So optimieren Sie die Auswahl von Schlauchmaterialien mithilfe des PREN-Werts

Trotz ihrer inhärenten Korrosionsbeständigkeit unterliegen Edelstahlrohre, die in einer Meeresumgebung installiert werden, während ihrer erwarteten Lebensdauer verschiedenen Arten von Korrosion. Eine solche Korrosion kann zu diffusen Emissionen, Produktverlusten und potenziellen Risiken führen. Besitzer und Betreiber von Offshore-Plattformen können Korrosionsrisiken von Anfang an reduzieren, indem sie robustere Rohrmaterialien spezifizieren, die eine bessere Korrosionsbeständigkeit bieten. Später müssen sie bei der Inspektion von Chemikalieneinspritz-, Hydraulik- und Impulsleitungen sowie von Prozessinstrumenten und Sensorgeräten wachsam bleiben, um sicherzustellen, dass Korrosion die Integrität der installierten Rohrleitungen nicht gefährdet und die Sicherheit nicht beeinträchtigt.

In vielen Plattformen, Schiffen, Wasserfahrzeugen und Offshore-Anlagen kommt es zu örtlicher Korrosion an Rohren. Eine solche Korrosion kann in Form von Lochfraß oder Spaltkorrosion auftreten, die sich durch die Rohrwand fressen und zur Freisetzung von Flüssigkeiten führen kann.

Die Korrosionsgefahr ist größer, wenn die Betriebstemperaturen der Anwendung erhöht sind. Hitze kann den Abbau des schützenden äußeren passiven Oxidfilms des Rohrs beschleunigen und so die Bildung von Lochfraß begünstigen.

Leider kann es schwierig sein, lokalisierte Lochfraß- und Spaltkorrosion zu erkennen, was es schwieriger macht, diese Korrosionsarten zu identifizieren, vorherzusagen und entsprechend zu konstruieren. Angesichts dieser Risiken sollten Plattformbesitzer, Betreiber und Planer bei der Auswahl des optimalen Rohrmaterials für ihre Anwendung die gebotene Sorgfalt walten lassen. Die Materialauswahl ist die erste Verteidigungslinie gegen Korrosion, daher ist es wichtig, sie richtig zu treffen. Glücklicherweise können sie für ihre Auswahl ein sehr einfaches, aber äußerst wirksames Maß für die Beständigkeit gegen lokale Korrosion verwenden, die sogenannte Pitting Resistance Equivalent Number (PREN). Je höher der PREN-Wert des Metalls ist, desto höher ist seine Beständigkeit gegen lokale Korrosion.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie Lochfraß und Spaltkorrosion erkennen und wie Sie die Auswahl des Rohrmaterials für Öl- und Gasanwendungen in der Schifffahrt basierend auf dem PREN-Wert des Materials optimieren können.

Lokalisierte Korrosion tritt in kleinen Bereichen auf, verglichen mit allgemeiner Korrosion, die gleichmäßiger über die gesamte Metalloberfläche verläuft. Sowohl Lochfraß als auch Spaltkorrosion beginnen sich auf Rohren aus Edelstahl 316 zu bilden, wenn der äußere, chromreiche passive Oxidfilm des Metalls aufgrund der Einwirkung korrosiver Flüssigkeiten, einschließlich Salzwasser, zusammenbricht. Chloridreiche Offshore- und Onshore-Meeresumgebungen sowie erhöhte Temperaturen und sogar Verunreinigungen auf der Rohroberfläche erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass sich dieser passive Film verschlechtert.

Lochfraß. Wenn der Passivfilm auf einem Rohrstück durchbrochen wird, kann Lochfraß entstehen und kleine Hohlräume oder Grübchen in der Rohroberfläche entstehen. Solche Gruben werden wahrscheinlich wachsen, wenn elektrochemische Reaktionen stattfinden, wodurch sich das im Metall enthaltene Eisen in einer Lösung am Boden der Grube auflöst. Das gelöste Eisen diffundiert dann zur Oberseite der Grube und oxidiert zu Eisenoxid oder Rost. Wenn sich eine Grube vertieft, beschleunigt sich die elektrochemische Reaktion, was die Korrosion erhöht und möglicherweise dazu führt, dass die Rohrwände perforieren und Undichtigkeiten verursachen.

Rohre sind anfälliger für Lochfraß, wenn ihre Außenfläche verunreinigt ist (Abb. 1). Beispielsweise können Verunreinigungen durch Schweiß- und Schleifarbeiten die passive Oxidschicht des Rohrs unterbrechen und so zur Bildung und Beschleunigung von Lochfraß führen. Das Gleiche gilt für Verunreinigungen, die durch die bloße Handhabung des Schlauchs entstehen. Darüber hinaus haben feuchte Salzkristalle, die sich beim Verdunsten von Salzwassertröpfchen an Rohren bilden, den gleichen Effekt auf die schützende Oxidschicht und können zu Lochfraß führen. Um diese Art von Kontamination zu vermeiden, halten Sie die Schläuche sauber, indem Sie sie regelmäßig mit frischem Wasser spülen.

Abb. 1: Durch Säuren, Salzwasser und andere Ablagerungen verunreinigte Edelstahlrohre 316/316L sind sehr anfällig für Lochfraß.

Spaltkorrosion. In den meisten Fällen kann der Bediener Lochfraßkorrosion leicht erkennen. Allerdings ist Spaltkorrosion nicht leicht erkennbar, was ein größeres Risiko für Betrieb und Personal darstellt. Sie tritt häufig bei Rohren auf, die enge Zwischenräume zwischen den umgebenden Materialien aufweisen, z. B. bei Rohren, die durch Klemmen an Ort und Stelle gehalten werden, oder bei Rohrverläufen, die eng nebeneinander verlegt sind. Wenn Salzwasser in Spalten eindringt, kann sich in diesem Bereich mit der Zeit eine chemisch aggressive angesäuerte Eisenchloridlösung (FeCl3) bilden, die zu beschleunigter Spaltkorrosion führt (Abb. 2). Da der Spalt selbst das Korrosionsrisiko erhöht, kann Spaltkorrosion bei weitaus niedrigeren Temperaturen auftreten als Lochfraßkorrosion.

Abb. 2: Aufgrund der Bildung einer chemisch aggressiven angesäuerten Eisenchloridlösung im Spalt kann es zwischen Rohren und Rohrhalterungen (oben) sowie bei der Installation von Rohren in der Nähe anderer Oberflächen (unten) zu Spaltkorrosion kommen.

In dem Spalt, der zwischen einem Rohrstück und einer Rohrhalterungsschelle entsteht, ähnelt die Spaltkorrosion zunächst typischerweise einer Lochfraßkorrosion. Allerdings werden die anfänglich flachen Gruben aufgrund eines Anstiegs der Fe++-Konzentration in der Flüssigkeit innerhalb des Spalts größer und tiefer, bis sie den gesamten Spalt bedecken. Letztendlich kann die Spaltkorrosion das Rohr perforieren.

Enge Spalten bergen die größte Korrosionsgefahr. Daher stellen Schlauchklemmen, die sich um einen Großteil des Schlauchumfangs wickeln, tendenziell ein größeres Risiko dar als offenere Klemmen, die eine minimale Kontaktfläche zwischen Schlauch und Klemme ermöglichen. Wartungstechniker können dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von Spaltkorrosion, die zu Schäden oder Ausfällen führt, zu verringern, indem sie regelmäßig Klemmen öffnen und die Rohroberflächen auf Korrosion prüfen.

Sowohl Lochfraß als auch Spaltkorrosion lassen sich am besten durch die Auswahl der richtigen Metalllegierungen für die Anwendung verhindern. Planer sollten bei der Auswahl des optimalen Rohrmaterials sorgfältig vorgehen, um das Korrosionsrisiko basierend auf der Betriebsumgebung, den Prozessbedingungen und anderen Variablen zu minimieren.

Um Planern bei der Optimierung der Materialauswahl zu helfen, können sie die PREN-Werte der Metalle vergleichen, um deren Beständigkeit gegenüber lokaler Korrosion zu bestimmen. Der PREN kann auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung der Legierung, einschließlich ihres Gehalts an Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Stickstoff (N), wie folgt berechnet werden:

PREN = %Cr + 3,3x%Mo + 16x%N

Der PREN steigt mit höheren Anteilen der Korrosionsschutzelemente Chrom, Molybdän und Stickstoff in der Legierung. Die PREN-Beziehung basiert auf der kritischen Lochfraßtemperatur (CPT) – der Mindesttemperatur, bei der Lochfraßkorrosion beobachtet wird – verschiedener rostfreier Stähle in Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung. Im Wesentlichen ist PREN proportional zu CPT. Daher weisen höhere PREN-Werte auf eine höhere Lochfraßkorrosionsbeständigkeit hin. Beim Vergleich von Legierungen entspricht ein kleiner Anstieg des PREN nur einem geringen Anstieg des CPT, während ein großer Anstieg des PREN auf eine deutlich höhere Leistungsverbesserung hin zu einem deutlich höheren CPT hinweist.

Tabelle 1 bietet einen Vergleich der PREN-Werte für verschiedene Legierungen, die typischerweise für Öl- und Gasanwendungen in der Schifffahrt spezifiziert werden. Es zeigt, wie deutlich die Korrosionsbeständigkeit durch die Auswahl einer höherwertigen Rohrlegierung verbessert werden kann. Beim Übergang von Edelstahl 316 auf Edelstahl 317 erhöht sich der PREN nur geringfügig. Um eine deutliche Leistungssteigerung zu erzielen, würde man idealerweise 6-Moly-superaustenitischen Edelstahl oder 2507-Superduplex-Edelstahl verwenden.

Legierung

UNS#

Typisch %Ni

Typischer %Cr

Typischer %Mo

Typisch %N

HOLZ

316/316L

S31600/S31603

16.5

2.05

0,03

23.7

316/316L

S31600/S31603

12.7

17.5

2,55

0,03

26.4

317

S31700

3.1

0,03

29.7

904L

N08904

4.5

0,03

35.3

254

S31254

6.05

0,20

43.2

6HN

N08367

6.05

0,20

43.2

2507

S32750

4,0

0,28

42.7

Tabelle 1 – PREN-Werte für verschiedene Legierungen.

Höhere Konzentrationen von Nickel (Ni) in rostfreien Stählen verbessern auch die Korrosionsbeständigkeit. Der Nickelgehalt von Edelstahl ist jedoch nicht Teil der PREN-Gleichung. Unabhängig davon ist es oft vorteilhaft, rostfreie Stähle mit höheren Nickelkonzentrationen zu spezifizieren, da das Element die erneute Passivierung von Oberflächen erleichtert, die Anzeichen örtlicher Korrosion aufweisen. Nickel stabilisiert Austenit gegen die Bildung von Martensit beim Rohrbiegen oder Kaltziehen von 1/8-harten Rohren. Martensit ist eine unerwünschte kristalline Phase im Metall, die die Beständigkeit von rostfreien Stählen gegenüber lokaler Korrosion sowie chloridinduzierter Spannungsrissbildung verringert. Ein höherer Nickelgehalt von mindestens 12 % in 316/316L ist auch für Anwendungen mit gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck wünschenswert. Die in den ASTM-Standardspezifikationen für Edelstahl 316/316L erforderliche Mindestnickelkonzentration beträgt 10 %.

Lokale Korrosion kann überall an einem Rohrstück auftreten, das in einer Meeresumgebung verwendet wird. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass sich Lochfraßkorrosion an kontaminierten Stellen bildet, und Spaltkorrosion tritt eher in Bereichen auf, in denen enge Lücken zwischen Rohren und Montageteilen vorhanden sind. Auf der Grundlage des PREN können Planer die optimale Rohrlegierung auswählen, um das Risiko beider Arten lokaler Korrosion zu minimieren.

Bedenken Sie jedoch, dass es noch andere Variablen gibt, die das Korrosionsrisiko beeinflussen. Beispielsweise beeinflusst die Temperatur die Lochkorrosionsbeständigkeit von rostfreien Stählen. Für heißes Meeresklima sollten 6-Moly-Super-Austenit- oder 2507-Super-Duplex-Edelstahlrohre ernsthaft in Betracht gezogen werden, da diese Materialien eine hervorragende Beständigkeit gegen lokale Korrosion und Chloridspannungsrisse bieten. Für kältere Klimazonen können 316/316L-Schläuche ausreichend sein, insbesondere wenn eine erfolgreiche Nutzungsgeschichte nachgewiesen wurde.

Besitzer und Betreiber von Offshore-Plattformen können auch Maßnahmen ergreifen, um das Korrosionsrisiko nach der Installation von Rohren zu minimieren. Sie sollten die Leitungen sauber halten und sie regelmäßig mit frischem Wasser spülen, um das Risiko von Lochfraß zu verringern. Außerdem sollten Wartungstechniker bei Routineinspektionen die Rohrklemmen öffnen, um nach Spaltkorrosion zu suchen.

Wenn Plattformbesitzer und -betreiber die oben genannten Schritte befolgen, können sie das Risiko von Rohrkorrosion und damit verbundenen Lecks in Meeresumgebungen verringern, die Sicherheit und Effizienz erhöhen und gleichzeitig das Risiko von Produktverlusten oder der Freisetzung diffuser Emissionen verringern.

Brad Bollinger ist Marktmanager für Öl und Gas bei Swagelok Co. Er kann unter [email protected] erreicht werden.