Blog Frans Vos - Schade aan bouten en rivetten

Zo, die losgekomen bout-moer verbinding staat weer netjes op het voorgeschreven aanspanmoment. Alles is veilig en we kunnen weer opstarten. Maar is dat zo? Hebt u eigenlijk wel nagegaan waarom die verbinding is los gekomen? Was ze inderdaad gewoon los gekomen of is er meer aan de hand?

Door Frans Vos - Materials Consult bv



Net zoals lasverbindingen kunnen bout-moer ver­bin­dingen, schroeven en gerivetteerde, alias geklinknagelde connecties aan allerhande schade­mechanismen onderhevig zijn die hun integriteit onder­mijnen. Of een schade vertonende bout-moer verbinding nog op het beoogde aanspanmoment zal kunnen worden gezet, is daarbij uiteraard afhankelijk van het schadetype en hoe ver de schade is gevorderd, maar er zijn wel degelijk heel wat scenario’s denkbaar waarbij optredende schade – vooral in zijn beginfase – onopgemerkt blijft bij een eenvoudige controle van het aanspanmoment. Welke schadetypes er aan bout-moer verbindingen, schroeven en gerivetteerde connecties kunnen optreden, is uitgebreider en meer divers dan vele mensen denken. De meest gangbare schadetypes kunnen worden ingedeeld in een aantal hoofdgroepen: de puur mechanische schades, corrosie, slijtage en soms ook een mengvorm. In onderstaande gaan we dieper in op enkele concrete voorbeelden.


Mechanische schadetypes
Vermoeiing is de eerste mechanische faalmodus waaraan bouten (vanaf hier als afkorting gebruikt voor bout-moer verbindingen), schroeven en rivetten onderhevig kunnen zijn. De meest bekende fase is die van de ‘propagatie’, waarbij zich vanuit één of meerdere initiatiepunten een veelal geleidelijke, stapsgewijze scheurontwikkeling voordoet totdat de resterende doorsnede van de bout/schroef/rivet onvoldoende wordt om de aangelegde lasten te dragen en zich vervolgens een restbreuk voordoet. In het breukvlak kan het optreden van een vermoeiingsbreuk veelal worden herkend op basis van grotendeels parallel lopende propagatiestapjes/-lijntjes die zich van aan een initiatiepunt lijken te ontwikkelen, ietwat vergelijkbaar met de uitdijende golfpatronen die in het water ontstaan als een kei als initiatiepunt in het water wordt gegooid. Waar iedereen weet dat een kei in het water de initiatie van het golvende waterpatroon markeert, staan er echter nog al te weinig mensen bij stil dat het besluit ‘het is vermoeiing’ niet de volledige lading dekt.



(bron: istock)

‘Wat veroorzaakte de initiatie’, ‘wat leidde tot dat eerste microscheurtje’ als eerste stap in de propagatiefase? In nog al te veel rapporten in verband met vermoeiingsschade wordt de initiatie als een akkefietje onder de mat geschoven. Het achterhalen van de initiatiereden is nochtans cruciaal om te weten waaraan de vermoeiing te wijten is. Bij een bout of schroef wordt dan al snel gedacht aan een schroefdraad die te scherp is in de draadkern of aan een lokaal mechanisch beschadigde schroefdraad, maar daarbuiten zijn er nog vele andere mogelijkheden redenen waarom vermoeiing kan initiëren. Zo kan er zich een metallurgisch defect hebben voorgedaan bij de productie van de bout en bijhorende draad. Ter illustratie dwalen mijn gedachten af naar dat dossier waarbij er in de zone van de vermoeiingsinitiatie een martensietisch gebiedje was ontstaan omwille van een elektrische vonkinslag. Martensiet is veel harder dan klassieke staalsoorten, waardoor aan het grensvlak tussen het martensietgebiedje en de rest van het staal een scheurtje ter initiatie van de vermoeiing was ontstaan. Net zo kan een lokale aantasting omwille van spleetcorrosie of putcorrosie als initiatiepunt voor vermoeiing dienen. Het is dus niet voldoende om te besluiten dat er sprake is van vermoeiing. Het initiatiemechanisme dient evenzeer te worden gedetermineerd en waar mogelijk geremedieerd.



Wat betreft de propagatie dient verder ook nog te worden vermeld dat er naast de veelal traag, in kleine scheurstapjes evoluerende klassieke vermoeiing ook sprake kan zijn van een zogenaamde ‘oligocyclische’ vermoeiing, in het Engels ook wel aangeduid als low-cycle factigue. De grootste verschillen met klassieke vermoeiing (E: high-cycle fatigue) zijn gesitueerd in de belasting die per scheurpropagatiestap wordt ondergaan en – daaruit voortvloeiend – het aantal stappen dat dan nodig is om tot het stadium van de plotse restbreuk te komen. Bij een klassieke vermoeiing gaat het over vele kleine stapjes die ontstaan bij relatief lage belastingen (veelal onder de elasticiteitslimiet van het metaal), terwijl er bij een oligocyclische vermoeiing sprake is van hoge, veelal plastische cyclische belastingen die in een veel geringer aantal scheurstappen tot het stadium van de finale restbreuk leiden. De klassieke vermoeiing kan bijvoorbeeld ontstaan in bouten van geflenste leidingdelen die aan de normale trillingen van pompen onderhevig zijn, terwijl het herhaaldelijk met een vorkheftruck tegen een met bouten in de beton verankerd magazijnpaaltje rijden dan bijvoorbeeld weer tot een oligocyclische vermoeiing van die bouten kan leiden.  Oligocyclische vermoeiing is niet het enige schade­mechanisme waarbij bouten vroegtijdig omwille van een plastische belasting kunnen falen. Een overbelastingsbreuk zonder voorafgaande vermoeiing behoort evenzeer tot de mogelijkheden, al komt dat veel minder vaak voor dan vermoeiing. Bij een klassieke overbelastingbreuk zijn er in de breukvlakken geen vermoeiingspatronen waarneembaar (ter herinnering: dat wat lijkt op de kringetjes van golven nadat je een steen in het water hebt gekeild), maar zijn er – afhankelijk van de concrete mechanische eigenschappen van het bout-, schroef- of rivetmateriaal – andere structuren waar te nemen waaruit kan worden afgeleid of de breuk een plastische breuk, een kliefbreuk of een brosse breuk, dan wel een mengvorm betreft. De adder onder het gras is hier het begrip ‘klief’breuk. De minder ervarenen in het breukvlakinterpretatiemétier durven kliefbreuken wel eens op een hoop gooien met brosse breuken, terwijl die breuktypes fundamenteel verschillend van aard zijn. Naast de klassieke plastische overbelastingbreuk – zich veruiterlijkend in zogenaamde ‘dimpelstructuren’ – zijn ook kliefbreuken veelal plastisch van aard, maar geeft hun gefacetteerd breukvlakuiterlijk soms de indruk van brosheid. Beeldinterpretatie via artificiële intelligentie (AI) zal hier in de toekomst vermoedelijk tot heel wat minder vergissingen leiden, maar dergelijke AI-systemen kunnen maar goed functioneren indien ze eerst worden getraind met een veelheid aan correct door de mens geïnterpreteerde schadegevallen. En is er ook een mengvorm van overbelasting en vermoeiing mogelijk? Jazeker: Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat er eerst een overbelasting is opgetreden die tot een eerste scheurtje, maar nog niet onmiddellijk tot een volledige breuk heeft geleid. Als dat eerste scheurtje dan een vermoeiing initieert, heeft de initiële overbelasting op termijn tot een vermoeiingsbreuk geleid.



Corrosie
Ook onder de noemer ‘corrosie’ gaan diverse mogelijke bronnen van schade aan bout-, schroef- en rivetconnecties schuil. Bij geboute verbindingen denken we daarbij in de eerste plaats aan zogenaamde ‘spleetcorrosie’, een mechanisme dat ook gerivetteerde verbindingen zuur kan opbreken. Als het specifiek de bout of de rivet is die wordt aangetast, is het gewoonlijk een chemisch concentratieverschil tussen ‘in’ het bout-/rivetgat en ‘buiten’ het bout-/rivetgat dat aan de basis ligt van de spleetcorrosie. Dat concentratieverschil kan zich voordoen op het vlak van bijvoorbeeld waterstof en het daaraan gekoppelde verschil in zuurtegraad, het kan te maken hebben met een zuurstofgradiënt van buiten naar binnen toe of eender welk ander chemisch concentratieverschil dat bij corrosieprocessen een rol kan spelen. Bijkomende uitdaging bij spleetcorrosie is daarbij veelal de roestopbouw die in de spleetvormige opening plaatsvindt. Het zou me hier te ver leiden om het verschil tussen corrosie en roest in alle geuren en kleuren uit de doeken te doen (roest is immers geen corrosie, maar wel een mogelijk gevolg van corrosie), maar indien alle metaal dat omwille van de spleetcorrosie uit de bout/rivet verdwijnt zich in de spleet zou omzetten naar roest, kan er een ernstige spanningsopbouw plaatsvinden. De achterliggende reden is dat roest van een metaal een lagere dichtheid heeft dan het metaal zelf, derhalve dat het roest meer volume inneemt dan het metaalvolume van waaruit het is ontstaan, dit in de veronderstelling dat alle omwille van corrosie verdwijnend metaal zich tot roest omzet. De hiermee gepaard gaande spanningsopbouw leidt niet alleen tot het onwrikbaar vast komen te zitten van bouten, maar zal ook tot een wijziging van het aanspanmoment leiden, zal het resterende bout-/rivetmetaal onder spanning zetten, waardoor deze dan weer mogelijk onder vermoeiing of overbelasting kunnen gaan scheuren. De spanningsopbouw kan ook tot een ander type corrosie van bouten, rivetten en/of de door hen verbonden metalen leiden. De naam van dat ander type corrosie? Dat is spanningscorrosie. Het optreden van spanningen op zich is daarbij echter nog niet voldoende om een risico op spanningscorrosie te introduceren. Uiteraard is het een eerste vereiste dat er spanningen zijn (anders zou spanningscorrosie een absurd woord zijn), maar daarnaast is er als tweede factor ook een bepaalde ‘metaal-milieu’ combinatie nodig (bijvoorbeeld roestvast staal met halogenen of bepaalde zwavelhoudende ionen, koper met ammoniak, of klassiek koolstofstaal met carbonaten) en de derde factor betreft de temperatuur.





Voor iedere metaal-milieu combinatie is er een kritisch temperatuurgebied waarbinnen het risico op spanningscorrosie hoger is dan buiten dat temperatuurgebied. Deze drie factoren samen, ‘spanningen’, en de ‘metaal-milieu combinatie’, en de ‘temperatuur’ zullen het risico op spanningscorrosie bepalen. Dat een verhoogde spanning omwille van via spleetcorrosie ontstane roestopbouw tussen bout/rivet en bout-/rivetgat tot een verhoogd risico op spanningscorrosie bij de aanwezigheid van de twee andere factoren leidt, hoeft daarbij geen betoog. Om de corrosierisico’s bij bouten, schroeven en rivetten verder te etaleren, moeten we ook even galvanische corrosie de revue doen passeren. Ik wil daarbij vooral stilstaan bij het scenario waarin de bouten/rivetten uit een andere metaallegering zijn vervaardigd dan de componenten die zij verbinden. Zo is het bij vele technisch geschoolden gekend dat het geen goed idee is om koperen bouten te gebruiken voor het verbinden van koolstofstalen platen. Maar wist u dat het verbinden van duplex roestvast stalen flenzen met austenitisch roestvast stalen bouten evenzeer tot galvanische corrosieproblemen kan leiden?



(bron: istock)

Al zijn het beiden roestvast stalen, hun chemische samenstelling is verschillend en dus is één van de twee de minst edele en degene die zal corroderen. In de combinatie van koper met koolstofstaal is het koolstofstaal veelal de minst edele en dus het metaal dat zal corroderen. Bij de combinatie van duplex en austenitisch roestvast staal is het heel wat moelijker om zonder verdere analyse/evaluatie te bepalen wie de minst edele is en het hoogste corrosierisico loopt. Dat zal op zich immers afhangen van over welke specifieke legeringen we spreken, de omgeving en temperatuur waaraan ze zijn blootgesteld enzoverder. En dan is het uiteraard ook nog mogelijk dat het galvanisch effect van ongelijksoortige verbindingen en andere corrosiemechanismen (zoals bijvoorbeeld spleet- en/of spanningscorrosie) gaan samenspannen om bout of rivet nog wat sneller de pijp aan Maarten te doen geven. In voorgaande heb ik enkele corrosietypes besproken die specifiek bij bout-/rivetverbindingen het meest om de hoek komen kijken, maar uiteraard kunnen bouten en rivetten ook aan diverse andere corrosietypes onderhevig zijn; putcorrosie, intergranulaire corrosie of microbiologisch beïnvloede corrosie om er maar enkele te noemen. Ik moet echter nog wat inspiratie overhouden voor toekomstige bijdrages aan het ALURVS magazine, dus op het corrosievlak ga ik hier even de bout lossen om nog wat ruimte aan een voor bouten, schroeven en rivetten belangrijk slijtagemechanisme te geven.



(bron: istock)


Slijtage
Om maar meteen met de deur in huis te vallen: Hebt u al ooit gehoord van ‘fretting’? Fretting is een slijtagemechanisme dat zich kan voordoen bij connecties die aan substantiële, veelal hoogfrequente trillingen onderhevig zijn. De componenten bewegen daarbij met een amplitude van maximaal 100 micrometer, veelal met een amplitude van 10 micrometer of minder ten opzichte van elkaar. U leest inderdaad ‘micrometer’, een duizendste van een millimeter en dus zijn die onderlinge bewegingen niet visueel waarneembaar. In die beperkte interactiezone kunnen zich klassieke slijtagemechanismen zoals adhesieve en/of abrasieve slijtage voordoen, maar omwille van de hoge trillingsfrequentie, is het vooral de wrijvingswarmte die bij fretting een extra rol gaat spelen. Nu via de herfst de winterperiode terug in aantocht is, kan u alvast beginnen met het oefenen in handen-warm-wrijven. Merkt u ook dat het verwarmend effect pas optreedt als u voldoende snel en met kleine slag de handen tegen elkaar wrijft? Merkt u dan ook dat als u al te enthousiast uw handen warm wrijft er al snel een hersenprikkel ‘oei dat is wat te warm’ opdoemt die u uw verwarmende actie doet staken? Beeldt u dat effect vele malen sterker in. Dat effect van de wrijvingswarmte kan bij aan zeer kleine trillingen onderhevige bout-/rivetverbindingen al snel tot een toename van de slijtagesnelheid, ja zelfs tot oxidatie of, als ander uiterste, tot het lokaal aan elkaar microlassen van componenten leiden. Als u de volgende keer over een brug rijdt, weet dan dat wereldwijd vele bouten en rivetten dagelijks trillen zonder dat u daar vanuit fiets of auto iets van zal merken. En zelfs als ik bij het schrijven van een rapport of artikel even pauze neem en ik mijn computer dus niet zit te betikken, is daar een harde schijf wiens trillingen mijn computer met allerhande onzichtbare trillingen belagen. Het zijn maar enkele voorbeelden om te illustreren dat statische verbindingen niet bestaan en dat inspectie- en onderhoudsprogramma’s er ook rekening mee moeten houden dat bouten en rivetten kunnen – om het met enige vrije woordinterpretatie te schrijven – fretten. Een meer officiële betekenis van het woord ‘fretten’ is ‘eten’ of ‘vreten’. Zoals hiervoor met enkele courante voorbeelden werd geduid, zijn er allerhande schademechanismen die uw bouten, schroeven en rivetten kunnen aanvreten en hun integriteit op het spel kunnen zetten. In het beginstadium en soms zelfs in een vergevorderd stadium gebeurt dat aanvreten in alle verborgenheid, netjes aan het oog onttrokken. Een louter visuele inspectie zal niet volstaan. Specifiek aangepaste inspectie- en onderhoudsprogramma’s zijn nodig als u een indigestie van aangevreten bouten, schroeven en rivetten wil voorkomen.