Ermüdung von Ventilplatten infolge Teilcheneinschlags

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1 Ermüdung von Ventilplatten infolge Teilcheneinschlags 1. Vorgeschichte Zu DDR-Zeiten war man bei Salzwedel in der Altmark auf Erdgas gestoßen und förderte dieses auch in beachtlichem Maße. Der Energiegehalt des Gases war relativ gering ( Magergas ). Nahe dem Ort Steinitz hatte man eine Anlage errichtet, welche das Erdgas von den einzelnen Quellen sammelte und in die Fernleitung drückte. Abnehmer des Gases waren das Stickstoffwerk Piesteritz, das Gasturbinenkraftwerk Vockerode und das Gaskombinat Schwarze Pumpe in der Niederlausitz. Herzstück der Verdichterstation Steinitz war ein Kolbverdichter. Anfang des Jahres 1988 fiel der Verdichter aus, weil die Ventilplatten gebrochen waren. Ventilplatten bestehen aus einem vergüteten Stahl, der gewöhnlich 1% Kohlenstoff und 0,4% Mangan enthält. Angeliefert wurden zwei Platten (A und B). 2. Untersuchungen Platte A Aus der Übersichtsaufnahme ergibt sich, dass die Bruchfläche senkrecht zur Oberfläche liegt und eben ausgebildet ist, von einigen Aufreißungen in der Mitte abgesehen. Von beiden Seiten der Platte her sind Risse eingelaufen; die Platte wurde doppelseitig gebogen (Bild 1). Bild 1: Übersichtsaufnahme; Risse von beiden Seiten einlaufend

2 Direkt unter der Bruchfläche findet sich ein weiterer Riss, welcher eine Länge von etwa 1 mm aufweist (Bild 2). Bild 2: Nebenriss unter der Bruchfläche Bild 1) Das Zentrum des Nebenrisses wird durch einen Krater in der Ausdehnung von etwa 50 µm gebildet (Bild 3). Erkennbar ist, dass der Krater als Startpunkt von Bruchbahnen gedient hat (Bild 4). Bild 3: Krater als Zentrum des Risses Bild 2)

3 Bild 4: Bruchbahnen haben ihren Ausgangspunkt am Krater Bild 3) Im Folgenden werden weitere Bereiche der Plattenoberfläche betrachtet. Ein länglicher Krater in der Länge von 30 µm diente als Keim eines Risses, der seinerseits etwa 200 µm lang ist (Bild 5 und Bild 6). Bild 5: Krater als Risskeim Bild 6: Krater lang und scharfkantig ausgebildet Bild 5)

4 Ein kegelförmiger Krater, welcher als Rissausgangspunkt diente, ist in Bild 7 zu sehen. Der Krater hat eine Ausdehnung von 50 µm; der Riss ist 200 µm lang. Bild 7: scharfkantiger Krater als Zentrum eines Risses Flache Krater haben in Bild 8 und Bild 9 als Riss-Starter gedient. Bild 8: weitere Krater und Risse Bild 9: flache Eindruckstellen als Keime von Rissen in der Länge von µm Bild 8)

5 Bei höherer Vergrößerung zeigt die Bruchfläche feine Bruchbahnen, auf welchen sich eine Querstreifung andeutet. Gröbere Querstrukturen ergeben sich aus der Anwesenheit von Einschlüssen (Sulfide), die den Risslauf unterbrochen haben. Schwach werden auch Karbide sichtbar (Bild 10). Bild 10: Bruchfläche, Einschluss-Spalten, feinste Streifung und Karbide angedeutet (Vergrößerungsfolge) Platte B Bei dieser Platte ist der Bruch einseitig und etwa senkrecht eingelaufen, biegt dann aber in die 45 o -Lage ab. Die Bruchfläche zeigt sich relativ rau. Herstellungsriefen dienten als Riss-Starter (Bild 11). Bild 11: Bruchfläche parallel zu Bearbeitungsriefen

6 Wo eine Riefe verflacht, wechselt die Bruchfläche in die nächste Riefe (Bild 12). Bild 12: rissführende Riefe verflacht, dort Sprung der Bruchfläche Bild 11, unten) Bei höherer Vergrößerung offenbart sich eine leichte Verätzung, welche die Riefen verbreitert und eingeebnet hat (Bild 13). Bild 13: Riefen durch Korrosion verbreitert Bild 11, oben)

7 Auf der Bruchfläche finden sich Waben und Spaltflächen (Bild 14 und Bild 15). Bild 14: Bruchfläche von Probe B; Waben und Ansätze von Spaltflächen Bild 15: Spaltflächen Bild 14, unten) 3. Diskussion Zwei gebrochene Ventilplatten aus einem Kolbenverdichter wurden untersucht. Bei der ersten Probe (A) dienten Einschlagstellen von Festkörpern als Riss-Starter. Mit feinen Bruchbahnen, welche andeutungsweise eine Querstreifung tragen, fanden sich die mikroskopischen Merkmale eines Ermüdungsbruches. Bei der zweiten Probe (B) war der Bruch von Bearbeitungsriefen ausgegangen. Auf der Bruchfläche zeigten sich Spaltflächen, vermischt mit Wabengebieten, was einen sprödduktilen Gewaltbruch kennzeichnet. Es handelt sich somit um einen Folgeschaden. Punktuelle Defekte sind grundsätzlich in der Lage, der Ermüdung als Angriffspunkt zu dienen. So sieht man das oft, wenn ein Teil von Lochfraß befallen ist. Der Start an Einschlagkratern stellt dagegen ein seltenes Ereignis dar. Dem Verdichter musste also eine Filteranlage vorgeschaltet werden. Martin Möser, 14. August 2012