View
254
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
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)
Recommended