klik hier om naar www.vanotools.nl te gaan.

Waterstof & scheurvorming

Voorwarmen van een offshore constructie om waterstof scheuren te voorkomen.

In dit artikel worden adviezen gegeven om de kans op het optreden van waterstofscheuren in lasverbindingen tot een minimum te beperken.

Er zijn drie factoren te noemen die gezamenlijk verantwoordelijk zijn voor het optreden van waterstofscheuren in lasverbindingen. Deze zijn:

Waterstof afkomstig van het gekozen lasproces, de atmosfeer en de omstandigheden bij het lassen
Een voor waterstofscheuren gevoelige, meestal harde en brosse structuur.
De aanwezigheid van spanningen in de lasverbinding.

Voor een bepaalde toepassing in de praktijk zou men dit ook anders kunnen formuleren b.v. zoals:

Materiaaldikte
Warmte-inbreng
Chemische samenstelling uitgangsmateriaal
Type lasnaad
Het te kiezen lastoevoegmateriaal
De warmtehuishouding.

Invloed voorwarmen.

Het effect van voorwarmen bij het lassen is groot. Immers een verhoogde temperatuur geeft de eventueel aanwezige waterstof de tijd uit de lasverbinding te diffunderen. Bovendien wordt de afkoelsnelheid van de lasverbinding vertraagd, waardoor de kans op het ontstaan van een harde, brosse structuur wordt verkleind zoniet wordt uitgesloten.

Invloed van de "interpass" en nawarm temperatuur.

In de praktijk is er meestal een te verwaarlozen verschil tussen de voorwarm temperatuur en de interpass temperatuur. Afhankelijk van de materiaaldikte, de warmte-inbreng en de chemische analyse zal deze temperatuur variëren tussen de 50 en 300 °C.
De keuze van de juiste temperatuur is afhankelijk van o.a. het C-equivalent. Bij het C- eq. speelt het koolstofgehalte in de uiteindelijk te verkrijgen hardheid een grote rol. Waterstof geïnitieerde scheurvorming treedt zelden op bij een verhoogde temperatuur.
Het is om deze reden, dat men bij constructies waarvan men het vermoeden heeft dat ze eventueel waterstofscheuren kunnen genereren, de voorwarm temperatuur na het lassen gedurende 2 tot 3 uur vasthoudt om de in de lasverbinding aanwezig waterstof te laten ontwijken. Het spreekt voor zich, dat men een kritische constructie in de praktijk niet tussentijds moet laten afkoelen.
Kritische constructies moet men aflassen in één "heat". Het handhaven van de voorwarm c.q. "interpass temperatuur gedurende de gehele lascyclus is dan een noodzaak.
Soms moet er aansluitend aan het lassen een warmtebehandeling worden uitgevoerd. Koelt men tussentijds af, dan kan dit tot problemen leiden. Immers na het lassen kunnen lasverbindingen in bijna alle gevallen pas onderzocht worden op fouten nadat de las is afgekoeld. Wordt er na het lassen doorgewarmd of wordt de lasverbinding aansluitend bijvoorbeeld spanningsarm gegloeid dan kan eerst na deze behandeling op fouten worden geïnspecteerd. Als dan fouten gevonden worden die leiden tot reparaties dan kan dit sterk kostenverhogend werken.
Het is duidelijk dat men aan kritische lasverbindingen strengere eisen stelt om scheurvorming te voorkomen. Zo geeft BS 5135 appendix E volgende aanvullende condities waarop men moet letten om een goede constructie te krijgen:

grootte van de eigen (inwendige) spanning
de dikte van het te lassen staal
laag koolstofequivalent (C-Mn staal, met < 0,1 C en Ceq van 0,42)
"schoon" staal en staal met een laag zwavelgehalte (S < 0,008 %)
gebruik van laag waterstofhoudende toevoegmaterialen

Gebruik van austenitische en hoog nikkel houdende lastoevoegmaterialen om scheurvorming tegen te gaan.

Austenitische en hoog nikkel houdende elektroden hebben een austeniet structuur. In deze structuur kan bij kamertemperatuur meer waterstof oplossen dan in het rooster van een ferritische structuur of een variant van deze structuur. Het waterstof wordt opgesloten in de austenitische structuur waardoor weinig tot geen waterstof kan diffunderen naar een evt. brosse harde overgangszone. Het is om deze reden dat in bepaalde gevallen, waarbij voorwarmen niet praktisch uitvoerbaar is, dat men in de praktijk kiest voor austenitische elektroden of voor elektroden met een hoog nikkelgehalte.
De austenitische elektroden behoren dan te zijn van het type E 307, E 309 en/of E 312.
Hoog nikkelhoudende elektroden zijn duurder doch hebben een uitzettingscoëfficiënt die in de buurt komt van het koolstofstaal. De krimpspanning in lasverbindingen zal dus lager zijn dan bij gebruik van een austenitische elektroden.

Praktische adviezen om waterstofscheuren te voorkomen

De meest verstandige methode om waterstof geïnitieerde scheurvorming te voorkomen is om uit te gaan van laag waterstofhoudende lasprocessen of van lastoevoegmaterialen met een laag tot extreem laag diffundeerbare hoeveelheid waterstof. De lasprocessen kunnen worden onderverdeeld in een aantal groepen t.w.:

zeer laag (< 5 ml/100 g neergesmolten lasmetaal)
laag (5-10 ml/100 g neergesmolten lasmetaal)
gemiddeld (10-15 ml/100 g neergesmolten lasmetaal)
hoog (> 15 ml/100 g neergesmolten lasmetaal)

Er zijn zelfs laselektroden op de markt verkrijgbaar met waterstofgehalten van < 3ml/100 g neergesmolten hoeveelheid lasmetaal. Algemeen mag men stellen dat het GTAW en GMAW- proces (TIG- en MIG-lassen bij de juiste keuze van de lasgassen lage tot zeer lage waterstofgehalten leveren. De FCAW-, SMAW- en SAW- processen (gevulde draad, handelektroden en het onder poeder lasproces) kunnen afhankelijk van het type de fabrikant, de verpakking en de behandeling etc. sterk in diffundeerbare waterstofgehalte verschillen. Bij kritische toepassingen moet men hiermede rekening houden en de adviezen van de leveranciers van de lastoevoegmaterialen nauwgezet volgen.

Algemene Richtlijnen

EN 1011, de "opvolger" van de BS 5135, geeft richtlijnen voor het veilig lassen van bepaalde typen staal. Voor een gedetailleerd overzicht zal men zich in deze norm moeten verdiepen. Globaal kan men het volgende stellen:

"Mild steel" (Ceq < 0,4)
Goed lasbaar, voorwarmen meestal niet noodzakelijk bij gebruik van laag waterstofhoudende lasprocessen. Bij het lassen van grotere dikten, een aanwezige hoge inwendige spanning of bij een lasproces met een hoger waterstofgehalte is voorwarmen weer noodzakelijk.
"C-Mn staal" (gemiddeld koolstofgehalte, laaggelegeerd staal, Ceq 0,4-0,5)
Dunne secties kunnen gelast worden zonder voorwarmen. Dikkere secties behoeven voorwarmen en laag waterstofhoudende lastoevoegmaterialen.
"Hoog koolstofhoudende gelegeerde staalsoorten" (Ceq > 0,5)
Voorwarmen, toepassing van laag waterstofhoudende lastoevoegmaterialen, veelal is een langzame afkoeling noodzaak, evenals een aanvullende warmtebehandeling.

De ideale omstandigheden voor het verkrijgen van een lasverbinding zonder waterstof geïnitieerde scheurvorming zijn:

Draag zorg voor schone naden, vrij van roest, verf, olie en vet.
Pas een laag waterstofhoudend lasproces toe.
Droog de elektroden en/of het laspoeder volgens de voorschriften van de leverancier.
Verlaag de spanning in de lasverbinding door een uitgekiende lasnaadvorm, lasvolgorde en lasnaadvulling.
Als voorwarmen wordt voorgeschreven is dit ook noodzakelijk bij het hechten en gutsen van de naden.
Voorwarmen dient de geschieden over een breedte van minstens 75 mm vanaf het midden van de naad om zekerheid te verkrijgen in een uniforme verdeling van de warmte over de dikte en breedte van de naad.
Controleer de voorwarm temperatuur aan de andere zijde van de te lassen naad. Als dit onpraktisch is, neem dan de tijd om de warmte door te laten dringen in de constructie.
Volg stipt de warmte-inbrenggegevens vermeld op uw procedure.
Houdt de constructie warm op de voorwarm temperatuur gedurende 2 tot 4 uur om de waterstof de kans te geven te verdwijnen.
In situaties waar een adequate voorwarming niet uitvoerbaar is kunnen austenitische lastoevoegmaterialen worden ingezet.

Acceptatiecriteria

Waterstofscheuren zijn lineaire onvolkomenheden die scherpe hoeken vertonen. In lasverbindingen zijn deze scheuren onacceptabel indien de lasverbindingen moeten voldoen aan de eisen neergelegd in EN 25817 klasse B,C en D.

Vaststellen van de onvolkomenheden en de remedie

Gezien het feit dat waterstofscheuren zeer klein kunnen zijn en ook onder het oppervlak kunnen voorkomen is het vaststellen van deze scheuren niet eenvoudig. Ze kunnen nog optreden geruime tijd nadat de las is gelegd en afgekoeld. Om deze redenen moet men een lasverbinding eerst na een bepaalde tijd onderzoeken op eventuele waterstof geïnitieerde scheurvorming.
Indien de scheuren doorlopen tot aan het oppervlak kunnen ze eenvoudig visueel worden vastgesteld of met behulp van penetrant-onderzoek respectievelijk magnetische methoden zichtbaar worden gemaakt.
Scheuren onder het oppervlak kunnen worden vastgesteld met behulp van röntgen-onderzoek of ultrasoon-onderzoek. Het ultrasoon-onderzoek heeft hierbij de voorkeur. De meeste codes schrijven voor dat een waterstofscheur moet worden verwijderd en wel 5 mm dieper en breder dan daar waar de scheur is vastgesteld. Het spreekt voor zich, dat bij reparatie het gebruik van zeer laag waterstofhoudende lastoevoegmaterialen c.q. lasprocessen moeten worden ingezet.

Vorige pagina