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Was ist Wasserstoffversprödung? Ursache, Wirkung, Prävention

Wasserstoffversprödung führt dazu, dass sich metallische Bauteile durch die Diffusion von Wasserstoff in das Metall nur schlecht elastisch verformen lassen, bevor sie brechen. Wenn Wasserstoffversprödung auftritt, kann sie die die Duktilität und Tragfähigkeit verringern, was zu Rissbildung und Sprödbrüchen unterhalb der erwarteten Dehn- und Streckgrenze der davon betroffenen Werkstoffe führen kann.

Der Grad der Versprödung wird sowohl durch die Menge des aufgenommenen Wasserstoffs als auch durch die Mikrostruktur des Materials beeinflusst. Erhöhte Wasserstoffversprödungsanfälligkeit tritt auf, wenn Gefügestrukturen eine hohe Festigkeit haben, die oft mit hoher Härte einhergeht, oder wenn sie spezifische Verteilungen von Korngrenzenpartikeln oder Einschlüssen aufweisen. Das Phänomen wird gewöhnlich dann signifikant, wenn es zu Rissen führt. Risse entstehen, wenn eine ausreichende Spannung auf ein wasserstoffversprödetes Objekt ausgeübt wird. Solche Spannungszustände können sowohl durch die beim Walzen, Umformen, Schweißen und anderen Herstellungsverfahren erzeugte Eigenspannungen als auch durch aufgebrachte Betriebsspannungen verursacht werden. Der Schweregrad der Wasserstoffversprödung ist eine Funktion der Temperatur: Die meisten Metalle sind oberhalb von etwa 150°C relativ immun gegen Wasserstoffversprödung.

Wasserstoff ist normalerweise nur in der Lage, in Form von Atomen oder Wasserstoffionen in Metalle einzudringen. Daher wird gasförmiger Wasserstoff von Metallen bei Umgebungstemperatur nicht absorbiert, da er in molekularer Form vorliegt, in der die Atompaare eng miteinander verbunden sind. Bei steigender Temperatur neigen die Moleküle jedoch dazu, in einzelne Atome zu dissoziieren, so dass eine Absorption bei hohen Temperaturen möglich ist, die z.B. mit Erdölraffinations- oder Wärmebehandlungsverfahren verbunden sind. In geschmolzenem Material sind höhere Absorptionsraten zu verzeichnen, und dies bedeutet, dass Gieß- und Schweißverfahren besondere Möglichkeiten für den Eintritt von Wasserstoff in metallische Werkstoffe bieten können. Wasserstoffionen werden auch durch Reaktionen erzeugt, die mit Prozessen wie Korrosion, Galvanisierung und kathodischem Schutz verbunden sind. Folglich gibt es viele Möglichkeiten für den Eintritt von Wasserstoff in metallische Komponenten.

Die mit der Wasserstoffversprödung verbundene Rissbildung hat je nach den Situationen, in denen sie auftritt, verschiedene Bezeichnungen erhalten. Häufig verwendete Begriffe sind unter anderem:


Kaltrissbildung und verzögerte Rissbildung

Diese Begriffe werden oft mit Wasserstoffrissen in Verbindung gebracht, die sich beim Abkühlen des Schweißguts und der Werkstücke nach dem Schweißen von Stählen bilden können.


Wasserstoffinduzierte Rissbildung (HIC) oder Wasserstoffdruckinduzierte Rissbildung (HPIC)

Der englische Fachbegriff Hydrogen-Induced Cracking (HIC) oder Hydrogen Pressure Induced Cracking (HPIC) bezieht sich insbesondere auf eine spezifische Morphologie der Rissbildung in Stahlrohrleitungen und -behältern, die während des Betriebs mit Wasserstoff gefüllt sind.


Wasserstoff-induzierte Spannungsrissbildung (HISC)

Der englische Fachbegriff Hydrogen-Induced Stress Cracking (HISC) wurde ursprünglich auf während des Betriebs auftretende Risse angewandt, die bei Duplex-Edelstählen auftreten, wird aber heute auch andersweitig verwendet.


Umweltunterstützte Rissbildung (EAC)

Der englische Fachbegriff Environmentally Assisted Cracking (EAC) beschreibt Risse, die aufgrund der Interaktion zwischen dem Bauteil und der umgebenden Serviceumgebung auftreten können. Wasserstoff ist nur einer der Stoffe, die für diese Art von Rissbildung verantwortlich sein können.


Disbonding

Abgesehen von seiner allgemeinen Bedeutung bezieht sich der englische Fachbegriff Disbonding auf das Abplatzen von inneren, schweißplattierten Verkleidungen in Behältern, die für die Verarbeitung mit wasserstoffhaltigen Hochtemperaturgasen verwendet werden.


Spannungsrisskorrosion (SCC)

Einige Mechanismen des Phänomens Stress Corrosion Cracking (SCC) hängen mit der Wechselwirkung mit Wasserstoff zusammen.


Sulfid-Spannungsrissbildung (SSC)

Korrosion in schwefelwasserstoffhaltigen Umgebungen kann zu Wasserstoffabsorption und Rissbildung, dem sogenannten Sulphide Stress Cracking (SSC), führen.

Die jeweilige Kristallstruktur von Metallen beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs und die Verformungsmechanismen. Daher gilt ferritischer Stahl als anfälliger für Wasserstoffversprödung als Legierungen mit anderen Kristallstrukturen, wie z.B. austenitische rostfreie Stähle, Nickellegierungen und Aluminiumlegierungen. Es ist jedoch offensichtlich, dass Wasserstoff die meisten technischen Legierungen bis zu einem gewissen Grad verspröden kann. Ob dies ein praktisches Problem ist, hängt davon ab, wie sich die Anwendung auf die Mikrostruktur und die Verfügbarkeit von Wasserstoff auswirkt. 

Wie kann Wasserstoffversprödung verhindert werden?

Wasserstoffversprödung kann verhindert werden, indem der Kontakt zwischen dem Metall und jeglichen Quellen von atomarem Wasserstoff minimiert wird. Zum Beispiel kann Kohlenstoffstahl für den Einsatz in gasförmigem Wasserstoff auf Temperaturen unter etwa 200°C beschränkt werden. Bei potenziell korrosivem Betrieb sollten die Umgebungsbedingungen so kontrolliert werden, dass keine Wasserstoffionen durch Reaktionen an der Metalloberfläche erzeugt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass das Metall entweder keinen korrosionsverursachenden Bedingungen ausgesetzt oder vor solchen Umgebungen geschützt werden sollte, z.B. durch das Aufbringen von Beschichtungen. Die elektrochemischen Bedingungen von Prozessen, die saures Beizen beinhalten oder einen kathodischen Schutz verleihen, sollten so kontrolliert werden, dass an der Bauteiloberfläche kein Wasserstoff freigesetzt wird. Bei der Wärmebehandlung in wasserstoffhaltigen Ofenatmosphären kann der Wasserstoff entweichen, bevor niedrige Temperaturen erreicht werden. Bei Schweißvorgängen kann je nach Schweißverfahren eine gewisse Absorption von Wasserstoff unvermeidlich sein. Daher kann eine sorgfältige Kontrolle der Schweißbedingungen für härtbare Stähle erforderlich sein, um die Wasserstoffaufnahme zu begrenzen, die Bildung übermäßig harter Mikrostrukturen zu vermeiden oder den Wasserstoff entweichen zu lassen, bevor das Werkstück kritische Tieftemperaturen erreicht.

Wenn es wahrscheinlich ist, dass während eines bestimmten Verarbeitungsvorgangs erhebliche Mengen an Wasserstoff absorbiert werden, können Versprödungsprobleme vermieden werden, indem man eine Wärmebehandlung durchführt, die Wasserstoffarmglühen oder gelegentlich auch Tempern oder Anlassen genannt wird, und bei der der Wasserstoff entweichen kann, bevor er kritisch niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird. Einige Anlagentypen werden heruntergefahren, indem die Abkühlgeschwindigkeiten so gesteuert werden, dass der Wasserstoffgehalt entsprechend niedrige Werte erreicht, bevor die gefährlich niedrigen Temperaturen erreicht werden.

Eine andere Methode zur Verhinderung des Versprödungsproblems ist die Materialwahl, d.h. die Verwendung von Materialien, die weniger anfällig für Wasserstoffversprödung sind. Zum Beispiel schreibt die Norm ISO 15156 Härtegrenzen für Materialien vor, die in Schwefelwasserstoffumgebungen nicht zur Sulfid-Spannungsrissbildung neigen.

 

 

Wasserstoffversprödungsprüfung am TWI

TWI verfügt über langjährige Erfahrung in der Unterstützung der Industrie bei der Abwehr der Auswirkungen von Wasserstoff auf Metalle. Umfangreiche Forschungsarbeiten haben Schweißverfahren definiert, um Wasserstoffrisse in Stahlschweißverbindungen zu verhindern. Der Schwerpunkt der Arbeiten im Zusammenhang mit Wasserstoff hat sich nun auf die Art und Weise verlagert, wie Umweltbelastungen zu Versprödung und Rissbildung durch Wasserstoff führen. Die Laboreinrichtungen befassen sich mit Fragen im Zusammenhang mit: saurem Betrieb bei der Öl- und Gasförderung; Leistung in anderen korrosiven Umgebungen; 

TWI kann durch die Wasserstoffversprödungsprüfung die Auswirkungen des kathodischen Schutzes auf das Verhalten von Materialmischverbindungen unter Wasser und die Einflüsse von Hochdruck- und Hochtemperatur-Wasserstoffumgebungen auf die Werkstoffe ermitteln, die für Anlagen, Behälter und Rohrleitungen zur Wasserstofferzeugung, Wasserstofflagerung und Wasserstoffversorgung eingesetzt werden sollen.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com