Hinweise zur Gefhrdung von Rohrleitungs-sthlen durch Wasserstoffversprdung als Folge des kathodischen berschutzesHanns-Georg Schneich, Open Grid Europe GmbH

Praxistag Korrosionsschutz 2014, Gelsenkirchen, Deutschland

Kathodischer Korrosionsschutz und Wasserstoff-induzierte Spannungsrisskorrosion

oge gmbh tlki s 2014-06-23

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Adsorbierter Wasserstoff resultiert von KKS

Der Boden ist im Allgemeinen frei von Promotoren

=> geringe Wasserstoff-Aktivitt

Die Rekombination 2Had => H2 ist die vorherrschende Reaktion

Rohrwand aus Stahl

Spannung

OH- OH-

Had Had

Idc

H2O H2O

e- e-

Geringe Wahrscheinlichkeit fr den Wasserstoff, vom Stahl absorbiert zu werden

Wasserstoff diffundiert zu expandierten Gitterbereichen, z.B. an der Spitze von

Spalten => Herabsetzung der Bindungskrfte zwischen den Fe-Atomen

H2

Spannung

Nicht beweglich

(angelagert)

- Korngrenzen

- Verureinigungen

- Versetzungen

Hab Habbeweglich (diffusibel)

- Zwischengitterpltze

Hab

Kathodischer berschutz

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Kathodischer berschutz bei

EIR-frei < -1,2V

Vorherrschende Reaktion ist

Wasserstoff-Entwicklung

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1 4 7 10 131 4 7 10 131 4 7 10 13

1,4

1,0

0,6

0,2

-0,2

-0,6

-1,0

-1,4

-1,8

1,4

1,0

0,6

0,2

-0,2

-0,6

-1,0

-1,4

-1,8

1 4 7 10 131 4 7 10 13

Passivitt

Immunitt

Korrosion

EIR

-fre

i(V

Cu

/Cu

SO

4)

pH Kathodischer berschutz bei Eon=-2,1V

- Sauerstoff Reduktion

- Wasserstoff Entwicklung

Jdc > 10A/m2

ca. 4l Wasserstoff pro Jahr auf 1cm2

Probeblech 1cm2

Angaben in Technischen Regeln, Literatur-Recherche

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ISO DIS 15589-1, prEN 12954 (2014)

o Um Wasserstoffversprdung an hochfesten nicht- und niedrig-legierten

Sthlen mit einer Mindeststreckgrenze ber 550 MPa (=N/mm), zu

vermeiden, soll das kritische Potential dokumentiert oder experimentell

bestimmt werden.

NACE SP 0169 (2007)

o Polarisationspotentiale, die zu einer bermigen Wasserstoffentwicklung

fhren, sollen bei allen Metallen vermieden werden, besonders bei

hherfesten Sthlen

EPRG Umfrage und Literatur-Recherche (2001)

o Detaillierte Untersuchungen von fnf unterschiedlichen Rohrleitungs-Vorfllen

haben besttigt, dass eine Kombination von mechanischer Beschdigung und

kathodischem berschutz zu Wasserstoff-Versprdung und damit zu einem

beschleunigten Versagen fhren kann.

o Druckschwankungen besonders solche mit niedriger Frequenz erhhen

die Anflligkeit von Rohrleitungssthlen fr diesen Versagensmechanismus.

Angaben zu einem Schadensfall

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Mechanischer Schaden

eines Rohrleitungsstahls

X52

Lnge bis 135mm, Tiefe

bis 0,92mm

Eon=-2,86V

Betrieb bei ca.

40% SMYS

280

.203

app. 180

Risstiefe 0,6mm; Wachstum

ber 18 Jahre

Die Rissbegrenzungen sind

scharf und komplementr;

keine Hinweise auf Korrosion

=> Als Ursache fr die Rissentstehung wird Wasserstoff-induzierte

Spannungsrisskorrosion vermutet

Risstiefe bersteigt nicht

den bergang zum

unverformten Material

Vickers-Hrte-Messungen

app. 350ca. 350

280

.203

app. 180

Untersuchungen

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1. Anflligkeit von unverformtem und

verformtem/aufgehrtetem

Rohrleitungsstahl (X70) gegen

kathodischen berschutz

Kontrollierte Kaltverformung bis zu

einer maximalen Zugspannung von

1124MPa

Konstante Zugspannung

2. Anflligkeit von verformtem/

aufgehrtetem Rohrleitungsstahl (X70)

gegen kathodischen berschutz

Kontrollierte Verformung durch

Simulation eines Baggerschadens

Zeitlich vernderliche Zugspannung

1. Verformter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl StE 480.7 (X70)

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Stabproben; Kaltverformung

mit einer Knetmaschine zu

kleineren Durchmessern

16mm 15mm. 13.5mm

. 10mm.7mm

Abdrehen aller Proben auf

einen Durchmesser 6mm

Simulation der Eigenschaften

eines hochfesten Stahles

Simulation einer mechanisch

beschdigten Rohrwand

1. Verformter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl StE 480.7 (X70)

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Kaltverformte Stahlproben

(zu unterschiedlichen

Durchmessern)

Maximale Zugspannung

(Rm):

665MPa.1124MPa

Rm > 1000MPa etwa

gleich HV>400:

simuliert eine mechanisch

beschdigte Rohrwand

Last

(MP

a)

Dehnung (%)

1. Verformter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl StE 480.7 (X70)

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Kathodischer berschutz

bei Jdc=50A/m2

Elektrolytlsung

0,2M Na2SO4

Konstante Belastung ber

1000h bei 95% der

maximalen Zugspannung

test Verformung const. Last = 0,95 Rm [MPa] Ergebnis (1000h)

1 keine 622 kein Bruch

2 16mm 15mm 708 kein Bruch

3 16mm 13,5mm 807 kein Bruch

4 16mm 10,5mm 941 kein Bruch

5 16mm 7mm 1068 kein Bruch

1. Verformter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl StE 480.7 (X70)

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10

[mm] Rm [MPa] Rm,kerb [MPa]

15 745 1285

13,5 849 1473

10,5 990 1580

7 1124 1757

Herstellung von gekerbten Proben

Kein Bruch in Luft nach 500h bei

95% Rm,kerb

Wasserstoffbeladung (Jdc=50A/m2)

bei konstanter Last

Rm < < Rm,kerb

Einfluss der Wasserstoff-induzierten

Spannungsrisskorrosion wird

deutlich durch die zunehmende

Standzeit bei abnehmender Last

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Gekerbte Probe nach dem Bruch durch Wasserstoff-induzierte Spannungsriss Korrosion

- H-induzierte Bruchzone: gefiederte/transkristalline Burchmorphologie

- Verbleibende Bruchflche: Duktiler Wabenbruch

1. Verformter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl StE 480.7 (X70)

2. API 5L X70 Rohrleitungsstahl - Baggerschaden

12

15 Riefen auf 2 Rohrstcken(DN 1200,

Wanddicke 17mm) durch einen

knstlichen Bagger (35 Tonnen);

Elektrolytlsung

50 g/l Na2SO4 + 5 g/l NaHCO3 mit / ohne

0,5% NaCl; gesplt mit CO2(10%)/N2

Wasserstoffbeladung:

- Rohr D: Jdc,avg=36A/m2 (berschutz)

- Rohr B: Jdc,avg=0,13A/m2 (normaler KKS)

Druckvernderung

- zwischen 72% and 65% SMYS

(Mindeststreckgrenze)

- 3600 Zyklen

- Dehnungsrate 10-8/s

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Rohr D

Rohr B

2. API 5L X70 Rohrleitungsstahl - Baggerschaden

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Rissbegrenzungen scharf und

komplemantr; keine Anzeichen

von Korrosion

Risstiefe 0,5mm

Vickers Hrte:

- 0 0,4mm: HV400

- >0,4mm: HV300

Ergebnisse

6 von 7 Riefen zeigen bei katho-

dischem berschutz zahlreiche

Risse

2 von 8 Riefen zeigen bei norma-

lem KKS vereinzelte oberflchige

Risse

=> Risse bei kathodischem

berschutz sind auf Wasserstoff

induzierte Spannungsrisskorrosion

zurckzufhrenoge gmbh tlki s 2014-06-23

Schlussfolgerungen

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Hherfester (SMYS > 550MPa) und extrem aufgehrteter Rohrleitungsstahl (X70)

zeigten keine Anflligkeit gegen Wasserstoff induzierte Spannungsrisskorrosion bei

konstanter Belastung bis an die maximale Zugspannung.

Beschdigter/aufgehrteter Rohrleitungsstahl (X70) ist anfllig gegen Wasserstoff

induzierte Spannungsrisskorrosion bei zeitlich vernderlicher Last. Der Rissfortschritt

scheint sich bei Erreichen des berganges vom verformten zum nicht verformten

Material zu verlangsamen.

UIR-frei 1/Tag).

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Der Autor und Open-Grid-Europe GmbH bedanken sich fr die Zusammenarbeit mit

Kollegen der Abteilung fr Werkstoffuntersuchungen der OGE

Ruhr Universitt Bochum, Fakultt fr Maschinenbau

European Pipeline Research Group (EPRG)

Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit

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