Korrosionsrisse in Edelstahlrohren: Expertenanalyse | MachineMFG

Korrosionsrisse in Rohren aus nichtrostendem Stahl: Experten-Analyse

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Dank seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wird Edelstahl 304 in großem Umfang für Geräte und Teile verwendet, bei denen es auf gute Gesamteigenschaften wie Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit ankommt. Er wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, u. a. in chemischen Anlagen und Druckbehältern.

Weiterführende Lektüre: Rostfreie Stahlsorten

Die Schwefelsäureleitung in einer Düngemittelfabrik verbindet den Auslass (0,82 MPa) der Schwefelsäurepumpe mit dem Reaktor.

Die Pumpe hat eine Fördermenge von 14 m3/h, eine Förderhöhe von 63 m, eine Schwefelsäurekonzentration von 93,5% und arbeitet bei Normaltemperatur.

Die Rohrleitung wurde 2016 ausgetauscht, aber nach zwei Jahren Betrieb kam es zu Flüssigkeitsleckagen an der Schweißnaht des Druckrohrs am Ein- und Auslass der Pumpe sowie am Hochhalsflansch an der Schnittstelle zum Manometer.

Bei der Reinigung und Eindringprüfung der Rohrwand wurden Risse entdeckt (siehe Abb. 1).

Ausgehend von den Originaldaten besteht das Stahlrohr aus Rostfreier Stahl 304hat einen Durchmesser von DN50 und eine Wandstärke von 3,5 mm.

Nach dem Schweißen wurde ein Penetrationstest durchgeführt, der ein zufriedenstellendes Ergebnis erbrachte.

Nach dem Aufschneiden und der Entnahme von Proben aus dem Stahlrohr wurde festgestellt, dass das Sickerwasser im Bereich der Schweißnaht liegt, wo Risse gefunden wurden.

Abb. 1 Rissposition und Morphologie eines Schwefelsäurerohrs

Um die Ursache der Korrosionsrisse zu ermitteln und die Gefahr eines erneuten Auftretens zu verhindern, werden in diesem Artikel die chemische Zusammensetzung, das metallographische Mikroskop und das Rasterelektronenmikroskop des beschädigten Edelstahlrohrs analysiert. Auf diese Weise können wir die Ursache des Ausfalls ermitteln und wirksame Präventivmaßnahmen vorschlagen.

1. Prüfverfahren

(1) Analyse der chemischen Zusammensetzung

Das direkt ablesbare Spektrometer ARL-4460 wird eingesetzt, um die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls und der Schweißnaht des Edelstahlrohrs zu ermitteln, um festzustellen, ob sie den Normanforderungen entsprechen.

(2) Metallographische mikroskopische Analyse

Schneiden Sie bitte eine Probe von der Flüssigkeitseindringstelle ab, wie in Abbildung 1c dargestellt. Die Probe sollte den Grundwerkstoff, die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone umfassen. Führen Sie anschließend Vorschleifen, Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren an der Probe durch.

Verwenden Sie anschließend ein OLYMPUS-GX51 Metallographie-Mikroskop, um alle nicht-metallisch Einschlüsse in der Probe. Dann ätzt man die Probe mit einer wässrigen Eisenchlorid-Salzsäure-Lösung. Schließlich wird das Gefüge der Probe unter dem metallographischen Mikroskop betrachtet (siehe Abbildung 2).

Abb. 2 Metallographische Probe

(3) SEM-Analyse

Mit einer hydraulischen Zange reißen Sie die Probe entlang des Risses und scannen und beobachten dann die Rissoberfläche mit dem Hitachi S-3400 thermischen Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop. Führen Sie anschließend eine Energiespektrumanalyse mit einem EDAX-Energiespektrometer durch.

2. Ergebnisse und Diskussion

(1) Analyse der chemischen Zusammensetzung

Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls und der Schweißnaht eines Edelstahlrohrs.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, liegt die chemische Zusammensetzung des von dem Unternehmen gekauften Edelstahlrohrs sowohl beim Grundwerkstoff als auch beim Schweißgut unter der Norm. Der Gehalt an anderen Elementen entspricht jedoch den Anforderungen der Norm.

Chrom (Cr) ist das wichtigste korrosionsbeständige Element in nichtrostendem Stahl. Wenn der Cr-Gehalt niedrig ist, nimmt die Korrosionsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl ab.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung von nichtrostendem Stahl Rohrmaterialien (Massenanteil (%)

ElementCSiMnPSCrNi
GB/T4237-2015≤0.07≤0.75≤2.00≤0.045≤0.03017.50~19.508.0~10.5
Unedles Metall0.070.390.990.0330.01117.3610.14
Schweißraupe0.070.401.000.0300.01316.8510.03

(2) Metallographische mikroskopische Analyse

Zunächst wurde das Exemplar einer mechanisches Polierenund die Verteilung der nicht-metallischen Einschlüsse wurde unter dem Mikroskop ohne Ätzung beobachtet.

Bei der Beobachtung wurde festgestellt, dass nur wenige nichtmetallische Einschlüsse vorhanden waren, dafür aber einzelne, großformatige Einschlüsse, die als Ds2 eingestuft wurden (siehe Abb. 3a).

Das Vorhandensein nichtmetallischer Einschlüsse kann die Kontinuität der Matrix stören, ihre mechanischen Eigenschaften verschlechtern und ihre Anfälligkeit für Brüche erhöhen.

Nichtmetallische Einschlüsse können auch die Dicke der auf der Oberfläche des Edelstahlsubstrats gebildeten Passivschicht (Oxidschicht) verringern, was zunächst zur Korrosion an der Grenzfläche zwischen den Einschlüssen und dem Substrat führt. Anschließend kann sich die lokale Korrosion an der Grenzfläche auf das Substrat ausdehnen, was zu Lochfraßkorrosion führt.

Darüber hinaus kann das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen die Korngrenzenversprödung fördern und interkristalline KorrosionDadurch wird die Korrosionsbeständigkeit des Materials verringert.

Abb. 3 Mikrostruktur des Probenbruchs nach Korrosion

Die polierte Probe wurde chemisch geätzt, und ihre Struktur wurde mit einem metallographischen Mikroskop untersucht.

Abb. 3b zeigt die mikroskopische Aufnahme des Grundmetalls der Probe. Die Struktur ist einphasig Austenit (mit Zwillingen), wobei keine Anomalien an der Korngrenze festgestellt wurden. Die durchschnittliche Korngröße des Metalls ist Grad 7.

Abb. 3c zeigt das Mikrogefüge der Fusionszone (linke Schweißnaht, rechte Wärmeeinflusszone). Diese Zone weist ein normales Gefüge, eine gute Verschmelzung und keine Risse, Poren oder andere Schweißfehler.

Das metallografische Gefüge wird in der Nähe des Risses (Wärmeeinflusszone beim Schweißen) beobachtet, wie in Abb. 3d dargestellt. Die entlang der Korngrenze verteilten Mikrorisse sind deutlich sichtbar, mit Karbid des Netzwerkkorns Cr, das eine chromarme Zone bildet, wie in Abb. 4 dargestellt.

Ein Chromgehalt (Massenanteil) von mehr als 12% führt zu einem deutlichen Passivierungseffekt, der die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl erheblich verbessert. Ein Chromgehalt von weniger als 12% zerstört den Passivierungszustand, was zu einem Potenzialabfall führt, und der Passivierungszustand verbleibt im Kristall und bildet eine mikrogalvanische Zelle mit einer kleinen Anode (chromarmer Bereich im Korngrenzenbereich) und einer großen Kathode (Matrix). Dies beschleunigt die Korrosion an der Korngrenze.

Die Fällungstemperatur von Cr23C6 Karbid liegt bei 450-850 ℃, was dem Sensibilisierungsbereich von rostfreiem Stahl entspricht. interkristalline Korrosionder auch als gefährlicher Temperaturbereich bezeichnet wird.

Die oben genannten morphologischen Merkmale zeigen, dass es in diesem Bereich nach dem Schweißen zu einer Sensibilisierung kommt, die zu interkristalliner Korrosion in der wärmebeeinflussten Zone der Schweißnaht führt und die interkristalline Korrosionsbeständigkeit der wärmebeeinflussten Zone des Edelstahls verringert. Dies ist einer der Gründe für die Rissbildung in den Edelstahlrohren.

(3) Beobachtung von Frakturen durch Scannen

Legen Sie die bearbeitete Bruchprobe in das Rasterelektronenmikroskop, um eine mikroskopische Beobachtung und Analyse mittels Sekundärelektronenabbildung durchzuführen.

Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, ist der Bruch ungleichmäßig und weist zahlreiche Korrosionsprodukte und Risse auf, die in einem dendritischen Muster verteilt sind.

Die Risse weisen sekundäre Merkmale auf und sind in die Materialmatrix eingedrungen, was auf Spannungsrisskorrosion als Ursache für das Versagen des Materials hinweist. Rostfreier Stahl 304 Rohr.

Nichtrostender Stahl hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, und das Schweißen erzeugt Eigenspannung aufgrund der hohen Temperaturen.

Die Korrosionsmikrorisse im Edelstahlrohr beschleunigen sich unter Eigenspannungwas zu Spannungsrisskorrosion führt.

Abb. 4 REM-Beobachtung der Bruchmorphologie

(4) Analyse des Energiespektrums

Das Energiespektrometer wurde zur Analyse der Korrosionsprodukte auf der Bruchfläche des Edelstahlrohrs verwendet. Abb. 5 zeigt die Ergebnisse der Energiespektrumanalyse.

Aus dem Spektrum der Beugungspeaks geht hervor, dass der Chlorgehalt außergewöhnlich hoch ist, was darauf hindeutet, dass das Edelstahlrohr einer chlorhaltigen Korrosionsumgebung ausgesetzt ist.

Die gerissenen Stahlrohre der Düngemittelfabrik werden im Freien gelagert.

Der Standort der Anlage befindet sich in der Küstenzone, nur 1,1 km von der Küste entfernt, die ein typisches maritimes atmosphärisches Umfeld darstellt.

In Zeiten hoher Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit verdunstet Meerwasser in großen Mengen und erzeugt Salznebel, der zu einer hohen Konzentration von Chloridionen in der Luft führt.

Chloridionenhaltiges Wasser wird an der Außenwand des Edelstahlrohrs adsorbiert und bildet ein korrosives Medium, das das Edelstahlrohr kontinuierlich korrodiert.

Austenitischer rostfreier Stahl bildet unter normalen atmosphärischen Bedingungen von Natur aus eine dichte Passivierungsschicht (Oxidschicht) auf seiner Oberfläche.

Dieser Passivierungsfilm isoliert die Atmosphäre vom direkten Kontakt mit der Edelstahloberfläche und sorgt für eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und einen hervorragenden Schutz.

Selbst wenn die Passivfolie beschädigt ist, kann sie in kurzer Zeit regeneriert und repariert werden.

Chloridionen zerstören jedoch leicht die Passivierungsschicht von austenitischem rostfreiem Stahl, was zur Bildung von Lochfraß oder Grübchen auf der Oberfläche führt und die Korrosion des rostfreien Stahls beschleunigt.

3. Schlussfolgerung

Die Risskorrosion bei Rohren aus nichtrostendem Stahl lässt sich in diesem Fall nicht auf einen einzigen Faktor zurückführen. Vielmehr wird sie durch das Zusammenwirken mehrerer Faktoren verursacht.

(1) Nichtmetallische Einschlüsse können die Integrität des passiven Films auf dem Metalloberflächeund verringern die Korrosionsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl. Daher ist es wichtig, nichtmetallische Einschlüsse unter Stufe 1,5 streng zu kontrollieren.

(2) Der geringe Cr-Gehalt im Grundwerkstoff und im Schweißgut verringert die Kompaktheit der Chrom-Passivschicht auf der Oberfläche des nichtrostenden Stahls. Um die Qualität von Stahlrohren und Schweißmaterialien zu verbessern, sollten die eingehenden Komponenten streng geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht Metallzusammensetzung nicht schwächer ist als das unedle Metall.

Während des Schweißvorgangs sollten die Schweißparameter streng kontrolliert werden, und die Wärmezufuhr beim Schweißen sollte so gering wie möglich sein, um eine Sensibilisierung zu verhindern, die dazu führen kann, dass sich Cr entlang der Korngrenze ausscheidet und Cr23C6die zu interkristalliner Korrosion bei nichtrostendem Stahl führen.

(3) Die chemische Düngemittelfabrik befindet sich in einer maritimen Umgebung, in der der hohe Chloridionengehalt in der Luft, die entsprechende Temperatur und die Feuchtigkeit die Korrosion beschleunigen. Dies führt dazu, dass die Oxidschicht auf der Oberfläche des rostfreien Stahls leicht beschädigt wird, was zu elektrochemischer Korrosion führt.

Korrosionsmikrorisse dehnen sich unter der Wirkung von Eigenspannungen schnell aus und führen zu Spannungsrisskorrosion.

Daher ist es notwendig, die Umgebungsluft auf der Baustelle streng zu kontrollieren und die Salznebelumgebung zu isolieren (z. B. durch Anstriche oder das Aufbringen einer Schutzschicht), um Schäden durch Chloridionen zu vermeiden.

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