Vermoeiing in metalen

Lasgroep Zuid

Pascal SchreursSintra Engineerswww.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

– beoordelingen van locale of generieke wanddikte afname en pitting schade

– breukmechanische analyses

– koude brosheid studies

– beoordelen van lasfouten (misallignments, …)

– FEA analyses

• Restlevensduur analyses aan equipment in

– 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.belastingsomstandigheden, schakel tussen theorie en praktijk.

• onderzoeken van schadegevallen • het geven van materiaal- en reparatie-

adviezen• opstellen inspectieplannen en -termijnen• uitvoeren van “risk-based” inspecties

• Langdurige industriele kennis en ervaring in dit vakgebied

• Gespecialiseerd in productontwikkeling voorverschillende industrieën met behulp van state-of-the-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 (mirco-structuur , hardheidsmetingen ,…) structuur , hardheidsmetingen ,…) •Schade analyses (Macroscopisch, Microscopisch, SEM/EDX,…)•Onsite onderzoek (Replica onderzoek)

•Toepassing in:•Kennis opbouw voor de gebruikervan een machine of installatie•Contra expertise•Klant leverancier geschillen

Niet Destructief Onderzoek (NDO)

•Ultrasone wanddikte metingen • Ultrasoon lasonderzoek • Magnetisch en Penetrant onderzoek • Wervelstroom 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.

DienstenDiensten�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

Onze diensten:

• Sterkteberekeningen van

AKconflex B.V.: specialist in Pipestress & Vesselengineering

• 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.

• FFS betekent Fitness For Service (letterlijke vertaling: geschikt voor de toepassing)

• Verzamel naam voor “specialistische” rekenmethodieken om de geschiktheid van

Wat is FFS

rekenmethodieken om de geschiktheid van (druk)apparatuur aan te tonen

19 oktober 2011 11

• Voorkomen dat falen van drukapparatuur met onacceptabele consequenties zich voordoen binnen de geplande levensduur (of tot de eerst volgende shutdown-inspectie).

Doel van FFS

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• 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 stoomtreinenvan stoomtreinen

• Wohler heeft proeven uitgevoerd om dit gedrag te

analyseren.

19 oktober 2011 17

Vermoeiing in stappen

Cyclischeslip

CrackNucleation

Microscheurgroei

Macroscheurgroei

Falen van constructie

ScheurgroeiInitiatie periode

periodeInitiatie periode

KtStress concentration factor

KIStress intensity

factor

KI > KIcBreuk-

taaiheid

Scheur initiatie

Microscheurgroei

Levensduur vs indicatie diepte/lengte

Vermoeiing in stappen

Cyclischeslip

CrackNucleation

Microscheurgroei

Macroscheurgroei

Falen van constructie

ScheurgroeiInitiatie periode

periodeInitiatie periode

KtStress concentration factor

KIStress intensity

factor

KI > KIcBreuk-

taaiheid

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”“Peterson’s stress concentration factors”

– Bij een speciale vorm kan deze factor berekend worden

middels FEA.

– Factor is een dimensieloos getal

Voorbeeld van spanningsconcentratie

100

tnompiek K⋅=σσ

19 oktober 2011 24

1

10

100

1 10 100 1000

t/r

stre

ss c

once

ntra

tion

fact

or

Ktg

Stress concentration factor Ktg for an elliptical of U-shaped notch in a semi-infinite thin element in tension

σ σt

σmax

rmin

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 Siebelo.a. Peterson, Neuber en Siebel

• Volgens Peterson geldt:

qK f 1−

K t 1−:=

• Kf= vermoeiingsgrens ongekerfd / vermoeiingsgrens gekerfd

Kerf gevoeligheid

Een voorbeeld

q0.1

0.9

:=

σ f 50MPa:=

K t 3:= Spanningsconcentratie factor

Vermoeiingssterkte materiaal

Alluminium met notch radius<1mm en 4mm0.9

K f K t 1−( ) q⋅ 1+:=

σ ft

σ f

K f:=

σ ft41.667

17.857

MPa=

K f1.2

2.8

=

<1mm en 4mm

Vermoeiingsfactor

Toelaatbare spanning in constructie

VermoeiingscurveS

pann

igs

ampl

itude

[MP

a]

3

1 C ∆σan:=

n ( aantal wissellingen)

Spa

nnig

s am

plitu

de [M

Pa]

5 x

106

108

5

Overige parameters van invloed• Parameters van invloed:

– Oppervlakte ruwheid

– Wanddikte

– Temperatuur

Gelast / ongelast– 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.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– 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 • Lasafwerking en/of doorlassing heeft invloed

op curve

Effect gemiddelde spanning

5

10

15

R = ∞

R < -1

19 oktober 2011 34

-15

-10

-5

0

0 5 10 15

R < -1

R = -1

R = 1

R = 0

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• 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• 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

Cyclischeslip

CrackNucleation

Microscheurgroei

Macroscheurgroei

Falen van constructie

ScheurgroeiInitiatie periode

periodeInitiatie periode

KtStress concentration factor

KIStress intensity

factor

KI > KIcBreuk-

taaiheid

Breukmechanica

• Plaat met spanningsconcentratie

• Als r = 0.001mm wordt

concentratie oneindig groot

kA 12 a⋅ρ

+:=

concentratie oneindig groot

• Nieuwe theorie nodig :

Breukmechanica

KI σ Y⋅ π a⋅⋅:=

Breukmechanica

Scheurgroei periode• Scheurgroei periode kan worden bepaald

middels breukmechanica

K I β S⋅ π a⋅⋅:=ββββ = geometrie afhankelijke, beschikbaar

in diverse literatuurin diverse literatuura = lengte van de scheur

• Scheur groeit als KI> K

Itreshold

• Constructie bezwijkt als KI> K

Ic

• KIc

is materiaal parameter welke gerelateerd kan

worden aan Charpy waardes (vergelijkbaar met

rekgrens)

Voorbeeld van scheurgroei curve (BS7910)

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

19 oktober 2011 44

1.00E-11

1.00E-10

1.00E-09

1.00E-08

1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

10 100 1000 10000

da

/ d

N

[-

]

stress intensity ∆∆∆∆K [MPa∙√mm]

Voorbeeld van scheurgroeicurve

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

da/d

N

Crack growth in hydrogen service

Hydrogen service GS 35um

hydrogen service GS 180um

Air service GS 35um

Let op, Curves zijn afhankelijk van :• Frequentie• Gemiddelde spanning• Faalmechanisme / materiaal medium combinatie• …

1.00E-06

1.00E-05

1 10 100∆K [MPa*m1/2]

air service GS 180um

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– 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

500

600

700

800

rek

(mic

rons

/met

er)

ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6

19 oktober 2011 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 -200

-100

0

100

200

300

400

Tijd (minuten ) vanaf start 25-01-2006 00.02 uur

rek

(mic

rons

/met

er)

Rainflow counting

8

10

12

19 oktober 2011 51

-4

-2

0

2

4

6

0 2 4 6 8 10 12 14

Sp

an

nin

g [

MP

a]

Tijd

Rainflow counting

19 oktober 2011 52

Minor Regel

∑ <1failureN

N

19 oktober 2011 53

• Kruip en vermoeiing versterken elkaar

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 EN13445-3type 7.4 class 63

1000

Spa

nnin

gsam

plitu

de [M

Pa]

10

100

100 1000 10000 100000 1000000 10000000 100000000

1E+09

Aantal wisselingen N [-]

Spa

nnin

gsam

plitu

de [M

Pa]

Norm-waarde

mean data

max data

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

oorzaakoorzaak

• Mogelijke oplossingen zijn:

– Trillingsmetingen

– rekstrookmetingen

Rekstrookmetingen ANON Afvoerleiding

ANON toevoerleiding

Rekstrookmeting

500

600

700

800

rek

(mic

rons

/met

er)

ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 -200

-100

0

100

200

300

400

Tijd (minuten ) vanaf start 25-01-2006 00.02 uur

rek

(mic

rons

/met

er)

Globale proces beschrijving

LT

26 bar cond.

Pluimkoeler

3 bar stoomnet

Flashvat

LIC

Dampafscheider

LT

26 bar cond.

Pluimkoeler

3 bar stoomnet

Flashvat

LIC

Dampafscheider

Cond. koeler

Cond. watertankcond,. watertank

Flashvat

LPV

140grC

100grC

c. hexanon

Vam T4014

c. hexanon

Naar H4504

100grC

Cond. koeler

Cond. watertankcond,. watertank

Flashvat

LPV

140grC

100grC

c. hexanon

Vam T4014

c. hexanon

Naar H4504

c. hexanon

Vam T4014

c. hexanon

Naar H4504

100grC

Mechanische berekening

• Bepaling van optredende DT

• 2 balken parallel met elkaar verbonden

• 1 balk word warm, andere niet� hoe groot is de

spanning dan?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)