C9293
BOUWDIENST
RIJKSWATERSTAAT.
Hoofdafdeling: Natte Inf rastructuur.. Afdeling
: Werktuigbouw NWSX
postbus 285 2270 AG Voorburg tet 070-3737000
Renovatie
Sluizencomplex in het Noordzeekanaal te IJmuiden.
Code: RN-NS-C
Werkgroep
Noordersliis (RN-NS).
Datum: 18 mei 1992
Kuwedeomschr.
Renovatie Noord ersliis. Revisiewerkzaamheden in de deurkas (bimenhoofd NS)
van: RD. Boersma
Onderwerp:
Toestet 375 BIBLIOTHEEK
Bouwdiensl Rijkswaterstaat Postbus 20.000 3502 LA Utrecht
Titel:
Een alternatief voor de houten slijtlaag van de onderwater geleiding van het binnenhoofd van de Noordersluis te IJmuiden. (Toepassing van een super duplex materiaal)
Samenvatting:
A a n t a s t i n g van s t a a l c o n s t r u c t i e s . Ten a a n z i e n v a n h e t g e b r u i k v a n r o e s t v a s t s t a a l s o o r t e n i n c o n s t r u c t i e s i n z o u t - / z o e t w a t e r m i l i e u s h e e r s t een z e e r t e r u g h o u dende m e n i n g . D i t i s z e k e r n i e t g e h e e l t e n o n r e c h t e daar i n h e t v e r l e d e n s l e c h t e e r v a r i n g e n z i j n o p g e d a a n met g e b r u i k v a n r o e s t v a s t s t a a l s o o r t e n o n d e r w a t e r . M e t name d e c o r r o s i e g e v o e l i g h e i d s p e e l t h i e r b i j een b e l a n g r i j k e r o l . D a a r o m i s h e t v e r s t a n d i g om b i j h e t o n t w e r p e n v a n s t a a l c o n agressieve structies, wanneer deze c o n s t r u c t i e s z i c h i n een omgeving b e v i n d e n , voldoende v o o r z o r g s m a a t r e g e l e n i n acht te nemen. Probleemstelling. I n h e t k a d e r v a n de r e n o v a t i e w e r k z a a m h e d e n aan de N o o r d e r s l u i s t e I J m u i d e n d i e n t o n d e r a n d e r e de d e m e r a r a g r o e n h a r t o n d e r w a t e r g e l e i d i n g gerenoveerd te worden. Hiervoor z i j n v e r s c h i l l e n d e methoden b e d a c h t . Een b e l a n g r i j k e randvoorwaarde h i e r b i j i s r e n o v a t i e w e r k z a a m h e d e n b i n n e n een stremming voerd worden. Er dient eveneens gedacht b e h e e r s b a a r h e i d v a n de o n d e r w a t e r u i t t e werkzaamheden. H i e r b i j w o r d t g e d a c h t aan h e t d r o o g w e r k r u i m t e , ook w e l h a b i t a t genoemd.
d a t de v o l l e d i g e van zes uur u i t g e t e worden aan de voeren renovatiewerken v a n u i t een
B i j een v a n de methoden wordt gedacht aan h e t u i t f r e z e n van een d e e l v a n de b e s t a a n d e g r o e n h a r t g e l e i d i n g s b a l k e n . H i e r n a k a n e e n n i e u w e ' p l a n k / b a l k ' op d e h u i d i g e b a l k b e v e s t i g d w o r den. De h a a l b a a r h e i d i s s t e r k a f h a n k e l i j k v a n d e b e w e r k m g s t i j d v a n h e t t e v e r w i j d e r e n b a l k d e e l . De b e d o e l i n g i s d a t d e h a a l b a a r h e i d v e r d e r aan de hand v a n een p r o e f o p s t e l l i n g w o r d t onderzocht. Een a l t e r n a t i e f . E e n i d e e d a t t i j d e n s d e b r a i n s t o r m i n g w e r d genoemd i s d i r e c t v e r w o r p e n . D a t i d e e was d e h o u t e n b a l k e n t e v o o r z i e n v a n e e n r o e s t v a s t s t a l e n g l i j l a a g . V o o r a l de n e g a t i e v e e r v a r i n g e n i n I J m u i d e n e n e l d e r s met r o e s t v a s t s t a a l i n c o n s t r u c t i e s h e b b e n tot verwerping hiervan bijgedragen. G e z i e n de r a n d v o o r w a a r d e n d i e v o o r de o n d e r w a t e r g e l e i d i n g s c o n s t r u c t i e a l s z o d a n i g g e l d e n , i s d e z e c o n c l u s i e aan de v o o r b a r i g e k a n t g e w e e s t . Wanneer g e k e k e n w o r d t n a a r de c o n s t r u c t i e t e r p l a a t s e en de b i j b e h o r e n d e r a n d v o o r w a a r d e n i n c o m b i n a t i e met e e n j u i s t e m a t e r i a a l k e u z e k a n e e n d e r g e l i j k e t o e p a s s i n g i n d i t g e v a l w e l d e g e l i j k overwogen worden. 1
E e n a l t e r n a t i e f v o o r de f r e e s o p l o s s i n g i s h e t a a n b r e n g e n v a n d r i e meter lange r o e s t v a s t s t a l e n elementen van super duplex s t a a l op h e t d e m e r a r a g r o e n h a r t . Deze methode h e e f t a l s v o o r d e e l d a t de o n d e r w a t e r b e w e r k i n g e n t o t een minimum g e r e d u c e e r d worden d o o r h e t g e b r u i k v a n g e p r e f a b r i c e e r d e e l e m e n t e n . De e l e m e n t e n w o r d e n op h e t d e m e r a r a g r o e n h a r t v a s t g e z e t met b e v e s t i g i n g s e l e m e n t e n v a n h e t z e l f d e materiaal. Corrosie bestendigheid. De t o e p a s s i n g v a n e e n s u p e r d u p l e x m e t a a l z o a l s b i j v o o r b e e l d SAF 2507 v a n S a n d v i k i s w a n n e e r d e z e g a l v a n i s c h g e s c h e i d e n v a n de a n d e r i n de b u u r t a a n w e z i g e m e t a l e n w o r d t g e b r u i k t een m o g e l i j k h e i d . De g a l v a n i s c h e s c h e i d i n g w o r d t b e r e i k t d o o r d e e l e m e n t e n op h e t d e m e r a r a g r o e n h a r t t e b e v e s t i g e n . H i e r b i j mogen d e b e s t a a n d e a n k e r s d e e l e m e n t e n n i e t r a k e n , d e z e k u n n e n i m m e r s i n c o n t a c t s t a a n met d e b e t o n w a p e n i n g . E r z i j n v e r d e r g e e n d i r e c t e c o n t a c t e n met o m g e v i n g s m a t e r i a l e n . De d e u r i s v o o r z i e n v a n e e n c o a t i n g e n k a t h o d i s c h e b e s c h e r m i n g e n l o o p t l a n g s de o n d e r w a t e r g e l e i d i n g v i a h a k o r i e t b l o k k e n . L a s b e w e r k i n g e n , m i t s deze v a k k u n d i g en v o l g e n s de j u i s t e s p e c i f i c a t i e s u i t g e v o e r d worden, hebben geen n a d e l i g e g e v o l g e n v o o r de c o r r o s i e b e s t e n d i g h e i d . SAF 2507 i s s p e c i a a l o n t w i k k e l d om e e n v e e l g r o t e r e w e e r s t a n d t e kunnen b i e d e n t e g e n s p l e e t - s p a n n i n g s - en p u t c o r r o s i e dan d e m e e s t a l g e m e n e s o o r t e n RVS z o a l s A I S I 3 1 6 . De t o e p a s s i n g s g e b i e d e n z i j n dan ook t e v i n d e n i n de O f f s h o r e c o n s t r u c t i e s , z e e w a t e r k o e l i n s t a l l a t i e s en de p e t r o c h e m i s c h e i n d u s t r i e . R e n o v a t i e h a n d e l i n g e n en s t r e m m i n g s d u u r . Na h e t s l u i t e n v a n d e r o l d e u r e n h e t b e v e s t i g e n v a n d e s t r e m m i n g i s de o p e r a t i o n e l e f a s e v a n de r e n o v a t i e i n g e g a a n . H e t n i e u w e g e l e i d i n g s e l e m e n t v a n 5 m l e n g t e ( « 280 k g ) w o r d t vooraf i n p o s i t i e gebracht. De r e e d s o n d e r d r u k g e b r a c h t e h a b i t a t w o r d t n u o v e r h e t e l e ment g e p l a a t s t . Nu k a n d e m o n t a g e b e g i n n e n . E e r s t k a n d e e l a s t i s c h e k i t o p g e b r a c h t w o r d e n . Na h e t s t e l l e n v a n h e t e l e m e n t w o r d e n g a t e n i n h e t d e m e r a r a g r o e n h a r t g e b o o r d v o o r de b e v e s t i g i n g . Na h e t a a n d r a a i e n v a n h e t b e v e s t i g i n g s m a t e r i a a l w o r d t de m a a t v o e r i n g nogmaals g e c o n t r o l e e r d . De s t r e m m i n g s d u u r v a n d e r e n o v a t i e w e r k z a a m h e d e n i s aanmerk e l i j k m i n d e r d a n w a n n e e r e r g e f r e e s d moet w o r d e n . V e r w a c h t w o r d t d a t 3 m p e r s t r e m m i n g b i j de f r e e s m e t h o d e h a a l b a a r z o u z i j n . I n d i t g e v a l l i j k t e e n r e n o v a t i e v a n 10 m p e r s t r e m m i n g zeker haalbaar.
2
Conclusies. W a n n e e r we u i t g a a n v a n d e v o l g e n d e r a n d v o o r w a a r d e n v o o r d e geleidings constructie: -galvanische s c h e i d i n g van overige metalen. - k a t h o d i s c h e b e s c h e r m i n g en c o a t i n g v a n de i n de n a b i j h e i d zijnde metalen. En a a n d a c h t w o r d t b e s t e e d a a n de c o r r o s i e v a s t h e i d v a n h e t g e l e i d i n g s m a t e r i a a l , z i j n een a a n t a l v o o r z o r g s m a a t r e g e l s van b e l a n g voor een verantwoorde t o e p a s s i n g : -Een -Een -Een -Een
j u i s t e m a t e r i a a l k e u z e en een b e h e e r s t l a s p r o c e s . g o e d e i s o l e r e n d e c o a t i n g op de n i e t g e l e i d e n d e v l a k k e n . kathodische bescherming. g e i s o l e e r d e b e v e s t i g i n g op h e t h a r d h o u t .
Het a a n b r e n g e n v a n de n i e u w e g e l e i d i n g s e l e m e n t e n a a n t a l andere v o o r d e l e n t e hebben:
lijkt
nog een
- R e l a t i e f weinig bewerkingen. - G o e d e montage b e h e e r s b a a r h e i d v a n de m a t e r i a l e n en de g e r e e d schappen. E r h o e f t geen s p e c i f i e k f r e e s g e r e e d s c h a p / p r o e f o p s t e l l i n g o n t w i k k e l d te worden. - g e e n s t o f p r o b l e e m i n de h a b i t a t b i j d e z e b e w e r k i n g e n . - v e e l g e r i n g e r e s t r e m m i n g s b e l a s t i n g d o o r de g r o t e r e r e n o v a t i e l e n g t e p e r s t r e m m i n g ( « 10 m t . o . v . 3 m p e r s t r e m m i n g ) . Met d e z e v o o r d e l e n z a l ook h e t k o s t e n p l a a t j e e r g u n s t i g e r u i t z i e n . V o o r l o p i g kan er wat b e t r e f t de m a t e r i a a l k o s t e n a l een v o o r z i c h t i g e s c h a t t i n g gedaan worden. E r wor dt u i t g e g a a n van h e t super d u p l e x m a t e r i a a l van « f l 2 5 , - p e r k i l o . Voor t w e e z i j d e n ( r u i m 100 s t r e k k e n d e m e t e r ) komen d e t o t a l e m a t e r i a a l k o s t e n op h o n d e r d v i j f t i g d u i z e n d g u l d e n . Resumerend: Een weloverwogen t o e p a s s i n g van g e l e i d i n g s d e l e n van een s u p e r d u p l e x m a t e r i a a l l i j k t h a a l b a a r . De t o e p a s s i n g h i e r v a n i n h e t b i n n e n h o o f d v a n de N o o r d e r s l u i s t e I J m u i d e n z o u nogmaals overwogen moeten worden.
3
Inhoudsopgave:
Samenvatting:
1
Inhoudsopgave:
4
Inleiding:
5
1.
2.
3.
E e n a l t e r n a t i e f v o o r de r e n o v a t i e v a n onderwatergeleiding 1.1 I n l e i d i n g 1.2 R a n d v o o r w a a r d e n 1.3 C o r r o s i e b e s c h o u w i n g
de 6 6 6 6
Eigenschappen van het c o n s t r u c t i e m a t e r i a a l 2.1 I n l e i d i n g 2.2 Eigenschappen 2.3 E r v a r i n g e n r e f e r e n t i e s : E e n c o n c e p t u i t v o e r i n g v a n de 3.1 Geschatte stremmingsdruk 3 . 2 M a t e r i a a l k o s t e n v a n de 3 . 3 V o o r d e l e n v a n de n i e u w e
constructie v o o r de m o n t a g e . constructie constructie
9 9
. . .
11 11 13 14
4 . V a r i a n t e n op h e t SAF 2507 4.1 I n l e i d i n g 4.2 Een a a n t a l m o g e l i j k e v a r i a n t e n
15
5.
16
C o n c l u s i e s en a a n b e v e l i n g e n
Literatuurlij st Bijlagen
4
1
5
15
Inleiding: A l s a l t e r n a t i e f v o o r h e t r e n o v e r e n v a n de h o u t e n o n d e r w a t e r g e l e i d i n g i n h e t b i n n e n h o o f d v a n de N o o r d e r s l u i s t e I J m u i d e n i s t i j d e n s d e b r a i n s t o r m m e e t i n g v a n 12 m a a r t j . l . gesproken over l o o p v l a k m a t e r i a a l van r o e s t v a s t s t a a l . D i t i d e e i s e c h t e r s n e l v a n t a f e l v e r d w e n e n i n v e r b a n d met de s l e c h t e e r v a r i n g e n i n h e t v e r l e d e n met r o e s t v a s t s t a a l e n o o k aluminium-brons l e g e r i n g e n . Het m a t e r i a a l b l e e k i n o p l o s s i n g t e g a a n ' z e l f s t e v e r d w i j n e n en l a s t t e h e b b e n v a n v e r s c h i l l e n d e s o o r t e n c o r r o s i e . H i e r b i j w o r d t met name g e w e z e n op s p a n n i n g s c o r r o s i e , p u t - en s p l e e t c o r r o s i e . 1
G e z i e n de r a n d v o o r w a a r d e n d i e nu e e n r o l s p e l e n b e n i k v a n mening d a t h e t overwegen v a n een nieuw o n t w i k k e l d e s u p e r d u p l e x r o e s t v a s t s t a a l w e l d e g e l i j k o v e r w o g e n k a n w o r d e n om d e z e a l s l o o p v l a k van een g e l e i d i n g s c o n s t r u c t i e t o e t e passen.
5
Alternatieve onderwatergeleidling van SAF 2507
5000
DOORSNEDE A-A cu A VULLING
IO - LO plaatdkte 10-201
HOUT
uitsparing voor de ankers.
1.
1.1
Een a l t e r n a t i e f ding.
v o o r de r e n o v a t i e
v a n de
onderwatergelei
Inleiding.
B i j de r e a l i s e r i n g v a n e e n n i e u w g e l e i d i n g s v l a k w o r d t g e d a c h t aan p l a a t m a t e r i a a l d a t b e v e s t i g d wordt t e g e n h e t h u i d i g e h o u t e n l o o p v l a k o v e r de v o l l e d i g e l e n g t e . 1
1
D o o r h e t g e w i j z i g d e d r a a g b e e l d v a n de g l i j s l o f f e n v a n de d e u r t e g e n d e h o u t e n g e l e i d i n g z a l d e h o o g t e v a n de o p z e t p l a t e n h o g e r l i g g e n d a n de h u i d i g e h o u t e n g e l e i d i n g . T e v e n s z a l d e z e p l a a t v o o r z i e n z i j n v a n e e n o p g e l a s t e r u g waarmee h e t g e h e e l b e v e s t i g d k a n w o r d e n op de b o v e n z i j d e v a n de h o u t e n geleiding. (zie tekening 1.). De d w a r s d o o r s n e d e z a l e r u i t z i e n a l s e e n T - p r o f i e l . De t o t a l e g e l e i d i n g s c o n s t r u c t i e z a l o p g e b o u w d z i j n u i t d e l e n v a n 3 m o f 5 m l e n g t e . H i e r w o r d t v e r d e r op i n g e g a a n i n h o o f d s t u k 4 ; een c o n c e p t u i t v o e r i n g v a n de c o n s t r u c t i e .
1.2
Randvoorwaarden.
De v o l g e n d e r a n d v o o r w a a r d e n s p e l e n e e n b e l a n g r i j k e r o l t e n a a n z i e n v a n d e m a t e r i a a l k e u z e v o o r de o n d e r w a t e r g e l e i d i n g i n h e t b i n n e n h o o f d v a n de N o o r d e r s l u i s t e I J m u i d e n . Omgevingscondities. - z o e t / b r a k / z o u t w a t e r , d a t k a n f u n g e r e n a l s w a t e r met een bepaalde z o u t o p l o s s i n g t . a . v . e l e k t r o l y s e r e a c t i e s - t e m p e r a t u r e n v a r i e r e n max. t u s s e n 0 e n 20 g r a d e n c e l s i u s . - e v e n t u e e l a g r e s s i e v e o p l o s s i n g e n i n h e t w a t e r t . g . v . de a a n w e z i g h e i d v a n de h o o g o v e n s . (Mogelijke) raakvlakcondities. -De a a n w e z i g h e i d van andere g e l e i d e n d e elementen: R o l d e u r , s t a a l , g e i s o l e e r d door c o a t i n g en v o o r z i e n van kathodische bescherming. Onderrolwagens, s t a a l , v o o r z i e n van k a t h o d i s c h e bescherming. R a i l c o n s t r u c t i e , s t a a l , v o o r z i e n van kathodische bescherming.
1.3
Corrosie
beschouwing
E r i s v o o r a l t e n a a n z i e n van een d r i e t a l m o g e l i j k e o p t r e d e n d e c o r r o s i e v o r m e n i n het ontwerp aandacht b e s t e e d t : -Galvanische- of
bimetaalcorrosiegevoeligheid:
B i j de k o p p e l i n g v a n t w e e m e t a l e n met v e r s c h i l l e n d e p o t e n t i a l e n i n een g e l e i d e n d e e l e k t r o l y t o p l o s s i n g kan g a l v a n i s c h e c o r r o s i e o n t s t a a n . Het anodische metaal wordt v e r s n e l d aange6
tast t.o.v.
het
kathodische
metaal.
Bescherming tegen galvanische c o r r o s i e : 1. De m o g e l i j k h e i d b e s t a a t om de c o n s t r u c t i e v o l l e d i g g a l v a n i s c h g e s c h e i d e n t . o . v . de o v e r i g e m e t a l e n u i t t e v o e r e n . H i e r b i j w o r d t e r v a n u i t g e g a a n d a t de c o n s t r u c t i e b e v e s t i g d w o r d t op h e t b e s t a a n d e h o u t d a t i n e e n u i t s t e k e n d e c o n d i t i e v e r k e e r t . Met een a f s t a n d v a n g e l e i d i n g t o t d e u r v a n o n g e v e e r 25 cm i s v o l g e n s S a n d v i k , b i j l a g e 5 ( f a x Sandvik), het r i s i c o voor galvanische c o r r o s i e zeer laag ( z e l f s a l s de d e u r n i e t v o l l e d i g v a n e e n c o a t i n g z o u z i j n voorzien). 2 . T e v e n s w o r d e n de o p p e r v l a k k e n v o o r z i e n v a n e e n c o a t i n g op h e t l o o p v l a k n a . E r w o r d e n g e e n p r o b l e m e n v e r w a c h t t e n a a n z i e n van s p a n n i n g s c o r r o s i e . 3 . De d e l e n z i j n w a n n e e r d e z e t o c h n o g e e n s met e l k a a r i n c o n t a c t z o u d e n komen k a t h o d i s c h b e s c h e r m d . De d e u r i s immers v o o r z i e n v a n a n o d e s . -Spleetcorrosie
gevoeligheid:
De a a n w e z i g h e i d v a n c h l o r i d e i o n e n i s e e n v o o r w a a r d e v o o r h e t optreden van s p l e e t c o r r o s i e ( ' c r e v i c e c o r r o s i o n ' ) . Het z o u t / z o e t w a t e r m i l i e u i n de N o o r d e r s l u i s b i e d t z o ' n m i l i e u . E e n a n d e r e v o o r w a a r d e i s de a a n w e z i g h e i d v a n s p l e t e n i n h e t m a t e r i a a l . D e z e s p l e e t moet w i j d g e n o e g z i j n om v o c h t t o e t e l a t e n e n v o l d o e n d e nauw om v o o r e e n s t i l s t a a n d m i l i e u t e z o r g e n [ 1 ] . E r w o r d t t h a n s nog s t e e d s onderzoek gedaan n a a r h e t g e d r a g v a n s p l e e t c o r r o s i e . De g e v o e l i g h e i d v a n e e n m e t a a l v o o r deze c o r r o s i e v o r m i s ondermeer a f h a n k e l i j k van: - t e m p e r a t u u r v a n h e t medium. - p H - w a a r d e v a n h e t medium, -legeringssamenstelling. -microstructuur. - v e r h o u d i n g t u s s e n o p p e r v l a k b u i t e n de s p l e e t e n s p l e e t oppervlak. -kathodische bescherming. - s t r o o m s n e l h e i d v a n h e t medium. Deze voorwaarden kunnen onder andere o n t s t a a n door l a s s e n aan h e t m o e d e r m a t e r i a a l . Door een b e p a a l d e l e g e r i n g s s a m e n s t e l l i n g t o e t e p a s s e n k a n de s p l e e t - e n p u t c o r r o s i e g e v o e l i g h e i d w o r d e n b e i n v l o e d [ 2 ] . Zo b e i n v l o e d e n c h r o o m , m o l y b d e e n en n i k k e l de w e e r s t a n d t e g e n s p l e e t c o r rosie i n ieder geval i n positieve z i n . Bescherming tegen
spleetcorrosie:
De b e s c h e r m i n g t e g e n s p l e e t c o r r o s i e op e e n a a n t a l m a n i e r e n p l a a t s . 7
v a n de c o n s t r u c t i e
vindt
op e e n a a n t a l m a n i e r e n p l a a t s . 1. De m a t e r i a a l k e u z e . H e t SAF 2507 b e z i t e e n s u b l i e m e s p l e e t c o r r o s i e b e s t e n d i g h e i d t . o . v . h e t bekende A I S I 316. 2 . De c o a t i n g , d e z e v o o r k o m t h e t m o g e l i j k o n t s t a a n v a n s p l e e t c o r r o s i e op de p l a a t s e n w a a r g e l a s t i s . 3 . E e n k a t h o d i s c h e b e s c h e r m i n g g e e f t e x t r a z e k e r h e i d . De i s o l e r e n d e c o a t i n g op d e n i e t g e l e i d e n d e v l a k k e n v e r k l e i n d de v e r h o u d i n g a n o d e / k a t h o d e . -Putcorrosiegevoeligheid: P u t c o r r o s i e ( ' p i t t i n g ' ) i s een vorm v a n l o k a l e c o r r o s i e w a a r d o o r g a t e n i n h e t m a t e r i a a l k u n n e n o n t s t a a n . D i t i s een v a n de c o r r o s i e m e c h a n i s m e n w a a r b i j men b i j d e k e u z e v a n e e n r o e s t v a s t s t a a l r e k e n i n g moet h o u d e n . H e t b e v o r d e r e n d c h l o r i d e houdend m i l i e u i s i n z e e - en b r a k w a t e r a a n w e z i g . Bescherming tegen p u t c o r r o s i e : De b e s c h e r m i n g v a n de c o n s t r u c t i e t e g e n p u t c o r r o s i e w o r d t op d e v o l g e n d e m a n i e r e n g e r e a l i s e e r d : 1. De m a t e r i a a l k e u z e . H e t SAF 2507 b e z i t e e n s u b l i e m e p u t c o r r o s i e b e s t e n d i g h e i d t . o . v . h e t bekende A I S I 316. 2 . Op h e t l o o p v l a k n a w o r d e n de o p p e r v l a k k e n v o o r z i e n van een c o a t i n g . 3 . H e t l o o p v l a k z e l f w o r d t g e r e i n i g d d o o r de l a n g s l o o p b e w e g i n g v a n de h a k o r i e t p l a a t op d e r o l d e u r .
8
2.
Eigenschappen van het
constructiemateriaal.
2.1 I n l e i d i n g B i j d e t o e p a s s i n g v a n m e t a l e n i n c o r r o s i e v e m i l i e u s m . b . t . de genoemde r a n d v o o r w a a r d e n k a n w o r d e n g e d a c h t a a n e e n d u p l e x roestvaststaal.
2.2
Eigenschappen
Een super d u p l e x r o e s t v a s t s t a a l b e z i t n a a s t v e r b e t e r d e s t e r k t e e i g e n s c h a p p e n ( e e n t w e e m a a l z o hoge s c h u i f s t e r k t e a l s g e b r u i k e l i j k e s o o r t e n ) eveneens goede f y s i s c h e en c o r r o s i e b e s t e n d i g e e i g e n s c h a p p e n , z i e ook b i j l a g e 1 t / m 3 S a n d v i k . De d u p l e x m e t a l e n b e z i t t e n i n t e g e n s t e l l i n g t o t de v e e l t o e g e p a s t e A I S I 3 04 e n 316 s o o r t e n e e n v e e l h o g e r c h r o o m g e h a l t e e n e e n v e e l l a g e r n i k k e l g e h a l t e , wat r e s u l t e e r t i n e e n t w e e - f a s e • d u p l e x ' m i c r o s t r u c t u u r van f e r r i e t en a u s t e n i e t . E e n d u p l e x m a t e r i a a l d a t s p e c i a a l v o o r z e e r c o r r o s i e v e omgev i n g s c o n d i t i e s i s o n t w i k k e l d i s S a n d v i k SAF 2507 (UNS S32750) z i e ook b i j l a g e 2 . V o o r een v e r g e l i j k i n g van h e t b e k e n d e A I S I 316 t . o . v . h e t r e c e n t o n t w i k k e l d e SAF 2507 i s t e v e n s h e t a r t i k e l ' U s e o f Carbon S t e e l t o M i t i g a t e C r e v i c e C o r r o s i o n of S t a i n l e s s S t e e l s i n Sea W a t e r ' i n de b i j l a g e 4 b i j g e v o e g d . H e t m a t e r i a a l SAF 2507 h e e f t s t e r k v e r b e t e r d e e i g e n s c h a p p e n ten aanzien van: -putcorrosie (pitting). -spleetcorrosie (crevice corrosion). -spanningscorrossie (Stress corrosion c r a c k i n g ) . H e t m a t e r i a a l SAF 2507 i s v o l g e n s de b i j b e h o r e n d e waarden t e l a s s e n . Enkele toepassingsgebieden z i j n : - O l i e en gas i n d u s t r i e -Zeewaterkoelinstallaties. -Zoutverwerkende i n d u s t r i e . -Petrochemische i n d u s t r i e .
lasvoor-
Het m a t e r i a a l i s i n v e r s c h i l l e n d e vormen, waaronder riaal, verkrijgbaar.
2.3
Ervaringen
plaatmate-
referenties:
H e t K I M ( K o n i n k l i j k I n s t i t u u t v o o r de M a r i n e ) i s e e n v a n de weinige o n d e r z o e k s i n s t e l l i n g e n d i e het super duplex m a t e r i a a l 9
onderzocht hebben. In het c o r r o s i e l a b o r a t o r i u m i s het super duplex materiaal i n verschillende agressieve m i l i e u s u i t g e breid getest. De t o e p a s s i n g v a n h e t SAF 2507 a l s m a t e r i a a l v o o r de o n d e r w a t e r g e l e i d i n g i n een z o u t w a t e r m i l i e u heb i k v o o r g e l e g d aan h e t c o r r o s i e l a b o r a t o r i u m i n Den H e l d e r . D i t m a t e r i a a l w e r d zeer g e s c h i k t g e a c h t v o o r de t o e p a s s i n g e n e r w e r d g e a d v i s e e r d de n i e t g e l e i d e n d e v l a k k e n van een c o a t i n g t e v o o r z i e n . Een e v e n t u e l e kathodische bescherming zou v e e l minder b e l a s t w o r d e n i n c o m b i n a t i e met e e n c o a t i n g v a n w e g e d e v e r k l e i n i n g van h e t k a t h o d i s c h o p p e r v l a k . Tevens zou een i n d i k k i n g van z o u t e n op e e n v a n de h o r i z o n t a l e v l a k k e n g e e n c o r r o s i e g e v a a r v o o r de c o n s t r u c t i e opleveren. V o o r e e n g e s p e c i f i c e e r d t e s t r a p p o r t v e r w i j s i k n a a r de l i t e r a t u u r ; N I L P r o j e c t , w e l d i n g D u p l e x en S u p e r D u p l e x S t a i n l e s s s t e e l , a g u i d e f o r i n d u s t r i e en F i n a l r e p o r t o f N I L r e s e a r c h P r o g r a m D u p l e x S t e e l f a s e t w o , m e i 1991 v a n R a d e m a k e r s , F u i k en S c h u r i n g .
10
3.
Een c o n c e p t u i t v o e r i n g v a n de
constructie.
De c o n s t r u c t i e i s z e e r e e n v o u d i g ( b i j l a g e f i g u u r 1 ) . H i j b e s t a a t p e r e l e m e n t u i t twee d e l e n p l a a t - o f s t r i p m a t e r i a a l . D e z e d e l e n z i j n o n d e r een h o e k v a n 9 0 ° a a n e l k a a r g e l a s t . Zo o n t s t a a t a l s h e t w a r e een l a n g u i t g e r e k t T - p r o f i e l . H e t h o r i z o n t a l e v l a k h i e r v a n r u s t op h e t h o u t en h e t v e r t i c a l e v l a k doet dienst a l s g e l e i d i n g . De b e v e s t i g i n g v a n h e t h o r i z o n t a l e v l a k op h e t d e m e r a r a g r o e n h a r t g e b e u r t met h o u t s c h r o e v e n g e f a b r i c e e r d u i t SAF 2 5 0 7 . Deze w o r d e n l a t e r a f g e d o p t . De i n de l o o p r i c h t i n g v a n de g l i j s c h o e n l i g g e n d e v e r t i c a l e randen worden a f g e s c h u i n d . H e t e i n d e l e m e n t k a n vanwege de g e w i j z i g d e g e l e i d i n g s c o n s t r u c t i e v a n h e t h o u t op de k o p s e k a n t b e v e s t i g d w o r d e n . Deze b e v e s t i g i n g z a l v e r d e r bekeken moeten w o r d e n . Vanwege de h a n d e l b a a r h e i d b i j h e t w e r k e n v a n u i t e e n h a b i t a t v a n 6 m l e n g t e w o r d t de m a x i m a l e e l e m e n t l e n g t e v o o r l o p i g 5 m. H e t v e r d i e n t d e v o o r k e u r om d e n i e t g e l e i d e n d e z i j d e n v a n e e n c o a t i n g t e v o o r z i e n . E r moeten u i t s p a r i n g e n i n h e t h o r i z o n t a l e v l a k komen t e r p l a a t s e v a n de h u i d i g e a n k e r s waarmee h e t g r o e n h a r t i s b e v e s t i g d . De v l a k k e n d i e op h e t h o u t r u s t e n kunnen v o o r z i e n worden van een e l a s t i s c h e k i t . 3.1 Geschatte
s t r e m m i n g s d r u k v o o r de
montage.
V o o r a f aan a l l e r e n o v a t i e w e r k z a a m h e d e n i s h e t w e l l i c h t r a a d zaam d e b e i d e h a r d h o u t e n g e l e i d i n g s e l e m e n t e n t e r e i n i g e n . * s c h o o n m a k e n v a n de t o t a l e * Het p l a a t s e n van een
h u i d i g e g e l e i d i n g => l
stremming
geleidingselement.
Onder h e t p l a a t s e n v a n een b e v e s t i g i n g s e l e m e n t w o r d t v e r s t a a n h e t t u s s e n d e s t e m p e l b a l k e n l a t e n z a k k e n e n h e t a f z i n k e n op de b e v e s t i g i n g s p l a a t s . H e t w e r k e l i j k e z a k k e n mag p a s g e b e u r e n a l s de d e u r d i c h t i s . H e t e l e m e n t k a n w e l a l v a s t boven de gewenste opening g e p o s i t i o n e e r d worden. De t o t a l e a f s t a n d b e d r a a g d o n g e v e e r 22 m. De t o t a l e t i j d s d r u k w o r d t 10 m i n u t e n g e s c h a t . * H e t p l a a t s e n v a n de
habitat.
N a d a t h e t g e l e i d i n g s e l e m e n t i s g e p l a a t s t k a n de h a b i t a t h i e r o v e r h e e n w o r d e n g e z e t . V o o r d a t de w e r k e l i j k s t r e m m i n g a a n v a n g t w o r d t de h a b i t a t i n z i j n p a r k e e r s t a n d a l v o o r e e n g r o o t d e e l leeggeblazen (bijna geheel). 11
B i j h e t p l a a t s e n v a n de h a b i t a t h o r e n de v o l g e n d e g e s c h a t t e t i j d e n b i j de werkzaamheden: 15 m i n . - p o s i t i o n e r e n e n l a t e n z a k k e n v a n de h a b i t a t , - v e r d e r l e e g b l a z e n v a n de h a b i t a t e n 8 min. afdalen personeel i n duikbel. 7 min. -overklimmen p e r s o n e e l naar h a b i t a t , 5 min. - v e r d e r a f d i c h t e n v a n de h a b i t a t . totaal:
35 m i n .
*'opbrengen k i t ' . Onder ' o p b r e n g e n k i t ' wordt h e t a f k i t t e n v a n h e t h o r i z o n t a l e e n h e t v e r t i c a l e v l a k op h e t h o u t b e d o e l d . H i e r d o o r k a n e r geen w a t e r t u s s e n h e t demerara en h e t g e l e i d i n g s e l e m e n t i n k o m e n . T e v e n s m o e t h e t v e r t i c a l e v l a k v o l d o e n d e de k r a c h t k u n n e n o v e r b r e n g e n op h e t h o u t . G e d a c h t w o r d t a a n k i t met eem beperkte e l a s t i c i t e i t . H e t m o e t m o g e l i j k z i j n d e z e k i t met 2 o f 3 p e r s o n e n i n 10 m i n u t e n op d e b e d o e l d e z i j d e n a a n t e b r e n g e n o f h i e r o n d e r t e p e r s e n . I n h e t e e r s t e g e v a l moet i n d e h a b i t a t e e n v o o r z i e n i n g z i j n waarmee h e t e l e m e n t g e m a k k e l i j k t e r o t e r e n e n t e v e r plaatsen i s . O v e r w o g e n m o e t w o r d e n o f d e z e h a n d e l i n g e n o o k u i t g e v o e r d moet worden b i j een goede c o a t i n g van deze v l a k k e n .
* p o s i t i o n e r e n en s t e l l e n
element.
Het p o s i t i o n e r e n en s t e l l e n v a n h e t e l e m e n t g e b e u r t v o o r de d a a d w e r k e l i j k e b e v e s t i g i n g . Na h e t s t e l l e n v a n h e t e l e m e n t d i e n t het t i j d e l i j k vastgezet of ondersteund te worden. Hierna k a n h e t e l e m e n t a l s b o o r m a l d i e n e n v o o r de b o r e n g a t e n .
*Het b o r e n v a n de g a t e n
en * b e v e s t i g e n
element.
E e n r e d e l i j k u i t g a n g s p u n t v o o r de s t e e k t e n b e h o e v e v a n h e t v a s t z e t t e n v a n e e n 5 m l a n g e l e m e n t l i j k t 35 c m . E r m o e t e n h i e r v o o r 5 0 0 / 3 5 « 15 g a t e n g e b o o r d w o r d e n . H e t e l e m e n t w o r d t met 15 g r o t e h o u t s c h r o e v e n v a s t g e z e t . B i j M e e r d i n k W i n t e r s w i j k ( h a r d h o u t b e d r i j f ) i s g e i n f o r m e e r d n a a r de g e b r u i k e l i j k e methode en de b e n o d i g d e b o o r t i j d . -De g e b r u i k t e h o u t s c h r o e v e n z i j n M20. - D e t e b o r e n g a t d i a m e t e r moet 1 a 2 mm k r a p p e r z i j n , e r moet 0 18 g e b o o r d w o r d e n ( g e b r u i k e l i j k b i j a z o b e ) . - E e n d i e p t e v a n 8 a 10 cm l i j k t r u i m v o l d o e n d e i n d i t z e e r harde hout. - E r k a n met e e n s c h e r p e b o o r i n e e n k e e r g e b o o r d w o r d e n . -Het i s raadzaam de bouten v o o r h e t i n d r a a i e n i n t e vetten. - H e t b o r e n (10 cm d i e p ,
V o o r 15 g a t e n p e r e l e m e n t k o s t d i t 75 m i n u t e n . u i t g a a n d e v a n 3 b o o r m a c h i n e s => 20 m i n u t e n w e r k e l i j k b o r e n . a f h a n k e l i j k v a n h e t a a n t a l p e r s o n e n i n de h a b i t a t (3 o f 4) k a n e r ook a l b e v e s t i g d worden t i j d e n s h e t b o r e n . Deze h a n d e l i n g e n kunnen nog v e r d e r g e o p t i m a l i s e e r d worden. T o t a a l l i j k t h e t b o r e n e n b e v e s t i g e n v a n e e n e l e m e n t met e e n h a b i t a t b e z e t t i n g v a n 3 man i n o n g e v e e r 35 m i n u t e n h a a l b a a r .
Met g e b r u i k v a n een
habitat.
*plaatsen element. *plaatsen habitat. ••opbrengen k i t ' . • p o s i t i o n e r e n en s t e l l e n e l e m e n t . •boren bevestigings gaten. •bevestigen element. •plaatsen/verw. geleidingsneus • c o n t r o l e r e n maatvoeren. •eventueel onder-/achtergieten •verwijderen habitat. ( e v t . opnieuw p o s i t i o n e r e n ) Totaal:
10 35 10 10 25 10 10 5 10 20
min. min. min. min. min. min. min. min. min. min.
(8 r e s p .
2 min.)
145 m i n .
E r i s a a n t o t a l e s t r e m m i n g s t i j d 6 u u r => 360 m i n b e s c h i k b a a r . H i e r i n zou dus r u i m v o l d o e n d e t i j d z i j n v o o r h e t aanbrengen v a n t w e e e l e m e n t e n (10 m ) . E r r e s t e r e n d a n p e r s t r e m m i n g n o g 70 m i n . M i s s c h i e n k a n e f f e c t i e v e r met k o r t e r e e l e m e n t d e l e n g e w e r k t w o r d e n . De t o t a l e l e n g t e v a n » 52 m z o u i n v i j f e n e e n h a l v e stremming g e r e a l i s e e r d kunnen worden p e r z i j d e . De t o t a l e o p e r a t i e ( t w e e z i j d e n ) v r a a g t n a a s t de r e i n i g i n g s stremming en twee stremmingen v o o r het m o b i l i s e r e n / d e m o b i l i s e r e n v a n de a p p a r a t u u r e l f s t r e m m i n g e n v a n z e s u u r . D i t t i j d s c h e m a k a n nog v e r d e r g e o p t i m a l i s e e r d worden. T o t a a l 14 s t r e m m i n g e n . ( i n c l . 1 1 x 7 0 m i n . o n g e b r u i k t )
3 . 2 M a t e r i a a l k o s t e n v a n de
constructie.
Om i e t s t e z e g g e n o v e r d e m a t e r i a a l k o s t e n v a n de c o n s t r u c t i e i s u i t g e g a a n v a n de k i l o p r i j s v a n SAF 2 5 0 7 . D e z e b e r e k e n i n g i s e x c l u s i e f b e w e r k i n g e n a l s h e t maken v a n g a t e n , e e n e v e n t u e l e c o a t i n g en h e t l a s s e n . De v o o r l o p i g e p r i j z e n v o o r SAF 2 5 0 7 : 6 , 8 , 10 mm F l 2 2 , - / k g . 12 - 25 mm F l 2 0 , 5 0 / k g .
13
D e z e p r i j z e n b l i j k e n e c h t e r a f h a n k e l i j k v a n de p l a a t g r o o t t e e n v o r m . B i j i n f o r m e r e n n a a r p l a a t ( s t r i p ) ( b i j l a g e 2) met a f m e t i n g e n d i e nog j u i s t h a n d e l b a a r zouden z i j n v a n u i t een h a b i t a t v a n z e s m e t e r l e n g t e v a n h o o r d e n r e s p e c t i e v e l i j k de v o l g e n d e i e t s hogere p r i j z e n rond f l 2 5 , - per k g ; Afmetingen:
5 0 0 0 x 4 0 0 x 1 2 [mm] a f l 4 5 5 0 , - p e r s t u k . 5 0 0 0 x 2 0 0 x 1 2 [mm] a f l 2 5 5 0 , - p e r s t u k . (de f a b r i k a n t r e k e n t met e e n s o o r t e l i j k g e w i c h t v a n 8 k g / d m ) D i t i s f l 7 1 0 0 , - p e r element, ( e x c l u s i e f l a s s e n , bewerken en een e v e n t u e l e c o a t i n g of k a t h o d i s c h e b e s c h e r m i n g ) . 3
De m a t e r i a a l k o s t e n v o o r de c o n s t r u c t i e g e s c h a t op f l 1 5 0 . 0 0 0 , - .
3.3
V o o r d e l e n v a n de n i e u w e
aan w e e r s z i j d e n worden
constructie.
De n i e u w e s p e c i a l e RVS s l i j t - o f g e l e i d i n g s l a a g z a l v e r g e l e k e n met d e f r e e s m e t h o d e , w a a r b i j e e n d e e l u i t h e t b e s t a a n d e h o u t g e f r e e s d m o e s t w o r d e n , met v e e l m i n d e r b e w e r k i n g e n e n b e t r e k k e l i j k eenvoudig t e monteren z i j n . -het geringe a a n t a l n o o d z a k e l i j k e stremmingen. - d e r i g o u r e u z e f r e e s b e w e r k i n g e n hoeven n i e t meer u i t g e v o e r d t e w o r d e n . (3 m f r e z e n i n 3 u u r e x c l . v e r v a n g e n 3 m p e r s t r e m ming. - v o o r b e w e r k t e en g e p r e f a b r i c e e r d e d e l e n kunnen v a n u i t een h a b i t a t g e m a k k e l i j k b e v e s t i g d worden. - a f z o n d e r l i j k e p l a a t d e l e n hebben een goede h a n d e l b a a r h e i d i n de h a b i t a t . - b i n n e n z e s u u r s t r e m m i n g k u n n e n m e e r d e r e d e l e n ( « 10 m) b e v e s t i g d worden. (boren, s t e l l e n , bevestigen, e v t . ruimtes a a n g i e t e n met v u l s t o f ) . -een gunstige temperatuurafvoer t . o . v . houten l o o p v l a k .
14
4. V a r i a n t e n O P het
SAF 2507
4.1 I n l e i d i n g H e t i s o o k m o g e l i j k om i n e e n e x t r e e m g e v a l d e h a a l b a a r h e i d v a n een g e l e i d i n g s e l e m e n t u i t een m i n d e r k w a l i t a t i e f m e t a a l o f een andere m e t a a l l e g e r i n g t e b e k i j k e n . H i e r b i j moet men e r v a n u i t g a a n d a t d e n i e t g e l e i d e n d e worden v o o r z i e n v a n een i s o l e r e n d e c o a t i n g .
4.2
Een a a n t a l
vlakken
mogelijke varianten.
H i e r w o r d t n i e t d i r e c t n a a r de h a a l b a a r h e i d v a n de t o e p a s s i n g g e k e k e n maar e e n i d e e g e g e v e n v a n e e n a a n t a l a n d e r e m o g e l i j k heden . - s t a a l v o o r z i e n v a n een c o a t i n g . w e l l i c h t t . g . v . c o r r o s i e een k l e i n e r e l e v e n s d u u r . afweging s t a n d t i j d / k o s t p r i j s . - s t a a l v o o r z i e n v a n e e n c o a t i n g e n e e n z e e r s l i j t v a s t e l a a g op het g e l e i d i n g s v l a k . D e z e m o g e l i j k h e d e n z o u d e n op h u n h a a l b a a r h e i d v e r d e r o n d e r z o c h t kunnen w o r d e n . Een l e v e n s d u u r / k o s t e n v e r g e l i j k i n g zou i n t e r e s s a n t kunnen z i j n .
15 •
5.
C o n c l u s i e s en
aanbevelingen
Conclusies: De m o g e l i j k h e i d om de b e s t a a n d e h o u t e n o n d e r w a t e r g e l e i d i n g t e v o o r z i e n van een s p e c i a l e c o r r o s i e b e s t e n d i g e roestvaststalen b e k l e d i n g l i j k t h a a l b a a r e n moet n o g m a a l s o v e r w o g e n w o r d e n . T e n a a n z i e n v a n d e b e s t a a n d e r a n d v o o r w a a r d e n , met name h e t g a l v a n i s c h e gescheiden z i j n van andere m e t a a l - c o n s t r u c t i e s , l i j k t h e t z e e r o n w a a r s c h i j n l i j k d a t de g e l e i d i n g ' i n o p l o s s i n g ' z a l gaan. N a a s t de k a t h o d i s c h e b e s c h e r m i n g v a n d e i n n a b i j e o m g e v i n g z i j n d e m e t a a l d e l e n en c o a t i n g ( r o l d e u r ) t r e e d t ook geen d i r e c t o n d e r l i n g c o n t a c t op t u s s e n de op de h o u t e n b e s t a a n d e g e l e i d i n g b e v e s t i g d e R V S - g e l e i d i n g en r o l d e u r . De m o n t a g e v a n m e e r d e r e g e p r e f a b r i c e e r d e g e l e i d i n g s d e l e n l i j k t m o g e l i j k b i n n e n een e n k e l e stremming. V o o r a l een d r i e maal zo hoge r e n o v a t i e s n e l h e i d t . o . v . h e t freesplan is aantrekkelijk. Door z i j n goede c o r r o s i e b e s t e n d i g h e i d v o o r p u t - , s p l e e t - en s p a n n i n i n g s c o r r o s i e l i j k t een d u p l e x m a t e r i a a l h e t "best g e s c h i k t v o o r de o n d e r w a t e r t o e p a s s i n g . Een h i e r v o o r s p e c i a a l o n t w i k k e l d m a t e r i a a l i s h e t SAF 2507 v a n S a n d v i k . Het g e b r u i k van d i t m a t e r i a a l a l s onderwater g e l e i d i n g b i e d t een a l t e r n a t i e f v o o r h e t z e e r i n t e n s i e v e ' f r e e s p l a n ' en h e t aanbrengen van nieuwe hardhouten b a l k e n . Overwogen moet worden o f d e z e a l t e r n a t i e v e t o e p a s s i n g a l s n o g h a a l b a a r i s en m i s s c h i e n z e l f s zonder h a b i t a t g e r e a l i s e e r d kan worden. G e z i e n de b e h e e r s b a a r h e i d v a n de o n d e r w a t e r w e r k z a a m h e d e n h e t g e b r u i k v a n een h a b i t a t onontkoombaar.
lijkt
Aanbeve1ingen: I n een e v e n t u e e l v e r v o l g onderzoek z a l s t u d i e v e r r i c h t kunnen worden n a a r de j u i s t e i s o l e r e n d e c o a t i n g , m o g e l i j k e s l i j t v a s t e o p p e r v l a k t e l a g e n e n de j u i s t e a n o d e s . E v e n e e n s z o u h e t i n t e r e s s a n t k u n n e n z i j n om e e n e i g e n p r o e f o p s t e l l i n g t e o n t w i k k e l e n t e n a a n z i e n v a n de c o r r o s i e v a s t h e i d van v e r s c h i l l e n d e m a t e r i a l e n i n IJmuiden.
16
LiteratuurIii st
[1]
: Ir. uit
F . B l e k k e n h o r s t , Hoogovensgroep b . v . , c o r r o s i e b e h e e r s i n g September 1991.
[2]
: Ing. J .
[3]
: S t i c h t i n g m a t e r i a a l o n d e r z o e k i n de z e e , T U - D e l f t , a f d . m a t e r i a a l k u n d e . n o v e m b e r / d e c e m b e r 1991 j a a r g a n g 17 n r 6 .
[4]
: G u s t a f s s o n , B i n d l en M a r t e n s o n . S a n d v i k ; S a n d v i k SAF-The H i g h P e r f o r m a n c e Duplex S t a i n l e s s S t e e l - T h e o r y and P r a c t i c e . P a p e r p r e s e n t e d a t t h e ACHEMA ' 9 1 E x h i b i t i o n , F r a n k f u r t / M a i n , Germany, June 9-15 1 9 9 1 .
[5]
: B . J o s e f s o n . P r o p e r t i e s o f Welded J o i n t s i n t h e Super D u p l e x S t a i n l e s s S t e e l SAF 2 5 0 7 . E f f e c t o f d i f f e r e n t S h i e l d i n g and B a c k i n g G a s s e s . S t a i n l e s s S t e e l ' 9 1 , Japan.
Heselmans, c o r r o s i e van r o e s t v a s t
17
corrosievormen
staal.
BIJLAGEN:
Tekening 1 (Fig. 1): Een onderwatergeleidings element van SAF 2507 Bijlage I Sandvik SAF 2507-The High Performance Duplex Stainless SteelTheory and Practice. Bijlage il Properties of Welded Joints in the super duplex stainless steel SAf 2507 Effect of different schielding and backing gasses. Bijlage ill Sandvik SAF 2507. A high performance duplex stainless steel. Bijlage IV Use of Carbon Steel to Mitigate Crevice Corrosion of Stainless Steels in Sea Water. TS. Lee & A.H. Tuthill. Bijlage V Fax van Sandvik Nederland. Fax van Sandvik Sweden Bijlage VI Enkele artikelen uit het mededelingenblad van: stichting materiaalonderzoek in de zee. -Praktijktoepassingen van aluminiumlagen in zeewater. -Vloeibare vormgeving: Een oeroude techniek met ongekende mogelijkheden voor de toekomst ing. J. A. Meeuwissen. -Non-ferrolegeringen voor toepassing in marien milieu, ir. D. Bakker.
Tekening 1 (Fig. 1): Een onderwatergeleidings element van SAF 2507
Alternatieve onderwatergeleidling van SAF 2507
urtspamq voor da ankers.
5000
DOORSNEDE A~A 0*4 VULLING
to -10 plaatdkte 1O-201
HOUT
SCHETS
Attemanave onderwatergeieelSno van SAF 2507
FIG.1
/ UO
Bijlage I Sandvik SAF 2507-The High Performance Duplex Stainless Steel - Theory and Practice.
RD
CENTRE A B SANDVIK STEEL
Sandvik S A F 2507 - The High Performance Duplex Stainless Steel - Theory and Practice Per Gustafsson, A B Sandvik Steel, Sandviken, Sweden Gunter Bindl, Sandvik G m b H , Diisseldorf, Germany Christer Martenson, Sandvik G m b H , Diisseldorf, Germany
P a p e r presented at the A C H E M A 91 Exhibition, Frankfurt/Main, Germany, June 9 - 1 5 1991
SANDVIK Steelf
coefficient which is comparable to that of carbon steels and considerably lower than that of austenitic stainless steels, Figure 2. Low thermal expansion can be utilized to advantage particularly in constructions built from a combination of carbon steel and stainless steel.
Corrosion Resistance SAF 2507 has extremely high resistance to chloride environments e.g. seawater or polluted brackish water and the alloy has considerably higher corrosion resistance than the duplex alloy UNS S31803. With respect to resistance to pitting and crevice corrosion, SAF 2507 is comparable to high alloyed austenitic steels that contain more than 6 % molybdenum and nitrogen. The pitting and crevice corrosion resistance of a stainless steel is primarily determined by its chromium, molybdenum and nitrogen contents. A practical way to rank various alloys is to compare their so-called pitting index (PRE= % Cr + 3.3 % Mo + 16 % N). The PRE value of 43 for SAF 2507, similar to that of 6 % Mo steels, indicates very high resistance to pitting corrosion. For seawater service a PRE value of > 40 is often specified. The excellent pitting corrosion resistance of SAF 2507 is also confirmed in laboratory tests and in practical installations. The Critical Pitting Temperature (CPT) of SAF 2507 when tested in 6 % Ferric chloride (ASTM G48A/24h) is 70-80 °C. Corresponding values for welded joints are 50-60 °C. These values are comparable to or even higher than those for 6 % molybdenum steels, also when welded with over alloyed filler materials. Figure 3. Crevice corrosion tests in chlorinated seawater over a period of 3 months at temperatures up to 45 °C also showed somewhat better results for SAF 2507 than for 6 % molybdenum steels. Figure 4. Laboratory tests in neutral, oxygen-bearing, chloride solutions of samples stressed to their yield strength at testing temperature showed SAF 2507 to have considerably higher resistance to stress corrosion cracking than AISI 316Ti, UNS N08904 and S31803. There were no signs of cracking of SAF 2507 at 1000 ppm C1/300°C and 10000 ppm Cr/
• •
Figure 4. Tube sheets with expanded tubes of SAF 2507 and 6M0+N, respectively. Chlorinated seawater (2 ppm Cl ), 45°C, 3 months. 2
Temperature, °C (°F)
300 (570) 250 (480) 200 (390)
100 (210)
Parent metal Welded joint
6MO+N
SAF 2507
150 (300)
100 80
225°C. For comparison, the corresponding values for UNS S31803 and UNS N08904 are 175°C and 160°C respectively and for AISI 316Ti approx. 50°C. Practical experience with UNS S31803 show that these laboratory tests have good correlation with reality. Thus it is assumed that this is also true for SAF 2507. Figure 4. SAF 2507 is highly resistant to corrosion by organic acids e.g. acetic acid and mixtures of acetic and formic acids. The
sec
6370b
SAF2507 C) t t 1 \
1 1 1 1 fl 1 1 1 1 1
UNS S31803 N08904
\ \ \ \• V \
60
50 (120)
• mm mm P—AISI —
No sec
40 20
7?
UNS S31803
0 (32)
z
0.0001 0.1
2
UNS N08904
6MO+N
SAF 2507
Figure 3. Critical pitting temperature in 6% FeCl (ASTM G48A-24h). 3
316n
1
0.001 10
0.01 100
0.1 1000
1 ci-% 10000 Cl-ppm
Figure 5. SCC resistance in oxygen-bearing (about8ppm), neutral chloride solutions. Testing time 1000 h. Applied stress equal to yield strength at test temperature.
B) In a similar application, corrosion problems were also experienced after a short time in two heat exchangers made of carbon steel. Based on the excellent experiences with SAF 2507 the alloy was specified as tubing material for these new exchangers (each 688 tubes 25 x 1.65 x 5000 mm) which operate at the following conditions: Shell side: Dichlormethan with traces of water T design = 100°C (actual 60°C) P design = 4 bar (actual 1/2 bar) Tube side: cooling water with max. 500 ppm C l Figure lib. Tube bundle with SAF 2507 tubes. T design = 100°C (actual 35°C) P design = 6 bar (actual 4 bar). The new exchangers of floating head type were designed using a combination of carbon steel and stainless steel. Stainless steels were selected for tube bundles and other critical internal parts; tubing in SAF 2507, rube sheets (t = 40 mm) and baffle plates (t=5 mm) in W. Nr. S31803. The remaining parts were made from carbon steel. No corrosion allowance was necessary for the stainless steel parts. The standard wall thickness for stainless steel heat exchanger tubing at this particular refinery is 2 mm but due to the extremely high corrosion resistance of SAF 2507 it was decided to reduce the wall thickness to 1.65 mm. The heat exchanger design was made to German pressure vessel Figure 11c. Tube sheet with SAF 2507 tubes. code and the tubes delivered according to AD-W2. The seamless tubes in SAF 2507 were seal welded into the rube sheets using an automatic welding machine working in the vertical position. Welding was done with a maximum interpass temperature of 150°C using the following parameters: 12-13 Volt, 85- 100Amp,approx. 12 cm/min travel speed; resulting in a heat input of 0.5 - 0.65 kJ/mm. The filler material used was type 22.8.3.L wire with a diameter of 0.8 mm. No special weld joint preparation was required (I-groove) but the tubes were allowed to protrude slightly (max. 0.7 mm) outside the face of the tube sheet. The seal welding was followed by a 15 -18 % expansion of the rubes into the holes which had two internal grooves. The holes had a plus tolerance of 0.25 mm above the nominal tube outside diameter. Figure lid. Seal welding the SAF 2507 tubes using an automatic welding
Figure 11 a. Floating head heat exchanger - principle of design.
machine.
Figure lie. Liquid penetrant testing of the seal welded SAF 2507 tubes.
7
dichlorethan with traces of water. T = 60 - 80°C (max. 150°C) Milling, drilling and turning of SAF 2507 can be done using conventional methods and tooling (Sandvik Coromant or p = 0.4 bar high speed tooling). The machining properties are similar to Tube side: cooling water with max. 500 ppm Clthose of other duplex stainless steels. Compared to austeniT max = 40°C tic stainless steels the machining parameters must be redup = 5 bar (max.) ced by 25-50%. Originally both carbon steel and AISI 321 tubing were used in these heat exchangers but both alloys failed after less than Availability/Approvals one year of service. Duplex UNS S31803 tubing was then SAF 2507 is available, to a certain extent from stock, in the installed in all six exchangers but this material was also not following product forms: seamless and welded tube/pipe, sufficiendy corrosion resistant and pitting corrosion was fittings and flanges, plate, bar, semifinished products, ca- observed after approx. three years of service and two of the stings and welding filler materials. exchangers had to be replaced. SAF 2507 is approved by ASME for use in pressure vessels SAF 2507 tubing was specified in preference to a high (Section VIII, div. 1, Code case No. 2047). The alloy is alloyed austenitic steel. The heat exchangers have now included in ASTM A789/790 under UNS S32750. A TUV been in service since October 1989 and when inspected approval is in progress but it should be noted that the alloy after 12 months of service the tubes were found to be in is already used in Germany with so-called "Einzelzulas- perfect condition. sung". Machining
Shell side:
Applications SAF 2507 is specially designed for service in agressive chloride-containing environments. Compared to austenitic stainless steels, the alloy offers design advantages due to its high mechanical strength and low thermal expansion properties. Typical applications are found in the following areas and industries: Heat exchangers using seawater or high chloride containing waters as coolant Heat exchangers and piping in refineries and chemical/ petrochemical plants Off and on-shore oil & gas applications Desalination and geothermal plants Components subjected to high mechanical stresses and corrosive conditions e.g. pressure vessels, shafts etc. Power industry e.g. condensers and flue gas scrubber Evaporators
Case Story This part of the paper describes a case where SAF 2507 was used to solve a seriouscorrosion problem in an oil refinery. Details from experiences gained during fabrication of two 265 m heat exchangers equipped with SAF2507 tubing are reported as well as comparative fabrication cost data.
Figure 9. Tube made of UNS S31803 after 3 years a) Surface. b) Pitting, depth 0.8 mm. Microphoto (x 150).
2
A) A German oil refinery had experienced corrosion problems in a set of six heat exchangers (each 505 tubes 25 x 2 x 5000 mm) for several years. The heat exchangers are used to condense solvent in a dewaxing plant operating at the following conditions:
Figure 10. SAF 2507 tube after 12 months service. 6
service.
Figure 1 I f . Expanding the SAF 2507 tubes into the UNS
Figure llg. Heat exchanger with tubes of SAF 2507.
S31803 tube sheet.
Cost comparison
Summary and conclusions
Based on experiences gained during fabrication of SAF 2507 and some other different alloys the following comparative costs for various fabrication operations and for complete fabricated heat exchangers can be reported.
The excellent mechanical, physical and corrosion properties make SAF 2507 an ideal material of construction for demanding applications. SAF 2507 is readily fabricated and the alloy offers a high performance/cost ratio which is illustrated in a comparative cost analysis for fabricated heat exchangers.
AISI UNS SAF 316Ti S31803 2507 (carbon steel = Factor 1.0) Welding Automatic TIG/2 layers MMA/2 layers (incl. post weld cleaning) Tube Expansion 15-18 % expansion Machining Turning, milling, drilling
Acknowledgements Valuable input with respect to the fabrication part of this paper has been provided by Fa. Bohling Rohrleitungs- und Apparatebau GmbH, Hamburg, Germany. Special thanks to Mr. Laier for his support.
1.0 1.2
1.05 1.2
1.05
1.0
1.25
1.4*)
1.15
1.3
1.4-1.5
12
') mainly attributed to tool wear
For complete fabricated heat exchangers the following comparison (Table 3) applies: Table 3. Cost comparison. Design: Floating head type (265 m ), carbon steel shell, seamless tubes/688 pes - 25 x wtxSOOO mm, tubes are welded 2
and expanded into the tube sheets.
Tube Materials/Dim. - 25 1. C-steel - 25 2. AISI316Ti 3. UNS S31803 - 25 4. UNSN08904 - 25 - 25 5. S A F 2507
x 2.5 x2 x2 x2 x 1.65
mm mm mm mm mm
Comparative Cost
Tube Sheet/ Baffles C-steel - 70 AISI 316Ti - 70 UNS S31803 - 40 UNS N08904 - 70 UNS S31803 - 40
mm/5 mm/5 mm/5 mm/5 mm/5
mm mm mm mm mm
0.5 1.0 1.13 1.26 1.22
SANDVIK S-51-44 E N G May 1991
SteelSandvik Steel. 811 81 Sandviken, Sweden, Phone +46 26 26 30 00, Fax +46 26 25 17 10
Printed in Sweden Sandvikens Tryckeri
Bijlage II Properties of Welded Joints in the super duplex stainless steel SAf 2507. Effect of different schielding and backing gasses.
1
CENTRE A B SANDVIK STEEL
Properties of welded joints in the super duplex stainless steel S A F 2507. Effect of different shielding and backing gases by Bertil J o s e f s s o n
P a p e r presented at the"Stainless Steel '91", C h i b a , J a p a n June 1 0 - 1 3 , 1 9 9 1
Several independent investigations of SAF 2507 in natural seawater environments have been undertaken and a very high corrosion resistance has been documented [e.g. 5,6,7]. Results from investigations of critical temperatures for pitting (CPT) and crevice corrosion (CCT) in a modified ASTM G48 test (described below and in [8]) and in 3% NaCl (potentiostatically at +600 mV SCE) are shown in Figs. 2 and 3. It can be seen that SAF 2507 is fully comparable with a 6M0+N austenitic stainless steels as regards CPT and CCT.
3. Welding experiment
Fig.l Microstructure in a SAF 2507 tube (cross-section). The austenite is light and theferrite is dark. The sample was electrolytically etched in HN0 . 3
The duplex microstructure and the high nitrogen content result in a very high strength as compared with austenitic stainless steels. Strength, elongation and hardness of a tube with a wall thickness of 20 mm in quenched-annealed condition are given in Table 2. Table 2. Some mechanical properties 0
Matching filler metals for TIG and M M A welding have been developed for the joining of SAF 2507. Chemical compositions of the TIG wire electrode 25.10.4.L and the M M A covered electrode 25.10.4.LR, rutile-basic electrode, are given in table 3. The increased content of nickel in the welding consumables compared with the base metal assures a correct austenite reformation and has proved to be beneficial for the mechanical properties [9]. Many different joint geometries have been investigated with the new welding consumables. Among these, two single-V-groove welds were picked out for this presentation. The first weld product that is tested is a tube joint for tube dimensions (O.D. 89mm and thickness 3mm). The welding was made in two runs (maximum interpass temperature 150°C). Different shielding and backing gases have
of SAF 2507 in quench-annealed
condition.
Yield strength 0.2% offset 1.0% offset (N/mm ) (N/mm ) rnunmum minimum
Tensile strength (N/mm )
Elong. A5 (%) minimum
(Vickers) average
550
800-1000
25
290
2
2
640
2
Hardness
t'
C P T (°C)
6M0+N austenitic
r
SAF 2507
i
SAF 2205
M53 'Ig. 2. Critical pitting and crevice temperatures in 6% eCl 24h (modified ASTM G48). After Bernhardsson [3].
r
y
Fig. 3. Critical (Potentiostatically
pitting temperature in 3% at 600 mV SCE). After Nystrom
NaCl. [4].
Table 3. Chemical composition of base metal and welding consumables (wt-%).
'
Grade 0.020 0.020 0.030
SAF 2507 25.10.4.L 25.10.4.LR
Si
Mrt
Cr
Nt
Mo
0.3 0.3 0.5
0.4 0.4 0.7
25 25 25
7.0 9.5 9.5
4.0 4.0 4.0
' N 0.28 0.25 0.26
Table 4. CPT results in 6% FeCl solution for three different gas shieldings in a 3 mm thick tube together with results from a point counting of the ferrite content in the last welded run. 3
Shielding gas/root gas
Heat input (kj/mm)
CPT (°C)
Attack side-
Ferrite content (vol«%)± error with 95% confidence interval
Ar/Ar Ar/Formier Ar + 5%N /Formier
0.55-0.70 0.55-0.70 0.55-0.70
50 55 60
root side top side top side
55 ±4.5 59 ±4.0 33 ±4.0
2
been used, namely Ar (shielding gas)/Ar (backing gas), Ar/ . Formier (90%N +10%H ) and Ar+5%N /Formier.The weld was investigated in the as-welded state using an optical microscope. A point counting was made to determine the ferrite content according to A S T M E562. Samples were also taken from the weld for pitting corrosion testing according to the modified ASTM G48A for determination of the critical pitting temperature (CPT). The actual top and root side surfaces were corrosion tested after a manual steel brushing. 2
2
2
The modified ASTM G48A corrosion test is made in the specified 6% FeClj solution. In the modified G48 test a Critical Pitting Temperature (CPT) is determined. Samples are weighed and tested at a specific start temperature, in the case of SAF 2507 parent metal usually at 60°C and welds in SAF 2507 at 40°C. Samples are tested during 24h and subsequently weighed and inspected in an optical stereo microscope. If nothing has happened to the sample the temperature is raised by 5°C, and the test is then resumed for another 24h. The test continues in this way until a well defined criterion is fulfilled, namely, a weight loss of atleast 5 mg and/or apparent signs of pitting. Two samples of each material condition are usually tested. Surfaces exposed during the weld test include weld metal, H A Z and part of the base metal. The samples have a rectangular shape and the end surfaces are wet ground using 120 grit paper. The second weld product tested was a butt joint in strip steel plates with a thickness of 18 mm. The groove was filled in three different ways. Firstly, a TIG-welding using 25.10.4.L in 21 runs (Ar was used as root and shielding gas), heat input 1.2-1.5 kJmun. Secondly, aMMA-weldingusing 25.10.4.LR with rutile basic covering in 16 runs, heat input 1.1-1.4 kJ/ mm and thirdly, a MMA-welding using 25.10.4.LB with basic covering in 14 runs, heat input 1.0-1.1 kJ/mm. One TIG-welded root run was welded (heat input around 1.4 kJ/ mm) prior to the MMA-weldings. Formier gas was used as backing gas, and the maximum interpass temperature was 150°C in all welds.
With the exception of the M M A welding with basic electrodes, the butt joints in the strip steel plates were subject to tensile and impact test, and corrosion testing in accordance with the modified ASTM G48A. Impact tests were performed in the weld metal, on 50/50-position (50% weld metal, 50% base metal i.e. HAZ) and in fusion line (mainly in HAZ). Tensile testing was performed on cross welds. Manual steel brushing of the welds was performed before corrosion testing. In the case of MMA-welding, with basic covering electrodes, only impact testing in the weld metal was performed. A l l tests were made in the as-welded state.
4. Results 4.1 Butt joint in the 3 mm thick tube Results from the G48 corrosion test of the 3 mm thick tube butt joint welds are given in Table 4 together with results from the point counting of the final welded run. The microstructure, as found in the optical microscope, from the top side and the root side of the three different gas shielding conditions, can be seen in Figure 4. In general, the weldability was good. Changing the backing gas from argon to Formier increased the corrosion resistance and changed the point of attack from the root side to the top side. The ferrite content of the root surface also decreased considerably, see fig. 4b and 4d. The addition of 5% nitrogen in the shielding gas gave a somewhat unstable welding arc but resulted in an increased corrosion resistance and a reduction in the weld metal ferrite content by 20 percentage units.
4.2 Joint in the 18 mm thick strip steel plates Results from impact testing of the welds in the 18 mm strip steel plates are shown in Table 5, while results from the cross weld tensile testing is shown in Table 6. TIG-welding resulted in a higher toughness than MMA-welding using rutile-basic coated electrode. The toughness of the weld 5
Figure 4. All samples are electrolyticalfy etched in HNO a) ArlAr top side, b) ArlAr root side, c) ArlFormier top side, d) ArlFormier root side, e) Ar+5%NJFormier top side,}) Ar+5%NJFormier root side. r
Table 5. Results from the impact test. Given values are average values from three tested samples
(Joule).
"
IIII:.
Weld metal
::
:
::
;:
116 83
78 39 61
110 58 -
-40 C
RT
74 56 -
114 118
92 71
•
•
C
:: :::;::::::::;
x:::x:':::>::*V:*::::::::::::::::-:
TIG M M A (rutile basic) M M A (basic)
Fusion line
50/50
• xyr
-
Table 6. Results from the cross weld tensile test of the TIG weld and the MMA-weld(rutile-basic was located in parent materal in both cases.
R^CN/mm )
A (%)
Z(%)
848 846
645 628
32 33
67 67
J
metal differed by a factor of two at -40°C. However, if a basic coating was used instead of rutile-basic coating, an increase of the toughness by 39 to 61 Joule was observed. However, this is achieved at the expense of slightly less favourable welding characteristics such as the fluidity. It 6
covering). The fracture
R (N/mm ) ra
TIG-weld MMA-weld
-40°C
1
5
can also be seen in Table 5 that the HAZ is tougher than the weld metal, which usually is the case. The cross weld tensile test showed that the weld metal had a highertensile strength across the weld than the base metal, see Table 6. The fracture was located in the parent metal
away from the weld metal. Critical pitting temperature was found to be 50°C for the TIG-weld and 55-60°C for the MMA-weld. A l l specimens were attacked at the top side. One sample from the MMA-weld was also attacked at the root side but this sample had a CPT of 60°C.
oxidized during the welding it means that the resulting weld metal is less ferritic. The bum off rate also differs between different welding methods.
Since the composition of the HAZ is the same as that of the base metal (provided diffusion of atoms can be ignored) the ferrite content in the HAZ is higher than that of the weld metal because of lower nickel content in the base metal. 5. Discussion Large ferrite areas, usually in combination with a high The mechanical properties of the weldment in SAF2507 are ferrite content, can be a problem in a DSS. Chromium satisfactory. By far the most critical mechanical property of nitrides are sometimes found in large ferrite grains in the a duplex weld metal is the impact toughness, and it should HAZ. A depletion of chromium from the matrix, caused by be pointed out that for all S andvik filler metals for SAF2507 the formation of chromium-nitrides, reduces the corrosion this toughness is safely above the often specified value of resistance, but only if they are found close to the surface. The best way of decreasing the risk for precipitation of 27J. chromium-mtrides in the ferrite is to increase the austenite tr The pitting (and crevice) corrosion resistance of the weld, reformation. Fig. 4a, b and c show high ferrite contents at the including weld metal and HAZ, is somewhat lower than the surfaces of the weld metal. This surface appearance can also - base metal. A lower pitting corrosion resistance of the weld be found in the HAZ. The ferritic surface results from a metal is found for all high alloy SS, e.g. superduplexes and degassing process of nitrogen from the-surface. By introdu25%Cr DSS, and for all superaustenitics. One way of cing nitrogen into the TIG shielding gases and backing * increasing the corrosion resistance of a DSS would be to gases a degassing of nitrogen from the surface is prevented ' _ increase the Cr, Mo and N contents in the weld metal. and, hence, the risk for precipitation of chromium-nitrides However, a higher content of Cr and Mo increases the risk close to the surfaces decreases. of precipitation of intermetallics like sigma phase [1], and highernitrogen contents increases the risk of pore formation The higher corrosion resistance of the MMA-weld comin the weld metal. One of the most critical concerns in pared to the TIG-weld, mentioned in paragraph 4.2, is welding DSS is to attain a proper microstructure close to the probably caused by the lower nitrogen loss from the weld surface. The usual limiting factor is a combination of surface due to the slag shielding on the weld formed during degassing of nitrogen and the tendency to form chromium the MMA-welding. The higher corrosion resistance of the nitrides. The following discussion will be concerned with MMA-weld may otherwise be somewhat unexpected because of the much higher amount of non-metallic incluthese aspects. sions, which are usually considered to result in a decreased One important parameter for the properties of DSS is the corrosion resistance. ferrite content. A change in ferrite content direcdy affects the corrosion resistance and the mechanical properties. The The presence of nitrides and degassing of nitrogen from the ferrite content can be varied in different ways, e.g. by weld surface are phenomena resulting in a lower corrosion . changing the composition, by changing the quench-annea- resistance of a weld as compared with the base metal for a ling temperature, and by changing the cooling rate, particu- DSS. Other reasons for a lower CPT in the weld metal than larly for the welding process. Although the composition is in the base metal in a stainless steel may be caused by fixed for the base metal and the welding consumables it is segregations of alloying elements during the dendritic solistill possible to change the ferrite content in the weld metal. dification. This segregation phenomenon of e.g. molybThis can be achieved by a change in heat input. A decreased denum is, however, essentially found in austenitic stainless heat input increases the ferrite content owing to a higher steels. Duplex stainless steels have a ferritic solidification cooling rate. Other means of influencing the ferrite content resulting in a lower segregation of alloying elements. The is to change the dilution of the base metal. A root pass, for appearance of the surface of the weld metal differs from that example, is usually more diluted than subsequent welded of the base metal. Further examples of defects leading to a runs. Matching welding consumables for DSS usually have lowered corrosion resistance are micro-crevices and oxides, a higher nickel content than the base metal. Hence, an which are sometimes found after bad welding or insufficient increased dilution of the weld metal reduces the content of pickling. the austenite stabilizing element nickel in the weld metal, leading to a more ferritic weld metal. The use of shielding gases containing nitrogen will also change the ferrite content within the weld metal, see Table 4, as well as close to the weld surface. A less well-known factor which can also affect the ferrite content is the "bum o f f of different alloying elements (or in/out diffusion of N) from the arc during the welding procedure. The alloying elements in the consumables have different bum off rates. If chromium is
It has been clearly seen in this work that shielding and backing gases containing nitrogen counteract the degassing of nitrogen from the weld. Furthermore, it has been found during the development of the new filler metals that a ferrite content of 30-40% in the weld metal optimizes the impact toughness, the corrosion resistance and the structure stability. A high austenite content increases the toughness and probably decreases the sensitivity to precipitation of finely dispersed austenite, found for example in Ref. 10. Pak and 7
A higher corrosion resistance is found for the M M A Karlsson [11] found that too high a content of an austenite welds than for the TIG-welds, with a difference in CPT stabilizing element like nitrogen results in a "duplex" soliof 5-10°C. This is explained by a lower nitrogen loss dification mode instead of the normal ferritic. A duplex from the weld surface due to the slag shielding on the solidification results in a considerable decrease in toughweld formed during the M M A welding. ness. A low ferrite content also results in an increased risk for precipitation of the deleterious sigma phase (lowered An addition of 5% nitrogen into the argon shielding gas toughness and corrosion resistance). A high ferrite content, decreased the ferrite content considerably at the weld on the other hand, increases the risk of chromium nitride surface and within the weld metal, and resulted in an formation in large ferrite volumes which in turn reduces the increase in CPTby5°C. corrosion resistance. Chromium nitrides are rarely found in the H A Z of welded SAF2507 since the base metal has a very rapid austenite reformation owing to the high nitrogen References content. Using a heat input in the range of 0.2-1.5 kJ/mm and an interpass temperature not exceeding 150°C for TIG and 1. Y. Maehara, Y. Ohmori, J. Murayama and T. Kunitake, Metal Science 17 (1983), 541 M M A welding with 25.10.4.L and 25.10.4.LR filler metal results in a weld metal without sigma phase. Owing to the 2. B. Sundman, Proc. Conf. Calphad VIII, Stockholm, more complex metallurgy of the super-DSS as compared (1979), 102 with a standard steel the welding parameters are more crucial. The welding procedure, however, follows standard 3. S. Bemhardsson, Int. Conf. Corrosion -90, NACE, Las Vegas, Nevada, USA, (1990) methods and no extra equipment is needed. 4. G. Nystrom, 9th Europ. Cong, on Corr., Utrecht, Nederlands, (1989)
6. Conclusions
5.
The properties of weldments of SAF 2507 are quite satisfactory.
6. Intermetallic phases, like sigma phase, are not found in the weld metal for the filler metals 25.10.4.L (TIG) and 25.10.4.LR (MMA), welded with heat inputs up to 7. 1.5 kJ/mm and interpass temperatures not exceeding 150°C. 8. Chromium nitrides are rarely found in the HAZ owing to the high nitrogen content in the base metal (good austenite reformation) provided the recommended 9. welding parameters are used. Toughness values safely above the often specified 10. value of 27J are found for welds with the new filler metals for SAF 2507. 11. •
B.W. Tumbull, Trans, of the 8th Inter-Naval Conf., UK, April 1988 E.B. Shone, R.E. Malpas and P. Gallagher, Meeting at the Inst. of Marine Engineers, London, UK, April 1988 G. NystrOm and S. Henriksson, 11th Scand. Corrosion Cong., Stavanger, Norway, June 1989 R.A. Walker, Welding Institute report 5550/17/87, Cambridge, UK (1987) U. Ekstrom and S.-A. Fager, Svetsen, special issue IE (1990)30. L.van Nassau, K. Bekkers, J. Hilkes and H. Meelkers, Stainless Steel Europe 2 (1990) nr.4 42 S. Pak and L. Karlsson, Scand. J. of Met., 19 (1990) 9
Using Formier gas (90%N +1 OILJ as backing gas increases the critical pitting temperature by at least 10°C on the root side in 6% ferric chloride (ASTM G48A). The critical pitting temperature was found to be in the range of 50-60°C for weldments in SAF 2507. 2
^ 5»
S-91-50-ENG October 1991
Sandvik Steel, S-811 81 Sandviken, Sweden Tel. +46-26 26 30 00 Fax +46 26- 25 17 10
Printed in Sweden AB Sandvikens Tryckeri
Bijlage III Sandvik SAF 2507. A high performance duplex stainless steel.
Sandvik S A F 2507 A high performance duplex stainless steel
Sandviken S w e d e n
Cancels edition of January 1991
UNS S32750 Sandvik SAF 2507 is a high alloy duplex (ferritic-austenitic) stainless steel for service in highly corrosive conditions. It is characterised by: • excellent resistance to stress corrosion cracking in chloridebearing environments • excellent resistance to pitting and crevice corrosion • high resistance to general corrosion • very high mechanical strength • physical properties that offer design advantages • high resistance to erosion corrosion and corrosion fatigue • good weldability
Wall thickness, mm (inch)
6340B
Chemical composition (nominal), % c max
Si Mn max max
0.030 0.8
1.2
P max
s max
Cr
0.035
0.02
25
Ni 7
Mo
4
N
0.3
Standards
150 (6)
100 (4)
50 (2)
200 (8)
25 (K
Outside diameter, mm (inch)
Figure 1 Principal size range for seamless tube and pipe.
Material specifications Seamless tube and pipe: A S T M A789; A790 Flanges: ASTM A182 Fittings: ASTM A182; A815
Approval Approved by the American Society of Mechanical Engineers (ASME) for use in accordance with ASME Boiler and Pressure Vessel Code, section VIII. div. 1, case 2047.
Mechanical properties The following values apply to material in the quench-anneale condition.
At 20°C (68°F)
Type of steel UNS S32750 SS 2328 DIN X 2 CrNiMoN 25 7 4
Forms of supply, finishes and dimensions Tube and pipe are supplied in the quench-annealed and whitepickled condition. The principal size range is shown in figure 1.
Tube and pipe with wall thickness max. 20 mm (0.79 inch). Metric units
Tensile Yield strength 0.2% offset 1.0% offset strength N/mm N/mm N/mm min min 2
550
2
640
2
800-1000
Elong. Hardness A5 Vickers %
min
average
25
290
Complementary products Welded tube and pipe Fittings and flanges Welding wire Covered electrodes Plate, sheet and wide strip Bar steel Forgings Castings SAF 2507™ is a trade-mark owned by Sandvik A B
English units Tensile Yield strength 0.2% offset 1.0% offset strength ksi ksi ksi rain nrin 80
93
116-145
Elong. Hardness A5 Rockwell C %
rain
average
25
28
Corrosion rate, mm/year (mpy)
Thermal conductivity
0.25 (10)
Metric units, W/(m °C) Temperature, °C
20
100
200
300
400
SAF 2507 AISI316L
16 15
17 16
19 17.5
20 19
21 20
g 50% ac<jtic acid
S
4* 0.20
/
(8)
/ Aisi
/
' 316L English units, Btu/(ft h°F)
11.5 11
11 10
9.5 9
9.0 8.5
SAF 2507 AISI316L
600
400
200
68
Temperature, °F
/
i -/•
1 1 1 1 1 1 1 1
800 12.5 11.5
Thermal expansion SAF 2507 has a coefficient of thermal expansion close to that of carbon steel. This gives SAF 2507 definite design advantages over austenitic stainless steels.
0.05 (2)
/
J
0
>
/
/
f AISI 317L
*
/
/
/ /
/ / / / / /
/ S AF 2205
SAF 2507
/ »
No attack
5
10
-15
20
Metric units, x 10 7°C
2 % HCOO
Temperature, °C
20-100
20-200
20-300
20-400
SAF 2507 Carbon steel AISI316L
13.0 12.5 16.5
13.5 13.0 17.0
14.0 13.5 17.5
14.5 14.0 18.0
Temperature, °F
68-200
68-400
68-600
68-800
SAF 2507 Carbon steel AISI316L
7.0 6.8 9.0
7.5 7.0 9.5
7.8 7.5 9.8
8.0 7.8 10.0
Figure 4 Corrosion rate of SAF 2507. SAF 2205. AISI 316L an AISI 3I7L in boiling mixtures of 50% acetic acid and varyin proportions of formic acid. Test time I +3+3 days.
6
English units. x l 0 /°F
Temperature, °C (°F)
•
3
Modulus of elasticity, (xlO )
Temperature, °C N/mm 20 100 200 300 400
4 English units
Metric units 2
200 190 180 170 160
60891
Temperature, °F 68 200 400 600 800
ksi 29 27.5 26 24.5 23
(230)
•
<
/
• Boiling poin curve
(195)
SAF 2507
(160)
Corrosion resistance
I
V
\
\
SAF 2205
^
i
'Sanicro.28
\
General corrosion SAF 2507 is highly resistant to corrosion by organic acids, e.g. formic and acetic acid, see Fig 4. It is suitable for use at high concentrations and temperatures, where austenitic stainless steels corrode at a high rate. Resistance to inorganic acids is comparable to that of high alloy austenitic stainless steels in certain concentration ranges. Figures 5 to 7 are isocorrosion diagrams for sulphuric acid, sulfuric acid contaminated with 2000 ppm chloride ions, and hydrochloric acid respectively.
(120)
\ AISI ^ 316L
(85)
SAF 2
\\
A L SAF-e 31 / 2 2 0 5 /
\ 20
J
6 L
40
60
80
100' % H SO 2
Figure 5 Isocorrosion diagram in sulphuric acid. The curvt represent a corrosion rate ofO. I mm/year (4 mpy) in stagnant te. solution.
Pitting and crevice corrosion
Temperature. °C (°F) 6183 b
The pitting and crevice corrosion resistance of a steel is primarily determined by the content of chromium, molybdenum and nitrogen . An index for comparing the resistance to pitting and crevice corrosion is the PRE number (fitting Resistance Equivalent). The PRE is defined as, in weight-% PRE = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x % N
120 (250)
Boiling p oint curve _
100 (210)
.
The PRE values for SAF 2507 and some other stainless steels are given in the following table.
\ \ \ SAF 2507
\\ ^ X
\
60(140)
mamw
• ^^^^
•
\ \ \
80(175)
^^^^m»
%Cr
% Mo
%N
PRE
SAF 2507 6M0+N
25 20
4 6
0.3 0.2
43 43
Sanicro 28 25Cr-duplex
27 25
3.5 3
—
39 38
SAF 2205 AISI904L
22 20
3 4.5
0.2 -
35 35
SAF 2304 AISI316L
23 17
.
o.r -
25 24
2000 ppm chloride ions
254Sf
\
Alloy
\
w \
\ \
904L\^ 40 • (105)
\
\
N
20 (68) 0
X
\ \ \ 20
10
2.2
0.2
30
40 % H S0 2
The ranking given by the PRE number can generally be used to predict the performance of an alloy in chloride environments, as shown by the results of corrosion testing described below.
4
Figure 6 Isocorrosion diagram. 0.1 mm/year (4 mpy) in sulphuric acid containing 2000 ppm chloride ions.
One of the most severe pitting and crevice corrosion tests applied to stainless steel is ASTM G48, i.e., exposure to 6% FeCl, with and without crevices (method A and B respectively). When pits are detected following a 24 hours exposure, together with a substantial weight loss (>5 mg), the test is interrupted. Otherwise the temperature is increased 5°C (9°F) and the test is continued with the same sample. Figure 8 shows critical pitting and crevice temperatures (CPT and CCT) from this test.
Temperature, °C (°F) 120
6136b
Boiling pc int curve
100 K210)
50 140)
40 105)
6176b
< mmm • mmm
90
\ 80 (175)
• • mm • —
, • —
\ »
\
\
\ \
•
austenitic S A F 2 5 0 7
80
O
70-|
*25Cr-3Mo-.2N
CCT(°C)
25 CrDuplex*
60
\ \
V
%
6M0+N
CPT(°C)
50
Sanicro ' L \ SAF
\
28
AISI
\
316L
»
40904L
... i
S A F 2205
30-
\ \
20
\
7Z 10
85)
% HCI
igure 7 Isocorrosion diagram in hydrochloric acid. The curves epresent a corrosion rate of 0.1 mm/year (4 mpy) in stagnant test olution.
—1 Figure 8 Critical pitting and crevice temperatures in 6% FeCl , 24h {similar to ASTM G48). }
Potentiostatic tests in solutions with different chloride contents are reported in figure 9. Figure 10 shows the effect of increased acidity. In both cases the applied potential is 600 mV vs SCE. a very high value compared with that which could be expected in natural unchlorinated seawater. thus resulting in lower critical temperatures compared with most practical service conditions.
CPT. °C (°F), 600 mV S C E 100 (210)
;
I
—
61
«
SAF 2507 i
*** m •-a*.
aa
6Mo*N
I
^
a „
Tests were performed in natural sea water to determine the critical crevice corrosion temperature of samples with an applied potential of 150 mV vs SCE. The temperature was raised by 4°C steps every 24 hours until crevice corrosion occured and the results are shown in the following table. Alloy
CCT (°C)
SAF 2507
64 61
6M0+N
In these tests the propagation rates of initiated crevice corrosion attacks, at 15-50°C (59-122°F) and an applied potential of 150 m V vs SCE were also determined. These were found to be about ten times lower for SAF 2507 than for the 6M0+N alloy.
80 (175)
70 (160)
x »
40 (105)
-
—
5
'
Sanicro 2£
- a , , . .
25 Cr - Cluplex
4
3
"-
2
1 P
Figure 10 Critical pitting temperatures (CPT) in 3% NaCl wil varying pH (potentiostatic determination at +600 mV SCE wii sin face ground to 600, grit paper).
Stress corrosion cracking
;
CPT. C pF). 600 mV S C E 6185b
i 1 1
SAF 2507 has excellent resistance to chloride induced stre; corrosion cracking. The SCC resistance of SAF 2507 in chloride solutions at hig temperatures is illustrated in figure 11. There are no signs of SO up to 1000 ppm C17300°C and 10000 ppm CI7250°C. SAF 2507 U-bend specimens exposed for 1000 hours in hot brin (108°C. 226°F, 25% NaCl) showed no cracking. Temperature, °C (°F) 300 (570)
SAF 2507
6093t 1
i
!
\ 250 (480)
200 (390)
I I \ 1 ^ \
100 (210)
SAF 2205
\ \
SAF 2205
- a -
\
1
».
a.
—
c* n r~ T i n ii
- a -
SAP 2304
t \
V
N \
'< X
I
Sanicro 2!i
x
N
\ 150 (300)
No crackinc
1
1 1 1 1 1 •
25 Cr - Du plex
SAF2507
» SCC
a
^
50 (120)
AISI 3 0 4 ^ 0 4 1 ^ AISI 316/316L
No S C C 1
31
6 10
"
r 9 15
121
151
20
25 % NaCl
Figure 9 Critical pitting temperatures (CPT) at varying concentrations of sodium chloride, from 3 to 25% (potentiostatic determination at +600 mV SCE with surface ground to 600 grit paper).
0 (32)
0.0001
0.001
0.01
0.1
1C
% ci-
Figure 11 SCC resistance in oxygen-hearing (abt. 8ppm) neutral chloride solutions. Testing time WOO hours. Applied stress equal to yield strength at testing temperature.
he threshold stress for SAP 2507 in 40% CaCl at 100°C >10°F) and pH = 6.5 is above 90% of the tensile strength for both arent metal and welded joints. (TIG-welded with Sandvik 5.10.4.L or MMA-welded with Sandvik 25.10.4.LR).
Time to failure, h
2
igure 12 shows the result of testing in 40% CaCl at 100°C >10°F) acidified to pH = 1.5. Acidifying of the standard test jlution to pH = 1.5 lowers the threshold stress for SAF 2205 but ot for SAF 2507. This is true for both parent metal and welded lints. he threshold stress for both parent metal and welded joints of AF 2507 in boiling 45% MgCl ,155°C (311°F) (ASTM G36) is jproximately 50% of the yield strength.
6140b
600
,SAF 2507
E
500
2
•
400
l 300
s>XF 2205 ^
2
igure 13 shows the results of SCC tests at room temperature in ACE solution (5% sodium chloride and 0.5% acetic acid turated with hydrogen sulphide). No cracking occurred on SAF 507 irrespective of the applied stress.
(720h)
\
1I \
200
l \ \ \ \
100
\ \
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Stress/Tensile strength
Figure 13 Constant-load SCC tests in NACE-solution temperature (NACE TM-01-77).
at room
Erosion corrosion and corrosion fatigue The superior mechanical properties combined with the improved corrosion resistance of SAF 2507 are expected to result in excellent resistance to both erosion corrosion and corrosion fatigue compared to standard austenitic stainless steels.
'ime to failure, h
•
DO
00
! 00
1 AIS316L \ \ \
00
00
\ 1
6139b
k
1 1 1 1 1 1 1 1 \ I \
SAF 2507
Heat treatment Quench annealing 1050-1125°C (1920-2060°F), rapid cooling in air or water.
| S A F 220 5 \ \ \ \ \ \
Welding The weldability of SAF 2507 is good. Suitable welding methods are manual metal-arc welding with covered electrodes or gasshielded arc welding. Welding should be undertaken within the heat input range of 0.2-1.5 kJ/mm and with an interpass temperature of maximum 150°C (300°F). Preheating or post-weld heat treatment is not necessary.
\ 00
A
\
N S
\
Stress/Tensile strength
igure 12 Results of SCC tests with constant load in 40% H=1.5, at 100°C (210°F) with aerated test solution.
CaCl
y
Matching filler metals are recommended in order to obtain a weld metal with the same corrosion resistance and mechanical properties as the parent metal. For gas-shielded arc welding use Sandvik 25.10.4.L, and for manual metal-arc welding the covered electrode Sandvik 25.10.4.LR.
Fabrication Bending
• Geothermal wells Heat exchangers in geothermal exploitation units, systems exposed to geothermal or high-salinity brines, tubing-and casing for production.
The force needed for bending SAF 2507 is higher than for standard austenitic stainless steels (AISI 304L and 316L). When the yield strength is exceeded, the plastic deformation takes place just as easily.
• Refineries and petrochemical plants Tubes and pipes where the process environment contains a high amount of chlorides, or is contaminated with hydrochloric acid.
If the service conditions are on the limit of the stress corrosion resistance of SAF 2507 heat treatment is recommended after cold bending. Heat treatment should be carried out by quench-annealing or resistance annealing.
• Mechanical components requiring high strength Propeller shafts and other products subjected to high mechanical load in seawater and other chloride-containing environments.
Hot bending is carried out at 1125-1025°C (2060-1880°F) and should be followed by quench-annealing.
• Pulp and paper industry Material for chloride-containing bleaching environments.
Expanding Compared to austenitic stainless steels. SAF 2507 has a higher yield and tensile strength. This must be kept in mind when expanding tubes into tube-sheets. Normal expanding methods can be used, but the expansion requires higher initial force and should be undertaken in a one-step operation. As a general rule, tube to tube-sheet joints should be welded if the service conditions include a high chloride concentration, thus limiting the risk for crevice corrosion.
Machining When turning SAF 2507 with carbide-tipped tools, the cutting speed should be reduced by 50% compared with the cutting speeds normally used for AISI 304. Much the same applies for other operations with carbide-tipped tools. If high-speed steel tools are used, the cutting speed should be reduced by about 30% compared with AISI 304.
• Implants Implants in the human body are subjected to an aggressive chloride-containing environment and high stresses.
Further information For further information the following printed matter can be ordered from your nearest Sandvik office: S-51-44-ENG
"Sandvik SAF 2507 - The high performance duplex stainless steel - theory and practice"
S-110-ENG
"Pipe - tube - hollow bar, seamless standard programme in stainless"
S-1252-ENG
"Your guide to easy welding of duplex stainless steel" "Sandvik stainless steels for demanding environments" "Stainless steel products for oil and gas production" "Welding of SAF 2507 - Welding procedures and properties of welded joints"
S-129-ENG S-133-ENG S-WR291
Applications SAF 2507 is a duplex stainless steel especially designed for service in aggressive chloride-containing environments. Typical applications are: • Oil and gas industry Chloride containing environments such as seawater handlingand process systems. • Seawater cooling Tubing for heat exchangers in refineries, chemical industries, process industries, and other industries using seawater or chlorinated seawater as coolant. • Salt evaporation industry Evaporator tubing for production of corrosive salts, e.g. chlorides, sulphates and carbonates. • Desalination plants Pressure vessels for reverse osmosis units, tube and pipe for seawater transport, heat exchanger tubing.
Sandvik, Sanicro and SAF are trade-marks owned by Sandvik AB.
Recommendations are for guidance only, and the suitability of a material for a specific application can be confirmed only when we know the actual service conditions. Continuous development may necessitate changes in technical data without notice.
7
Bijlage IV Use of Carbon Steel to Mitigate Crevice Corrosion of Stainless Steels in Sea Water. T.S. Lee & A.H. Tuthill.
Use of Carbon Steel to Mitigate Crevice Corrosion of Stainless Steels in Sea Water* T. S. LEE' and A. H.
A series of tests to quantify the use of carton steel to minimize stainless steel crevice corrosion in sea wafer Multiple crevice assemblies were applied to specimens of AISI 304 and 316 SS exposed in ambient sea water. Complete protection from temperature crevice corrosion was achieved with carbon steel anodes 1:10 the size of the exposed stainless steel ares Carbon steel anode consumption rates of 7.8 to 12.4 kg/A-y were measured.
Introduction C A S T A N D WROUGHT AUSTENITIC stainless steels have long been used in a variety of applications in marine environments. Applications include shipboard, oceanographic devices, coastal power and process plants, and desalination plants While some corrosion related maintenance and a few failures cf AISI 304 and 316 SS have been reported, the overall performance is often considered acceptable by the user. This acceptable performance, despite the known susceptibility to localized corrosion in sea water, is generally attributed to the use of the stainless steels in multialloy systems. In these systems, less noble materials such as carbon steel, Ni-Resist, or aluminum corrode preferentially to afford some cathodic protection to the stainless steel components. The less noble materials may be an integral part of an operating system (such as Ni-Resist pump casing cathodically protecting a stainless steel shaft). In other cases, the less noble material may be placed in the system for the specific purpose of suppressing crevice corrosion of the stainless steel. For example, Moller reported the successful use of carbon steel anodes in a cast stainless alloy pump case to suppress crevice corrosion of the case and a stainless alloy impeller during a four year service period. 1
2
3
Larabee and LaQue concluded that equal areas of carbon steel and stainless steel would prevent crevice corrosion. LaQue also cautioned against the expected accelerated corrosion of the carbon steel if a smaller area was used with a larger area of stainless steel. May and Humble demonstrated that localized corrosion of AISI 302 and 316 SS could be largely suppressed with an applied cathodic current density of 0.16 A/m . Alexander, et al} reported tests of 302 and 316 SS exposed in tropical sea water for up to 8 years. Within 1 year, crevice corrosion attack in excess of 6.3 mm was observed in the absence of cathodic protection. When similar specimens were exposed with carbon steel anodes attached (stainless 4
TUTHILL"
T A B L E 1 — N o m i n a l S e a Water C o m p o s i t i o n c r (g/U
HC0 (g/L)
SO,'
PH
Dissolved Oxygen (mg/L)
8.0
18.8
0.15
2.5
6 C at 10 C 6 C at 25 C
3
steel area to carbon steel area o ' 6.5:1). no crevice corrosion was observed over an 8 year per o d . The carbo" steel anode showed a five-fold increase in corr-Dswn as a result of coupling to stainless steel. Lennox, et al, conducted sir- iar tests for up to 650 days with stainless steel and carbor s:aei anodes coupled with a area ratio of 9:1. They observed a significant reduction in the extent of crevice corrosion ar ir-.entior.ally created crevice sites (/.•., 0.04 mm depth compared t c >2.4 mm for unprotected 304 and 1.7 mm for unprotected 316). In addition to the slight attack at the intentional crevice sites, localized corrosion was observed on the boldly exposed surfaces. This was probably associated with c r e v c e s created by biofouling attachments and the attack was also slight (approximately 0.1 mm). 6
7
Vreeland and Bedford exposed creviced stainless steel strips coupled to larger areas of carbon steel for one year in sea water. For 304, the unprotected strips exhibited crevice corrosion at 82% of the possible s.nes with a maximum depth of attack of 2.5 mm. With carbon steel protection, some crevice corrosion initiation was observed at 13% of the sites, but no measurable depth of attack was incurred. For 316, the carbon steel protection completely prevented crevice corrosion, compared to the unprotected condition where 64% of the sites were attacked to a maximum attack depth of 1.2 mm. Other studies - have suggested the use of carbon steel anodes to extend the service life^o* stainless steels, but no guidelines exist which define the amount of carbon steel required for effective protection. H rs The intent of this investigation to develop such quantitative information. 8
9
2
•Presented during Corrosion/82 (Paper 63) March, 1982, Houston, Texas. * LaQue Center for Corrosion Technology, Inc., Wrightsville Beach, North Carolina. —Tuthill Associates, Riverside, Connecticut.
Experimental Procedure All tests were conducted in natural sea water using oncethrough and recirculating systems. The once-through system used a nominal sea water velocity of (15 m/s. while the recirculating systems used both quiescent conditions a n d a nominal velocity of 0.1 m/s. The sea water volume of the recirculating system was 60 L with a refreshment rate of 0.6 Uminute. The nominal composition of the sea water is shown in Table 1. Mill finish sheet material (3 mm thickness) of AISI 304 and 316 SS was used as-received for test specimens. The speci-
0094-1492/B3/000230/S3.00/0 © 1983 National Association of Corrosion Engineers
Materials P e r f o r m a n c e
TABLE 2 — Nominal Material Compositions (Wt%) Alloy
N
2 2 0 03-0 06
1822
—
08-15
P
S
C
Cu
0 045 0.045
008 008 0 08-0 13 3 0 max
—
Type ll Nr-Res.si
Bai Ba
! 75-2
Alloy
Si
AISI Type 3W AISI Type 316 AISI 1010
1 1
Type ll Ni-Resisi
_ 2 3 —
18-20 16-18
TyDe 304
Mn
Mo
8-105 10-14 —
Bai 6a>
A,SI
AISI Type 316 AISI 1010
Ni
Cr
—
5
—
C.04 max
0.03 0.03 0.05 max
•: e
—
0.12 max
-
— 0.5 max
mens were degreased with acetone prior to exposure in sea water and cleaned in cold 30% nitric acid upon removal from test. Anodes were prepared from AISI 1010 carbon steel and from Ni-Resist Type It. The anode materials were cleaned with 10% HCI inhibited with antimony trioxide both before and after testing. Nominal compositions of all materials are shown m Table 2. The crevice cohesion tests usee a multiple crevice assembly ( M C A ) . ' in which the crevice former is a nonmetallic washer with a series of racial grooves and plateaus. Two washers fastened to the test specimen create forty individual crevices. This crevice forming assembly provides generally reproducible crevice conditions and enables easy assessment of the number of active crevice sites and the extent of localized attack. Multiple crevice assemblies were affixed to triplicate 100 x 150 mm SS specimens which were, in turn, coupled to a carbon steel anode. One series of tests used Ni-Resist Type II anodes. The steel anodes were cylindrical, with the length adjusted to achieve different area ratios of carbon to stainless steel. Specimens were electrically coupled through a zero impedance ammeter (ZIAM) which enabled current measurements to be made. Electrical connections at the specimens remained above the sea water level and were coated with silicone for protection. 0-1
The test assemblies were exposed for up to 90 days. After exposure, the stainless steel specimens were examined for crevice corrosion (depth of attack measurements ±0.01 mm) and the steel anodes were weighed ( ± 1 mg) to determine consumption rate. To assess the effects of sea water velocity, a series of tests was conducted in a polarization cell test apparatus. These tests involved galvanic coupling of specimens of carbon steel and stainless steel with measurement of couple poten12
tial (vs a Ag/AgCI reference electrode) and current (using a ZIAM inserted in the external electrical connection). The stainless steel specimens were intentionally creviced by the insertion of a Teflon strip into a machined groove on the face of the specimen. The specimens were then exposed in sea water at various controlled velocities.
Results Tables 3 and 4 summarize the results of tests in ambient temperature flowing sea water where carbon steel was coupled to stainless steel specimens with various area ratios. The data also show the crevice corrosion behavior of control specimens of stainless steel which received no cathodic protection from carbon steel anodes. The potential and current of the various couples are shown in Table 3. A wide range of current densities (based on the stainless steel surface area) were measured. No direct correlation was found between the measured current and potential in Table 3. However, the potential of the couple became more nobie as the stainless steel area was increased. For the coupled conditions, crevice corrosion was observed only for the specimen exposed at the 50:1 area rat'O in sea wate at an average temperature of 28 C. as s h o * n in Table 4. The aata shown in Table 3 reveal no crevice CGTOsion, even at area ratios up to 100:1. for tests in sea water a: an average temperature of 14 C. The behavior of Type II Ni-Resist anodes was evaluated at the 50:1 area ratio, as shown in Table 5. At this area ratio, Ni-Resist was effective in protecting 316, but not 304, SS. The behavior of the carbon steel anode material was measured in a series of tests in flowing ambient temperature sea water Stainless steel to carbon steel area ratios of 10:1 and 25:1 were examined. Table 6 summarizes the relevant cata obtained during the tests, including the anode current density and the anode weight loss. The anode consumption rate (based on actual weight loss) varied somewhat, but generally ranged between 8 and 9 kg/A-y. To determine the reasons for the current measurement variability in the early tests, additional tests were conducted, with the results presented in Tables 7 and 8. Both quiescent conditions and a nominal velocity of 0.1 m/s were maintained for the stainless steel to carbon steel couples. The stainless steel specimens were exposed both with a multiple crevice assembly and without any intentional crevices. A change in sea water velocity from quiescent to 0.1 m/s, caused no significant change in current requirements for either 304 or 316 alloys when no intentional crevices were presr
TABLE 3 — Effect of Carbon Steel Coupled to Stainless Steel on Crevice Corrosion in Sea Water at a Velocity ofrj.5 m/s" 1
Stainloaa Staal Currant Oan»rry» Alloy
Ana Ratio (SS.SIeef)
Crevice Attack N a S11 as Max. Attack Initiated Depth (mm) 01
1
(A/nr )
Mean
Standard Donation
Couota Potential" (VAo/AfCt) Standard Mm Deviation
304 1:0 (Control) 10 1 50 1 100 1
7 o 0 0
0 75 0 0 0
0.21 0 18 0 17
0 07 0 08 0 12
-0.020 - 0.591 - 0 490 - 0 422
0 032 0.063 0 047 0 109
1 0 (Control) 10 1 50 1 100 1
31 0 0 0
127 0 0 0
0 52 0 30 0 32
0 30 0.20 0 17
- 0 030 - 0 473 - 0 436 - 0.375
0 0 0 0
316
' T e s t s of 28 d a y s at 14 C Out o l possiDie 120 s u e s •'•Current density Based on surface area of stainless steal M e a n value b a s e d on 22 measurements •'•Potential of stainless steel controls and stainless steei-ca' Don steei c o u p l e s Mean >aiue based on 22 measurements 2
053 056 078 089
TABLE 7 — Effect of Flow Condition and Crevice Conditions on Current and Potential of Carbon Steel to Stainless Steel Couples'" Stainlets Steel Current Density Tail
Condition*
2
(A/m )
Flow Alloy
TABLE 8 - Effect of Flow Condition and Crevice Conditions on Carbon Steel Anode Behavior in Sea Water ' 1
Couple
Test
Potential
Fkm
(VA9/A9C1)
Velocity Alloy
Velocity
Crevice
(m/s)
State
<001 ^001
None
0.16
005
-0
MCA
0 19 014
008 006
-0613 - 0 634
0.31
0 16
-0
leen
Standard Deviation
1
None MCA
631
Weight
Crevice
<m/»)
State
(Arm*)
(01
<001 <0 01
None MCA
0 1 0 1
None MCA
588
0026 0 027 0072 0041
<0.01 <0 None MCA
0 18 018
01
None MCA
0.21 0.28
0 1
004
- 0 628 - 0 624
0 023 0 027
0.09
-0.601
016
-0
0 038 0.041
005
593
CorWaaWV*. IOO toe
f*r»A-r>
1.6
4.27
T.:
19 1.4
573 406
m
3.1
9 70
••3 ••9
316
316 <0.01 <001
Anode Current Density
Standard Deviation
304
0 01
Condition*
01
0 1 0 1
None MCA
18
None MCA
2.1 2.8
1.8
483 4 72
112
5.71
113
S3
766
114
" T e s t s lor X flays at 16 to 21 C with a 10 1 area ratio ''Tests lor 30 days ai 16 to 21 C witn a 10:1 area ratio
Node -04
o
-05
s > -0.6
z
8
-0 7
-OB . 0 Active
10
15 20 TiM£,d
25
35
z
i
15 20 TIME.d 15 20 TIME, d FIGURE 1 — Couple potential and anode current density as a function of time for creviced 304 SS in sea water at a velocity of 0.1 m/s with carbon steel anodes (10:1 area ratio of stainless steel to carbon steel).
The tests in sea water at 14 C showed complete protection against crevice corrosion of both 304 and 316 with stainless steel to carbon steel area ratios of 100:1. The tests in sea water at 28 C, however, indicated that some susceptibility to crevice corrosion occurred with stainless steel to carbon steel area ratios of 50:1. The greater difficulty in protecting the stainless steel at 28 C is consistent with the increased extent of crevice corrosion of the alloys observed at 28 C compared to 14 C . ' 1 1
4
FIGURE 2 — Couple potential and anode current density as a function of time for creviced 316 SS in sea water at a velocity of 0.1 m/s with carbon steel anodes (10:1 ratio of stainless steel to carbon steely.
As a conservative approach, the more extensive tests were conducted with stainless steel to carbon steel area ratios of 10:1. Under all test conditions, anodes of this size were effective in preventing crevice corrosion. Other researchers have had mixed s u c c e s s using nominally the same relative anode size. Alexander, ef a/. found complete suppression of crevice corrosion at stainless steel to carbon steel area ratios of 6.5:1 while Lennox, er a/, observed some localized corrosion at 9:1. In both cases, extensive biofouling covered the specimen surfaces, and this may have contributed to the inability of the steel anodes to prevent 5
6
5.0
TABLE 9 — Effect of Sea Water Velocity on Anode Consumption Rate of Carbon Steel Coupled to Stainless Steel in Sea Water"'
S«a Water
Mean Anode
Velocity
Current Density
Anode Consumption Rate
IS)
(kgCA-y)
1
(A/rrr )
(m/s)
Alloy
Weight Loss
40
304 0 04
033 0.87
0 8
0.58
118
1
12.3
16
0.96 104
60 1.62 204
13.2
3 2
067
1
153
0 04
0.29 1.07
050
t
53
3D
in
11.3
316
0 8
1.16
98 2.13
1
1.09 1 07
1.89 250
6
32
11 5 124
1
117 11.5
15.6
i.o
V
' Tests tor 30 days at ' 5 C with a i 1 area ratio
OM
25 I
- R £ A RATIO
FIGURE 4 — Effect et stainless steel to carbon steel area ratio on carbon steel anode current density.
I)
BULK
SOLUTION
T
COMPCS .ON
6)
ALLOY
COMPOSTiON
- MAJOR - Cl"
CONSTITUENTS
CONTENT - MINOR ADDITIONS
- 0
2
CONTENT -
-
2)
BULK SOLUTION ENVIRONMENT
7)
PASSIVE - PASSIVE
- TEMPERATURE
-
- AGITATION 3) MASS TRANSPORT -
MIGRATION
-
OlFFUSION
-
4)
8)
CREVICE
9)
TYPE
METAL/METAL
-
METAL/NON-METAL
CREVICE
2
GROWTH
GEOMETRY
- GAP
EOULIBRiA
DEPTH
ELECTROCHEMICAL REACTIONS - M E T A L DISSOLUTION
10)
TOTAL
Oj
REDUCTION
-
H,
EVOLUTION
GEOMETRY
EXTERIOR TO INTERIOR C R E V I C E A R E A RATIO
-
NUMBER
attack in the study reported by Lennox. In the present study, •here was no macrobiofouling present on the test panels. Tnerefore. the resultant data are most relevant to field condi•ions where nominally clean surfaces exist such as tubing in an operating condenser/heat exchanger. Applications where extensive biofouling could occur might pose similar difficulties in preventing crevice corrosion, as observed previousy by others.
Requirements
The present data indicate that the current demand for Doianzation of stainless steel to achieve protection depends
52
2
OF C R E V I C E S
FIGURE 3 — Factors affecting crevice corrosion.
Current
The second factor attectir«g current requirements appears to be the severrf/ o ' the crevice conditions. Current r e quirements were somearnat greater when a multiple crevice assembly was attachee to the stainless steel panels (Table 7) than when no intentioraJ crevices were in existence. This was more pronounced at the tests in 0.1 m/s sea water where the current increased from 0.14 to 0.31 A / m for 304 and from 0.21 to 0.28 A/m for 316 when a multiple crevice assembly was attached. 2
-
2
2
-
-
5i
CURRENT
FILM STABILITY
4
CONVECTION
HYDROLYSIS
FILM
- METAL/MARINE
CREVICE SOLUTION -
IMPURITIES
pH
on two factors. First, it s apparent from the data in Table 9 and from a comparison c ' data <~i Tables 3, 4. and 7 that an increase in sea eate' eeloc ty increases the current requirements for poarizaton. " h i s is evident in comparing the quiescent velocity 3a:a :o that generated in tests at a sea water velocity of 0.4 tc m/s As indicated in Table 9, the current increases stgr-ificarroy or. changing velocity from 0 to 0.4 m/s, but does not charge sigrificantly beyond that. Stainless panels exposed m quiescent s-ea water (Table 7) required 0.18 to 0.19 A/m for p o a n z a i o n *here the data from tests at 0.5 m/s ranged from 0.21 tc 0.52 A m , as shown in Tables 3 and 4. The data in quiescent sea water compare favorably with the earlier work of May anc Humbie in which an applied current of 0.16 Aim was found tc essent ally eliminate attack on 316 SS.
Anode
Consumption
In addition to quantifying the current demands of stainless steel and the surface area that can be protected, it is desirable to quantify tne behavior of the carbon steel anodes. As the area to be protected is increased, the current delivered by the anode is increased. This is reflected by the anode current density values somnarLzed in Figure 4. These values represent averages over n e entire test duration. Figures 1 and 2 demonstrate the range of anode current which may occur. The mittal 5 day period when the current density is low is coincident artrh the "incubation" time prior to the time when initiation of crevice corrosion would be expected for these alloys.' The raced n c r e a s e coincides with anticipated crevice corrosion m me absence of cathodic protection. The exact reasons for the ncrease in anode current are not fully 4
Materials P e r f o r m a n c e
understood but it has been postulated" that an acid chionde solution may continue to develop in a crevice even under conditions of some cathodic protection which prevents any accelerated corrosion within the crevice. An alternative explanation for the current increase may be related to the development of voluminous corrosion products on the carbon steel anode with a resultant increase in current required to polarize the stainless steel. Whatever the cause of the peak current, it is worth noting that a trend to lower anode current densities develops with time. The anode consumption ratios were calculated from the anode weight loss and current density measurements^ The rates at sea water velocities of 0.5 m/s or less range from 7.8 to 12 4 kg/A-y At 3.2 m/s, the anode consumption rates were measured in excess of 15 kg/A-y. There are no consistent correlations between the anode consumption rate and crevice conditions, area to be protected, stainless steel type, or sea water velocity. The observed anode consumption rates are generally around the value for zinc, when cathodically protecting steel in sea water, of 10.7 kg/A-y.' 5
Summary A number of factors can influence the likelihood of crevice corrosion of stainless steels in sea water, including the presence of cathodic protection. Carbon steel or similar less noble alloys in multiaMoy systems often prevent crevice corrosion of otherwise susceptible stainless steels. Testing under a specific set of metallurgical, environmental and geometric conditions has demonstrated the use of carbon steel anodes to prevent crevice corrosion of 304 and 316 SS Carbon steel was effective in ambient temperature sea water at stainless steel to carbon steel area ratios of 10:1. Anode consumption rates of 7.8 to 12.4 kg/A-y were measured. The conditions in the present series of tests are generally considered severe in that crevice corrosion occurred readily in the absence of carbon steel anodes. In that regard, the area ratios and anode consumption rates may represent conservative estimates when applied to other situations where crevice corrosion is less likely. Furthermore, in recognition of the variety of factors which can influence crevice corrosion
susceptibility of stainless steels, caution should be exercised in the extrapolation of the present data to all types of service applications.
References 1. Moller, G. E. The Successful Use of Austen.tic S t a r l e s s Steels in Sea Water, 8th Offshore Technology Conference. Paper No. OTC 2699 (1976). 2. Larabee. C P. Transactions Electrochemical Society. Vol. 87, p. 176 (1945). 3. LaQue. F. L. Corrosion Handbook, edited by H. H. Uhltg, John Wiley & Sons, Inc., p. 172, 413 (1948). 4. May, T. P., Humble, H. A. Corrosion, Vol. 8, p. 50 (1952). 5^ Alexander, A. L, Southwell. C. R., Forgeson, B. W. Corrosion, Vol. 17, p. 345t (1961). 6. Lennox, T. J . , Goover, R. E., Peterson, M. H. Materials Protection, Vol. 8. No. 5, p. 41 (1969). 7. Vreeland. D. C . Bedford, G. T. Materials Protection and Performance, Vol 9, No. 8, p. 31 (1970). 8. Flint. G N. Resistance of Stainless Steels tc Co-rosior in Naturally Occurring Waters. 2nd Span.s C o - o s i o n Congress (May 1976). 9. Todd. B. Selection of Materials for High-Pe aoifty Sea Water Hanai'Pg Systems. Energv Petro-Cnem.cai Engineering 75. Teneran. Iran (May 1975) 10. Anderson. D. B. ASTM STP 5 7 6 - G a l v a n l c a n : Pitting Corrosion, p. 261 (1976). 11. Kain, R. M. Crevice Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steels in Ambient and Elevated Temperature Sea Water. NACE National Conference. 1979. unpublished paper no. 230. 12. LaQue. F. L. Proceedings of ASTM. Vol. 51. c 495 (1951). 13. Oldfield. J . W.. Sutton, W. H. British Corrosion Journal. Vol. 13. p. 13 (1978). 14. Lee. T. S. ASTM STP 727—Electrochemica' C c - o s i o n Testing, p. 43 (1981). 15. NACE Corrosion Engineer's Reference Boo"., edited by R S Treseder, NACE, p. 60 (1980). K
>
53 J a n u a r y , 1983
Bijlage V Fax van Sandvik Nederland, Fax van Sandvik Sweden
1992-05-25
12=28
SflNDUIK NEDERLAND BU
TEL
SANDVIK
FAXNR.
FROM
TO
ui luaee ne OArtec i •
ATTENTION
SUEUECT:
_<5%JUX
<>A^_ jLSft^..
jfejb.,
J>€of-?je
JjZIE^Za^q^ .4.0
{00.
riATC
A . .^ p V » ^ ^
J«wJ£<*£AA.
vs<*
48^11
^.OatA....
& ^ -
~
^ -
CSJ£^0^<&SS.
Adnjs SANDVIK NEDERLAND 6.V. POSTBUS 2*8 3100 AE SOHlgOAM •3-GKAVaANOSeWEQ 401 - 3125 6J SCHIEDAM 1
Qlro
TeHoon
Teiex
Tfljiefex
(010)209 02 03
212C4
(010)437 37 80 543664
Ear*
HanfjatJTBOtstw
ABN P'DAM REKNR.60.a3.7O.O01
ROTTERDAM • NB. 214689
1992-05-25
construction
and
cathodically
protected
embrittlement cathodic
of
carbon
s ^ l ? * * * * ^ ^ and
duplex
» ^
StaSL^nf I e r r " ? c
*
w g « P » » « [
Pr^JiSn^X^
S ^ i ? ^ s t r o About the r i s to other s t a i to the gates
31 104377207
SflNDUIK NEDERLAND BU
12:28
n g ~ ^ ^ f ^ S S k for gjlvanie c n l e s s s t e e l s . If th and no c o n n e c t i o n s
B
s
e
t
o
hydrogen £
o
b e
steels S o ere the
£
u
t
r
is coupling t o *
" i ^ ^ o r s
£ai»J~.
a
~
are
a
also
l ^ j 7 is " nc is a risK tor gai l
v
»
a
t
the
r o b l e
*'
to
a
n
i
c
an
c o r r o s i o n i s v e r y low. h o d i c protection The answer t o t h e q u e s t i o n about catnoaic no c a t h o d i c p r o t e c t i o n is necessary. c
g
comparable o f 20 cm
J;?, « a
n
prone
1
g
o
is
that
P.02
1992-05-21
13=40
31 104377207
SANDUIK NEDERLAND BU
P.01
FAXBERICHT
FAXNUMMER
AFZENOER
AAN
AANTAL 8LA0EN
REFERENTIE
8ESTEMD VOOR
DATUM
«2I. b. 1992
tei.aanvraag
~HT. P. Boersma
Aanbieding :... E. 92. 29.0.
BETREFT:
wij
070 - 387 68 32
Jose Hordijk
R.W.S. Bouwdienst
danke'n u voor""uw aanvraag en bledan a l l ^ v o l g t v r i J b X l j v n d
-aan
R V S .plaat-..SAE-.25a7 , gegloeid, t o l - volgens. ASTM A ..4.80.,_ a t t e s t volgens DIN 50049/3 . IB. _ (3 . 9. ^ ,/afw-. f
3
T o t a a l 4 ton :
afm..?_.5P00 x. 4 00 X...12 mm.
fl/st.
J
• afm,-;--5OO0-X-200.-X 12 mm.
4550.-
Zju.JjM *
f l / s t . 2550.=.
. ---0>m
- ...—-^ r
; if. ". xc ., .. "Levering
" T ' f r a h k o uw adres, e x c l . B.TTW.,
Levertijd
: 16 weken na opdracht o.o.v.
Betaling
: netto, binnen 30 dagen na faktuurdatun._
.WXj-vertxouwen-da-t._u van onze aanbieding. gebruik..kunt. maken.
Met" vri'e'ndel i j ke groet,
Adrw SANDVIK NEDERLAND B.V. POSTBUS 2*8 • 3100 AE SCHIEDAM
Telefoon
Tefcx
Tsjitfu
(010)203 02 08
2120*
(010)437 37 80
Bank 54366*
Handelsregister
ASN R'DAM
ROTTERDAM
aev NO«n<w7nnrii
NR ?1*AftO
TDTAL P.01
Bijlage VI Enkele artikelen uit het mededelingenblad van: stichting materiaalonderzoek in de zee. -Praktijktoepassingen van aluminiumlagen in zeewater. -Vloeibare vormgeving: Een oeroude techniek met ongekende mogelijkheden voor de toekomst. ing. J. A. Meeuwissen. -Non-ferrolegeringen voor toepassing in marien milieu, ir. D. Bakker.
MEDEDELINGENBLAD november/december 1991
j a a r g a n g 17 n r .
6
B e v a t t e n d e de s y l l a b u s van de M a r i t i e m e M a t e r i a l e n d a g 91 Gehouden op 10 december 1991 t e D e l f t .
STICHTING MATERIAALONDERZOEK IN DE ZEE FOUNDATION
F O R M A T E R I A L S R E S E A R C H IN T H E S E A
Redaktieadres: S t i c h t i n g M a t e r i a a l o n d e r z o e k i n de Zee p/a T . U . - D e l f t , a f d . Materiaalkunde Rotterdamseweg 137 2628 AL DELFT t e i : 015-784725 f a x : 015-786730
I
aanwezig is, heeft geen aanleiding gegeven tot een afwijkend corrosiegedrag. Hiermee is aangetoond dat uit corrosieoverwegingen het mogelijk is om bestaande constructies te voorzien van een beschermlaag van aluminium. Voor de combinaties met de organische toplagen geldt: O Polyurethan geeft blaarvorming in combinatie met de metallieke ondergronden. De blaai^orming is het ernstigste op zink. Bij Zinkal wordt alleen blaarvorming aan de randen gevonden bij de laatste keuring. 0 Ook chloorrubberacrylaat geeft blaarvorming bij langdurige expositie, vooral met zink als ondergrond. Op Zinkal en aluminium is de blaarvorming alleen bij de randen en kras. 0 Koolteerepoxy geeft op aluminium en zink blaarvorming in immersie en in eb- en vloedzone, de blaarvorming begint vanaf de randen en de krassen en is in 3 jaar over het gehele proefvlak. Op Zinkal geeft koolteerepoxy geen blaarvorming, bij de randen wordt Zinkal plaatselijk aangetast (tot onder de verflaag). 0 High build chloorrubber is alleen beproefd in combinatie met aluminium en Zinkal, in beide gevallen onthecht de organische laag. 0 Bij Staal beschermd door zinksilicaat met koolteerepoxy als top coat, is corrosie te vinden op de randen en in de krassen zowel in immersie als in de eb- en vloed zone. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de organische toplagen die in dit project getest zijn als zodanig niet geschikt zijn in combinatie met de betreffende metallieke onderlaag.
De platvorm is van het type "Tension Leg Platvorm", waarbij de constructie verankerd is op draagelementen (figuur 5). De poten van de platvorm zijn zodanig samengesteld dat zij voor de verankering zorgen en span-
produktiepijpen
PRAKTUKTOEPASSING VAN ALUMINIUMLAGEN IN ZEEWATER Met toepassingen van metallieke deklagen voor het beschermen van staal in de atmosfeer wordt men dagelijks geconfronteerd. Toepassing op objecten in de zee komen ook steeds vaker voor. Ter illustratie wordt hier een van de meest markante voorbeelden gegeven van de toepassing van vlamgespoten aluminium. Het betreft onderdelen van een produktieplatvorm in het Hutton veld . 67)
Figuur 5:Hutton "Tension-leg platform", aangegeven zijn de onderdelen waarbij aluminiumlaag als coating is toegepast voor de corrosiebescherming.
-50-
6
sie waargenomen '. Alleen op sommige onderdelen van de dragers, die niet in immersie waren geweest was sprake van lichte blaarvorming. Blaarvorming zowel van de sealer (vinyl) als van het aluminium. Blaren in het aluminium zijn ook waargenomen bij sommige onderdelen, die alleen opgeslagen zijn geweest. Door onderzoek * is de vorming van de blaren toegeschreven aan een synergistisch effect tussen de voorbehandeling (stralen met aluminiumoxide, waarbij wat verontreinigingen aanwezig zijn geweest) en het afdichten met de vinyl sealer. Onderdelen waarbij een silicone sealer met aluminium als pigment is toegepast bleken geen gebreken te vertonen. De algemene conclusie hierbij is dat de aluminium lagen zeer goed voldoen. Als grote voordelen worden genoemd de combinatie van de barriere werking en de kathodische bescherming. De snelheid waarmee het aluminium oplost is zeer laag, waardoor verwacht wordt dat de gewenste levensduur gemakkelijk wordt gehaald '. Volgens de Copper e.a. ' zijn bovendien de kosten lager dan de conventionele oplossing van zink anodes met epoxy coating.
ningen kunnen opvangen (tension leg components), per hoekpunt zijn er 4 dragers. Vlamgespoten aluminium als bescherming in zeewater is toegepast op de stalen onderdelen van de draagconstructie en van de produktiepijpen, de gewenste levensduur van de constructie is 20 jaar! Conventionele bescherming zoals combinatie van coatings en kathodische bescherming zijn in dit geval minder geschikt: coatings vanwege de moeilijke constructie en het gevaar voor beschadigingen tijd*ens vervoer en montage, kathodische bescherming door bevestigingsproblemen Oassen van hoge sterkte staal soorten). Het platvorm is neergezet in 1984. De onderdelen voorzien van aluminium zijn blootgesteld geweest aan de meest uiteenlopende corrosieve omstandigheden: immersie in zeewater, spatzone, eb- en vloedzone en zeewateratmosfeer. Bij de produktiepijpen kwam een extra factor bij: de buitenkant kan temperaturen bereiken van 80 °C. Wegens de revolutionaire constructie was al vooraf besloten om na 2 jaar een complete drager te vervangen om de oude goed te kunnen inspecteren. Bij de inspectie is nergens corro-
6
6)
6
5
LITERATUUR R KreienbM, P.Kunzmann, K.Widmer; "Corrosion protection by arc^sprayed ^uniinium: new developments",Proceeding of the 8th International Thermal Spraying Conference, (1976), biz. 436MJ Round; "The development and Use of Electric Arc Sprayed Aluminium Coatings for corrosion protection", Proceeding of the 9th International Thermal Spraying Conference, (1980), ft wS "Karakterisering vlamgespoten lagen in het kader van het SMOZ-project Metallieke La39
T'BldSZZ, TTj^nbVg,
M. RUkhoff; "Produktgedrag van bandgeverfde materialen in maritieme omgeving", voordracht gehouden voor Studiekern Corrosie op 28 maart 1990.
DCyarVon;
^ b r n e ^ a y e d aluminium coatings for corrosion control of the Hutton tension leg
comoonents" ANTI-CORROSION, Juli 1986. 6)
T^osbrook/W.H.
Thomason, J.D.Byrd;
"Flame-Sprayed-Aluminium Coatings Used on subsea
Components", Coatings & Linings, September 1989
-51-
Vloeibare Vormgeving: een oeroude techniek met ongekende mogelijkheden voor de toekomst. door ing.J.A.
Meeuwissen
(Directeur Van Voorden Gieterij B.V.-Zaltbommel)
BEGRTPSBEPALING Deze lezing heeft betrekking op het onderwerp Vloeibare Vormgeving. Wellicht een enigszins onbekend begrip. Toch worden wij dagelijks geconfronteerd met produkten die het resultaat zijn van deze vormgevingsmethode. Om de methode goed te kunnen plaatsen in het geheel is een overzicht van de diverse vormgevingstechnieken van belang. In figuur I is aangegeven, dat we grofweg 3 hoofdstromen onderscheiden bij de vormgeving van metalen. De keuze van vormgevingsmethode staat nooit op zichzelf, maar dient te geschieden in onderlinge afhankelijkheid met de materiaalkeuze. Deze stellingname wordt in de loop van mijn betoog verder onderbouwd. -Opkomst van substitutes Hierbij ligt het accent op kunststoffen.
HISTORIE Van de genoemde vormgevingstechnieken is de vloeibare vormgeving zondermeer de oudste. Zo zijn er bijvoorbeeld 2-delige vormen gevonden voor messen en hakbijlen, waarvan de oorsprong geschat wordt op 3.000 jr. voor Christus. Een ander voorbeeld treft u aan in figuur 2, het bronzen standbeeld van Lodewijk de XIV. Met recht wordt in de aanhef van deze lezing dan ook gesproken over een oeroude techniek. Door het ontbreken van andere vormgevingstechnieken werd vrijwel alles met een enigszins ingewikkelde vorm gegoten. Vele dorpen en zeker iedere stad hadden hun eigen gieterij. Slechts hier en daar vinden we nog wat terug uit die periode, zoals bijvoorbeeld pannen, deurbeslag, stortbakken of straat-meubilair.
-Ontwikkeling van andere vormgevingstechnieken (verspanen en plastisch vervormen). -Opkomst van lastechniek als verbindingsmethode. Hierdoor kunnen gecompl iceerde vormen worden gerealiseerd door delen samen te voegen. De ontwikkeling van de lastechniek is nog zeker niet ten einde.
NEERGANG De laatste decennia is echter de neergang in de gieterijbranche ongekend hevig geweest. In Nederland zijn er geen 50 gieterijen meer met meer dan 20 medewerkers. Voor velen is gieten een onbekende en achterhaalde techniek geworden. Het ontbreken van gieterijtechniek in vele lespakketten heeft dit proces ook nog eens versneld. Een zorgvuldige analyse van dit neergangsproces is van groot belang. De lessen uit het verleden kunnen in dit verband een goede basis vormen voor de toekomst. Bij de analyse dient onderscheid gemaakt te worden tussen interne en externe factoren. Externe factoren:
-13-
Fig.2 Bronzen standbeeld van Lodewijk de XIV compleet met ingiet-kanalen en aansnijdingen.
DE WEG TERUG Interne factoren: Het betreft hier oorzaken, die de gieterijwereld zelf heeft voortgebracht. -Het leveren van een matige tot slechte kwaliteit. De toenemende sterkte-eisen aan machineonderdelen maakten homogene gietstukken noodzakelijk. Hieraan kon o.a. in verband met vormgeving en legeringskeuze lang niet altijd worden voldaan. -Een beperkte keuze in beschikbare legeringen. Het accent lag op grijs gietijzer en ongelegeerd gietstaal. -Onvoldoende leverbetrouwbaarheid. Door geringe procesbeheersing en een hoog afkeurpercentage waren levertijdoverschrijdingen eerder gewoonte dan uitzondering. -Hoge prijs in relatie tot geleverde kwaliteit. De oorzaak lag vooral in een matige beheersing van de efficiency. Het bovenstaande vormt wel een somber beeld van de gieterij-industrie in de afgelopen decennia. Uiteraard spreek ik hier over een algemene tendens. Gelukkig zijn er ook positieve uitzonderingen geweest. Algemeen gesteld, kan de periode echter worden omschreven als uiterst ambachtelijk, weinig efficient en zeker niet innoverend. Bovendien was er van samenwerking in de branche weinig sprake. Ieder voor zich was het devies.
BRANCHE-OMVANG Aan de hiervoor omschreven neergang is sinds het einde van de jaren tachtig een einde gekomen. Het evenwicht in de markt met betrekking tot vraag en aanbod lijkt zich hersteld te hebben en de branche begint zich te herstellen. De oorzaken van deze omwenteling wil ik u graag toelichten. Daaraan voorafgaand geef ik u eerst middels wat cijfers een indruk van de omvang van de branche. Zie figuur 3. Duitsland was en is het gieterijland bij uitstek. De situatie hier wordt weergegeven in bijlage 1. De automobielindustrie is hier de grootste afnemer met een aandeel van maar liefst 42%. Opvallend is eveneens de toename van de produktie van nodulair gietijzer. Dit is een wereldwijde tendens die ik u hierna nog zal toelichten.
-15-
De techniek van vloeibare vormgeving is niet bij toeval begonnen aan een periode met nieuwe kansen en mogelijkheden. Een aantal elementen die hieraan hebben bijgedragen wil ik u noemen. Kennis hiervan geeft o.a. een beter inzicht in de toepassingsmogelijkheden van gegoten produkten in een marien milieu. Efficiencvverhoging. De gieterijen hebben fors gei'nvesteerd om een technologische achterstand in te halen. Dit geldt voor de seriegieterijen en in mindere mate ook de handvormgieterijen. Er zijn kapitaalintensieve ondernemingen ontstaan met hoogwaardige produktie- en controle-apparatuur. Door efficiencyverbeteringen is de prijs/kwaliteitverhouding gunstiger geworden. Door speciaal voor de branche ontwikkelde produktiebesturingssystemen is ook de leverbetrouwbaarheid toegenomen. Toename van de flexibiliteit. Snelle middelfrequent inductie-ovens verdringen in toenemende mate koepelovens en netfrequent inductie-ovens. De flexibiliteit is hierdoor gigantisch gestegen. Het produceren van meerdere charges per dag in diverse legeringssamenstellingen behoort nu tot de mogelijkheden. Waar de meeste gieterijen zich oorspronkelijk beperkten tot een of twee legeringen, kan men nu een veel breder pakket gaan voeren. Voorwaarde is wel dat men beschikt over spectraalanalyse apparatuur. Ook het kunnen uitvoeren van warmtebehandel ingen is van toenemend belang. De rollen zijn nu omgekeerd. Niet de gieterij dicteert het materiaal, maar de markt specificeert haar eisen en behoeften. . De ontwikkeling van nodulair gietiizer. Uit de eerder genoemde cijfers komt de positieve ontwikkeling van dit materiaal duidelijk naar voren. Dit proces is al gaande vanaf het moment dat het materiaal in 1947 wereldkundig werd gemaakt. De nog steeds groeiende vraag is volstrekt begrijpelijk. Nodulair gietijzer is perfect gietbaar, heeft een goede oppervlaktekwaliteit en heeft aantrekkelijke mechanische eigenschappen (zie bijlage 2). Wij vinden deze ontwikkeling terug in de produktie van kabel trommels. Deze werden oorspronkelijk gegoten in grijs gietijzer en daarna werden ze vrijwel uitsluitend gelast. Sinds enige jaren worden trommels nu weer gegoten, maar nu wel in nodulair gietijzer. Een goede kwaliteit voor een aantrekkelijke prijs ligt aan deze beslissing ten grondslag.
Opleiding. De gieterijwereld in Nederland heeft weer een volledigopleidingsprogramma.Debasisopleidingen zijn opgenomen in het SOM-programma. Daarnaast zijn er applikatiekursussen op M.B.O.- en H.B.O.niveau. Computerondersteund ontwerpen van pietsvstemen. Het produceren van een gietstuk lijkt niet meer te zijn dan het simpel vol gieten van een holte. De werkelijkheid is evenwel anders. Tijdens de stolling moet voldoende voeding aanwezig zijn om de slink op te kunnen vangen. Ook moet het gietstuk regelmatig stollen om poreusiteiten te voorkomen. Dit is in feite alleen mogelijk indien de verhouding tussen volume en oppervlak in het gehele gietstuk gelijk is. Dit is veelal nooit het geval. Isoleren of kunstmatig koelen kunnen dan uitkomst brengen. Deze stollingspatronen kunnen in rekenkundige modellen worden vastgelegd, op basis waarvan gietsystemen zijn te bepalen. Inmiddels zijn er ook computerprogramma's ontwikkeld voor een visuele weergave van stollingssimulatie (figuur 4). Aan de hand van een gekozen aansnijdings- en voedingsmethode wordt zichtbaar gemaakt waar in het gietstuk poreusiteiten zijn te verwachten. Op basis hiervan kunnen vooraf corrigerende maatregelen worden genomen. Deze ontwikkeling zal het kwaliteitsniveau van het gegoten produkt verder doen toenemen. fiieterijcentrum. Na het opheffen van het Gieterijcentrum als onderdeel van T.N.O.-Metaalinstituut, miste Nederland een centraal punt voor Research & Development. Sinds 1988 is er echter een samenwerkingsverband opgezet tussen de branchevereniging van de Nederlandse gieterijen en het Belgisch Gieterijcentrum. Dit laatste is een onderdeel van de universiteit te Gent.
aal zien te verwerven met de gewenste eigenschappen en dan moet u nog zien dat u aan de gewenste vormgeving komt. Bij gietwerk worden vormgeving en materiaaleigenschappen gecombineerd. Ook experimenteren met legeringssamenstellingen is hierbij goed mogelijk. Dit is van groot belang, daar het vinden van een goede corrosiebestendigheid vaak ook een kwestie van "trial and error" is. En u kunt wel een gieterij vragen om 250 kg van een afwijkend materiaal te gieten. Maar probeert u maar eens 250 kg plaatmateriaal met een afwijkende samenstelling te bemachtigen. Los nog van het feit dat het lassen van afwijkende legeringssamenstellingen lang niet altijd probleemloos verloopt. De behoefte aan nieuwe materialen geeft de gieterijen extra levensvatbaarheid. Om u dat aan de hand van een aantal voorbeelden duidelijk te maken, neem ik u tenslotte mee naar de dagelijkse praktijk van Van Voorden Gieterij.
DAGELIJKSE PRAKTIJK Van Voorden Gieterij beseft dat het samenspel van vormgeving en materiaaleigenschappen in het gegoten produkt uniek is. Daarom produceert zij een breed pakket legeringen waarin de volgende hoofdgroepen zijn te onderscheiden: Brons
-Mangaanbrons -Nikkelaluminium brons
Gietijzer
-Lamellair -Nodulair -Austenitisch -Slijtvast
HET GEGOTEN PRODUKT IN EEN MARTEN MILIEU Materialen in een marien milieu dienen op zijn minst corrosiebestendig te zijn. Vaak echter is ook erosiebestendigheid van groot belang. Bijzondere legeringssamenstellingen zijn veelal noodzakelijk. In dit soort situaties is vloeibare vormgeving ideaal. De gewenste materiaaleigenschappen kunnen hierbij als het ware worden ingebakken in de vormgeving. Ik hoop dat u beseft dat hier een unieke combinatie aanwezig is. Zonder vloeibare vormgeving moet u eerst materi-
Fig. 4 Computersimulatie stollingspatroon
-16-
Gietstaai
het kader van de P.B.T.S.-regeling. Naast erosieve slijtage krijgt de baggerwereld ook in toenemende mate te maken met corrosieve slijtage. Te denken valt hierbij o.a. aan het baggeren van havenslib. Voor dit zogenaamde milieubaggeren maakt men in toenemende mate gebruik van gegoten pomponderdelen in roestvaststaal. Ook hier zien we weer dat materiaaleigenschappen ingebakken kunnen worden in de vormgeving.
-Algemeen gebruik -Verbeterde Iasbaarheid -Veredelingsstaal -Gebruik bij lage temperaturen -Warmvast -Hittevast -Slijtvast
Roestvast -Austeniet struktuur -Ferriet / Martensiet struktuur -Ferriet / Austeniet struktuur
Het standaardpakket bestaat nu uit ± 80 legeringen en op verzoek worden hier nog regelmatig nieuwe materialen aan toegevoegd. Alle produkten worden geproduceerd in zand als handvormgietwerk. Tevens wordt centrifugaal gietwerk geproduceerd door Metagis B.V. te Ridderkerk. Deze deelnemer aan het S.M.O.Z.projekt Nieuwe Koperlegeringen is gelieerd met Van Voorden Gieterij. Voor toepassing in een marien milieu worden de volgende produkten vervaardigd: A. Scheensschroeven Een produkt bij uitstek, daar waar het een combinatie betreft van complexe vormgeving en een hoogwaardig materiaal. De onderneming produceert schroeven tot een diameter van 4.000 mm. In 'een zoutwatermilieu wordt vrijwel uitsluitend Nikkelaluminiumbrons toegepast. bijlage 3 toont de chemische samenstelling en de mechanische eigenschappen. Vooral het hoge rekpercentage van 20% is van belang. Hierdoor kan een grote bladvervorming optreden, zonder dat er sprake is van breuk, Reparatie is daardoor goed mogelijk middels warm of koud vervormen. Het materiaal is bovendien goed lasbaar. fi. Onderdelen voor baggernompen Deze onderdelen worden veelal geproduceerd in hooggelegeerde witte gietijzers. Slijtvastheid komt vooral tot stand door de vorming van chroomcarbiden (zie bijlage 4). Van Voorden Gieterij heeft als specialist op dit terrein de afgelopen 25 jaar een wezenlijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van dit soort materialen. Begin dit jaar hebben wij opnieuw een studieprojekt gestart. Het accent ligt hierbij vooral op de verbetering van de mechanische eigenschappen. De onderneming wordt hierbij gesteund door een subsidiebijdrage in
-17-
C.Onderdelen voor offshore en chemische industrie De opkomst van duplex stalen is hier ongekend. Deze soorten hebben een grondmassa die voor 50% bestaat uit ferriet en voor 50% uit austeniet. Zeer goede mechanische eigenschappen worden in dit materiaal gecombineerd met een uitstekende corrosievastheid. Verder is het materiaal goedkoper dan de superaustenitische soorten vanwege het lagere nikkelgehalte. Ook is de thermische uitzetting gering. Twee maanden geleden werd in Frankrijk een 3daags seminar over duplexen georganiseerd. Uit de hele wereld waren 600 specialisten bijeengekomen om de unieke eigenschappen van dit materiaal te bespreken. Unaniem prees men duplex als het materiaal voor de toekomst. Produktie ervan is echter niet eenvoudig. Er is een groot risico van ongewenste eigenschappen en/of de vorming van de sigma-fase. Inmiddels hebben wij met succes diverse onderdelen in duplex geproduceerd. Momenteel zijn wij betrokken bij de voorbereiding van onderdelen voor diverse ontzwavelings-installaties. In de off-shore wordt overigens ook veel gebruik gemaakt van Nikkel-aluminiumbrons. Bekend is evenwel dat hier het risico aanwezig is van selectieve corrosie, indien het zeewater sulfide sporen bevat.
SLOT Het inzetten van materialen in een marien milieu vraagt in zijn algemeenheid complex gelegeerde materialen. Indien dan ook nog een minder eenvoudige vormgeving gewenst is, geeft de techniek van vloeibare vormgeving ongekende mogelijkheden. Ik hoop u met bovenstaand betoog daarvan een indruk te hebben gegeven.
Delft, 10 december 1991
Non-ferrolegeringen voor toepassingen in marien milieu door ir. D.Bakker Corrosielaboratorium van het Koninklijk instituutvoor de marine Den Helder (tot 1/9/91)
1. INLEIDING. De aanduiding "marien milieu" geeft weinig informatie omtrent de agressiviteit van dit milieu: deze kan varieren van vrij mild tot zeer agressief. Dit verklaart het grote aantal legeringen dat toegepast kan worden in een marien milieu; het maken van een optimale materiaalkeuze is daarom niet eenvoudig. In dit artikel beperk ik mij tot koper-, nikkel- en tiaanlegeringen voor toepassingen in zeewater. Zeewater is een complex mengsel van opgeloste zouten en gassen, gesuspendeerde vaste deeltjes, organisch materiaal en een ontelbaar aantal micro- en macro-organismen [11]. De koperlegeringen vormen nog steeds de belangrijkste groep non-ferrolegeringen voor toepassing in zeewater. De nikkel- en titaanlegeringen worden vooral toegepast indien zeer hoge eisen worden gesteld, bijvoorbeld aan de sterkte en of de weerstand tegen corrosie. De zeewaterbestendige alumiumlegeringen kunnen alleen in bijzondere gevallen worden toegepast in zeewater, omdat de kans op galvanische corrosie bij deze onedele legeringen groot is. Non-ferrolegeringen worden o.a. toegepast in leidingsystemen, pompen, warmtewisselaars, ontziltingsinstallaties, alscladding materiaal voorcorrosiebescherming en of aangroeiwering en voor bevestigingsmiddelen. Een goed ontwerp is van essentieel belang om corrosie,aangroei, vervuiling en niet geplande reparaties te voorkomen. Tijdens de ontwerp-fase van zeewatersystemen dient men uiteraard veel aandacht te besteden aan deze punten. Bovendien is net heel belangrijk dat het plan-onderhoud al voor de ontwerp-fase wordt vastgelegd. Het planonderhoud moet m.i. een onderdeel zijn van het bestek, omdat dit een belangrijke invloed moet hebben op de materiaalkeuze, de corrosiebescherming en aangroeiwering.
2. KOPERLEGERINGEN. 2 J Inleiding Koperlegeringen worden vanaf de eerste ontwikkelingen in de maritieme technologie toegepast, dankzij de bijzondere eigenschappen van deze legeringen zoals een grote weerstand tegen corrosie, goede geleidbaarheid voor warmte en uitstekende technologische eigenschappen. Bovendien hebben koper en een aantal koperlegeringen bijvoorbeeld CuNilOFelMn een grote weerstand tegen aangroei. De weerstand tegen aangroei wordt steeds belangrijker, daar aangroeibestrijding, bijvoorbeeld door middel van chlorering, niet strookt met het huidige beleid betreffende de milieubescherming. Bovendien worden rivieren en kustwateren steeds schoner ten gevolge van dit milieubeleid, waardoor de aangroeiproblemen toenemen. Dit heeft weer tot gevolg dat de corrosieproblemen zullen toenemen. De invloed van aangroei en afzettingen op het corrosiegedrag van nikkelalurniniumbrons zal ik in par. 2.2 als voor-
beeld bespreken. Koper heeft een zeer lage weerstand tegen corrosie-erosie. De maximaal toelaatbare zeewatersnelheid is ca. 0,6 m/s. Deze snelheid is echter te laag om de vorming van afzettingen te voorkomen. De weerstand tegen corrosie-erosie kan door legeren aanzienlijk worden verbeterd. Toch blijft de relatief lage weerstand tegen corrosieerosie een zwak punt van de koperlegeringen, omdat in de praktijk de watersnelheden plaatselijk vaak te hoog zijn. De te hoge snelheden kunnen het gevolg zijn van het ontwerp. Door toepassing van grotere watersnelheden kan men kleinere, lichtere en "goedkopere" systemen ontwerpen. De te hoge snelheden kunnen ook het gevolg zijn van te korte bochten, restricties, slordig gemonteerde pakkingen enz. Het is ook mogelijk dat het water een hoog slibgehalte bevat ( abrasieve deeltjes ). Het gevolg is dat de betreffende koperlegering, bijvoorbeeld aluminiummessing, onterecht een slechte naam krijgt en niet meer of
Voor toepassing in zeewatersystemen komt alleen nikkel aluminiumbrons in aanmerking indien het materiaal niet voldoende kathodisch wordt beschermd. Voor dergelijke toepassingen is AB 1 niet geschikt. De microstructuur van nikkelaluminiumbrons, bijvoorbeeld AB 2 volgens BS 1400, bestaat uit de alfa-fase, de beta-fase die bij afkoeling overgaat inbeta martensiet en intermetallische kappa-fasen. De vorming van de kappa-fasen onderdrukt de vorming van de zeer ongunstige gamma 2-fase, ook bij zeer langzame afkoeling vanuit het (alfa + beta)-gebied. Zie fig. 2 en 3 en tabel 1.
veel minder wordt toegepast. Aluminiummessing ( Cu Zn 20 Al 2 ) is nog steeds bijzonder geschikt voor toepassing in zeewater. Dit materiaal heeft een zeer homogene, 6en-fasige microstructuur en is niet gevoelig voor ontzinking. De kopernikkellegeringen en de koperaluminiumlegeringen vormen momenteel de belangrijkste groepen koperlegeringen voor toepassing in zeewater. 2.2 Koneraluminiumlegeringen. Deze zogenaamde aluminiumbronzen hebben goede mechanische eigenschappen en een grote weerstand tegen corrosie-erosie. Het corrosiegedrag hangt o.a. sterk af van de microstructuur. De legeringen met maximaal 7 % Al zijn eenfasig. Dit zijn kneedlegeringen. De legeringen met meer dan 7 - 8 % Al hebben een meerfasige complexe microstructuur. Deze legeringen kunnen zowel als kneed- en als gietlegering geleverd worden.
Cu Aluminiumbrons AB 1 Nikkelal. brons AB 2
Al Fe Ni Mn Si
bai. 8,7 3,2
- 0,02 0,18
bai. 9,4 4,4 4,9 1,20 0,07
Tabel 1. Gemiddelde chemische samenstelling in gew. % van AB 1 en AB 2 volgen BS 1400.
De meerfasige aluminiumbronzen met ca. 3% Fe, bijvoorbeeld AB 1 volgens BS 1400, moeten vanuit het (alfa + beta) gebied voldoende snel worden afgekoeld, zodat de vorming van de brosse •gamma 2-fase wordt onderdrukt. Deze gamma 2-fase heeft niet alleen een ongunstige invloed op de mechanische eigenschappen, maar ook een zeer ongunstige invloed op de weerstand tegen corrosie. De beta-fase is onedeler dan de alfa-fase en de Fe3Al-fasen (in veel mindere mate dan de gamma 2-fase) en zal in zeewater preferentieel worden aangetast.Zie fig. 1 -
De beta martensiet en de alfa-fase van het (alfa + kappa III) eutectoide worden in zeewater preferentieel aangetast [1]. Lassen heeft een ongunstige invloed op de weerstand tegen corrosie. De warmte beinvloede zone naast de las wordt in zeewater preferentieel aangetast. Tijdens het lassen lossen de kappa-fasen gedeeltelijk op in de alfa-fase en vormen hiermee beta-fase die bij afkoeling overgaat in beta martensiet. De aantasting is het emstigst in die delen van de WBZ
20fim
flg.l Gietstruktuur van ijzerhoudend aluminiumbrons ABl.De alfa-fase is wit, beta martensiet is grijs en de kleine zwarte deeltjes in de alfa- en beta-fase zijn uitscheidingen van Fe3Al fl].
.
fig, 2. Gietstructuur van nikkelaluminiumbrons AB 2. De alfafase is wit, beta martensiet is zwart en de kappa fasen zijn donker grijs (zie fig. 3). De kappa 1-fase ontbreektfl].
-6-
waarin zich een smalle, continue band beta martensiet heeft gevormd [1]. Deze nadelige invloed van lassen op de weerstand tegen corrosie van de WBZ kan men indien nodig opheffen met een gloeibehandeling. Nikkelaluminiumbrons is ook gevoelig voor spleetcorrosie indien het materiaal niet voldoende kathodisch wordt beschermd. Jones en Rowlands [2] hebben de selectieve aantasting van de kappa JJI-fase ten gevolge van- spleetcorrosie onderzocht. Spleetcorrosie kan optreden onder zeepokken of andere biologische aangroei, onder afzettingen van vuil, of in spleten onder pakkingen of O-ringen enz. Uit dit onderzoek bleek het volgende: In zeewater met pH 8,2 is de kappa III fase edeler dan de omringende alfa-fase, echter in zeewater met pH 3 is de kappaffl-faseonedeler dan de omringende alfa-fase. Het spleetcorrosieproces verloopt als volgt: Gedurende een lange, circa 5 maanden durende initiatieperiode vindt een zeer langzame preferentiele aantasting plaats van de alfa-fase die de kappa m-fase omringt.Tijdens dit proces daalt de pH. Bij circa pH 3 is de kappa Ul-fase onedeler dan de alfa-fase en wordt de kappa IJJ-fase versneld aangetast. De aantasting vindt versneld plaats in verband met het kleine anodische oppervlak t.o.v. het grote kathodische oppervlak van de alfa-fase. Zie fig.4; het onderzochte materiaal was Cu Al 9 Ni 5 Fe 4,5 Mn 1.
De slechts matige weerstand tegen aangroei ten gevolge van de A1203 huid vergroot de kans op schade ten gevolge van spleetcorrosie. 2.3 Konernik*eHegeringen. De kopernikkellegeringen vormen de belangrijkste groep van de koperlegeringen voor toepassing in marien milieu. Deze legeringen werden al omstreeks 1920 toegepast als pijpmateriaal voor scheepscondensors. De drie belangrijkste legeringen uit deze groep zijn: Cu Ni 10 Fe 1 Mn, Cu Ni 30 Mn 1 Fe en Cu Ni 30 Fe 2 Mn 2. De nieuwe legering Cu Ni 30 Cr 2,6 Mn 0,6 0 (C 71900) heeft evenals de bovengenoemde legering met 2% Fe en 2% Mn een verhoogde weerstand tegen corrosie-erosie.
CONVCNTlONALLT CAST CONVENTIONAL!? CAST N T . l K f t COOL fCImm CONVENTIONALLY CAST MT. 8IO*C COOL OS*C/min. CONVENTIONALLY CAST HT 675*C AIR COOL CONTINUOUSLY CAST
a
K
K QJ
mar tanatta
Fig. 3 Schematische tekening van de microstructuur van gegoten AB 2 waarin de alfa-fase, beta martensiet en vier kappa fasen zijn aangegeven Ph
Fig. 4 Diepte preferentiele aantasting ten gevolge van spleetcorrosie als functie van de tijd (na een initiatieperiode van ca. 5 maanden). Materiaal Cu Al 9 Ni 5 Fe 4,5 Mn 1, conventioneel- of continu gegoten, met of zonder de aangegeven warmtebehandeling [2].
Invloed van het ijzergehalte. Uzer wordt aan kopernikkellegeringen toegevoegd om de weerstand tegen corrosie-erosie te verbeteren. Zie fig. 5. Een te hoog ijzergehalte heeft een nadelige invloed op de weerstand tegen lokale corrosie bij lage of zeer lage watersnelheden.Zie fig. 6. Invloed van het tin-, aluminium- en chroomgehalte. Deze elementen hebben een gunstige invloed op de mechanische eigenschappen en het corrosiegedrag van kopernikkellegeringen. Cu Ni 9 Sn 6, Cu Ni 10 Sn 8 Nb en Cu Ni 15 Sn 8 zijn voorbeelden van kopenukkeltin-legeringen met hoge sterkte.Aluminium en chroom verbeteren de beschermende werking van de gevormde huid corrosieproducten op kopernikkellegeringen. De weerstand tegen spleetcorrosie zal echter afnemen indien de invloed van deze elementen op de beschermende huid te groot wordt. Daarom heeft de studiegroep non-ferrometalen van de SMOZ gekozen voor een experimented Cu Ni 10 legering met een vrij laag Al-gehalte van 1,5 - 2,0
Weerstand tegen aangroei. De weerstand tegen aangroei is een zeer belang rijke eigenschap. De legering Cu Ni 10 Fe 1 Mr. combineert een goede tot zeer goede weerstano tegen algemene en locale corrosie met een uitstekende weerstand tegen aangroei. Het bekleder. van de huid van schepen kan daarom een belangrijke toepassing worden van Cu Ni 10 Fe 1 Mn [16]. Belangrijke besparingen op brandstof- en onderhoudskosten kunnen hiermee op zeer milieuvriendelijke wijze worden gerealiseerd. Bovendien is kathodische bescherming van de scheepshuid niet nodig, zelfs ongewenst, omdat de aangroeiwering afneemt naar mate de kathodische bescherming toeneemt. Het zal niet altijd mogelijk zijn om te voorkomen dat de kopernikkel-beplating kathodisch wordt beschermd door de staalconstructie. Een mogelijke oplossing is het bekleden met neopreen waarin Cu Ni 10 Fe 1 Mn deeltjes in de oppervlaktelaag zijn gevulcaniseerd. De staalconstructie kan dan kathodisch worden beschermd zonder de aangroeiwerende eigenschappen aan te tasten.
%.
T
1
r
O
Iron Content, % Fig. 5. Invloed van het ijzergehalte op de weerstand tegen corrosie-erosie Cu Ni 10 Fe in stromend zeewater, v = 4,5 m/s [6],
1.0
2.0
3.0
4.
Percentage of Iron Fig.6 Invloed van het ijzergehalte op het corrosiegedrag van kopernikkellegeringen: Uzer verhoogt de weerstand tegen corrosie-erosie en impingement-attack en verlaagt de weerstand tegen locale corrosie bij lage watersnelhedenf7J.
Invloed van sulfides en chloor. Verontreinigd zeewater heeft een versnelde aan tasting van koperlegeringen tot gevolg. Dit geldt vooral indien het zeewater is verontreinigd met sulfides [4,5]. Sulfide vermindert de beschermende werking van de gevormde laag corrosieproducten op het oppervlak. In een afgesloten deel van een zeewatersysteem zal het zuurstofgehalte tot nul dalen en zullen de sulfaatreducerende bacterien tot ontwikkeling komen en sulfide'gaan produceren. Ondanks de bovengenoemde invloed op de beschermende huid zal de corrosiesnelheid zeer gering zijn daar het verontreinigde zeewater geen zuurstof bevat. Echter, bij het opstarten komt er zuurstof in het systeem en de corrosiesnelheid zal sterk toenemen. De combinatie sulfide en zuurstof, vooral bij hoge watersnelheden, is funest. De combinatie sulfide en zuurstof is geen evenwichts toestand. Helaas verloopt de oxidatie van sulfide door opgeloste zuurstof slechts langzaam.
Een optimale dosering van chloor of van natriumhypochloriet aan met sulfide verontreinigd zeewater kan daarom een gunstige invloed hebben op het corrosiegedrag van koper- en kopernikkellegeringen. Volgens Francis [4] geldt dit niet voor de legering Cu Ni 30 Fe 2 Mn 2. Uit fig. 7 blijkt dat overdosering funeste gevolgen kan hebben. In het algemeen kan men stellen, dat chlorering riskant kan zijn, vooral bij relatief hoge watersnelheden. Invloed van de temperatuur. Koperlegeringen vertonen in zeewater een beter corrosiegedrag bij stijgende temperatuur. Dit geldt voor temperaturen tot ca. 40 °C. De veel hogere temperaturen die in ontziltingsinstallaties worden toegepast vormen geen probleem voor de koperlegeringen indien het zuurstofgehalte van het zeewater zeer laag is. Een belangrijk voordeel van de kopernikkellegeringen ten opzichte van bijvoorbeeld aluminiummessing is de veel betere weerstand tegen zuurstofhoudend heet zeewater. Zie fig. 8.
•> 2 H20 + 2S
02 + 2 H2S
Chloor oxideert sulfide veel sneller, bijvoorbeeld: OC1- + 2H+ + S
> Cl- + H20 + S
Wall Thickness 12
1.0
E F F E C T OF TEMPERATURE OTI CORROSION RATE OF FOUR COPPER A L L O Y S IN CDA SIDE UNIT FOR 90 DAYS WITH 200 p p b O i
OSmg/l Chlorine -
E E
(TDS
0.8
-
35.000
ppm)
A
S-0.6 E
MIy 0 .4 -
02 lot 0.02
< 0.0»
0.06
?
'15
0.08 wo
Sulphide, mg/l Fig. 7. Aantasting van Cu Ni 10 Fe 1 Mn door impingementattack als functie van het sulfide gehalte en de invloed van chloordosering op deze aantasting [4J.
-9-
in
in no Temperature, f
210
t
m
Fig. 8 Invloed van de temperatuur op de corrosiesnelheid van aluminiummessing (CA 687), Cu Ni 10 Fe 1 Mn(CA 706) en Cu Ni 30 Mn I Fe (CA 715) in zeewater met een zuurstofgehalte van 200 ppb [9].
2.4
>
Kopemi'f^' 'g'^'eT
?eringen
-
Kopernikkelgietlegeringen komen in aanmerking voor die toepassingen waarvoor nikkelaluminiumbrons niet betrouwbaar genoeg is: Gietstukken vooral de grote en dikwandige - in zeewatersystemen, die niet voldoende kathodisch beschermd worden en waarbij de mechanische sterkte van essentieel belang is. De kopernikkelgieUegeringen hebben een eenvoudige eenfasige microstructuur en zijn daarom niet gevoelig voor de selectieve aantasting ten gevolge van spleetcorrosie, die in nikkelalurniniumbrons kan optreden. Eventuele locale corrosie is makkelijk detecteerbaar d.m.v. visuele inspectie, terwijl de selectieve aantasting van nikkelalurniniumbrons alleen met zeer geavanceerde NDO-technieken gedetecteerd kan worden. Deze legeringen zijn goed lasbaar en hardsolderen is eenvoudig uitvoerbaar. Er worden echter zeer hoge eisen gesteld aan de maximaal toelaatbare hoeveelheden verontreinigingen, die deze legeringen mogen bevatten. Deze verontreinigingen veroorzaken namelijk wannscheuren tijdens lassen. De lasbaarheid kan men o.a. verbeteren met korrelverfijning: een fijnere microstructuur heeft een groter korrelgrensvolume, met als gevolg een lagere concentratie verontreinigingen in de korrelgrenzen. Enkele voorbeelden van kopernikkelgieUegeringen zijn:G-Cu Ni 10 en G-Cu Ni 30 volgens DIN 17 658. Deze legeringen bevatten niobium om de sterkte te verhogen en de lasbaarheid te verbeteren De Engelse marine heeft de INCO legering IN 768 verder ontwikkeld tot NES 824. Dit is een Cu Ni 30 gietlegering die in plaats van niobium 1 6-2,0 % chroom bevat. BS 1400 CNI komt overeen met NES 824. BS 1400 CN2 bevat niobium in plaats van chroom [12].
3. NIKKELLEGERTNGEN. De hoogwaardige nikkellegeringen zullen, vanwege de hoge nikkelprijs, alleen worden toegepast in zeewatersystemen, indien naast een hoge weerstand tegen corrosie tevens hoge mechanische eigenschappen worden geeist. De weerstand tegen corrosie-erosie is veel groter dan die van de koperlegeringen. Nikkei en bijvoorbeeld Monel 400 zijn gevoelig voor spleetcorrosie. Molybdeen verhoogt de weerstand tegen spleetcorrosie, maar zelfs Inconel 625 , met nominaal 9 % molybdeen is niet immuun voor spleetcorrosie in zeewater (gematigde klimaat zone) [13]. Uit het in [13] beschreven onderzoek bleek wederom, dat naast de chemische samenstelling, ook de
t productiemethode van de materialen uiterst belangrijk MS. De nieuwe legering Hastelloy C-22 vertoont een nog grotere weerstand tegen algemene en locale corrosie dan Hastelloy C-276 en Inconel 625. De Amerikaanse marine heeft de legering 625 gedeeltelijk vervangen door C-22. Deze nieuwe legering kan, evenals 625, ook als "oplas-legering" worden toegepast. Nikkellegeringen met zeer hoge sterkte - zoals precipitatiegehard Monel K-500 - zijn gevoelig voor waterstofbrosheid [14]. Deze legeringen mogen daarom niet kathodisch worden beschermd en onderdelen van deze materialen moeten meestal electrisch geisoleerd worden van het systeem waarin zij worden toegepast. Men kan deze legeringen, indien nodig, vervangen door hoge sterkte kopernikkellegeringen, die practisch niet gevoelig zijn voor waterstofbrosheid [15].
4. TITAANLEGERLNGEN. Titaanlegeringen kunnen met succes worden toegepast in zeewatersystemen. Bijvoorbeeld in de zeer grote condensors van electrische centrales, in platenkoelers, in zeewaterleidingsystemen enz. Het grote voordeel van titaanlegeringen is de excellente weerstand tegen algemene en locale corrosie. Een uitzondering op deze regel is de gevoeligheid voor "fretting" corrosie en aantasting ten gevolge van zwerfstromen. De belangrijkste nadelen zijn de hoge prijs, ongunstige technologische eigenschappen, ongunstige taaiheidseigenschappen, en de grote kwetsbaarheid van dunne pijpen. Bovendien hebben titaanlegeringen geen aangroeiwerende eigenschappen, zodat dosering van chloor of hypochloriet noodzakelijk is om het dichtgroeien van bijvoorbeeld warmtewisselaars te voorkomen. Aangroei is moeilijk te verwijderen, waardoor de kans op mechanische beschadiging van de dunne pijpen reeel is. Titaan gedraagt zich in zeewater als een edele legering, waardoor versnelde aantasting van andere materialen door galvanische corrosie mogelijk is.
5. DISCUSSIE. Het maken van een optimaal ontwerp van een zeewatersysteem is niet eenvoudig. Men moet met zeer veel factoren rekening houden. Bijvoorbeeld met het onderhoud dat aan het systeem zal worden uitgevoerd en met de beschikbaarheid en vakbekwaamheid van het personeel dat met de bedrijfsvoering en het onderhoud zal worden belast.
