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Innovative Tanktechnik
FachhochschuleBielefeld
1Prof.Dr.Busch
Edelstähle
11. Gefahrgut Technik-Tage, Berlin20.-22. November 2008
Ein Edelstahl ist unvergänglich (?)
Der Einsatz von ferritisch-austenitischenDuplexstählen im Tankbau
Wolf-Berend Busch, EWE
Innovative Tanktechnik
FachhochschuleBielefeld
2Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten
Vorschriften für Duplexstähle
Innovative Tanktechnik
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3Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Wir wollen hier unter Edelstähle verstehen:Nichtrostende Stähle, Def. nach DIN EN 10020:2000:
Nichtrostende Stähle sind Stähle mit einem MassenanteilChrom von mindestens 10,5 % und höchstens 1,2%Kohlenstoff (Abschnitt 3.2.2)
Nichtrostende Stähle werden weiterhin nach folgendenKriterien unterteilt:
nach Nickelgehalt inweniger als 2,5 % Nickel2,5 % Nickel oder mehr
nach Haupteigenschaften inkorrosionsbeständighitzebeständigwarmfest
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4Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Korrosionsbeständig sind nichtrostende Stähle durch eine
- dünne
- transparente
- dichte
- fest haftende
Schicht aus Chromoxid.
Dieses Chromoxid bildet sich durch einen Korrosionsprozessmit Sauerstoff, z.B. aus der Luft.
Als Folge dieser Schicht verhält sich der Stahl passiv.
Fehlt der Sauerstoff, kann sich die Chromoxidschicht nicht ausbilden und der Stahl ist nicht passiv, sondern aktiv.
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5Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten
Vorschriften für Duplexstähle
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6Prof.Dr.Busch
EdelstähleUnvergänglich?
Innenansicht eines kleinen Wassertanks aus 1. 4571
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7Prof.Dr.Busch
EdelstähleKornzerfall (IK) durchselektive Korrosion der Korngrenzen
(Montanuniversität Leoben)
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Edelstähle
Die dünne, transparente Oxidschichtkann durch
einenmechanischen
oder einen chemischen Angriff von
innen oder außendauerhaft zerstört werden.
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9Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch-ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten
Vorschriften für Duplexstähle
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10Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Duplexstähle sindnichtrostende Stähle.
Sie sind genormt in DIN EN 10088-1:2005.
Diese Norm weist neun Duplexstähle aus,deren Gehalte an Chrom zwischen 18 -30 %
undGehalte an Nickel zwischen 3,5 – 8,0 % liegen.
Die Zusammensetzung bewirkt, dass das Gefüge etwa zu ca. 50% aus Austenit und
zu etwa 50% aus Ferrit besteht.
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EdelstähleGefüge von Duplexstählen
Austenit (δ)-Ferrit
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Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle?
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten
Vorschriften für Duplexstähle
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13Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Vergleich von Mechanische Eigenschaften undKorrosionsbeständigkeit von
austenitischen Stählen und Duplexstählen 700
600
500
400
300
200
100
020 25 30 35 40 45
Wirksumme WSWS = % Cr + 3,3 x % Mo+16 x % N)
Austenit1.4401
X5CrNiMo 17-12-2
Austenit1.4539
X1NiCrMoCu 25-20-5
Voll-Austenit1.4529
X1NiCrMoCuN 25-20-7
Lean-Duplexstahl1.4362 / X2CrNiN 23-4
Duplex-Stahl (22%Cr)(1.4462
X2CrNiMoN 22-5-3)
Superduplexstahl1.4501
X1CrNiMoCuWN 27-7-4
Deh
ngre
nze
R in
MPa
p0,2
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14Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Mechanische Eigenschaften von Duplexstählen
3001.4547
2201.4571
2201.4404
2101.4301
3001.4529
Rp0,2 MPamind.Werkstoff
5301.4410
4601.4462
4001.4362
4301.4162
550Zeron100
Rp0,2 MPamind.Werkstoff
austenitische Stähle ferritisch-austenitische Stähle
nach Z-30.3-6 ohne Verfahrensprüfung verwendbar nur mit Verfahrensprüfung verwendbar
spezieller Zulassungsbescheid durch DIBT bislang noch nicht zugelassen
Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit der Kaltverfestigung.
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15Prof.Dr.Busch
Edelstähle
6010025730-9305301.4501X2CrNiMoCuWN25-7-4
6010025640-8404601.4462X2CrNiMoN22-5-3
6010025630-8004001.4362D4X2CrNiN23-4
--6030~ 6804301.4162D2(X2CrMnNi21-5-2)
JJ%MPaMPaW.-Nr.ZeichenKurzname
querlängsARmRp0,2
Kerbschlag-arbeit AV
Statische Kennwerteim ZugversuchStahlbezeichnung
Mechanische Eigenschaften vonDuplexstählen
bei Raumtemperatur
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16Prof.Dr.Busch
Edelstähle
3954004054454801.4501X2CrNiMoCuWN25-7-4
--3003153353601.4462X2CrNiMoN22-5-3
----2803003301.4362X2CrNiN23-4
--3203303503801.4162(X2CrMnNi21-5-2)
300 °C250 °C200 °C150 °C100 °CW-Nr.Kurzname
Mindestwerte der RP0,2-Grenze bei erhöhtenTemperaturen in MPaStahlbezeichnung
Mechanische Eigenschaften vonDuplexstählen
bei erhöhten Temperaturen
Temperaturobergrenze für Langzeiteinsatz: 270 °C
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17Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Einfluss einer Glühung bei 1300 °C
Zustand Ferritgehalt
Anlieferung 45%
Abgeschreckt 51%
Ofenabkühlung 25%
Kerbschlagarbeit-40 °C 100°C
230 J
300 J
5 J 6,5 J
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18Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anlieferungszustand Geglüht bei 1300°C, abgeschreckt in H2O
Geglüht bei 1300°C, Ofenabkühlung
Gefügeausbildung vom Duplexstahl 1.4462nach unterschiedlichen Vorbehandlungen
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19Prof.Dr.Busch
Edelstähle
900800
700
600
1000
500
400
300 0,03 0,1 0,3 1 3 10 30
475°C-Versprödung
σ-PhaseCr N,-Phase, M C
2
23 6χ
Lösungsglühbehandlung: 1050°C, 30 min / Wasser
Glühdauer in h
ZTU-Diagremm desDuplexstahls 1.4462
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Edelstähle
Duplexstahl 1.4462, geglüht & Ofenabkühlung
σ-Phasen zwischen den Ferritkörnern verspröden dasGefüge extrem
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21Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Was teuer sind Duplexstählen?
Beispiel: 4 mm Blech, Oberfläche 1D (warmgewalzt)
Werkstoff Preis€/kg effektiv Korrosions- ohne MWST klasse
1.4301 2,20 II 1.4162 (D) 3,80 II 1.4362 (D) 3,80 III 1.4401 6,70 III 1.4404 6,70 III 1.4571 3,80 III 1.4462 (D) ca. 5,00 IV 1.4529 ca. 20,50 IV
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22Prof.Dr.Busch
Edelstähle
ca. 41,9IV / starknein???Blech, Band(Patentgesch.)
(UNS) S32760Superduplex
Stahl
Zeron100
ca. 42,5IV / starknein???Blech, Band,
Rohre(Patentgesch.)
X2CrNiMoN25-7-4Superduplex Stahl1.4410
30,8 - 38,0(IV / stark)*²jaWerkst.-Nr.Blech, Band,Rund, Draht,
Rohre
X2CrNiMoN22-5-3Standard Duplex
Stahl1.4462
26,7 - 32,3III / mittelnein???Blech, Band(Patentgesch.)
(UNS) S32003Lean Duplex
StahlAL2003
WAZ i.d.R26,5
23,1 - 29,1III / mittelja(D4)
Blech, Band,Rund, Draht,
Rohre
X2CrNiN23-4Lean Duplex Stahl1.4362
ca. 26,0
II / mäßig(herabgestuft
wegen 5 %Mangan)*
nein(D2)Blech, Band(Patentgesch.)
(UNS) S32101Lean Duplex
Stahl1.4162
PREWirksumme
Korrosions-widerstands-
klasse
Bauaufsichtlichfür tragende
Konstruktionenzugelassen ?
KennzeichnungStahlgruppe
vergl. ISO 3506vergl. Z-30.3-6
Verfügbarkeit
KurzbezeichnungStahlart
Unified NumberingSystem
Wst.Nr.
Werks-bezeichn.
PRE -Wert (Wirksumme) = %Cr + 3,3x%Mo + 16x%N*wegen der Gefahr von Mangansulfideinschlüssen und der höheren Oberflächensprödigkeit*² nicht als tragendes Bauelement in Schwimmbädern !
Duplex Rostfrei – derzeit am Markt verfügbare Güten (ohne Gußwerkstoffe)
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23Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Klassische Anwendungsfelderbesondere Eignung
1.4362 Korrosionswiderstandsklasse III (DIBT)Chemie, Petrochemie
1.4462 Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT)Chemie und Petrochemie, Meerwasserent-salzungsanlagen, Schiffbau, Offshore-und Sauergasanwendungen
1.4501 Korrosionswiderstandsklasse IV (DIBT)Höhere Festigkeit und höhere Korrosions-beständigkeit vor allem in chloridhaltigenMedien im Vergleich zu 1.4462
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Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten?
Vorschriften für Duplexstähle
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Edelstähle
Verarbeiten wie „weiße Stähle“
- d.h. getrennt von Schwarzstählen
- aber höhere Festigkeit beachten
- Schweißen mit geringem Wärmeeintrag
- Anlauffarben beseitigen
- auf Freiheit von Belegen achten, damit sichdie Passivschicht korrekt ausbildet
Innovative Tanktechnik
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26Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Was sind Edelstähle?
Sind Edelstähle wirklich unvergänglich?
Was sind austenitisch ferritische Duplexstähle?
Welche Vor- und Nachteile haben Duplexstähle
Wie lassen sich Duplexstähle be-und verarbeiten
Vorschriften für Duplexstähle
Innovative Tanktechnik
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27Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Tanks werden drucklos betrieben,weshalb die Druckgeräterichtlinie nicht zutrifft,
auch sind Tanks keine Einrichtungen,die dem bauaufsichtlichen Bereich zugeordnet
werden können.
Es gelten aber insbesondere für dieschweißtechnische Verarbeitung
die üblichen Vorschriften.
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Edelstähle
Allgemeine bauaufsichtliche ZulassungZ-30.3-6 vom Dezember 2003
1. Herstellerqualifikationuneingeschränkt schweißbar nur mit „D“„B“ mit Erweiterung auf nichtrostende Stähle nur 1.4301/1.4307, 1.4541, 1.4401/1.4404 und 4571in den Festigkeitsklasse S235
2. Verfahrensprüfungenerforderlich für alle oben nicht aufgeführten Stähle
3. Schweißerprüfbescheinigungenerforderlich, aber Geltungsbereiche beachten Gruppe 7: ferritische oder martensitische rostfreie StähleGruppe 8: austenitische rostfreie StähleGruppe 10: austenitisch-ferritische rostfreie Stähle
4. der Duplexstahl 1.4362 ist (noch) nicht allgemein zugelassen
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29Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Wo kann ich das nachlesen?
DVS-Merkblatt 0946, Ausgabe Februar 2004
Verarbeitung von nichtrostenden Duplex-StählenInformationsstelle Edelstahl Rostfrei, D 881
Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-30.3-6 v. 5. Dezember 2008„Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteileaus nichtrostenden StählenInformationsstelle Edelstahl Rostfrei, SD 862
Diverse Firmenschriften
Innovative Tanktechnik
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30Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Beispiele zum Einsatz von Duplexstählen
Innovative Tanktechnik
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31Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Rauchgasentschwefelung (1.4462 und 1.4501)
Quelle: ThyssenKrupp Nirosta
Innovative Tanktechnik
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32Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemikalientanker (1.4462)
Quelle: ThyssenKrupp Nirosta
Innovative Tanktechnik
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33Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemikalientanker (1.4462)
Quelle: ThyssenKrupp Nirosta
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34Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anwendungen von Duplex-StählenBeispiel: Chemische Anlagen (1.4462)
Quelle: Butting
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35Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Anwendungen von Duplex-StahlBeispiel: Behälter (1.4462)
Quelle: Butting
Innovative Tanktechnik
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36Prof.Dr.Busch
Edelstähle
Fehler beim Einsatz von Duplex-StählenBeispiel: Spannungsrisskorrosion an einem Behälter aus 1.4462
durch feuchtes, verunreinigtes (stark säurehaltiges) Chlorbenzol bei 130°C
GefügebildQuelle: Bayer AG