Was sind die häufigsten Fehlerarten von martensitischen Edelstahlrohren während des Gebrauchs?

Martensitisches Edelstahlrohr wird wegen seiner hohen Festigkeit und moderaten Korrosionsbeständigkeit geschätzt, was es in kritischen Sektoren wie der chemischen Verarbeitung von Öl und Gas sowie der Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung macht. Unter Bedingungen hoher Beanspruchung und spezifischer aggressiver Medien ist MSS jedoch sehr anfällig für umweltbedingte Rissbildung, eine weit verbreitete und schwerwiegende Fehlerart.

1. Sulfidspannungsrissbildung (SSC)

SSC stellt den zerstörerischsten Versagensmechanismus für MSS-Rohre unter „sauren Betriebsbedingungen“ in der Öl- und Gasindustrie dar, in denen Schwefelwasserstoff (HS) vorhanden ist.

• Mechanismus: Schwefelwasserstoff zersetzt sich auf der Metalloberfläche und erzeugt atomaren Wasserstoff, der in den Stahl eindringt. Die Bereiche mit hoher Festigkeit und lokaler Spannungskonzentration von martensitischem Stahl, wie kaltverformte Zonen oder Schweißnähte, sind Hauptstandorte für die Ansammlung von Wasserstoff. Der eingeschlossene Wasserstoff verursacht eine lokale Verringerung der Plastizität und Versprödung, was zu einem plötzlichen Bruch bei Zugspannungen weit unterhalb der Streckgrenze des Materials führt.

• Hochrisikozonen: Schweißen Sie Wärmeeinflusszonen (HAZ), Bereiche mit hoher Spannungskonzentration und Rohre mit unkontrollierten Härtegraden (übermäßige Härte).

• Branchentrends: Aufgrund steigender HS-Partialdrücke in Tief- und Ultratiefbohrumgebungen verlagert sich die Industrie auf ultrakohlenstoffarme und nickelmodifizierte martensitische Stähle in Kombination mit strengen Hochtemperatur-Vergütungsprozessen, um die SSC-Anfälligkeit zu minimieren.

2. Chlorid-Spannungskorrosionsrisse (CISCC)

• Mechanismus: Chloridionen schädigen den Passivfilm auf der Edelstahloberfläche und schaffen Stellen für Spannungskonzentrationen. Unter anhaltender Zugspannung entstehen Risse, die sich entweder transgranular oder intergranular ausbreiten und schließlich zu einem Versagen durch die Wand führen.

• Typische Anwendungen: Dampferzeuger in Kraftwerken, Aufbereitungssysteme für hochkonzentrierte Sole und bestimmte Hochtemperatur- und Hochdruck-Chemieleitungen.

KATEGORIE ZWEI: MECHANISCHE BELASTUNG UND ERmüdungsschäden

Da MSS-Schläuche häufig in tragenden und dynamischen Bauteilen eingesetzt werden, ist ihr Versagen häufig direkt mit zyklischen Belastungen oder extremen mechanischen Belastungen verbunden.

1. Ermüdungsversagen

Ermüdung ist die häufigste mechanische Versagensart für hochfeste Materialien unter zyklischer Belastung wie Flüssigkeitsdruckschwankungen oder mechanischen Vibrationen.

• Mechanismus: Risse beginnen typischerweise an Oberflächendefekten, Kratzern in der Innenwand, Korrosionsgruben oder mikroskopischen Einschlüssen. Periodische Spannungswechsel verursachen akkumulierte Schäden in der plastischen Zone an der Rissspitze, was zu einer langsamen Rissausbreitung führt, bis der verbleibende Querschnitt die momentane Belastung nicht mehr tragen kann, was zu einem plötzlichen Sprödbruch führt.

• Zonen mit hohem Risiko: Pumpenwellen und Turbinenschaufeln, bei denen martensitischer Stahl für die Wurzelabschnitte und Abschnitte mit starken Vibrationen in Ferntransportleitungen verwendet wird.

• Technische Herausforderung: Die Ermüdungsfestigkeit hängt stark von der Oberflächenintegrität ab. Eine feine Oberflächenpolitur und die Kontrolle der Tiefe der kaltverformten Schicht sind entscheidend für die Verbesserung der Ermüdungslebensdauer von MSS.

2. Wasserstoffversprödung (HE)

In engem Zusammenhang mit SSC kann HE durch Herstellungsprozesse wie Galvanisieren oder Beizen oder durch unsachgemäßen kathodischen Schutz während des Betriebs verursacht werden, unabhängig vom Vorhandensein von Sulfiden.

• Mechanismus: Der Stahl absorbiert atomaren Wasserstoff, was zu einem starken Rückgang der Duktilität, Zähigkeit und Bruchfestigkeit führt. Auch ohne äußere Korrosionsmittel fördern die Wasserstoffatome bei vorhandener Zugspannung die Rissbildung und das Risswachstum.

KATEGORIE DREI THERMISCHE STABILITÄT UND MIKROSTRUKTURELLE DEGRADATION

Die Leistung von martensitischem Edelstahl hängt in hohem Maße von seiner stabilen, angelassenen Mikrostruktur ab. Eine ungeeignete Temperatureinwirkung kann zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur und einem starken Leistungsabfall führen.

1. Temperamentsversprödung

Bestimmte Legierungselemente wie Phosphor, Zinn und Antimon können sich bei langsamer Abkühlung oder längerer Einwirkung im Bereich von 350 °C bis 550 °C entlang der Korngrenzen entmischen. Dies führt zu einem erheblichen Verlust der Schlagzähigkeit des Stahls und damit zur Anlassversprödung.

• Folge: Während sich die Härte möglicherweise nicht wesentlich ändert, nimmt die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Schlagbeanspruchung bei niedrigen Temperaturen oder hohen Dehnungsgeschwindigkeiten schnell ab, wodurch es sehr anfällig für Sprödbrüche wird.

• Vorbeugende Maßnahmen: Abschrecken mit Wasser oder schnelles Abkühlen über den kritischen Versprödungstemperaturbereich nach dem Anlassen.

2. 475 °C Versprödung und Sigma-Phasen-Ausfällung

Eine langfristige Einwirkung von martensitischem Edelstahl im Bereich von 400 °C bis 500 °C kann zur Ausscheidung chromreicher Phasen führen, insbesondere bei etwa 475 °C, was zu dem als 475 °C-Versprödung bekannten Phänomen führt. Darüber hinaus kann eine längere Einwirkung von höheren Temperaturen wie 600 °C bis 900 °C zur Ausscheidung der harten und spröden Sigma-Phase führen.

• Auswirkung: Beide Phänomene verringern die Plastizität und Zähigkeit des Materials erheblich und verringern gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit.

• Anwendungseinblick: Die langfristige Betriebstemperatur von MSS-Schläuchen muss im Design streng begrenzt werden, um diese empfindlichen Temperaturbereiche zu vermeiden.