ISO 21601:2013
(Main)Corrosion of metals and alloys — Guidelines for assessing the significance of stress corrosion cracks detected in service
Corrosion of metals and alloys — Guidelines for assessing the significance of stress corrosion cracks detected in service
ISO 21601:2013 provides guidelines on the appropriate steps to take when a stress corrosion crack has been detected in service and an assessment has to be made of the implications for structural integrity. Such an evaluation should be made in the context of the perceived consequences of failure using appropriate risk-based management methodologies. Since this is application-specific, it is beyond the scope of ISO 21601:2013.
Corrosion des métaux et alliages — Lignes directrices pour évaluer l'importance des fissures de corrosion sous contrainte détectées en service
L'ISO 21601:2013 fournit des lignes directrices sur les mesures à prendre lorsqu'une fissure de corrosion sous contrainte a été détectée en service et qu'une évaluation doit être réalisée sur les implications en matière d'intégrité structurelle. Il convient de réaliser une telle évaluation dans le cadre des conséquences d'une rupture, déterminées au moyen de méthodologies de management du risque appropriées. Cette détermination étant spécifique à l'installation, elle ne fait pas partie du domaine d'application de l'ISO 21601:2013.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21601
First edition
2013-04-01
Corrosion of metals and alloys —
Guidelines for assessing the
significance of stress corrosion cracks
detected in service
Corrosion des métaux et alliages — Lignes directrices pour évaluer
l’importance des fissures de corrosion sous contrainte détectées en
service
Reference number
ISO 21601:2013(E)
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ISO 2013
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ISO 21601:2013(E)
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Published in Switzerland
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ISO 21601:2013(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Principle . 1
4 Characterization of the nature and origin of the crack . 2
5 Definition of service conditions and system history . 2
5.1 Stresses . 2
5.2 Service environment . 3
6 Material characteristics . 4
6.1 Cold work . 4
6.2 Welding . 4
6.3 Ageing . 5
6.4 Microstructural orientation . 5
7 Prediction of K and crack growth rates . 5
ISCC
7.1 K .
ISCC 6
7.2 Prediction of growth rates below K .
ISCC 9
7.3 Crack growth above K .
ISCC 10
7.4 Non-propagating cracks .15
7.5 Probabilistic issues .15
8 Structural integrity assessment .15
9 Modification of service conditions to mitigate crack growth .17
9.1 Temperature change .17
9.2 Reduction of operational stresses .18
9.3 Alteration/more rigorous control of the environment .18
Bibliography .19
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ISO 21601:2013(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International
Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies
casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 21601 was prepared by Technical Committee ISO/TC 156, Corrosion of metals and alloys.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21601:2013(E)
Corrosion of metals and alloys — Guidelines for assessing
the significance of stress corrosion cracks detected in service
1 Scope
This International Standard provides guidelines on the appropriate steps to take when a stress
corrosion crack has been detected in service and an assessment has to be made of the implications for
structural integrity.
Such an evaluation should be made in the context of the perceived consequences of failure using
appropriate risk-based management methodologies. Since this is application-specific, it is beyond the
scope of this International Standard.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 7539-6, Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 6: Preparation and use of
precracked specimens for tests under constant load or constant displacement
ISO 7539-9, Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 9: Preparation and use of pre-
cracked specimens for tests under rising load or rising displacement
3 Principle
When a crack is detected during a scheduled inspection programme, repair will in most cases be initiated
in a relatively short time-scale, by removing the component or by cutting out the damaged section and
re-welding. However, in some circumstances there may be limited opportunity for repair and a pressure
to keep the system in operation until the next extended outage, to minimize lost production. In other
applications, it may be considered that a crack can be tolerated, provided that there is an adequate
framework for predicting the evolution of the crack, defining inspection intervals, and assessing the
likelihood of failure. Such an evaluation may be incorporated with an assessment of the consequences
of failure into a risk-based inspection methodology. The challenges faced in living with the crack for a
short or long period are establishing when the crack started, relating this to service conditions including
transients (i.e. assessing whether the crack would be growing ‘continuously’ or only in response to
specific fluctuations in service conditions), evaluating the mechanical driving force, characterizing
the state of material through which the crack initiated and will propagate, assessing the laboratory
database and translating this to the perceived service operation conditions using fracture mechanics or
other concepts.
Leak before break (LBB) may also need to be evaluated where there is the risk of explosive or catastrophic
failure, but, in practice, stress corrosion is usually detected and repaired for operational reliability reasons.
The purpose of this International Standard is to provide guidance in developing a damage-assessment
process with some guidance on measures to control growth rates.
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ISO 21601:2013(E)
4 Characterization of the nature and origin of the crack
1)
A first step is to develop a complete physical assessment of the crack in terms of identifying its shape
and dimensions (uncertainty in defect size assessment should be noted) as this will feed into any finite
element/fracture mechanics analysis. This should include an assessment of the crack location in relation
to local stress concentrators, welds, crevices (e.g. at fasteners, flanges), and also the details of the crack
path. If more than one crack is present, the crack density and the spacing between the cracks should be
noted in view of possible future coalescence. Also, the state of the surface should be assessed for general
or pitting corrosion damage.
Characterizing the crack as a stress corrosion crack may be possible from visible observation, e.g.
significant crack branching (although extensive branching, albeit possibly beneficial, may preclude
simple stress analysis and warrant removal of the crack). In most cases it is deduced from prior
experience and awareness of the likelihood of other failure modes but recognizing that loading in service
does not usually correspond to the simple static load tests conducted in the laboratory. Thus, there may
be cyclic loading to some degree or dynamic straining associated with transient temperature changes.
In many cases, distinction between a stress corrosion failure mechanism and a hydrogen embrittlement
mechanism may not be possible. Where crack extension and remanent life assessment are the primary
concerns, this may not be a critical issue provided that the laboratory data used for assessment relate to
the particular service conditions. However, mitigation procedures can be contingent upon knowledge of
the cracking mechanism.
Attention should be given to the operational history to assess the extent, if any, of system upsets that
may have contributed to the onset of cracking.
5 Definition of service conditions and system history
5.1 Stresses
5.1.1 Operational stresses
Operational stresses are usually well known from the design process and, in practice, rarely critical
except in the sense of being additive to residual fabrication stresses. However, a word of caution is
needed. These are sometimes higher than they were designed to be due to discrepancies between the
design drawings and the as-manufactured components as a consequence of inadequate control during
manufacture. This can result in higher stresses than intended by designers where changes in section
[1]
occur. For instance, the low pressure (LP) turbine shaft failures at Ferrybridge (1975) occurred
because the radius of the centre-collar stress relief grooves was smaller than the design value as a result
of poor machining.
Other problems can arise if machining score marks are not ground out, causing increased stresses
locally and sites for localized corrosion.
5.1.2 Residual stresses
Residual stress characterization in situ in service may be undertaken by a variety of methods. X-ray
diffraction (XRD) is most commonly used. However, since the depth of material sampled is less than
10 μm, rough surfaces can give misleading results. In situ neutron diffraction methods may be possible
with some relatively portable components but it is expensive. Depth variation of residual stress can be
obtained by incremental hole-drilling but this is destructive, albeit at a local level, and requires repair.
There is more scope for evaluation of removable parts and here XRD and electrochemical polishing can
also be used for depth profiling of residual stress. Non-destructive depth profiling of residual stress
requires access to a synchrotron radiation source and by implication is limited to removable parts. In the
1) Detection of the crack in the first instance may have been by a range of methods including ultrasonic testing,
acoustic emission, visual inspection, dye penetration, electromagnetic and potential drop methods. More detailed
information on crack shape and size may be derived from X-ray tomography, though confined to removable parts
and potentially size limited.
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absence of measurement, the residual stress may be assumed to be at the effective yield strength (taking
into account multi-axial stress state) for the parent material or weld metal, as appropriate, according to
the location. However, the yield stress needs to be carefully evaluated in the light of the work-hardening
capacity of the material and likely extent of local deformation. For critical applications, mock-ups
may be necessary for the evaluation of residual stresses and cold work by X-ray diffraction. Post-weld
heat treatment should relieve residual stress but it may not always be performed fully or adequately.
Hydrotesting of pipes or vessels may also relieve the residual stress, by an amount proportional to the
[2]
applied pressure stress (e.g. Hewerdine et al. ). Since stress corrosion crack growth rates are often
stress intensity factor (K) independent or weakly dependent on K in the Stage II region (see Clause 7)
there may be some latitude in characterizing the residual stress for analysis above K (KISCC: Mode
ISCC
I threshold stress intensity factor for stress corrosion cracking) but recognizing that there will be
uncertainty in calculating the critical flaw size for unstable fracture.
5.1.3 Multi-axial stresses
Multi-axial stresses are usually dealt with by determining the maximum principal tensile stress direction
and assuming that stress corrosion cracks grow perpendicular to that direction. In fact, this is certainly
an oversimplification and remains an area requiring further study. Isolated studies have shown that the
biaxial or triaxial stress state should not be ignored.
5.1.4 Transients (e.g. thermal transients)
The usual concern with thermal transients is that they superimpose a cyclic load on the static stresses,
which may enhance the risk of cracking as described later. In addition, larger thermal transients
typically associated with start-up or shut-down of a plant will introduce significant dynamic loading for
significant periods which again can enhance the risk of cracking (see later).
5.1.5 Corrosion product wedging
Since the oxidized forms of common structural metals occupy a significantly larger volume than the
metal from which they came, possible additional loading due to wedging cannot be ignored in crevices
or growing cracks. In practice, only a few circumstances are known where this is practically important
and usually arises where there is a significant occurrence of crevice corrosion.
5.2 Service environment
5.2.1 General
Intended service environments are normally well characterized (temperature, water chemistry, partial
pressure of gases, total pressure) but lack of operator objectivity as to possible environmental transients
is a serious handicap in many service failure investigations.
5.2.2 Excursions from normal operating conditions
The probability of a leaking condenser, ion-exchange failure, residue from chemical cleaning, cooling
water failure (giving temperature rise), oxygen ingress etc. all require objective assessment and wishful
thinking on the part of plant operators in this respect is a serious handicap to finding practical solutions.
The operational history should be examined carefully to assess the extent to which excursions occurred.
The concern with a transient increase in temperature or change in service environment is that it may
move the system into a domain for activation of stress corrosion cracking (SCC), which would otherwise
not be a concern. Thus, in assessing the significance of a crack, the exposure history should be examined
and the extent of available data for predicting the likelihood of growth and the growth rate at the normal
temperature or chemistry following an excursion evaluated. Often, the data are limited.
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5.2.3 Solution concentration processes — development of local environments (crevice forma-
tion, hideout/evaporation, deposits)
Attention should be given to the existence of crevices that may induce local changes in solution chemistry
and lead to corrosion. These may be the precursors of cracks and need to be considered when assessing
laboratory data or undertaking testing in simulated service environments. Concentration processes due
to hideout/evaporation under heat transfer conditions can be much more powerful than those due to ion
migration. The theoretical limit of concentration can be estimated from the solubility of impurity solutes
at the operating temperature and the local superheat available. A solute will concentrate until it raises
the boiling point, until boiling no longer occurs given the local superheat and system pressure, or until it
reaches its solubility limit if that intervenes beforehand. In the last case, a thin, very concentrated, liquid
layer will form, commonly covered in a blanket of steam (which may not necessarily be better from a
stress corrosion viewpoint).
5.2.4 Corrosion monitoring
Corrosion monitoring can be an important tool in assessing the aggressiveness of the service environment
and is particularly useful when operational conditions fluctuate due to transients in water chemistry or
contamination. If these transients can be identified as the occasions when stress corrosion cracks might
develop and propagate, then a more informed basis for prediction may be generated, based on the number
of damaging cycles, rather than simply the elapsed time of exposure. This may also allow benchmarking of
the onset of initial damage, from the first transient or when a coating or other protective system has failed.
6 Material characteristics
NOTE The first step is to ensure that the material of relevance actually corresponds to that specified at the
design stage. There are a number of factors that may subsequently affect the performance of the material.
6.1 Cold work
Cold work in a material can be introduced during fabrication or in response to surface machining/grinding.
In much laboratory testing, specimens are usually wet-ground to a well-controlled surface finish,
typically with an Ra value less than 1 μm, the primary purpose being to ensure repeatability of data and
avoid any influence of surface cold work. In service, materials are often ground fairly crudely (or indeed
may be supplied with retained cold work from processing). Poorly controlled (abusive) machining can
cause surface overheating. Correspondingly, there may be significant surface stresses, deformation
layers, increased hardness, and the possibility of microstructural transformation (e.g. bainite to
untempered martensite) if the alloy is metastable or metastability is induced by the thermal history.
High dislocation densities and associated short-circuit diffusion pathways can enhance some types of
stress corrosion. For this reason, cracking in service may not be reliably predicted from laboratory tests
without attention to these details.
The uncertainty in prediction is the extent to which cracks initiated in this layer (with gradient in residual
stress and deformation) will continue to propagate once they have grown beyond the cold-worked
region. There are situations in service where non-propagating cracks have been observed but there are
also indications that if the depth of cold work is sufficient the cracks will continue to propagate. A key
aspect will be the residual stress gradient. If this falls off steeply from the surface a crack may initiate
but then cease to propagate because the combination of stress and crack size is not sufficient to attain
the critical value of the stress intensity factor for sustained propagation (see 7.1). If the stress gradient is
more gradual then sustained propagation may ensue. The problem is that characterization of the degree
and depth of cold work in situ may not be straightforward but may be inferred from experience with the
material preparation route.
6.2 Welding
Assuming that radiographic assessment has ensured that there were no physical flaws of significance,
the issue for welded sections as far as propagation of cracks is concerned is primarily in relation to
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residual stress, hardness, and local microstructural and/or microchemical changes, although joint
geometry could have an influence on the mechanical driving force and local environment chemistry.
The concern for welds in relation to the microstructural and microchemical aspects and their impact on
stress corrosion cracking is the possible departure from the weld procedure qualification, with perhaps
too high a heat input and inadequate filler leading to sensitization at grain boundaries or at precipitate
particles, elongated and clustered inclusions and local hard spots. Measuring these characteristics in situ
is a challenge. In principle, electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) can detect sensitization
depending on accessibility. Metallography is feasible for removable parts and similarly eddy current and
Barkhausen noise can detect hard spots but both require surface polishing and are most applicable to
removable parts.
6.3 Ageing
6.3.1 Thermal ageing
Materials operated at high temperature for extended periods can undergo thermal ageing induced
microstructural and microchemical changes that often increase stress corrosion susceptibility.
Common examples include cast stainless steels undergoing spinodal decomposition of the ferrite with
very significant hardening and ageing of precipitation-hardened stainless steels such as 17-4PH. Once
hardness values exceed 350 HV, experience shows that the risk of environmentally induced cracking
in aqueous environments increases and above 400 HV cracking failures are practically guaranteed.
Another problem is thermally induced sensitization of austenitic stainless steels (particularly if the
C-content exceeds 0,03 % and they are not stabilized by Nb or Ti) due to the precipitation of chromium
carbides at the grain boundaries on prolonged service at (or slow cooling through) temperatures in the
range 425 °C (or less for low-temperature sensitization) to 875 °C.
Also, microstructural changes, e.g. in high pressure/intermediate pressure turbine components, can
lead to a deterioration in toughness and hence in the critical flaw size for unstable fracture.
6.3.2 Irradiation damage
Irradiation damage, insofar as it may lead to significant hardening, may have a similar effect to the
thermal ageing described above. Another effect observed in austenitic stainless steels subject to high
neutron irradiation doses exceeding about one displacement per atom is a significant change in grain
boundary composition due to the migration of point defects to sinks such as grain boundaries (as well as
dislocations and free surfaces). The most notable consequence in common austenitic stainless steels is a
reduction in the chromium concentration in a very narrow band about 10 nm wide at grain boundaries
leading to intergranular stress corrosion cracking (ISCC) in oxidizing high-temperature water. It is
sometimes called irradiation-induced sensitization but there are no grain boundary carbides as with
thermally induced sensitization.
6.4 Microstructural orientation
The orientation of the microstructure relative to the principal stresses can influence the evolution of
stress corrosion cracking. This is a particular issue where there is an elongated grain structure and
significant differences in properties between the longitudinal and transverse directions as observed,
for example, in aluminium alloys.
7 Prediction of K and crack growth rates
ISCC
NOTE The complexity of service conditions and the corresponding uncertainty in crack growth kinetics
necessitates a very conservative approach to crack-tolerant philosophies. If the consequences are perceived to
be non-critical, in many cases the most relevant crack growth data may be derived from further monitoring of
the detected crack. This has the virtue also of benchmarking laboratory predictions. The most commonly used
approach is to characterize the K value for the material and to make judgements as to whether the crack is
ISCC
beyond the limit for this threshold.
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7.1 K
ISCC
Clearly, if the detected crack is perceived to be a stress corrosion crack then a threshold has been exceeded.
However, that may be a threshold for initiation from a plain surface, corrosion pit or shallow defect for
which linear elastic fracture mechanics (LEFM) is not applicable (Figure 1). In these cases, K might
ISCC
be better perceived as a threshold for subsequent sustained crack growth (or for crack arrest).
Y
4
5
1 23
X
Key
Y Stress (log)
X Flaw depth (log)
1 Initiation of stress corrosion cracking
2 Shallow cracks
3 Deep cracks
4 K = K
ISCC
5 Stress = σ
SCC
Figure 1 — Schematic diagram of the two-parameter approach to stress corrosion cracking
The concept of K is not trivial and the value is sensitive to the environmental conditions, temperature and
ISCC
loading characteristics. Accordingly, data obtained for one condition should not be transposed to another.
However, K should not be regarded as an intrinsic characteristic of the material as it will depend
ISCC
sensitively on the environment and loading conditions, which should reflect those for the service
application. Also, there may be long-term changes in the material due to exposure that are not reflected
in short-term laboratory tests. The definition implies no sustained crack growth, or crack arrest, below
this value, which intrinsically brings in issues of resolution of the crack size measuring method and the
patience of the experimenter.
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For long cracks, the behaviour is typically as represented in Figure 2, where typical behaviour for a
fatigue crack is shown for comparison.
Y Y1
1
K
p
8
da
dt
P
2
n
5
l
9
7
6
3 4
X
X2
a) Fatigue crack growth b) Stress corrosion crack growth
Key
Y Log (da/dN) Y1 Log (da/dt)
X Log (ΔK) X2 Log (K)
1 Terminal region (C) 6 K = K
ISCC
2 Intermediate region (B) 7 Stage I
3 ΔK = ΔK 8 Stage II (Plateau, p)
th
4 Initial region (A) 9 K = K
Ic
5 K = K
max Ic
Figure 2 — Schematic illustration of typical crack growth behaviour in a) fatigue and b) stress
[3]
corrosion cracking
It is common to conduct K tests under static load conditions and accordingly results unrepresentative
ISCC
of service are often obtained. Structures are seldom subjected to purely static loading and it is well known
that the value of K can be considerably reduced if a dynamic
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21601
Première édition
2013-04-01
Corrosion des métaux et alliages —
Lignes directrices pour évaluer
l’importance des fissures de corrosion
sous contrainte détectées en service
Corrosion of metals and alloys — Guidelines for assessing the
significance of stress corrosion cracks detected in service
Numéro de référence
ISO 21601:2013(F)
©
ISO 2013
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ISO 21601:2013(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2013
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Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
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ISO 21601:2013(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Principe . 1
4 Caractérisation de la nature et de l’origine de la fissure . 2
5 Définition des conditions de service et de l’historique du système .2
5.1 Contraintes . 2
5.2 Environnement de service . 4
6 Caractéristiques du matériau . 5
6.1 Écrouissage . 5
6.2 Soudage . 5
6.3 Vieillissement . 6
6.4 Orientation microstructurale . 6
7 Prévision de K et des vitesses de propagation de fissure . 6
ISCC
7.1 K . 6
ISCC
7.2 Prévision des vitesses de propagation en dessous de K .10
ISCC
7.3 Vitesse de propagation de fissure au-dessus de K .11
ISCC
7.4 Fissures non propageantes.16
7.5 Problèmes probabilistes .16
8 Évaluation de l’intégrité structurelle .17
9 Modification des conditions de service pour limiter la propagation des fissures .20
9.1 Variation de température .20
9.2 Réduction des contraintes en service .20
9.3 Modification ou contrôle plus rigoureux de l’environnement .20
Bibliographie .21
© ISO 2013 – Tous droits réservés iii
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ISO 21601:2013(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives
ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de
Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote.
Leur publication comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 21601 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 156, Corrosion des métaux et alliages.
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NORME INTERNATIONALE ISO 21601:2013(F)
Corrosion des métaux et alliages — Lignes directrices
pour évaluer l’importance des fissures de corrosion sous
contrainte détectées en service
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale fournit des lignes directrices sur les mesures à prendre lorsqu’une
fissure de corrosion sous contrainte a été détectée en service et qu’une évaluation doit être réalisée sur
les implications en matière d’intégrité structurelle.
Il convient de réaliser une telle évaluation dans le cadre des conséquences d’une rupture, déterminées au
moyen de méthodologies de management du risque appropriées. Cette détermination étant spécifique à
l’installation, elle ne fait pas partie du domaine d’application de la présente Norme internationale.
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 7539-6, Corrosion des métaux et alliages — Essais de corrosion sous contrainte — Partie 6: Préparation
et utilisation des éprouvettes préfissurées pour essais sous charge constante ou sous déplacement constant
ISO 7539-9, Corrosion des métaux et alliages — Essais de corrosion sous contrainte — Partie 9: Préparation
et utilisation des éprouvettes préfissurées pour essais sous charge croissante ou sous déplacement croissant
3 Principe
Lorsqu’une fissure est détectée dans le cadre d’une campagne d’inspection programmée, la réparation
est le plus souvent mise en œuvre dans un délai relativement court, en retirant le composant ou en
découpant la partie endommagée et en ressoudant. Cependant, dans certains cas, les possibilités
de réparation peuvent être limitées et il peut y avoir une forte demande de maintenir le système
en exploitation jusqu’au prochain arrêt prolongé, afin de limiter les pertes de production. Dans le
cadre d’autres applications, on peut considérer qu’une fissure peut être tolérée si l’on dispose d’un
ensemble de données adéquat pour prévoir l’évolution de la fissure, définir les intervalles d’inspection
et évaluer la probabilité de défaillance. Une telle évaluation peut faire partie, avec la détermination
des conséquences d’une rupture, d’une méthodologie d’inspection basée sur le risque encouru. Les
difficultés auxquelles on doit faire face lorsque l’on vit avec une fissure pendant une durée plus ou
moins longue sont de déterminer quand la fissure s’est amorcée, de le relier aux conditions de service
en incluant les phénomènes transitoires (c’est-à-dire déterminer si la fissure pourrait se propager en
continu ou uniquement en réponse à des fluctuations spécifiques des conditions de service), d’évaluer la
force mécanique agissante, de caractériser l’état du matériau dans lequel la fissure s’est amorcée et va
se propager, d’évaluer la base de données de laboratoire et d’adapter ces informations aux conditions de
service observées en utilisant la mécanique de la rupture ou un autre concept.
Il peut également être nécessaire d’évaluer la fuite avant rupture (FAR) lorsqu’il y a un risque de
défaillance explosive ou catastrophique mais, dans la pratique, la corrosion sous contrainte est
généralement détectée et réparée pour des raisons de fiabilité opérationnelle.
La présente Norme internationale vise à servir de guide pour l’établissement d’un processus d’évaluation
des dommages et pour les mesures à prendre pour contrôler la vitesse de propagation.
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4 Caractérisation de la nature et de l’origine de la fissure
1)
La première étape consiste à réaliser une évaluation physique complète de la fissure en termes
d’identification de sa forme et de ses dimensions (il convient de noter toute incertitude éventuelle en ce
qui concerne l’évaluation de la taille du défaut) car cette évaluation servira de donnée d’entrée dans toute
analyse basée sur la méthode des éléments finis ou sur la mécanique de la rupture. Il convient que cette
évaluation mentionne l’emplacement de la fissure par rapport aux concentrations locales de contraintes,
aux soudures, aux crevasses (par exemple au niveau des éléments de fixation, des brides), et également les
détails sur le parcours de propagation de la fissure. S’il y a plusieurs fissures, il convient de noter la densité
de fissures et l’espacement entre les fissures en vue de leur future coalescence éventuelle. Il convient
également d’évaluer l’état de la surface en termes d’endommagement par corrosion générale ou par piqûres.
La caractérisation de la fissure comme fissure de corrosion sous contrainte peut être possible par une
observation visuelle, par exemple en cas de ramification importante (malgré le fait qu’une ramification
étendue, bien qu’elle puisse être bénéfique, puisse exclure toute analyse de contrainte simple et garantir
le retrait de la fissure). Dans la plupart des cas, elle est déduite de l’expérience antérieure et de la
connaissance de la probabilité d’autres modes de défaillance, mais en reconnaissant que le chargement
en service ne correspond généralement pas aux essais de charge statique simple réalisés en laboratoire.
Par conséquent, il peut y avoir un chargement cyclique dans une certaine mesure ou une déformation
dynamique associée aux variations transitoires de température. Dans de nombreux cas, il peut être
impossible de faire la distinction entre un mécanisme de défaillance par corrosion sous contrainte et
un mécanisme de fragilisation par l’hydrogène. Lorsque l’évaluation de la propagation de la fissure et
l’évaluation de la durée de vie restante sont les principaux éléments à prendre en considération, cela
peut ne pas constituer un problème critique, à condition que les données de laboratoire utilisées pour
l’évaluation se rapportent aux conditions de service concernées. Toutefois, les modes opératoires de
remédiation peuvent dépendre de la connaissance du mécanisme de fissuration.
Il convient de tenir compte de l’historique opératoire pour évaluer dans quelle mesure, le cas échéant,
les perturbations du système ont pu contribuer à l’apparition de la fissuration.
5 Définition des conditions de service et de l’historique du système
5.1 Contraintes
5.1.1 Contraintes en service
Les contraintes en service sont généralement connues dès le processus de conception et sont rarement
critiques dans la pratique, sauf si elles viennent s’ajouter à des contraintes de fabrication résiduelles.
Toutefois, un avertissement s’impose. Ces dernières sont parfois plus importantes que prévu au moment
de la conception en raison d’écarts entre les schémas de conception et les composants fabriqués suite à
un contrôle inadéquat au cours de la fabrication. De ce fait, les contraintes peuvent être plus élevées que
ce qui était prévu par les concepteurs aux endroits où il y a des changements de section. Par exemple,
[1]
les défaillances de l’arbre de turbine basse pression (BP) à Ferrybridge (1975) se sont produites parce
que le rayon des rainures de relaxation de contraintes du collier central était inférieur à la valeur de
conception suite à un mauvais usinage.
D’autres problèmes peuvent survenir si les marques d’usinage ne sont pas meulées car cela crée
localement une augmentation des contraintes et des sites pour la corrosion localisée.
1) La détection de la fissure peut en premier lieu se faire selon diverses méthodes, notamment par examen par
ultrasons, émission acoustique, inspection visuelle, ressuage ou par des méthodes électromagnétiques et de chute de
potentiel. La tomographie aux rayons X peut être utilisée pour obtenir des informations plus détaillées sur la forme
et les dimensions de la fissure, bien qu’elle s’applique uniquement aux parties amovibles et soit potentiellement
associée à des limites de taille.
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5.1.2 Contraintes résiduelles
La caractérisation des contraintes résiduelles en service in situ peut être réalisée par plusieurs
méthodes. La diffraction des rayons X (DRX) est la plus couramment utilisée. Cependant, comme la
profondeur du matériau échantillonné est inférieure à 10 µm, les surfaces rugueuses peuvent conduire
à des résultats erronés. Les méthodes de diffraction de neutrons in situ peuvent être possibles avec
certains composants relativement portatifs, mais elles sont onéreuses. La variation de la profondeur de
la contrainte résiduelle peut être obtenue par perçage incrémental, mais cette méthode est destructive,
quoique seulement au niveau local, et implique une réparation. Il existe davantage de possibilités pour
évaluer les pièces amovibles et, dans ce cas, la méthode DRX et le polissage électrochimique peuvent
également être employés pour établir le profil en profondeur de la contrainte résiduelle. L’établissement
non destructif du profil en profondeur de la contrainte résiduelle nécessite d’accéder à une source de
rayonnement synchrotron et, par voie de conséquence, il se limite donc aux pièces amovibles. En l’absence
de mesurage, on peut supposer que la contrainte résiduelle a la valeur de la limite d’élasticité réelle (en
prenant en compte l’état de contrainte multiaxial) pour le matériau parent ou le métal d’apport, selon
le cas, en fonction de l’emplacement. Cependant, la limite d’élasticité doit être évaluée avec soin vis-à-
vis de la capacité d’écrouissage du matériau et de l’étendue probable de la déformation locale. Pour des
applications critiques, des maquettes peuvent être nécessaires pour évaluer les contraintes résiduelles
et l’écrouissage par diffraction des rayons X. En principe, le traitement thermique post-soudure libère les
contraintes résiduelles, mais il ne peut pas toujours être réalisé complètement ou de manière appropriée.
L’essai hydraulique des tuyaux ou des récipients peut également libérer les contraintes résiduelles,
dans une mesure proportionnelle à la contrainte de pression appliquée (voir par exemple Hewerdine
[2]
et al. ). Comme les vitesses de propagation des fissures de corrosion sous contrainte sont souvent
indépendantes du facteur d’intensité de contrainte (K) ou faiblement dépendantes de K dans la région
correspondant au stade II (voir l’Article 7), il peut y avoir une certaine latitude dans la caractérisation de
la contrainte résiduelle dans le cas d’une analyse à une valeur supérieure à K (facteur seuil d’intensité
ISCC
de contrainte de fissuration par corrosion sous contrainte, Mode I ), tout en sachant qu’il existera une
incertitude pour le calcul de la taille de défaut critique en cas de rupture instable.
5.1.3 Contraintes multi-axiales
Les contraintes multi-axiales sont généralement traitées en déterminant la direction de la contrainte de
traction principale maximale et en supposant que les fissures de corrosion sous contrainte se propagent
perpendiculairement à cette direction. En fait, il s’agit là d’une simplification extrême et ce sujet nécessite
une étude plus approfondie. Des études isolées ont montré qu’il convient de tenir compte de l’état biaxial
ou triaxial des contraintes.
5.1.4 Phénomènes transitoires (par exemple thermiques)
Le problème généralement rencontré avec les phénomènes transitoires thermiques est le fait qu’ils
superposent une charge cyclique aux contraintes statiques, ce qui peut augmenter le risque de fissuration
comme décrit ci-après. En outre, les phénomènes transitoires thermiques de plus grande ampleur qui
sont généralement associés au démarrage ou à l’arrêt d’une installation introduiront un chargement
dynamique significatif pendant des périodes assez longues, ce qui peut là encore accroître les risques de
fissuration (voir plus bas).
5.1.5 Effet de coincement des produits de corrosion
Étant donné que les formes oxydées des métaux structuraux couramment employés occupent un volume
beaucoup plus important que le métal à partir duquel elles ont été fabriquées, la charge additionnelle
éventuelle due à leur coincement ne peut pas être ignorée pour les crevasses ou les fissures en
développement. Dans la pratique, seuls quelques cas pour lesquels ce phénomène était important ont
été observés et cela s’est généralement produit lorsque la corrosion par crevasse était significative.
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5.2 Environnement de service
5.2.1 Généralités
Les environnements de service prévus sont normalement bien caractérisés (température, chimie de
l’eau, pressions partielles des gaz, pression totale), mais le manque d’objectivité des opérateurs en ce
qui concerne les possibles phénomènes transitoires environnementaux constitue un sérieux handicap
dans le cadre de nombreuses investigations de défaillances en service.
5.2.2 Écarts par rapport aux conditions de fonctionnement normales
Que ce soit pour évaluer la probabilité de fuite d’un condenseur, de défaillance d’un échangeur d’ions,
de présence de résidus après un décapage chimique, de défaillance d’un circuit d’eau de refroidissement
(ce qui conduit à une augmentation de la température), de pénétration d’oxygène, etc., une évaluation
objective est nécessaire et l’optimisme excessif des opérateurs d’installations à ce sujet constitue
un sérieux handicap pour trouver des solutions pratiques. Il convient d’examiner minutieusement
l’historique opératoire pour estimer l’importance de ces écarts.
Le problème qui se pose en cas d’augmentation transitoire de la température ou de variation de
l’environnement de service est que cela peut mettre le système dans une situation déclenchant une
activation de la fissuration par corrosion sous contrainte dont on n’aurait autrement pas à tenir compte.
Par conséquent, lorsque l’on évalue l’importance d’une fissure, il convient d’examiner l’historique
d’exposition et l’étendue des données disponibles pour prévoir la probabilité de propagation et la
vitesse de propagation à la température ou chimie normale après une excursion déterminée. Souvent,
ces données sont limitées.
5.2.3 Processus de concentration de solution – développement d’environnements locaux (for-
mation de crevasses, séquestration/évaporation, dépôts)
Il convient de prêter attention à l’existence de crevasses pouvant induire des changements locaux
au niveau de la chimie et conduire à une corrosion. Ces phénomènes peuvent être des précurseurs
de fissures et sont à prendre en compte lors de l’évaluation des données de laboratoire ou lors de la
réalisation d’essais dans des environnements de service simulés. Les processus de concentration dus aux
phénomènes de séquestration/d’évaporation dans des conditions de transfert thermique peuvent être
beaucoup plus puissants que ceux dus à la migration des ions. La limite théorique de la concentration
peut être estimée à partir de la solubilité des solutés d’impuretés à la température de service et à partir
de la surchauffe locale disponible. Un soluté se concentrera jusqu’à ce qu’il augmente le point d’ébullition,
jusqu’à ce que l’ébullition cesse étant donné la surchauffe locale et la pression du système, ou jusqu’à ce
qu’il atteigne sa limite de solubilité si ce phénomène se produit en premier. Dans ce dernier cas, une fine
couche de liquide très concentré se formera et elle sera en général recouverte d’un voile de vapeur (ce
qui n’est pas nécessairement mieux du point de vue de la corrosion sous contrainte).
5.2.4 Surveillance de la corrosion
La surveillance de la corrosion peut constituer un outil important pour l’évaluation de l’agressivité de
l’environnement de service et elle est particulièrement utile lorsque les conditions de fonctionnement
fluctuent en raison de phénomènes transitoires au niveau de la chimie de l’eau ou de la contamination. Si
ces phénomènes transitoires peuvent être identifiés comme étant à l’origine de l’apparition des fissures
de corrosion sous contrainte et de leur propagation, alors le nombre de cycles d’endommagement, plutôt
que simplement la durée de l’exposition, peut permettre d’obtenir des informations plus pertinentes
pour les prévisions. Cette surveillance peut également permettre d’évaluer l’apparition du dommage
initial, à partir du premier phénomène transitoire ou à partir du moment où un revêtement ou autre
système de protection a été endommagé.
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6 Caractéristiques du matériau
NOTE La première étape consiste à s’assurer que le matériau concerné correspond réellement à celui spécifié
au stade de la conception. Par la suite, un certain nombre de facteurs peuvent affecter les performances du matériau.
6.1 Écrouissage
L’écrouissage d’un matériau peut être introduit au cours de la fabrication ou en réponse à un
usinage/meulage de la surface. Dans la plupart des essais en laboratoire, les éprouvettes sont
généralement meulées à l’eau pour obtenir une finition de surface bien maîtrisée, avec généralement une
valeur de Ra inférieure à 1 µm, le principal objectif étant d’assurer la répétabilité des données et d’éviter
toute influence de l’écrouissage de la surface. En service, les matériaux sont souvent meulés de manière
plutôt grossière (ou ils peuvent être livrés avec un écrouissage résiduel d’élaboration). Un usinage mal
contrôlé (abusif) peut provoquer une surchauffe de la surface. Cela peut induire des contraintes de
surface importantes, des couches de déformation, une augmentation de la dureté et éventuellement une
transformation microstructurale (par exemple bainite en martensite revenue) si l’alliage est métastable
ou si la métastabilité est induite par l’historique thermique. Certains types de corrosion sous contrainte
peuvent être accentués par une forte densité de dislocations et les chemins de court-circuit de diffusion
associés. C’est la raison pour laquelle la fissuration en service ne peut pas être prévue de manière fiable
à partir d’essais en laboratoire sans prêter attention à ces détails.
L’incertitude de la prévision est la mesure dans laquelle les fissures amorcées dans cette couche
(avec un gradient de contrainte résiduelle et de déformation) continueront à se propager lorsqu’elles
auront dépassé la région écrouie. Dans certaines situations en service, des fissures non propageantes
ont été observées, mais des indications montrent également que si la profondeur de l’écrouissage est
suffisante les fissures continueront à se propager. Le gradient de contrainte résiduelle est un aspect
clé. S’il décroît brusquement à partir de la surface, une fissure peut s’amorcer, mais elle cessera de se
propager car la combinaison de contrainte et taille de fissure n’est pas suffisante pour atteindre la
valeur critique du facteur d’intensité de contrainte pour que la propagation se poursuive (voir 7.1). Si
le gradient de contrainte est plus graduel, alors la propagation peut se poursuivre. Le problème est que
la caractérisation du degré et de la profondeur d’écrouissage in situ peut ne pas être simple et de ce fait
être juste déduite de l’expérience en matière de méthode de préparation du matériau.
6.2 Soudage
En supposant qu’un examen radiographique a été réalisé et a permis de s’assurer qu’il n’y avait pas de
défaut physique important, le problème des zones soudées en ce qui concerne la propagation des fissures
est principalement lié à la contrainte résiduelle, à la dureté et aux changements microstructuraux et/ou
microchimiques locaux, bien que la géométrie du joint puisse avoir une influence sur la force mécanique
agissante et la chimie locale de l’environnement.
Le problème rencontré avec les soudures en ce qui concerne les aspects microstructuraux et
microchimiques et leur impact sur la fissuration par corrosion sous contrainte est l’écart possible par
rapport à la qualification du mode opératoire de soudage, par exemple si l’apport de chaleur est trop
important et le métal d’apport inadéquat, ce qui entraîne une sensibilisation au niveau des joints de
grains ou des particules précipitées, des inclusions allongées et regroupées et des points durs locaux.
Le mesurage de ces caractéristiques in situ est difficile. En principe, une réactivation électrochimique
potentiodynamique (REP) permet de détecter la sensibilisation suivant l’accessibilité. La métallographie
est possible pour les pièces amovibles, et les courants de Foucault et le bruit dû à l’effet Barkhausen
permettent de détecter les points durs, mais ces deux méthodes nécessitent un polissage de surface et
sont plutôt applicables aux parties amovibles.
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6.3 Vieillissement
6.3.1 Vieillissement thermique
Les matériaux utilisés à haute température pendant des périodes prolongées peuvent subir des
changements microstructuraux et microchimiques induits par le vieillissement thermique et qui
accentuent souvent la sensibilité à la corrosion sous contrainte. Parmi les exemples courants, on peut
citer les aciers inoxydables moulés qui subissent une décomposition spinodale de la ferrite, avec un
durcissement et un vieillissement très importants des aciers inoxydables durcis par précipitation,
tels que 17-4PH. Lorsque les valeurs de dureté dépassent 350 HV, l’expérience montre que le risque de
fissuration induite par l’environnement dans les environnements aqueux augmente et, au delà de 400 HV,
les ruptures par fissuration sont pratiquement garanties. Un autre problème est la sensibilisation induite
thermiquement des aciers inoxydables austénitiques (en particulier si la teneur en C dépasse 0,03 % et
qu’ils ne sont pas stabilisés par du Nb ou du Ti), due à la précipitation des carbures de chrome aux joints
de grains en cas de service prolongé (ou de refroidissement lent) à des températures comprises entre
425 °C (ou moins en cas de sensibilisation à basse température) et 875 °C.
Des changements microstructuraux, par exemple pour des composants de turb
...
Questions, Comments and Discussion
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