Vermoeiing in metalen Lasgroep Zuid
Pascal Schreurs Sintra Engineers www.sintra-engineers.nl
•
Onafhankelijk ingenieursbureau
•
Gespecialiseerd in het mechanische gedrag van materialen in hun omgeving en belastingsomstandigheden, schakel tussen theorie en praktijk. Fitness for service analyses volgens BS7910 / API579
•
– – – – –
•
Restlevensduur analyses aan equipment in – –
• • •
beoordelingen van locale of generieke wanddikte afname en pitting schade breukmechanische analyses koude brosheid studies beoordelen van lasfouten (misallignments, …) FEA analyses kruipgebied vermoeiingsgebied
Trouble shooting bij (Mechanische) schades Reparatie advies Gebruik maken van de expertise / diensten van MCC en/of CODE-PS
19 oktober 2011
2
Referentielijst
19 oktober 2011
3
•
Gespecialiseerd in het gedrag van metalen in hun omgeving en belastingsomstandigheden, schakel tussen theorie en praktijk.
• •
onderzoeken van schadegevallen het geven van materiaal- en reparatieadviezen opstellen inspectieplannen en -termijnen uitvoeren van “risk-based” inspecties
• • •
Langdurige industriele kennis en ervaring in dit vakgebied
•
Gespecialiseerd in productontwikkeling voor verschillende industrieën met behulp van state-ofthe-art computersimulaties.
•
Sterktepunten • • •
•
kunststof en metaal materiaalkennis technische know-how creativiteit en flexibiliteit.
Klanten : • automotive leveranciers • deurmodules, riemspanners, front end modules, dashboards etc.
• general industry • printers & copiers, kinderzitjes, achtbanen
•Metaalkundig onderzoek (mircostructuur, hardheidsmetingen,…) •Schade analyses (Macroscopisch, Microscopisch, SEM/EDX,…) •Onsite onderzoek (Replica onderzoek) •Toepassing in: •Kennis opbouw voor de gebruiker van een machine of installatie •Contra expertise •Klant leverancier geschillen
Niet Destructief Onderzoek (NDO) •Ultrasone wanddikte metingen • Ultrasoon lasonderzoek • Magnetisch en Penetrant onderzoek • Wervelstroom onderzoek • Corrosie & erosie monitoring • Visueel onderzoek • Video inspectie • Thermografie NDO specialisatie •Turn around coördinatie • Specialistische slijpwerkzaamheden bij schade • Training & consultancy • L3 services •Onafhankelijke cross checking • Rope Access + NDO
Gespecialiseerd in de voorbereiding en uitvoering van TurnArounds en investeringsprojecten Onze activiteiten zijn o.a. planning, management en implementatie van nieuwbouw, renovaties en modificaties van industriële productie installaties. Diensten Opstellen van scope dmv o.a. Risk assessment (opstellen D-begroting) Opstellen bestekken (C-begroting) Werkvoorbereiding/procurement (B-begroting) Opzetting planning / gate keeping / begeleiding contractors Constructie management + planning&cost control P.O. Plannen aanpassen
Vakgebieden Static, EMRA, Civiel en Rotating equipement Piping, drukhouders, appendages, Rotating equipement, Pb/E/I Rotating equipement, appendages, automatisering Project & Constructie management, Qa/Qc, Planning &Control, Expediting Medical Services, EH&S management
AKconflex B.V.: specialist in Pipestress & Vesselengineering Onze diensten: • Sterkteberekeningen van pijpleidingen en apparaten • Flexibiliteitsberekeningen van pijpleidingsystemen • Maintenance engineering Onze klanten o.a.: • DSM/Sabic • Sitech Services • NUON • Bronswerk • MCL Wij bieden onze klanten specialistische kennis gecombineerd met uitstekende service, flexibiliteit en korte doorlooptijd.
Wat is FFS • FFS betekent Fitness For Service (letterlijke vertaling: geschikt voor de toepassing) • Verzamel naam voor “specialistische” rekenmethodieken om de geschiktheid van (druk)apparatuur aan te tonen
19 oktober 2011
11
Doel van FFS • Voorkomen dat falen van drukapparatuur met onacceptabele consequenties zich voordoen binnen de geplande levensduur (of tot de eerst volgende shutdown-inspectie). • Voorkomen van ongeplande stilstand • Voorkomen van reparaties welke uitlopen TA tot gevolg hebben • Bepalen van inspectie termijn en omvang
19 oktober 2011
12
Waarom FFS
19 oktober 2011
13
VERMOEIING
19 oktober 2011
14
Enkele misvattingen over vermoeiing • Vermoeiing ontstaat alleen in rotating equipement • “High cycle fatigue” schade treed op in een korte periode • Ik heb toch maar 1 wisseling per week, dus ik heb geen last van vermoeiing
19 oktober 2011
15
Inhoud • Beetje theorie en berekeningen • Schade onderzoek en Inspectie • Enkele voorbeelden
19 oktober 2011
16
Wat is vermoeiing • Het onstaan van scheuren als gevolg van een wissellende belasting • Geconstateerd in 1800-1850 bij bouw /constructie van stoomtreinen • Wohler heeft proeven uitgevoerd om dit gedrag te analyseren.
19 oktober 2011
17
Vermoeiing in stappen Cyclische slip
Crack Nucleation
Micro scheurgroei
Initiatie periode
Kt Stress concentration factor
Macro scheurgroei
Falen van constructie
Scheurgroei periode KI Stress intensity factor
KI > KIc Breuktaaiheid
Scheur initiatie
Microscheurgroei
Levensduur vs indicatie diepte/lengte
Vermoeiing in stappen Cyclische slip
Crack Nucleation
Micro scheurgroei
Initiatie periode
Kt Stress concentration factor
Macro scheurgroei
Falen van constructie
Scheurgroei periode KI Stress intensity factor
KI > KIc Breuktaaiheid
Spanningsconcentratie factoren • Treden in ronde gaten, diameter overgangen, lasverbindingen – Voor ronde gaten in platen op trek belast geldt : Kt = 3 – Kunnen worden opgezocht in diverse handboeken zoals “Peterson’s stress concentration factors” – Bij een speciale vorm kan deze factor berekend worden middels FEA. – Factor is een dimensieloos getal
Voorbeeld van spanningsconcentratie
σ piek = σ nom ⋅ Kt 100
stress concentration factor
Ktg
rmin
σ
t
σ
σmax
10
1 1
10
100
1000
t/r 19 oktober 2011
Stress concentration factor Ktg for an elliptical of U-shaped notch in a semi-infinite thin element in tension
24
Kerf gevoeligheid van materiaal • • • • •
Eerste proeven uitgevoerd met kleine proefstaven en scherpe overgangen Latere proeven uitgevoerd met dezelfde Kt factor maar grotere diameter proefstaven. Standtijd van nieuwe proeven bleek korter te zijn Dit is afhankelijk van kerf gevoeligheid van materiaal. Bepaald door o.a. Peterson, Neuber en Siebel Volgens Peterson geldt: q :=
Kf − 1 Kt − 1
• Kf = vermoeiingsgrens ongekerfd / vermoeiingsgrens gekerfd
Kerf gevoeligheid
Een voorbeeld K t := 3
Spanningsconcentratie factor
σ f := 50MPa
Vermoeiingssterkte materiaal
0.1 q := 0.9
Alluminium met notch radius <1mm en 4mm
(
)
K f := K t − 1 ⋅ q + 1
Vermoeiingsfactor
1.2 Kf = 2.8 σ ft :=
σf Kf
Toelaatbare spanning in constructie
41.667 σ ft = MPa 17.857
a
1 3
C := ∆σ n
108
5 5 x 106
Spannigs amplitude [MPa]
Vermoeiingscurve
n ( aantal wissellingen)
Overige parameters van invloed • Parameters van invloed: – – – – – –
Oppervlakte ruwheid Wanddikte Temperatuur Gelast / ongelast Gemiddelde spanning Belasting boven rekgrensniveau
Invloed oppervlakte ruwheid • Geen invloed bij klein aantal wisselingen
Residuele spanningen • Residuele drukspanningen werken positief, trekspanningen negatief • 1 x overbelasten bij 1e inbedrijfname van constructie kan vermoeiingstechnische voordelen opleveren. • In lasverbindingen zijn residuele trekspanningen aanwezig van rekgrens niveau
Europese codes • Vermoeiingsanalyse voor gelaste en ongelaste constructies opgesplitst – Ruwheid bij gelaste constructie veel minder invloed – Residuele spanningen bij gelaste constructie zeer hoog – Materiaal eigenschappen hebben relatief weinig invloed op vermoeiingssterkte
• Vermoeiingssterkte ongelaste materiaal – Vermoeiingssterkte afhankelijk van treksterkte – Parameters van invloed: • Gemiddelde spanning • Ruwheid
19 oktober 2011
32
Vermoeiing in lasverbindingen • Vorm van lasverbinding heeft invloed op de toelaatbare spanning • Lasafwerking en/of doorlassing heeft invloed op curve
Effect gemiddelde spanning 15
10
5
0
0 -5
5
10
15
R=∞ R < -1 R = -1 R=1 R=0
-10
-15
19 oktober 2011
34
Vermoeiing in lasverbindingen
Spreidingsband • Spreidingsband in vermoeiing is zeer groot – EN13445-3 voor niet gelaste constructies hanteerd een factor 10 op de levensduur
• Kans op falen is zeer klein binnen bedrijfsperiode (<0.015%) • Bepaling van inspectie interval kan scheurgroeisnelheid een antwoord geven
19 oktober 2011
36
Low cycle fatigue (LCF) • • • • •
Klein aantal wisselingen Treedt op bij (locaal) cyclische plasticiteit Principe voorbeeld is paperclip lineair elastisch als ∆σ > 2xRe Fenomeen is rek gestuurd en niet meer spanning – Rek wordt lineair elastisch omgerekend naar spanning om curve compleet te maken – Door Manson en Coffin vermoeiingscurve rekgestuurd opgesteld waardoor betere weergave/berekening van vermoeiingscurve bij gering aantal wissellingen
Wanneer LCF • Voornamlijk thermisch belaste constructies – Wissellende “secundaire” belasting
• Vaak in combinatie met kruip • Grens tussen LCF en HCF onduidelijk – Op basis van schade beeld (wel of geen plastische deformatie aan scheurtip) – Op basis van aantal wissellingen (Manson-Coffin) – Bij LCF is cyclisch plastische deformatie nodig
• Niet meer piekspannings afhankelijk 19 oktober 2011
38
Voorbeeld van vermoeiingscurve volgens Manson-Coffin
2 fases in Vermoeiing Cyclische slip
Crack Nucleation
Micro scheurgroei
Initiatie periode
Kt Stress concentration factor
Macro scheurgroei
Falen van constructie
Scheurgroei periode KI Stress intensity factor
KI > KIc Breuktaaiheid
Breukmechanica • Plaat met spanningsconcentratie • Als r = 0.001mm wordt concentratie oneindig groot • Nieuwe theorie nodig : Breukmechanica
KI := σ⋅ Y⋅ π⋅ a kA := 1 +
2⋅ a ρ
Breukmechanica
Scheurgroei periode • Scheurgroei periode kan worden bepaald middels breukmechanica K I := β ⋅ S ⋅ π ⋅ a β = geometrie afhankelijke, beschikbaar in diverse literatuur a = lengte van de scheur
• Scheur groeit als KI > KItreshold • Constructie bezwijkt als KI > KIc • KIc is materiaal parameter welke gerelateerd kan worden aan Charpy waardes (vergelijkbaar met rekgrens)
Voorbeeld van scheurgroei curve (BS7910) 1.00E+00 1.00E-01 1.00E-02
da / dN [-]
1.00E-03 1.00E-04
1.00E-05 1.00E-06 1.00E-07 1.00E-08 1.00E-09 1.00E-10 1.00E-11 10
19 oktober 2011
100
stress intensity ∆K
1000
[MPa∙√mm]
10000 44
Voorbeeld van scheurgroeicurve Crack growth in hydrogen service
da/dN
1.00E-03 Hydrogen service GS 35um
1.00E-04
hydrogen service GS 180um Air service GS 35um
1.00E-05
air service GS 180um 1.00E-06 1
10 ∆K [MPa*m1/2]
100
Let op, Curves zijn afhankelijk van : • Frequentie • Gemiddelde spanning • Faalmechanisme / materiaal medium combinatie • …
Breukvlak onderzoek • • • •
Verhouding oppervlak vermoeiing / restbreuk Locatie restbreuk Initiatie plekken Vorm van de schelp
19 oktober 2011
46
Voorbeelden
19 oktober 2011
47
Beach marks
Inspectie naar vermoeiing • Inspectie naar aanleiding van vermoeiing is moeilijk – Tot 80%-90% van levensduur is aan oppervlak niets zichtbaar – Bij hoge frequentie gaat scheurgroei zeer snel
Voorbeeld: • PSA vat met 55.000 cycli per jaar • Levensduur is 15 jaar • Inspectie frequentie is 1.5 jaar • Katalysator in vat heeft levensduur van 10 jaar 19 oktober 2011
49
Bedrijfsbelasting 800 ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6
700
rek (microns/meter)
600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0
19 oktober 2011
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Tijd (minuten ) vanaf start 25-01-2006 00.02 uur
4500
50
Rainflow counting 12
10
8
Spanning [MPa]
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
-2
-4
Tijd
19 oktober 2011
51
Rainflow counting
19 oktober 2011
52
Minor Regel
∑N
N
<1
failure
• Kruip en vermoeiing versterken elkaar
19 oktober 2011
53
Cases van vermoeiingsschade • • • •
Menger Kruimbuffervat Gebruik maken van rekstrookmetingen PSA vat
Menger G1201
• • • •
Horizontale menger, vat tot aan as gevuld Batch bedreven proces. Batch duurt ongeveer 1.5uur Tbedrijf = 120°C zakt naar 80°C gedurende proces Vermogen tijdens vullen = 140kW, normaal bedrijf = 70kW
MENGER
Schade locaties
Tekening
Schade onderzoek
Schade beeld
Startpunt voor vermoeiing
FEA analyse aan Paddel
Vermoeiingscurve Vermoeiingscurve volgens EN13445-3 type 7.4 class 63
Spanningsamplitude [MPa]
1000
Norm-waarde 100
mean data max data
10 100
1000
10000
100000
1000000 10000000 10000000 0 Aantal wisselingen N [-]
1E+09
Resultaten vermoeiingsanalyse
Kruimbuffervat
• • • •
Tank met roerwerk Wanddikte 5mm Materiaal Duplex Inhoud : loog houdend water (T=90oC) met “rubbervlokken” • 0,5 jaar in bedrijf
Tekeningen van het vat
Enkele foto’s
Tank inwendig
1e schade • Dubbelingsplaat voor bevestiging van baffles • Gerepareerd door nieuwe plaat in te lassen zonder dubbelingsplaat
Enkele foto’s
Doorsnede van scheur oppervlak
Vermoeiing
Corrosie-vermoeiing
Scheur doorsnede geetst
FEA analyse aan wand
2e Schade in kruimbuffervat
Detail foto’s
Foto’s schade onderzoek
Schade oorzaak
Tekening alpha laval warmtewisselaar
Enkele foto’s
Schade onderzoek aan H4505
Schade onderzoek
Schade oorzaak • Schade onderzoek blijkt vermoeiing • Oorzaak vermoeiingsbelasting onbekend • Stoomwezen verplicht verder onderzoek naar oorzaak • Mogelijke oplossingen zijn: – Trillingsmetingen – rekstrookmetingen
Rekstrookmetingen
ANON toevoerleiding
ANON Afvoerleiding
Rekstrookmeting 800 ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6
700
rek (microns/meter)
600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Tijd (minuten ) vanaf start 25-01-2006 00.02 uur
4500
Globale proces beschrijving 3 bar stoomnet
Pluimkoeler
LIC 26 bar cond.
LT Dampafscheider
Flashvat
100grC 140grC
c. hexanon
Cond. koeler
Naar H4504
LPV
,. Cond.cond watertank watertank
100grC c. hexanon Vam T4014
Mechanische berekening • Bepaling van optredende DT • 2 balken parallel met elkaar verbonden • 1 balk word warm, andere niet hoe groot is de spanning dan?
Bepaling van piekspanningen
Vermoeiingsschade in pijp-pijpplaat verbinding
Schade beeld tijdens inspectie
Oorzaak?
Vermoeiingsschade in pijp-pijpplaat verbinding
Schade veroorzaakt door vermoeiing
• Klopt schade-beeld met belasting? • Waar komt belasting vandaan? • Tijdens debottlenecking 2004 is aanstroom-opening van rand naar midden verplaatst, tevens is de toevoersnelheid product versnelt van 25 min naar 5 min. Produkt komt standaard binnen met 50oC lagere temperatuur dan Marlotherm (metaal temp)
