lzl lezing kruip 29sep2015 hand-out
TRANSCRIPT
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 1
LZL 29‐sep‐2015
Faalmechanisme KRUIP
Rob GOMMANS
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 2
• gespecialiseerd in het gedrag van metalenin hun omgeving (T, medium, %, pH, etc.) enbelastingsomstandigheden (P, tR, Nf).
• schakel tussen theorie en praktijk.• onderzoeken van complexe schadegevallen• het geven van materiaal- en reparatie-adviezen• opstellen inspectieplannen en -termijnen• uitvoeren van “risk-based” inspecties
• langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied
multiple factors required for catastrophes
such as : ‐material defect, weld defect‐ design mistake‐ operating mistake‐management decision‐ corrosion, mechanical failure‐ etc.
facilitated by : ‐ lack of knowledge, training ‐ lack of exchanging information of failures‐ retirement of experienced engineers and experts
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 3
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
wat is “KRUIP”?
tijd-afhankelijke plastische vervormingonder invloed van belasting (constant of wisselend)onder invloed van hoge temperatuur (T > 0,4 Tm in K)bij σ < Re (T)
- staal : > 400 °C- aluminium : > 100 °C- lood : > -50 °C- ijs : > -150 °C- kunststoffen : > 0 °C
gevolg: vervormingen scheuren(locaties met hoogste spanning het eerst)
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 4
RestLevensduur problematiekbij hoge-temperatuur installaties
- hoge-druk stoomsystemen (>50 bar)stoomketels, OVO’s, turbines, leidingwerk
- gasturbines (stationair en vliegend)- stralings- en convectiesecties van fornuizen- ?
staaf onder belasting wordt langerbuis onder inwendige druk zwelt op
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 5
thin-lipfish-mouthrupture
(short-term overheating)
thick-lipcreep rupture
(long-term creep)
veel toegepaste materialen
staalsoort grenstemperatuur [°C]
type voorbeelden voor kruip voor kruip-vermoeiing
C-staalC-Mn staal
St.35.8, St. 45.8P265GH, P355GH
400 350
laaggelegeerd Cr-Mo staal
laaggelegeerd Cr-Mo-V staalhooggelegeerd Cr-Mo staal
martensitisch Cr-Mo staal
16Mo3, 16Mo5, Grade 113CrMo4-5, Grade 11/1210CrMo9-10, Grade 2214MoV6-3, 1CMVX11CrMo5; Grade 5X11CrMo9-1; Grade 9X20CrMoV11-1, Grade91
475 425
austenitisch RVS
Alloy 800 H/HT
TP 304, TP316TP321, TP347TP310X10NiCrAlTi32.20
575 525
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 6
primary secondary tertiary
Elastic deformation
Time
Few voids Orientation Micro-cracks
t
Yield strain
Scheuren betekenen het eindstadium van de levensduur. Vooraf hieraan onderkennen we gedurende de bedrijfstijd diverse degradatiestadia die aangegeven
worden in kruipklassen 0 t/m 5
Achtereenvolgens ontstaat:
• Structuurverval en carbidevorming (klasse 1)• Ontstaan van niet-georiënteerde kruipholten (klasse 2)• Ontstaan van georiënteerde kruipholten (klasse 3)• Microscheuren (klasse 4)• Macroscheuren (klasse 5)
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 7
..
.
STAGE 2
... .... ... .. ... ... .. .. . . .. ... .. ..
.....
..
. ..
. . .. ... . ...
.. .. ..
.... .. . ..
..
.. ....
...
.. ..
.
... .
.
.. .. ..
.. . .. . ..
.....
..
. ..
. . .. ... . ...
.. .. ..
.... . . ..
.
.. ....
...
..
...
.. .
.
.. .. ..
. ... .
1mm
1mm
..
. .
............. ..
.................... ......
....................... ..... .....
........................ .... ... ....
...
...
......
...
... ......
.........
............
... ...
...... ...
... ...... .........
...
...
...... ...
............
......
............... ......
... ..... ...
......
......... ...
. ....
...
. .... .... .... .... .... .... .... ...
............ ........
........ ....
.......
....
....
. .... ...
. .... .... ...
. .... ...
. ...
. .... ...
. ... . .... ... . ...
. ... . ...
. ...
. .... .... ...
. .... ...
. .... ...
. ...
..
Klasse 0 Klasse 1 Klasse 2
Klasse 3 Klasse 4 Klasse 5
Neubauer (TüV 1983), VGB TW-507, NordTest TR 170
Werkgroep RestLevensduur
houdt zich bezig met de beheersing van de faalmechanismen
kruip en kruip-vermoeiing (LCF)
TEAM
(senior) proces technoloog
(senior) mechanical engineer
inspectie deskundige (IKT-3)
hoge-temperatuur materiaaldeskundige
vertegenwoordiger AKI
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 8
werkproces
beheersing
faalmechanismen
“kruip en LCF”
RToD T0102
PRD 2.3 bijlage 7
uitvoering onderzoek
evaluatie resultaten
berekening spanningenen verbruiksfractie (u)
na 100.000 uur : inventarisatie(P, T, N) en dimensies
ontwerp 100.000 uur
selectie kritische componenten
opstellen eerste / vervolgaanvullend onderzoek
ontoelaatbare kruipschade :uitbreiding onderzoek,reparatie of vervanging
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 9
KRUIP = tijd-afhankelijke plastische vervorming
onder invloed van belasting, temperatuur en tijd
warmsterkte P355GH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 100 200 300 400 500
temperatuur [°C]
ste
rkte
[M
Pa]
Re [MPa]
R1%100k [MPa]
Rmg200k [MPa]
Kruipproef
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 10
KRUIPCURVE
infuence of temperature or stress
primaire kruip
Afnemende kruipsnelheiddoor versteviging door vorming van meer dislocaties
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 11
secundaire kruip
Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocatiesgevormd worden als dat opgeheven worden
SECONDAIRE KRUIP
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 12
tertiaire kruip
vermindering van dragend oppervlak door vorming van holten en scheuren
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 13
kruipproef
13 CrMo 4-5 bij T = 500°C
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 14
parametrischebenadering
PLM = T * (C + log tR)
C = 15-25 / T in K / tR in hours
Larson - Miller
Manson - Haferd
log tR - CPMH = ----------------
( T – To) n
T in K / tR in hours / n ~ 1 /C = 10-15 / To ~ bedrijfstemperatuur
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 15
extrapolatie onbetrouwbaar ?
P91 @ 600°C105h avg rupture
USA : 100 MPa1995 : 94 MPa2009 : 90 MPa
modified 9Cr-steel (P91)element content influence
CNV
Nb
0.08 – 0.120.03 – 0.070.18 – 0.250.06 – 0.10
formation of carbides and carbo-nitridesformation of carbo-nitrides
VC (VNb)C (VNb)(CN)NbC (NbV)C (NbV)(CN)
Cr 8.0 – 9.5 oxidation resistance; Cr23C6 formation
Mo 0.85 – 1.05 solid solution hardening; stabilisation of Cr23C6 ; formation of Mo2C and Laves
Ni < 0.40 limitation of delta-ferrite formation
Mn 0.3 – 0.6 residual
Si 0.2 – 0.4 residual
Al < 0.040 desoxidation
P < 0.020 impurity
S < 0.010 impurity
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 16
influence of creep strengthon wall thickness
calculation of used-life fraction
dimensions
load
stress
component formulae
hoop stress formula
bend : torus factor
T-piece : z - factor
material information
(minimum) design curves or parametric formulae
used - life fraction
u = Σij tij / tRij
rupture time
operating history
P(t) and T(t)
operating time
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 17
sensitivity of used-life fraction
- temperature :
- pressure :
- wall thickness
- hours
- u doubles every 15-20 °C
- u + 2% for every bar
- (variable)
- linear
( for ferritic steels in HP-steam systems )
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 18
calculation of used-life fraction
dimensions
load
stress
component formulae
hoop stress formula
bend : torus factor
T-piece : z - factor
material information
(minimum) design curves or parametric formulae
used - life fraction
u = Σij tij / tRij
rupture time
operating history
P(t) and T(t)
operating time
kruip - cases
- korte-duur oververhitting
- lange-duur oververhitting
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 19
case : korte-duur oververhitting
KVW-coil in convectie-sectie van oven
- normaal niet in kruipgebied (300°C)
- oververhitting bij opstart (>534°C)
- medium = ketelvoedingswater (126 bar)
- materiaal = staal 15Mo3
0
100
200
300
400
500
600
16:48 18:00 19:12 20:24 21:36 22:48 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48
tem
per
atu
ur
[°C
]
bedrijfsgegevens
flow
druk
KVW
rookgas
534°C ?
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 20
calculation of used-life fraction
pijpø114,3 x 8,8 mm
P= 126 bar (max)
stress
component formulae
hoop stress formula
σ = P · (OD-d) / 2d
material information
parametric ISO TR-7468
minimum : σ = 1,25
used - life fraction
u = Σij tij / tRij
rupture time
operating history
P(t), T(t) figuur
tijd = 8 uur
RESULTAAT : oververhitting niet relevant
materiaal in-bedrijfname 1982 bedrijfsurencomponent = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 0
P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 0 0P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 0 0
onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tR-min bedrijftijd u-max[mm] [mm] [mm] [bar] [Mpa] [Mpa] [oC] [uren] [uren] [-]
P=constantslangen 101,6 7,0 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237uitlaatkast 101,6 7,0 7,0 126 85,1 106,4 570 P1 337 8 0,0237leiding WV-424 114,3 8,8 8,8 126 75,5 94,4 570 P1 522 8 0,0153
P = uurgemiddeldeslangen 101,6 7,0 7,0 73,2 49,5 61,8 570 P1 1.467 1 0,0007 19-20uslangen 101,6 7,0 7,0 76,7 51,8 64,8 570 P1 1.233 1 0,0008 20-21uslangen 101,6 7,0 7,0 86,9 58,7 73,4 570 P1 778 1 0,0013 21-22uslangen 101,6 7,0 7,0 101,2 68,4 85,5 570 P1 445 1 0,0022 22-23uslangen 101,6 7,0 7,0 108,0 73,0 91,2 570 P1 351 1 0,0028 23-24uslangen 101,6 7,0 7,0 108,5 73,3 91,6 570 P1 345 1 0,0029 24-01uslangen 101,6 7,0 7,0 98,2 66,4 82,9 570 P1 497 1 0,0020 01-02uslangen 101,6 7,0 7,0 118,4 80,0 100,0 570 P1 249 1 0,0040 02-03u
u-totaal 8 0,0168
uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode
< 3%
Σ
alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen ?
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 21
OVO-coil in convectie-sectie van oven
- normaal in kruipgebied (515°C)
- set-point 20°C overtreden (binnen vergunning)
- medium = hoge-druk stoom (P = 126 bar)
- materiaal = staal 10 CrMo 9.10
case : lange-duur oververhitting
calculation of used-life fractionpijp
ø114,3 x 10 mm
ø273,1 x 14 mm
P= 126 bar (max)
stress
component formulae
hoop stress formula
σ = P · (OD-d) / 2d
material information
parametric ISO TR-7468
minimum : σ = 1,25
used - life fraction
u = Σij tij / tRij
rupture time
operating history
P(-), T(+20°C)
tijd = 12 jaar
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 22
lange-duur oververhittingmateriaal in-bedrijfname 1980 bedrijfsuren
component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 1995 127,500P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007 229,500
onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tR-min u-max u-maxof DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oC] [uren] 1995 2007
[-] [-]
OVO-1slangen 114.3 10.0 9.0 126 73.7 92.1 515 P22 384,000 0.3320 0.5977uitlaatkast 273.1 28.0 24.5 126 63.9 79.9 515 P22 792,000 0.1610 0.2898
materiaal in-bedrijfname 1995component = LEIDING P1 = 15Mo3 uren per jaar 8500
P11 = 13CrMo44 bereken-datum 1 2007P22 = 10CrMo910 bereken-datum 2 2007
onderdeel Du d d-min P S S*1,25 T materiaal tR-min u-maxof DN [mm] [mm] [mm] [bar] [MPa] [MPa] [oC] [uren] 2007
[-]
OVO-1 + 20°Cslangen 114.3 10.0 10.0 126 65.7 82.1 535 P22 110,000 0.9273uitlaatkast 273.1 28.0 28.0 126 55.1 68.9 535 P22 241,000 0.4232
Σ u2007
1.25930.5842
lange-duur oververhitting :
vaak : op termijn
korte-duur oververhitting :- vaak geen probleem- maar (laten) controleren
ONTHOUDEN : iedere +15°C halvering levensduurdus : bij 45°C factor 2*2*2 = 8 korter
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 23
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip - inleiding
3. kruip - mechanismen
4. kruip - levensduur
5. kruip - voorbeelden
6. SRC = Strain Relaxation Cracking
SIC = Strain-Induced Cracking
andere termen
RC Relaxation CrackingSRC Strain Relaxation CrackingSIC Stress Induced CrackingSAC Strain Age CrackingSOC Stress Oxidation CrackingSAGBO Stress Assisted Grain Boundary CrackingRHC Re-Heat CrackingSRC Stress Relief CrackingPWHT C Post Weld Heat Treatment CrackingWPhC White Phase Cracking
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 24
SIC = Strain-Induced Cracking
relaxatie-scheurvorming bij austenitische stalen :
- temperatuurgebied 500 - 750 °C(of start/stop door dit gebied)
- brosse intergranulaire scheuren- temperatuur-verouderd (harde korrels, zachte korrelgrenzen)- meest gevoelig : HAZ van : - koud-gedeformeerd
- (reparatie-) lassen - rekgestuurd strain-induced (spanning / stress)- metallisch filament in scheurmidden (Fe- en/of Ni-rijk)
en omzoomd door Cr-oxide
ALLOY800HT
600°C - 6.000u
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 25
RVS 347H (600°C / 4.200 uur)
Alloy 800H600°C / 150 uur3-punts buig-
relaxatie-proef
hardheid > 200 HV (tenzij verandert door T > 750°C)
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 26
TEMthin foil
SIC-senstitivemicro-structure
SIC-senstitive micro-structure
normal austenite structure sensitive austenite structure
no precipitatesmany small precipitates
Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)
‘soft’grains
‘hard’grains
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 27
normaal in austeniet : 15% deformatie toelaatbaar
in SIC-gevoelig materiaal : slechts 1 - 2 % toelaatbaar anders SIC
oplossing : anti-SIC gloeien (PWHT, stabiel gloeien)
anti-SIC gloeien
‘normal’ structuresensitive structure
large grain-boundary precipitatesmany small precipitates
Cr23C6 and γ’ = Ni3(Al,Ti)
‘hard’grains
875/980°C - 3u
‘soft’grains
LARGE.
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 28
invloed anti-SIC gloeien
Alloy 617650°C / 150 uur3-punts buig-
relaxatie-proef
na anti-SIC gloeien (PWHT) :> 15% koudvervorming toelaatbaar
PWHT 980°C / 3 hrsas welded
INSPECTIE
- identificatie T=500-750°C (minder <2 jaar in bedrijf)
+ lassen / koudgedeformeerd
- DPT, X-ray, (US), replica, (schuitjes)
REPARATIE
- indien mogelijk : alleen uitslijpen
- matching lassen
- anti-SIC gloeien (PWHT, stabiel gloeiing)
LZL ‐ lezing op 29 september 2015 Rob Gommans
MCC Materials & Corrosion Consultants 29
SIC - gevoeligheidsgebieden+ aanbevolen gloeiingen
materiaal SIC-gebied[°C]
stabiel-gloeiingbasismetaal
PWHT van gelaste verbinding
RVS 304(H) 550 - 625
875°C - 3 uur 875°C - 3 uurRVS 316(H) 500 - 625
RVS 321(H) 525 - 625
RVS 347 (H) 550 - 650
Alloy 800H/HT 575 - 725980°C - 3 uur
875°C - 3 uur (*)
Alloy 617 575 - 775980°C - 3 uur
Alloy 625 625 - 675
(*) indien gelast met 617, dan 980°C - 3 uur
bron : PMP/NIL/TNO-project PRD 5.3
BEDANKT VOOR UW AANDACHT !
Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant
T : +31 (0)46 410 7709
E : gommans@m‐c‐c.nl