Leitfaden zur Vermeidung von Rissen beim Rohraufweiten von Super-Duplex-Stahl

Leitfaden zur Vermeidung von Rissen beim Rohraufweiten von Super-Duplex-Stahl

Beherrschung der Kunst des Rohrweiterns, ohne die Materialintegrität zu beeinträchtigen

Die Rohraufweitung ist ein kritischer Prozess bei der Herstellung von Wärmetauschern und Kondensatoren, bei dem Rohre mechanisch aufgeweitet werden, um eine dichte Verbindung mit den Rohrblechen zu erzielen. Bei der Verarbeitung von Super-Duplex-Edelstählen – bekannt für ihre außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit – wird dieser Prozess besonders anspruchsvoll. Die Eigenschaften, die diese Werkstoffe so wertvoll machen, führen gleichzeitig dazu, dass sie während der Aufweitung leicht reißen können.

Als Spezialist für Metallbearbeitungsverfahren habe ich erlebt, wie ungeeignete Rohraufweitungstechniken zu kostspieligen Ausfällen bei kritischer Ausrüstung führen können. In diesem Leitfaden erläutern wir praktische Strategien zur Vermeidung von Rissen bei der Rohraufweitung von Super-Duplex-Stahl, um eine zuverlässige Leistung in anspruchsvollen Anwendungen sicherzustellen.

Eigenschaften von Super-Duplex-Stahl verstehen

Superduplex-Edelstähle (wie UNS S32750 und S32760) enthalten etwa 25 % Chrom, 7 % Nickel und 4 % Molybdän sowie eine ausgewogene Mikrostruktur aus Austenit- und Ferritphasen. Diese Zusammensetzung bietet:

• Hohe Festigkeit (ungefähr doppelt so hoch wie bei standardmäßigen austenitischen Edelstählen)

• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit , insbesondere gegenüber Spannungsrißkorrosion durch Chloride

• Gute Erosions- und Abriebfestigkeit

Diese Vorteile bringen jedoch spezifische Herausforderungen beim Rohraufweiten mit sich:

1. Höhere Streckgrenze erfordert größere Aufweitungskräfte

2. Geringere Duktilität im Vergleich zu austenitischen Sorten verringert die Umformbarkeit

3. Neigung zur Kaltverfestigung beschleunigt während der Verformung

4. Phasengleichgewichtsempfindlichkeit kann durch Kaltverfestigung beeinflusst werden

Häufige Ursachen für Rissbildung beim Rohraufweiten

Übermäßiger Rollendruck

Problemmechanismus:
Zu hoher Druck beim Aufweiten mit Walzen erzeugt übermäßige Umfangsspannungen, die die Zugfestigkeit des Materials überschreiten können. Dies ist besonders problematisch bei Super-Duplex-Stählen aufgrund ihrer hohen Festigkeit und begrenzten Duktilität.

Kennzeichnung:
Risse erscheinen typischerweise als Längsspalten in der Rohrwand, oft beginnend an der Innenfläche, wo sich die Spannungen während des Aufweitens konzentrieren.

Unzureichende Prozesskontrolle

Problemmechanismus:
Inkonsistente Aufweiteraten, unzureichende Schmierung oder falsche Ausrichtung der Walzen führen zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung. Aufgrund der Kaltverfestigungseigenschaften von Super-Duplex-Stählen wird das Material mit fortschreitender Verformung zunehmend schwieriger aufzuweiten.

Kennzeichnung:
Zufällige Rissmuster, lokalisierte Dickenabnahme oder Mikrorisse, die unter Vergrößerung sichtbar sind.

Probleme mit dem Materialzustand

Problemmechanismus:
Superduplex-Stähle erfordern eine präzise Wärmebehandlung, um das optimale Austenit-Ferrit-Gleichgewicht beizubehalten. Eine unsachgemäße Glühbehandlung oder Kontamination während vorhergehender Bearbeitungsschritte kann das Material anfällig für Risse während der Aufweitung machen.

Kennzeichnung:
Rissbildung bei niedrigeren als erwarteten Aufweitungsraten oder mit interkristalliner Ausprägung.

Praktische Lösungen für rissfreie Rohraufweitung

1. Optimierte Aufweitparameter

Geregelte Aufweitung:
Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Rohraufweitung liegt in der Kontrolle des Aufweitungsgrads. Begrenzen Sie bei Superduplex-Stählen die Wanddickenreduzierung auf maximal 5-8%berechnen Sie dies anhand der Formel:

Wanddickenreduzierung (%) = [(Anfängliche Wanddicke - Endgültige Wanddicke) / Anfängliche Wanddicke] × 100 

Rollen-Geschwindigkeitsmanagement:
Halten Sie eine gleichmäßige, moderate Rollendrehzahl – typischerweise 150–300 U/min – ein, um einen kontrollierten Materialfluss zu gewährleisten. Höhere Drehzahlen erzeugen übermäßige Wärme und schnelle Kaltverfestigung, während niedrigere Drehzahlen zu ruckartigen Verformungsmustern führen können.

Progressive Expansionsmethode:
Verwenden Sie bei größeren Expansionsanforderungen mehrere Arbeitsgänge mit schrittweiser Erweiterung statt einen einzigen aggressiven Durchlauf. Dieser Ansatz ermöglicht zwischen den Gängen eine Umverteilung der Spannungen und verringert die Auswirkungen der Kaltverfestigung.

2. Fortgeschrittene Werkzeugausrüstung

Gesichtspunkte zur Rollengestaltung:

• Verwendung kegelwalzen mit optimierten Profilen, die speziell für hochfeste Werkstoffe entwickelt wurden

• Wählen Sie rollen mit Hartmetallspitzen für verbesserte Verschleißfestigkeit und gleichbleibende Leistung

• Stellen Sie ordnungsgemäße rollen-zu-Mandrel-Ausrichtung sicher, um eine asymmetrische Belastung zu vermeiden

Werkzeug-Materialverträglichkeit:
Expansionswerkzeuge müssen den hohen Kräften standhalten, die für Super-Duplex-Stähle erforderlich sind, ohne sich zu verformen oder vorzeitig zu verschleißen. Gehärtete Werkzeugstähle mit Oberflächenbehandlungen (wie TiN-Beschichtung) gewährleisten die notwendige Haltbarkeit.

3. Vorbereitung vor der Expansion

Materialprüfung:

• Bestätigen Sie, dass die Materialzertifizierung den Spezifikationen entspricht

• Überprüfen Sie den Wärmebehandlungszustand (typischerweise Lösungsglühen bei 1020–1100 °C, gefolgt von schnellem Abschrecken)

• Härte prüfen (typischerweise 28–32 HRC für Super-Duplex)

Prüfung von Rohr und Rohrblech:

• Innendurchmesser des Rohrs und Bohrungsmaße des Rohrblechs messen, um ausreichenden Spielraum sicherzustellen

• Überprüfen, ob die Härte des Rohrblechs mit dem Rohrmaterial kompatibel ist

• Alle Oberflächen reinigen, um Verunreinigungen zu entfernen, die Kaltverschweißung verursachen könnten

Schmierstrategie:
Hochleistungsschmierstoffe verwenden, die speziell für rostfreie Stähle formuliert sind. Der Schmierstoff muss:

• Extremen Druck aushalten, ohne zu zerfallen

• Metall-auf-Metall-Kontakt und Kaltverschweißung verhindern

• Mit nachfolgenden Reinigungsverfahren verträglich sein

• Hinterlässt keine Rückstände, die Korrosion fördern könnten

4. Verfahrensüberwachungstechniken

Drehmomentüberwachung:
Überwachen Sie das Drehmoment des Expansionsmotors während des Prozesses. Ein plötzlicher Anstieg des Drehmoments deutet oft auf übermäßige Kaltverfestigung oder ein bevorstehendes Reißen hin. Erstellen Sie Referenzdrehmomentwerte für akzeptable Expansionen und setzen Sie Alarme bei Abweichungen.

Wanddickenmessung des Rohrs:
Verwenden Sie Ultraschall-Dickenmessung, um sicherzustellen, dass die Wandverdünnung an mehreren Stellen um den Umfang herum innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.

Kontrolle der Expansionslänge:
Stellen Sie sicher, dass die erweiterte Länge den Konstruktionsanforderungen entspricht, ohne in nicht unterstützte Bereiche hinein zu expandieren. Verwenden Sie Werkzeuge mit positiven Anschlägen, um eine übermäßige Eindringtiefe zu verhindern.

Besondere Hinweise für Super-Duplex-Stähle

Behandlung der Kaltverfestigung

Superduplex-Stähle verfestigen sich bei Verformung schnell durch Kaltverfestigung. Um dem entgegenzuwirken:

1. Minimieren Sie die Verweilzeit in der aufgeweiteten Position

2. Vermeiden Sie wiederholte Aufweitung-Schrumpfungs-Zyklen an derselben Stelle

3. Verwenden Sie eine kontinuierliche, gleichmäßige Bewegung ohne Zögern während des Rollenzurückzugs

Temperaturauswirkungen

Während die meisten Rohraufweitungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden, berücksichtigen Sie folgende Faktoren:

• Wärmeerzeugung während der Aufweitung kann die Temperatur lokal ansteigen – überwachen Sie eine übermäßige Erwärmung

• Für Anwendungen, bei denen aufgeweitete Verbindungen bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind, konsultieren Sie Materialspezialisten für temperaturspezifische Parameter

• Niemals externe Wärme zur Unterstützung der Ausdehnung anwenden, es sei denn, dies wurde ausdrücklich von der Werkstofftechnik genehmigt

Qualitätssicherung und Prüfverfahren

Zerstörungsfreie Prüfung (NDT)

Sichtprüfung:
Überprüfen Sie die aufgeweiteten Rohrenden auf Anzeichen von Rissen, Einreißungen oder Oberflächenfehlern, ggf. unter Verwendung einer Vergrößerung.

Farbeindringprüfung:
Führen Sie eine Eindringprüfung durch, um Mikrorisse zu erkennen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Dies ist besonders wichtig bei sicherheitskritischen Anwendungen.

Wirbelstromprüfung:
Wenden Sie Wirbelstromverfahren an, um Unterflächenfehler zu erkennen und die Gleichmäßigkeit der Aufweitung zu überprüfen.

Dimensionsprüfung

Zugfestigkeit des Rohrs:
Führen Sie zerstörende Prüfungen an Stichprobenverbindungen durch, um sicherzustellen, dass die Verbindungsfestigkeit die konstruktiven Anforderungen erfüllt.

Verformung der Rohrblechplatte:
Überwachen Sie die Verformung des Rohrblechs während der Aufweitung, da eine übermäßige Verformung benachbarte Rohre und die gesamte strukturelle Integrität beeinträchtigen kann.

Fehlerbehebung von häufigen Problemen

Problem: Springt bei bestimmten Expansionsprozenten regelmäßig

Lösung:

• Ziel-Expansionsprozentsatz um 1–2 % reduzieren

• Materialzertifizierung und Wärmebehandlung überprüfen

• Auf Materialverunreinigung oder unsachgemäße Lagerung prüfen

Problem: Kaltverschweißung oder Materialabtrag an den Walzen

Lösung:

• Schmierstoffauftrag verbessern

• Expansionsgeschwindigkeit verringern

• Werkstoff und Oberflächenzustand der Walzen überprüfen

• Härteverträglichkeit von Rohr und Rohrblech prüfen

Problem: Unregelmäßige Expansionsmuster

Lösung:

• Prüfen Sie die Ausrichtung und den Verschleiß der Walzen

• Überprüfen Sie die Konzentrizität des Rohrs vor dem Aufweiten

• Prüfen Sie Abweichungen bei den Bohrungsmaßen der Rohrplatte

• Stellen Sie eine gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeit der Walzen sicher

Fortgeschrittene Techniken für kritische Anwendungen

Hydraulischer Ausbau

Für anspruchsvollste Anwendungen sollten hydraulische Aufweitverfahren in Betracht gezogen werden, die folgende Vorteile bieten:

• Gleichmäßigere Spannungsverteilung rund um den Umfang

• Bessere Kontrolle des Aufweitvorgangs

• Verminderte Kaltverfestigungseffekte

• Fähigkeit, dickwandigere Rohre zu erweitern

Hybride Erweiterungsverfahren

Kombination von Roll- und hydraulischer Expansion, wo:

• Die initiale Rollexpansion sorgt für die richtige Positionierung

• Die nachfolgende hydraulische Expansion vervollständigt die Dichtung mit minimalem Kaltumformgrad

Fazit

Das erfolgreiche Erweitern von Super-Duplex-Stahlrohren ohne Rissbildung erfordert ein Verständnis der besonderen Materialeigenschaften und die Anwendung präziser Prozesskontrollen. Die Schlüsselelemente umfassen:

1. Beachtung der Materialeinschränkungen bezüglich Duktilität und Kaltverfestigung

2. Anwendung kontrollierter Expansionsparameter mit angemessenen Sicherheitsmargen

3. Unter Verwendung geeigneter Werkzeuge und Schmierung speziell geeignet für hochfeste Werkstoffe

4. Einhaltung einer strengen Qualitätskontrolle während des gesamten Prozesses

Beachten Sie, dass die Vorbeugung bei der Bearbeitung von Super-Duplex-Stählen immer kostengünstiger ist als die Reparatur. Die investierte Zeit in ordnungsgemäße Vorbereitung, Parameterentwicklung und Schulung des Personals wird sich durch geringere Ausschussraten, verbesserte Anlagenzuverlässigkeit und erhöhte Sicherheit deutlich auszahlen.

Bei neuen Anwendungen oder bei anhaltenden Problemen zögern Sie nicht, Materiallieferanten oder Hersteller von Expansionswerkzeugen mit spezifischer Erfahrung im Umgang mit Super-Duplex-Werkstoffen zu konsultieren. Ihre spezialisierte Expertise kann dabei helfen, Probleme zu beheben, die mit Standardverfahren nicht lösbar sind.