Ein detaillierter Blick auf die Materialauswahl

Die Materialauswahl ist eine wichtige Korrosionsschutzmethode im Konstruktionsdesign. Es spielt eine Rolle bei der effektiven Schätzung der Projektkosten, der Bauplanung und des sicheren Betriebs.

Zu den grundlegenden Konzepten der Materialauswahl gehören:

• Materialtypen :Dies deckt die breite Palette der verfügbaren Materialien ab, die ausgewählt werden können.
• Materialeigenschaften :Dies bezieht sich auf die Untersuchung der mechanischen, physikalischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften, die die Anforderungen für bestimmte Anwendungen/Verwendungen erfüllen.
• Materialökonomie: Dies betrifft die Eigentums-, Kapital-, Wartungs- und Betriebskosten für verschiedene Materialien.

Ein Überblick über gängige Materialien

Es gibt viele technische Materialien in der Industrie. Hier werfen wir einen Blick auf die Eigenschaften einiger der häufigsten.

Kohlenstoffstähle

Kohlenstoffstahl bezieht sich auf eine Familie von Metallen auf Eisenbasis mit weniger als 2 % Kohlenstoff. Kohlenstoffstähle sind dank ihrer einfachen Herstellung, niedrigen Kosten, Verfügbarkeit und hohen Festigkeit die am häufigsten verwendeten Materialien. Kohlenstoffstähle werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Bauteilen bis hin zu Hochdruckgeräten.

Kohlenstoffstähle, die mit geringfügigen Zusätzen von Chrom, Molybdän, Vanadium und Niob legiert sind, gelten als niedriglegierte Stähle. Die Legierungselemente bilden Karbide in der Mikrostruktur und erhöhen die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Materialien bei hohen Temperaturen, wie z. B. in Kraftwerkskesseln.

Bei Minustemperaturen haben Kohlenstoffstähle eine geringere Zähigkeit, daher wird Nickel hinzugefügt, um die Zähigkeit aufrechtzuerhalten. Mit höheren Nickelmengen erweitert sich der Bereich für niedrigere Temperaturen, insbesondere für Flüssiggasanwendungen, um Sprödbrüche in Flüssigerdgas (LNG)- und Flüssiggas (LPG)-Anlagen zu verhindern.

Gusseisen

Gusseisen ist ein Metall auf Eisenbasis mit mehr als 2 % Kohlenstoff. Es ist billig und erfordert keine zusätzliche Behandlung zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts. Es ist jedoch spröde und hat eine begrenzte Schweißbarkeit. Es wird für unkritische Teile in Wasserpumpen und Rohren verwendet und hat eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Kohlenstoffstähle. Grauguss und Sphäroguss sind die gängigsten Gusseisenarten.

Edelstahl (SS)

Edelstahl ist eine Stahlsorte mit mindestens 11 % Chrom in Kombination mit Nickel, Molybdän und Stickstoff. Edelstähle werden zuverlässig in korrosiven Umgebungen in einer Vielzahl von Energie-, chemischen und petrochemischen Industrien eingesetzt. Je nach Legierungsgehalt und Mikrostruktur gibt es verschiedene Arten von Edelstahl.

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Ferritische Edelstähle
Ferritische Edelstähle sind die wirtschaftlichsten Sorten und haben einen sehr geringen Nickelgehalt. Sie sind sensibilisierungsempfindlich und schwer schweißbar und werden daher für unverschweißte Bauteile eingesetzt. Trotz ihrer mäßigen Korrosionsbeständigkeit sind ferritische Edelstähle beständig gegen chloridunterstützte Spannungsrisskorrosion (SCC).

Martensitische Edelstähle
Martensitische Edelstähle haben einen niedrigen Nickelgehalt, mit einer Reihe von Anwendungen, die denen von ferritischen Edelstählen ähnlich sind. Sie haben eine hohe Festigkeit und es gibt viele Rohrleitungen, die aus martensitischen Edelstählen hergestellt werden. Aufgrund ihrer hohen Härte werden sie bevorzugt gegen Erosion eingesetzt.

Austenitische Edelstähle
Austenitische Edelstähle sind die am häufigsten verwendeten Edelstähle in der Industrie. Mit höherem Nickelgehalt haben sie eine gute Korrosionsbeständigkeit und sind leicht herzustellen. Abhängig von der Korrosivität der Umgebung stehen verschiedene Sorten austenitischer Edelstähle zur Auswahl. Einige niedriger legierte Güten haben eine geringe Beständigkeit gegenüber Chlorid-SCC. Austenitische Edelstähle werden häufig in kryogenen Anwendungen eingesetzt.

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Duplex-Edelstähle
Duplex-Edelstähle haben duale Mikrostrukturen, ferritisch und austenitisch, mit kombinierten Eigenschaften. Sie haben eine hohe Festigkeit und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber chloridunterstütztem SCC, wodurch sie sich gut für den Einsatz in Offshore-Anwendungen eignen. Duplex-Edelstähle erben jedoch die geringere Festigkeit der ferritischen Phase.

Ausscheidungsgehärtete Edelstähle
Ausscheidungsgehärtete Edelstähle haben eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, je nach Wärmebehandlung austenitische, halbaustenitische oder martensitische Mikrostrukturen. Obwohl sie gut schweißbar sind, sind ihre Anwendungen begrenzt, beispielsweise für Hochleistungsfedern.

Legierungen

Eine Legierung kombiniert verschiedene Metalle und ermöglicht so unterschiedliche Eigenschaften. Hier sind einige der gebräuchlichsten Legierungen und ihre wichtigsten Eigenschaften.

Nickellegierungen

Nickellegierungen haben eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, sind jedoch aufgrund ihres hohen Nickelgehalts teuer, der normalerweise in Kombination mit anderen Legierungselementen wie Molybdän hinzugefügt wird. Es gibt viele Arten von Nickellegierungen, die mit Markennamen bezeichnet werden, wie Hastelloy, Incoloy, Monel usw. Diese Namen beziehen sich auf abgelaufene Patente, aber das Namenserbe bleibt bestehen. Nickellegierungen sind beständig gegen Chlorid-unterstützte SCC und Sulfid-unterstützte SCC.

Webinar: Die Korrosionsbeständigkeit von Nickellegierungen

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen haben ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine gute Korrosionsbeständigkeit. Sie sind jedoch anfällig für galvanische Korrosion, wenn sie mit Metallen auf Eisenbasis in Kontakt kommen. Da Aluminium eine niedrige Schmelztemperatur hat, ist die Anwendung von Aluminiumlegierungen auf Niedertemperaturanwendungen beschränkt. Aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Leistung und Beibehaltung der Duktilität werden Aluminiumlegierungen in kryogenen Anwendungen wie Wärmetauschern in der LNG-Industrie eingesetzt.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen werden üblicherweise in Meerwasserumgebungen und Wärmetauschern verwendet. Sie haben eine hohe Beständigkeit gegen Biofouling, insbesondere Mikrofouling, und stagnierende Bedingungen, die lokale Korrosion sowie Korrosion im Zusammenhang mit übermäßigem Durchfluss verursachen können. Einige Kupferlegierungen sind in Umgebungen mit Ammoniak anfällig für SCC.

Titanlegierungen

Titanlegierungen haben ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine hohe Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen mit hohem Chloridgehalt. Sie sind jedoch teuer und schwierig herzustellen. Unlegiertes Titan wird häufig in der Industrie verwendet und ist wirtschaftlicher als andere Titansorten.

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Keramik

Aufgrund ihrer Sprödigkeit – und trotz ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit – werden Keramiken nicht in druckbeaufschlagten Geräten eingesetzt. Keramik wird in Hochtemperaturgeräten und -teilen, wie z. B. feuerfesten Materialien, und zum Schutz vor Verschleiß verwendet. Keramiken für feuerfeste Materialien bestehen im Allgemeinen aus einer Kombination von Oxiden von Aluminium, Magnesium und Silizium. Für die Verschleißfestigkeit bestehen Keramiken aus Carbiden oder Nitriden.

Polymere

Polymere werden als Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere verwendet. Die meisten Polymere sind sehr korrosionsbeständig, sogar mehr als viele korrosionsbeständige Legierungen. Polymere haben jedoch eine geringe Festigkeit, niedrige Schmelzpunkte und eine begrenzte UV-Beständigkeit. Bei korrosiven Hochdruckanwendungen können Polymere für korrosionsbeständige Auskleidungen auf Metalloberflächen verwendet werden. HDPE, PVC und PTFE sind Beispiele für Thermoplaste, aber obwohl sie zur gleichen Gruppe gehören, haben sie unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen. Duroplaste werden in der Regel nicht als Feststoffe eingesetzt, sondern als Beschichtungen oder in einer Matrix eines Verbundwerkstoffs. Elastomere haben einzigartige mechanische Eigenschaften und werden zum Abdichten von Komponenten in vielen Druckanwendungen verwendet.

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Composites

Verbundwerkstoffe sind eine Kombination aus zwei oder mehr Materialien, um beide Eigenschaften beider und damit optimale Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung zu erreichen. Die gängigsten Verbundwerkstoffe in der Industrie kombinieren glasfaserverstärkte Polymermatrix und stahlverstärkte Betonmatrix. Faser verleiht hohe Festigkeit und Matrix gibt Zähigkeit und verteilt Spannungen gleichmäßig. Verstärkungsfasern könnten aus Glas, Metall, Kohlenstoff und anderen Polymeren wie Aramid bestehen. E-Glas ist eine häufig verwendete Faser, und es gibt andere Arten von Gläsern, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind, wie C-Glas für chemische Beständigkeit oder R-Glas für Ermüdungsbeständigkeit. Duroplastpolymer ist eine häufig verwendete Verbundmatrix, die einfach herzustellen ist und gute mechanische und korrosionsbeständige Eigenschaften aufweist. Thermoplastisches Polymer wird nicht so häufig verwendet wie duroplastisches Polymer und wird aufgrund seiner hohen Duktilität eher für spulbare Rohre verwendet.

Stahlbeton ist ein lebenswichtiges Konstruktionsmaterial, und Stahlkorrosion tritt in korrosiven Umgebungen wie denen von Meerwasser und Abwasser auf. Beschichtungen, kathodischer Schutz und die Verwendung von Edelstählen werden verwendet, um Korrosion zu mindern.

Bei der Materialauswahl zu berücksichtigende Faktoren

Im Allgemeinen umfassen die wichtigsten Faktoren, die für Materialien berücksichtigt werden, unter anderem:

• Mechanische Eigenschaften
• Korrosionseigenschaften
• Gesamtbetriebskosten
• Verfügbarkeit
• Einfache Herstellung

Bei tragenden Anwendungen werden die mechanischen Eigenschaften überprüft, um die strukturelle Integrität sicherzustellen. Die mechanischen Eigenschaften von technischen Werkstoffen variieren stark, abhängig von Mikrostrukturen, chemischer Zusammensetzung und Herstellungsprozessen. Die Sorten werden international oder lokal von Leitungsgremien wie ASTM, ISO oder JIS standardisiert. Zu den grundlegenden mechanischen Eigenschaften gehören unter anderem:

• Zugfestigkeit
• Aufprallenergie
• Dehnung
• Härte
• Müdigkeit
• Bruchzähigkeit
• Kriechen
• Andere Faktoren abhängig von der spezifischen Anwendung

Die Eigenschaften werden üblicherweise durch zerstörende Prüfung von Proben aus Herstellungsprozessen ermittelt, und die Ergebnisse werden in Materialzertifikaten angegeben. Vorher werden jedoch spezielle mechanische Tests durchgeführt, um Streitigkeiten zwischen Käufern und Herstellern zu vermeiden.

Materialien zersetzen sich im Laufe der Zeit durch umweltbedingte Reaktionen, die als Korrosion bezeichnet werden. Die Umweltkorrosivität variiert je nach Art der Umgebung, ausgewählten Materialien und Anwendung. Materialien müssen richtig ausgewählt werden, um Zuverlässigkeit und sicheren Betrieb während der Lebensdauer der Anwendung zu gewährleisten.

Korrosion kann durch die Atmosphäre, den Boden, das Wasser, Chemikalien, Öl und Gas und Mikroorganismen sowie durch verschiedene Korrosionsmittel verursacht werden, die verschiedene Arten von Korrosion verursachen. Die Materialauswahl zum Zwecke der Korrosionsminderung erfolgt im Allgemeinen wie folgt:

• Thermodynamische Korrosionsdiagramme/-diagramme
• Korrosionsmodelle
• Chemische Kompatibilitätstabellen
• Labortests (potentiodynamische Polarisation, Immersion, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Spannungsrisskorrosion)
• Empfehlungen von Technologielizenzgebern
• Operatives Feedback

Thermodynamische Korrosionsdiagramme/-diagramme

Korrosionsdiagramme/-diagramme basieren auf Datenerhebungen aus Labortests und/oder Feldtests. Die gesammelten Daten basieren auf Parametern, die in Labortests oder Feldtests untersucht wurden.

Korrosionsmodelle

Korrosionsmodelle werden verwendet, um Korrosionsraten basierend auf empirischen Formeln vorherzusagen. Die Modelle werden in Form von proprietären Softwareprogrammen oder in Excel-Tabellen mit eingegebenen Eingabeparametern verwendet. Es gibt Modelle für CO₂ Korrosion, Sauerstoffkorrosion und Risswachstumsrate. Die Genauigkeit der Modelle kann variieren, da nicht alle Korrosionsparameter in den Modellen enthalten sein können, die empirisch aus experimentell gewonnenen Daten generiert werden.

Chemische Kompatibilitätstabellen

Tabellen oder Diagramme zur chemischen Kompatibilität sind qualitative Hilfsmittel zur Bestimmung der Kompatibilität zwischen den Umgebungsbedingungen und den ausgewählten Materialien für eine Anwendung. In einigen Situationen sind zusätzliche Untersuchungen und Tests erforderlich, um die Kompatibilität eines ausgewählten Materials besser zu bestimmen.

Labortests

Labortests werden in Fällen durchgeführt, in denen Analysedaten benötigt werden, um die Leistung ausgewählter Materialien unter simulierten Umgebungsbedingungen zu bewerten. Die Umgebungsbedingungen, Laboraufbauten und Versuchsbedingungen sind in einer standardisierten Laborumgebung angeordnet, um sicherzustellen, dass die erhaltenen Daten die Parameter darstellen, die für eine effektive und geeignete Materialauswahl verwendet werden.

Empfehlungen für Technologielizenzgeber

Einige Verarbeitungstechnologien sind urheberrechtlich geschützt, und die Know-how-Vereinbarungen sind Eigentum von Lizenzgebern. Von Lizenzgebern ausgewählte Materialien stellen häufig die Mindestanforderungen für Gewährleistungszwecke dar.

Operatives Feedback

Operatives Feedback aus tatsächlichen Erfahrungen ist wertvoll, da sie feldbasierte Daten in Echtzeit liefern. Die Sammlung historischer Daten (Änderungen der Betriebsparameter, Materialzertifikate, Schweißverfahrensspezifikation (WPS)/ Verfahrensqualifikationsaufzeichnungen (PQR), Inspektionsberichte, Fehleranalyseberichte usw.) sind entscheidend, um die Auswahl geeigneter Materialien zu gewährleisten.

Bewertung der Materialkosten-Auswahlentscheidungen

Die Kosten spielen bei der Materialauswahl eine wichtige Rolle, und das Gleichgewicht zwischen Kapitalausgaben (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX) ist entscheidend. Material- und Korrosionsingenieure sollten Materialien auswählen, die sowohl Budget- und Kostenaspekte als auch Leistung erfüllen. Die Bedeutung von CAPEX liegt nicht nur in den ausgewählten Schüttgütern, sondern auch in den Herstellungsprozessen und Produktformen. Die Auswirkungen von OPEX liegen in der Reparatur und dem Austausch korrodierter Materialien sowie in der Korrosionskontrolle, der Korrosionsüberwachung und der Injektion von Korrosionsinhibitoren. Die Verwendung von Kohlenstoffstahl kann zu niedrigen CAPEX, aber zu hohen OPEX führen, und die Verwendung von Edelstahl wirkt sich jeweils auf die entgegengesetzte Weise aus.

Auch die Materialverfügbarkeit spielt eine entscheidende Rolle, insbesondere im Hinblick auf den Projektzeitplan. Die Verwendung von proprietären Materialien kann beispielsweise aufgrund von Einschränkungen im Zusammenhang mit den Lieferanten, geringen Mengen oder Lagerbeständen, die eine Mindestbestellmenge erfordern könnten, in Situationen, die die Kosten erhöhen könnten, länger als gewöhnlich bei der Lieferung dauern.

Schwierig herzustellende Materialien können den Projektplan erheblich beeinträchtigen, wenn sie nicht frühzeitig geplant werden, insbesondere wenn sie in großen Mengen verwendet werden. Beispielsweise können Materialien, die eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) benötigen, Tausende von Schweißungen in Öl- und Gasanlagen sowie Tausende von Arbeitsstunden erfordern, um die PWHT-Anforderungen zu erfüllen. Schwierig zu schweißende Materialien können die Schweißgeschwindigkeit verlangsamen und die Reparaturraten erhöhen.

Schlussfolgerung

Die Materialauswahl umfasst komplexe Verfahren, die ein Verständnis der Fehleranfälligkeit und Korrosionsschutzmethoden sowie die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Ingenieurdisziplinen erfordern.