Warum bekommen Lagertanks aus austenitischem 316L-Edelstahl Risse? Obwohl 316L-Stahl für seine Langlebigkeit bekannt ist, können unter bestimmten Bedingungen Risse entstehen. Dieser Artikel befasst sich mit den überraschenden Faktoren, die hinter diesen Ausfällen stehen, darunter Spannungsrisskorrosion in alkalischen Umgebungen, der Einfluss von Eigenspannungen durch Schweißen und Kaltbearbeitung sowie Umweltfaktoren. Das Verständnis dieser Gründe ist entscheidend für die Vermeidung künftiger Probleme und die Gewährleistung der Langlebigkeit dieser Tanks. Tauchen Sie ein und erfahren Sie mehr über die detaillierte Analyse und praktische Lösungen für diese kritische technische Herausforderung.
Alkali-induzierte Spannungsrisskorrosion, auch bekannt als "Alkaliversprödung" oder "Alkalirissbildung", ist in zahlreichen Literaturquellen dokumentiert. Die meisten Untersuchungen konzentrieren sich jedoch auf Hochtemperaturbedingungen, während die Alkaliversprödung von nichtrostendem Stahl bei mittleren und niedrigen Temperaturen relativ wenig erforscht ist.
Obwohl Versagen aufgrund von Alkaliversprödung in Umgebungen mit hohen Temperaturen auftreten kann, sind derartige Versagen bei mittleren und niedrigen Temperaturen relativ selten.
In einem inländischen Kernkraftwerk bestand der Speichertank für den Wasserstoffgenerator aus austenitischem Edelstahl 316L und enthielt eine KOH-Lösung mit einem Betriebsdruck von 700-800 kPa. Nach acht Betriebsjahren traten am unteren Ende des Tanks Risse auf.
Eine gründliche physikalische und chemische Untersuchung sowie eine Analyse des Spannungszustands in verschiedenen Bereichen des Tanks wurden durchgeführt, um die Ursache für die Rissbildung zu ermitteln. Auf der Grundlage der Ergebnisse wurden Verbesserungsvorschläge gemacht.
Der Leckagebehälter besteht aus einem Zylinder und einem elliptischen Kopf, die miteinander verschweißt sind. Der Kopf kann in einen geraden und einen gebogenen Teil unterteilt werden, wie in Abbildung 1a dargestellt.
An der Außenwand des Kopfes ist ein durchgehender Riss vorhanden, der sich an der geraden Kante befindet. Das obere Ende des Risses liegt etwa 8 mm von der Schweißnaht entfernt, das untere Ende etwa 13 mm. Die Gesamtlänge des Risses beträgt etwa 5 mm.
Eine Flüssigkeitseindringprüfung des Tanks ergab, dass an der Außenwand des Tanks abgesehen von dem durchgehenden Riss keine weiteren Risse vorhanden waren. Es wurden jedoch mehrere Risse auf beiden Seiten der Innenwand in der Nähe der Schweißnaht entdeckt. Diese Risse umfassten axiale Risse senkrecht zur Schweißnaht und umlaufende Risse parallel zur Schweißnaht, wie in Abbildung 1b dargestellt.
Die axialen Risse traten nur im geraden Abschnitt des Kopfes auf, innerhalb von 13 mm von der Schweißnaht. Sie hatten eine gleichmäßige Verteilung in Umfangsrichtung und waren unterschiedlich lang. Das obere Ende des längeren Risses war 1-2 mm von der Schweißnaht entfernt, während das untere Ende etwa 13 mm entfernt war. Das obere Ende des kürzeren Risses war etwa 4 mm von der Schweißnaht entfernt, während das untere Ende ca. 10 mm entfernt war. Dieser Riss wurde als Riss vom Typ A eingestuft, während der durchgehende Riss ebenfalls als Riss vom Typ A eingestuft wurde.
Die umlaufenden Risse befanden sich auf beiden Seiten der Schweißnaht, 1-3 mm von der Schweißnahtlinie entfernt. Risse auf der Zylinderseite wurden als Risse der Klasse B1 und Risse auf der Kopfseite als Risse der Klasse B2 eingestuft.
Das makroskopische Diagramm der Rissverteilung in dem undichten Tank ist in Abbildung 2 dargestellt.
Die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls von Zylinder und Zylinderkopf wurde mit einem Funken-Direktspektrometer analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass beide chemischen Zusammensetzungen die in der Norm ASTM A473-2017 festgelegten Anforderungen erfüllen.
Aus dem Grundmetall des Tanks und des Kopfes wurden Proben entnommen und unter dem Lichtmikroskop einer metallografischen Untersuchung unterzogen. Das Mikrogefüge des Grundmetalls des Tanks ist in Abbildung 3 dargestellt.
Das Mikrogefüge des Grundmetalls des Fasses besteht aus Austenit mit einem geringen Anteil an geglühten Zwillingen und einer Korngröße der Güteklasse 6. Das Mikrogefüge des Grundmetalls des Kopfes bestand hingegen aus Austenit mit einer erheblichen Menge an Deformationszwillingen und Gleitbändern und einer Korngröße von 3,5.
Mit einem digitalen Vickers-Härteprüfgerät wurde die Härte verschiedener Teile des Tanks gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Härte des Grundmetalls des Fasses und des Kopfes 165 HV bzw. 248 HV betrug.
Die Härte der Schweißnaht, Zylinderseite Wärmeeinflusszoneund die wärmebeeinflusste Zone auf der Kopfseite betrug 171 HV, 188 HV bzw. 165 HV. Die durchschnittliche Dicke der Zylinderseite und der Kopfseite betrug 3,71 mm bzw. 4,24 mm.
Der Zylinder wurde hergestellt aus 316L-Stahl im normalen lösungsgeglühten Zustand. Die Härte von 316L-Stahl ist in der Norm ASTM A473-2017 nicht festgelegt. Nach der Norm für kaltgewalzte Bleche und Bänder aus nichtrostendem Stahl (GB/T 3280-2015) sollte die Härte von 316L-Stahl jedoch 220 HV nicht überschreiten.
Die hohe Härte des Kopfes, die mit dem Vorhandensein einer beträchtlichen Anzahl von Verformungszwillingen und Gleitbändern im Gefüge zusammenhängt, kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass es sich um 316L-Stahl in einem kaltverfestigten Zustand handelt.
1.5.1 Analyse der Rissoberfläche
An der Innenwand des Tanks sind Risse an der Oberfläche der Klasse A und der Klasse B für die Analyse zu beproben. Die Probenahmestelle ist in Abbildung 4 dargestellt.
Nach dem Abflachen, Polieren und Ätzen der Probe mit dem Lichtbogenverfahren wird sie mit einem Lichtmikroskop untersucht. Die mikroskopische Morphologie ist in Abbildung 5 dargestellt.
Es ist offensichtlich, dass beide Rissarten in Richtung der Kristallstruktur auf der Oberfläche verlaufen.
Der mittlere Teil des Risses vom Typ A ist breit, während seine beiden Enden schmal sind.
Die Wärmeeinflusszone auf der Kopfseite weist sowohl eine grobkörnige Zone als auch eine feinkörnige Zone mit einer Gesamtlänge von etwa 4 mm auf.
Die Wärmeeinflusszone auf der Zylinderseite weist nur eine grobkörnige Zone auf, die etwa 0,8 mm lang ist; eine feinkörnige Zone ist nicht vorhanden.
Das unedle Metall auf der Kopfseite weist eine beträchtliche Anzahl von Verformungszwillingen und Gleitbändern auf, die durch starke Verformung und Verzug gekennzeichnet sind. Die statische Rekristallisation erfolgt während der Schweißverfahren aufgrund der Erwärmung.
Infolge der hohen Temperatur in der Nähe der Schweißnaht kommt es nach der Rekristallisation zu einem Kornwachstum, das einen grobkörnigen Bereich bildet.
In dem von der Schweißnaht entfernten Bereich findet nur eine statische Rekristallisation statt, und das Korn wächst nicht, was zu einem feinkörnigen Bereich führt.
Das unedle Metall auf der Zylinderseite befindet sich in einem lösungsgeglühten Zustand mit begrenzter Verformung und Verzerrung und unzureichender rekristallisierender Kraft.
Aufgrund der hohen Temperatur in der Nähe der Schweißnaht findet das Kornwachstum direkt statt und es bildet sich eine grobkörnige Zone.
Da die Temperatur im schweißnahtfernen Bereich niedriger ist als die Kornwachstumstemperatur, findet nur eine Erholung ohne Rekristallisation statt, und es gibt keinen feinkörnigen Bereich wie auf der Kopfseite. Folglich ist es nicht möglich, die Ausdehnung der Wärmeeinflusszone direkt zu bestimmen.
Sowohl der Lauf als auch der Kopf sind aus folgenden Materialien gefertigt Edelstahl 316Lmit ähnlicher Wärmeleitfähigkeit. Die Ausdehnung der Wärmeeinflusszonen auf beiden Seiten der Schweißnaht ist ungefähr gleich.
Aus der Ausdehnung der wärmebeeinflussten Zone auf der Kopfseite lässt sich schließen, dass die Breite der wärmebeeinflussten Zone auf dem Zylinder etwa 4 mm beträgt.
Es ist zu beobachten, dass ein Ende einiger Risse des Typs A in der Wärmeeinflusszone liegt, während das andere Ende im geraden Abschnitt des Kopfes liegt, wobei sich die Mitte im geraden Abschnitt des Kopfes befindet.
Der verbleibende Teil der Risse vom Typ A befindet sich an der geraden Kante des Kopfes.
Alle Risse vom Typ B befinden sich in den Wärmeeinflusszonen auf beiden Seiten der Schweißnaht.
1.5.2 Rissquerschnittsanalyse
In den Abbildungen 6 und 7 sind die Mikrostrukturen der beiden Rissarten in Richtung der Wanddicke dargestellt.
Risse des Typs A verlaufen von der Innenwand zur Außenwand des Tanks, dem Kristall folgend, mit unterschiedlicher Tiefe. Die schweren Teile dieser Risse erstrecken sich fast über die gesamte Wanddicke des Tanks, mit einer gegabelten Rissspitze und einer Korngrenze, die nicht sensibilisiert ist. Sie weisen typische Merkmale der interkristallinen Spannungsrisskorrosion auf.
Risse des Typs B1 und B2 finden sich hauptsächlich in den Wärmeeinflusszonen auf beiden Seiten der Schweißnaht. Diese Risse verlaufen entlang des Korns mit einer gegabelten Rissspitze und einer Korngrenze, die nicht sensibilisiert ist und typische Merkmale der interkristallinen Spannungsrisskorrosion aufweist.
Die Mikrohärte der Risse vom Typ A, B1 und B2 beträgt 242 HV, 171 HV bzw. 157 HV.
Die starke Abnahme der Härte in der Risszone des Typs B2 ist auf das Auftreten statischer Rekristallisation nach der Schweißverfahrender die ursprünglich verformten Austenitkörner umwandelt.
Um weitere Erkenntnisse über die Ursprungsposition des Risses vom Typ A an der Innenwand des Tanks zu gewinnen, wurde die Tiefe des Risses in der Mitte und an beiden Seiten entlang seiner Längsrichtung gemessen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 8 dargestellt.
Der tiefste Teil des Risses in Richtung der Wanddicke befindet sich in der Mitte, was darauf hindeutet, dass der Ursprung des Risses vom Typ A in der Mitte seiner Längsrichtung liegt und sich von der inneren Wandoberfläche zu beiden Seiten erstreckt.
Die Eigenspannung Analyzer wird zur Bewertung der Eigenspannung von Zylinder und Zylinderkopf verwendet, wobei die Schweißnaht als Begrenzung dient. Die Prüfung wird in zwei Richtungen durchgeführt, 0° (parallel zur Schweißnahtrichtung) und 90° (senkrecht zur Schweißnahtrichtung), und die Ergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt.
Die Eigenspannungszonen auf der Zylinderseite bei 0° und 90° liegen etwa 20 mm bzw. 12 mm von der Schweißnahtmittellinie entfernt. Auf der Kopfseite sind die Eigenspannungszonen bei 0° und 90° ca. 17 mm bzw. 15 mm von der Schweißnahtmittellinie entfernt.
Risse des Typs A und des Typs B befinden sich innerhalb der Zugeigenspannungszonen.
Risse des Typs A und des Typs B befinden sich in der Zugeigenspannungszone des Tanks und verlaufen beide entlang der Wanddicke von der Innen- zur Außenwand in Richtung des Kristalls.
Risse des Typs A beginnen im Bereich des Grundmetalls des Kopfes und breiten sich entlang der Oberfläche rechtwinklig zur Schweißnaht auf beiden Seiten aus.
Risse vom Typ B befinden sich in der Wärmeeinflusszone auf beiden Seiten der Schweißnaht und verlaufen parallel zur Schweißnaht entlang der Oberfläche.
Der Kopf wird durch ein Kaltprägeverfahren hergestellt.
Die gerade Kante des Kopfes wird gebildet durch Flanschen die Kante des ursprünglichen Blechs nach innen, was zu einer erheblichen plastischen Verformung und Zugrestspannung führt.
Unter dem anhaltenden Einfluss der anfänglichen Kaltverformungseigenspannung, einer Temperatur von 65-70 °C und den Betriebsbedingungen einer alkalischen KOH-Lösung kommt es zu interkristalliner Spannungsrisskorrosion senkrecht zur Schweißnaht.
Die ursprüngliche Eigenspannung verschwindet durch die Erholung und Rekristallisation der Austenitkörner nach dem Schweißen in der Wärmeeinflusszone.
Die Schweißeigenspannung wird in der Wärmeeinflusszone durch die Abkühlungsschrumpfung der Austenitkörner erzeugt. Diese Spannung verläuft hauptsächlich senkrecht zur Schweißnaht, und unter der anhaltenden Wirkung der Betriebsbedingungen der KOH-Alkalilösung bei 65-70℃ entsteht interkristalline Spannungsrisskorrosion parallel zur Schweißnaht.
Der Rissmechanismus des Tanks lässt sich mit der Theorie der alkalisch induzierten Spannungsrisskorrosion erklären, die auf der Rissbildung durch Membranen beruht.
In der Umgebung der KOH-Lauge bildet sich an der Innenwand des Tanks ein passiver Film, der jedoch unter der hohen Eigenspannung reißt.
Wenn der Passivierungsfilm reißt, bildet er sich nicht sofort wieder auf der Metalloberfläche im Bruchbereich.
Das blanke Metall kommt dann mit der KOH-Lauge in Berührung, und OH- konzentriert sich im Bruchbereich der Oberfläche, was zu einer Reaktion mit dem blanken Metall führt.
Das blanke Metall reagiert mit der konzentrierten Lauge und bildet einen Metalloxidfilm, der jedoch unter Belastung wieder zerbricht, wodurch sich der Passivierungs-Bruch-Zyklus wiederholt und sich der Riss weiter ausdehnt. Schließlich wird der Tank rissig und undicht.
(1) Die umlaufenden und axialen Risse an der Innenwand des Lagertanks werden durch alkalisch induzierte Spannungsrisskorrosion verursacht.
Die Risse in Umfangsrichtung werden hauptsächlich durch Schweißeigenspannungen verursacht, während die axialen Risse hauptsächlich auf Kaltverformungseigenspannungen an der geraden Kante des Kopfes zurückzuführen sind.
(2) Um Umfangsrisse zu vermeiden, ist es wichtig, die Schweißwärme und reduzieren die Schweißeigenspannung.
Um axiale Risse zu vermeiden, sollte nach der Montage ein Spannungsabbauverfahren eingefügt werden. Kaltumformung des Kopfes, um die Eigenspannung der Kaltbearbeitung zu verringern.
(3) Um den sicheren Betrieb der Geräte zu gewährleisten, sollten zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Eindringprüfung während des Betriebs als zusätzlicher Schutz verstärkt werden.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
DE 
EN 
AR 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO