Breuk van een roestvaststalen opslagtank

Een geïsoleerde roestvaststalen opslagtank voor warm water met een inhoud van 20.000 liter begaf het na vijf jaar dienst te heben gedaan, als gevolg van het uitbreken van een deel van de wand in de nabijheid van de tankbodem. Bij nader onderzoek werden er diverse scheuren in de buitenste tankwand aangetroffen.

Ir. A.J. Schornagel

De bedrijfsspanningen en restspanningen, als gevolg van het fabricageproces, veroorzaken in het buitenoppervlak van de tank trekspanningen en aan het binnenoppervlak drukspanningen. Er ontstonden na verloop van tijd scheuren in het buitenoppervlak. Wederom na verloop van enige tijd braken spanningscorrosiescheuren door naar het binnenoppervlak, die eerst lekkage veroorzaakten en ten slotte leidden tot breuk van de tank. Warm leidingwater met een temperatuur van 80°C wordt aan de bovenkant in de tank geleid en na enige tijd via de onderkant weer afgevoerd. De isolatie van de tank bestaat uit zwart isolatieschuim. De staische druk die de tank van het opgeslagen water ondervindt bedraagt ongeveer 8750 kPa in radiale richting. De radiale spanningen door het buigen van de platen waaruit de tank is opgebouwd, liggen ruim boven de rekgrens van het gebruikte staal. De uiteindelijk aanwezige fabricagespanningen in de tank hangen af van de klemspanningen die zijn gebruikt tijdens het lassen en die zijn niet te bepalen. Verder is de tank onderhevig aan vrij constante trillingen die gepaard gaan met het in- en uitstromen van het water.

Aard van de schade

Maar ook elders op het tankoppervlak werd doordringen van vocht naar buiten waargenomen alsmede de aanwezigheid van scheuren, vooral rondom het uitgebroken gedeelte.

Uiterlijke kenmerken

De breuk ziet er op het eerste gezicht bros uit, dat wil zeggen er is vrijwel geen sprake van plastische vervorming. Het uitwendig oppervlak vertoont scheuren (zie afbeelding 1). De scheuren doen zich niet voor ter plaatse van lasnaden. Het uitwendig oppervlak is hier en daar bedekt met een roodbruine neerslag die veel weg heeft van roest. Ten slotte zijn er nog witte neerslagen te zien, die kennelijk het gevolg zijn van naar buiten gelekt water uit de tank.


Afbeelding 1 Buitenoppervlak tank; scheuren en bruine en witte neerslag.

Afbeedling 2 REM opname bruine neerslag.

Scanning-elektronenmicroscopie

Er zijn verscheidene breukvlakken onderzocht met behulp van de raster-elektronenmicroscoop, hetgeen vergezeld ging van energie dispersieve spectrometrie (EDS). De breukvlakken gaven op het eerste gezicht weinig informatie los, omdat ze waren bedekt met een afzetting van corrosieproducten (zie afbeelding 2) en bij een sterkere vergroting zie afbeelding 3.
EDS-analyse van dit corrosieproduct toonde de aanwezigheid aan van de elementen zuurstof en chloor (zie afbeelding 4 ).
Verder werden met EDS-analyse van het gereinigde scheurflankoppervlak de elementen chroom en ijzer aangetoond. Monsters van de witte minerale neerslag en van het zwarte schuim zijn eveneens geanalyseerd. De witte neerslag bevat een aanzienlijke hoeveelheid calcium, dat kennelijk is achtergebleven nadat naar buiten
gelekt water is verdampt. Het zwarte schuim bevat een hoog gehalte aan chloor, aluminium, koolstof en zuurstof en een geringere hoeveelheid zink. De schuimisolatie moet dus worden gezien als bron van de chloride-ionen, die verantwoordelijk zijn voor de scheurvormende spanningscorrosie aan het buitenoppervlak van de tank.


Afbeelding 3 REM-opname van afbeelding 2 bij sterkere vergroting.


Afbeelding 4 EDS-profiel van bruine neerslag.
 

Metallografisch onderzoek

Het buitenoppervlak en een dwarsdoorsnede van de tankwand zijn geprepareerd voor metallografisch onderzoek van de scheur en van de microstructuur. Afbeelding 5 toont een dwarsdoorsnede in ongeëtste toestand. Er is sprake van uitgebreide scheuring, die zich als rivieren vertakken. Het scheurverloop is transkristallijn van aard. Verder is te zien dat de scheuren ontspringen op de bodem van putten in het buitenoppervlak.
Afbeelding 6 toont een dwarsdoorsnede in geëtste toestand. Er is sprake van gegloeide structuur met korrels die geen voorkeursrichting vertonen. Wel zijn nog de deformatielijnen te zien die het gevolg zijn van de walsbehandeling die het plaatstaal heeft ondergaan. Die zijn door de gloeibehandeling niet volledig weggenomen; er heerst dus nog een bepaalde inwendige spanningstoestand. Korte zijtakken van de scheuren hebben de neiging om zich in de richting van de deformatielijnen voort te planten (zie afbeelding 7). De korrels vertonen geen afzettingen van chroomcarbiden op de korrelgrenzen. Bepaling van de hardheid van het staalleverde een waarde van HRB 86. Een dergelijke hardheidswaarde is normaal voor AISI
304 in de spanningsarmgegloeide toestand (de maximumwaarde ligt bij HRB 92).


Afbeelding 5 Scheurverloop vanaf buitenoppervlak tank.


Afbeeding 6 Microstructuur plaatstaaltank met daarop nog de deformatielijnen ten gevolge van het lasproces dat de platen hebben ondergaan.


Afbeelding 7 Detail van afbeelding 6 waarop het zijdelings vertakken van de scheuren evenwijdig aan de deformatielijnen is te zien.

Scheurvormende spanningscorrosie

Er moet voor het optreden van scheurvormende spanningscorrosie worden voldaan aan drie voorwaarden:
- een materiaalspecifiek milieu;
- voldoende hoge mechanische trekspanningen;
- een gevoelig materiaal.
In het voorliggende geval wordt aan alledrie de voorwaarden voldaan, hetgeen leidt tot de gevolgtrekking dat de tank is gesneuveld als gevolg van transkristallijn verlopende scheurvormende spanningscorrosie. Van austenitisch roestvast staal is bekend dat het gevoelig is voor scheurvormende spanningscorrosie in waterige chloridehoudende oplossingen, zeker bij temperaturen boven ongeveer 60°C.

Navraag bij de bedrijfsvoerders leerde dat de tank weleens overliep, zodat er water in de isolatie terecht kon komen. Het water spoelde in de isolatie aanwezige chloride-ionen uit waardoor het agressieve milieu kon ontstaan. Transkristallijne scheurvormende spanningscorrosie in waterige chloridehoudende milieus, kan al ontstaan bij betrekkelijk lage trekspanningen. Hier werden de trekspanningen geleverd door het walsproces van de roestvaststaalplaten. Na fabricage bevindt de tank zich in een spanningsevenwicht van trekspanningen in vezels van het buitenoppervlak, die worden gecompenseerd door drukspanningen in de vezels van het binnenoppervlak. De scheuren ontstaan aan het buitenoppervlak onder invloed van een agressief milieu en trekspanningen. Deze scheuren groeien uit tot in het gebied waar drukspanningen heersen en stoppen daar voorlopig. Maar omdat er zich steeds meer scheuren vormen en uitgroeien, doet zich een herverdeling voor van de spanningen, waardoor de drukspanningen zich steeds verder naar het binnenoppervlak verplaatsen en ten slotte verdwijnen, waardoor de reeds bestaande scheuren verder kunnen uitgroeien tot aan het binnenoppervlak van de tankwand. Het uiteindelijke resultaat is een doorlopend netwerk van scheuren van buiten- tot binnenwand, waardoor er lekkage kan optreden en er zelfs een deel van de wand kan uitbreken.

Conclusie

 
De tank heeft het begeven als gevolg van een kettingreactie die werd ingeleid door overlopen van water bij het vullen. Hierna waren alle voorwaarden aanwezig voor het op gang komen van transkristallijne spanningscorrosie.

Aanbevelingen

Hoewel austenitisch roestvast staal van het type 304 redelijk gevoelig is voor spanningscorrosie kan het toch met succes worden toegepast voor de boven geschetste doeleinden. Men had echter moeten en kunnen voorzien dat de bedrijfsvoering lang niet altijd even nauwgezet wordt uitgevoerd als wenselijk zou zijn. Er moet dus een veiligheid worden ingebouwd. Het af en toe overlopen is niet absoluut te vermijden, de aanwezigheid van chloriden echter wel. Door een isolatiemateriaal te kiezen dat gegarandeerd vrij is van chloriden kan voornoemde schade worden voorkomen.