Materiaal en constructeur, Voordracht t.g.v. het 125-jarig bestaan van de Dienst voor het Stoomwezen, 1980

SSL 230

Voordracht t.g.v. het Ï25-aig

bestaan van de Dienst voor het

Stoomwezen op 8 oktober 1980

MATERIAAL EN DE CONSTRUCTEUR

door Prof.Ir.J.J.W. Nibbering

i. Inleiding

Een constructeur maakt dingen uit materiaal. Het eerste is niet mogelijk zorider

het tweede. Dit is z6 vanzelfspr6kend dat het besef ervan wel cens verloren

gaat. De rol van de constructeur wordt dan beperkt tot de vonmgeving. De

mate-riaalproblematiek is in zijn ogen zijn zaak niet of komt op het tweede plan.

Deze opmerkingen zijn natuurlijk niet gericht aan het adres van de Dienst

voor het Stoomwezen. Men is bet daar vermoedelijk hartgrondig eeìs met wat

hierboven staat en Wellicht oak met wat verder nag kamt. Misschien dat de

schrijver daarom wel uitverkoren werd orn in het kader van de sectie Materialen

een voordracht te houden. Het feit dat.hij het "lastechnisch verantwoord

construeren van maritierne constructies, vooral vanuit een oogpunt van

breuk-veiligheid" tot zijn terrein rekent - waar men weinig met het Stoomwezen te

maken heeft - zou de voordracht een objectief en onafhankeiilk tintje kunnen

verlenen. Mocht de inhoud toch ergens strijdig zijn met opváttingen van de

krasse Dienst, dan kan de schrijver alsnog tot buitenstaander worden

bestem-peld. Hiermede zijn beide partijen veiliggesteld, wat strookt met de

kern-spreuk van dit symposium. Overigens liggen beide werkterreinen mooi in elkaars

verlengdef Bij het Stoomwezen bekommert men zich orn vaten ander druk..

Floe grater een vat is, hoe meer druk een probleem wardt. Vandaar dat bij

extreem grote vaten,, d.w.z. :

schepen,

bulkiading uil:sluitend onder

atmos-ferische druk wordt vervoerd. Oak in andere opzichten zijn de vakgebieden

verwant. Onderwatervoertuigen ziin speciale pressure vessels. Bu

de bouw

van chemicalintankers en gastarikers warden niaterialen gebruikt, waarinee de

drukvatenwereld meer vertrauwd is dan de scheepsbouw. Oak wat dikiandigheid

betreft hiijft de maritieme techniek niet achter. In de staalconstructie vari

booreilanden kamen plaatdikten tot 100 mm voar. Door dergelijke antwikkelingen

ziin de maritieme constructeurs met de neus op het felt gedrukt dat de

mate-riaaiproblematiek belangrijker kan zijn dan het antwerpen op basis van span

ningsberekeningen. Voor velen was dit inderdaad nieuw, omdat het hage en

hogere technisch onderwijs in dit opzicht nogal cens tekortschiet. Het is

nag steeds zo dat jemand die weinig afweet van bijv. het effect van lassen

en snijden op de draagkracht van constructies gemakkelijker zijn diploma

verwerft dan iemand die tekortschiet op het terrein van de spanningsanalyse.

Vakken als breukleer (breukmechanica, vermaeiing, brosse breuk) en

lastech-nick zijn vaker keuzevakken dan verplichte vakken. Dit werkt door in de

prak-tijk. Qok daar geldt nogal cens dat naarmate berekeningen moeilijker zijn

de resultaten meer aanzien genieten. Wanneer studenten worden geplaatst voor

praktijkproblemen is bet eerste wat zij daen het probleem toegankelijk maken

voor berekening. Dit kamt er vaak op neer dat waf niet kan warden uitgerekend

terzijde wordt geschaven. Het doel - een cijferresultaat - heiigt de

midde-len en niet zelden verdwijnen er kinderen met het badwater.

Oak kamt voor

dat de rekeninspanningen niet evenwichtig verdeeld zijn ayer de delen van het

geheel. De rekennatiwkeurigheid wordt dan ergens opgeschroefd, niet omdat het

nodig is, maar omdat de betrokken theorieën toevallig een haag niveau hebben

bereikt. De gedane inspanningen geven een. gevoel van zelfvaldaanheid, dat

even menseiijk als misplaatst is.

Constructeurs hebben nogal cens een voorliiefde vaor het werken van achter

hun bureau. Dit kamt neer op rekenen en tekenen. In die situatie dreigt bet

materiaal uit het gezichtsveld te verdwijnen. Het kan dan bijv. gebeuren dat

men bij het streven am extreme p].aatdikten te vermijden lichtvaardig

over-stapt naar stalen van hoge sterkte. Het lichtvaardige is dat de keus gemaakt

"- A vessel is a ship,

and a ship is a vessel

wordt zonder voldoende kennis op het gebied van de lasbaarheid van bet mate-riaal en de breukveiiigheid van de verbindingen. Dit is het hoofdthema Van deze voordracht. Vanwege bet feestelijk karakter van deze dag zullen

regel-uìatig uitstapjes worden ondernomen naar andere vakgebieden.

2."Men vreesthet meest wat men ziet of leest" (scheuren en defecten in

constructies resp. oi R6ritgen-films e.d.)

De "bureau-constructeur" in de siechte zin van het woord ontwèrpt constructies op basis van berekende en toeiaatbare spanningen. Wat hij zou moten doen is ontwerpen uit een oogpuflt van gewenste draagkracht, d.w.z. met betrekking tot bet gevaar van scheuren, breken, builen, bezwijken en overmatig vervormen.

De levensduur, bruikbaarheid, veiligheid en bedrijfszekerheid zijn in bet geding en dat alles met nauwe marges orn de kosten laag te houden. De speel-ruimte is beperkt. Er is materiaal, er is een constructievorm en er zijn

pro-duktierniddelen (zoals lasapparaten). Wanneer het orn constructies gaat die

gevaar lopen bros te breken, dan staan bet materiaai en vooral de verbindingen op de voorgrond. Bij gevaar voor vermoeiing staan de geometrie en de mate-riaal-verdeling centraal. De hoogte van de elastische spanningen is dan de beste nìaatstaf voor het beoordelen van het scheurgedrag. Maar ook hier kan de constructeur niet voorbijgaan aan bet materiaal en de produktiemiddelen.

Bijvoorbeeld bepaalde fouten in lassen en warintebenvloede zones (zoals koud-en warnìscheurtjes) zijn niet allekoud-en afhankelijk van de lasser, de apparatuur en de procedure, maar minstens evenzeer van het basis- en het electrodemate-riaal. Nog beiangrijker is dat de kritische lngte van vermoeiingsscheuren

in hoofdzaak bepaald wordt. door de materiaalkwaliteit.ter plaatse en maar voor een gering del door de hoogtevande. spanningen; De spanningstoestand.

is wel van belang:maar daar bekomrtiertde constructeur zich meestai;weinig

orn

De neiging orn bij het ontwerp eenzijdi'g te werktegaan ("spannings-ontwerp") mag niet geheel worden toegeschreven aan het feit .dat bij bet onderwijs vooral

wiskunde en mechanica.smaak- en zaligmakend zinHet.heeftook te rnakenmet

de behoeftevande mens aan een liouvast:in ci1fërvorm; Moeilijk te

kwantifi-cerenaspecteri;:worden gemakke1ijkverdrongen;-:.

Dit brengt ons op de mateniaalbeproevng..

Wat de spanningsberekeningen zijn voor de canstructieve vorm, behoren de proeven te zijn voor het materiaal. In de praktijk wordt een verantwoord evenwicht tussen deze twee zeiden bereikt of pas na veel scha en schande. Dit komt doordat een theoreticus als knapper geldt dan een practicus.

Dit leidt wel eens tot de onjuiste opvatting dat "wie te dom is orn te rekenen zich maar op het experiment moet zerlatent1. Dat deze instelling funest is voor de ontwikkeling van technische studenten zal in de kring van het Stoom-wezen weer weinig tegenspraak ontmoeten.

Het komt voor dat studenten dise in bun afstudeerfase gebruik moeten maken van resultaten van experimen-teel onderzoek er slechts dat uitlichten wat in hun theoriekraam te pas komt! In de praktijk gebeurt zolets natuurlijk niet maar men ziet wel dat oak daar veel minder beknibbeld wordt op rekentijd dan op de kosten van experimenten. Daardoor kamen nogal eens grondige eindige elementen berekeñingen te staan tegenover een paar armzalige Charpy-kerfslag-proefjes. Opmerkelik is oak, dat de verantwoording voor d'e materiaaikwali-teit te zelden bij de constructeurs berust. Zo kunnen deze moeilij'k tat een juiste synthese van alle ontwerpaspecten kamen. Er kan altijd iets tussen wal en schip vallen (al was het alleen maar ais gevoig van het niet verstaan

van elkaars vaktaal). '

Dit gebeurt des te gernakkelijker naarmate men minder voor bet geheel verant-woordelijk is. Bij falen kan immers de schuld op een ander worden geschoven. De tegenstelling (die er niet zou magen zi'jn) tussen mechanica en materiaal ofwel rekerien en experimenteren leek aanvankelijk te worden opgeheven door

de breukmechanica. Dat dit niet he'lemaal gelukt is, is niet' zozeer de schuld

-3-De afkeen van zichtbare tekortkomíngen ais defecten en scheurtjes is in de mens ingebouwd. Men zou het kunnen vergelijken met de weerzin in het hufs-houden ten opzichte van spinnen. Hoe groter de scheur/spin, des te sterker de weerzin. De vergeiijking is door te trekken. Een spin is alleen gevaar-lijk ais hij jemand kan vergiftigen. Een scheur is gevaariij'k, wanneer hij

zich bevindt in siecht materiaal. Helaas is de kwaiiteit van hèt materiaal niet te "zien" en de scheurwi, waardoor deze op dezeifde wijze onbehagen

wekt ais de spin.

Invliegtuigen komen scheurtjes voor die zo klein zijn dat passagiers en

bemanning hen niet opmerken. Wat n'et weet dat niet deert,! Maar in bet

zeld-zame geval dat bij een inspectie een scheurtje van bijv. 20 mm lengte over

het hoofd wordt gezien en het vliegtuig daarna, een lange reis rnaakt in

slecht weer, is een reëie kans op eenramp aanwezig. Een vergelijkbare

toe-stand treedt bij een goed gelast .schip pas op bij scheuren met lengten in de orde van meters. Maar de bemanni.ng schrikt wel, wanneer een scheur van i decimeter wordt ontdekt, ondanks dat deze meestal volkomen ongevaarlijk is. Of er gevaar is, is bovendien gemakkelijk - visueel! - te beoordelen..

Met hangt ervan af of de tip an de scheur zich wi of niet in de buurt van een las beindt.. Afboren is natúurlijk altijd aan te bevelen, mede omdat verder groeien erdoor wordt belemmerd.

Bij drukvaten ugt het probleem van de kritische scheurlengte in de ogen van ontwerpers van andere constructies erg eenvoudig door bet "leak before break" principe. Een scheur kan moeilijk groter worden dan een bepaalde afmeting omdat daarna de druk wegvalt. De materiaalkwaliteit moet derhalve voldoende

zijn orn te waarborgen dat een scheur van die afmeting (net.) niet instabiel kan worden.. Maar zo .eenvoudig is bet niet. Ook een drukvat bestaat zelden

uit materiaal dat overal dezelfde breuktaaiheid heeft. De lassen en

overgangs-zones zijn meestai siechter, en kunnen door de aanwezigheid van

fabricage-defecten voorkeursplaa.tsen voor het ontstaan van scheuren zijn. Flet vervelerde

is dat juist op die plaatsen de kwaliteit niet precies bekend is. Men kan er

wel een goede indruk van krijgen met behuip van proeflassen, maar zeker is men nooit. Dit heeft mede geleid tot heksenjachten op lasdefecten. Waarom deze wellicht wat provocerende term? Er zijn twee redenen. In de eerste plaats worden constructies die gemaakt zijn vangoed materiaal de dupe oîndat zjj over n kam worden geschoren met constructies van minder goed materiaai. De tweede reden is, dat zeifs als drukvaten aan tienduizenden drukwisselingen worden blootgesteid, flinke defecten erín zelden tot scheuren of breuk leiden.

Dit is al jaren geleden- door Soete en Sys experimenteel aangetoond /1/.

In de volgende paragraaf zal wat nader worden ingegaan op wat gezegd is ten aanzien van de breukmechanica. Dit wordt zo gedaan dat ook degenen die met dat vakgebied minder bekend zijn, bet betoog kunnen volgen.

3. Breukmechanica en breuktaaiheid

Bij ontwerpberekeningen van enerzijds drukvaten enanderzijds maritieme con-structies is ereen groot verschilin de behandeiing van de belastingen. De verleiding is groot orn iridrukte maken op deiezer door uit dé doeken te

doen hoe rnoeiiijk bet is orn voor constructies in goiven de belastingen en

haar gevoigen in termen van spanningen te beschrijven.

Door de betrekkelijke eenvoud van de scheepsvorm is bet sarnenspel tussen schip

en golven tegenwoordig betroiwbäar te beschrijven en zijn de belastingen op de romp ervan af te leiden. V

Bij offshore constructies is de vorm zo compiex, dat naast de z.g.

quasi-statische belastingen (op een star lichaam) lokale belastingen veroorzaakt

door wervels en wervelafscheiding optreden die o.a. triiiingeiV veroorzaken,

V

die op hun beurt het wervelgedrag beinvloeden.

Genoeg hierover. Het verkaart wel waarom scheurgroeiberekeningen op basis van de breukmechanica zeer wijde betrouwbaarheidsgrenzen vrtonen. Stel dat de berekende ievensduur IO jaar-is, dan is er 50% kans dat f al na twee: jaar'

scheuren ontsftaan, f pas na 50 jaar. Dit ugt niet alleen aan de belastingen, maar evenzeer aan de onvermijdelijke fouten in de berekende spanningen ter plaatse van knooppunten, de spreiding in de kwaliteit van lasverbindingen,

F161 "FIGUURL'JKE"DEFINITIE VAN DE

SPANNINGSINTENSITEITS

PARA-MEiER K.

en het felt dat ook bij breukmechanische berekeningen de basisgegevens bestaan

uit scheurgroeigegevens verkregen met behuip van constante amplitude

be1s-tingen. De interactie van beiastingswisselingen van verschillende grootte

wordt niet in de berekeningen verwerkt. In feite wordt bij alle aspecten van

de berekening de veilige kant gekozen, (bijv. scheursluiting en Elber-effect

verwaarioosd, relaxatie van lasspanningen tengevoige van piekspanningen

gene-geerd). Toch wordt er gerekend bij bet ontwerpen en worden constructies op

basis daarvan gebouwd en gebrúikt. Vergeleken bij die tak van industrie moeten

de ontwerpers van drukvaten zich in de zevende hemel wanen. 'De belastingen

ziin nauwkeurig voorgeschreven,. Maar dit was hun nog niet genoeg. De

vellig-heidskiep werd er als toonbeeld van eenvoud, doeitreffendheid,

slagvaardig-heid, economisch besef, en bezorgdheid voor de mens aan toegevoegd. Alleen

kwaadwillende collega's zouden in dit rijtje nog het woord gemakzucht kunnen

plaatsen. Maar dat woord zouhier even inisplaatst zijn als bij andere aspecten

van het bouwen van drukvaten, zoals de eenvoudige bol- of cylirtdervorm, de

mogelijkheid van gloelen na de bouw, en de persproef. Want er blijven genoeg

problemen. over: dikwandigheid, agressiviteit van de. inhöúd, stomp- en

pijp-verbindingen, hoge en lage temperaturen, temperatuurgradiënteffecten,

stra-lingsbeschadi.ging, low cycle fatigue en.

Bijna al deze factoren veroorzaken niet alleen scheurvorming en -groei, maar

benvioeden ook de breuìktaaihe.id. Hier ligt een groot verschil in vergelijking

met schepen, bruggen e.d. Weliswaar geldt ook daar dat verrnoeiing naast de

ontwikkeling van scheuren, de materiaalkwaliteit aan de scheurtip beTnvloedt,

maar die schade zinkt in het niet in.vergelijking met wat bijv. kan gebeuren

bij plastisch vermoelen bij 300 C. Er is nog een verschil.. Er ontstaat bij

die temperatuur namelijk niet alleen ter plaatse van de scheurtip een

aan-zieniijke achteruitgang in kwaliteit, ook elders kanhet materiaal verbrossen.

Meestal is dat lniet erg, omdat de bedrijfstemperatuur toch hoog is. Maar er

zii,n gevallen denkbaar waarbij tijdens het opwarmen of afkoelen scheuren

zou-den kunnen ontstaan tengevolge van temperatuurspanningen. Hoe is dit alles nu

in kaart te brengen in termen vari breukmectianicaparameters, en welke

gevolg-trekkingen zijn dan te maken? Alvorens dit te bespreken, zullen de bekende

begripp.en uit .de breukmechanica worden ingeleid.

Het materiaal aan de tip van. een scheur vervormt deels elastisch, deels

plas-tischen wordt belast door spanningen ter grootte van de vloeigrens daar ter

plaatse. Hoe dikker het materiaal is, des te hoger is de vloeigrens aan de

scheurtip. Mees:tal wordt een waarde a./3 aangenornen.

De veivormingen in de. buurt van de tip zij.n ongeveer evenredig met de nominale

spanning en met de wort.el uit de scheurg.rootte. De toestand wordt dus bepaald

door bet produkt o/a.

Inderdaad is theoretisch afgeleid dat het spannings- en rekverloop in de

naaste omgeving van de scheurtip afhangt van de parameter K

o/iTa. (Meer

hoeft men hiervan voor dit betoog niet te weten. Wil men toch zienwat K nu

eigenlijk is, dan geeft fig

i de getekende definitie)

Een trekstaaf die beiast wordt met een spanning o breekt zodra de treksterkte

is bereikt. z6 gaat een materiaal aan de tip van een kerf (of scheur)

(verder) scheuren zodra de spannings- (en vervorrnings!)intensiteit K

O/ita

de waarde Kc bereikt. K geeft de belasting van het materlaal aan de tip aan.

Kc weerspiegelt de sterkte van dat materiaal. BIj het woord sterkte moet meer

gedacht worden aan vervormbaarheid dan aan bestand zijn tegen hoge spanningen.

Vandaar dat we spreken van breuktaaiheid. Dit verklaart ook waarom C.O.D.

(fig. 2) die uitsiuitend de vervorming aan de kerftip voorstelt, zo een

aan-trekkelijk begrip is. Het zaÏ nu duideiijk zijn, dat de t'belasting" van bet

materiaal aan de tip toeneemt met de wortel uit de scheurgrootte. Toch zijn

in gelaste constructies kleine scheuren meestal gevaarlijker dan grote.

Hoe kan dat? Dit wordt toegelicht in fig.

3.. Beschouwd wordt een las, die in

lengterichting wordt belast.

î..

t,

t3

Fig.3 ReLatief belang van scheurLengte en scheurtippositie. r

'p

ti

//'

,

In de las is een defect aanwezig in dè vorm van een krimpscheur loodrech op de trekrichting. .

Stel dat de las en de overgangszone van siechte kwaliteit zijn in vergelijking met het plaatmaterlaal. Wanneer zich dan vanuit het defect een scheur ont-wikkelt, bevindt de tip van-de scheur zieh achtereenvolgens inde las, de, overgangszone n het onbeînvloede plaatrnateriaal. De bijbehorende

breuktaai-heden in termen van Kc variren hierbij van siecht naar goed. Omgekeerd neemt de belasting van het tipmateriaai, voorgesteId door K, toe naarmate de scheur groter wordt. Maar het gaat niet hard omdat K evenredig is met de wortel uit de scheurlengte (K a/ira). In fig. 3 is te zien dat bij de temperatuur t,

(d'ikke iijn) kielne scheuren ongevaarlijk zin zolang K < Kc.

Wanneer de iengte van de scheuren toeneemt, bijv. door vermoeiiing, is de

con-structie enige tijd in gevaar en wel totdat de tip van de scheur buiten de

las- en overgangszone is gekonien. Toch ontstaat er bij maritieme constructies in zo'n periode. zeiden een brosse breuk omdat de combinatie van een hoge be-lasting en een lage temperatuur-een geringe kans van voorkornen heeft. Meestal

groeit de scheur rustig doorde gevaarlijke zone heen. Daarna.is de

construe-tie langdurig wellig. omdat de breuktaaiheid IKe van het door lassen niet

hein-vioede basisme-taal hoog is. Men zou dit zonde kunnen vinden van het

maten-aal, maar dat is niet tei'echt. De hoge kwaliteit van bet basismetaal is in de eerste plaats nodig orn te mogen verwachten dat er n het lassen nog voldoende

van over is. Vender hoopt men te bereiken dat als er toch ooit een brosse breuk in de laszone ontstaat, deze erbuiten tot stoppen komt. Aan bet slot van de volgende paragraaf zal worden aangetoond dat hierbij tch lelijke misrekeningen kunnen worden gemaakt.

l4 _{ttEr wordt nog te weinig expenirnenteel onderzoek verrichtit}

a. Ervaring is de beste leermeester

De in de titel van deze paragraaf gegeven stelling is zowel van toepassing op het terrein van de standaardbeproevingen als op dat van het onderzoek op ware grootte met (gedeelten van) constructies.

De zwakte op het eenstgenoemde terrein - de afnameproeven - vloeit voor een groot deel voort uit de leemten op het tweede gebied.

Daardoor biijven tekortkomingen van bestaande proefmethoden in het vage en geschiedt vooruitgang moeizaam. Dit wordt in de hand gewerkt door het feit dat er altijd partijen met tegengestelde belängenzijn. Dein de praktijk veronderstelde correlaties tussen resultaten van standaardproeven en de werkelijkheid zijn onbetnouwbaar en onnauwkeunig, wat uit oogpunten van veiligheid n/of economie verwerpeiijk is. Imrners een hoge graad van

veiligheid is in dergelijke situaties alleen te verwezenlijken door zwaré afname-eisen. De hoge gemiddelde veiligheid, die zodoende wordt bereikt, moet er dan voor zorgen dat dekans. op onveilige uitschieters uiterst ge-ring is. Het komt erQp neer dat wanneer de plaats van de rand van een af-grond niet precies bekend is of door mist niet goed kan worden gezien, leder er op een "veilige" afs-and van verwijderd zal blijven. Economisch en toch maatschappelijk verantwoord construeren houdt in dat men zorgt t weten waar de rand van de afgrond ligt. Maar er is meer, een ervaren wieirenner zal dichter langs de rand durven rijden dan een nieuweling.

Zo geldt, oòk 'oor de techniek dat ervaning de beste leermeester is.

Kennis en ervaning worden beide uitstekend gevoed door het verrichten of

ineemaken van experimenteel onderzoek.. Het zeIf doen, liefst in eigen

be-drijf en eventueel met eenvoudige middelen, is van grote waarde. Men raakt vertrouwd met het materiaal, krijgt besef van tekortkomingen en mogeiijk-beden van proefmethoden en van de relevantie ten opzichte van de

werke-lijkheid, kweekt inzicht in de. betrouwbaarheid van verkregen resultaten

en de oorzaken van spreiding en leert tenslotte pioeven opzetten die zo goed mogelijk op bet eigen problèem gericht zijn. In de maanden van

december 1979 tot maart 1980 hebben meer dan 300 deelneniers aan dniedaagse

Fig.5 _{Veroudering (hot straining embritttemenf) aan de tip}

van een defect (WeLls wide plate test)

C.O.D.-proeven gedaan in het kader van een practicum in bet Laboratorium

voor Scheepsconstructies van de T.H.. D. Uit de reacties is wel geblekeñ

dat erna in feite niets was overgebleven van de oorspronkelijk aanwezige beduchtheid voor het moeilijke, geheimzinnige, dure of omsiachtige dat

men aan de proef.iverbond.

Bêiasten, koelen en meten kan met eenvoudige huipmiddelen geschiêden, (fig. 4) Men kan dan weliswaar geen prbefstukken beproeven die, _zoals voorgeschreven, een vermoeiìngsscheur als kerf hebben, maar dat is voor

eigen ontwikkelings- en oriëntatiewerk oak niet nodig. Stel dat men het

optimum aantal lagen in een X-las in loo mm plaat voor O.P.-iassen wil vinden. De C.O.D.-proefstukken uit de gemaakte proefpiaten kunnen dan met behuip van een 0,2 mm dik _{uwelierszaagje of een even dikke bladfrais}

voorzien worden van een 2 mmdiepe kerftip. De proefresultaten zullen dan gunstiger uitkomen dan voor proefstukken met vermoeiingsscheurtjes.

Maar bet optimum aantal lagen wordt even goed gevonden. Bovendien heeft men alvast eengoede indicatie van de C.O.D.-waarden die voor vermoeide

staven gelden.

Afgezien van de eerdérgenoemde. voordelen van het zeif doen, bespaart deze

werkwijze veel tijd en geld. Men moet alleen niet de fout maken die bijna

niet uit-te roeien is, vari te weinig proefstukken te makeñ. De kosten van proefstukken zinkçn Tneestal in het niet ten opzichte van de totaalkosten

van de te rnakenconstructie(s). Bij gelaste proefstukken wdrdt bet aantal tevens beheerst door de grate spreiding. Een.nog niet genoem1 voordeel van zeif proeven doen en zeif interpreteren van de resi1taten is, dat men

een goede part-ij is in discussies met opdrachtgevers en toezichthoudende

. instanties. ("Fitness for purpose-analyse; al of niet repareren van

de-fecten). .

.-Een tweede dikwijls gemaakte fout is, dat proefresultatenniet representa-tief zijn voor de werkelijkheid omdat het materiaal in bet proefstuk van hogere kwaliteit was dan da-t wat in de constructie kan voorkomen. Bij

druk-vaten moet vanzelfsprekend vooral gedacht worden aan de achteruïtgang in kwaliteit als gevoig van de inwerking van de inhoud van het vat op het

materiaai (H2-verbrossing, nucleaire beschadiging) en van verouderings-verschil'nseien in de wijdste zin van bet woord. Hoe en of dit alles

gesi-muleerd kan worden is een tweede. Maar zlfs als dat gebeurt, dan kunnen

de proefresultaten nog te optimistisch zijn. De oorzaak. is meestal. dart

een standaardproefstuk een minder ingewikkeide vorm heeft en minder samen-gesteld belast wordt dan een constructiedeel. Wellicht even belangrijk is, wat in fig. 5 is aangegeven, en wat bij de Wells' Wide Plate Test iordt

onderzocht. Het materiaal aan de tip van het in de f iguur getekende defect

kan door het in meerdere lagen leggen van de tweede las sterk worden ver-brost door het gelijktijdig optreden van lasvervormingen en hoge tempera-turen. Het verschil met de toestand zander defect is, dat de vervormingen

aan de tippen van bet defect vele malen groter zi'jn, eñ de veroudering

dienovereenkomstig. Bij drukvaten kan deze verbrossing meestal goed worden opgeheven door een gloeibehandeling op ca. 600°C of hogèr. Maar tijdens de bedrijfsperiode kunnen ter plaatse van defecttippen verouderingsachtige beschadigingen ontstaan die eveneens vele malen ernstiger zijn dan op

piaa-tsen waar zich geen defecten bevinden. Het simuieren hiervan in

proef-stukken is aiweer even noodzakelijk ais moeiiìjk. Er rest dan nog devraag hoe groot de kans is op ernstige vèrbrossing. Men _{zou bijv. mogen} verwach-ten dat bij schepen de kans op een Wells' verbrossing zeer groat is, omdat er tienduizenden laskruisingen in voorkomen. Toch schijnt het mee te val-len gezien bet uiterst geringe aantal brosse breuken in schepen.

Misschien dat oak bij drukvaten de karis op de geschetste verbrossingsmoge-lijkheid uiterst klein is en als het ware verdisconteerd in de gerniddeld

grote veiligheid. Het onbevredigende is dat we het niet weten.

Het vermoeien van proefstaven hoeft overigens nooit _{een probleem te zijn.} Er staan in Nederland tientallen verouderde machines waarvoor dit welkom werk zou betekenen.

280 240 200 -160 c' 120-

c.

o

z

/

/_]

p-FIG.6 KERFSLAGWAAROEN VAN DE WARMIE- BEINVIOEDE ZONE VAN St52-Nb..(46mm DIK)

-7

. Dit brengt ons op

Proeven op

rote schaal

Bij proeven op grote schaal met drukvaten geidt het omgekeerde van wat

gezegd is over de proefstukkosten bij afnameproeven. Een compleet drukvat

is duur, terwiji een barstproef door de eenvoudige wljze van belasten

niet duur hoeft uit te vallen. (Hoge temperaturen kunnen natuurlijk wel

een probleern.zijn). Nu is in a al gesuggereerd dat het beproeven van een

nieuw drukvat weinig zinvol is. Interessant is orn vaten te onderzoeken

die uit bedrijf genomen zijn

f omdat er gebreken zijn gevonden,

f orndat

de van tevoren beoogde levensduur is bereikt,

f omdat bet vat overbodig

is geworden.

Elke categorie verschilt nadrukkelijk van de andere. In het eerste geval

is de restlevensduur of de bezwijksterkte van een vat mt scheùren in het

geding. In bet tweede geval kunnen de aanwezige defecten nog steeds

toe-laatbaar zijn in aantal en afmetingen, maar kan het materiaal teveel

achteruitgegaan zijn in kwaliteit. In het derde geval is bet vat wellicht

als min of meer nieuw te beschouwen, wat een referentiesterkte en/of

levensduur zou kunnen leyeren.

Na beproeving kan bet vat worden onderzocht op scheuren. Deze waren

ken-nelijk stabiel onder de bezwijkiast! en ais zodanig zeer informatief.

Zij kunnen met een blok omringend materiaal worden verwijderd orn náder

te wordèn onderzocht.

Dit zijn nog maar enkele van de vele mogeiijkheden; De belangstelling

voor dit soort onderzoek neemt zowel in Nederland als daarbuiten tòe.

Er bestaat een project teRest1evensduurt waar vele bèdrijven en instanties

aan meewerken en dat over financiering en materiële eri persorìeleinhreng

niet te klagen heeft. De projectïeider is Ir. G..FI.G. Vaessen van het

M.I.T.N.O. De St uurgroepvoorzitter is Ir. A.A. van den Berg van de S.I.P.M.

Het is verheugend dat de Overheid, via de Ministeries van Economische Zaken

en Sociale Zaken bet project veel steun verleent. Het Nederiands Instituut

voor Lastechniek komt lof toe voor de rijpmaking van dit project, o.a. door

het organiseren van het in 1977 in Den Haag gehouden internationaál congres

"Prediction of residual lifetime of constructions operating at high

tern-perature't.

Resultaten van experimenteel onderzoek ter iJiústatie.

an de stand van

zaken op het terrein van afnameproeven

Figuur 6 geeft een beeld van de kerfsiagwaarden die gevonden zijri in de

las en de overgangszone van een electroslak-gelaste plaat van 145 mm dik.

Het materiaal was Si-Ai rustig Fe 510 met Nb; normaal gegloeid /2/.

Het onbeTnvioede materiaai was van zeer goede kwaliteit: 80 Nm/cm2

Charpy-energie bij -70 C; 50% taai breukuiterlijk bij -50°C. Uit de f iguur blijkt

dat buiten 5 mm van de srnel-tiijn het materiaai nauwelijks te lijden heeft

gehad van de grote warmtetoevoer tijdens bet E.S.-iassen. Vanaf 3 mm van

de smeltlijn is de achteruitgang in kwaliteit opvailend. Op 1 mm wordt een

.waarde van 140 Nm/cm2 pas bereikt bij +20°C. De las zeif was nog slechter

(tegenwoordig is de las minder problematisch en wordt daarom verder buiten

beschouwing gelaten). Uitgedrukt in Charpy-overgangstemperatuur komt de

achteruitgang in materiaaikwaiiteit neer op ca. 100°C! (De oorzaak is

korreigroei door het verdwijnen van het netwerk van Niobium-carbiden en

-nitriden boyen 1050 C). De vraag rijst onmiddellijk wat of dit heeft te

betekenen voor de veiiigheid van de constructie.

Een optimist zal zeggen .dat de strook van lage kwaiiteit maar enkele mm's

breed is en "dus" niet van belang is voôr de

terkte. Een'pessimist zal

zich afvragen of een vermoeiingsscheur uitgaande van een inkarteling op

de smeltlijn niet tot een brosse breuk kan leiden bij temperaturen lager

dan 20 C.

Allereerst moet erop worden gewezen dat de informatie van fig. 6 al vëel

uitgebreider is dan die waarover men in de praktijk pleegt te beschikken.

-8-Het in langs-, dwars- en dikterichting beproeven van een warmtebeînvloede zone is een heel karwei. Op die manier worden wel de slechtste plekkeh opgespoord. De optimist zal de overtuiging verkondigen dat die waarden behoren te worden gemiddeld. Of dat zin heeft, weet hij meestal niet te verteilen. De schrijver wi, oindat in bet Laboratorium voor

Scheepscon-structies indertijd 5000 X 500 mm grote platen beproefd zijn van 't6 mm

dikte. Zij bestonden uit aan elkaar gelaste stukken van 600mm lengte. De verbindingen waren Electroslak-lassen Op afstanden varierend van O tot 6 mm van de smeltlijn waren kerven in de plaat gezaagd die evenwijdig aan de las en loodrecht op de trekrichting lagen. De platen werden gekoeld

op -15°C resp. -5°C en vervoigens aan vermoeiing blootgesteld. Als er een complete brosse breuk ergens ontstond werd de plaat gerepareerd en de proef voortgezet. Wanneer een of meer vermoeiingsscheuren èen lengte van

ca. 100 mm hadden bereikt werd de, plaat eenmalig tot breuk belast. Alle kerven waren voorzien van C.O.D.-rneters.

Het resuitaat van de proeven was dat voor de bovenbeschreven scheuren een veilige temperatuur van ca. -10 C werd gevonden. Het verschil met de Charpy-gegevens bedroeg 30°C. Als criterium was een C.O.D.-waarde van

0,2 mm gesteld.

Bijstatische buigproeven (C.O.'D.-proeven) werd deze C.O.D. bereikt bij -25 C. Deze waarde is gefiatteerd omdat er in de proefstaven gezaagde kerven (0,2 mm breed) in plaats van vermoeiingsscheuren zaten. Hiervoor is een correctie op het proefresultaat nodig.van 10 20 C. De

C.O.D.-resultaten kamen dus goed overeen met de C.O.D.-resultaten van de gelaste

proef-platen in de 1000 tons trekbank. De Charpy-resuitaten lijken ';eel te pessimistisch, en dat: voor platen van -t6 mm dikte! De oorzaak is dat de .

gelaste proefplaten 1angzaarñ zijn belast ,

te.rwij1 bij Chary-proeven cen.

hoge belastingssneiheid wordttoegepast. Ongeiegeerdstaai..is daar.erg

gevoelig voor. . Het verschil in overgangstemperatuurvooriangzaamresp

schoksgewijsbelasten ugt voor deze materialen in de orde van 50 C.

De Charpy-proef.iseigen1ijk principleel .ongeschikt voor .statisch:belaste

constrúcties. Dit neemtniet weg dat de proe.f.nooit volledigdcorde

C.O.D..-proef mag worden vervangen In deeerstepiaats is deCharpy-proef geschikt voorhet handhaven. van een -

bijv;doorC.O.D...-.proevenvast.gelegd.-kwaliteitsniveau van plaat- en lasmetaal in standaard- of routine-toepas-singen. Verder wordt door het handhaven van die proef voorkomen dat staal-en electrodefabriekstaal-en materialstaal-en gaan ontwikkelstaal-en die weliswaar zeer goed bestand zijn tegen statische belastingen, maar zeer siecht tegen schok. Het laatste zou betekenen dat zeifs het kleinste brosse breukje in een constructie, bijv. een pop-in ter plaatse van een Wells-defect, niet tot

stoppen kan komn. Dat dit probleern ook voor 'langzaam belaste construc-ties van belang is gebieken bij het bovenverineide onderzoek. In de

proef-platen waren namelijk, naast de "normale" kerven, ook Wells-kerven aange-bracht. Deze hebben steeds geleid tot partiële (gestopte) brosse breukjes bij spanningen die in de orde van 2/3 van de vioeigrens lagen. Daarnaast zijn tijdens het vermoeien van de proefplaten herhaaldelijk pop-in's ont-staan die tot brosse stapjes leidden met een lengte in de orde van de grootte van de piastische zone aan de tippen van de vermoeiingsscheuren. Dankzij de, uit de Charpy-gegevens blijkende weerstand van.het materiaal tegen schok, zijn al deze stops mogeiijk geweest.

Als men toch dergelijke brosse breukjes niet wil accepteren, zal men C.O.D.-proeven moeten doen op proefstukken die gezaagd zijn uit platen waarin zich Wells' kerven bevinden. .

-Wat het tweede type brosse stapjes betreft: hierin wordt al voorzien in de huidige C.O.D.-beproevingsprocedure. Er worden immers vermoelde proef-staven geëist. Wellicht toevallig, maar toch de moeite van het vermeiden waard is, dat in de grote proefplaten gn partiële Wells' breuken zijn

opgetreden bij temperaturen die in de buurt van de Charpy-overgangstempe

ratuur (-s-209C) lagen.. Men moet hierbij wel bedenken dat bij de

grote-plaat-proeven die kerven met een lengte van 26 mm door de plaatdikte heen gemaakt waren op of vlak naast de smeltlijn, en dat de tippen van die

g

kerven daarna nog eens met opzet werden verbrost niet behuip van een 8-lagen

o.P. -las. ..

Deze situatie is in de praktijk .eenvoudíg te voorkomen met behuip van

grondig N.D.T.-onderzoekvan aile. laskruisingen. 1ordt dan tocli een (klein)

ongunstig georiinteerd defect gevonden dan is als het even kan plaatselijk gloeien op 650 C veel gezonder dan repareren van het defect. Want het is

bekend, dat spanningsarm gloelen de ideale manier is orn Wells?

verbros-singen teniet te doen. Ten overvioede zij vermeid dat bet resultaat van een proef met eenop 750 C gegioeide proefpiaat bijzonder goed was. De veilige temperatuur was ca -35 C. Ook de. Charpy-resultaten wezen in

die richting. Dit laatste mag bevredigend lijken, maar is bet niet. Want waarom corresponderen de resultaten van Chaipy- en grote-plaat-proeven in het ene geval (750 C gegloeid) wi en in bet andere geval (niet-gegloeld) niet, voor bet gavai van vermoeiingsscheuren in de buurt van de smeitlijn?

Misschien dat het de lezer inifriddels duizelt. Daarom volgen hier de

con-clusies, die hij uit het voorgaande zou kunnen trekken.

C.O.D.-proeven zij.n onontbeerlijk voor dikwandige constructies. Charpy-proeven boyen erbij.

c.. Wil men zich uitsluitend beperken tot Charpy-proeven, dan moeten las

en warmtebenvloede zone in lengte-, breedte- en dikterichting worden

afgetast (gescreened.). De laagste waarden dienen als maatgevend te wor-den beschouwd voor de. kwaliteit van de constructie. Dit kan wel eens

overdreven vei1g uitpakken.

Tot slot jets over de waarde van de Charpy-proef in. verband met het

scheur-stopvermogen van staai. Voor dikwandige constructies (> 30 mm!) heeft men

in dit opzicht aan kerfslagwaarden vrijwei geen houvast. In bet bij .het

onderzoek gèbruikte staal stopten brosse breuken pas bij temperature1 in de orde van O C.. De Charpy-waarden zouden iet ais -50 C hebben doen

ver-wachten. Isotherme Robertson-stopproeven zijn zeer geschikt. Alleen kan de kbrte iengte van de proefpiaten wel eéns te optimistische resultaten veroorzaken. Eeñ goedkope, zeif-doe-proef is de drop-weighi-tear-test.

Deze doet in betrouwbaarheid weinig onder voor de Robertson.-.proef.

5.

.çk.woo'J'

Wellicht kleeft aan deze voordracht hetzeifde tekort als aan wenige preek in

de kerk en wel dat er teveel gekiopt wordt op open deuren. Ter yer.ontschuldi-ging wordt verwezen naar de opvatting van een Franse f iiosoof die het "frapper

toujours" noodzakeiijk achtte en naar debijbei., die zegt dat n bekeerling

meer vreugde geeft dan honderd getrouwen.

Met dezelfde, voor de kracht van het betoog gewenste,overdrijving is te be-nadrukken dat n eigen proef meer voldoening kan geven dan 100 resultaten van anderen. Maar dat betekent niet dat men voorbij moat gaan aan de schat aan gegevens die constant vanuit onderzoekcentra via de literatuur over de industrie Wodt uitgestort. Het speuren in de iiteratuur geeftmisschien minder vreugde, maar is zeker even waardevol ais het doen van proeven.

Literatuur

/ ii

Frocs. First International Conf. on Pressure Vessel Thchnoiogy 1147-1156

(paper II-88). A.S.M.E., New York.

/2/ J.J.W Nibbering: "Breukmechanica en iasfuten". Lastehniekmaart 1972; ook in Metaalbewerkingjrg. 42 no. 4, 17 febr. 1976.