Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een ...

Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een Vuilverbrander

Erik W. SchuringECN-E&S-Materiaal Technologie

[email protected]

1

Inhoud

• Introductie ECN• Aanleiding voor het onderzoek• Uitgevoerd onderzoek• Resultaten

• Metallografisch onderzoek• Hardheidsmetingen• Sterkte en vermoeiingsevaluatie

• Conclusies• Discussie

2

Introductie ECN

Wind

ZonBiomassa, Kolen& Milieu (BMK)

Waterstof & Schoon Fossiel

(H2SF)

Energie in de Gebouwde Omgeving & Netten (EGON)

Beleidsstudies(BS)

Engineering & Services(E&S)

Energy Efficiency in Industrie (EEI)

3

Introductie ECN

Targets ECN research

Transform energy generation and use:

efficiency improvement

generation of sustainable energy

clean use of fossil fuels

maximum reliabilityminimum environmental burden

optimal cost effectiveness

4

Introductie ECN

ECNECN’’s s research research areasareas

Clean C

onversion of Fossil Fuels

35%turnover

CFF

Emission Reduction

Climate-Neutral Energy Supply

Energy and Environmental

Quality

FCT

Fuel Cell Vehicles

Micro Co-generation

Systems

Renewable Energy

40%turnover

Solar

Thin-film PVTechnology

Grid ConnectedPV Systems

Wind

Wind FarmOperations

Wind Farm Design

Wind Turbine-Technology

Bio

Biomass Co-firingIn Large Scale

Power Generation

Combined Heat & Power

Fuels and Products

Effic

ient

Use

15%turnover

EEI

MolecularSeparation Technology

Industrial Waste Heat Utilisation

Process Intensification

REBE

Low & Zero Energy Buildings

10%turnover

PC

Policy Studies

5

Introductie ECN

Turnover shareTurnover share per unit (2004)per unit (2004)

Fuel Cell Technology

19%

Clean Use of Fossil Fuels

16%

RE in the Built Environment

8%

Wind Energy12%

Solar Energy15%

Energy Eff. in the Industry

7%

Policy Studies 11%

Biomass13%

6

Introductie ECN

ECN ECN EnergyEnergy Efficiency in the Efficiency in the IndustryIndustry (EEI)(EEI)

Separation technology(membranes)

Waste heat technology(heat pumps)

Reactor technology

.

7

Introductie ECN

ECN ECN Energie Energie in de in de Gebouwde omgeving Gebouwde omgeving & & Netten Netten (EGON)(EGON)

• PV system integration

• PV/Thermal systems

• Storage technology

• Energy management systems

• Integral energy concepts

8

Introductie ECN

ECN Wind EnergyECN Wind Energy

Design of wind farmsDesign of wind turbinesOperation of wind farms

9

Introductie ECN

ECN Biomass, ECN Biomass, Kolen Kolen en Milieu (BKM)en Milieu (BKM)

• Co-firing in coal plants

• Decentralized generation (CHP)

• Fuels and products

10

Introductie ECN

ECN Solar EnergyECN Solar Energy

Crystalline silicon PV technology

Thin-film siliconPolymer and dye solar cells

11

Introductie ECN

ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF)

• System concepts and technology assessments

• Low-carbon energy carriers• Stirling micro-cogeneration• Emission reduction• Environmental research

12

ECN Waterstof & Schoon fossiel (H2SF)• PEMFC cell and stack technology

• SOFC cell and stack technology

• Fuel processing technology

• Super capacitors

• Fuel cell system integration

InDEC B.V.

Introductie ECN

13

Introductie ECN

Engineering & Services (E&S)Engineering & Services (E&S)

• Design and construction of complex

installations and components

• Materials testing, Advise and damage assessment

• Software development

14

AanleidingAanleidingFalen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO

• Bij regulier onderhoud zijn de HT en LT-OVO en verdamper van de 3-beschikbare lijnen vervangen.

• Binnen 2 maanden na in bedrijfname traden de eerste lekkages op in de zadelpunten van de spriet/kast verbindingen.

• In een periode van 7 maanden traden 44 lekkages op in de zadelpunten van de lijnen 1, 2 en 3.

• Naar aanleiding van eerder onderzoek is geconcludeerd dat de lasuitvoering verdacht is. Doel van het onderzoek is daarom de laskwaliteit in relatie tot de opgetreden lekkages te onderzoeken

15


Materialen en lasmethode• Basismateriaal Spriet en Header: 15Mo3 (Wstnr 1.5414)

• Toegepaste wanddikten:

• Sprieten 7,1 en 5,6mm (LT-OVO) - 7,1 en 6,3 mm (LT-OVO) ) (7.1 is later ivm corrosietoeslag toegepast)

• Kast: 23,4mm

• Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaalChemische samenstelling in gewichtsprocenten

C Si Mn Mo Overige0,16 Max. 0,40 0,60 0,30 Max. Cu -= 0,30

5023440-570295<60

Charpy V[J]

Rek[%]

Treksterkte[MPa]

0,2% Rekgrens[MPa]

Diameter[mm]

Mechanische eigenschappen

150160180225264

500400300200100

0,2% Rekgrens [MPa] vs temperatuur [°C]

16


Materialen en lasmethode

• Toegepaste lasmethode: GTAW met matching lastoevoegmateriaal

17


Bedrijfscondities Verdamper, HT- en LT-OVO

Verdamperkast LT-OVO HT-OVO Afpersen

Bedrijfsdruk [bar] 120 114 114 158

Bedrijfstemperatuur [°C 325 415 415 15

Onder kruipregiem (>450°C)

Overige belastingen van de constructies• Hameren ter verwijdering depositie: HT-OVO en verdamper elke 30 min gedurende 120 sec. LT-

OVO elke 4h gedurende 120 sec.

• Langstromende turbulente rookgassen brengen de sprieten in trilling (eigenfrequentie)

Deze condities belasten de constructie op vermoeiing

18

Falen lasverbinding in HT en LT OVO Uitgevoerd onderzoekUitgevoerd onderzoekFalen lasverbinding in HT en LT OVO

• Onderzocht: spriet-kastverbindingen van lijn 2 en 3:

• Lijn 2: Verdampberbovenkast van #1

• Lijn 3:

• Bovenkast 1 HT-OVO

• Onderkast 1 HT-OVO,

• Bovenkast 9 LT-OVO

• Onderkast 9 LT-OVO

• Metallografisch onderzoek aan spriet-kastverbindingen over rechte overgangen en zadelpunten

• Lasfouten

• Lasgeometrie

• Lasnaadvoorbewerking

• Hardheidsmetingen over basismaterialen (spriet en kast), WBZ en lasmetaal

• Sterkte en vermoeiingsevaluaties

19

Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO ResultatenResultaten

Metallografisch onderzoek-MacroscopischAfwijkingen:

• Afwijkende positionering:• Off-set van spriet in de kast• Scheve montage

• Onvolkomen doorlassing• Plakfouten• Inkarteling cq afbranden van de laskant-

voorbewerking spriet

20


Lasfouten:• Plakfouten• Onvolkomen doorlassen

Metallografisch onderzoek-Microscopisch

21


Metallografisch onderzoek-Microscopisch

Scheurinitiatie en scheurgroei (na 7 maanden bedrijf):

• Vanuit onvolkomen doorlassing

• Vanuit plakfout

• Scheuruitbreiding van max 0,5 mm aangetroffen

22


Defectgrootte is gemeten:• Op de beide zadelpunten en

rechte overgangen per las• Evenwijdig aan de spriet (X)• Evenwijdig aan de kast (Y)• Berekend als percentage van de

lashoogte, a

Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten

Off set spriet:+= naar binnen-= richting kast

a=hoogte las

X= defectgrootte langs Spriet

Y= defectgrootte langs Kast

12 en 6h posities: rechte overgangen

23


Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten• Kritische defectgrootte is bepaald aan de hand van sterkte-evaluaties op basis

van breukmechanica• Uitgaande van de opgegeven bedrijfscondities

Kritische defectgrootte voor plastische vervorming tijdens bedrijf (ontwerp):Verdamper-bovenkast : 3 mm of 35%HT-OVO (6,3mm) : 3,5 mm of 36%LT-OVO (5,6mm) : 2 mm of 24%

Criteria:LT-OVO is meest kritisch met 24% als kritische defectgrootte tov de lashoogte aAls Nominale waarde voor kritische defectgrootte is genomen:• 35% van de lashoogte a voor de HT-OVO en verdamperbovenkast• 24% van de lashoogte a voor de LT-OVO

24


Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefectenVerdamperbovenkast-Lijn 2, 9 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: 10,2-12,4 mmLashoogte a-zadelpunt: 7,4-9,9 mmDefectgrootte: 0-3,7 mm

0-40,6 %w.v.: 11% boven 35% van lashoogte a

HT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 18 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 7,8-11,5 mm, Onderkast: 11,2-14,2Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 4,4-9,8 mm, Onderkast: 6,4-8,9Defectgrootte: Bovenkast: 0-6,9 mm, Onderkast 0-8 mm

Bovenkast: 0-74%, Onderkast 0-60% w.v.: 18% boven 35% van lashoogte a

25


Metallografisch onderzoek-Bepaling grootte lasdefecten

LT-OVO-Lijn 3 (boven en onderkast) 20 spriet-kast verbindingen elk 4 positiesLashoogte a-rechte overgang: Bovenkast: 8,7-12,3 mm, Onderkast: 11,6-14Lashoogte a-zadelpunt: Bovenkast: 7,2-10 mm, Onderkast: 5,6-9,9Defectgrootte: Bovenkast: 0-7,5 mm, Onderkast 0-7,5 mm

Bovenkast: 0-64%, Onderkast 0-57% w.v.: 25% boven 24% van lashoogte a

26


Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen

Positie Verdamper HT-OVO LT-OVOLijn 2 [HV10] Lijn 3 [HV1] Lijn 3 [HV1]

Kast 152 152 158Spriet 164 163 178Sluitlaag 279 275 281CG-WBZ-kast 299 323 310CG-WBZ-Spriet 314 262 301

Gemiddelde hardheden bovenkasten

Volgens overlegde LMK:Max hardheid WBZ: 221HV10Bij een interpass temperatuur van 350°C

27


Metallografisch onderzoek-HardheidsmetingenHardheidsverloop las-WBZ-Basismateriaal

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

Afstand (mm)

HV

1

Las-sprietLas-kastsmeltlijn

LasmetaalWBZbasismateriaal

Bovenkast verdamper lijn 2:

Piek hardheid boven 350HV1

28


Metallografisch onderzoek-Hardheidsmetingen

Conclusies hardheidsmetingen:• Te lage HI aangehouden• Interpass temperatuur niet aangehouden• Voorwarmen noodzakelijk (niet in LMK voorgeschreven)

29


Sterkte en vermoeiingsevaluatie

Betrokken op de Procescondities• Opstarten en stoppen• Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing)• Thermische belasting• Kruip• Thermische schok (noodstop of trip van de installatie)• Statische belasting tijdens bedrijf• Periodiek hameren

30


Sterkte en vermoeiingsevaluatie (1)Opstarten en stoppenTemperatuur en belasting zullen geleidelijk toe of afnemen. De frequentie van starts en stops in relatief laag gezien de bedrijfsperiode. Dit zal geen significante invloed op de levensduur hebben.

Stroming van de rookgassen (trilling en verplaatsing)Belastingsvariaties t.g.v. variaties in rookgassnelheden zijn beperkt. In de verdampersectie zijn deze het grootst.De pijpenbundels zullen/kunnen o.i.v. drag forces en vortex exitatie maximaal enkele millimeters verplaatsen. Daarvoor zijn snelheidsvariaties van 6m/s nodig of voor vortex exitatie een rookgassnelheid van ca 1m/s.KruipDe ontwerpspecificaties en gebruikscondities liggen in temperatuur onder 0,4x Tsmelt en liggen dus buiten het kruipregime

31


Sterkte en vermoeiingsevaluatie (2)Thermische belastingOnder operationele condities zullen temperatuurfluctuaties niet groter zijn dan 50-100°C. Uitgaande van dat ∆T=50°C over de wand van de pijpenbundels:max ∆σ=87MPa.

Statische belasting tijdens bedrijfUitgaande van de ontwerpdruk (max 120 bar) en geen of geringe variaties daarin, is de statische belasting van de constructie: σ=56MPa

Thermische schok (noodstop of trip van de installatie)Noodstop: Voor falen t.g.v. noodstops binnen 7 maanden moet deze meerdere keren PER DAG uitgevoerd worden. Dit is bedrijfsmatig NIET mogelijk. Door storingen zijn wel vaker dan normaal start/stop cycli uitgevoerd. De maximale spanningswisseling is de som van thermische en drukbelasting: ∆σ=143MPa

32


Sterkte en vermoeiingsevaluatie (3)Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels)• Leidt tot trillingen en vermoeiingsbelasting op de lasverbindingen

• Gemeten belastingen t.g.v. hameren:Versnelling: 120 – 560 x g (ca 1200-5600 m/s)Frequentie: ca 1000Hz

• Laterale verplaatsing t.g.v. het hameren: 0,03-0,15mm

• Rekening houdend met een spanningconcentratiefactor bij een scherp defect en een defectgrootte van 3mm kan een eenvoudige (sterk indicatieve) scheurgroeiberekening worden uitgevoerd.

• Beperkingen daarbij:

Geen invloed corrosie

Alleen vermoeiingscomponent

33


Sterkte en vermoeiingsevaluatie (4)Periodiek hameren van de kasten (reinigen van de bundels)

FrequentieVersnelling 2500 5000 10000 2500 5000 10000Verdamper 1930 jr 240 jr 30 jr 30 jr 4 jr 6 mnd

FrequentieVersnelling 1000 2000 3500 1000 2000 3500 1000 2000 3500

HT-OVO 500 jr 63 jr 12 jr 90 jr 11 jr 2 jr 8 jr 1 jr 2 mndLT-OVO 3900 jr 490 jr 90jr 700 jr 90 jr 16 jr 60 jr 8 jr 1,5 jr

1000 750 500

Bedrijfsperiode tot 1 mm scheurgroei bij: Frequentie [Hz]/Versnelling [m/s]

2000 1000

Er van uitgaande dat:

Rest lashoogte tussen 4 en 6 mm kan liggen (25% of 35% defectgrootte)

Kan lekkage enkel t.g.v. hameren optreden binnen 4-6 jaar.

34


Sterkte en vermoeiingsevaluatie (5) – (Tussen Conclusie)

• Uit de sterkte-evaluatie en het metallografisch onderzoek is gebleken dat veel defecten (LT-OVO 25%) boven de kritische grens voor plastische vervorming liggen onder statische belasting.

• Extra dynamische belastingen kunnen snel tot scheurinitiatie en scheurgroei leiden.

• Onder invloed van extra dynamische belasting kan rest-breuk eerder dan 4-6 jaar optreden.

• De defecten zijn vaak min of meer lokaal van aard, wat verklaard waarom het nog niet eerder tot falen is gekomen.

35

Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO Conclusies (1)Conclusies (1)

• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering:

Onvolkomen doorlassing

Niet vullen van de naad

Onvoldoende inbranding (plaklas)

Plakfouten en (gas)insluitingen

Warmscheuren

Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen

36


• Kwaliteit van de lassen is niet conform een goede lasuitvoering:

Onvolkomen doorlassing

Niet vullen van de naad

Onvoldoende inbranding (plaklas)

Plakfouten en (gas)insluitingen

Warmscheuren

Hoge hardheden (>300HV) in de WBZ, t.g.v.: lage HI, te lage interpass temperatuur, niet voorwarmen

• Lasfoutgroottes tot boven 25% van de lashoogte aangetroffen deze leveren gevaar voor plastische vervormingen bij normale bedrijfsvoering

37


• Uitgaande van enkel vermoeiing ten gevolgen van Hameren en een defectgrootte van 3mm is falen binnen 4-6 jaar waarschijnlijk

• Naast vermoeiing zijn belastingen ten gevolge van normale bedrijfsvoering aanwezig, welke de levensduur zullen bekorten (rest-breuk)

• Risico op lekkages wordt na 2-3 jaar onacceptabel groot (0,5mm scheurgroei in 7 maanden is aangetroffen)

• De kans dat de ontwerplevensduur van 10-15 jaar wordt gehaald is klein

• Lasuitvoering heeft geleid tot onacceptabele defecten welke leidden tot voortijdige lekkages van de spriet-kast lasverbindingen.

38

Falen lasverbinding in HT en LT OVOFalen lasverbinding in HT en LT OVO AanbevelingenAanbevelingen

• HT- en LT-OVO zo spoedig mogelijk vervangen

• Lasuitvoering en lasdetail verbeteren

Lassen met een vooropening en controle van de doorlassing na ¾ van de grondnaad gelast te hebben

Volledig doorlassing nodig

• Lassen met voldoend hoge interpass temperatuur en voorwarmen is sterk aan te raden

Aanbevelingen zijn overgenomen en hebben geresulteerd in een storingvrije bedrijfsperiode sinds invoering (2002)

39

Scheurvorming in lasverbindingen in HT en LT OVO van een ...

Documents