Fallstudie: Super-Duplex-Edelstahl-U-Rohre in Wärmetauschern übertreffen 316Ti um das 5-fache der Lebensdauer in rauen Offshore-Umgebungen

Fallstudie: Super-Duplex-Edelstahl-U-Rohre in Wärmetauschern übertreffen 316Ti um das 5-fache der Lebensdauer in rauen Offshore-Umgebungen

Zusammenfassung

Umfassend fünfjährige Feldstudie zur Leistung von Wärmetauschern auf Offshore-Plattformen der Nordsee zeigt, dass super-Duplex-Edelstahl (UNS S32750) U-Rohre eine 5-mal längere Einsatzdauer bieten im Vergleich zu konventionellen 316Ti-Edelstahlrohren in rauen Offshore-Umgebungen. Dieser Leistungsvorteil führt zu erheblichen kosteneinsparungen , weniger Ausfallzeiten und verbesserter Arbeitssicherheit in kritischen Wärmetausanwendungen.

1 Hintergrund und Anwendungskontext

1.1 Offshore-Betriebsumgebung

Die Studie wurde durchgeführt auf sechs Offshore-Plattformen die in der Nordsee betrieben werden und folgende Merkmale aufweisen:

• Chloridreiche Umgebungen : 30.000–35.000 ppm Chloridgehalt

• Temperaturschwankungen : 40–120 °C Betriebstemperaturen

• Hochdruck : 50–200 bar Betriebsdrücke

• Mikrobiologische Aktivität : Sulfatreduzierende Bakterien vorhanden

• Zyklische Belastung : Thermische und Druckschwankungen

1.2 Angaben zu Wärmetauschern

• TYP : Schlauch- und Rohrwärmetauscher

• Service : Kühlung mit Meerwasser auf der Rohrseite, Prozessflüssigkeiten auf der Mantelseite

• Konstruktionsdruck : 60 bar auf der Rohrseite, 40 bar auf der Mantelseite

• Entwurfs Temperatur : 130°C

• Durchflussmengen : 2,5–3,5 m/s Meerwassergeschwindigkeit

2 Werkstoffvergleich

2.1 Werkstoffangaben

Tabelle: Vergleich der chemischen Zusammensetzung (Gewicht %)

2.2 Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Vergleich der mechanischen Eigenschaften

3 Leistungsvergleich und Ausfallanalyse

3.1 Einsatzdauer-Daten

Tabelle: Ergebnisse aus dem Feld

3.2 Analyse der Ausreißmechanismen

316Ti Rohre

• Punktkorrosion : Tiefe Gruben (>2 mm) an Spaltstellen

• Spaltkorrosion : Unterhalb von Ablagerungen und Rohrböden

• Spannungsrisskorrosion : Durch Restspannungen und Chloride

• Mikrobiell beeinflusste Korrosion : Unterhalb bakterieller Ablagerungen

• Erosions-Korrosion : Im Bereich der Einlässe und Bögen

Super-Duplex S32750 Rohre

• Geringe Grübchenbildung : Oberflächliche Gruben (<0,1 mm Tiefe) nach 8+ Jahren

• Keine Risse : Fehlen von Spannungsrisskorrosion

• Geringe Lochfraßkorrosion : Nur kosmetische Angriffe

• Gleichmäßige Korrosionsrate : <0,01 mm/Jahr

4 Ursachenanalyse

4.1 Korrosionswiderstand-Mechanismen

Die überlegene Leistung von Super-Duplex-Edelstahl resultiert aus:

• Höherer PREN-Wert : 40–45 vs. 24–28 für 316Ti

• Zweiphasige Mikrostruktur : Etwa 50:50 Austenit-Ferrit

• Stickstofflegierung : Verbessert die Lochkorrosionsbeständigkeit und Festigkeit

• Chrom- und Molybdängehalt : Hervorragende Passivschichtbildung

• Mikrostrukturelle Stabilität : Widerstand gegen Phasenausscheidung

4.2 Vorteile der mechanischen Leistung

• Höhere Festigkeit : Reduzierte Wanddickenanforderungen

• Bessere Ermüdungsfestigkeit : Verträgt thermisches Zyklen

• Überlegene Erosionsbeständigkeit : Erhält den schützenden Oberflächenfilm aufrecht

• Verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion : Entscheidend für Offshore-Anwendungen

5 Wirtschaftliche Analyse

5.1 Gesamtkosten der Nutzung

*Tabelle: 10-Jahres-Kostenvergleich pro Wärmetauscher*

5,2 Rendite

• Amortisationsdauer : <18 Monate trotz höherer Anfangskosten

• ROI : >400 % über die 10-jährige Nutzungsdauer

• Stillstandsreduktion : 80 % weniger Produktionsunterbrechung

• Wartungskostensenkung : 67 % geringere Wartungskosten

6 Technische Umsetlungsaspekte

6.1 Fertigung und Installation

• Schweißanforderungen : Kontrollierte Wärmezufuhr und Schutzgas

• Rohrausdehnung : Sorgfältige Steuerung, um übermäßige Kaltverformung zu vermeiden

• Reinigungsverfahren : Vermeidung von Eisenkontamination

• Qualitätskontrolle : Stringente NDE-Anforderungen

6.2 Betriebsrichtlinien

• Temperaturbegrenzungen : Maximal 250°C kontinuierlicher Betrieb

• Empfehlungen zur Strömungsgeschwindigkeit : 4–6 m/s Minimum, um Verschmutzung zu vermeiden

• Reinigungshäufigkeit : Verglichen mit 316Ti reduzierte Anforderungen

• Inspektionsintervalle : Verlängert auf 36 Monate gegenüber 12 Monaten

7 Fallbeispiele

7.1 Plattform A - Kühlwasserbetrieb

• Service : Kühlung mit Meerwasser, 45°C, Strömungsgeschwindigkeit 3,2 m/s

• leistungsfähigkeit von 316Ti : Nach 23 Monaten aufgrund von Loch- und Spaltkorrosion ausgefallen

• Leistungsfähigkeit von S32750 : Nach 11 Jahren noch im Einsatz, minimale Wanddickenreduktion

• Einsparungen : 2,8 Millionen US-Dollar an eingesparten Ausfall- und Ersatzkosten

7.2 Plattform B - Prozesskühlung

• Service : Kühlung mit Kohlenwasserstoffen, 95°C, mit H₂S-Bestandteilen

• leistungsfähigkeit von 316Ti : Spannungsrisskorrosion nach 14 Monaten

• Leistungsfähigkeit von S32750 : Keine Degradation nach 9 Jahren Betriebsdauer

• Verbesserung der Sicherheit : Risiko von Prozesslecks eliminiert

8 Branchenimplikationen und Empfehlungen

8.1 Konstruktionsempfehlungen

• Materialauswahl : S32750 für chloridhaltige Umgebungen vorschreiben

• Wanddicke : Kann um 30–40 % reduziert werden aufgrund höherer Festigkeit

• Korrosionszuschlag : Von 3 mm auf 1 mm für S32750 reduzieren

• Inspektionsplanung : Intervalle aufgrund verbesserter Zuverlässigkeit verlängern

8.2 Beschaffungsstrategie

• Kosten der Lebensdauer : Gesamtkosten statt Anfangspreis bewerten

• Lieferantenauswahl : Erfordert angemessene Fertigungszertifizierungen

• Qualitätsprüfung : Umfassende Wareneingangsprüfung durchführen

• Dokumentation : Vollständige Rückverfolgbarkeit und Zertifizierung verlangen

9 Zukunftsperspektiven

9.1 Technologische Entwicklung

• Fortschrittliche Fertigung : Verbesserte Rohrfertigungsverfahren

• Legierungs-Entwicklung : Weitere Verbesserungen der Korrosionsbeständigkeit

• Überwachungstechnologie : Echtzeit-Korrosionsüberwachungssysteme

• Vorhersagende Wartung : KI-basierte Ausfallvorhersagemodelle

9.2 Branchentrends

• Erhöhte Akzeptanz : Zunehmender Einsatz in rauen Umgebungen

• Standardisierung : Einbeziehung in immer mehr Konstruktionsspezifikationen

• Kostenreduzierung : Rückgang der Preisprämie mit steigender Akzeptanz

• Globale Verfügbarkeit : Verbesserter Lieferketten und Verfügbarkeit

10 Schlussfolgerung

Die Felddaten zur Leistungsfähigkeit zeigen eindeutig, dass super-Duplex-Edelstahl UNS S32750 bietet eine wesentlich längere Lebensdauer und geringere Gesamtkosten im Vergleich zu 316Ti in Offshore-Wärmetauschern aufweist. Die fünffache Verbesserung der Lebensdauer führt zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen durch reduzierten Wartungsaufwand, weniger Austauschvorgänge und minimierte Produktionsausfälle.

Für neue Projekte oder Ersatzszenarien in aggressiven Umgebungen, insbesondere solchen mit Chloriden, stellt die Verwendung von Super-Duplex-Edelstahl sowohl eine technische als auch wirtschaftliche Best Practice dar. Die höheren Anfangskosten für das Material amortisieren sich rasch durch deutlich geringere Lebenszykluskosten und verbesserte Betriebssicherheit.

Empfehlung : Super-Duplex-Edelstahl UNS S32750 für alle Wärmetauscheranwendungen in Offshore-Umgebungen vorsehen, insbesondere bei Anwendungen mit Seewasser-Kühlung oder anderen chloridhaltigen Medien.