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A large explosion occurred at an oil refinery after a desulfurization reactor cracked, releasing hot, pressurized gasoline. The resulting explosions and fire caused extensive damage and injured some employees. A 1.4 m crack adjacent to a weld seam at a reactor support bracket caused the release. The reactor shell exhibited distinctive circumferential bulging. During service, the reactor was partially filled with ceramic ball grading and catalyst. Gasoline was processed at 150–250 °C and ~24 bar. Each of the reactor's ~20 operating cycles ran for several months until the catalyst was spent, after which the reactor was cooled, depressurized, emptied, and refilled. Upon heating, the thermal expansion of the steel shell (~3 times greater than ceramic) created gaps that were filled as ceramic balls settled. During operation, the catalyst degraded and agglomerated with the ceramic balls, forming a rigid mass. Upon cooling, the rigid mass resisted the vessel's thermal contraction, inducing circumferential tensile stresses and plastic deformation, resulting in permanent bulging of the vessel. Charpy impact energy near the welds was significantly reduced, attributed to thermal and strain aging in the bulged region. Progressive embrittlement and increasing plastic strain led to crack initiation and incremental ductile crack propagation at the support bracket welds over successive cycles. The fracture features were reproduced in laboratory tests at 200 °C. FEM analysis confirmed the proposed mechanism. Two identical vessels showed similar damage but had not yet failed. Recommendations for prevention include design modifications, improved operation and inspection procedures, and updates to relevant standards.
Foundation structures for offshore wind turbines are typically made of heavy plate struc-tural steels, such as S420ML, welded by submerged arc welding. Due to the welding process conditions, higher amounts of hydrogen can be introduced. In this context, large plate thicknesses result in long diffusion paths and a prolonged diffusion time for hydrogen at ambient temperature and possible delayed hydrogen-assisted cold cracking. As a result, hydrogen can accumulate in areas of high mechanical stress and strain. Due to the delayed diffusion, a minimum waiting time of up to 48 h must be observed before non-destructive testing can be performed. In addition, the assessment of possible cold crack locations is very complex. For this reason, a numerical model of a component-like weld test was developed to simulate the temperature field during welding and subsequent cooling. A hydrogen diffusion model based on the temporal-local temperature distribution was established. It was applied to simulate the change of hydrogen distribution as a function of temperature cycle during multi-layer welding and further for the entire waiting time interval ≤ 48 h. As a result, crack critical areas could be evaluated in terms of accu-mulated hydrogen. An advantage of the diffusion model is the simulation of a normalized concentration, i.e. between "0" (no hydrogen) and "1" (max. concentration), which can be scaled to experimentally determined hydrogen concentrations. Finally, selected results for increased real hydrogen ingress are presented, which confirm the relatively high crack resistance of the S420 submerged arc welded joint.
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.
Wasserstoff ist ein notwendiger Baustein zur Erreichung zukünftiger Klimaziele. Für eine schnell hochlaufende Wasserstoffwirtschaft ist es daher notwendig sowohl bestehende Infrastruktur als auch neue Werkstoffe für den sicheren und nachhaltigen Einsatz in Wasserstofftechnologien zu qualifizieren. Die akzeptierten und standardisierten Prüfverfahren zur Ermittlung des Einflusses gasförmigen Wasserstoffs auf die mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe sind meist sehr komplex, mit hohem technologischem und finanziellem Aufwand verbunden und stehen nur Wenigen Instituten weltweit zur Verfügung. Die Hohlzugprüftechnik bietet hier eine kostengünstige und einfach zu realisierende Alternative. Mit der im Jahr 2024 erstmals veröffentlichten ISO 7039 wurde diese Prüftechnik auch für die Wirtschaft anwendbar gemacht. Der Standard gilt allgemein für die Prüfung mit gasförmigen Medien, weist jedoch in Bezug auf die Prüfung mit gasförmigem Wasserstoff noch einige Wissenslücken auf. Im Teilvorhaben H2HohlZug des Leitprojekt TransHyDE werden die Lücken zum Einfluss der Geometrie, Oberflächenqualität sowie Gasreinheit in einzelnen Arbeitspaketen geschlossen und die Erkenntnisse in einen Standard überführt.
Quite a number of models for hydrogen distribution in steels and welds have been developed in the past 20 years. They reach from simple analytical models to more complex two and three dimensional finite element simulations. So far, these models have been used to simulate hydrogen distribution in homogeneous microstructure. This paper contributes to numerical simulation of hydrogen distribution in heterogeneous microstructure, e. g. in a duplex stainless steel microstructure consisting of two phase fractions. Under appropriate conditions, such as cathodic protection, it is possible that hydrogen is absorbed leading to material embrittlement and possibly initiating hydrogen assisted cracking. In order to avoid hydrogen assisted cracking in duplex stainless steels, it is of great interest to know more about the diffusion behavior of the ferrite and austenite phase. A numerical model has been developed that operates on the mesoscale and enables simulation of hydrogen transport in the various phases of a metallic material. As a first application of this model, hydrogen distribution in a duplex stainless steel 1.4462, consisting of approximately equal portions of ferrite and austenite, was simulated using the finite element program package ANSYS. The results reflect the dependency of hydrogen distribution on the microstructural alignment of the ferrite and austenite phase fractions. Crack-critical areas can thus be identified, provided the critical strain-hydrogen combination is known for the respective microstructural phase.
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.
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.
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.
