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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.
Werkstoffcharakterisierung mittels Röntgenbeugung und FEM am Beispiel des Duplexstahls 1.4462
(2013)
Offshore wind turbines (OWT) are a major goal of the energy strategy of Germany encompassing the increase of the installed wind power. OWT components are manufactured from welded steel plates with thicknesses up to 200 mm. The underlying standards and technical recommendations for construction of OWTs encompass specifications of so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing of the weld joints is allowed. Reason is the increased risk of time-delayed hydrogen assisted cold cracking as hydrogen diffusion is very slow due to the very thick plates. The strict consideration of those long MWT up to 48 h during the construction of OWTs leads to significant financial burden (like disproportionately high costs for installer ships as well as storage problems (onshore)). In this study, weld joints made of S355 ML were examined in comparison with the offshore steel grade S460 G2+M. The aim was to optimize, i.e., reduce, the MWT before NDT considering varied heat input, hydrogen concentration and using self-restraint weld tests. This would significantly reduce the manufacturing time and costs of OWT construction. To quantify the necessary delay time until hydrogen-assisted cold cracks appear, acoustic emission analysis was applied directly after welding for at least 48 h.
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.
Martensitic 9% Cr steels like P91 and P92 show susceptibility to delayed hydrogen assisted cracking depending on their microstructure. In that connection, effective hydrogen diffusion coefficients are used to assess the possible time-delay. Limited data on room temperature diffusion coefficients reported in literature vary widely by several orders of magnitude (mostly attributed to variation in microstructure). Especially P91 weld metal diffusion coefficients are rare so far. For that reason, electrochemical permeation experiments had been conducted using P92 base metal and P91 weld metal (in as-welded and heat-treated condition) with different thicknesses. From the results obtained, diffusion coefficients were calculated using to different methods, time-lag, and inflection point. Results show that, despite microstructural effects, the sample thickness must be considered as it influences the calculated diffusion coefficients. Finally, the comparison of calculated and measured hydrogen concentrations (determined by carrier gas hot extraction) enables the identification of realistic diffusion coefficients.
This study was carried out to investigate the neutron transmission signal as a function of sample temperature during a welding process. A theoretical description that includes the Debye-Waller factor was used to describe the temperature influence on the neutron crosssections. Neutron imaging using a monochromatic beam helps to observe transmission variations related to the material temperature. In-situ neutron imaging of welding experiments show the distribution of the temperature in bulk steel samples. The performed finite element modelling of expected temperature distributions shows good agreement with the obtained experimental data.
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.
Residual stresses are often the cause for cracks in weld constructions. That is why the residual stress level, induced by manufacturing process, plays a crucial role. The present study aims on the effect of multiple repair weld procedures on a high-strength structural steel S690QL. The widespread technology of carbon arc-air gouging was applied. The weld zone and the heat-affected zone (HAZ) were subjected to multiple thermal cycles by gouging and subsequent repair welding. The investigations were focused on the change of the residuals stresses, the impact on the microstructure and the changes for the mechanical properties of the repair welded joint. The residual stresses were determined by X-ray diffraction. The results have shown a significant dependence for the residual stress levels from the repair cycle. In addition, distinctive changes in microstructures and hence mechanical properties occurred. The fusion line of the repair weld and the adjacent HAZ are the most critical areas. This is where the loss of ductility is most pronounced.
Modern methods like carrier gas hot extraction enable the quantification of dissolved hydrogen as well as the determination of the hydrogen trapping and diffusion behavior. This method was applied in order to compare for the first time the hydrogen diffusion and trapping behavior in electrochemically charged and welded duplex stainless steel (1.4462). Characteristic extraction temperatures (400, 650, and 900 °C) were used to quantify the amounts of diffusible hydrogen and trapped hydrogen for the base material and the weld metal, and in order to calculate the effective diffusion coefficients corresponding to the specific temperature. The comparison of the charging methods showed that electrochemically charged samples have a higher content of diffusible hydrogen than the welded samples. In addition, the effusion times increase in welded samples, which indicate a higher amount of trapped hydrogen. In electrochemically charged weld samples, a significant lower concentration of hydrogen was determined than in the base material. In addition, the effective diffusion coefficients were calculated for every microstructure and charging method. It was found that the base material has a higher effective hydrogen diffusion coefficient than that of the weld metal. This effect is due to the tortuous path of hydrogen diffusion in the weld metal.
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
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).