Ein Edelstahl ist unvergänglich (?)

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1 Ein Edelstahl ist unvergänglich (?) Der Einsatz von ferritisch-austenitischen Duplexstählen im Tankbau Wolf-Berend Busch, EWE 11. Gefahrgut Technik-Tage, Berlin November Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten Vorschriften für Duplexstähle 2

2 Wir wollen hier unter verstehen: Nichtrostende Stähle, Def. nach DIN EN 10020:2000: Nichtrostende Stähle sind Stähle mit einem Massenanteil Chrom von mindestens 10,5 % und höchstens 1,2% Kohlenstoff (Abschnitt 3.2.2) Nichtrostende Stähle werden weiterhin nach folgenden Kriterien unterteilt: nach Nickelgehalt in weniger als 2,5 % Nickel 2,5 % Nickel oder mehr nach Haupteigenschaften in korrosionsbeständig hitzebeständig warmfest 3 Korrosionsbeständig sind nichtrostende Stähle durch eine - dünne - transparente - dichte - fest haftende Schicht aus Chromoxid. Dieses Chromoxid bildet sich durch einen Korrosionsprozess mit Sauerstoff, z.b. aus der Luft. Als Folge dieser Schicht verhält sich der Stahl passiv. Fehlt der Sauerstoff, kann sich die Chromoxidschicht nicht ausbilden und der Stahl ist nicht passiv, sondern aktiv. 4

3 Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten Vorschriften für Duplexstähle Unvergänglich? 5 Innenansicht eines kleinen Wassertanks aus

4 Kornzerfall (IK) durch selektive Korrosion der Korngrenzen 7 (Montanuniversität Leoben) Die dünne, transparente Oxidschicht kann durch einen mechanischen oder einen chemischen Angriff von innen oder außen dauerhaft zerstört werden. 8

5 Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch-ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten Vorschriften für Duplexstähle 9 Duplexstähle sind nichtrostende Stähle. Sie sind genormt in DIN EN :2005. Diese Norm weist neun Duplexstähle aus, deren Gehalte an Chrom zwischen % und Gehalte an Nickel zwischen 3,5 8,0 % liegen. Die Zusammensetzung bewirkt, dass das Gefüge etwa zu ca. 50% aus Austenit und zu etwa 50% aus Ferrit besteht. 10

6 Gefüge von Duplexstählen Austenit 11 (δ)-ferrit Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle? Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten Vorschriften für Duplexstähle 12

7 Vergleich von Mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit von austenitischen Stählen und Duplexstählen 700 Dehngrenze R p0,2 in MPa Lean-Duplexstahl / X2CrNiN 23-4 Austenit X5CrNiMo Duplex-Stahl (22%Cr) ( X2CrNiMoN ) Austenit X1NiCrMoCu Superduplexstahl X1CrNiMoCuWN Voll-Austenit X1NiCrMoCuN Wirksumme WS WS = % Cr + 3,3 x % Mo+16 x % N) 13 Mechanische Eigenschaften von Duplexstählen austenitische Stähle ferritisch-austenitische Stähle Werkstoff R p0,2 MPa mind. Werkstoff R p0,2 MPa mind Zeron Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit der Kaltverfestigung. nach Z ohne Verfahrensprüfung verwendbar nur mit Verfahrensprüfung verwendbar spezieller Zulassungsbescheid durch DIBT bislang noch nicht zugelassen 14

8 Mechanische Eigenschaften von Duplexstählen bei Raumtemperatur Stahlbezeichnung Statische Kennwerte im Zugversuch R p0,2 R m A Kerbschlagarbeit A V längs quer Kurzname Zeichen W.-Nr. MPa MPa % J J (X2CrMnNi21-5-2) D ~ X2CrNiN23-4 D X2CrNiMoN X2CrNiMoCuWN Mechanische Eigenschaften von Duplexstählen bei erhöhten Temperaturen Stahlbezeichnung Mindestwerte der R P0,2 -Grenze bei erhöhten Temperaturen in MPa Kurzname W-Nr. 100 C 150 C 200 C 250 C 300 C (X2CrMnNi21-5-2) X2CrNiN X2CrNiMoN X2CrNiMoCuWN Temperaturobergrenze für Langzeiteinsatz: 270 C 16

9 Einfluss einer Glühung bei 1300 C Zustand Ferritgehalt Kerbschlagarbeit -40 C 100 C Anlieferung 45% Abgeschreckt 51% Ofenabkühlung 25% 230 J 300 J 5 J 6,5 J 17 Gefügeausbildung vom Duplexstahl nach unterschiedlichen Vorbehandlungen Anlieferungszustand Geglüht bei 1300 C, abgeschreckt in H 2 O 18 Geglüht bei 1300 C, Ofenabkühlung

10 ZTU-Diagremm des Duplexstahls Cr2N, χ-phase, M C 23 6 σ-phase C-Versprödung 300 Lösungsglühbehandlung: 1050 C, 30 min / Wasser 0,03 0,1 0, Glühdauer in h Duplexstahl , geglüht & Ofenabkühlung 19 σ-phasen zwischen den Ferritkörnern verspröden das Gefüge 20extrem

11 Was teuer sind Duplexstählen? Beispiel: 4 mm Blech, Oberfläche 1D (warmgewalzt) Werkstoff Preis /kg effektiv Korrosionsohne MWST klasse ,20 II (D) 3,80 II (D) 3,80 III ,70 III ,70 III ,80 III (D) ca. 5,00 IV ca. 20,50 IV 21 Duplex Rostfrei derzeit am Markt verfügbare Güten (ohne Gußwerkstoffe) Wst.Nr. Korrosionswiderstandsklasse Werksbezeichn. Kurzbezeichnung Stahlart Unified Numbering System Verfügbarkeit Kennzeichnung Stahlgruppe vergl. ISO 3506 vergl. Z Bauaufsichtlich für tragende Konstruktionen zugelassen? PRE Wirksumme (UNS) S32101 Lean Duplex Stahl Blech, Band (Patentgesch.) (D2) nein II / mäßig (herabgestuft wegen 5 % Mangan)* ca. 26, X2CrNiN23-4 Lean Duplex Stahl Blech, Band, Rund, Draht, Rohre (D4) ja III / mittel 23,1-29,1 WAZ i.d.r 26,5 AL2003 (UNS) S32003 Lean Duplex Stahl Blech, Band (Patentgesch.)??? nein III / mittel 26,7-32, X2CrNiMoN Standard Duplex Stahl Blech, Band, Rund, Draht, Rohre Werkst.-Nr. ja (IV / stark)*² 30,8-38, X2CrNiMoN Superduplex Stahl Blech, Band, Rohre (Patentgesch.)??? nein IV / stark ca. 42,5 Zeron 100 (UNS) S32760 Superduplex Stahl Blech, Band (Patentgesch.)??? IV / stark ca. 41,9 *wegen der Gefahr von Mangansulfideinschlüssen und der höheren Oberflächensprödigkeit *² nicht als tragendes Bauelement in Schwimmbädern! PRE -Wert (Wirksumme) = %Cr + 3,3x%Mo + 16x%N 22 nein

12 Klassische Anwendungsfelder besondere Eignung Korrosionswiderstandsklasse III (DIBT) Chemie, Petrochemie Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT) Chemie und Petrochemie, Meerwasserentsalzungsanlagen, Schiffbau, Offshoreund Sauergasanwendungen Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT) Höhere Festigkeit und höhere Korrosionsbeständigkeit vor allem in chloridhaltigen Medien im Vergleich zu Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten? Vorschriften für Duplexstähle 24

13 Verarbeiten wie weiße Stähle - d.h. getrennt von Schwarzstählen - aber höhere Festigkeit beachten - Schweißen mit geringem Wärmeeintrag - Anlauffarben beseitigen - auf Freiheit von Belegen achten, damit sich die Passivschicht korrekt ausbildet 25 Was sind? Sind wirklich unvergänglich? Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle? Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten Vorschriften für Duplexstähle 26

14 Tanks werden drucklos betrieben, weshalb die Druckgeräterichtlinie nicht zutrifft, auch sind Tanks keine Einrichtungen, die dem bauaufsichtlichen Bereich zugeordnet werden können. Es gelten aber insbesondere für die schweißtechnische Verarbeitung die üblichen Vorschriften. 27 Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z vom Dezember Herstellerqualifikation uneingeschränkt schweißbar nur mit D B mit Erweiterung auf nichtrostende Stähle nur /1.4307, , / und 4571 in den Festigkeitsklasse S Verfahrensprüfungen erforderlich für alle oben nicht aufgeführten Stähle Schweißerprüfbescheinigungen erforderlich, aber Geltungsbereiche beachten Gruppe 7: ferritische oder martensitische rostfreie Stähle Gruppe 8: austenitische rostfreie Stähle Gruppe 10: austenitisch-ferritische rostfreie Stähle 4. der Duplexstahl ist (noch) nicht allgemein zugelassen

15 Wo kann ich das nachlesen? DVS-Merkblatt 0946, Ausgabe Februar 2004 Verarbeitung von nichtrostenden Duplex-Stählen Informationsstelle Edelstahl Rostfrei, D 881 Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z v. 5. Dezember 2008 Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile aus nichtrostenden Stählen Informationsstelle Edelstahl Rostfrei, SD 862 Diverse Firmenschriften 29 Beispiele zum Einsatz von Duplexstählen 30

16 Anwendungen von Duplex-Stählen Beispiel: Rauchgasentschwefelung ( und ) Quelle: ThyssenKrupp Nirosta 31 Anwendungen von Duplex-Stählen Beispiel: Chemikalientanker (1.4462) Quelle: ThyssenKrupp Nirosta 32

17 Anwendungen von Duplex-Stählen Beispiel: Chemikalientanker (1.4462) Quelle: ThyssenKrupp Nirosta 33 Anwendungen von Duplex-Stählen Beispiel: Chemische Anlagen (1.4462) Quelle: Butting 34

18 Anwendungen von Duplex-Stahl Beispiel: Behälter (1.4462) Quelle: Butting 35 Fehler beim Einsatz von Duplex-Stählen Beispiel: Spannungsrisskorrosion an einem Behälter aus durch feuchtes, verunreinigtes (stark säurehaltiges) Chlorbenzol bei 130 C Quelle: Bayer AG Gefügebild 36