Warum ist mein Duplex-Stahlrohr ausgefallen? Ein Blick auf häufige Probleme und Vorbeugemaßnahmen

Warum ist mein Duplex-Stahlrohr ausgefallen? Ein Blick auf häufige Probleme und Vorbeugemaßnahmen

Duplex-Edelstähle versprechen das Beste aus beiden Welten: die Festigkeit von ferritischen Stählen und die Korrosionsbeständigkeit von austenitischen Sorten. Doch wenn Ausfälle auftreten, liegen sie oft an Fehlverständnissen darüber, was diese Materialien aushalten können – und was nicht. Wenn Sie einen Ausfall eines Duplex-Rohrs untersuchen, stehen Sie vermutlich vor einem dieser häufigen, aber vermeidbaren Probleme.

Das Versprechen von Duplex: Wo Erwartungen auf Realität treffen

Duplex-Edelstähle (2205, UNS S32205/S31803) bieten überzeugende Spezifikationen:

• Fließgrenze etwa die doppelte Festigkeit im Vergleich zu den Edelstählen 304/316

• Hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion durch Chloride (SCC)

• Gute Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion mit PREN-Werten von 35–40

• Günstige Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit eigenschaften

Diese Vorteile bringen jedoch eine besondere Empfindlichkeit gegenüber Verarbeitungs- und Betriebsbedingungen mit sich, die viele Konstrukteure und Fertiger übersehen, bis es zu Ausfällen kommt.

Häufige Versagensmechanismen und ihre charakteristischen Anzeichen

1. Spannungsrisskorrosion durch Chloride (SCC)

Obwohl Duplex-Stähle im Vergleich zu austenitischen Sorten eine bessere SCC-Beständigkeit aufweisen, sind sie nicht immun:

Versagensszenario:
Ein Rohrleitungssystem aus Duplex-Stahl 2205 in einer chemischen Anlage fiel bereits nach 8 Monaten beim Einsatz in chloridhaltigem Kühlwasser bei 85 °C aus. Die Risse breiteten sich von der Außenoberfläche aus in Bereichen mit Zugspannung aus.

Analyse der Ursachen:

• Chloridgehalt: 15.000 ppm

• Temperatur: Dauerhaft über 80 °C

• Restspannungen aus dem Schweißprozess nicht abgebaut

• Kritischer Befund : Obwohl Duplex-Stahl SCC besser widersteht als 304/316, überschreitet er definierte Temperaturgrenzen

Kennzeichnung:

• Verzweigte transkristalline Risse unter dem Mikroskop sichtbar

• Rissbildung beginnt typischerweise an Muldenstellen oder Spannungskonzentratoren

• Tritt häufig in wärmebeeinflussten Zonen (HAZ) von Schweißnähten auf

2. Versprödungsphasen: Die stillen mikrostrukturellen Killer

Der häufigste und dennoch vermeidbare Versagensmechanismus bei Duplex-Stählen:

Sigma-Phasenbildung

Wo es auftritt:

• Schweißnaht-Wärmeeinflusszonen

• Bereiche mit längerer Beanspruchung zwischen 600–950 °C

• Langsam abgekühlte Bereiche nach dem Schweißen oder einer Wärmebehandlung

Auswirkung:

• Drastische Verringerung der Zähigkeit (bis zu 90 % Verlust)

• Deutlich verminderte Korrosionsbeständigkeit

• Sprödbruch unter Belastung

Fallbeispiel:
Eine Transferleitung aus Duplexstahl in einer Raffinerie versagte während eines Drucktests nach einer Reparaturschweißung. Die metallografische Analyse ergab eine Ausscheidung der Sigma-Phase in der Wärmeeinflusszone, wodurch die Kerbschlagzähigkeit von erwarteten über 100 J auf unter 15 J absank.

475 °C-Sprödheit

Wann es auftritt:

• Langzeiteinsatz zwischen 300-525°C

• Nach mehreren Jahren im Hochtemperaturbereich

• Besonders problematisch bei Druckbehältern und Reaktoren

Folgen:

• Fortgeschreitender Verlust der Zähigkeit

• Bleibt oft unentdeckt, bis es zu einem katastrophalen Versagen kommt

• Irreversibler Schaden, der einen Austausch erfordert

3. Phasengleichgewicht: Das 50-50-Verhältnis, das keine Option ist

Das 50 % Austenit / 50 % Ferrit Gleichgewicht ist nicht nur ideal – es ist zwingend erforderlich:

Ausfallmuster:
Eine Unterwasser-Pipeline wies unerwartete Korrosion in einem Material auf, das als 2205-Duplex angegeben war. Die Analyse zeigte, dass die Mikrostruktur 80 % Ferrit enthielt, wodurch sie anfällig für Korrosionsmechanismen wurde, die bei ordnungsgemäß ausbalanciertem Duplexmaterial keine Wirkung haben sollten.

Ursachen für Phasenungleichgewicht:

• Schnelle Abkühlung nach Lösungsglühung : Begünstigt die Bildung von Ferrit

• Falsche Wärmebehandlungstemperatur : Die Lösungsglühung muss zwischen 1020–1100 °C erfolgen

• Falsche Auswahl des Zusatzwerkstoffs während des Schweißens

Folgen eines Ungleichgewichts:

• Überschüssiger Ferrit: Verminderte Zähigkeit und geringere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC)

• Überschüssiger Austenit: Geringere Festigkeit und abweichendes Korrosionsverhalten

• Beide Szenarien: Abweichung vom erwarteten Werkstoffverhalten

4. Galvanische Korrosion: Das Verbindungsproblem

Duplexstähle nehmen eine Zwischenstellung in der elektrochemischen Reihe ein:

Problemszenario:
Ein Rohrsystem, das 2205-Duplex mit Nickellegierungen verband, wies an der Duplex-Seite der Verbindungen schwere Korrosionsschäden auf.

Die Realität:

• Duplex ist gegenüber Nickellegierungen anodisch wie Hastelloy

• Bei Kopplung in leitenden Medien korrodiert Duplex bevorzugt

• Viele Ingenieure glauben fälschlicherweise, dass sich alle rostfreien Stähle galvanisch ähnlich verhalten

5. Spaltkorrosion: Die Geometriefalle

Trotz guter Beständigkeit hat Duplex Grenzen:

Ausfallbedingungen:

• Stehende Chloridlösungen

• Temperaturen über der kritischen Lochkorrosionstemperatur

• Unter Dichtungen, Ablagerungen oder in engen Fugen

• Umgebungen mit niedrigem pH-Wert

Verhinderungslücke:
Viele Konstrukteure setzen Duplex in Bedingungen ein, die leicht über dessen Leistungsfähigkeit hinausgehen, und verlassen sich dabei auf die Einstufung als „Edelstahl“, ohne die spezifischen Korrosionsgrenzen zu überprüfen.

Die Fehler bei der Fertigung: Wo die meisten Probleme beginnen

Schweißprobleme: Die häufigste Schwachstelle

Unsachgemäße Schweißverfahren, die bei Fehleranalysen beobachtet wurden:

1. Fehlerhafte Kontrolle der Zwischenschichttemperatur

   • Maximum: 150 °C für Standard-Duplex

   • Realität: Wird beim Feldschweißen oft erheblich überschritten

   • Folge: Bildung der Sigma-Phase und beeinträchtigte Korrosionsbeständigkeit

2. Falsche Auswahl des Zusatzwerkstoffs

   • Verwendung von 309L statt 2209 Zusatzwerkstoff verändert das Phasengleichgewicht

   • Nicht passende Zusammensetzung beeinträchtigt die Korrosionsleistung

3. Unzureichender Gasschutz

   • Verfärbungen sind nicht nur kosmetisch bedingt – sie weisen auf die Bildung von Oxiden hin

   • Oxide verringern die Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone

4. Unzureichende Wärmezufuhr

   • Zu niedrig: Übermäßiges Ferrit im wärmeeinflussten Bereich

   • Zu hoch: Bildung von Ausscheidungen und Kornwachstum

Fehler bei der Wärmebehandlung

Fehler bei der Lösungsglühung:

• Temperatur zu niedrig: Unzureichende Auflösung der Ausscheidungen

• Temperatur zu hoch: Übermäßiger Ferritgehalt nach dem Abkühlen

• Abkühlgeschwindigkeit zu gering: Ausscheidung intermetallischer Phasen

Präventionsstrategien: Auslegung von Ausfällen

Maßnahmen in der Entwurfsphase

Temperatur- und Umgebungsbedingungen:

• Maximale Betriebstemperatur in Chloriden : 80–90 °C für 2205 Duplex

• pH-Überwachung : Über 3 halten für optimale Leistung

• Chlorid-Grenzwerte : Berücksichtigen Sie, dass 2205 Grenzen hat – keine Immunität voraussetzen

Spannungsmanagement:

• Angeben wärmebehandlung nach dem Schweißen für schwere Beanspruchung

• Konstruktion zur minimierung von Eigenspannungen

• Vermeiden spannungskonzentratoren an Richtungsänderungen

Fertigungsqualitätssicherung

Schweißprotokoll-Einhaltung:

- Füllmetall: 2209 für Grundwerkstoff 2205 - Zwischenschichttemperatur: ≤150 °C kontinuierlich überwacht - Schutzgas: 99,995 % reines Argon mit 30–40 % Helium - Wärmeeinbringung: 0,5–2,5 kJ/mm je nach Dicke 

Verifizierungsprüfung:

• Feritskop-Messungen bei Schweißnähten: Zulässiger Bereich 35-65 % Ferrit

• Korrosionsprüfung von Schweißproben: ASTM G48 Methode A

• Farbeindringprüfung : Alle Schweißnähte, keine Ausnahmen

Betriebliches Monitoring und Wartung

Überwachung kritischer Parameter:

• Temperaturausschläge über die Konstruktionsgrenzen hinaus

• Anstieg der Chloridkonzentration

• pH-Schwankungen außerhalb des Betriebsfensters

• Ablagerungsbildung, die auf geringe Strömungsbedingungen hinweist

Präventives Inspektionsprogramm:

• Regelmäßige UT-Dickenmessung in kritischen Bereichen

• Magnetpulverprüfung mit nasser fluoreszierender Methode auf Risse

• Tiefenmessungen mit Pit-Messgerät in bekannten Problemzonen

Ausfallanalyse-Protokoll: Ermittlung der eigentlichen Ursache

Wenn ein Ausfall auftritt, offenbart eine systematische Untersuchung die zugrunde liegende Ursache:

1. Visuelle Untersuchung und Dokumentation des Ausfallorts

2. Chemische Analyse um die Materialzusammensetzung zu überprüfen

3. Metallographie um die Mikrostruktur und Phasenbalance zu untersuchen

4. Bruchflächenanalyse um Rissinitiierung und -ausbreitung zu identifizieren

5. Korrosionsproduktanalyse zur Identifizierung von Umweltfaktoren

6. Mechanische Prüfung zur Bestätigung der Eigenschaftsdegradation

7. Überprüfung der Fertigungsunterlagen und Schweißverfahren

Werkstoffauswahl: Wenn Duplex nicht die Antwort ist

Manchmal ist die beste Vorbeugung die Auswahl eines anderen Werkstoffs:

Super-Duplex (2507) in Betracht ziehen, wenn:

• Chloridgehalte die Leistungsfähigkeit von 2205 überschreiten

• Höhere Temperaturen unvermeidbar sind

• Es ist eine erhöhte Festigkeit erforderlich

Berücksichtigen Sie Nickellegierungen, wenn:

• Temperaturen und Chloridkombinationen besonders belastend sind

• Reduzierende Säuren vorhanden sind

• Bisherige Duplex-Schäden auf übermäßig aggressive Bedingungen hindeuten

Der Weg zur zuverlässigen Leistung von Duplex-Stählen

Schäden an Duplexstählen resultieren typischerweise aus einer Diskrepanz zwischen theoretischen Eigenschaften und praktischen Anwendungsgrenzen. Aufgrund der Empfindlichkeit des Werkstoffs gegenüber der Verarbeitung ist eine fachgerechte Fertigung zwingend erforderlich. Indem die häufigen Versagensmechanismen – Sprödbruchphasen, chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion, Kontaktkorrosion und unausgewogene Phasenverteilung – bekannt sind, können Ingenieure gezielte Maßnahmen ergreifen, um die versprochene Leistungsfähigkeit von Duplexstählen zu erreichen.

Der Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg bei Duplex-Stählen liegt oft darin, ihre Verarbeitungsanforderungen zu beachten und zu verstehen, dass „rostfrei“ nicht „unzerstörbar“ bedeutet. Bei sachgemäßer Spezifizierung, Kontrolle der Fertigung und Betrieb innerhalb definierter Grenzen bieten Duplex-Stähle eine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit. Ohne diese Maßnahmen sind Ausfälle nicht nur möglich – sie sind vorhersehbar.