 bereken-datum 2

1982 0 0 0

T materiaal [oC]

bedrijfsuren 0 0

Du [mm]

d [mm]

d-min [mm]

P [bar]

S [Mpa]

S*1,25 [Mpa]

tR-min bedrijftijd [uren] [uren]

P=constant slangen uitlaatkast leiding WV-424

101,6 101,6 114,3

7,0 7,0 8,8

7,0 7,0 8,8

126 126 126

85,1 85,1 75,5

106,4 106,4 94,4

570 570 570

P1 P1 P1

337 337 522

8 8 8

0,0237 0,0237 0,0153

< 3%

P = uurgemiddelde slangen slangen slangen slangen slangen slangen slangen slangen

101,6 101,6 101,6 101,6 101,6 101,6 101,6 101,6

7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0

7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0

73,2 76,7 86,9 101,2 108,0 108,5 98,2 118,4

49,5 51,8 58,7 68,4 73,0 73,3 66,4 80,0

61,8 64,8 73,4 85,5 91,2 91,6 82,9 100,0

570 570 570 570 570 570 570 570

P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1

1.467 1.233 778 445 351 345 497 249

1 1 1 1 1 1 1 1

0,0007 0,0008 0,0013 0,0022 0,0028 0,0029 0,0020 0,0040

19-20u 20-21u 21-22u 22-23u 23-24u 24-01u 01-02u 02-03u

u-totaal

8

0,0168

Σ

u-max [-]

uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode

alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen ?


20

Rob Gommans


case : lange-duur oververhitting

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

calculation of used-life fraction pijp

material information

ø114,3 x 10 mm

parametric ISO TR-7468

ø273,1 x 14 mm

operating history

minimum : σ = 1,25

P= 126 bar (max)

P(-), T(+20°C)

stress component formulae hoop stress formula σ = P · (OD-d) / 2d


tijd = 12 jaar

rupture time


u

=

Σij tij / tRij

21

Rob Gommans


lange-duur oververhitting component =

onderdeel of DN


LEIDING

Du [mm]

d [mm]

d-min [mm]

P [bar]

S [MPa]

in-bedrijfname uren per jaar bereken-datum 1 bereken-datum 2 S*1,25 [MPa]

1980 8500 1995 2007

T materiaal [oC]

tR-min [uren]

bedrijfsuren 127,500 229,500 u-max 1995

u-max 2007

[-]

[-]

0.3320 0.1610

0.5977 0.2898

OVO-1 slangen uitlaatkast

114.3 273.1

10.0 28.0

9.0 24.5

126 126

component =

onderdeel of DN

73.7 63.9

92.1 79.9

d [mm]

P22 P22


LEIDING

Du [mm]

515 515

d-min [mm]

P [bar]

S [MPa]

384,000 792,000

in-bedrijfname uren per jaar bereken-datum 1 bereken-datum 2 S*1,25 [MPa]

T materiaal [oC]

1995 8500 2007 2007 tR-min [uren]

u-max 2007

Σu 2007

[-]

OVO-1 + 20°C slangen uitlaatkast

114.3 273.1

10.0 28.0

10.0 28.0

126 126

65.7 55.1

82.1 68.9

535 535

P22 P22

110,000 241,000

0.9273 0.4232

1.2593 0.5842

lange-duur oververhitting : vaak :

op termijn

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

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


22


Rob Gommans

INHOUDSOPGAVE 1. introductie en schades 2. kruip - inleiding 3. kruip - mechanismen 4. kruip - levensduur 5. kruip - voorbeelden

6. SRC = Strain Relaxation Cracking

SIC = Strain-Induced Cracking andere termen RC SRC SIC SAC SOC SAGBO RHC SRC PWHT C WPhC

Relaxation Cracking Strain Relaxation Cracking Stress Induced Cracking Strain Age Cracking Stress Oxidation Cracking Stress Assisted Grain Boundary Cracking Re-Heat Cracking Stress Relief Cracking Post Weld Heat Treatment Cracking White Phase Cracking


23

Rob Gommans


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

ALLOY 800HT 600°C - 6.000u


24

Rob Gommans


RVS 347H

(600°C / 4.200 uur)

Alloy 800H 600°C / 150 uur 3-punts buigrelaxatie-proef

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


25

Rob Gommans


SIC-senstitive micro-structure

TEM thin foil 

SIC-senstitive micro-structure normal austenite structure

sensitive austenite structure

‘soft’ grains

no precipitates


‘hard’ grains

many small precipitates Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)

26

Rob Gommans


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 sensitive structure

875/980°C - 3u

‘normal’ structure

LARGE .

‘hard’ grains

many small precipitates Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)


‘soft’ grains

large grain-boundary precipitates

27

Rob Gommans


invloed anti-SIC gloeien

as welded

Alloy 617 650°C / 150 uur 3-punts buigrelaxatie-proef

PWHT 980°C / 3 hrs

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

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)


28

Rob Gommans


SIC - gevoeligheidsgebieden + aanbevolen gloeiingen materiaal

SIC-gebied [°C]

RVS 304(H)

550 - 625

RVS 316(H)

500 - 625

RVS 321(H)

525 - 625

RVS 347 (H)

550 - 650

Alloy 800H/HT

575 - 725

Alloy 617

575 - 775

Alloy 625

625 - 675

stabiel-gloeiing basismetaal

PWHT van gelaste verbinding

875°C - 3 uur

875°C - 3 uur

875°C - 3 uur (*) 980°C - 3 uur 980°C - 3 uur

(*) 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


29

Faalmechanisme KRUIP INHOUDSOPGAVE

Recommend Documents