Materialer og kjemi 1

Transkript

1 Materialer og kjemi 1

2 Bruddseighet og sensitivitet for overflatefeil i kabeltråd Senior rådgiver Hans Lange SINTEF Materialer og kjemi Foredrag MainTech konferansen Materialer og kjemi 2

3 Oversikt Litt historikk Bruddseighet Sensitivitet for overflatefeil Korrelasjon til NDT Materialer og kjemi 3

4 Lysefjordbrua Bygd 1997 Materialer og kjemi 4

5 Lysefjordbrua, ved bru-kar Materialer og kjemi 5

6 Bærekabler Oppbygging av kabel med korrosjonsbeskyttelse Krav til kabelstyrke: 9900kN Krav til strekkfasthet på tråd: 1570MPa Materialer og kjemi 6

7 Typiske trådbrudd Materialer og kjemi 7

8 Avstøp og måling av størrelse på overflatefeil Typisk silikonavstøp: Målt dybde på defekt 0.20mm-0.04mm forsinking=0.16mm dybde inn i stålet. Materialer og kjemi 8

9 Typiske overflatefeil Avsinket tråd Materialer og kjemi 9

10 Etset snitt gjennom typisk overflatefeil Original feil-dybde Materialer og kjemi 10

11 Utvikling av overlap-shear defekter i Z-tråd Utviklingen fra små irregulariteter i overflaten til skarpe overflatefeil er forbundet med formeprosessen Initial surface irregularity Final sharp surface defect Irregularitetene i overflaten er mest sannsynlig forårsaket av irregulariteter på verktøyoverflaten og/eller ufullstendig kontroll over prosessparametere De observerte overflatefeilene er forbundet med Z-trådens hjørner. Dette indikerer størst sannsynlighet for at et tidlig verktøy i formingen av Z-tråd har bidratt til den initielle irregulariteten i overflaten Materialer og kjemi 11

12 Trådbrudd i ytre lag med Z-tråd Trådbruddutvikling Antall trådbrudd Serie1 Serie Tid fra bruåpning, måneder Hva er årsaken til denne utviklingen av trådbrudd? Materialer og kjemi 12

13 Skarpe kjerver = Bruddmekanikk Spenningsfeltet foran sprekkspissen beskrives ved K (spenningsintensitetsfaktoren) 0.5 K IC = σ ( π a ) F Bruddseighet Belastn. Defektstr. Geometri Materialegenskap Driftsforhold Design Lokal belastning Fabrikasjon Inspeksjon Konstruksjon Tverrsnitt i Z-tråd Materialer og kjemi 13

14 Bruddseigheten, en materialkonstant? Uttak av prøve Gnisterodert kjerv Påføring av utmattingssprekk Prøving til brudd Standard prøving utføres i bøy (SENB) med dyp sprekk(a/w=0.5). Her er tverrsnittet Bx2B. Er dette representativt for en kabeltråd? Materialer og kjemi 14

15 Pålasting Brudd Gnisterodert kjerv Utmattingssprekk Sprøbrudd under pålastning Bruddflate Materialer og kjemi 15

16 Uttak fra Ø5mm rundtråd, BxB tverrsnitt Maskinert skår, 1mm Utmattingssprekk, ca 1.2mm Restbrudd Materialer og kjemi 16

17 Bruddseigheter oppnådd med SENB Fracture toughness K [MPa m^1/2] Publiserte data 1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS 1570/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENB/BxB/RT-air/QS Materialer og kjemi 17

18 Hva om prøvingen utføres i strekk (SENT)? 4.2 Note: All numbers in mm 1.0 mm machined notch mm fatigue crack Ø5 4.2 R = 10 Section A - A M5 x 0.75 A Ø5 A L 1 = 42 L 2 = 10 L 3 = 12 L 4 = 86 Materialer og kjemi 18

19 Bruddseigheter oppnådd med SENT Fracture toughness K [MPa m^1/2] /SENB/Bx2B/RT-air/QS 1570/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENT/BxB/RT-air/QS En klar effekt av constraint, selv på sprø materialer! (hvor constraint er innspenningsgraden av sprekken) Materialer og kjemi 19

20 Effekten av hastigheten under prøvingen Fracture toughness K [MPa m^1/2] /SENB/Bx2B/RT-air/QS 1570/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENT/BxB/RT-air/QS 1570/SENT/BxB/RT-air/SSRT 1770/SENT/BxB/RT-air/SSRT SSRT (slow strain rate testing), ca 1.2μm/min forskyvningshastighet. Dette reduserer bruddseigheten! Materialer og kjemi 20

21 HISC hydrogenindusert sprekking Det antas to mulige kilder for opphopning av atomært hydrogen i kabeltråden: 1. Fra beiseprosessen av tråden før varm-galvanisering (jfr for kort bake-tid) 2. Katodisk reaksjon på sink-overflaten med påfølgende diffusjon av hydrogen inn til stålet. HVA SKAL TIL FOR Å FÅ KORROSJON? Tilsteværelse av fuktighet/vann + Anodisk reaksjon (oksydasjon) + Katodisk reaksjon (reduksjon) ANODISK REAKSJON: Fe Fe e - (oppløsning av jern) Zn Zn e - (oppløsning av sink) KATODISK REAKSJON: O 2 + 2H 2 O + 4e - 4(OH) - 2H + + 2e - H 2 Materialer og kjemi 21

22 HISC fra korrosjon av sinklaget Materialer og kjemi 22

23 SENT bruddseighet med katodisk beskyttelse (CP) Forlading av stålet med Hydrogen: 3 % NaCl mv SCE 80 C Minimum 10 dager Materialer og kjemi 23

24 HISC bruddseighet Utført med SSRT og med konstant last Konstant last ringer (CL) SSRT Materialer og kjemi 24

25 Hydrogen-bobler på prøveoverflaten Materialer og kjemi 25

26 Oppnådde resultater 110 Published 100 data Fracture toughness K [MPa m^1/2] SENT QS/air SENT SSRT/air SENB QS/air ~40% reduction! SENT SSRT/CP SENT CL/CP Laveste HISC bruddseighet er rett over 40MPa m 1/2! 1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS 1570/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENB/BxB/RT-air/QS 1770/SENT/BxB/RT-air/QS 1570/SENT/BxB/RT-air/SSRT 1770/SENT/BxB/RT-air/SSRT 1570/SENT/BxB/4C-CP/SSRT 1770/SENT/BxB/4C-CP/SSRT 1570/SENT/BxB/RT-CP/CL 1770/SENT/BxB/RT-CP/CL Materialer og kjemi 26

27 Sensitivitet for overflatefeil Kan vurderes utifra en bruddmekanisk analyse Benytter den internasjonalt anerkjente standarden BS-7910 Antar ca 40% utnyttelse av kablene under normal drift Antar høyt restspenningsnivå i tråden pga kaldvalsing/-trekking og senere spinning Bruddseighetene gitt av HISC resultatene på SENT Spenning-tøyningskurver (typiske) som under: Stress [MPa] tråd 1770-tråd Strain [%] Materialer og kjemi 27

28 Sensitivitet for overflatefeil Spenning i tråd [MPa] Kritisk størrelse 1770-tråd 1570-tråd Defekt dybde [mm] Materialer og kjemi 28

29 Sensitivitet for overflatefeil (Skalert skisse) Defektstørrelse = 0,18mm x 0.6mm = Fare for brudd Materialer og kjemi 29

30 Kritisk defektstørrelse og detekterbar defektstørrelse NDT (None Destructive Testing) ved bruk av virvelstrøm (jfr Eddie Current Testing) benyttes av enkelte kabel-produsenter Det er angitt at utstyret som benyttes kan måle overflatedefekter med dybde større enn 0,2mm Tolkningen av signalene fra måleutstyret er operatøravhengig og målingene kan forstyrres når tråden vibrerer. Det er ikke funnet dokumentasjon som viser hvordan man har kommet frem til en definert nedre detekterbarhetsgrense på 0,2mm, ei heller den statistiske sannsynligheten for deteksjon av defekter i denne størrelsesorden (POD) Resultatene av den bruddmekaniske analysen viser at typiske overflatedefekter med en dybde mindre enn 0,2mm er kritiske mht. fare for trådbrudd Kabel-/trådindustrien bør utfordres mht til krav til overflatebeskaffenhet på tråd og dokumentere dette grundig Korrelasjon mellom kritisk defektstørrelse og detekterbarhet (POD, minimum størrelse og nøyaktighet) er en forutsetning hvis NDT danner hovedgrunnlaget for vurderingen av kvaliteten på produktet/komponenten Materialer og kjemi 30

31 Example of Electron Probe Micro Analysis (EPMA) in SEM Materialer og kjemi 31

32 Electron Probe Micro Analysis (EPMA) in SEM Etched macro- and micrograph in light microscope from girth welded clad pipe Materialer og kjemi 32

33 Electron Probe Micro Analysis in SEM - Map Materialer og kjemi 33

34 Electron Probe Micro Analysis in SEM Element line scan Materialer og kjemi 34

35 Microstructure Etched micrograph in light microscope from girth welded clad pipe Materialer og kjemi 35

36 Example of Digital Image Correlation (DIC) for measurement of 2D and 3D strain distribution Materialer og kjemi 36

37 Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution Materialer og kjemi 37

38 Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution Materialer og kjemi 38

39 Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution Materialer og kjemi 39

40 Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution Materialer og kjemi 40

41 Takk for oppmerksomheten. Materialer og kjemi 41