Materialer og kjemi
1
Bruddseighet og sensitivitet for
overflatefeil i kabeltråd
Senior rådgiver Hans Lange
SINTEF Materialer og kjemi
Foredrag MainTech konferansen
2015-04-08
Materialer og kjemi
2
Oversikt
Litt historikk
Bruddseighet
Sensitivitet for overflatefeil
Korrelasjon til NDT
Materialer og kjemi
3
Lysefjordbrua
Bygd 1997
Materialer og kjemi
4
Lysefjordbrua, ved bru-kar
Materialer og kjemi
5
Bærekabler
Oppbygging av kabel med
korrosjonsbeskyttelse
Krav til kabelstyrke:
9900kN
Krav til strekkfasthet på
tråd:
1570MPa
Materialer og kjemi
6
Typiske trådbrudd
Materialer og kjemi
7
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
Typiske overflatefeil
Avsinket tråd
Materialer og kjemi
9
Etset snitt gjennom typisk overflatefeil
Original feil-dybde
Materialer og kjemi
10
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
Trådbrudd i ytre lag med Z-tråd
Trådbruddutvikling
1400
1200
Antall trådbrudd
1000
800
Serie1
Serie2
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Tid fra bruåpning, måneder
Hva er årsaken til denne utviklingen av trådbrudd?
Materialer og kjemi
12
Skarpe kjerver = Bruddmekanikk
Spenningsfeltet foran sprekkspissen beskrives
ved K (spenningsintensitetsfaktoren)
KIC = σ ( π a ) F
0.5
Bruddseighet
• Materialegenskap
Belastn.
Defektstr.
Geometri
• Driftsforhold • Fabrikasjon • Konstruksjon
• Design
• Inspeksjon • Tverrsnitt
• Lokal
i Z-tråd
belastning
Materialer og kjemi
13
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
Pålasting
Brudd
Gnisterodert kjerv
Utmattingssprekk
Sprøbrudd under
pålastning
Bruddflate
Materialer og kjemi
15
Uttak fra Ø5mm rundtråd, BxB tverrsnitt
Maskinert skår, 1mm
Utmattingssprekk,
ca 1.2mm
Restbrudd
Materialer og kjemi
16
Bruddseigheter oppnådd med SENB
110
1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS
Fracture toughness K [MPa m^1/2]
100
1570/SENB/BxB/RT-air/QS
90
1770/SENB/BxB/RT-air/QS
80
Publiserte data
70
60
50
40
30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Materialer og kjemi
17
Hva om prøvingen utføres i strekk (SENT)?
4.2
Ø5
Note: All numbers in mm
4.2
1.0 mm machined notch
+ 1.1 mm fatigue crack
Section
A-A
R = 10
M5 x 0.75
A
Ø5
A
L1 = 42
L2 = 10
L3 = 12
L4 = 86
Materialer og kjemi
18
Bruddseigheter oppnådd med SENT
110
Fracture toughness K [MPa m^1/2]
1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS
100
1570/SENB/BxB/RT-air/QS
90
1770/SENB/BxB/RT-air/QS
1770/SENT/BxB/RT-air/QS
80
70
60
50
40
30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
En klar effekt av ”constraint”, selv på sprø materialer!
(hvor ”constraint” er innspenningsgraden av sprekken)
Materialer og kjemi
19
Effekten av hastigheten under prøvingen
110
Fracture toughness K [MPa m^1/2]
1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS
100
1570/SENB/BxB/RT-air/QS
90
1770/SENB/BxB/RT-air/QS
80
1770/SENT/BxB/RT-air/QS
1570/SENT/BxB/RT-air/SSRT
70
1770/SENT/BxB/RT-air/SSRT
60
50
40
30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
SSRT (slow strain rate testing), ca 1.2μm/min forskyvningshastighet.
Dette reduserer bruddseigheten!
Materialer og kjemi
20
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.
ANODISK REAKSJON:
HVA SKAL TIL FOR Å FÅ KORROSJON?
Fe → Fe2+ + 2e- (oppløsning av jern)
Tilsteværelse av fuktighet/vann
Zn → Zn2+ + 2e- (oppløsning av sink)
+
Anodisk reaksjon (oksydasjon)
KATODISK REAKSJON:
+
Katodisk reaksjon (reduksjon)
O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH)2H+ + 2e- → H2
Materialer og kjemi
21
HISC – fra korrosjon av sinklaget
Materialer og kjemi
22
SENT bruddseighet med katodisk beskyttelse (CP)
Forlading av stålet med Hydrogen:
 3 % NaCl
 -1050 mVSCE
 80 °C
 Minimum 10 dager
Materialer og kjemi
23
HISC bruddseighet
 Utført med SSRT og med konstant last
Konstant last ringer (CL)
SSRT
Materialer og kjemi
24
Hydrogen-bobler på prøveoverflaten
Materialer og kjemi
25
Oppnådde resultater
110
Fracture toughness K [MPa m^1/2]
100 data
Published
90
1570/SENB/Bx2B/RT-air/QS
SENT
QS/air
1570/SENB/BxB/RT-air/QS
SENT
SSRT/air
1770/SENB/BxB/RT-air/QS
SENB
QS/air
80
1770/SENT/BxB/RT-air/QS
1570/SENT/BxB/RT-air/SSRT
1770/SENT/BxB/RT-air/SSRT
70
1570/SENT/BxB/4C-CP/SSRT
1770/SENT/BxB/4C-CP/SSRT
60
1570/SENT/BxB/RT-CP/CL
50
1770/SENT/BxB/RT-CP/CL
~40% reduction!
40
SENT
SENT
SSRT/CP CL/CP
30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Laveste HISC bruddseighet er rett over 40MPa m1/2!
Materialer og kjemi
26
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:
2000
1900
1800
Stress [MPa]
1700
1600
1500
1570-tråd
1400
1770-tråd
1300
1200
1100
1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Strain [%]
Materialer og kjemi
27
Sensitivitet for overflatefeil
1600
Spenning i tråd [MPa]
1400
1200
1770-tråd
1570-tråd
1000
Kritisk
størrelse
800
600
400
200
0
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Defekt dybde [mm]
Materialer og kjemi
28
Sensitivitet for overflatefeil
(Skalert skisse)
Defektstørrelse =
0,18mm x 0.6mm =
Fare for brudd
Materialer og kjemi
29
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
Example of Electron Probe Micro Analysis (EPMA)
in SEM
Materialer og kjemi
31
Electron Probe Micro Analysis (EPMA) in SEM
Etched macro- and micrograph in light microscope from girth welded clad pipe
Materialer og kjemi
32
Electron Probe Micro Analysis in SEM - Map
Materialer og kjemi
33
Electron Probe Micro Analysis in SEM – Element line scan
Materialer og kjemi
34
Microstructure
Etched micrograph in light microscope from girth welded clad pipe
Materialer og kjemi
35
Example of Digital Image Correlation (DIC) for
measurement of 2D and 3D strain distribution
Materialer og kjemi
36
Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution
Materialer og kjemi
37
Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution
Materialer og kjemi
38
Digital Image
Correlation (DIC) for
2D and 3D strain
distribution
Materialer og kjemi
39
Digital Image Correlation (DIC) for 2D and 3D strain distribution
Materialer og kjemi
40
Takk for oppmerksomheten.

Materialer og kjemi
41