Skadesanalyse: Spændingskorrosion i rustfrit stål i svømmehal

Transkript

1 Skadesanalyse: Spændingskorrosion i rustfrit stål i svømmehal Jesper Nielsen Holst Materialeprøvning Teknologisk Institut

2 Abstrakt: Spændingskorrosion i rustfrit stål er et kendt og frygtet problem i svømmehaller, hvor det har ført til en række dramatiske uheld med nedstyrtede lofter. I denne artikel gennemgås en konkret sag med spændingskorrosion i skruer af rustfrit stål i loftkonstruktionen i en dansk svømmehal. Ved gennemgangen belyses de parametre, der har medvirket til udvikling af spændingskorrosion i skruerne.

3 1. Introduktion: Der er et stort forbrug af rustfrit stål til procesanlæg i industrien, byggeri, offshore samt mange andre steder hvor materialets korrosionsegenskaber er af afgørende betydning for produktets funktion og levetid. Mange brugere har den opfattelse, at rustfrit stål ikke ruster, og de er derfor ikke særlig opmærksomme på de korrosionsformer, der kan opstå i rustfristålemner eller på inspektion og vedligeholdelse af disse emner. Den manglende forståelse for rustfrit ståls korrosionsformer kan føre til forkert materialevalg således at der anvendes kvaliteter af rustfrit stål, der ikke er egnet til den givne anvendelse, hvilket medfører korrosion. En af de potentiel farligste korrosionsformer er spændingskorrosion, der som følge af hurtig revnevækst i materialet kan medføre uventede sprødbrud. Spændingskorrosion kan være svært at opdage ved visuel inspektion. Der er ofte kun ganske små korrosionsangreb på overfladen, samtidig med at styrken af det underliggende materiale er væsentligt reduceret som følge af revner i materialet. Spændingskorrosion kan opstå i materialer, der er beskyttet af et passivlag, herunder også rustfrit stål. Spændingskorrosion opstår kun når materialet er udsat for en kritisk kombination af både trækspændinger og korrosivt miljø. For rustfrit ståls vedkommende er det kendt, at miljøer med øget klorid og temperatur er kritiske for udvikling af spændingskorrosion. Tidligere troede at temperaturen skulle over 60 C før der var risiko for spændingskorrosion i austenitisk rustfrit stål i kloridholdige miljøer. I praksis har det dog vist sig, at der kan opstå spændingskorrosion i W.nr i svømmehalmiljøer ved temperaturer ned til ca. 30 C. Figur 1 Nedstyrtet loft i finsk svømmehal anno 2003

4 2. Sag: Havarianalyse af loftskonstruktion i svømmehal Udgangspunktet for artikel er en havarianalyse af en skrue med spændingskorrosion fra loftkonstruktionen i en dansk svømmehal. Formålet med analysen er at få belyst årsagen til, at der i praksis kan opstå spændingskorrosion i W.nr ved en temperatur ned til C. Træbeton loftplader, der fastholdes med skruer af rustfrit stål, har siddet i en svømmehal i 23 år uden havarier. Et par skruer tages ned til inspektion, hvorved der findes spændingskorrosion. 2.1 Data om skruerne og miljø Skruerne er træskruer med lige kærv, diameter 5mm og længde 80mm. Skruerne er sandsynligvis monteret uden brug af elektrisk skruetrækker (moment ukendt). Skruerne har siddet i 23 år i svømmehallen uden havarier. Temperatur i svømmehal ved vandoverfladen 28 C. Temperatur af indblæsningsluft i loftet op til 42 C. Relativ luftfugtighed i svømmehal 40-60% Der er 6 skruer der holder hver loftplade med ramme. Vægt loftsplade med ramme ca. 30 kg Figur 2 Skitse af skruen 2.2 Visuel undersøgelse af skruerne Ved visuel undersøgelse af skruerne ses små pitting korrosionsangreb på det cylindriske stykke samt på hovedet. Der ses ingen korrosion på gevindstykket, der har en fin metalblank overflade. Overfladen på skruen ser normal ud. Undersøgelsen tyder dog på, at der har været korrosivt miljø på hoved og skaftet, mens gevindstykket, der har siddet op i en træbjælke, har været beskyttet mod miljøet.

5 Pitting Figur 3 Visuel undersøgelse af skruer Det er ikke muligt at se nogen revner ved visuel undersøgelse uden brug af mikroskop. Ved undersøgelse i stereomikroskop med forstørrelse op til x80 overså vi i første omgang revnerne. Efter at revnerne blev fundet på makroslibet kunne vi i stereomikroskopet svagt ane revner ved runding mellem skaft og skruehoved på den ene af skruerne. Vi anbefaler at en evt. visuel undersøgelse suppleres med påføring af penetrantvæske. 2.3 Analyse af skruerne Legeringssammensætningen for skruerne er bestemt ved optisk emissinsspektrometri. Legeringssammensætningen ligger indenfor det foreskrevne for en A2 kvalitet svarende til austenitisk rustfrit stål af typen W.nr /AISI304. ASTM E 415 og ASTM E 305 Element Skrue Retningsværdier For A2 efter ISO3506 C 0,037 0,08 Si 0,22 1,0 Mn 1,96 2,0 P 0,026 0,05 S 0,003 0,03 Cr 17, ,0 Mo 0,49 Ni 11, ,0 Cu 0,32 Fe rest Rest Ved forsøg med kraftig magnet karakteriserer vi både materialet i skaftet og hovedet som umagnetisk, hvilket betyder, at materialet har austenitisk struktur (ikke deformationshærdet til martensit). 2.4 Makroslib Der fremstilles et makroslib på tværs igennem kærven i hovedet og ned igennem skaftet. På dette makroslib (Figur 4) ses en revne på tværs igennem skruen lige ved skruehovedet. Revnen er kendetegnet ved en række sekundære revner de yderste 1-2 mm ind fra overfladen. Udfra makroslibet fastslår vi, at der er gennemgående revner i emnet lige i rundingen mellem skruens skaft og hoved.

6 Skaft Runding Revner Kærv Hovedet Figur 4 Makroslib af tværsnit igennem skruehoved og skaftet 2.5 Mikroslib Makroslibet slibes og poleres til et mikroslib. Mikroslibet ætses i Lichtenegger og Bloech (LB1) farveætsning, hvor austenitfasen fremstår i brune og blå farver (i sorthvid afbildning ses brun som meget lys mens den blå farve ses som grå). Mikrostrukturen i skaftet karakteriseres som austenit med langstrakte båndsejringer fra fremstilling af skruen. Materialet i skruehovedet er kraftigt ætset i blå / brune bånd (Figur 5). Udfra disse farveætsninger fastslår vi, at skruehovedet under fremstilling er kraftigt plastisk deformeret (stukket) til ned forbi rundingen. De pittingangreb vi så ved visuel undersøgelse af skruen ser på mikroslibet ikke ud til at være ret dybe. På mikroslib (Figur 5 og Figur 6) ses, at revnerne initierer (starter) som flere parallelle revner. Revnerne initierer næsten tangentielt til rundingen et stykke oppe på rundingen. De yderste 0,2-0,4mm har revnen en vinkel på 45 til skruens centerakse for derefter at svinge ind til 90 (vinkelret) på centeraksen inde i godset Den ændrede revnevækstretning synes at falde sammen med skift fra kraftigt deformeret til lettere deformeret mikrostruktur. På de yderste 0,2-0,3mm har revnen en tendens til at følge båndstrukturen.

7 Kraftige deformationsstrukturer i skruehovedet Båndsejringer i skaftet Revnevækstretning ændres Figur 5 Revneinitiering i runding øverst på mikroslib Skaftet Revnevækstretning ændres Skruehovedet Figur 6 Revneinitiering ved runding nederst på mikroslib Inde i materialet er revnevæksten transkrystallinsk med en lang række sekundære revner. Udfra mikroslibet kan vi fastslå, at revnen har udviklet sig som transkrystallinsk spændingskorrosion vinkelret på skruens centerakse/ belastningsretning (Figur 7). Mikrostrukturen (deformationsgraden) synes at have indvirkning på initiering af revnen, idet revnevæksretningen i det yderste deformerede lag er 45 til centeraksen, mod 90 umiddelbart efter at revnen vokser ind i mindre deformeret materiale.

8 Figur 7 Revneudvikling inde i materialet er transkrystallinsk 2.7 Hårdhedsmåling Der udføres en række hårdhedsmålinger langs en linie fra skaftet igennem revnen og ud i hovedet på skruen (Figur 8). Hårdheden i skaftet er målt til ca. 200HV1 Hårdheden i hovedet er målt til HV1. I rundingen, hvor revnen initierer, svarer mikrostrukturen til det hårdeste område i skruen. Mikrostrukturen i rundingen svarer til strukturen i centret. Hårdheden ved rundingen estimeres udfra strukturen til HV1. Hårdheden i skaftet på skruen er målt til 200HV1 hvilket groft omregnet efter DIN svarer til en trækstyrke på 640 N/mm 2. Den estimerede hårdhed ved rundingen svarer til en trækstyrke på N/mm 2.

9 Hårdheds indtryk langs linie Hv Afstand fra overflade [mm] 0 Figur 8 Hårdhedsmåling på skruen De målte hårdheder på 200Hv1 350Hv1 ligger på niveau med, hvad der kan forventes for rustfrit stål af typen W.Nr ved henholdsvis lille deformationsgrad (lidt deformationshærdet) og stor deformationsgrad. Den store deformationsgrad i rundingen betyder, at der er store egenspændinger i materialet omkring rundingen. Disse egenspændinger kan være medvirkende til at materialet er mere følsomt for spændingskorrosion i dette område.

10 2.8 Spændingsberegning ved FEM I programmet Pro E Mekanika udføres der Finite element (FEM) beregninger af spændingsniveauet i skruen. Idet spændingskorrosion primært er følsom for trækspændinger anvendes 1. hovedspænding som resultat af FEM beregningen (1.hovedspænding = største trækspænding). Ved beregningen anvendes en aksial last på 5 kg svarrende til 1/6 del af loftspladens vægt (6 skruer pr. plade). Idet vi forudsætter at skruen belastes indenfor det elastiske område kan en X% øget aksialkraft (bidrag fra evt. forspænding) direkte omsættes til en tilsvarende øget spænding i skruen. Flydespænding = 190 N/mm 2 for materialet W.nr Resultatet af FEM beregninger er : Nominel spænding i skaftet er 2,5N/mm 2. Der er øget trækspændinger i runding mellem skæfte og hoved. Trækspændinger afbildet som 1 hovedspænding ligger primært tangentielt til rundingen i aksial retning. Spænding i rundingen 90 fra kærv = 15 N/mm 2 (spændingskoncentrations formfaktor på 6). Spænding i rundingen udfor den lige kærv = 8,5 N/mm 2 (spændingskoncentrations formfaktor på 3,5). 15 MPa 8,5 MPa Figur 9 Trækspændinger i runding rundt langs skruen

11 15 Mpa 2,5 MPa Figur 10 Trækspændinger i rundingen set på et snit igennem skruehovedet vinkelret på kærven. Udfra FEM beregningen ses, at spændingerne er cirka 6 gange større i rundingen end i skaftet på skruen. Det er derfor helt forventlig, at skruen revner i rundingen. Trækspændinger i rundingen er beregnet til 8% af materialets flydespænding, hvis skruen kun er udsat for last fra loftpladen. I praksis kan skruen ligeledes være belastet af et bidrag fra forspændingen af skruen, der kan være flere gange den af pladen påførte kraft. Trækspændingerne i rundingen ligger som tangent til overfladen (planspænding stilstand = ingen spændinger normalt på overfladen). Hvis spændingerne fra last på skruen var kritiske, burde revnerne initiere vinkelret på rundingen og ikke næsten tangentielt, som det ses på mikroslibet. Vi vurderer, at spændingerne fra lasten ikke alene er tilstrækkelig for initiering af spændingskorrosion. 2.9 Brudundersøgelse i SEM Skaftet og skruen rives over og brudfladen afrenset for korrosionsprodukter og undersøges i SEM. Der er et lille område mærket med stiplet cirkel på (Figur 11A) der udgør det seje brud fra adskillelse af brudfladen (restbruddet). Restbruddet har et areal på ca. 3mm 2 svarende til 16% af tværsnitsarealet. Restbruddet er et sejt brud karakteristisk med dimpels Figur 11B. På den øvrige del af fladen karakteriseres bruddet som sprødt transkrystallinsk brud med en del sekundærrevner (Figur 11D). Den sprøde brudflade er rimelig plan med skruens centerakse som normal til fladen. De yderste ca. 1mm af den sprøde brudflade har dog et lidt andet udseende, idet brudfladen her rejser sig op i 45 mod overfladen. Denne del af brudfladen har et lamel/ flageagtigt udseende (Figur 11C). Vi mener, at disse flager er opstået ved, at revnen har vokset frem i flere parallelle planer.

12 A Restbrud B C D Figur 11 SEMundersøgelse af brudflade SEMundersøgelsen viser, at der er transkrystallinske spændingskorrosionsrevner igennem det meste af tværsnittet (84%). Revnerne inde i godset ligger vinkelret på skruens centerakse (belastningen). Dette indikerer, at spændingerne fra ydre last har været de væsentligste for udbredelsen af spændingskorrosionsrevnerne, når revnen er initieret. Revnerne langs randen/overfladen rejser sig i en vinkel på ca. 45 mod overfladen, som vi også bemærkede på mikroslibene EDAX analyse Der er udført en EDAX røntgenanalyse på skaftet af skruen samt på gevindoverfladen 15mm nede på gevindstykket. Analysen anvendes til at bestemme hvilke kemiske elementer, der findes på overfladen af skruen.

13 Figur 12 EDAX analyse på skaftet lige under hovedet indeholder klorid (Cl) Figur 13 EDAX analyse 15mm nede på gevindstykket indeholder ikke klorid (Cl) Røntgenanalysen viser, at der er en del klorid på overfladen af skaftet samt på hovedet. Det hænger udmærket sammen med vores erfaringer fra andre svømmehaller, hvor der er målt store kloridkoncentrationer på overfladen af metaldele, hvor fugt kan kondensere. På gevindstykket er der kun meget små koncentrationer af klorid, hvilket må betyde, at der ikke kan trænge klorid/fugt op i gevindhullet. Det hænger godt sammen med de visuelle undersøgelser hvor vi ikke så nogen korrosion på gevindstykket Sammenfatning Visuel undersøgelse af skruerne afslører, at der er små pittingkorrosionsangreb på skrueskaftet og -hovedet, mens gevindstykket er metalblankt. Det tyder på, at der har været korrosivt miljø på hoved og skaftet, mens gevindstykket, der har siddet op i en træbjælke, har været beskyttet mod miljøet. Vi anbefaler, at en evt. visuel undersøgelse for spændingskorrosion suppleres med påføring af penetrantvæske. EDAX analysen viser, at der er en del klorid på overfladen af skrueskaftet samt på -hovedet. Dette er i overenstemmelse med hvad der er set i andre svømmehaller, hvor der er målt store kloridkoncentrationer på overfladen af metaldele, hvor fugt kan kondensere. På gevindstykket er der kun meget små koncentrationer af klorid, hvilket må betyde, at der ikke har kunnet trænge klorid/fugt op i gevindhullet. Det hænger godt sammen med de visuelle undersøgelser, hvor vi ikke så nogen korrosion på gevindstykket. Legeringssammensætningen ligger indefor det foreskrevne for en A2 kvalitet svarende til austenitisk rustfrit stål af typen W.nr /AISI304. Ved forsøg med kraftig magnet karakteriserer vi både materialet i skaftet og hovedet som umagnetisk, hvilket tyder på, at materialet har austenitisk struktur (ikke deformationshærdet til martensit).

14 Udfra mikroslibet kan vi fastslå, at revnen har udviklet sig som transkrystallinsk spændingskorrosion vinkelret på skruens centerakse/ belastningsretning. Det ser ud til at mikrostrukturen (deformationsgraden) har indvirkning på initiering af revnen, idet revnevæksretningen i det yderste deformerede lag er 45 til centeraksen mod 90 umiddelbart efter at revnen vokser ind i mindre deformeret materiale. De målte hårdheder i skruen på 200HV1 350HV1 ligger på niveau med, hvad der kan forventes for rustfrit stål af typen W.Nr ved henholdsvis lille og stor deformationsgrad. Den store deformationsgrad i rundingen betyder, at der er store egenspændinger i materialet omkring rundingen. Disse egenspændinger kan være medvirkende til, at materialet er mere følsomt for spændingskorrosion i dette område. Udfra FEM beregningen ses det, at spændingerne er cirka 6 gange større i rundingen end i skaftet på skruen. Det er derfor helt forventelig, at skruen revner i rundingen. I praksis kan skruen ligeledes være belastet af et bidrag fra forspændingen af skruen, der kan være flere gange den af pladen påførte kraft. Trækspændingerne i rundingen ligger som tangent til overfladen (planspænding stilstand = ingen spændinger normalt på overfladen). Hvis spændingerne fra last på skruen var kritiske, burde revnerne initieres vinkelret på rundingen og ikke næsten tangentialt, som det ses på mikroslibet. Vi vurderer, at spændingerne fra den ydrelasten ikke alene er tilstrækkelige for initiering af spændingskorrosion. SEM undersøgelsen viser, at der er transkrystallinsk spændingskorrosionsrevner igennem det meste af tværsnittet (84%). Revnerne inde i godset ligger vinkelret på skruens centerakse (belastningen). Det indikerer at spændingerne fra ydre last har været de væsentligste for udbredelsen af spændingskorrosionsrevnerne, når revnen er initieret. Revnerne langs randen/overfladen rejser sig i en vinkel på ca. 45 mod overfladen, som vi også bemærkede på mikroslibene. Resultat fra undersøgelsen peger i retning af, at store deformationsgrader på austenitisk rustfrit stål kan medføre en øget følsomhed for initiering af spændingskorrosion. 3. Anbefalinger Til bærende elementer i svømmehaller anbefale vi, at der ikke anvendes rustfrit stål af typen W.nr ISER angiver i deres merkblatt 831 om rustfrit stål i svømmehaller, at rustfrit stål med højt molybdæn f.eks. W.nr kan anvendes til konstruktionsdele med trækspændinger, hvor der er risiko for personskader ved brud. Idet disse højtlegerede kvaliteter er dyre og svære at få fat på, kan vi anbefale, at der igangsættes en undersøgelse af om duplex rustfrit stål er et muligt alternativ til anvendelse i svømmehaller.