Schadensanalyse 2014 - 2015 - Vorlesung 11 - Die Otto

SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE
Hon.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung
Unter den Eichen 87
D-12205 Berlin
Tel.: +49-30-8104-1020
Fax: +49-30-8104-1027
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INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Hon.-Professur Schadensanalyse und Schadensprävention
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
[email protected]
OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik
Übersicht: Vorlesungsthemen II – WS 2014/2015 SWS: 2V/1Ü
Vorlesung
Schwerpunkte
9 (2h)
12. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile II – Gewalt- und Schwingbruch von Schweißverbindungen,
betriebssichere Auslegung von dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten
10 (2h)
19. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile III – Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne
mechanische Beanspruchung (Flächenkorrosion, Selektive Korrosion etc.)
11 (2h)
19. 12. 14
Betrieb gefügter Bauteile IV – Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne
mechanische Beanspruchung (Lochkorrosion, Spaltkorrosion)
12 (2h)
09. 01. 15
Betrieb gefügter Bauteile V - Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen mit
mechanischer Beanspruchung (Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion)
13 (2h)
09. 01. 15
Spezielle Versagensmechanismen:
Hydrogen Assisted Cracking und Liquid Metal Embrittlement
14 (2h)
30. 01. 14
Prüfung und Schadensvermeidung an gefügten Bauteilen
(Online-Monitoring, Simulationsversuche),
Bezüge zwischen Schadensanalyse und Komponentensicherheit
(Prüfketten, Bauteiltransfer, Simulationsrechnungen)
15 (2h)
30. 01. 15
Wiederholung
und Zusammenfassung
2
3
Schadensanalyse gefügter Bauteile
Vorlesung 11
Betrieb gefügter Bauteile IV –
Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen II:
Korrosionsschäden ohne mechanische Beanspruchung –
bearb eitet von:
Lochkorrosion, Spaltkorrosion
Dr.-Ing. Th. Böllinghaus
VP u. Prof.
VII. Korrosionsschäden ohne mechanische Beanspruchung
 Korrosionsarten nach DIN EN 8044

Gleichmäßige Flächenkorrosion

Interkristalline Korrosion

Muldenkorrosion

Lochkorrosion

Spaltkorrosion

Bimetallkorrosion (Kontaktkorrosion)

Mikrobiologisch induzierte Korrosion

Spannungsrisskorrosion

Schwingungsrisskorrosion
I. Einführung
 Korrosion als Bauteileigenschaft
Konzentrationsunterschiede
Chloridgehalt
Medium
pH-Wert
Beanspruchung durch ein …..
Inhibitoren
Temperatur
Redoxpotential
chem. Zusammensetzung
Verarbeitung
Oberfläche
Strömungsbedingungen
Spaltbildung
Elementverteilung
Gefügeausbildung
Wärmeübergang
Konstruktion
Mischinstallation
Werkstoff
Hinterlüftung
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
I. Einführung
 Schadensursache Korrosion
I-35: 2007 – 08 – 01
I. Einführung
 Ursachen – (Spalt?)-Korrosion unter den Knotenblechen
The end of U9'/U10'W,
showing the fractured west gusset plate
The brittle fracture region above the noncharacteristic fracture area displayed
chevrons, fracture traces and a rough, faceted
surface typical of brittle fracture in steels.
The fracture features indicated that the brittle
fracture initiated in the middle of the plate at
the edge of the non-characteristic fracture
area and propagated vertically upward
the fracture surface was predominately
transgranular cleavage with small isolated areas
of ductile dimples,
Node L11 East, showing corrosion adjacent to the
fracture in the west gusset plate. View is looking
north at the inside (east) face of the
west side plate of L10/L11E.
I. Einführung
 Ursachen –
(Spalt?)-Korrosion
unter den Knotenblechen
und nachfolgende
Spannungsrisskorrosion ?
II. Lochkorrosion
 Entstehung
 Entstehung durch Chloride, ggf. S
 Mechanismen nicht ganz klar
 Lochkeimbildung durch oberflächennahe Ausscheidung von Sulfiden und
Oxiden als Ausgangspunkte
 Bildung an einem MnS-Einschluss
(z. B. Feinkornbaustahl)
1. Anreicherung von Cl--Ionen
2. Bildung und Platzen einer Blase
3. Auflösung des MnS
4. Abscheidung von elementarem S
5. Auflösung des Einschlusses
 Lochwachstum bei intensiver
Wechselwirkung von Cl--Ionen
mit dem aktivierten Werkstoff
bei sinkendem pH-Wert und
nachfolgend ablaufender Hydrolyse
Häufigste drei propagierte Mechanismen der
Lochkorrosion: Penetrations-Mechanismus,
Filmbruch-Mechanismus, AdsorptionsMechanismus
© Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
II. Lochkorrosion
 Entstehung
 Lochkeimbildung durch oberflächennahe Ausscheidung von Sulfiden
und Oxiden als Ausgangspunkte
 Lochwachstum bei intensiver
Wechselwirkung von Cl--Ionen
mit dem aktivierten Werkstoff
bei sinkendem pH-Wert und
nachfolgend ablaufender Hydrolyse
© Kaesche:
Die Korrosion
der Metalle
Ablauf der Lochkorrosion
auf der Oberfläche Stahles
mit Passivschicht
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion durch Oxidschichten (Anlauffarben)
© Wendler-Kalsch, Gräfen:
Korrosionsschadenkunde
Chromverteilung im
Oberflächenbereich eines
nicht-rostenden Stahles
mit dünner Oxidschicht
(Anlaufschicht)
unter Begünstigung der
Loch- und Spannungsrisskorrosion
 Anlauffarben sind ca. 50 bis 500 nm dicke Oxidschichten
 Nachbehandlung durch Beizen
 Schleifen ist wegen der ansteigenden Empfindlichkeit der Oberfläche
für Spannungsrisskorrosion nicht empfehlenswert
 Meinung, Oxidschichten als harmlos zu belassen, ist irrig
II. Lochkorrosion
 Vermeidung I
 Maßnahmen hsl. des Werkstoffes
- Erhöhung des Cr- und Mo-Gehaltes
- Erhöhung des N-Gehaltes
(Vorsicht: CrN-Ausscheidungen
in Duplexstählen)
- Senkung des S- und Mn-Gehaltes
- glatte Oberflächen
- Vermeidung von Anlauffarben, Beizen
 Maßnahmen hsl. des Mediums
- Verminderung der Cl--IonenKonzentration
- Absenkung der Temperatur
- Erhöhung des pH-Wertes
- Erhöhung der Strömungsgeschw.
- Vermeidung von Oxidationsmitteln
- Vermeidung von stehenden Medien
- Vermeidung von Ablagerungen
- Vermeidung von Cl--IonenAufkonzentrierungen in Spalten
- Zugabe von Inhibitoren
II. Lochkorrosion
 Vermeidung II
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
II. Lochkorrosion
 Wirksumme und Beständigkeit von Werkstoffen
W = % Cr + 3,3 • % Mo + x • % N
0  x  30
1.4301
X5CrNi18-10
Austenitisch
18
1.4401
X5CrNiMo17-12-2
Austenitisch
24
1.4462
X2CrNiMoN22-5-3
Ferritischaustenitisch
35
X1NiCrMoCuN25-20-6 Austenitisch
44
1.4529
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
Corrosion Under Insulation
(CUI) of 316L Stainless Steel
Pipe
Insulated line for
ozonated water
The pipe system installed on the rooftop of pharmaceutical production
plant, consisting of two lines for steam, two lines for ozonated water and
one line for waste water.
Pitting corrosion occurring on
the ourter surface of ozonated pipe.
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion an einer
Rohrleitung infolge Mikroorganismen
 Schaden: Leckagen an einer
Betriebswasserversorgungsleitung
 Bauteil: Rohrabschnitt
 Beanspruchung: korrosiv über
vier Jahre durch Mikroorganismen
mit hoher Anreicherung der
Anionen SO42-, PO42- und Cl Konstruktion: Rohrleitung mit
Korrosion einer Schweißnaht aus einem
Wurzeldurchhängen die
austenitischen Stahl (1.4571)
die Anlagerung von Mikrodurch Korrosion
organismen begünstigen
infolge von Mikroorganismen
 Werkstoff: Austenitischer Stahl
© Wendler-Kalsch – Korrosionsschadenkunde
1.4571
 Primärschaden: Lochkorrosion
durch Mikroorganismen
 Ursache: Hoher Anteil von Mikroorganismen und anfälliger Werkstoff
 Schadensvermeidung: Wahl eines korrosionsbeständigeren Werkstoffs
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion an einer Abzugshaube
Lochkorrosion an einer
Abzugshaube
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
 Schaden: Leckagen an einer
Abzugshaube
 Bauteil: Schachtabschnitt
 Beanspruchung: korrosiv
 Konstruktion: Kantiges Profil
 Werkstoff: Austenitischer Stahl
1.4571
 Primärschaden: Lochkorrosion
 Ursache: Anfälliger Werkstoff mit niedriger Wirksumme
 Schadensvermeidung: Wahl eines korrosionsbeständigeren Werkstoffs
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion an Schweißverbindungen I
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
Lochkorrosion in einer
Schweißnaht
(Auszug aus
einem Gutachten der BAM))
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion an Schweißverbindungen II
Aussehen von WIG-geschweißten Rohrrundnähten.
a)
Anlauffarben an der Schweißnaht (wurzelseitig) eines nach dem WIGVerfahren geschweißten 1.4571-Rohres (DN125)
b)
Anlauffarbenarme Rundschweißnaht (Wurzelseite) einer 1.4571-Rohrleitung
(DN 150), WIG geschweißt
© Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
II. Lochkorrosion
 Lochkorrosion an Schweißverbindungen II
Lochkorrosion in der WärmeeinflußZone und dem Schweißgut einer
Ungebeizten Schweißnaht eines
Trinkwasservorrattanks mit AnlaufFarben (Werkstoff_ X10CrNiMoTil8-10,
Werkst. Nr.: 14.4571
a)
Ansicht eines herausgetrennten
Stückes mit Lochkorrosion,
b)
Lochfraßstelle nach Abbürsten,
c)
Ansicht nach Aufbrechen. Die
starke Braunfärbung ist auf
Rostablagerung zurückzuführen,
die von den aus den Löchern
ausgetretenen Eisenionen
verursacht werden
© Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
III. Lochkorrosion
 Einflüsse des Schweißens
© Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006
Risse und Lochkorrosion
ausgehend von Anlauffarben
Geringere Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht bzw. des
Schweißnahtbereiches durch:

Chromverarmung an den Korngrenzen

Zunderschichten, Anlauffarben und Schlackereste stören oder
verschlechtern den Aufbau von Passivschichten
Schweißfehler (nicht durchgeschweißte Wurzeln, Poren oder
Absätze)
Seigerungen und Phasenausscheidungen bei hochlegierten
Stählen bei artgleichem Schweißgut


III. Spaltkorrosion
 Entstehung
© Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
Ausbildung eines Belüftungselementes infolge
Sauerstoffverarmung im Spalt
 Sauerstoffverbrauch im Spalt durch
kathodische Sauerstoffreaktion,
Sättigung des Spaltelektrolyten mit
Cr(OH)3, Passivschichtbildung bei
Überschreiten der Sättigungsgrenze
 Trennung der Spaltreaktionen von der
Umgebung, Passivschichtbildung durch
Hydrolyse des Cr, Ersatz der Sauerstoffreaktion durch kathodische H-Reduktion,
H- Aufnahme und Diffusion in die Tiefe
 Anreicherung des Spaltelektrolyten
mit Cl--Ionen, Erhöhung der CrLöslichkeit des Chroms im Spalt,
Auflösung der Passivschicht durch
Bildung eines Hydroxylkomplexes,
Abnahme der H-Reduktion
 (Re-)Passivierung am Spaltende durch
erneute H-Reduktion, weitere Auflösung
Schema für Passivschicht-bildende Metalle
und Verstärkung durch Hydrolyse
der Passivschicht in der Spaltmitte durch
Erhöhung der Löslichkeit von Cr(OH)3 durch eindiffundierende Cl--Ionen
III. Spaltkorrosion
 Entstehung
© Wendler-Kalsch, Gräfen:
Korrosionsschadenkunde
Geschwindigkeit der
Sauerstoffverarmung in
Abhängigkeit der
Spaltbreite und –tiefe
III. Spaltkorrosion
 Vermeidung durch konstruktive Maßnahmen
© Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
III. Spaltkorrosion
 Spaltkorrosion von Schweißverbindungen
 Kritische Spaltwirkung zeigen:
Bindefehler, Einbrandkerben,
Überlappstöße, Kantenversätze und
Schraubverbindungen sowie Flansche
Spaltkorrosion als Folge von Kantenversatz
und einer nicht durchgeschweißten Nahtwurzel
© Wendler-Kalsch, Gräfen:
Korrosionsschadenkunde
Spaltkorrosion an den Berührungsstellen
gewellter Wärmetauscherplatten aus
dem Werkstoff X 5 Cr Ni Mo 17 13 – 1.4449
während einer Stillstandsperiode
III. Spaltkorrosion
 Spaltkorrosion von Schweißverbindungen
 Kritische Spaltwirkungen zeigen nicht-durchgeschweißte Wurzeln
Spaltkorrosion ausgehend
vom Wurzelspalt einer Rundnaht
in einer Kühlwasserleitung
aus einem unlegierten Stahl
Spaltkorrosion ausgehend
vom Wurzelspalt eines
austenitischen Stahles
© Wendler-Kalsc, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
IV. Mikrobiologisch indizierte Korrosion (MIC)
 Korrosionsprozesse werden durch mikrobielle Aktivitäten eingeleitet,
aufrechterhalten oder verstärkt
 MIC-gefährdet sind nahezu alle
Werkstoffe
 Mindestens 20 % aller
Korrosionsschäden an Metallen und
Baustoffen sind mikrobiell
beeinflusst
 Mikroorganismen: Bakterien, Pilze,
Algen und Flechten
Unterscheidungsmerkmale
von Bakterien
© Wendler-Kalsc, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
IV. Mikrobiologisch indizierte Korrosion (MIC)
 Entstehung
 Induktionsphase:
Primäradhäsion – Zeitraum, in dem
sich die Anwesenheit von Biofilmen
betriebstechnisch noch nicht
auswirkt
 Irreversible Adsorption von
Makromolekülen – Polysaccharide,
Lipopolysaccharide, Huminstoffe,
Verlauf der Biofilm-Akkumulation, bedeutet
diverse Parameter wie Dicke, Zelldichte etc. Die
Proteine
Kurve im Kreis symbolisiert die Primäradhäsion
 Plateau-Phase – Ausmaß des
Wachstums reguliert die Biofilmdicke,
© Wendler-Kalsc, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
die wiederum die Biofilm-Eigenschaften
beeinflusst – biodynamisches
Gleichgewicht
 Konsequenzen: Lochkorrosion, Spaltwirkung zwischen Film und Substrat mit
nachfolgender Spaltkorrosion, Stimulierung der Säurekorrosion, Angriff
durch organische Säuren und Komplexbildner in anaerobem Mileau bei
Anwesenheit einer C-Quelle und/oder H2, Sulfatreduktion und H2S-Bildung
mit nachfolgender wasserstoffunterstützter Spannungsrisskorrosion
IV. Mikrobiologisch indizierte Korrosion (MIC)
 Entstehung von Lochfraß
 Ursache: Entstehung eines
Korrosionselementes als Folge der
Ansiedelung einer Mischkolonie
von Bakterien
 Aerobe Bakterien:
Oxidation organischer
Substanzen mit Sauerstoff
zu Abbauprodukten
 Anaerobe Bakterien:
Abbauprodukte ergeben über
Gärungsprozesse H2 und
Organische Säuren (Fettsäuren)
 Anaerobe, sulfatreduzierende
Bakterien:
H2 und organische Säuren und
SO42- werden zu Sulfiden
und H2O umgewandelt
© Wendler-Kalsc, Gräfen: Korrosionsschadenkunde
Mischkolonie
von Bakterien
mit lokalem
Korrosionsangriff
Bild 3.186
Schichtstruktur der Korrosionsprodukte in
Gegenwart eines anhaftenden Biofilms und des
Biofilms über einer Lochfraßstelle
IV. Mikrobiologisch indizierte Korrosion (MIC)
 Vermeidung
 Werkstoffseitig:
- Wahl edlerer Werkstoffe zur Erhöhung der thermodynamischen Stabilität
- Passivverbessernde Legierungszusätze, z. B. Cr zu Eisenwerkstoffen
- Wahl von Metallen mit >bateriziden< Eigenschaften (Silber und mit
Einschränkungen Kupfer)
 Umgebungsseitig:
- Neutralisation von Säuren
- Vermeidung oxidierender Agenzien, wie Sauerstoff,
Metallionen höherer Wertigkeit, Halogene
- Vermeidung von chemisch gebundenem Sauerstoff, der mikrobiell
verwertbar ist ( Nitrat, Sulfat)
- Vermeidung von organischen und anorganischen durch Mikroorganismen
oxidierbaren Verbindungen (z. B. Alkohole, Kohlenwasserstoffe,
Ammoniak)
 Phasengrenze (konstruktionsseitig):
- Vermeidung oder Entfernung von Biofilmen
- Anwendung von organischen Beschichtungen
- Anwendung von mikrobistatisch ausgeführten Anstrichen
- Anwendung von metallischen und anorganischen Überzügen
- kathodischer und anodischer Schutz