Faalmechanisme KRUIP

Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
LGW
2‐mrt‐2017
Faalmechanisme KRUIP
Rob GOMMANS
INHOUDSOPGAVE
1.
2.
3.
4.
5.
introductie en schades
kruip ‐ inleiding
kruip ‐ mechanismen
kruip ‐ levensduur
kruip ‐ voorbeelden
optioneel :
1. hoge‐temperatuur corrosie
2. SRC = Strain Relaxation Cracking
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
1
EEN NIEUWE NAAM,
EEN VERTROUWD GEZICHT
ROB GOMMANS ZET ZIJN ACTIVITEITEN VOORT ONDER DE NAAM
MATERIALS & CORROSION KNOW-HOW.
Materials & Corrosion
Know-How is een Besloten
Vennootschap geregistreerd
Materials & Corrosion Know-How is gespecialiseerd in de structurele integriteit
van installaties en apparaten :
• gedrag van materialen in hun omgeving (T,pH,%) en belasting (t,P,N)
• definiëren en voorspellen van faal- en degradatie-mechanismen
• corrosie-, materiaal- en lasproblemen alsmede schade-onderzoek
• trouble shooting, reparatie-adviezen en probleemoplossingen
• fitness for service en (rest)levensduurvraagstukken
Vestigingsadres : Eiland 15, 6107CA Stevensweert
Correspondentie-adres : MTOC-gebouw, Kampstraat 86, 6163HG Geleen
T 046 419 7709
M 06 5135 6198
[email protected]
www.mc-knowhow.nl
KVK12056223
BTWNL.8141.00.478.B01
IBAN NL31 INGB 0007 1819 24
BIC
INGB NL2A
Kwalificaties:
M.Sc. in Materials Science and Engineering from Delft Technical University since 1987
Eur.Ing. (FEANI) since 2000
Level 3 Inspection Specialist since 2003
in Nederland.
Gommans Metallurgical
Services (GMS) is een handelsnaam van Materials &
Corrosion Know-How BV.
CURRICULUM VITAE
Rob GOMMANS
Rob Gommans (1961) studied materials science and engineering at the Delft Technical University and has a Master’s
Degree since 1987. During this period practical work has been performed at Sandoz (now Novartis) in Switserland. His
Master’s Thesis has been performed at the Joint Research Centre of the European Commission in Petten about the
interaction between creep and high-temperature corrosion of Alloy 800H in a sulfidising, carburising and oxidising
atmosphere. In 1987 Rob Gommans has started his career at DSM and worked for all (53) its production plants.
He was involved in materials investigations, properties and behaviour of metals and alloys and failure investigations.
In most cases these metals have been applied as pressure vessel components or (rotating) machine parts. However,
Rob Gommans is specialized in high-temperature problems, brittle fracture and failure investigations and mainly worked
for the ethylene, syngas and power generation plants. He has many contacts in the (petro-)chemical industry in Europe
and actively participated in national and European projects.
In 2000 Rob Gommans has started his own business as independent technical consultant in materials science :
"Gommans Metallurgical Services" (GMS). He worked for the (petro-)chemical industry, EPC-contractors, power
stations, pulp- and paper industry, boiler and vessel manufacturers, manufacturers of special high-temperature steels,
steam- and gas turbine manufacturers, insurance companies and damage surveyors.
E-mail : [email protected]
Between 2005 and 2015 he owned MCC Materials & Corrosion Consultants, a company specialised in investigations,
inspections, and consultancy on materials and corrosion. Mainly for pressure vessels and (rotating) machinery in the
process industry. Complete inspections including scaffolding, insulation (removal and application) and NDT were
managed in-house. "One-stop shopping" for materials and welding, corrosion, inspections, regular and specialised NDT
(including rope access), mechanical testing, metallurgical laboratory.
Since 2016 Rob is active under the name of Materials & Corrosion Know-How (MC-KnowHow). The activities
have remained similar and more emphasis is given to defining and predicting failure and damage mechanisms.
E-mail : [email protected] ; website : www.mc-knowhow.nl
In 2008 SINTRA Engineers (Structural INTegrity and Reliability Analysis) has been initiated. As the name already
indicates the integrity and safety of plants, equipment and damaged components is assessed using Fitness-For-Service
techniques (API-579, BS-7910). Fracture mechanics and Finite-Element-Modeling calculations (Abaqus) are used.
Website : www.sintra-engineers.nl
In 2009 the MTOC (Dutch for Materials and Technological Research Centre) has been initiated. This building houses
specialised companies in the area of materials, engineering, technology, simulations, advanced calculations and
investigations. By joining these expertise’s in one building a higher level of synergy is achieved for the clients.
MC-KnowHow and Sintra Engineers participate in the MTOC. Website : www.mtoc.info
Rob Gommans is also active in various technical (materials) committees :
- Technical Committee for Pressure Vessels (TCD; Technische Commissie voor Drukapparatuur)
member since 1997
- Working Group on Materials (WG/M) of the TCD
member since 1993 ; chairman since 1997
- European Collaborative Creep Committee :
- chairman of the Working Group on Austenitic Steels (1995-1999)
- member of the Management Committee (1995-1999)
- member of the Working Group on Austenitic Steels (1992-1995 and 1999-2006)
- Dutch Contact Group on Creep and High-Temperature Phenomena (from 1989 onward),
part of the Dutch Materials Society. Secretary of the Contact Group since 2010.
- member of the Corrosion Advisory Board of the IIR (sinds 2011), that organizes conferences and courses
in the area of corrosion and materials.
Rob Gommans has performed inspections, failure investigations, provided consultancy for many clients/companies,
mainly in Europe, but also in Brazil, Argentina, United Arab Emirates, Saudi Arabia, Iran, Kuwait, Qatar, Syria, Libya,
Egypt, Canada, USA, India, Bangladesh, Pakistan, Malaysia and Singapore.
He organises training and courses on materials, corrosion, inspections and is also asked as guest speaker
in this area. Rob Gommans has also acted as expert witness in arbitration and court cases.
Company details
Materials & Corrosion Know - How b.v.
Statutory address
Eiland 15 | 6107CA Stevensweert | The Netherlands
Correspondence-address MTOC Building | Kampstraat 86 | 6163HG Geleen | The Netherlands
Telephone
Rob Gommans
+31 46 410 7709
+31 6 5135 6198
Internet
internet site
e-mail address
www.mc-knowhow.nl
[email protected]
Banking data
ING Bank | P.O. Box 54 | 6190AB Amsterdam | The Netherlands
IBAN
NL31 INGB 0007 1819 24
BIC / SWIFT INGB NL2A
Chamber of Commerce
Chamber Roermond nr. 1205 6223
SBI-codes
7112 / 71202 / 71203 / 72192
VAT-number
NL.8141.00.478.B01
Qualifications
M.Sc. in Materials Science and Engineering (1987, Delft University)
Eur.Ing. recognised by FEANI (2000, certificate 00/001/GO)
Level III Inspection Specialist (2003, Hogeschool Utrecht - NL)
Membership
KIVI (Royal Dutch Institute of Engineers) - member number 4423
FEANI (European Federation of National Engineering Associations)
Bond voor Materialenkennis (Dutch Materials Society)
NACE (National Association of Corrosion Engineers, member nr. 315736)
Gommans Metallurgical Services is a trade name of M.C. Know-How bv
(office)
(mobile)
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
is een ingenieursbureau :
•
•
•
•
•
•
gespecialiseerd in het gedrag van metalen
in hun omgeving (T, medium, %, pH, etc.) en
belastingsomstandigheden (P, tR, Nf).
schakel tussen theorie en praktijk.
onderzoeken van complexe schadegevallen
het geven van materiaal-, las- en reparatie-adviezen
opstellen inspectieplannen en -termijnen
uitvoeren van “risk-based” inspecties
•
langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied
brosse breuk
tijdens afpersen
(omgevingstemperatuur
te laag)
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
1
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
C-Mn staal / PWHT 560°C / martensiet / tegenlas
CORROSIE
onder
ISOLATIE
•
•
•
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
LPG opslagbol
fire‐proofing
fire drills
2
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
CORROSIE
onder
ISOLATIE
•
•
•
•
•
•
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
½Mo‐stalen regeneratieleiding
molzeven NH3‐fabriek)
alternerende bedrijfsvoering
(T = ambient – 350°C)
P = 70 bar waterstof (H2)
personal protection  isolatie
3
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
is een ingenieursbureau :
•
•
•
•
•
•
gespecialiseerd in het gedrag van metalen
in hun omgeving (T, medium, %, pH, etc.) en
belastingsomstandigheden (P, tR, Nf).
schakel tussen theorie en praktijk.
onderzoeken van complexe schadegevallen
het geven van materiaal-, las- en reparatie-adviezen
opstellen inspectieplannen en -termijnen
uitvoeren van “risk-based” inspecties
•
langdurige industriële kennis en ervaring in dit vakgebied
brosse breuk
tijdens afpersen
(omgevingstemperatuur
te laag)
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
1
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
brosse breuk
tijdens afpersen
(omgevingstemperatuur
te laag)
C-Mn staal / PWHT 560°C / martensiet / tegenlas
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
2
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
CORROSIE
onder
ISOLATIE
•
•
•
LPG opslagbol
fire‐proofing
fire drills
CORROSIE
onder
ISOLATIE
•
•
•
•
•
•
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
½Mo‐stalen regeneratieleiding
molzeven NH3‐fabriek)
alternerende bedrijfsvoering
(T = ambient – 350°C)
P = 70 bar waterstof (H2)
personal protection  isolatie
3
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
HP‐scrubber failure
urea plant , Curitiba (Bra)
corrosion meets weld defect + failing leak detection system
overheating
due to operator error
root cause :
management decision
other examples :
‐ row 2 of AFA2 gas turbine (choking)
‐ Agrium primary reformer 1998
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
4
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
8 nov 2012
explosie
Centrale
Nijmegen
Hoofdstoom
Leiding
Ø600 x 35 mm
180 bar - 540°C
X20CrMoV12.1
8 nov 2012
explosie
Centrale
Nijmegen
Hoofdstoom
Leiding
Ø600 x 35 mm
180 bar - 540°C
X20CrMoV12.1
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
5
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
multiple factors required for catastrophes
such as :
facilitated by :
‐ material defect, weld defect
‐ design mistake
‐ operating mistake
‐ management decision
‐ corrosion, mechanical failure
‐ etc.
‐ lack of knowledge, training ‐ lack of exchanging information of failures
‐ retirement of experienced engineers and experts
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
6
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
wat is “KRUIP”?
tijd-afhankelijke plastische vervorming
onder invloed van belasting (constant of wisselend)
onder invloed van hoge temperatuur (T > 0,4 Tm in K)
bij σ < Re (T)
-
staal :
aluminium :
lood :
ijs :
kunststoffen :
> 400 °C
> 100 °C
> -50 °C
> -150 °C
>
0 °C
gevolg: vervormingen  scheuren
(locaties met hoogste spanning het eerst)
RestLevensduur problematiek
bij 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 langer
buis onder inwendige druk  zwelt op
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
7
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
thin-lip
fish-mouth
rupture
(short-term
overheating)
thick-lip
creep rupture
(long-term creep)
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
8
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
veel toegepaste materialen
grenstemperatuur [°C]
staalsoort
type
voorbeelden
voor kruip voor kruip-vermoeiing
C-staal
C-Mn staal
St.35.8, St. 45.8
P265GH, P355GH
16Mo3, 16Mo5, Grade 1
13CrMo4-5, Grade 11/12
10CrMo9-10, Grade 22
laaggelegeerd Cr-Mo-V staal 14MoV6-3, 1CMV
hooggelegeerd Cr-Mo staal
X11CrMo5; Grade 5
X11CrMo9-1; Grade 9
martensitisch Cr-Mo staal
X20CrMoV11-1, Grade91
400
350
475
425
575
525
laaggelegeerd Cr-Mo staal
austenitisch RVS
TP 304, TP316
TP321, TP347
TP310
X10NiCrAlTi32.20
Alloy 800 H/HT
primary
Yield strain
secondary
tertiary


t
Elastic deformation
Time
Few voids
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
Orientation
Micro-cracks
9
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
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)
Neubauer (TüV 1983), VGB TW-507, NordTest TR 170
..... .
.....
.........
.
.
.
.
.
.
............
......
....
.......... ...
......
........
.....
Klasse 0
.... ....... . ............ ........
.................................. .... ............. ...
.. .. .. ... . . . . ..
...... ....... ..... ... . ... .... . .......... ........
. ...... . .... ... ....... ..
.... ... ... ......
...................................... ............. ......
.. .... .......... ... ................ . .....
. . . .. . . . ..
. .. .
............ .... ............................. ...... ... ..
Klasse 3
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
....
........
. .. . .
.. . . . .. . .. . . . . . . .
.. . . . . . . .
.. . . . . . . . .
.... . . .. . .. . ..
. . .
.
.
. . . .. . .
.
.
.
.
.... . . . . . . . .
STAGE 2
Klasse 1
Klasse 2
1m
m
Klasse 4
1m
m
Klasse 5
10
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
structuurverval en carbidevorming
(klasse 1)
• structuurdegradatie door globularisering van perliet,
bainiet of martensiet (in ferritische stalen)
• verdere “rijping en faseverandering” door vorming
carbides in de korrels en op de korrelgrenzen, met
lagere hardheid en kruipsterkte als gevolg
• gaat door als f (t,T)
geïsoleerde kruipholten (klasse 2)
• secundair kruipstadium
• holten (voids) worden gevormd op de korrelgrenzen,
bij voorkeur op tripelpunten, tgv. afschuiving van de
korrels.
• onderscheid tussen klasse 2A en 2B is de
hoeveelheid gevormde (geïsoleerde) holten.
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
11
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
georiënteerde kruipholten (klasse 3)
• Holten gaan zich oriënteren op de korrelgrenzen
• Oriëntatie zichtbaar loodrecht op de spanningsrichting
• Onderscheid tussen klasse 3A en 3B is de
hoeveelheid gevormde holten (3B: parelsnoer)
klasse 3
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
12
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
micro-scheuren (klasse 4)
• Holten groeien en groeien aaneen, waardoor de
tussenliggende “damwanden” verdwijnen, en
de eerste microscheurtjes worden gevormd.
• scheurtjes verminderen de dragende doorsnede,
waardoor spanning en vervormingssnelheid
toenemen.
klasse 4A
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
13
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
klasse 4B
macroscheuren (klasse 5)
• Tertiaire kruipstadium
• Microscheurtjes groeien, groeien aaneen
en vormen macroscheuren,
die met DPI of MPI, vaak met blote oog zichtbaar zijn.
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
14
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
klasse 5
Werkproces 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
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
15
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
ontwerp 100.000 uur
na 100.000 uur : inventarisatie
(P, T, N) en dimensies
werkproces
beheersing
faalmechanismen
berekening spanningen
en verbruiksfractie (u)
“kruip en LCF”
selectie kritische componenten
RToD T0102
PRD 2.3 bijlage 7
opstellen eerste / vervolg
aanvullend onderzoek
uitvoering onderzoek
ontoelaatbare kruipschade :
uitbreiding onderzoek,
reparatie of vervanging
evaluatie resultaten
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
16
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
KRUIP = tijd‐afhankelijke plastische vervorming
onder invloed van belasting, temperatuur en tijd
400
350
warmsterkte P355GH
sterkte [MPa]
300
250
200
150
Re
100
[MPa]
R1%100k [MPa]
Rmg200k [MPa]
50
0
0
100
200
300
400
500
temperatuur [°C]
Kruipproef
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
17
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
KRUIPCURVE
infuence of
temperature or stress
primaire kruip
afnemende kruipsnelheid door
versteviging door vorming van meer
dislocaties
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
18
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
secundaire kruip
Gelijkblijvende kruipsnelheid omdat evenveel dislocaties gevormd worden als
dat opgeheven worden
SECONDAIRE KRUIP
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
19
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
DISLOCATIE-KRUIP
dislocatie-beweging door glijden (in
één glijvlak)
m = 0 en n  3
dislocatie-beweging door glijden en
klimmen
DIFFUSIE-KRUIP
m = 2 (volume)
m = 3 (korrelgrens)
en n = 1
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
20
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
Deformation mechanism maps
(1)
Deformation mechanism maps
(2)
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
21
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
extrapolatie probleem
1 E-03
Alloy 800 H/HT @ 800°C
strain rate
[1/h]
1 E-04
Alloy 800H bottom manifold
DMY
T = 800°C
P = 30 bar
1 E-05
1 E-06
diffusion creep
dislocation creep
combined creep
1 E-07
1 E-08
1
10
stress [MPa]
100
stabiliteit micro-structuur
S
T
A
BI
E
L
N
IE
TS
T
A
BI
E
L
Omega
methode
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
22
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
tertiaire kruip
vermindering van
dragend oppervlak door
vorming van holten en
scheuren
Kruipstadia / kruipklassen
Neubauer (1983)
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
23
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
KLASSE 3
vergroting
200x
KLASSE 5
vergroting
50x
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
24
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
KLASSE 4B
vergroting
100x
KLASSE 1 (zware degradatie)
vergroting
500x
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
25
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
kruipproef
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
26
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
13 CrMo 4-5 bij T = 500°C
parametrische
benadering
Larson - Miller
PLM = T * (C + log tR)
C = 15-25 / T in K / tR in hours
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
27
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
Manson - Haferd
log tR - C
PMH = ---------------( T – To) n
T in K / tR in hours / n ~ 1 /
C = 10-15 / To ~ bedrijfstemperatuur
extrapolatie onbetrouwbaar ?
P91 @ 600°C
105h avg rupture
USA : 100 MPa
1995 : 94 MPa
2009 : 90 MPa
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
28
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
invloed legeringselementen
modified 9Cr-steel (P91)
element
content
influence
C
N
V
Nb
0.08 – 0.12
0.03 – 0.07
0.18 – 0.25
0.06 – 0.10
Cr
8.0 – 9.5
Mo
0.85 – 1.05
Ni
< 0.40
Mn
0.3 – 0.6
residual
Si
0.2 – 0.4
residual
Al
< 0.040
desoxidation
P
< 0.020
impurity
S
< 0.010
impurity
formation of carbides and carbo-nitrides
formation of carbo-nitrides
VC
(VNb)C (VNb)(CN)
NbC (NbV)C (NbV)(CN)
oxidation resistance; Cr23C6 formation
solid solution hardening; stabilisation of
Cr23C6 ; formation of Mo2C and Laves
limitation of delta-ferrite formation
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
29
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
P 91
influence of creep strength
on wall thickness
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
30
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
calculation of used-life fraction
material information
dimensions
(minimum) design curves
or parametric formulae
load
operating history
P(t) and T(t)
stress
component formulae
operating time
rupture time
hoop stress formula
used - life fraction
bend : torus factor
u
T-piece : z - factor
=
Σij tij / tRij
sensitivity of used-life fraction
( for ferritic steels in HP-steam systems )
- temperature :
- u doubles every 15-20 °C
- pressure :
- u + 2% for every bar
- wall thickness
- (variable)
- hours
- linear
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
31
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
INHOUDSOPGAVE
1. introductie en schades
2. kruip ‐ inleiding
3. kruip ‐ mechanismen
4. kruip ‐ levensduur
5. kruip ‐ voorbeelden
calculation of used-life fraction
material information
dimensions
(minimum) design curves
or parametric formulae
load
operating history
P(t) and T(t)
stress
component formulae
hoop stress formula
bend : torus factor
T-piece : z - factor
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
operating time
rupture time
used - life fraction
u
=
Σij tij / tRij
32
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
Las Groep West
@ Bob’s ‐ Uitgeest
kruip - cases
- korte-duur oververhitting
- lange-duur oververhitting
- kruip-vermoeiing interactie
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
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
33
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
bedrijfsgegevens
600
534°C ?
rookgas
500
temperatuur [°C]
400
KVW
300
200
druk
100
flow
0
16:48
18:00
19:12
20:24
21:36
22:48
0:00
1:12
2:24
3:36
4:48
calculation of used-life fraction
Pijp
material information
ø114,3 x 8,8 mm
parametric ISO TR-7468
P= 126 bar (max)
minimum : σ = 1,25
operating history
P(t), T(t)  figuur
stress
component formulae
hoop stress formula
σ = P · (OD-d) / 2d
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
tijd = 8 uur
rupture time
used - life fraction
u
=
Σij tij / tRij
34
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
RESULTAAT : oververhitting niet relevant
component =
materiaal
P1 =
15Mo3
P11 =
13CrMo44
P22 =
10CrMo910
LEIDING
onderdeel
in-bedrijfname
uren per jaar
bereken-datum 1
bereken-datum 2
1982
0
0
0
T materiaal
[oC]
bedrijfsuren
0
0
Du
[mm]
d
[mm]
d-min
[mm]
P
[bar]
S
[Mpa]
S*1,25
[Mpa]
tR-min bedrijftijd
[uren]
[uren]
P=constant
slangen
uitlaatkast
leiding WV-424
101,6
101,6
114,3
7,0
7,0
8,8
7,0
7,0
8,8
126
126
126
85,1
85,1
75,5
106,4
106,4
94,4
570
570
570
P1
P1
P1
337
337
522
8
8
8
0,0237
0,0237
0,0153
< 3%
P = uurgemiddelde
slangen
slangen
slangen
slangen
slangen
slangen
slangen
slangen
101,6
101,6
101,6
101,6
101,6
101,6
101,6
101,6
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
73,2
76,7
86,9
101,2
108,0
108,5
98,2
118,4
49,5
51,8
58,7
68,4
73,0
73,3
66,4
80,0
61,8
64,8
73,4
85,5
91,2
91,6
82,9
100,0
570
570
570
570
570
570
570
570
P1
P1
P1
P1
P1
P1
P1
P1
1.467
1.233
778
445
351
345
497
249
1
1
1
1
1
1
1
1
0,0007
0,0008
0,0013
0,0022
0,0028
0,0029
0,0020
0,0040
19-20u
20-21u
21-22u
22-23u
23-24u
24-01u
01-02u
02-03u
u-totaal
8
0,0168
Σ
u-max
[-]
uurgemiddelde per uur in de genoemde tijdperiode
alleen kruip beoordeeld / andere faalmechanismen ?
case : lange-duur oververhitting
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
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
35
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
calculation of used-life fraction
pijp
material information
ø114,3 x 10 mm
parametric ISO TR-7468
ø273,1 x 14 mm
operating history
minimum : σ = 1,25
P= 126 bar (max)
P(-), T(+20°C)
stress
tijd = 12 jaar
rupture time
component formulae
hoop stress formula
used - life fraction
σ = P · (OD-d) / 2d
u
=
Σij tij / tRij
lange-duur oververhitting
component =
onderdeel
of DN
materiaal
P1 =
15Mo3
P11 = 13CrMo44
P22 = 10CrMo910
LEIDING
Du
[mm]
d
[mm]
d-min
[mm]
P
[bar]
S
[MPa]
in-bedrijfname
uren per jaar
bereken-datum 1
bereken-datum 2
S*1,25
[MPa]
1980
8500
1995
2007
T materiaal
[oC]
tR-min
[uren]
bedrijfsuren
127,500
229,500
u-max
1995
u-max
2007
[-]
[-]
0.3320
0.1610
0.5977
0.2898
OVO-1
slangen
uitlaatkast
114.3
273.1
10.0
28.0
9.0
24.5
126
126
component =
onderdeel
of DN
73.7
63.9
92.1
79.9
d
[mm]
P22
P22
materiaal
P1 =
15Mo3
P11 = 13CrMo44
P22 = 10CrMo910
LEIDING
Du
[mm]
515
515
d-min
[mm]
P
[bar]
S
[MPa]
384,000
792,000
in-bedrijfname
uren per jaar
bereken-datum 1
bereken-datum 2
S*1,25
[MPa]
T materiaal
[oC]
1995
8500
2007
2007
tR-min
[uren]
u-max
2007
Σu
2007
[-]
OVO-1 + 20°C
slangen
uitlaatkast
114.3
273.1
10.0
28.0
10.0
28.0
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
126
126
65.7
55.1
82.1
68.9
535
535
P22
P22
110,000
241,000
0.9273
0.4232
1.2593
0.5842
36
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
lange-duur oververhitting :
vaak :
op termijn
korte-duur oververhitting :
- vaak geen probleem
- maar (laten) controleren
ONTHOUDEN : iedere +15°C  halvering levensduur
dus : bij 45°C  factor 2*2*2 = 8 korter
=
Σ N / Nf
fatigue damage
u
kruip
vermoeiing
interactie
creep damage
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
u
=
Σ t / tR
37
Las Groep West
MC‐KnowHow ‐ lezing LGW 2 maart 2017
@ Bob’s ‐ Uitgeest
BEDANKT
VOOR UW AANDACHT !
Rob GOMMANS your Materials & Corrosion Consultant
Materials & Corrosion Know‐How
Kampstraat 86 ‐ 6163 HG Geleen
rob.gommans@mc‐knowhow.nl
Materials & Corrosion Know‐How
Rob GOMMANS
1