Embed Size (px)
Citation preview
Breukmechanische beproevingen van Lasverbindingen
Februari 2015
G.M. van Krieken IWE
1948 P. Schelte Heerema,
oprichter Venezuela Heerema
Constructora De eerste offshore booreilanden
geinstalleerd in Lake Maracaibo
Geschiedenis - Start in Venezuela
Geschiedenis – 1960 Noordzee
Introductie Heerema
On- and Offshore Engineering & Fabrication
Contractor
Offshore Transport & Installation Contractor
Heerema Fabrication Group
Activiteiten
- Ontwerp, inkoop en fabricage van zware staal constructies
(Offhore)
Faciliteiten
- Binnen en buiten fabricagemogelijkheden met toegang tot open
zee
Locaties
- Fabricagewerven rond de Noordzee in Zwijndrecht, Vlissingen en
Hartlepool (UK)
- Fabricagewerkplaats in Opole (Polen)
- Engineering kantoor in Zwijndrecht
Heerema Marine Contractors
Activiteiten
- Offshore heavy-lifting, diepwater en subsea installatie services
- Engineering en Project management.
Vloot
- Vier SSCV’s/DCV’s
- Vracht en lanceer pontons
- Anker sleepboten en bijbehorend equipment
Locaties
- Leiden (NL), Houston (USA), Luanda (Angola), Lagos (Nigeria),
Singapore, Perth (Australia) en Mexico city (Mexico)
Heerema Group - Locaties
New Orleans
Houston
Mexico City
Vilahermosa
Rio de Janeiro
Hartlepool
The Hague Zwijndrecht
Vlissingen
Groningen
Leiden
Geneva
Lagos
Luanda
Opole
India
Singapore
Perth
HMC - Vloot
THIALF
Deepwater
Construction
Vessel with the
largest crane
capacity in the
world (14,200 mt).
BALDER
Deepwater
Construction
Vessel equipped
with the largest
capacity J- lay
tower for
deepwater
pipelaying
HERMOD
Semi
Submersible
Construction
Vessel with a
crane capacity of
8200 mT
AEGIR
Deepwater
Construction
Vessel equipped
with the J-lay
tower for
deepwater pipe
laying
Tugs & Barges
A fleet of cargo
and launch
barges between
300 ft and 851 ft
length.
The H-851 being
the largest launch
barge in the
world.
9
Installatie van gehele topsides
platvormen
Installatie van vaste jackets
in de Noordzee
Thialf: installing topsides onto the Norsk
Hydro Grane platform in the North Sea
HMC’s Kern taken Heavy Lifting – platform ontwikkeling – ontmanteling
10
Floatover of the Malampaya
Deck for Shell in the
Philippines
HMC’s Kern taken Floatovers
Floatover of East Area 1B
offshore Nigeria executed in
2007
Floatover of Arkutun Dagi
(to be installed 2013, Russia)
PPD – Pipeline Production Department
Balder - J-Lay
Aegir - J-Lay + Reeling
PPD disciplines
Lassen Niet Destructief Onderzoek Coaten
Klantspecificaties
CTOD
SENT
J-Factor
JR-curven
SENB
ECA
Wide plate testen
Fitness for purpose
…
Inhoud
Geschiedenis breukmechanica
Inleiding breukmechanica
Breukmechanische testen
Pauze
Uitvoering breukmechanische beproeving
Toepassingen
Doel breukmechanische beproeving
Voorspellen materiaalgedrag
Specifiek het fenomeen brosse breuk
Voorkomen van falen constructies en ongelukken
Titanic (15-04-1912)
Brug bij Hasselt, Albertkanaal (1938)
SS John P Gaines (Liberty schip) (1943)
Geheel gelast tankschip brak doormidden tijdens proefvaart
Oorzaken: ontwerp, staalkwaliteit, slecht laswerk, overbelasting en slecht weer
(watertemp. 4°C en luchttemp. -3°C)
Oorzaken
Berekening op basis van sterkte
Klinkverbinding lasverbinding
Opleidingen voor lasser ?
Lastechniek in de kinderschoenen
Oorzaken
Vermoeiing
Invloed materiaaleigenschappen
Geometrie
Kennis breukmechanica
Leonardo da Vinci (1452-1519)
Experimenten met een metaal draad,
kracht en lengte
Zand valt in de emmer
Als de draad breekt stopt het zand
Breekpunt kan berekend worden
Test werd herhaald met verschillende
materialen
En verschillede draadlengten
Leonardo: lengte van de draad had
invloed op de weerstand tegen breuk
Geschiedenis
Kwantitatief Begrip
Da Vinci (1500)
Tot ca. 1920 was het fysische
mechanisme en de drijvende kracht
achter breuk en scheurgroei niet
bekend.
Ontwerpen en berekeningen op
basis van sterkte
Veiligheidsfactor (groot)
Grand Palais, Paris
Overblijfsel wereld tentoonstelling 1900
Tay Bridge disaster (1897)
Spoorbrug
Ingestort met trein tijdens storm
Wind belasting factor was vergeten
Giet- en smeedijzer
Ontdekking Griffith (World War I)
De spanning nodig om bulk glas te breken is 100 Mpa
De theoretische spannning nodig om de binding tussen de
atomen te verbreken is 10.000 Mpa
Ontdekking van Griffith (World War I)
Ontdekking microscopische gebreken
- lage breuksterkte
- afhankelijkheid afmetingen op sterkte
Eerste experimenten met proefstuk met defect
Irwin (1907-1998)
Defineert de plastische zone aan scheurtip
De plastische zone neemt toe met toename van de
opgelegde kracht totdat het materiaal breekt
Achter de scheurtip ontlaat of relaxed het materiaal
Kwantitatief begrip
Griffith (World War I) - Energie balans benadering analyseren van een eliptisch gat met
onstabiele scheurgroei op glasproefstukken
Irwin (Word War II) - Vervolg op Grifith testen met metalen
introduceerde de effecten van plasticiteit
Paris (1960’s) - Inniteerde onderzoek naar vermoeiingsscheuren
Wells and Rice (1960-1970) - Ontwikkelde berekeningen van niet-lineair materiaal gedrag bij de
scheurtip.
- Ontwikkelde CTOD en J-integraal methoden
Scheur
Breukmechanica
Scheur initiatie - Ontstaan
Scheur groei – Langzaam stabiel of snel en
onstabiel
Kritische scheurlengte
Schematisch Scheur initiatie
kerf, kras lasdefect
Scheurtip
Scheur initiatie aan de rand
Scheurlengte: 7,25mm Kunststof proefstuk met monochromatisch licht
Ingesloten scheur
Kunststof proefstuk met monochromatisch licht
Kritische scheurlengte
Scheurlengte net voor falen / instorten constructie
of component
Scheurgroei
Langzaam en stabiel,
stopt na verwijderen belasting
Snel en onstabiel,
brosse breuk
Quasi-stabiele scheuruitbreiding
Constante belasting en bijzonder omstandigheden
Spanningscorrosie, corrosief milieu
Kruip, hoge temperatuur
Vermoeiing, variërende belasting
Corrosie-vermoeiing
Spanningscorrosie
Linear elastische- en elastich-plastisch breuk
mechanisme
Verschil taai - bros
Taaiheid
REK
SPANNING
OPGENOMEN ENERGIE
BROS MATERIAAL
TAAI MATERIAAL
Taaie breuk
Overbelasting tijdens gebruik
Verkeerd materiaal
Onvoldoende sterk ontwerp
Verzwakking van het materiaal
Etc.
Taai - Macroscopisch
Grote macroscopische vervorming
Cup-cone breuken, bij loodrechte belasting
Verse breukvlakken: dof grijs mogelijk ruw uiterlijk
Microscopisch (elektronen microscoop)
Brosse breuk - Splijtbreuk
Trekkracht groter dan bindingskracht
atomen
Geen plastische vervorming
Hoge scheurvoortplantingssnelheid
Breukvlak vaak glinsterend uiterlijk
Breukvlak relatief vlak
Macroscopisch
• Nauwelijks vervorming breukvlakken
• Breukvlakken zijn vlak, soms ridges
zichtbaar,
• Geen verdere afwijkingen zichtbaar
Microscopisch
Voorbeeld brosse breuk
Drukvat
Tijdens hydrostatische test met koud water
Materiaal verbroste
Kerfslagproef en relatie brosse breuk?
Liberty schepen: relatie tussen kerfslagwaarde en brosse breuk ?
kerfslagproef = voorspellen brosse breuk ?
Experimenten met verschillende type kerfslagstaven (V-kerf, U-kerf)
Geen relatie brosse breuk en kerfslagwaarde
Geen verhouding taai-bros als functie van temperatuur
Geen relatie laterale expansie
Zoektocht andere testmethoden
Proefstuk met een scheur erin
Testen met trek- of buigbelasting
Testmethode afhankelijk van materiaalgedrag, bros – taai,
Lineair elastisch (brosse materialen)
Elastisch-plastisch (taaie materialen)
Pre-cracking
Scheur nodig met scherpe tip
Door voor-vermoeien
Realiteit benaderen
Begin scheurtip vrij van:
- reststpanningen
- harding
- plastische vervorming
CTOD (Crack Tip Opening Displacement)
SENB (Single-Edge Notched Bending)
Historisch eerste breuktaaiheids test
Door Wells tijdens studie aan constructie staal
Kerf flanken openen zich meten
Na breuk ontstaat ronde kerf t.g.v. plastische deformatie
CTOD
Proefstuk is gelijk aan dikte gebruikt materiaal
In Europa als defect validatie
Bepalen laskwaliteit in petrochemische industrie en offshore
Fitness for Service Standards
Breukvlak
Brosse rest breuk
(vloeibare stikstof) Verspaande kerf
Voor
vermoeiingsscheur
Scheurvorming door
buiging
CTOD δc
δc Sample fails on rising load with no stable crack growth
CTOD δm
δm Sample fails on falling load with crack growth
Test temperatuur CTOD
JIc of J-R Test
Ontwikkelt nucliearedrukvaten - Hoge taaiheid en lage sterkte mateiralen (KIc > 100)
Doel brosse breuk voorspellen
J is de mechanische energie die vrijkomt tijdens het
groeien van de scheur
J-R curves zijn geen materiaal eigenschappen - Afmetingen en vorm van het proefstuk bepalen het resultaat
JIc test uitvoering
Zelfde proefstuk als CTOD
Proefstuk wordt opeenvolgend hoger belast
Verplaatsing en scheurlengte worden gemeten
oppervlak onder de grafiek geeft de hoeveelheid
energie weer die nodig is voor scheurgroei
Analyseren van de gegevens geeft een J-factor
Typische J-R Curve (belastings-ontlasting)
Toepassing J-R curve
Alleen voor brossere materialen - De plastische zone aan de scheurtip is klein in vergelijk met het proefstuk
Alleen voor materialen zonder elastisch-plastisch gedrag
Breuk onder nominale linear elastische condities
Resume
Breukmechanica: initiatie – scheurgroei – breken
Testen gebasseerd op energie nodig voor scheuren – falen
Voorspellen materiaalgedraag gedrag t.p.v. indicatie
Acceptatie criteria voor NDO vaststellen
Voorkomen ongelukken
Lasonvolkomenheden
Lassen en breukmechanische proeven
Uitnemen proefstukken
Invloed lassen op CTOD
Lastoevoegmateriaal met goede CTOD waarden
Warmte beinvloede zone meest kritische zone
Invloed: Lasser, lasproces en parameters
Zone met grove korrels is de meest brosse zone, lage CTOD
waarden
Overmatching lastoevoegmateriaal een eis
Invloed basismateriaal
WBZ, M=500x
Problemen
kerfslagwaarden
M=200x M=500x
M=500x
Verloop breukmechanische beproeving
De beproeving van alle breukmechanische
beproevingen verloopt ongeveer hetzelfde,
namelijk: - Bepaal welke beproeving vereist is (CTOD, SENT of..)
- Bepaal de proefstuk afmetingen en hoe uit te nemen
- Na verspanen, meet de afmetingen na
- Voor-vermoeien proefstuk
- Span proefstuk in en belast
- Breek het proefstuk
- Bepaal breuk type
- Meet de voorvermoei scheur en de test scheur op
- Analyseer belastingsdata en COD data om de CTOD waarden te
bepalen
Uithalen proefstukken
Afmetingen
Positie kerf
Geen warmte invloed bewerking (thermisch snijden)
Geen start en stops
Voorvermoeien
Voorvermoeide staaf
Detail
Test opstelling CTOD
Staaf na testen
Detail
Breukvlak staaf, voor beoordeling
SENT (Single-Edge Notched Tension)
Voorvermoeiien
Detail voor vermoeiingscheur
Testopstelling
Breukvlakken SENT
Reden van beproeven
Lasmethode kwalificaties
Vooraf materiaal gedrag bepalen
lijn(scheur)vormige indicaties onder belasting
constructies na installatie niet meer bereikbaar
Platforms, pijpleidingen op zeebodem, etc.
Nucleaire installaties
Fitness for Purpose
Oudere installatie met indicaties
Hoe reageert dit materiaal op indicaties
Installatie veilig?
Welke maatregelen nodig
Toepassingen
Pijpleidingen
Off-shore constructies
Nucleaire industrie
Drukvaten
Fitness for Purpose
…
Enbridge’s July 2010 pipeline rupture in Michigan
Oosterschelde stormvloedkering
Constructie wordt ondersteund door vakwerk
constructie van buizen
Door vekeerde materiaalbewerking is het
buismateriaal bros geworden
Deze buizen zijn wel verwerkt en in de
constructie gelast.
Ontdekt nadat constructie geplaatst was.
Uitgebreide Fitness for Purpose berekening
naar gevaar bros breken
Meeste knooppunten met lage kerftaaiheid
zijn blijven zitten, enkele zijn vervangen.
Onderzoek aan knooppunt bij TNO
