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Organisationseinheit der BAM
Aus wirtschaftlich-technischer Perspektive ergeben sich in den letzten zehn Jahren hinsichtlich der Werkstoffinnovation und -auswahl für geschweißte Rohrleitungen im Wesentlichen zwei Entwicklungsrichtungen:
Im Bereich der niedriglegierten Stähle werden immer höher festere Feinkombaustähle mit Streckgrenzen von inzwischen über 900 MPa verwendet. Wirtschaftliches Ziel ist hierbei eine möglichst hohe Kosteneinsparung durch Reduktion der Wanddicke.
Für korrosionsbeanspruchte Komponenten, unter anderem im Petrochemie- und Energieanlagenbau besteht das wirtschaftliche Ziel primär darin, eine höhere Kosteneinsparung durch neue Legierungskonzepte zu erzielen und zwar möglichst so, dass bei mindestens gleicher Festigkeit auf die Verwendung von teuren Elementen, wie beispielsweise Nickel, verzichtet werden kann. Beispiele hierfür sind insbesondere hochlegierte martensitische Cr-V-Stähle, supermartensitische Stähle, Lean-Duplexstähle, superaustenitische Stähle und austenitische Cr-Mn-Stähle.
Für einige der neu eingeführten Grundwerkstoffe sind die Zusatzwerkstoffe noch in der Entwicklung. In jedem Fall stellen diese Werkstoffinnovationen besondere Ansprüche hinsichtlich einer Rissvermeidung während der schweißtechnischen Verarbeitung, um von vornherein riss- bzw. fehlerfreie Rohrleitungen herzustellen, die eine hohe Sicherheit gegen ein Versagen während der Inbetriebnahme und im Verlauf der vorgesehenen Lebensdauer aufweisen. Fast alle dieser neu eingeführten Rohrleitungswerkstoffe weisen eine reduzierte Heiß- oder Kaltrissresistenz vor allem während des Schweißens mit modernen Hochleistungsprozessen, bspw. Laserhybridschweißen, auf. Dabei besteht nach wie vor Forschungsbedarf hinsichtlich der jeweiligen Entstehungsmechanismen. Da es in den letzten zehn Jahren immer häufiger zu Produktionsausfällen und Schadensfällen mit teilweise katastrophalen Konsequenzen gekommen ist, werden die Ursachen und die Vermeidung fertigungsbedingter Heiß- und Kaltrisse im Folgenden zusammengefasst.
Schadensfälle in den letzten zehn Jahren mit teilweise katastrophalen Folgen belegen, dass der Vermeidung von Rissen beim Schweißen von Rohrleitungen besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist. In der Analyse solcher Schäden ist zu unterscheiden, ob die Risse bereits während oder kurz nach der schweißtechnischen Fertigung der Rohrkomponenten oder während des anschließenden Betriebes entstanden sind. Im vorliegenden Beitrag wird sich vor allem auf die Vermeidung einer Heiß- und Kaltrissbildung beim Schweißen von Rohrleitungen konzentriert und es werden weitere Forschungsperspektiven abgeleitet.
The present contribution highlights recent trends in investigating hydrogen diffusion and cracking in steel welds. For such studies, supermartensitic stainless steels (SMSS) have exemplarily been selected. These materials have been used for offshore and marine constructions for about two decades now. They present a versatility of improved properties such as high strength to thickness ratio, good weldability and good corrosion resistance. However, as shown by respective failure cases, SMSS welds might become prone to hydrogen assisted cracking and the degradation phenomena are more easily to investigate due to the nearly homogeneous martensitic microstructure than in other materials. Generally, it has to be distinguished between cracking that occurs during or shortly after fabrication welding, or during subsequent operation of SMSS components. In order to achieve crack avoidance during fabrication and service, conclusive test sequences have to be applied, ranging from field tests at real components and full scale tests investigating the materials behavior under real service conditions to basic and small scale tests, such as tensile and corrosion tests, oriented more towards a materials ranking. Considerable testing of SMSS welds has been carried out and the present paper particularly summarizes spotlights on 1:1 scale component testing of welded tubulars, slow strain rate testing and basic tests oriented to elucidate the hydrogen behavior and degradation in SMSS weld microstructures. Also, permeation tests, hydrogen dependent degradation of mechanical properties and thermal desorption spectroscopy are adressed. As a specific item, first results of lately conducted investigations for tracking hydrogen movement in such weld microstructures by using high energy synchrotron radiation are elucidated.
Duplex stainless steels (DSS) are used in various industrial applications, e.g. in offshore construction as well as in chemical industry. But, at specific conditions, as for instance arc welding fabrication, cathodic protection or exposure to sour service environments, such materials can take up hydrogen which may cause significant property degradation particularly in terms of ductility losses which, in turn, may entail hydrogen assisted cracking (HAC). If HAC occurs in a duplex stainless steel the cracking mechanism is different from steels having only one phase, because hydrogen diffusion, stress-strain distribution and crack propagation are totally different in the austenite or ferrite phase. Whereas, the mechanism of hydrogen assisted crack initiation and propagation as well as hydrogen trapping in DSS have not been fully understood up to the present, as in most two-phase microstructures. In order to better understand the mechanisms of hydrogen assisted cracking in duplex stainless steels, knowledge of the diffusion behavior and of the stress-strain distribution in the ferritic and austenitic phase is of great interest. A numerical mesoscale model was created with a view to studying the hydrogen transport and the stresses and strains in each phase of duplex stainless steel. The material investigated in this work was DSS 1.4462, consisting of approximately equal portions of ferrite and austenite. Hydrogen diffusion in the duplex base metal was studied using the finite element program ANSYS. Stress-strain distribution as well as hydrogen assisted cracking in the ferritic and austenitic phase fractions were additionally investigated. The results of numerical simulation of the hydrogen diffusion process as well as structural analyses enable the identification of crack critical areas in the DSS microstructure. Numerical simulations qualitatively reflect the crack initiation and propagation process in ferrite. Crack critical combinations of hydrogen concentrations and local mechanical loads initiating HAC can be identified.
Carbon arc-air gouging is a common technology when repairing defects in welded structures. Often this technique is applied in repeated cycles even on the same location of the joint. Due to the multiple heat input by gouging and subsequent re-welding, the residual stresses are strongly influenced. This can become crucial when microstructure and mechanical properties are adversely affected by multiple weld reparations. Knowledge about the relation of gouging and residual stresses is scarce but important when high strength steels, which are sensitive to residual stresses, are processed. The present study shows the effect of repair welding on a high strength steel structural element. The weld and the heat affected zone were subjected to multiple thermal cycles by gouging and subsequent repair welding. The residual stresses were determined by X-ray diffraction at different positions along the joint. The results showed that the residual stress level has increased by the repair cycles. This is most pronounced for the heat affected zone. Adapted welding procedures may prevent detrimental residual stress distributions.
A two-dimensional numerical mesoscale model has been created representing a microstructure of a typical 2205/1.4462 duplex stainless steel to further elucidate the mechanisms of hydrogen-assisted crack initiation and propagation in multiphase non-hydride forming metallic microstructures. Hydrogen-assisted cracking (HAC) was simulated by considering different stress and strain behavior as well as different diffusion behavior in both phases. For simulation of crack initiation and propagation, the element elimination technique has been applied. The model allows the simulation of path-free crack propagation which contributes to a better understanding of the HAC process in two-phase microstructures. As a particular result, the analyses revealed that a global macroscopic elastic deformation might already cause plastic deformation in both phases entailing respective HAC.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
Supermartensitic stainless steels (SMSS) are a commonly used material nowadays for building offshore structures, i.e. pipelines in the oil and gas industry. The harsh and corrosive environments in oil and gas applications require the correct combination of alloys to attain the desired properties of steel, including high strength and good corrosion properties, even in severe sour service conditions. Welding is the most commonly used method in joining offshore components, depending on requirements requiring strength or fitting. It has been shown that the heat affected zone (HAZ) is more susceptible to certain types of corrosion, including pitting corrosion, especially during severe sour service where a high pH and lower H2S values in the flow medium can lead to pitting corrosion in the HAZ of welded structures. Subsequent hydrogen uptake in the pits can cause cracks to initiate and propagate, leading to rupture of pipelines or catastrophic failures of structures, even at low mechanical loads. Offshore standards allow a certain amount of corrosion, including pitting, to be present before action is required, however the extent of pitting corrosion is not identified by performing visual inspection alone as the subsurface pit diameter may be vastly greater than the pit diameter at the surface. The critical conditions which lead to crack initiation and propagation from a pit with hydrogen uptake are currently not known. Therefore, pitting corrosion and subsequent crack initiation are a danger to the safety of structures. The interest in this phenomenon has resulted in many experimental studies and numerical simulations.
Several numerical models of pitting corrosion and hydrogen uptake resulting in crack initiation are already in existence, but these two phenomena are regularly modelled individually. Thus, a model enabling simulation of both phenomena simultaneously would be of great benefit. Hence, the goal of this study is to develop a model enabling simulation of pit growth and crack initiation, considering hydrogen uptake in the pit from a corrosive environment.
As a first step, this paper presents an investigation into various parameters, which influence crack initiation at pits. These crack critical parameters include: pit geometry, pit location, mechanical load and hydrogen transport into the microstructure. The results will help to identify critical conditions for crack initiation starting at the pit and developing measures to avoid hydrogen assisted cracking (HAC).
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z. B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW).
Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusionskoeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte.
Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespondierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet.
Offshore wind turbines are an important goal in national energy strategies worldwide. Foundation structures are manufactured from submerged arc welded (SAW) plates with thicknesses up to 200 mm. In that connection, high-strength steels like the S420G2+M are more and more applied offering the possibility for increased stability and load-bearing capacity of the foundations. These offshore steel grades can show a susceptibility for delayed hydrogen assisted cold cracking of the weld joints. For that purpose, a minimum waiting time (MWT) of up to 48 h (dependent on applied standards) is recommended before non-destructive testing is allowed and conducted. But this concept is based on older steel grades that have been used for three or more decades. Nowadays, the metallurgical improvements (clean steels, proper rolling, and heat treatment) of base materials and well as welding consumables must be anticipated. Hence, the MWT concept should be critically discussed as it is assumed to be very conservative. For that reason, the focus of this study was to investigate the diffusion behavior in S420G2+M steel and its multi-layer SAW joint. Electrochemical permeation experiments were carried at room temperature. Boundary conditions were anticipated in terms of using different sample thicknesses. From the experimental data, hydrogen diffusion coefficients and absorbed diffusible hydrogen concentrations had been calculated. It was shown that hydrogen diffusion in the base material is increased compared to the weld metal. In addition, the sample thickness had a significant on the calculated diffusion coefficients. The minimum and maximum diffusion coefficients had been used for numerical modelling of the hydrogen diffusion in the welding joint. It became clear that a MWT must be always regarded together with a critical initial diffusible hydrogen concentration for the evaluation of a possible delayed cracking as diffusion times were mostly > 48 h due to the thick plates.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.