Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander. Erik W. Schuring ECN-E&S-Materiaal Technologie

Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander Erik W. Schuring ECN-E&S-Materiaal Technologie [email protected]

1

Inhoud

• • • •

• •

2

Introductie ECN Aanleiding voor het onderzoek Uitgevoerd onderzoek Resultaten • Metallografisch onderzoek • Hardheidsmetingen • Sterkte en vermoeiingsevaluatie Conclusies Discussie

Introductie ECN

Zon

Biomassa, Kolen & Milieu (BMK)

Waterstof & Schoon Fossiel (H2SF) Beleidsstudies (BS) Energie in de Gebouwde Omgeving & Netten (EGON) Wind

Engineering & Services (E&S)

3

Energy Efficiency in Industrie (EEI)

Introductie ECN Targets ECN research Transform energy generation and use: efficiency improvement generation of sustainable energy clean use of fossil fuels

4

maximum reliability minimum environmental burden optimal cost effectiveness

Introductie ECN ECN’s research areas Renewable Energy Wind

Solar

Bio

Wind Farm Design

Thin-film PV Technology

Biomass Co-firing In Large Scale Power Generation

Wind Farm Operations

Grid Connected PV Systems

Combined Heat & Power

Wind TurbineTechnology

Fuels and Products

EEI

CFF

Efficient Use

Industrial Waste Heat Utilisation

FCT REBE

Molecular Separation Technology

Low & Zero Energy Buildings

Fuel Cell Vehicles 15% turnover

PC

Policy Studies Process Intensification 10% turnover

5

Emission Reduction

35% turnover

Climate-Neutral Energy Supply Micro Co-generation Systems

Energy and Environmental Quality

Clean Conversion of Fossil Fuels

40% turnover

Introductie ECN Turnover share per unit (2004) Fuel Cell Technology 19%

Biomass 13% Policy Studies 11% Energy Eff. in the Industry 7%

Clean Use of Fossil Fuels 16%

RE in the Built Environment 8%

6

Wind Energy 12%

Solar Energy 15%

Introductie ECN ECN Energy Efficiency in the Industry (EEI) Separation technology (membranes) Waste heat technology (heat pumps) Reactor technology

7

.

Introductie ECN ECN Energie in de Gebouwde omgeving & Netten (EGON)

• PV system integration • PV/Thermal systems • Storage technology • Energy management systems • Integral energy concepts

8

Introductie ECN ECN Wind Energy Design of wind farms Design of wind turbines Operation of wind farms

9

Introductie ECN ECN Biomass, Kolen en Milieu (BKM) • Co-firing in coal plants • Decentralized generation (CHP) • Fuels and products

10

Introductie ECN ECN Solar Energy Crystalline silicon PV technology

Thin-film silicon Polymer and dye solar cells

11

Introductie ECN ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF) • • • • •

12

System concepts and technology assessments Low-carbon energy carriers Stirling micro-cogeneration Emission reduction Environmental research

Introductie ECN ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF) • PEMFC cell and stack technology • SOFC cell and stack technology • Fuel processing technology • Super capacitors • Fuel cell system integration

InDEC B.V.

13

Introductie ECN Engineering & Services (E&S) • Design and construction of complex installations and components • Materials testing, Advise and damage assessment • Software development

14

Falen lasverbinding in HT en LT OVO

Aanleiding

• Bij regulier onderhoud zijn de HT en LT-OVO en verdamper van de 3-beschikbare lijnen vervangen. • Binnen 2 maanden na in bedrijfname traden de eerste lekkages op in de zadelpunten van de spriet/kast verbindingen. • In een periode van 7 maanden traden 44 lekkages op in de zadelpunten van de lijnen 1, 2 en 3. • Naar aanleiding van eerder onderzoek is geconcludeerd dat de lasuitvoering verdacht is. Doel van het onderzoek is daarom de laskwaliteit in relatie tot de opgetreden lekkages te onderzoeken

15

Aanleiding


Materialen en lasmethode • Basismateriaal Spriet en Header: 15Mo3 (Wstnr 1.5414) • Toegepaste wanddikten: • Sprieten 7,1 en 5,6mm (LT-OVO) - 7,1 en 6,3 mm (LT-OVO) ) (7.1 is later ivm corrosietoeslag toegepast) • Kast: 23,4mm • Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal Chemische samenstelling in gewichtsprocenten C 0,16

Si Max. 0,40

Mn 0,60

Mo 0,30

Overige Max. Cu -= 0,30

Rek [%] 23

Charpy V [J] 50

Mechanische eigenschappen Diameter [mm] <60

0,2% Rekgrens [MPa] 295

Treksterkte [MPa] 440-570

0,2% Rekgrens [MPa] vs temperatuur [°C]

16

100

200

300

400

500

264

225

180

160

150


Materialen en lasmethode

• Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal

17

Aanleiding

Aanleiding


Bedrijfscondities Verdamper, HT- en LT-OVO Verdamperkast

LT-OVO

HT-OVO

Afpersen

Bedrijfsdruk [bar]

120

114

114

158

Bedrijfstemperatuur [°C

325

415

415

15

Onder kruipregiem (>450°C) Overige belastingen van de constructies • Hameren ter verwijdering depositie: HT-OVO en verdamper elke 30 min gedurende 120 sec. LTOVO elke 4h gedurende 120 sec. • Langstromende turbulente rookgassen brengen de sprieten in trilling (eigenfrequentie)

Deze condities belasten de constructie op vermoeiing

18


Uitgevoerd onderzoek

• Onderzocht: spriet-kastverbindingen van lijn 2 en 3: • Lijn 2: Verdampberbovenkast van #1 • Lijn 3: • Bovenkast 1 HT-OVO • Onderkast 1 HT-OVO, • Bovenkast 9 LT-OVO • Onderkast 9 LT-OVO • Metallografisch onderzoek aan spriet-kastverbindingen over rechte overgangen en zadelpunten • Lasfouten • Lasgeometrie • Lasnaadvoorbewerking • Hardheidsmetingen over basismaterialen (spriet en kast), WBZ en lasmetaal • Sterkte en vermoeiingsevaluaties

19


Metallografisch onderzoek-Macroscopisch Afwijkingen: • Afwijkende positionering: • Off-set van spriet in de kast • Scheve montage • Onvolkomen doorlassing • Plakfouten • Inkarteling cq afbranden van de laskantvoorbewerking spriet

20

Resultaten


Metallografisch onderzoek-Microscopisch Lasfouten: • Plakfouten • Onvolkomen doorlassen

21

Resultaten


Metallografisch onderzoek-Microscopisch Scheurinitiatie en scheurgroei (na 7 maanden bedrijf): • Vanuit onvolkomen doorlassing • Vanuit plakfout • Scheuruitbreiding van max 0,5 mm aangetroffen

22

Resultaten


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten Defectgrootte is gemeten: • Op de beide zadelpunten en rechte overgangen per las • Evenwijdig aan de spriet (X)

X= defectgrootte langs Spriet a=hoogte las

• Evenwijdig aan de kast (Y) • Berekend als percentage van de lashoogte, a Y= defectgrootte langs Kast

12 en 6h posities: rechte overgangen

23

Off set spriet: += naar binnen -= richting kast


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten • Kritische defectgrootte is bepaald aan de hand van sterkte-evaluaties op basis van breukmechanica • Uitgaande van de opgegeven bedrijfscondities Kritische defectgrootte voor plastische vervorming tijdens bedrijf (ontwerp): Verdamper-bovenkast :

3 mm of 35%

HT-OVO (6,3mm)

:

3,5 mm of 36%

LT-OVO (5,6mm)

:

2 mm of 24%

Criteria: LT-OVO is meest kritisch met 24% als kritische defectgrootte tov de lashoogte a Als Nominale waarde voor kritische defectgrootte is genomen: • 35% van de lashoogte a voor de HT-OVO en verdamperbovenkast • 24% van de lashoogte a voor de LT-OVO 24


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten Verdamperbovenkast-Lijn 2, 9 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang:

10,2-12,4 mm

Lashoogte a-zadelpunt:

7,4-9,9 mm

Defectgrootte:

0-3,7 mm 0-40,6 % w.v.: 11% boven 35% van lashoogte a

HT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 18 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang:

Bovenkast: 7,8-11,5 mm, Onderkast: 11,2-14,2


Bovenkast: 4,4-9,8 mm, Onderkast: 6,4-8,9

Defectgrootte:

Bovenkast: 0-6,9 mm, Onderkast 0-8 mm Bovenkast: 0-74%, Onderkast 0-60% w.v.: 18% boven 35% van lashoogte a

25


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten LT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 20 spriet-kast verbindingen elk 4 posities Lashoogte a-rechte overgang:

Bovenkast: 8,7-12,3 mm, Onderkast: 11,6-14


Bovenkast: 7,2-10 mm, Onderkast: 5,6-9,9

Defectgrootte:

Bovenkast: 0-7,5 mm, Onderkast 0-7,5 mm Bovenkast: 0-64%, Onderkast 0-57% w.v.: 25% boven 24% van lashoogte a

26


Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen Positie Kast Spriet Sluitlaag CG-W BZ-kast CG-W BZ-Spriet

Gemiddelde hardheden bovenkasten Verdamper HT-OVO LT-OVO Lijn 2 [HV10] Lijn 3 [HV1] Lijn 3 [HV1] 152 152 158 164 163 178 279 275 281 299 323 310 314 262 301

Volgens overlegde LMK: Max hardheid WBZ: 221HV10 Bij een interpass temperatuur van 350°C 27

Resultaten


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen Hardheidsverloop las-WBZ-Basismateriaal 400 Las-spriet

Bovenkast verdamper lijn 2:

350

Las-kast

300

smeltlijn

Piek hardheid boven 350HV1

HV1

250 200 150 100 basismateriaal

WBZ

Lasmetaal

50 0 -5

-4

-3

-2

-1 Afstand (mm)

28

0

1

2

3


Resultaten

Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen

Conclusies hardheidsmetingen: • Te lage HI aangehouden • Interpass temperatuur niet aangehouden • Voorwarmen noodzakelijk (niet in LMK voorgeschreven)

29


Sterkte en vermoeiingsevaluatie Betrokken op de Procescondities • Opstarten en stoppen • Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing) • Thermische belasting • Kruip • Thermische schok (noodstop of trip van de installatie) • Statische belasting tijdens bedrijf • Periodiek hameren

30

Resultaten


Resultaten

Sterkte en vermoeiingsevaluatie (1) Opstarten en stoppen Temperatuur en belasting zullen geleidelijk toe of afnemen. De frequentie van starts en stops in relatief laag gezien de bedrijfsperiode. Dit zal geen significante invloed op de levensduur hebben.

Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing) Belastingsvariaties t.g.v. variaties in rookgassnelheden zijn beperkt. In de verdampersectie zijn deze het grootst. De pijpenbundels zullen/kunnen o.i.v. drag forces en vortex exitatie maximaal enkele millimeters verplaatsen. Daarvoor zijn snelheidsvariaties van 6m/s nodig of voor vortex exitatie een rookgassnelheid van ca 1m/s.

Kruip De ontwerpspecificaties en gebruikscondities liggen in temperatuur onder 0,4x Tsmelt en liggen dus buiten het kruipregime 31


Resultaten

Sterkte en vermoeiingsevaluatie (2) Thermische belasting Onder operationele condities zullen temperatuurfluctuaties niet groter zijn dan 50-100°C. Uitgaande van dat ∆T=50°C over de wand van de pijpenbundels: max ∆σ=87MPa.

Statische belasting tijdens bedrijf Uitgaande van de ontwerpdruk (max 120 bar) en geen of geringe variaties daarin, is de statische belasting van de constructie: σ=56MPa

Thermische schok (noodstop of trip van de installatie) Noodstop: Voor falen t.g.v. noodstops binnen 7 maanden moet deze meerdere keren PER DAG uitgevoerd worden. Dit is bedrijfsmatig NIET mogelijk. Door storingen zijn wel vaker dan normaal start/stop cycli uitgevoerd. De maximale spanningswisseling is de som van thermische en drukbelasting: ∆σ=143MPa 32


Resultaten

Sterkte en vermoeiingsevaluatie (3) Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels) • Leidt tot trillingen en vermoeiingsbelasting op de lasverbindingen • Gemeten belastingen t.g.v. hameren: ¾Versnelling: 120 – 560 x g (ca 1200-5600 m/s) ¾Frequentie: ca 1000Hz • Laterale verplaatsing t.g.v. het hameren: 0,03-0,15mm • Rekening houdend met een spanningconcentratiefactor bij een scherp defect en een defectgrootte van 3mm kan een eenvoudige (sterk indicatieve) scheurgroeiberekening worden uitgevoerd. • Beperkingen daarbij: ¾Geen invloed corrosie ¾Alleen vermoeiingscomponent 33


Resultaten

Sterkte en vermoeiingsevaluatie (4) Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels)

Frequentie Versnelling Verdamper Frequentie Versnelling HT-OVO LT-OVO

2500 1930 jr

2000 5000 240 jr

1000 500 jr 3900 jr

1000 2000 63 jr 490 jr

Bedrijfsperiode tot 1 mm scheurgroei bij: Frequentie [Hz]/Versnelling [m/s] 1000 10000 2500 5000 10000 30 jr 30 jr 4 jr 6 mnd

3500 12 jr 90jr

1000 90 jr 700 jr

750 2000 11 jr 90 jr

3500 2 jr 16 jr

1000 8 jr 60 jr

500 2000 1 jr 8 jr

Er van uitgaande dat: Rest lashoogte tussen 4 en 6 mm kan liggen (25% of 35% defectgrootte) Kan lekkage enkel t.g.v. hameren optreden binnen 4-6 jaar.

34

3500 2 mnd 1,5 jr


Resultaten

Sterkte en vermoeiingsevaluatie (5) – (Tussen Conclusie) • Uit de sterkte-evaluatie en het metallografisch onderzoek is gebleken dat veel defecten (LT-OVO 25%) boven de kritische grens voor plastische vervorming liggen onder statische belasting. • Extra dynamische belastingen kunnen snel tot scheurinitiatie en scheurgroei leiden. • Onder invloed van extra dynamische belasting kan restbreuk eerder dan 4-6 jaar optreden. • De defecten zijn vaak min of meer lokaal van aard, wat verklaard waarom het nog niet eerder tot falen is gekomen. 35


Conclusies (1)

• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering: ¾Onvolkomen doorlassing ¾Niet vullen van de naad ¾Onvoldoende inbranding (plaklas) ¾Plakfouten en (gas)insluitingen ¾Warmscheuren ¾Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen

36


Conclusies (2)

• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering: ¾Onvolkomen doorlassing ¾Niet vullen van de naad ¾Onvoldoende inbranding (plaklas) ¾Plakfouten en (gas)insluitingen ¾Warmscheuren ¾Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen

• Lasfoutgroottes tot boven 25% van de lashoogte aangetroffen deze leveren gevaar voor plastische vervormingen bij normale bedrijfsvoering 37


Conclusies (3)

• Uitgaande van enkel vermoeiing ten gevolgen van Hameren en een defectgrootte van 3mm is falen binnen 4-6 jaar waarschijnlijk • Naast vermoeiing zijn belastingen ten gevolge van normale bedrijfsvoering aanwezig, welke de levensduur zullen bekorten (rest-breuk) • Risico op lekkages wordt na 2-3 jaar onacceptabel groot (0,5mm scheurgroei in 7 maanden is aangetroffen) • De kans dat de ontwerplevensduur van 10-15 jaar wordt gehaald is klein • Lasuitvoering heeft geleid tot onacceptabele defecten welke leidden tot voortijdige lekkages van de spriet-kast lasverbindingen. 38


Aanbevelingen

• HT- en LT-OVO zo spoedig mogelijk vervangen • Lasuitvoering en lasdetail verbeteren ¾Lassen met een vooropening en controle van de doorlassing na ¾ van de grondnaad gelast te hebben ¾Volledig doorlassing nodig • Lassen met voldoend hoge interpass temperatuur en voorwarmen is sterk aan te raden Aanbevelingen zijn overgenomen en hebben geresulteerd in een storingvrije bedrijfsperiode sinds invoering (2002)

39

Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander. Erik W. Schuring ECN-E&S-Materiaal Technologie

Recommend Documents