In der Tiefe des Stahls

Werkstofftechnik in der chemischen Industrie

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17.04.2014 Verfügbarkeit und ein sicherer Betrieb: Um dies in chemischen Anlagen zu ermöglichen, bedarf es widerstandsfähiger Werkstoffe. Doch das allein genügt nicht: Werkstoff und spezifischer Einsatzzweck müssen aufeinander abgestimmt sein. Dafür benötigen Betreiber Experten-Know-how und viele Jahre Erfahrung, wie es das Beispiel Duplexstahl zeigt.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Anlagenwerkstoffe müssen angesichts zunehmend komplexer Prozesstechnik und effizienter Produktion immer höhere Anforderungen erfüllen - und stoßen dabei an Belastungsgrenzen.
  • Nicht jeder Fehler im Material ist ohne Weiteres zu erkennen. Ebenso schwierig gestaltet sich unter Umständen die Ursachenforschung.
  • Dienstleister wie der TÜV Süd Chemie Service beraten bei Fragen zu Werkstoffwahl und Korrosionsschutz und übernehmen auch Monitoring-Aufgaben.

Dieser ist in der chemischen Industrie ein gängiger Werkstoff. Aufgrund seiner austenitisch-ferritischen Zusammensetzung gilt er als besonders widerstandsfähig gegenüber Korrosionsangriffen. Und lange bestand die Auffassung, dass er gänzlich unempfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion sei. Was allerdings nicht der Fall ist. In Abhängigkeit von Temperatur und Medium stößt auch Duplexstahl in der Praxis an Belastungsgrenzen,und es kommt zu Spannungsrisskorrosion – zumeist in chloridhaltigen Medien bei erhöhten Temperaturen.

Testen und Beobachten
Deutlich wird Zweierlei: zum einen, wie wichtig es ist, bereits beim Planen chemischer Anlagen möglichst frühzeitig zu ermitteln, welcher Werkstoff am besten für den jeweiligen Einsatzzweck mit seinen spezifischen Bedingungen wie Betriebsmedium und Temperatur ausgelegt ist. Korrosionsversuche geben hier entsprechend Aufschluss. Zudem empfiehlt es sich, Korrosionsproben unter Praxisbedingungen auszulagern, um so weitere Informationen darüber zu erhalten, wie sich der jeweilige Werkstoff tatsächlich verhält. Zum anderen wird deutlich, dass auch während des Betriebs chemischer Anlagen sorgfältiges Korrosionsmonitoring, -versuche und Schadensanalysen sinnvoll sind. Denn nur so können Anwender Aufschluss darüber erhalten, in welchem Zustand sich der Werkstoff tatsächlich befindet. Vor dem Hintergrund in der Praxis zeitweise veränderter Betriebstemperaturen, -drücke und -medien, etwa mit stärker oxidierender Wirkung, sind Beeinträchtigungen des Werkstoffs noch vor Ablauf seiner Lebensdauer nicht auszuschließen. Dies wirkt sich auf die Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen aus.

Spannungsriss-Korrosion
Fallbeispiel Destillationskolonne: Nach zehn Jahren kontinuierlichen Betriebs fiel eine solche Anlage aus. Sie war aus rostfreiem, austenitischem Stahl (1.4571, titanstabilisiert) gefertigt. Der Sumpf der Anlage enthielt eine saure, sauerstofffreie, wässrige Chloridlösung mit stark oxidierenden Zusätzen. Die Temperatur betrug im Sumpfteil der Destillationskolonne 125 und im oberen Teil etwa 90 °C. Das Schadensbild: Verschiedene Bereiche der Zarge waren von Korrosion betroffen. Am stärksten war der Schaden im Sumpf der Kolonne ausgeprägt. Aber auch in höheren Bereichen der Anlage bis etwa 15 m war Korrosion festzustellen. Es handelte sich um Spannungsrisskorrosion. Im Zuge von Laboruntersuchungen ermittelten Experten einen Werkstoff, der besser auf die Anforderungen dieses spezifischen Einsatzzwecks ausgelegt zu sein schien: Duplexstahl (1.4462). Die Anlage wurde aus diesem Werkstoff nachgefertigt. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion noch zu erhöhen, beizten die Experten die Innenoberfläche gezielt abtragend. Anschließend nahmen sie die Anlage wieder in Betrieb.

Chloridlösung greift an
In den Folgejahren wurde die Anlage bei jedem Shutdown auf Korrosionsangriffe untersucht. Fünf Jahre später wurden im Sumpfteil der Kolonne, der in direktem Kontakt zur Chloridlösung stand, Korrosionsschäden festgestellt. Die Blechinnenoberfläche wies ausgeprägte muldenförmige Löcher auf, die Schweißnaht zeigte grabenartige Anfressungen. Daraufhin nahmen Werkstoffexperten eine elektrochemische Untersuchung mit der Lösung aus dem Sumpfteil als Testmedium vor. Bereits bei einer Temperatur von 90 °C bestand eine hohe Wahrscheinlichkeit für Lochkorrosion. Die Destillationskolonne lief mit 125 °C. Vor diesem Hintergrund gingen die Experten davon aus, dass es sich beim vorliegenden Schadensbild um Lochkorrosion handeln müsse, die bis zu einem gewissen Grad zu tolerieren ist. Kommen jedoch zusätzlich Zugspannungen hinzu, kann es zu Spannungsriss-Korrosion kommen und damit zu entscheidenden Beeinträchtigungen.

Sorgfältiges Korrosionsmonitoring

Deshalb überwachten die Verantwortlichen das etwaige Fortschreiten des Korrosionsprozesses während der Folgejahre und dokumentierten die Ergebnisse. Dafür markierten sie  ausgewählte Oberflächenbereiche und übertrugen sie auf eine Folie. In der Zarge wurde die Tiefe der auffälligsten Anfressungen gemessen. Die einzelnen Befunde zur Tiefe und Oberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten verglichen sie miteinander. So konnten die Fachleute feststellen, ob und welche Veränderungen sich in Tiefe und Fläche ergeben hatten. Beides war für die Werkstoffexperten nicht ersichtlich, und so gingen sie davon aus, dass es sich um einen Fall von Lochkorrosion gehandelt hatte. Diese war als einmaliges Ereignis aufgetreten und  seither nicht weiter vorangeschritten, so die Folgerung. Nach vier weiteren Betriebsjahren sollte eine Gasdruckprüfung der Destillationskolonne stattfinden. Zur Sicherheit untersuchten die Experten im Vorfeld einige der auffälligsten grabenartigen Anfressungen an der Bodenrund- und -längsnaht nochmals genauer. Ein Farbeindringtest wurde vorgenommen, der aber ohne klares Ergebnis blieb. Deshalb schliffen die Werkstoffexperten die Oberfläche der Schweißnaht vorsichtig ab und wiederholten den Farb­eindringtest. Nun kamen Risse zum Vorschein, die zuvor nicht zu sehen waren. Sie hatten teilweise fast die gesamte Wand durchdrungen, wie die anschließenden Messungen ergaben.

Metallografische Untersuchung
Im Zuge einer metallografischen Untersuchung anhand herausgetrennter Stücke wurde deutlich: Es lag Spannungsriss-Korrosion vor, die vornehmlich im Austenitkorn verlief. Das unterschiedliche Schadensbild an Blech­innenwand und Schweißnaht war damit zu erklären: Die Phasenanteile des austenitisch-ferritischen Gefüges verlaufen im Blechwerkstoff in Zeilen parallel zur Oberfläche. Es kommt zu einem lediglich flachen, lochartigen Korrosionsangriff, den die ferritische Zeile „ausbremst“. Anders in der Schweißnaht: Dort verlaufen die Phasenanteile senkrecht zur Oberfläche. Gleichzeitig wirken durch das Schweißen bedingte Zugeigenspannungen parallel zur Oberfläche. Die Folge sind Risse in der Schweißnaht, die tief und weit verzweigt in die Austenitkörner eindringen. Zum Teil waren die Risse mit Korrosionsprodukt gefüllt. Deshalb blieb auch der Farbeindringtest zunächst ohne klares Ergebnis. Erst, nachdem die Oberfläche der Schweißnaht abgeschliffen war, zeigte der Test den tatsächlichen Rissbefund an. Betreiber sollten Fälle von Lochkorrosion in Duplexstahl deshalb immer genauer untersuchen, da es sich auch um Spannungsrisskorrosion handeln könnte.

Befund bestätigt
Die Befunde konnten die Werkstoffexperten im Korrosionsversuch anhand von geschliffenen Proben nachstellen. Die beeinträchtigte Komponente wurde aus Titan nachgefertigt, das für diesen spezifischen Einsatzzweck korrosionsbeständiger war. Danach war die Destillationskolonne wieder funktionstauglich. Um komplexe Korrosionsprozesse wie diesen aufdecken zu können, bedarf es eines sorgfältigen Korrosionsmonitorings sowie Erfahrung und Expertise im Bereich Werkstoffe. Die Experten von TÜV Süd Chemie Service stehen in Fragen zu Werkstoffwahl und Korrosionsschutz beratend zur Seite. Zudem übernehmen sie das Korrosionsmonitoring, Schadensanalysen bis hin zum Gutachten. Darüber kann der Dienstleister auf ein eigenes akkreditiertes Korrosionslabor zurückgreifen.

Einen Link zum TÜV Süd Chemie Service finden Sie hier.

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Heftausgabe: Mai 2014

Über den Autor

Dr. Helga Leonhard Werkstoffexpertin des TÜV Süd Chemie Service und Dr. Gernot Grötsch, Werkstoffexperte des TÜV Süd Chemie Service
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