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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.
Das Kapitel beginnt mit einer kurzen Einführung über die Korrosion (Wechselwirkung zwischen einem Metall, einer korrosiven Umgebung und der der jeweiligen Konstruktion). Im zweiten Abschnitt werden die wichtigsten Formen der wässrigen elektrochemischen Korrosion (Flächenkorrosion, galvanische, selektive und interkristalline Korrosion sowie Loch- und Spaltkorrosion) betrachtet. Darüber hinaus wird die elektrochemische Korrosion unter mechanischer Belastung betrachtet (Spannungsrisskorrosion, wasserstoffunterstützte Rissbildung, Korrosionsermüdung), sowie Sonderformen der Korrosion (Erosion, Fretting und mikrobiologisch induzierte Korrosion). Der dritte Abschnitt befasst sich mit der chemischen und Hochtemperaturkorrosion (Oxidation, Aufkohlung, Hochtemperatur-Wasserstoffangriff, Aufschwefelung, Nitrierung, Halogenierung). Zusätzlich enthält das Kapitel Maßnahmen zur Vermeidung der Korrosion.
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.
Hydrogen might cause severe degradation of supermartensitic stainless steels, if they are activated during exposure to sour environments. Consistent and comprehensive data for hydrogen transport in these materials are thus required to support, in particular, modelling of hydrogen assisted cracking as a part of life time assessment of welded steel components. In addition to previously published diffusion coefficients and subsurface concentrations of a supermartensitic stainless steel further data dependent on heat treatment are provided by this contribution. Furthermore, a higher alloyed material has been investigated in the state as received and also in the quenched condition, in order to approach the influences of chemical composition on hydrogen transport in supermartensitic stainless steels. With respect to welding it turned out that the diffusion coefficient and the subsurface concentration are markedly dependent on heat treatment of the materials.
Hydrogen assisted stress corrosion and cold cracking represent still a major topic regarding the safety of welded steel components against failure in many industrial branches. Hydrogen might be introduced during fabrication welding or might be taken up from an environment during sour service or at cathodic protection. Additionally, understanding and avoidance of hydrogen entry into weld microstructures from gaseous pressurized environments becomes increasingly important for renewable energy components. There are two types of metallurgical mechanisms associated with hydrogen assisted cracking, i.e. the cracking as well as hydrogen transport and trapping mechanisms. For numerical modelling, it has to be considered that both types are not independent of each other, that the mechanisms are not yet completely clarified and that validation of such models strongly depends on implementation of the correct hydrogen related materials properties. However, quite significant achievements have been made in modelling of hydrogen assisted cracking by indirect coupling of thermal, stress-strain as well as hydrogen uptake and diffusion analyses. After a brief introduction into the subject and by revisiting various proposed cracking mechanisms, the present contribution focuses on recent developments of a numerical model based on a comparison of actual hydrogen concentrations and mechanical loads with respective hydrogen dependent material properties as crack initiation and propagation criteria. The basic procedure for numerical simulation of crack initiation and propagation is outlined and it is shown how such numerical simulations can be validated experimentally. Furthermore, it is highlighted how such a procedure has been extended to a comprehensive model for life time prediction of welded steel pipeline components and experimentally verified. Finally, it is outlined how the model can be extended to simulate cracking in heterogeneous steel microstructures on the different scales.
The high potential of hydrogen as a key factor on the pathway towards a climate neutral economy, leads to rising demand in technical applications, where gaseous hydrogen is used. For several metals, hydrogen-metal interactions could cause a degradation of the material properties. This is especially valid for low carbon and highstrength structural steels, as they are commonly used in natural gas pipelines and analyzed in this work.
This work provides an insight to the impact of hydrogen on the mechanical properties of an API 5L X65 pipeline steel tested in 60 bar gaseous hydrogen atmosphere. The analyses were performed using the hollow specimen technique with slow strain rate testing (SSRT). The nature of the crack was visualized thereafter utilizing μCT imaging of the sample pressurized with gaseous hydrogen in comparison to one tested in an inert atmosphere.
The combination of the results from non-conventional mechanical testing procedures and nondestructive imaging techniques has shown unambiguously how the exposure to hydrogen under realistic service pressure influences the mechanical properties of the material and the appearance of failure.
The explosion of hydrogen gas storage cylinders on May 25, 1894, represents one of the most spectacular failure cases during the late industrialization period in Germany. With respect to modern applications to hydrogen storage as energy carrier, it has several times been referred to as precedent failure case for the whole industrial sector. The detailed investigation reports by Martens have thus gained interest in the last years, but also, because the publications in 1896 about his expertise already provided in September 1894 document one of the first and most comprehensive investigations which can be regarded as a nucleus for modern failure analysis.
After summarizing the newspaper reports in the introduction, the present contribution provides a review of Martens' reports targeted at the development of failure analyses and materials testing procedures as well as potential failure origins.
Welded components of P91 9% Cr steel demand for careful welding fabrication with necessary post weld heat treatment (PWHT). Before the PWHT, a hydrogen removal heat treatment is necessary for avoidance of hydrogen assisted cracking (HAC). In this context, the microstructure and temperature-dependent hydrogen diffusion is important, and reliable diffusion coefficients of P91 weld metal are rare. For that reason, the diffusion behavior of P91 multi-layer weld metal was investigated for as-welded (AW) and PWHT condition by electrochemical permeation experiments at room temperature and carrier gas hot extraction (CGHE) from 100 to 400 °C. Hydrogen diffusion coefficients were calculated, and the corresponding hydrogen
concentration was measured. It was ascertained that both heat treatment conditions show significant differences. At room
temperature the AW condition showed significant hydrogen trapping expressed by to seven times lower diffusion coefficients. A preferred diffusion direction was found in perpendicular direction expressed by high permeability. The CGHE experiments
revealed lower diffusion coefficients for the AW condition up to 400 °C. In this context, a hydrogen concentration of approximately 21 ml/100 g was still trapped at 100 °C. For that reason, a certain HAC susceptibility of as-welded P91 weld metal cannot
be excluded, and hydrogen removal should be done before PWHT.