Strategische Materialauswahl: Design, Kosten und Langlebigkeit schützen

Materialauswahl ist eine wichtige Korrosionskontrollmethode im Engineering-Design. Sie spielt eine Rolle bei der effektiven Schätzung von Projektkosten, Bauplanung und sicherem Betrieb.

Die grundlegenden Konzepte der Materialauswahl umfassen:

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

Überblick über gängige Materialien

Es gibt viele Engineering-Materialien in der Industrie. Hier betrachten wir die Eigenschaften einiger der häufigsten.

Kohlenstoffstähle

Kohlenstoffstahl bezeichnet eine Familie eisenbasierter Metalle mit weniger als 2 % Kohlenstoff. Kohlenstoffstähle sind die am häufigsten verwendeten Materialien aufgrund ihrer einfachen Verarbeitbarkeit, niedrigen Kosten, Verfügbarkeit und hohen Festigkeit. Kohlenstoffstähle werden in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt, von Strukturkomponenten bis hin zu Hochdruckgeräten.

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

Bei unter Null Temperaturen haben Kohlenstoffstähle weniger Zähigkeit, daher wird Nickel hinzugefügt, um Zähigkeit zu erhalten. Mit höheren Nickelanteilen erhöht sich der Bereich für niedrigere Temperaturen, besonders für Flüssiggas-Anwendungen, um spröde Brüche in Flüssigerdgas (LNG) und Flüssigpetroleumgas (LPG) Geräten zu verhindern.

Gusseisen

Gusseisen ist ein eisenbasiertes Metall mit mehr als 2 % Kohlenstoff. Es ist billig und erfordert keine zusätzliche Behandlung zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts. Es ist jedoch spröde und hat begrenzte Schweißbarkeit. Es wird für nicht-kritische Teile in Wasserpumpen und Rohren verwendet und hat Korrosionsbeständigkeit ähnlich wie Kohlenstoffstähle. Grauguss und Kugelgraphitguss (duktiles Gusseisen) sind die häufigsten Gusseisentypen.

Edelstahl (ES)

Edelstahl ist ein Stahltyp mit mindestens 11 % Chrom, in Kombination mit Nickel, Molybdän und Stickstoff. Edelstähle werden zuverlässig in korrosiven Umgebungen in einer Vielzahl von Energie-, Chemie- und Petrochemieindustrien eingesetzt. Es gibt mehrere Arten von Edelstahl, abhängig von Legierungsinhalten und Mikrostrukturen.

Lesen Sie: Eine Einführung in Edelstähle

Ferritische Edelstähle
Ferritische Edelstähle sind die wirtschaftlichsten Typen und haben sehr niedrigen Nickelgehalt. Sie sind anfällig für Anlaufen (Sensitisierung) und schwer zu schweißen und werden daher für ungeschweißte Komponenten verwendet. Trotz ihrer moderaten Korrosionsbeständigkeit sind ferritische Edelstähle beständig gegen chloridunterstützte Spannungsrisskorrosion (SCC).

Martensitische Edelstähle
Martensitische Edelstähle haben niedrigen Nickelgehalt, mit einem Verwendungsbereich ähnlich wie ferritische Edelstähle. Sie haben hohe Festigkeit und es gibt viele Pipelines, die aus martensitischen Edelstählen gefertigt sind. Ihre hohe Härte macht sie bevorzugt für den Einsatz gegen Erosion.

Austenitische Edelstähle
Austenitische Edelstähle sind die am häufigsten in der Industrie verwendeten Edelstähle. Mit höherem Nickel haben sie gute Korrosionsbeständigkeit und sind leicht zu verarbeiten. Es gibt verschiedene Güten austenitischer Edelstähle, die je nach Korrosivität der Umgebung ausgewählt werden können. Einige niedriger legierte Güten haben geringe Beständigkeit gegen Chlorid-SCC. Austenitische Edelstähle werden umfangreich in kryogenen Anwendungen eingesetzt.

Lesen Sie: 12 Dinge, die Sie über austenitischen Edelstahl wissen müssen

Duplex-Edelstähle
Duplex-Edelstähle haben duale Mikrostrukturen, ferritisch und austenitisch, mit kombinierten Eigenschaften. Sie haben hohe Festigkeit und sehr gute Korrosionsbeständigkeit, besonders gegen chloridunterstützte SCC, was sie gut für Offshore-Anwendungen macht. Allerdings erben Duplex-Edelstähle die geringere Festigkeit der ferritischen Phase.

Ausgefallene gehärtete Edelstähle
Ausgefallene gehärtete Edelstähle haben hohe Festigkeit und Zähigkeit, aus austenitischen, halbaustenitischen oder martensitischen Mikrostrukturen, abhängig von der Wärmebehandlung. Obwohl sie gute Schweißbarkeit haben, sind ihre Anwendungen begrenzt, wie für Hochleistungsfedern.

Legierungen

Eine Legierung kombiniert verschiedene Metalle, um unterschiedliche Eigenschaften zu ermöglichen. Hier sind einige der häufigsten Legierungen und ihre Schlüsselmerkmale.

Nickellegierungen

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

Webinar: Die Korrosionsbeständigkeit von Nickellegierungen

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen haben ein gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und gute Korrosionsbeständigkeit. Sie sind jedoch anfällig für Kontaktkorrosion, wenn sie in Kontakt mit eisenbasierten Metallen stehen. Da Aluminium eine niedrige Schmelztemperatur hat, ist die Anwendung von Aluminiumlegierungen auf Niedrigtemperaturanwendungen beschränkt. Aufgrund ihrer ausgezeichneten thermischen Leistung und Duktilitätserhaltung werden Aluminiumlegierungen in kryogenen Anwendungen verwendet, wie Wärmetauscher in der LNG-Industrie.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen werden häufig in Meerwasserumgebungen und Wärmetauschern verwendet. Sie haben hohe Beständigkeit gegen Biofouling, besonders Mikrofouling, und Stagnationsbedingungen, die lokalisierte Korrosion verursachen können, sowie Korrosion im Zusammenhang mit übermäßigem Durchfluss. Einige Kupferlegierungen sind anfällig für SCC in Umgebungen, die Ammoniak enthalten.

Titanlegierungen

Titanlegierungen haben ein gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und hohe Korrosionsbeständigkeit in hochchloridhaltigen Umgebungen. Sie sind jedoch teuer und schwierig zu verarbeiten. Unlegiertes Titan wird in der Industrie häufig verwendet und ist wirtschaftlicher als andere Titangüten.

Lesen Sie: 5 Dinge, die Sie über Titan-Korrosion wissen und verstehen müssen

Keramiken

Wegen ihrer spröden Natur – und trotz ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit – werden Keramiken nicht in druckführenden Geräten verwendet. Keramiken werden in Hochtemperaturgeräten und -teilen verwendet, wie Feuerfestmaterialien, und zum Schutz gegen Verschleiß. Keramiken für Feuerfestmaterialien bestehen allgemein aus einer Kombination von Oxiden von Aluminium, Magnesium und Silicium. Für Verschleißfestigkeit bestehen Keramiken aus Karbiden 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 niedrige Festigkeit, niedrige Schmelzpunkte und begrenzte UV-Beständigkeit. In korrosiven Hochdruckanwendungen können Polymere als korrosionsbeständige Auskleidungen auf Metalloberflächen verwendet werden. HDPE, PVC und PTFE sind Beispiele für Thermoplaste, aber trotz ihrer Zugehörigkeit zur gleichen Gruppe haben sie unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen. Duroplaste werden normalerweise nicht als Festmaterialien verwendet, sondern eher als Beschichtungen oder in einer Matrix eines Verbundwerks. Elastomere haben einzigartige mechanische Eigenschaften und werden für Dichtungskomponenten in vielen druckbeaufschlagten Anwendungen verwendet.

Lesen Sie: Die Korrosion von Polymerwerkstoffen

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe sind eine Kombination von zwei oder mehr Materialien, um Eigenschaften beider zu erreichen und daher optimale Charakteristika für eine bestimmte Anwendung. Die häufigsten Verbundwerkstoffe in der Industrie kombinieren glasfaserverstärkt in Polymermatrix und stahlverstärkt in Betonmatrix. Fasern geben hohe Festigkeit und Matrix gibt Zähigkeit, verteilt Spannung gleichmäßig. Verstärkungsfasern könnten aus Glas, Metall, Kohlenstoff und anderen Polymeren wie Aramid hergestellt werden. E-Glas ist eine häufig verwendete Faser, und es gibt andere Glasarten, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind, wie C-Glas für chemische Beständigkeit oder R-Glas für Ermüdungsbeständigkeit. Duroplastisches Polymer ist eine häufig verwendete Verbundmatrix, die einfach herzustellen ist und gute mechanische und korrosionsbeständige Eigenschaften hat. Thermoplastisches Polymer wird nicht so häufig wie duroplastisches Polymer verwendet und neigt dazu, für spulbare Rohre aufgrund seiner hohen Duktilität verwendet zu werden.

Stahlbewehrter Beton ist ein wichtiges Strukturmaterial, und Korrosion von Stahl tritt in korrosiven Umgebungen wie Meerwasser und Abwasser auf. Beschichtungen, Kathodischer Schutz und Verwendung von Edelstählen werden zur Korrosionsminderung eingesetzt.

Faktoren, die bei der Materialauswahl zu berücksichtigen sind

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

• Mechanische Eigenschaften
• Korrosionseigenschaften
• Gesamtkosten des Eigentums (Total Cost of Ownership)
• Verfügbarkeit
• Einfache Verarbeitbarkeit

Für tragfähige Anwendungen werden mechanische Eigenschaften geprüft, um strukturelle Integrität zu gewährleisten. Mechanische Eigenschaften von Engineering-Materialien variieren stark, abhängig von Mikrostrukturen, chemischer Zusammensetzung und Fertigungsprozessen. Die Sorten werden international oder lokal von Gremien wie ASTM, ISO oder JIS standardisiert. Grundlegende mechanische Eigenschaften umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

• Zugfestigkeit
• Schlagenergie
• Dehnung
• Härte
• Ermüdung
• Bruchzähigkeit
• Kriechen
• Andere Faktoren je nach spezifischer Anwendung

Die Eigenschaften werden üblicherweise aus zerstörenden Tests von Proben aus Fertigungsprozessen gewonnen, und die Ergebnisse werden in Materialzertifikaten angegeben. Spezialisierte mechanische Tests werden jedoch im Voraus durchgeführt, um Streitigkeiten zwischen Käufern und Herstellern zu vermeiden.

Materialien degradieren im Laufe der Zeit durch umweltinduzierte Reaktionen, die Korrosion genannt werden. Umweltkorrosivität variiert je nach Art der Umgebung, ausgewählten Materialien und Anwendung. Materialien müssen ordnungsgemäß ausgewählt werden, um Zuverlässigkeit und sicheren Betrieb während der Anwendungslebensdauer zu gewährleisten.

Korrosion könnte durch Atmosphäre, Boden, Wasser, Chemikalien, Öl und Gas und Mikroorganismen induziert werden, und durch verschiedene Korrodentien, die unterschiedliche Korrosionsarten verursachen. Materialauswahl zum Zweck der Korrosionsminderung verwendet allgemein Folgendes:

• Thermodynamische Korrosionsdiagramme/Charts
• Korrosionsmodelle
• Chemische Verträglichkeitstabellen
• Laborprüfungen (potentiodynamische Polarisation, Immersion, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Spannungsrisskorrosion)
• Technologielizenzgeber-Empfehlungen
• Betriebsfeedback

Thermodynamische Korrosionsdiagramme/Charts

Korrosionsdiagramme/Charts basieren auf Datensammlung aus Laborprüfungen und/oder Feldleistung. Die gesammelten Daten basieren auf Parametern, die in Laborprüfungen 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 von Modellen kann variieren, da nicht alle Korrosionsparameter in den Modellen erfasst werden können, die empirisch aus experimentell gewonnenen Daten generiert werden.

Chemische Verträglichkeitstabellen

Chemische Verträglichkeitstabellen oder Charts sind qualitative Werkzeuge, um die Verträglichkeit zwischen den Umweltbedingungen und den für eine Anwendung ausgewählten Materialien zu bestimmen. Für einige Situationen sind zusätzliche Untersuchungen und Tests erforderlich, um die Verträglichkeit eines ausgewählten Materials besser zu bestimmen.

Laborprüfungen

Laborprüfungen werden für Fälle durchgeführt, für die analytische Daten benötigt werden, um die Leistung ausgewählter Materialien in simulierten Umweltbedingungen zu bewerten. Die Umweltbedingungen, Laboreinrichtungen und experimentellen Bedingungen werden in einer standardisierten Laborumgebung angeordnet, um sicherzustellen, dass die erhaltenen Daten die Parameter repräsentieren, die für eine effektive und geeignete Materialauswahl verwendet werden.

Technologielizenzgeber-Empfehlungen

Einige Verarbeitungstechnologien sind proprietär, und die Know-how-Vereinbarungen gehören Lizenzgebern. Von Lizenzgebern ausgewählte Materialien stellen oft die Mindestanforderungen für Garantiezwecke dar.

Betriebsfeedback

Betriebsfeedback aus tatsächlichen Erfahrungen ist wertvoll, da es Echtzeit-Felddaten bietet. Historische Datensammlung (Betriebsparameteränderungen, Materialzertifikate, Schweißverfahrensspezifikation (WPS)/Verfahrensqualifikationsaufzeichnungen (PQR), Inspektionsberichte, Schadensanalyseberichte usw.) sind entscheidend, um geeignete Materialauswahl zu garantieren.

Bewertung der Kosten von Materialauswahlentscheidungen

Kosten sind eine wichtige Überlegung bei der Materialauswahl, und das Gleichgewicht von Kapitalausgaben (CAPEX) und Betriebsausgaben (OPEX) ist entscheidend. Material- und Korrosionsingenieure sollten Materialien auswählen, die die Überlegungen zu Budget und Kosten sowie Leistung erfüllen. Die Bedeutung von CAPEX liegt nicht nur in den ausgewählten Basismaterialien, sondern auch in den Fertigungsprozessen und Produktformen. Die Auswirkung von OPEX liegt in der Reparatur und dem Austausch korrodierter Materialien sowie in Korrosionskontrolle, Korrosionsüberwachung und Korrosionsinhibitor-Injektion. Die Verwendung von Kohlenstoffstahl könnte niedrige CAPEX, aber hohe OPEX bedeuten, und die Verwendung von Edelstahl wirkt sich in die entgegengesetzte Richtung aus.

Materialverfügbarkeit spielt auch eine entscheidende Rolle, besonders bezüglich Projektzeitplan. Verwendung von proprietären Materialien könnte beispielsweise länger dauern als üblich bei der Lieferung aufgrund von Einschränkungen bei Lieferanten, geringen Mengen oder Beständen, die Mindestbestellmengen erfordern könnten, in Situationen, die Kosten erhöhen könnten.

Schwer zu verarbeitende Materialien könnten den Projektzeitplan erheblich beeinflussen, wenn nicht frühzeitig geplant, besonders wenn sie in großen Mengen verwendet werden. Beispielsweise könnten Materialien, die eine Nachschweiß-Wärmebehandlung (PWHT) erfordern, Tausende von Schweißnähten in Öl- und Gasanlagen sowie Tausende von Arbeitsstunden erfordern, um PWHT-Anforderungen zu erfüllen. Schwer zu schweißende Materialien könnten die Schweißgeschwindigkeiten verlangsamen und die Reparaturraten erhöhen.

Fazit

Materialauswahl involviert komplexe Verfahren, die Verständnis von Versagensanfälligkeiten und Korrosionskontrollmethoden sowie Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Engineering-Disziplinen erfordern.