Kan de staalsoort van een buis achteraf worden onderzocht?
Een achteraf uitgevoerd materiaalonderzoek is echter niet hetzelfde als het herstellen van de oorspronkelijke materiaaltraceerbaarheid. De gemeten materiaaleigenschappen kunnen met een norm worden vergeleken, maar een ontbrekend chargenummer, materiaalcertificaat of oorspronkelijk 3.1-certificaat wordt daarmee niet automatisch vervangen.
Wanneer is achteraf onderzoek van een stalen buis nodig?
De staalsoort en materiaalkwaliteit van een buis worden normaal gesproken tijdens de productie vastgelegd. Op een materiaalcertificaat staan doorgaans de staalsoort, productnorm, chemische samenstelling, mechanische eigenschappen, leveringsconditie en het chargenummer.
Achteraf materiaalonderzoek kan nodig zijn wanneer:
- het staalcertificaat of keuringsdocument ontbreekt;
- het chargenummer niet meer leesbaar is;
- de markering op de buis is verdwenen;
- buizen uit verschillende charges of partijen zijn vermengd;
- twijfel bestaat over de opgegeven materiaalkwaliteit;
- een gebruikte stalen buis opnieuw moet worden beoordeeld;
- een buis zonder certificaat voor hergebruik wordt overwogen;
- de staalsoort vóór het lassen of bewerken moet worden gecontroleerd;
- onbekend staal constructief moet worden toegepast;
- een bestaande funderingsbuis, buispaal of constructiebuis moet worden geïnspecteerd.
De vraag of de staalsoort van een buis achteraf kan worden onderzocht, heeft meestal betrekking op materiaalidentificatie, staalanalyse en kwaliteitscontrole. Welke onderzoeksmethode geschikt is, hangt af van het doel, het vereiste betrouwbaarheidsniveau en de toepassing van de buis.
Wat is een staalsoort?
Een staalsoort is een genormeerde materiaalaanduiding waarmee eisen aan de samenstelling en eigenschappen van staal worden vastgelegd. Bij constructieve stalen buizen komen bijvoorbeeld staalsoorten voor als S235JRH, S275J0H, S355J0H en S355J2H.
De aanduiding S355J2H bestaat uit verschillende onderdelen:
- S staat voor constructiestaal;
- 355 verwijst naar de nominale minimale vloeigrens binnen het toepasselijke diktebereik;
- J2 verwijst naar een kerfslageis van 27 joule bij −20 °C;
- H geeft aan dat de staalsoort bedoeld is voor holle profielen.
De materiaalkwaliteit van een buis wordt niet uitsluitend bepaald door de chemische samenstelling. Ook de vloeigrens, treksterkte, rek, kerfslagtaaiheid, lasbaarheid, productiewijze en leveringsconditie kunnen relevant zijn.
Daarom kan één losse meting meestal niet bewijzen dat een onbekende stalen buis volledig voldoet aan een specifieke staalsoort of productnorm.
Hoe kan de staalsoort van een buis worden onderzocht?
Voor het achteraf bepalen of verifiëren van een staalsoort kan een combinatie van onderzoeksmethoden worden gebruikt. De meest relevante technieken zijn:
- Positive Material Identification;
- XRF-analyse;
- LIBS-analyse;
- optische emissiespectrometrie;
- chemische laboratoriumanalyse;
- hardheidsmeting;
- trekproef;
- kerfslagproef;
- metallografisch onderzoek;
- visuele en maattechnische inspectie.
Voor het sorteren van buizen kan een snelle PMI-meting voldoende zijn. Voor dragende constructies, buispalen, funderingsbuizen, leidingbuizen of andere veiligheidkritische toepassingen is doorgaans uitgebreider materiaalonderzoek nodig.
Chemische samenstelling van staal bepalen
Een belangrijke stap bij het identificeren van staal is het bepalen van de chemische samenstelling. Daarbij wordt gemeten welke legeringselementen in het materiaal aanwezig zijn en in welke concentraties.
Voor ongelegeerd en laaggelegeerd constructiestaal zijn onder meer de volgende elementen relevant:
- koolstof;
- mangaan;
- silicium;
- fosfor;
- zwavel;
- chroom;
- nikkel;
- molybdeen;
- koper;
- aluminium;
- niobium;
- vanadium;
- titanium.
De resultaten van de materiaalanalyse worden vergeleken met de grenswaarden uit de toepasselijke staal- of productnorm. Zo kan worden beoordeeld of de chemische samenstelling past binnen de specificaties van bijvoorbeeld constructiestaal, fijnkorrelig staal of een laaggelegeerde staalsoort.
Een chemische analyse alleen is meestal onvoldoende om onderscheid te maken tussen staalsoorten als S235, S275 en S355. De samenstelling kan gedeeltelijk overlappen, terwijl het belangrijkste onderscheid wordt bepaald door mechanische eigenschappen en productiecondities.
Wat is Positive Material Identification?
Positive Material Identification, afgekort PMI, is een verzamelnaam voor technieken waarmee metaalsoorten en legeringen aan de hand van hun chemische samenstelling worden gecontroleerd.
PMI-onderzoek wordt onder meer gebruikt voor:
- materiaalverificatie;
- controle van inkomende materialen;
- identificatie van onbekend metaal;
- sortering van stalen buizen;
- controle vóór laswerk;
- kwaliteitsborging;
- onderzoek naar materiaalverwisseling;
- verificatie van legeringsstaal en roestvast staal.
PMI is vooral geschikt om te controleren of verschillende buizen chemisch van elkaar afwijken. De betrouwbaarheid hangt af van de analysetechniek, de voorbereiding van het oppervlak en het type staal dat wordt onderzocht.
XRF-analyse van een stalen buis
Bij röntgenfluorescentiespectrometrie, oftewel XRF-analyse, wordt het materiaal met röntgenstraling onderzocht. Een draagbare XRF-analyser kan snel verschillende legeringselementen herkennen.
XRF is vrijwel niet-destructief en wordt veel gebruikt voor het identificeren van roestvast staal, nikkellegeringen, chroom-molybdeenstaal, koperlegeringen en andere hooggelegeerde metaalsoorten.
Voor gewoon koolstofstaal en constructiestaal is XRF beperkter. Koolstof kan met gangbare draagbare XRF-apparatuur doorgaans niet betrouwbaar worden gemeten. Daardoor kan een XRF-meting meestal niet zelfstandig aantonen of een constructiebuis van S235, S275 of S355 is gemaakt.
XRF kan wel helpen om onbekende legeringselementen, materiaalverwisselingen of afwijkende buizen binnen een partij op te sporen.
LIBS-analyse voor materiaalidentificatie
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, afgekort LIBS, gebruikt een laserpuls om een zeer kleine hoeveelheid materiaal aan het oppervlak te verdampen. Het ontstane plasma wordt geanalyseerd om de aanwezige elementen te bepalen.
Draagbare LIBS-apparatuur kan ook lichte elementen meten. Afhankelijk van de apparatuur, kalibratie en meetprocedure kan LIBS informatie geven over het koolstofgehalte van staal.
LIBS is licht destructief, omdat de laser een zeer kleine plaatselijke aantasting veroorzaakt. Voor een betrouwbare meting moet het oppervlak schoon en vrij van roest, verf, walshuid, vet en coatings zijn.
OES-analyse voor koolstofstaal
Voor het nauwkeurig onderzoeken van ongelegeerd en laaggelegeerd staal wordt vaak optische emissiespectrometrie, of OES, toegepast.
Bij vonk-OES wordt een elektrische ontlading opgewekt op een voorbereid metaaloppervlak. Het uitgezonden licht bevat informatie over de aanwezige elementen en hun concentraties.
OES kan onder meer de volgende elementen meten:
- koolstof;
- mangaan;
- silicium;
- fosfor;
- zwavel;
- chroom;
- nikkel;
- molybdeen;
- koper;
- microlegeringselementen.
Doordat OES ook koolstof en andere lichte elementen kan bepalen, is deze techniek doorgaans geschikter dan XRF voor de analyse van constructiestaal.
Bij een verzinkte buis moet de zinklaag lokaal volledig worden verwijderd. Ook verf, corrosie, walshuid en andere oppervlakteverontreinigingen moeten worden weggehaald, zodat daadwerkelijk het basismateriaal wordt gemeten.
Kan een trekproef de staalsoort aantonen?
Met een trekproef worden belangrijke mechanische eigenschappen van staal bepaald. Het gaat onder meer om de vloeigrens, treksterkte, rek na breuk en het vervormingsgedrag.
Voor de proef wordt een proefstuk uit de wand van de stalen buis genomen. Het proefstuk wordt in een trekbank belast totdat het plastisch vervormt en uiteindelijk breekt. Een trekproef is daarom destructief.
De resultaten kunnen worden vergeleken met de eisen voor een vermoedelijke staalsoort. Voor het onderscheid tussen S235, S275 en S355 is vooral de minimale vloeigrens relevant.
Daarbij moet rekening worden gehouden met de wanddikte. De minimaal voorgeschreven vloeigrens kan bij grotere materiaaldikten lager zijn dan de nominale waarde in de staalnaam. De productnorm en de bijbehorende diktetabel zijn daarom bepalend voor de juiste beoordeling.
Ook de positie, richting en afmetingen van het proefstuk hebben invloed op de uitkomst. Het onderzoek moet daarom volgens een geschikte beproevingsnorm worden uitgevoerd.
Kan een hardheidsmeting de staalsoort bepalen?
Een hardheidsmeting bepaalt de weerstand van staal tegen plaatselijke indrukking. Veelgebruikte meetmethoden zijn Brinell, Vickers, Rockwell, UCI en Leeb.
Een hardheidsmeting kan informatie geven over het globale sterkteniveau, lokale verharding, koudvervorming, warmte-inbreng en verschillen tussen buizen of materiaalzones.
De staalsoort kan echter niet uitsluitend aan de hand van één hardheidswaarde worden bepaald. Verschillende staalsoorten kunnen een vergelijkbare hardheid hebben. Ook de microstructuur, leveringstoestand, wanddikte en eerdere bewerkingen beïnvloeden het resultaat.
Een hardheidsmeting is daarom vooral geschikt als aanvullende controlemethode of als snelle vergelijking tussen meerdere stalen buizen.
Kerfslagtaaiheid en JR, J0, J2 en K2
Bij constructiestaalsoorten als S355JRH, S355J0H, S355J2H en S355K2H vormt de kerfslagtaaiheid een belangrijk onderdeel van de materiaalaanduiding.
| Aanduiding | Minimale kerfslagenergie | Beproevingstemperatuur |
|---|---|---|
| JR | 27 joule | +20 °C |
| J0 | 27 joule | 0 °C |
| J2 | 27 joule | −20 °C |
| K2 | 40 joule | −20 °C |
Met een chemische analyse, PMI-test of hardheidsmeting kan niet worden bewezen dat een buis aan een specifieke kerfslageis voldoet. Hiervoor is een Charpy-V-kerfslagproef nodig.
Bij deze proef wordt een gekerfd proefstuk op een voorgeschreven temperatuur gebroken. De geabsorbeerde slagenergie wordt gemeten in joule.
Bij dunwandige buizen is niet altijd voldoende materiaal beschikbaar voor standaardproefstukken. De toepasselijke product- en beproevingsnorm bepaalt of gereduceerde proefstukken mogen worden gebruikt.
Zonder een representatieve kerfslagproef kan daarom niet met zekerheid worden vastgesteld of een onbekende buis S355J0H, S355J2H of S355K2H is.
Metallografisch onderzoek naar de microstructuur
Met metallografisch onderzoek wordt de microstructuur van het staal bestudeerd. Een materiaalmonster wordt geslepen, gepolijst en meestal geëtst voordat het onder een microscoop wordt bekeken.
Metallografie kan informatie geven over:
- korrelgrootte;
- ferriet- en perlietstructuur;
- insluitsels;
- ontkoling;
- warmtebeïnvloede zones;
- lasschade;
- oververhitting;
- scheurvorming;
- mogelijke warmtebehandeling.
De microstructuur kan aanwijzingen geven over de productie- en bewerkingsgeschiedenis van de buis. Toch is een microstructuur doorgaans niet uniek voor één specifieke staalsoort. Metallografie wordt daarom als aanvullend materiaalonderzoek gebruikt.
Kan de productnorm van een buis achteraf worden bepaald?
Een chemische en mechanische overeenkomst met een staalsoort bewijst niet automatisch volgens welke productnorm de buis is geproduceerd.
Constructieve holle profielen kunnen bijvoorbeeld zijn vervaardigd volgens:
- EN 10219 voor koudgevormde gelaste constructieve holle profielen;
- EN 10210 voor warmvervaardigde constructieve holle profielen.
Andere stalen buizen kunnen vallen onder normen voor leidingbuizen, druktoepassingen, offshoreconstructies, watertransport, olie- en gasleidingen, machinebouw of funderingstechniek.
De productnorm stelt niet alleen eisen aan het basismateriaal. Ook toleranties, productiewijze, lasnaad, warmtebehandeling, niet-destructief onderzoek en keuring kunnen onderdeel zijn van de specificatie.
Achteraf materiaalonderzoek kan daarom niet zonder aanvullende gegevens aantonen:
- volgens welke norm de buis is geproduceerd;
- of de volledige partij aan dezelfde eisen voldoet;
- of de lasnaad oorspronkelijk is onderzocht;
- of een hydrostatische proef is uitgevoerd;
- welke productietoleranties zijn toegepast;
- wat de oorspronkelijke leveringsconditie was.
Achteraf onderzoek vervangt geen 3.1-certificaat
Een 3.1-certificaat volgens EN 10204 is een keuringsdocument dat door de producent wordt afgegeven. Hierin verklaart de producent dat de geleverde producten aan de bestelling voldoen en worden specifieke testresultaten van de betreffende keuringseenheid vermeld.
Een extern laboratorium kan achteraf wel een analyserapport, materiaalonderzoeksrapport of beproevingsrapport opstellen. Daarin kunnen onder meer worden vastgelegd:
- de identificatie van de onderzochte buis;
- de locatie van de meetpunten;
- de bemonsteringsmethode;
- de chemische analyse;
- de mechanische testresultaten;
- de gebruikte meetapparatuur;
- de toegepaste normen;
- de vergelijking met een vermoedelijke staalsoort.
Een dergelijk rapport kan aantonen dat de gemeten eigenschappen met bepaalde normeisen overeenkomen. Het herstelt echter niet de oorspronkelijke herkomst, productiehistorie of chargegebonden traceerbaarheid.
De formulering “de onderzochte eigenschappen komen overeen met de getoetste eisen voor S355J2H” is daarom nauwkeuriger dan de onbeperkte verklaring dat de buis aantoonbaar als S355J2H is geproduceerd.
Hoe betrouwbaar is achteraf onderzoek van de staalsoort?
De betrouwbaarheid van achteraf staalonderzoek hangt af van:
- het aantal onderzochte buizen;
- het aantal meetpunten;
- de representativiteit van de monsters;
- de gebruikte analysetechnieken;
- de toestand van het oppervlak;
- de nauwkeurigheid van de apparatuur;
- de toepasselijke staalnorm;
- de beschikbaarheid van oude markeringen of documenten;
- de vraag of de partij homogeen of gemengd is.
Eén OES-meting op één plek zegt alleen iets over de chemische samenstelling van het onderzochte meetpunt. Eén trekproef zegt alleen iets over het onderzochte proefstuk.
Wanneer meerdere buizen zonder traceerbaarheid aanwezig zijn, moet daarom worden vastgesteld of deze waarschijnlijk uit dezelfde charge of productiepartij afkomstig zijn.
Verschillen in diameter, wanddikte, lasnaad, kleur, walshuid, markering, chemische samenstelling en hardheid kunnen wijzen op verschillende herkomsten.
Hoeveel buizen moeten worden getest?
Het benodigde aantal metingen en proefstukken wordt bepaald door het risico, de partijgrootte en de toepassing.
Een onderzoeksplan voor onbekende stalen buizen bevat bij voorkeur:
- een inventarisatie van afmetingen, markeringen en uiterlijke kenmerken;
- een indeling in vermoedelijk homogene partijen;
- meerdere chemische metingen per partij;
- hardheidsmetingen op verschillende buizen;
- mechanische proeven op representatieve proefstukken;
- eventuele kerfslagproeven;
- toetsing aan de juiste norm en wanddikteklasse;
- afspraken over afwijkende meetresultaten.
Voor een tijdelijke niet-dragende toepassing kan een beperkte verificatie soms voldoende zijn. Voor primaire draagconstructies, funderingsbuizen en buispalen is een uitgebreider en projectspecifiek keuringsplan nodig.
Staalsoort onderzoeken bij buispalen en funderingsbuizen
Bij een buispaal, funderingsbuis of stalen draagbuis is de staalsoort slechts één onderdeel van de constructieve beoordeling.
Ook de volgende eigenschappen zijn relevant:
- werkelijke buitendiameter;
- actuele wanddikte;
- resterende doorsnede;
- algemene corrosie;
- putcorrosie;
- ovaliteit;
- deuken;
- scheuren;
- rechtheid;
- lasnaadkwaliteit;
- plaatselijke reparaties;
- vermoeiingsschade;
- lasbaarheid;
- kerfslagtaaiheid;
- belastinggeschiedenis.
Een buis kan chemisch overeenkomen met S355, maar door corrosie, vervorming of scheurvorming toch ongeschikt zijn voor een dragende of funderingstechnische toepassing.
Bij gebruikte buispalen of surplusbuizen moet daarom niet alleen worden gevraagd welke staalsoort de buis heeft, maar ook of de specifieke buis in haar huidige toestand aan de constructieve eisen van het project voldoet.
Lasbaarheid van onbekend staal beoordelen
Bij het lassen van een onbekende stalen buis is de chemische samenstelling belangrijk. Op basis van elementen zoals koolstof, mangaan, chroom, molybdeen, vanadium, nikkel en koper kan een koolstofequivalent worden berekend.
Het koolstofequivalent geeft een indicatie van de lasbaarheid en de gevoeligheid voor koudscheuren. Een hogere waarde kan betekenen dat voorverwarmen, gecontroleerde warmte-inbreng of een aangepaste lasprocedure nodig is.
De exacte beoordeling hangt af van:
- de chemische samenstelling;
- de wanddikte;
- de sterkteklasse;
- het waterstofgehalte van het lasproces;
- de omgevingstemperatuur;
- de warmte-inbreng;
- de opspanning;
- de toegepaste lasmethode.
Een hardheidsmeting of visuele beoordeling alleen is daarom onvoldoende om de lasbaarheid van een onbekende buis vast te stellen.
Overzicht van onderzoeksmethoden
| Onderzoeksmethode | Wat wordt onderzocht? | Geschikt voor staalsoortbepaling? | Belangrijkste beperking |
|---|---|---|---|
| Visuele inspectie | Markering, lasnaad, corrosie en toestand | Alleen ondersteunend | Geen informatie over materiaalsamenstelling |
| XRF-analyse | Zwaardere legeringselementen | Beperkt bij koolstofstaal | Koolstof wordt doorgaans niet gemeten |
| LIBS-analyse | Legeringselementen en mogelijk koolstof | Geschikt voor snelle verificatie | Afhankelijk van kalibratie en oppervlak |
| OES-analyse | Chemische samenstelling inclusief koolstof | Zeer bruikbaar voor constructiestaal | Kleine plaatselijke aantasting |
| Laboratoriumanalyse | Nauwkeurige chemische samenstelling | Zeer bruikbaar | Monstername is meestal destructief |
| Hardheidsmeting | Lokale hardheid en materiaalverschillen | Alleen aanvullend | Geen unieke staalsoortidentificatie |
| Trekproef | Vloeigrens, treksterkte en rek | Nodig voor mechanische verificatie | Destructief |
| Kerfslagproef | Taaiheid bij een voorgeschreven temperatuur | Nodig voor JR-, J0-, J2- en K2-verificatie | Vereist geschikte proefstukken |
| Metallografie | Microstructuur en materiaaltoestand | Alleen aanvullend | Microstructuur is niet uniek |
| Ultrasone wanddiktemeting | Resterende wanddikte | Niet voor staalsoort | Meet geen chemische of mechanische eigenschappen |
| Niet-destructief lasonderzoek | Lasfouten en discontinuïteiten | Niet voor staalsoort | Zegt niets over de materiaalkwaliteit |
Welke methode geeft de meeste zekerheid?
De grootste zekerheid ontstaat door meerdere onderzoekstechnieken te combineren. Voor een onbekende constructiebuis kan dat bestaan uit:
- visuele inspectie en controle van markeringen;
- meting van diameter en wanddikte;
- OES- of laboratoriumanalyse;
- hardheidsmetingen;
- trekproeven;
- kerfslagproeven wanneer een J0-, J2- of K2-kwaliteit moet worden aangetoond;
- metallografisch onderzoek bij twijfel over de materiaaltoestand;
- inspectie van de lasnaad, corrosie en beschadigingen;
- toetsing aan de toepasselijke productnorm.
Op basis van deze combinatie kan vaak met redelijke tot hoge zekerheid worden vastgesteld met welke staalsoort de buis overeenkomt. De uitkomst blijft echter een beoordeling van het onderzochte materiaal en is geen vervanging voor oorspronkelijke fabrieksdocumentatie, een chargenummer of volledige materiaaltraceerbaarheid.
Vragen over de staalsoort of documentatie van een buis?
Wilt u weten welke materiaalgegevens van een stalen buis beschikbaar zijn of welke documentatie bij een partij hoort? Neem dan contact op met Solines voor een technische toelichting.
