SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE

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1 SCHADENSANALYSE GEFÜGTER BAUTEILE Hon.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung Unter den Eichen 87 D Berlin Tel.: Fax: web: INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK Hon.-Professur Schadensanalyse und Schadensprävention Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz Magdeburg iwf@uni-magdeburg.de OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Institut für Werkstoff- und Fügetechnik

2 Übersicht: Vorlesungsthemen II WS 2014/2015 SWS: 2V/1Ü Vorlesung 9 (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) (2h) Schwerpunkte Betrieb gefügter Bauteile II Gewalt- und Schwingbruch von Schweißverbindungen, betriebssichere Auslegung von dynamisch-mechanisch beanspruchten Komponenten Betrieb gefügter Bauteile III Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne mechanische Beanspruchung (Flächenkorrosion, Selektive Korrosion etc.) Betrieb gefügter Bauteile IV Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne mechanische Beanspruchung (Lochkorrosion, Spaltkorrosion) Betrieb gefügter Bauteile V - Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen mit mechanischer Beanspruchung (Spannungsrisskorrosion, Schwingungsrisskorrosion) Spezielle Versagensmechanismen: Hydrogen Assisted Cracking und Liquid Metal Embrittlement Prüfung und Schadensvermeidung an gefügten Bauteilen (Online-Monitoring, Simulationsversuche), Bezüge zwischen Schadensanalyse und Komponentensicherheit (Prüfketten, Bauteiltransfer, Simulationsrechnungen) Wiederholung und Zusammenfassung 2

3 3 Schadensanalyse gefügter Bauteile Vorlesung 10 Betrieb gefügter Bauteile III Spezifische Korrosionsschäden an gefügten Bauteilen ohne mechanische Beanspruchung Flächenkorrosion, Selektive (galvanische) Korrosion, Kontaktkorrosion, Interkristalline Korrosion bearb eitet von: Dr.-Ing. Th. Böllinghaus VP u. Prof.

4 I. Grundlagen der Korrosion Was ist Korrosion und was ist ein Korrosionschaden? Korrosion ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die zur Veränderung seiner Eigenschaften führt. Nicht jede Korrosionsreaktion führt zu einem Korrosionsschaden! Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils Festigkeit Tragfähigkeit Beweglichkeit Dichtheit optische Wirkung Beeinträchtigung der Umgebung Verfärbungen Freisetzung von Stoffen Gefährdung der Umwelt Gefährdung von Menschen Korrosionsschäden verursachen direkte und indirekte Folgekosten. Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006

5 I. Grundlagen der Korrosion Ökonomische Auswirkungen der Korrosion Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006

6 I. Grundlagen der Korrosion

7 I. Grundlagen der Korrosion Ziel von Korrosionsschutzmaßnahmen Ø Sicherer (funktionsgerechter) Betrieb von Bauteilen, Anlagen und Geräten Ø Vermeidung von Korrosionsschäden, nicht aber notwendigerweise Korrosion (Korrosionskontrolle)

8 I. Grundlagen der Korrosion Kostenreduzierung durch Korrosionsschutz Strategisches Ziel: - Vermeidung von Korrosionsschäden (Rückrufaktionen, Reklamationen) Optimierungsziel: - Wahl des kostengünstigsten Schutzsystems - Wartungs- und Inspektionskosten minimieren Marketing: - Korrosionsschutz als Verkaufsargument

9 I. Grundlagen der Korrosion Maßnahmen zum Korrosionsschutz Werkstoff Konstruktion Beanspruchung Ø Werkstoffauswahl Ø konstruktive Gestaltung Ø Minimierung von korrosiven Einflüssen Ø Einsatz von geeigneten Korrosionsschutz-verfahren Ziel von Prüfungen Ø Praxisverhalten Ø Vergleich von Produkten

10 I. Grundlagen der Korrosion Informationsquellen für Entscheidungen zum Korrosionsschutz Ø Erfahrungen Ø Normen, technisch-wissenschaftliche Literatur Ø Korrosionsuntersuchungen und prüfungen Ø Forschung 1 Allgemeines 2 Korrosionsprüfung und untersuchung 3 Beurteilung und Abschätzung des Korrosionsrisikos 4 Schutzmaßnahmen

11 I. Grundlagen der Korrosion Korrosionsarten nach DIN EN 8044 Gleichmäßige Flächenkorrosion Interkristalline Korrosion Muldenkorrosion Lochkorrosion Spaltkorrosion Bimetallkorrosion (Kontaktkorrosion) Mikrobiologisch induzierte Korrosion Spannungsrisskorrosion Schwingungsrisskorrosion

12 I. Grundlagen der Korrosion Korrosion als Bauteileigenschaft Chloridgehalt p H -Wert Konzentrationsunterschiede Medium Redoxpotential Inhibitoren Temperatur Beanspruchung durch ein.. chem. Zusammensetzung Oberfläche Werkstoff Verarbeitung Strömungsbedingungen Elementverteilung Gefügeausbildung Spaltbildung Konstruktion Wärmeübergang Mischinstallation Hinterlüftung Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006

13 I. Grundlagen der Korrosion Ursachen der Korrosion Einfluss des Werkstoffes allein nicht möglich Konstruktionsweise! Beanspruchung bzw. Medium! Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006

14 I. Grundlagen der Korrosion Ursachen der Korrosion Einfluss der Umgebung (Beanspruchung) Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006

15 II. Gleichmäßige Flächenkorrosion Die gleichmäßige Flächenkorrosion wird häufig auch als allgemeine Korrosion oder abtragende Korrosion bezeichnet. Hierzu ist anzumerken, dass eigentlich alle Korrosionsarten von einem Materialabtrag begleitet sind und es keine allgemeine Korrosion gibt. Die gleichmäßige Flächenkorrosion geht von einem gleichförmige Abtrag auf der gesamten, einem korrosiven Medium ausgesetzten Oberfläche eines Bauteiles aus. Dabei wird meistens vorausgesetzt, dass die Werkstoffoberfläche homogen ist. Dies ist bei geschweißten Bauteilen kaum der Fall.

16 III. Selektive Korrosion Entstehung Selektive Korrosion ist eine Korrosionsart, bei der bestimmte Gefügebestandteile, korngrenzennahe Bereiche oder Legierungsbestandteile bevorzugt korrodieren (DIN 50900) Die bevorzugte Korrosion bestimmter Gefügebestandteile setzt die heterogene Gefügeausbildung voraus Schweißverbindungen sind also bevorzugte Angriffsstellen Unedlere (in der Spannungsreihe gegen Wasserstoff positiver) Phase wird anodisch (+) und bildet mit der edleren kathodischen Phase (-) mikroskopische Kontaktelemente aus Schweißgut oder Wärmeeinflusszone erleiden oft (geringfügigen) Abbrand von Legierungselementen (Cr o. a.), Entmischungen oder Ausscheidungsvorgänge und werden dadurch anodisch Korrosionsbeständigkeit des unbeeinflussten Grundwerkstoffes wird häufig in den wärmebeeinflussten Bereichen der Schweißnaht nicht mehr erreicht

17 III. Selektive Korrosion Entstehung in Schweißverbindungen Gefügeveränderungen in Stählen als Folge von Schweißvorgängen

18 III. Selektive Korrosion Arten in Schweißverbindungen Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde

19 III. Selektive Korrosion Interkristalline Korrosion von Schweißverbindungen Interkristalline Korrosion in den sensitivierten WEZ eines Stahles / AISI 304 (Laborversuch Strausstest mit Kupfersulfat) Schweißen von nicht Ti-stabilisierten austenitischen Stählen mit hoher Streckenenergie Ausscheidung von Cr x C y entlang der Korngrenzen Verarmung der Matrix an Cr in den Bereichen nahe den Korngrenzen (Cr << 13 %) Korrosionsangriff in Cl - -haltigen Medien Herauslösen ganzer Austenitkörner Anlasseffekte nachfolgender Lagen beachten Messerlinienkorrosion als besondere Form Interkristalline Korrosion in den sensitivierten WEZ einer Schweißnaht des Werkstoffes Ni Mo 16 Cr Hastalloy C) ASM Handbook Volume 11 Failure Analysis and Prevention Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde

20 III. Selektive Korrosion Interkristalline Korrosion Vermeidung Absenken des Kohlenstoffgehaltes Zugabe von Ti als Stabilisierungselement Wärmebehandlung Vermeidung von Anlauffarben Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006 Interkristalline Korrosion in einer Schweißnaht (Ferritnetz?)

21 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion eines Rohres Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Schaden: Leckagen und Versagen einer Rohrleitung in einer Chemieanlage Bauteil: Rohrabschnitt Beanspruchung: korrosiv (heiße 98% HNO 3 ) über neun Monate Konstruktion: Geschweißte Rohrleitung Werkstoff: Austenitischer Stahl mit hohem Si-Gehalt in heißer Salpetersäure sehr beständig (X 1 Cr Ni Si 18 15) mit begrenztem C- und Si-Gehalt Primärschaden: Selektive Korrosion in der Wärmeeinflusszone Ursache: zu hohe und zu lange Wärmebehandlung nach dem Schweißen Schadensvermeidung: Vermeidung hoher Wärmeeinbringung beim Schweißen (auch von Warmrichten)

22 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion am eingeschweißten Flansch einer Rohrleitung Wendler-Kalsch, Gräfen: Schaden: Korrosionsangriff entlang einer Schweißnaht Korrosionsschadenkunde Bauteil: Rohrflansch Beanspruchung: korrosiv Konstruktion: Geschweißte Rohrleitung Werkstoff: Austenitische Stähle und Primärschaden: Selektive Korrosion entlang des Ferritnetzes Ursache: Ferritbildende Wirkung des beim Schweißen in den Grundwerkstoff eindiffundierenden Molybdäns Schadensvermeidung: Kompensation von Mo durch austenitstabilisierende Elemente wie Ni oder N

23 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion in Form von Interkristalliner Korrosion eines Rohres Schaden: Korrosionsangriff entlang einer Schweißnaht Bauteil: Rohrabschnitt Beanspruchung: korrosiv in 10 % HCl Konstruktion: Geschweißte Rohrleitung Werkstoff: Nickelbasislegierung Ni Mo Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Primärschaden: Interkristalline Korrosion entlang der Wärmeeinflusszone Ursache: Ausscheidungen von Mo-reichen Phasen auf den Korngrenzen in älteren Nickel-Basislegierungen keine Beachtung Kornzerfallsschaubild Schadensvermeidung: Wahl eines anderen Werkstoffes und Vermeidung zu langen Wärmebehandlungen während und nach dem Schweißen

24 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion in Form von Interkristalliner Korrosion Kornzerfallsschaubild der Legierung Ni Mo in 10 % HCl in Abhängigkeit der Glühtemperatur und dauer Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde

25 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion in Form von Interkristalliner Korrosion eines Rohres Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Schaden: Korrosionsangriff entlang einer Schweißnaht Bauteil: Rohrabschnitt Beanspruchung: korrosiv Konstruktion: Geschweißte Rohrleitung Werkstoff: Nickel-Basislegierung Ni Mo 16 Cr Hastalloy C heute nicht mehr erschmolzen Primärschaden: Interkristalline Korrosion entlang der Wärmeeinflusszone Ursache: Ausscheidungen in Nickel- Basislegierungen mit Cr und Mo als Hauptlegierungselementen neigen zur Ausscheidung Cr-reicher Carbide und Cr- und Mo-reichen intermetallischen Phasen mit nachfolgender Verarmung dieser Elemente entlang der Korngrenzen Schadensvermeidung: Wahl einer kürzeren Wärmebehandlung bzw. Wahl von neueren Werkstoffen mit erheblich langsamerer Ausscheidung

26 III. Selektive Korrosion Selektive Korrosion in Form von Messerlinienkorrosion eines Rohres Schaden: Korrosionsangriff entlang einer Schweißnaht Bauteil: Rohrabschnitt Beanspruchung: korrosiv Konstruktion: Geschweißte Rohrleitung Werkstoff: Austenitischer Stahl Primärschaden: Messerlinienkorrosion entlang der Wärmeeinflusszone Ursache: mehrfaches Anlassen infolge der nachträglichen Schweißlagen mit Cr x C y Ausscheidungen Schadensvermeidung: Wahl einer kürzeren Wärmebehandlung Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde

27 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion Entstehung I Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion ist eine beschleunigte Korrosion eines metallischen Bereiches, die auf Korrosionselement, bestehend auf der Paarung Metall/Metall oder Metall/elektronenleitender Festkörper (z. B. eine Dichtung mit Grafitbestandteilen) mit unterschiedlichen Freien Korrosionspotentialen zurückzuführen ist. Hierbei ist der beschleunigt korrodierende Bereich die Anode des Korrosionselementes. Die Kontaktelemente zählen zu den Korrosionselementen und bestehen aus einer Anode, dem unedleren Partner im Kontaktelement und einer Kathode, dem edleren Partner im Kontaktelement (DIN 50900) Die auftretende Korrosionserscheinung ist der ungleichmäßige meist grabenförmige Flächenabtrag. Selektive Korrosion: Korrosion bei überwiegend artgleichen Metallen Kontaktkorrosion: Korrosion bei ungleichen Metall- oder Metall-Nichtmetall Kontaktstellen

28 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion Entstehung II Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Korrosionstromdichte des unedleren Metalles nimmt im Bereich der Kontaktstelle um i Me,1 zu und beim edleren Werkstoff um i Me,2 ab Potentialanhebung beim Kurzschlusselement infolge der Polarisation vergrößert dessen Eigenkorrosion Korrosionsgefährdung des des unedleren Partner hängt nicht von der Höhe der Potentialdifferenz sondern von der Charakteristik der Teilstromdichte-Potential-Kurven ab Mechanismus der Kontaktkorrosion anhand von Stromdichte-Potential-Kurven Ausschlaggebend für die Kontaktkorrosion ist, ob die anodische und die kathodische Teilreaktion ungehindert oder behindert abläuft. Besondere Bedeutung kommt dem Flächenverhältnis von Anode und Kathode zu.

29 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion Vermeidung Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Isolierungen Elektrisch leitende Kontakte vermeiden Feuchtigkeit fernhalten Korrosionsbeständigeren Werkstoff verwenden

30 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion Kontaktkorrosion eines Absperrventiles Schaden: Korrosionsangriff an einem Absperrventil und Ausfall einer Kondensatleitung Bauteil: Absperrventil Beanspruchung: korrosiv Konstruktion: Direkte Werkstoffpaarung Werkstoff: Austenitischer Stahl unlegierter Stahl Primärschaden: Wendler-Kalsch, Gräfen: Korrosionsschadenkunde Kontaktkorrosion im Absperrventil Ursache: Keine galvanische Trennung der unterschiedlich edlen Werkstoffe Schadensvermeidung: Isolierung der unterschiedlich edlen Werkstoffe

31 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion Kontaktkorrosion weitere Beispiele Hochlegierter Stahl / verzinkte Schraube Hochlegierter Stahl Niedriglegierter Stahl / verzinkte Schraube Niedriglegierter und / oder verzinkter Stahl Hochlegierter Stahl / verzinkte Schraube kleine Kathode / große Anode Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006 Hochlegierter Stahl / verzinkte Schraube Spritzwasser

32 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion FAQ I Lochkorrosion durch falschen Werkstoff Isecke: Düsseldorfer Edelstahltage 2006 F: Können nichtrostende Stähle unterschiedlicher Zusammensetzung verschweißt oder verbunden werden? Besteht eine Gefährdung durch Kontaktkorrosion? A: Keine Kontaktkorrosion, da die Freien Korrosionspotentiale gleich sind, aber Eigenkorrosion beachten!

33 IV. Kontaktkorrosion oder Galvanische Korrosion FAQ II F: Kann in Hausinstallationen zur Instandsetzung geschädigter Rohrabschnitte nichtrostender Stahl in Kombination mit Kupfer oder verzinktem Stahl eingesetzt werden? A: Völlig unkritisch bei Cu-Leitungen, da ähnliche Potentiale vorliegen, bei verzinktem Stahl Flächenanteile beachten oder Isolationsstücke verwenden. F: Kann nichtrostender Stahl mit normalem Bewehrungsstahl in Stahlbetonkonstruktionen verbunden werden? A: Kein Problem, da die Potentiale gleich sind. Durch diese Kombination kann bei durchführenden Rohrleitungen galvanische Korrosion vermieden werden.

34 V. Weitere Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung Erosionskorrosion Erosionskorrosion in einem Stahlrohr Kavitationskorrosion Mechanismus der Erosionskorrosion Kavitationskorrosion an einer Einspritzdüse aus niedriglegiertem Stahl 13 Cr Mo 4 4 (Kavitationsmulde mit transkristallinen Anrissen und Aussehen der Innenoberfläche)

35 V. Weitere Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung Liquid Metal Embrittlement von Schweißverbindungen Liquid Metal Embrittlement in der WEZ eines Stahles X 2 Cr Ni Mn (Rissverlauf und Nachweis von Cu mittels Fluoreszenz- Analyse) ASM Handbook Volume 11 Failure Analysis and Prevention Eindringen flüssiger metallischer Phasen und Angriff der Korngrenzen Dadurch Verursachung von Zugspannungen im Gefüge und Rissbildung Vorsicht beim Schweißen mit Befestigungen aus Kupfer Im vorliegenden Fall wurde beim WIG-Schweißen des Stahles unabsichtlich eine Kupferbefestigung mit angeschmolzen