Kaltziehen, Kaltwalzen, Kaltbiegen, Kaltaufweiten und Kaltverdrehen sind gängige Verfahren zur Herstellung von nahtlosen/geschweißten Edelstahlrohren, insbesondere für Wärmetauscher. Die hervorragende Plastizität von Edelstahl, vor allem von austenitischem Edelstahl, ermöglicht die Durchführung dieser Kaltumformungen. Allerdings beeinträchtigen diese Verfahren, wie auch das Schweißen, unweigerlich die Eigenschaften der Edelstahlrohre, insbesondere deren Korrosions- und Hitzebeständigkeit. Die Vermeidung, Reduzierung oder Kontrolle dieser Beeinträchtigungen steht daher stets im Mittelpunkt der Herstellung und Weiterverarbeitung von Edelstahlrohren. Die abschließende Lösungsglühung vor der Auslieferung ist der effektivste Weg, die schädlichen Auswirkungen der Kaltumformung zu beseitigen. Dieses Verfahren erfordert jedoch einerseits eine Hochtemperaturbehandlung mit Beizung, was die Herstellungskosten und den Produktionszyklus erheblich erhöht. Hinzu kommen Probleme wie die Ableitung, Behandlung und Bewertung von Abgasen und Abwässern, beispielsweise von Säurenebel. Daher verzichten einige Hersteller auf diesen Prozess, um Kosten zu senken oder Liefertermine einzuhalten. Manche Anwender kaufen solche Produkte, um Geld zu sparen, was äußerst unklug und unrentabel ist. Andererseits kann die Umsetzung dieses Verfahrens bei bestimmten Produkten oder Anwendungsbedingungen schwierig sein. Daher haben sich die Kontrolle des Kaltverformungsgrades und die lokale Spannungsarmglühung als zwei weitere praktische Methoden zur Reduzierung oder Kontrolle der schädlichen Auswirkungen etabliert. Deren Anwendungsbedingungen, insbesondere die Unterschiede zwischen den Stahlsorten, sind jedoch weiterhin umstritten.
1. Schäden und Beseitigung der Auswirkungen von Kaltverformung auf die Eigenschaften von Edelstahlrohren
1.1 Eine Schädigung der Eigenschaften von Edelstahlrohren durch Kaltverformung, die durch plastische Verformung bei Raumtemperatur hervorgerufen wird, führt zu einer Kaltverfestigung, d. h. die Härte und Festigkeit des Materials nehmen zu, die ursprüngliche Plastizität des Materials geht teilweise oder vollständig verloren, und es wird unweigerlich die Korrosionsbeständigkeit oder Hitzebeständigkeit des Materials beeinträchtigt.
1.2 Methoden zur Schadensbeseitigung
Die abschließende Lösungsglühung von austenitischen und Duplex-Edelstahlrohren vor der Auslieferung sowie die abschließende Glühbehandlung von ferritischen Edelstahlrohren vor der Auslieferung dienen dazu, die durch Kaltverformung, Schweißen und andere Warmumformungen verursachten Leistungseinbußen wirksam zu beseitigen. Aus diesem Grund schreiben die Normen für Edelstahlrohre der meisten Länder, insbesondere die europäischen einheitlichen Normen für Edelstahlrohre, vor, dass alle nahtlosen Edelstahlrohre im lösungsgeglühten oder geglühten Zustand geliefert werden müssen. Inländische Anwender berichten, dass nahtlose Rohre aus austenitischem Edelstahl 316L bereits nach einmaligem Einweichen in Meerwasser Lochfraßkorrosion aufweisen (316L ist zwar kein idealer Werkstoff für Meerwasserkorrosion oder -einweichen, Lochfraßkorrosion nach einmaligem Einweichen ist jedoch ungewöhnlich). Eine unzureichende oder mangelhafte abschließende Lösungsglühung deutet auf ein minderwertiges Produkt hin. Die abschließende Lösungsglühung ist ein sehr wichtiger und unverzichtbarer Prozess bei der Herstellung nahtloser Edelstahlrohre.
2. Kaltbiegen und Spannungsarmglühen von Edelstahlrohren
Kaltbiegen ist ein gängiges Kaltbearbeitungsverfahren für Edelstahlrohre, das von Stahlrohrherstellern, Anwendern oder Herstellern von Rohrverbindungsstücken durchgeführt werden kann. Ob und wie nach dem Kaltbiegen eine Spannungsarmglühung erfolgen soll, ist oft ein Streitpunkt zwischen Herstellern und Anwendern. Diese Frage ist zwar in ausländischen Rohrleitungsnormen geregelt, dennoch gibt es einige Punkte, die einer Diskussion bedürfen.
2.1 Kaltbiegen und Spannungsarmglühen von Edelstahlrohren
Kaltbiegen ist ein gängiges Kaltbearbeitungsverfahren für Edelstahlrohre, das von Stahlrohrherstellern, Anwendern oder Herstellern von Rohrverbindungsstücken durchgeführt werden kann. Ob und wie nach dem Kaltbiegen eine Spannungsarmglühung erfolgen soll, ist oft ein Streitpunkt zwischen Herstellern und Anwendern. Diese Frage ist zwar in ausländischen Rohrleitungsnormen geregelt, dennoch gibt es einige Punkte, die einer Diskussion bedürfen.
2.2 Für Anwendungen, die zyklischen Belastungen oder Spannungsrisskorrosion standhalten müssen
Bei Anwendungen, die zyklischen Belastungen oder Spannungsrisskorrosion ausgesetzt sind, unterscheiden sich die europäischen und amerikanischen Normen geringfügig. Die amerikanische Norm schreibt vor, dass bei Werkstoffen mit Anforderungen an die Kerbschlagzähigkeit eine Spannungsarmglühung oder Lösungsglühung durchgeführt werden muss, wenn die maximal berechnete Faserdehnung nach dem Biegen 5 % beträgt oder andere Anforderungen bestehen. U-förmige Rohre, die in Wärmetauschern wie Speisewasservorwärmern und Kondensatoren in Kraftwerken mit Hochtemperatur- und Hochdruck-Wasser-/Dampfmedien eingesetzt werden, sind aufgrund des Chlorid- und Sauerstoffgehalts im Medium anfällig für Spannungsrisskorrosion. Daher schreiben die beiden (weltweit einzigen) amerikanischen Normen ASTMA 688/A688M und A803/A803M für nahtlose und geschweißte Edelstahlrohre für Speisewasservorwärmer sowie die japanische Norm JISG 3463 für Edelstahlrohre für Kessel und Wärmetauscher vor, dass Anwender für U-förmige Rohre eine lokale Spannungsarmglühung nach dem Biegen fordern können. Die französische Norm für die Herstellung von Kernreaktoren RCC-M3319 schreibt vor, dass U-förmige Rohre nach dem Biegen den MgCl2-Spannungskorrosionstest bestehen müssen, um festzustellen, ob nach dem Biegen eine Spannungsarmglühung erforderlich ist.
3. Verdrillte Rohre und verdrillte Wärmetauscher
Im Ausland findet ein Wärmetauscher aus verdrillten Rohren (verdrillte kaltverformte Rohre, TwistedTube) Anwendung. Charakteristisch ist, dass ein einzelnes Stahlrohr mit einer Steigung von 60° verdrillt ist und sieben Stahlrohre eine Wärmetauschereinheit bilden. Zu seinen Vorteilen zählen die kompakte Bauweise, der hohe thermische Wirkungsgrad und die Reduzierung der Totzone durch Strömungsstagnation. Er eignet sich ideal für Wärmetauscher in beengten Räumen. Berechnungen und Analysen zeigen, dass die durch die Verdrillung und Kaltverformung entstehende plastische Verformung lediglich 4–14 % beträgt und die Betriebstemperatur 540 °C nicht überschreitet. Gemäß den Bestimmungen des „ASME Boiler and Pressure Vessel Code“ ist kein Spannungsarmglühen erforderlich. Nach Spannungsrisskorrosionsprüfungen gemäß ASTM G36 wurde jedoch nachgewiesen, dass spiralförmige Rohre aus austenitischem Edelstahl 316 und 321 einer Spannungsarmglühung oder Lösungsglühung unterzogen werden müssen, um eine gute Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit zu erzielen, wobei die Leistung von Rohren aus Edelstahl 321 wesentlich besser ist als die von Rohren aus Edelstahl 316.
4. Gedrehte Rohre und U-Rohre aus Duplex-Edelstahl
Testergebnisse aus dem Ausland haben gezeigt, dass eine Spannungsarmglühung von Duplex-Edelstahlrohren (auch U-Rohre genannt) nicht zielführend ist. Aktuelle Prüfergebnisse fordern für Duplex-Edelstahlrohre der Güteklasse 2205 einen R-Wert von ≥ 5,33d0, für Superduplex-Edelstahlrohre der Güteklasse 2507 hingegen einen R-Wert von ≥ 1,5d0. Die Gründe hierfür sind: 1. Duplex-Edelstahl weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungsrisskorrosion auf. Je höher der Wert des Lochfraßäquivalents PRE ist, desto besser ist die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. 2. Lokale Spannungsarmglühung bei niedrigen Temperaturen beeinflusst das Phasengleichgewicht und die intermetallischen Verbindungen der Matrix. Die Ausscheidung spröder Phasen führt zu einer stärkeren Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit. Diese Forschungsergebnisse legen nahe, dass Duplex-Edelstahlrohre ein besser geeignetes Material für Wärmetauscher darstellen. Sie bilden zudem die Grundlage dafür, dass die Normen der American Welding Society und ASMEB 31.3 die Wärmebehandlungsvorschriften besonders sorgfältig handhaben.
5. Glühverfahren zur Spannungsentlastung von U-förmigen Rohren
Sowohl inländische als auch ausländische Verfahren nutzen Widerstandserwärmung oder lokale Erwärmung im Ofen zur lokalen Spannungsarmglühung von U-förmigen Rohren. Welches Verfahren effektiver oder sinnvoller ist, wird jedoch häufig kontrovers diskutiert. Jüngste Forschungsergebnisse aus den USA zeigen, dass die Widerstandserwärmung die sinnvollere und effektivere Methode darstellt. Die Gründe hierfür sind: ① Wechselstrom mit Netzfrequenz kann direkt vom 250 mm entfernten Schnittpunkt des U-förmigen Rohrs über die Klemmelektrode eingespeist werden. Dadurch kann der gebogene Rohrabschnitt innerhalb kurzer Zeit (ca. 10 s) auf 1010–1065 °C erhitzt werden, was einen sehr geringen Energieverbrauch ermöglicht. ② Die Temperatur der Heizzone kann mithilfe eines optischen Pyrometers automatisch geregelt werden. ③ Die Innenwand wird mit Argon gefüllt, um Oxidation wirksam zu verhindern. ④ Nach der Erwärmung erfolgt eine schnelle Abkühlung mit Zwangsluft innerhalb von 2–3 min auf unter 425 °C. Dabei bildet sich eine dünne und dichte, gelbe oder hellblaue Oxidschicht, die ohne Beizen hohen Anforderungen genügt.
6. Schlussfolgerung
(1) Kaltumformungsverfahren wie Kaltziehen und Kaltwalzen führen zu Kaltverfestigung von Edelstahl, insbesondere von austenitischem Edelstahl, und induzieren Gitterversetzungen, martensitische Phasenumwandlung, Karbidausscheidung, erhöhten Magnetismus und Eigenspannungen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verringert wird. Glühen oder Lösungsglühen nach der Kaltumformung können diese negativen Auswirkungen wirksam beseitigen. Daher müssen nahtlose Rohre aus austenitischem Edelstahl und tiefkaltverformte geschweißte Edelstahlrohre im lösungsgeglühten Zustand geliefert werden, um ihre Korrosionsbeständigkeit effektiv zu gewährleisten.
(2) Neben Spannungsrisskorrosion und Umgebungsbedingungen, die aufgrund von Wechselspannungen die Gefahr von Korrosionsermüdung bergen, ist die Kontrolle des Kaltverformungsgrades eine weitere Möglichkeit, deren negative Auswirkungen zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig bei lokaler Kaltverformung wie Kaltbiegen und Kaltaufweiten, die sich nur schwer glühen lassen. Solange der Kaltbiegeradius von austenitischen Edelstahlrohren mindestens 1,5d0 und der Kaltbiegeradius von ferritischen und Duplex-Edelstahlrohren mehr als 2,5d0 beträgt, ist eine Spannungsarmglühung nach dem Kaltbiegen in der Regel nicht erforderlich.
(3) Bei Biegungen, die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion erfordern, wie z. B. U-förmige Biegungen aus austenitischem Edelstahl für Wärmetauscher, die unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen mit Wasser oder Dampf betrieben werden, muss nach dem Kaltbiegen unabhängig von der Größe des Kaltbiegeradius eine effektive Spannungsarmglühung durchgeführt werden.
(4) Der Edelstahl 06Cr19Ni11Ti (321) weist eine bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf als 316L und ist ein besser geeigneter austenitischer Stahl für U-Rohr-Wärmetauscher. U-Rohre aus Duplex-Edelstahl sind nach dem Kaltbiegen oder Verdrehen nicht geeignet bzw. sollten keiner lokalen Spannungsarmglühung unterzogen werden.
(5) Kaltverdrillte Edelstahlrohre können einen neuen Wärmetauschertyp mit kompakter Struktur und höherer Wärmeaustauscheffizienz bilden, der die Aufmerksamkeit der zuständigen Konstruktions- und Anwendungsabteilungen auf seine Erforschung und Weiterentwicklung verdient.
(6) U-Rohre aus Duplex-Edelstahl sind nach dem Kaltbiegen oder Verdrehen nicht geeignet bzw. sollten nicht einer lokalen Spannungsarmglühung unterzogen werden.
(7) Die Widerstandserwärmung ist eine lokale Spannungsarmglühungsmethode, die energie- und zeitsparender ist als die indirekte Erwärmung im Ofen, eine einfache automatische Steuerung ermöglicht und daher vorrangig gefördert werden sollte.
(8) Europäische und amerikanische Rohrleitungsnormen (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) enthalten aktualisierte und detaillierte Vorschriften zur Wärmebehandlung von Edelstahlrohren nach der Kalt-/Warmumformung, denen große Beachtung zukommt.
Veröffentlichungsdatum: 06.11.2024