Cluster-Treff

Korrosionsphänomene und Zuverlässigkeit von Werkstoffen

23. März 2015, BAYERNOIL Raffineriegesellschaft mbH, Vohburg

 

Bericht

Am 23. März trafen sich im Rahmen des Cluster-Treffs des Clusters Neue Werkstoffe rund 30 Teilnehmer und Referenten aus verschiedenen Unternehmen und Forschungsinstitutionen, um sich über Korrosionsphänomene, Auswirkungen von Korrosion und die Möglichkeiten zur Verminderung oder gar Vermeidung von Korrosion und Korrosionsschäden auszutauschen und zu informieren.

Der Ort des Cluster-Treffs, das Raffineriegelände der Bayernoil Raffineriegesellschaft mbH in Vohburg, bot für den Cluster-Treff den idealen Rahmen: Eine Einführung und Informationen zum Unternehmen, Produkten und Prozessen gab Esteban Mann, Leiter Inspektion, sein Experte Martin Hofmeister gab im weiteren Verlauf einen Überblick über die vielgestaltigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Korrosion, die in der Raffinerie regelmäßig auftreten und denen sich insbesondere der Bereich der Inspektion kontinuierlich stellen muss, um Sicherheit und Funktionalität beim Betreiben der Anlagen zu gewährleisten.

So treten in der Raffinerie – bedingt durch verschiedene korrosive Medien in Verbindung mit prozessbedingt hohen Temperaturen und Drücken – nahezu alle Arten von Korrosion auf, die zunächst „Korrosionsexperte“ Prof. Dr. Christoph Strobl, Werkstofftechnik, Technische Hochschule Ingolstadt, in seinem profunden Vortrag beleuchtete.

Nach der DIN EN ISO 8044:1999 ist die Korrosion definiert als eine physikochemische, oft elektrochemische, Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann. Die Norm unterscheidet 36 Arten der Korrosion. Häufig werden Korrosionsarten zudem nach dem Ort und der Art ihres Auftretens unterschieden. Hier sind als Beispiele Kontakt-, Lochfraß-, Flächenkorrosion oder auch Spannungsriss-, Spalt- oder interkristalline Korrosion zu nennen. Andere Unterteilungen nennen z. B. auch die Heißgas- oder Hochtemperaturkorrosion.

Herr Hofmeister von der Bayernoil Raffineriegesellschaft erläuterte, dass in der Raffinerie die Korrosion basierend auf der API RP 571 – Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry betrachtet wird. Danach werden zunächst im Bereich der allgemeinen Korrosionsmechanismen in der Industrie Korrosionsarten unterschieden nach Wanddickenabtrag, mechanischen und metallurgischen Schadensmechanismen, Hochtemperaturkorrosion (> 200°C), medieninduzierten und schließlich Raffinerie-spezifischen Rissmechanismen. Nahezu alle der hier insgesamt mehr als 50 beschriebenen und definierten Korrosionsarten treten in der Raffinerie auf und müssen über eine entsprechende Materialauswahl, ein kontinuierliches Monitoring überwacht und eingegrenzt werden.

Entsprechend der in den Anlagen und Prozessen auftretenden Umgebungsbedingungen und Medien ist die Bandbreite der eingesetzten Werkstoffe groß. Den richtigen Werkstoff für die entsprechenden Bedingungen und einwirkenden, korrosiven Medien zu finden, stellt eine besondere Herausforderung dar.

Verschiedene Prozesse im Bereich der Raffinerie sind durch stark reduzierende sulfidierende Atmosphären gekennzeichnet. Auch hochlegierte Stähle können den daraus erwachsenden hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit nicht immer gerecht werden. Zum Einsatz kommen hier z. B. Cr-Stähle mit bis zu 13 % Cr-Anteil. Bei Entschwefelungsprozessen mit Wasserstoff ist die Druckwasserstoffbeständigkeit der Werkstoffe ausschlaggebend: Je nach Bedingungen kommen hier C-Stahl, Cr-Stähle (1%-Cr, 21/4%-Cr) oder Austenite zum Einsatz. Unter reduzierenden Bedingungen werden Cr-Al-Legierungen eingesetzt, Nickel-Basis-Legierungen als widerstandsfähige Werkstoffe bei Hochtemperatur-Prozessen und korrosiven Medien, des Weiteren werden spezielle Kunststoffe dort erforderlich, wo der Chemikalienangriff dies erfordert.

Zuverlässige Prüftechniken sind zudem regelmäßig erforderlich, um beispielsweise durch Arsen, Antimon, Schwefel, Phosphor und Polythionsäure induzierte Versprödung (Temper Embrittlement) oder Rissbildung durch feuchtes H2S und Wasserstoff (HTHA = high temperature hydrogen attac) zu erkennen. Des Weiteren werden mit entsprechenden Analysenmethoden die durchströmenden Medien beobachtet (monitoring). So können durch angepasste (Anlagen-)Fahrweisen, Reinigungs-und Neutralisierungsprozesse, aber auch ggf. durch den Einsatz eines geeigneteren Rohöles die Materialdegradation minimiert werden.

Vor dem Hintergrund der Gefahr, die sowohl von Medien als auch von Prozessparametern im Falle eines Werkstoffversagens ausgehen, ist auch das Spektrum der in der Raffinerie eingesetzten und teilweise speziell angepassten Prüfmethoden sehr weit. Sie reichen von Schattenaufnahmen mit Isotopen, Ultraschallwanddickenmessung, Ultraschall-Flächenscan und Ultraschall-Winkelprüfungen bis zu speziellen Sonderprüfverfahren. Intelligente Messmolche werden im Bereich unterirdischer Leitungen und Ofenrohre eingesetzt, Gefügeabdrücke geben Aufschluss über Oberflächen- und Gefügeveränderungen. Wärmetauscherrohre und Tankböden können über Wirbelstromprüfung auf Schäden überprüft werden, an ausgewählten Stellen finden kontinuierliche Ultraschall-Onlineüberwachung (Permasense) statt. Auch erweiterte Ultraschallverfahren wie Phased Array, TOFD, EMAT oder Backscatter kommen zum Einsatz.
Am Ende der Kette stehen die zerstörende Prüfung und Schadensuntersuchungen, die im Nachhinein Aufschluss geben über Ursachen und mögliche Wege, zukünftige Schäden zu vermeiden.

Die Prüftechnik und Schadensanalyse war auch der Schwerpunkt des Vortrags von Dr. Bastian Devrient. Er gab einen Einblick in das Betätigungsfeld, das Leistungsspektrum und die Werkstoffkompetenzen des AREVA Technical Centers, Erlangen, das u. a. Kompetenzen im Bereich Korrosion und Schweißtechnik bündelt. Das akkreditierte Prüflabor bietet intern wie auch für externe Kunden nichtzerstörende Prüfung, Schadensanalyse, Werkstoffprüfung und Definition von nachhaltigen Lösungen rund um das Thema Werkstoffe und deren Anwendung an. Beratend sind die Werkstoffexperten entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Designphase und der Werkstoffauswahl über Betrieb bis zum Rückbau Partner der Industrie. Profunde Kenntnisse der Physik und Chemie sind erforderlich, um Ursachen der Korrosion zu erkennen und daraus resultierende Schäden zu vermeiden oder zu vermindern.

Analog zu Herrn Hofmeister zeigte Herr Dr. Devrient auf, wie eine optimierte Komponentenentwicklung unter Berücksichtigung der drei Faktoren Medium, Werkstoff, Belastung erfolgt. Ausgehend von der Darstellung der Korrosionsformen und –mechanismen illustrierte er anhand von Fallbeispielen aus unterschiedlichen Bereichen der Kraftwerkstechnik die Komplexität der Korrosionsvorgänge.

So wurden beispielsweise umfangreiche Untersuchungen zur Weiterentwicklung von Schweißgütern hochlegierter Werkstoffe im Chemieanlagenbau durchgeführt. Der Ansatz lag in der Ermittlung von Oberflächen-Potenzialprofilen an Mischnähten verschiedener Werkstoffpaarungen. Im Rahmen der Untersuchungen zeigte sich, dass Inhomogenitäten der Oberfläche, wie sie auch im Bereich von Schweißnähten auftreten können, in Potenzialunterschieden resultieren, die wiederum ein Signal für die Korrosionsanfälligkeit sein können. Im Ergebnis zeigte sich, dass mittels prinzipiell geeigneter Werkstoffpaarungen die geforderte Korrosionsbeständigkeit erreicht werden kann. In einem weiteren Beispiel ging es um die Wahl eines geeigneten Korrosionsinhibitors für alkalische Umgebungsbedingungen unter Berücksichtigung der Druck- und Temperaturverhältnisse sowie der mechanischen Beanspruchung, nachdem es unter Verwendung des zuvor eingesetzten Inhibitors zu interkristalliner Spannungsrisskorrosion gekommen war.

Der Erkennung der Korrosion, der Ursachen und ihrer Wirkungen kommt eine entscheidende Bedeutung für die Funktion und Zuverlässigkeit von Werkstoffen und Bauteilen und damit auch der Vermeidung von Gefahren und Kosten zu. Diesem Thema widmete sich Dr. Simon Oberhauser von der InnCoa GmbH, Neustadt/Donau, deren Tätigkeitsbereiche die Werkstoffuntersuchung, Metallografie und Elektrochemie für die angewandte Forschung und Entwicklung und Beratung zu metallischen Werkstoffen sind. Kernkompetenzen sind hierbei insbesondere Korrosions- und Oxidationsschutz, Oberflächenschutz und Diffusion, Material- und Schadensanalyse. Die InnCoa GmbH entwickelt kundenspezifische Lösungen u. a. zur Vermeidung von Materialschäden oder zur Kostenoptimierung über Werkstoffmodifikation für Kunden aus verschiedenen Branchen wie Automobil, Luftfahrt und Petrochemie.

Dr. Oberhauser stellte im Rahmen des Cluster-Treffs die Möglichkeiten und Potenziale der Elektrochemie zur Simulation von Korrosionsvorgängen und Entwicklung von Lösungswegen zur Vermeidung oder Verminderung von Korrosionsschäden vor. Hier gibt es neben den klassischen Korrosionstests, wie z. B. Salzsprühnebeltest, Klimawechseltest oder Kondenswassertest, wissenschaftlich etablierte Tests zur elektrochemischen Potenzialmessung (nach DIN 50918 und DIN 50919), die Möglichkeit des „Corrosion Monitoring“ zur Abschätzung der Werkstofflebensdauer oder die präventive Ermittlung potenzieller lokaler Korrosion.

Über elektrochemische Untersuchungen können metallische Werkstoffe verglichen und das Korrosionsverhalten von Beschichtungen auch in neuen Einsatzgebieten beurteilt werden. Auch ist der Nachweis veränderter Korrosionseigenschaften durch unterschiedliche Werkstoffzustände oder Veränderung der Werkstoffeigenschaften möglich. Vorteil der Elektrochemie gegenüber der klassischen Korrosionstests, die Tage bis Jahre in Anspruch nehmen, ist die kurze Dauer der Versuche von nur 1 bis 2 Stunden, nach denen bereits zuverlässig Aussagen zur Beständigkeit der Werkstoffe gegeben werden können. Variiert werden hierfür die Parameter Temperatur, Konzentration und pH-Wert. Gearbeitet wird sowohl mit der Gleichstrom- wie auch mit der Wechselstrom-Methode, die eine Vielzahl von Aussagen ermöglichen, wie u. a. zur Medienbeständigkeit, Kontaktkorrosion oder Wirksamkeit von Inhibitoren.
Auch das Auffinden von Schwachstellen in Beschichtungen ist mittels elektrochemisch induzierter selektiver Korrosion möglich. Ein Beispiel hierfür ist die stationäre Polarisierung von nitrierten Oberflächen, die zur Korrosion des Grundmaterials an lokalen Schwachstellen führt.

Insgesamt legte Dr. Oberhauser anhand einer Reihe von Beispielen dar, wie mit Hilfe der Elektrochemie umfassende Informationen zur Lebensdauerabschätzung erarbeitet und wie Aussagen über Schichtqualitäten, Schutzwirkungen oder auch Kontaktkorrosion gemacht werden können.

Den Abschluss der Reise durch Korrosionsarten, Ursachen, Wirkungen und Möglichkeiten der Prognose und Vermeidung machte Dr. Annette Meiners von der COMSOL Multiphysics GmbH, die das Softwaretool zur Korrosionssimulation vorstellte. Wie auch in anderen Bereichen der Bauteil- oder Verfahrensentwicklung bietet die numerische Simulation von Korrosionsvorgängen den Vorteil, in kurzer Zeit eine Abschätzung über Konstruktion und Werkstoffeinsatz zu erhalten und so Kosten und Zeit zu sparen und Risiken zu minimieren. Zur Simulation von Korrosionsphänomenen werden die verschieden wirkenden einzelnen  Phänomene und Vorgänge beschrieben und in ein Modell überführt. Voraussetzung für die Simulation von Korrosionsvorgängen sind detaillierte Daten zu Materialien und deren elektrochemischen Kennwerten, physikalischen Eigenschaften, Elektrolyten etc., die über die Benutzeroberfläche des Programms eingegeben werden und die Basis der Berechnungen darstellen. Anhand des Beispiels einer Spaltkorrosion mit Deformation zeigte Frau Dr. Meiners, wie mit dem Programm Fragestellungen bearbeitet werden können und wie die Simulationsergebnisse mit den experimentell ermittelten Daten übereinstimmen. Einen Einblick in die Leistungsfähigkeit und Einsatzpotenziale der Software zeigten abschließend mehrere Anwendungsbeispiele aus der Industrie.

Insgesamt kann die Simulation erweiterte Möglichkeiten bieten, wie den Zugriff auf Größen, die experimentell gar nicht oder nur schwer zu erfassen sind, ein verbessertes Verständnis der ablaufenden Prozesse, eine Optimierung und Steuerung in der Konstruktion und Planung. Weitere Perspektiven bieten die Hinzunahme weiterer Effekte sowie die multiphysikalische Betrachtungsweise.

Die Teilnehmer des Cluster-Treffs konnten nach der fundierten Wissensvermittlung auf der abschließenden Tour durch die Raffinerie noch einen kleinen 3D-Einblick in die Raffinerie gewinnen und hatten noch die Gelegenheit zum Austausch über aktuelle Fragestellungen.

Die Vielfalt der diskutierten Phänomene und Herausforderungen in Verbindung mit den Interessen der Akteure sind der Hintergrund, weshalb das Thema Korrosion wiederholt vom Cluster Neue Werkstoffe aufgegriffen wird und die thematische Arbeit in weiteren Cluster-Treffs oder Arbeitskreisen vom Cluster-Management angestrebt wird, um Kompetenzen in den Unternehmen zu entwickeln oder zur Zusammenarbeit zusammenzuführen.

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