Inconel-Schweißauflage in Hoch

Hochenergiepumpen, die unter schwierigen Bedingungen arbeiten, müssen aus den bestmöglichen Materialien hergestellt werden, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Für Anwendungen mit Meerwasser und Produktionswasser wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit häufig Superduplex-Edelstahl als Hauptherstellungsmaterial spezifiziert.

Allerdings können die hohen Kosten dieses Materials bei der Konstruktion größerer Komponenten ein wichtiger Faktor sein, und Betreiber können Alternativen zur Prüfung ihrer Projekte anfordern.

Gleichzeitig können sich Pumpanwendungen ändern und die beteiligten Geräte müssen modernisiert werden, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden. Bei älteren Pumpen kann dies zu mehreren Herausforderungen führen, da die Betreiber die kostengünstigste Möglichkeit finden müssen, die neuen Spezifikationen zu erfüllen. Erhöhte Drücke können Superduplex als am besten geeignetes Material ausschließen, eine Situation, die durch Inconel-Schweißauftrag gelöst werden kann.

Materialcharakterisierung

Superduplex ist ein Material, das üblicherweise zur Herstellung von Pumpengehäusen für Meerwasser, Förderwasser und bestimmte Öl- und Gasanwendungen verwendet wird. Es bietet die erforderliche Korrosionsbeständigkeit in Abhängigkeit von der Flüssigkeit, die die Pumpe fördern muss.

Dieses Metall gehört zu den korrosionsbeständigen Materialien mit hoher Lochfraßbeständigkeit, die durch einen gewichteten Durchschnitt der Schlüsselelemente wie Chrom, Molybdän und Stickstoff unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet wird.

Gleichung 1

PREN = %Cr + 3,3 x

(%Mo + 0.5%W) + 16 x %N

Dadurch wird der Wert berechnet, der als Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) bekannt ist und die Fähigkeit des Materials angibt, lokaler Korrosion in Form von Lochfraß zu widerstehen. Für die oben genannten Anwendungen sollte der PREN größer als 40 sein.

Die chemische Zusammensetzung von Superduplex bietet zwar eine hohe Festigkeit, ein breites Spektrum an Korrosionsbeständigkeit und eine mäßige Schweißbarkeit, weist jedoch einige Einschränkungen auf. Die Metallurgie von Duplex-Edelstählen ist komplexer als bei ferritischen oder austenitischen Stählen, was bedeutet, dass sie schwieriger herzustellen und zu verarbeiten sind. Dies wirkt sich auf die Materialkosten aus.

Darüber hinaus können Duplexstähle mehrere unerwünschte intermetallische Phasen wie Sigma und Alpha-Prime bilden, wenn das Material nicht richtig verarbeitet wird, insbesondere bei der Wärmebehandlung. Superduplex-Stähle sind besonders anfällig für Versprödung und verringerte Korrosionsbeständigkeit, wenn die Abkühlgeschwindigkeit während der Herstellung oder beim Schweißen nicht hoch genug ist. Dies kann den Einsatzbereich dieser Materialien einschränken.

Hochdrucklösungen

Schließlich erfordern Anwendungen mit erhöhten Drücken eine größere Wandstärke, was besonders für Pumpengehäuse relevant ist. Allerdings sind Superduplex-Materialien für diesen Zweck nur bedingt geeignet, sodass Hersteller und diejenigen, die an der Reparatur oder Nachrüstung von Pumpen beteiligt sind, in Hochdrucksituationen ihre Optionen prüfen müssen.

Mit den steigenden Druckanforderungen an die Pumpen rückte das Thema geschweißte Pumpengehäuse erneut in den Vordergrund. Im Jahr 2011 gelangte eine weitere Studie zu ähnlichen Erkenntnissen wie die vorherige Untersuchung. Da in einigen Anwendungen Betriebsdrücke von bis zu 690 bar (10.000 Pfund pro Quadratzoll) erforderlich waren, wurde Superduplex weniger bevorzugt als die Option mit geschweißter Gehäusekonstruktion, was zu Nachfolgeprojekten des Prototyps führte.

Bei diesem Flüssigkeitsdruckniveau muss das Pumpengehäuse dicker sein, aber dies übersteigt die Wandstärke, für die das geschmiedete Superduplex-Material geeignet ist. Gleichzeitig können die Kosten für die maschinelle Vorbereitung der Schweißnaht und das Schweißen selbst, einschließlich der Schweißnahtqualifizierung, manchmal durch den höheren Marktpreis für Superduplex ausgeglichen werden.

Alternativen entwickeln

Eine mögliche Alternative besteht darin, für das Gehäuse einen Kohlenstoff- oder niedriglegierten Stahl zu verwenden und alle prozessberührenden Oberflächen mit einer korrosionsbeständigen Auflage, beispielsweise Inconel 625, zu verschweißen. Die Entscheidung, dieses Verfahren zu verwenden, um die Gehäuse mit diesem Material auf Nickelbasis zu beschichten hängt von den aktuellen Rohstoffpreisen und den Größen- und Gewichtsbeschränkungen großer Super-Duplex-Teile ab.

Ein niedriglegiertes Material mit 2,25 % Chrom und 1 % Molybdängehalt hat sich in der Industrie zu einem akzeptierten Grundmaterial für Teile entwickelt, die mit Inconel 625 geschweißt werden. Es wurde auch ausgewählt, da es bei entsprechender Wärmebehandlung eine ähnliche Materialfestigkeit wie Superduplex bietet wird angewandt.

Die Auftragsschweißmethode ist in der Regel am besten geeignet, wenn Superduplex aufgrund der Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Wärmebehandlungsprozess nicht die geeignetste Materialauswahl ist. Effizientes und effektives Abschrecken während der Wärmebehandlung ist bei dickeren Superduplex-Komponenten eine Herausforderung; Es besteht die Gefahr von Versprödung und verminderter Korrosionsbeständigkeit. Superduplex eignet sich daher nicht für dickere Teile mit einer Wandstärkenbeschränkung von etwa 250 Millimetern (mm). Um weniger edle Materialien wie Kohlenstoffstahl oder niedriglegierten Stahl mit einer korrosionsbeständigen Schweißauflage zu schützen, ist dies eine wertvolle Alternative.

Im Jahr 2008 entwickelte ein Fluidtechnikunternehmen sein erstes Pumpendesign, das dieses Schweißauftragsverfahren nutzte. Ein Bereich, der mit Inconel beschichtet wurde, war die prozessberührte Kontur im Inneren der Pumpengehäuse (Bild 1). Dieser Prototyp ermöglichte eine umfassende Untersuchung der Machbarkeit der Verwendung von Pumpenkomponenten mit Schweißüberzügen.

Technisch gesehen kann als Grundmaterial eine breite Palette an Kohlenstoff- oder niedriglegierten Stählen verwendet werden, was die Kosten der Komponenten deutlich senkt. Ein Teil der Untersuchung bestand darin, die verschiedenen Kandidaten für das Grundmaterial der Gehäuse und die Gestaltung des Gehäuseprofils, das durch die Schweißauflage geschützt werden muss, zu erläutern. Diese Untersuchungen gingen mit Kostenüberlegungen einher, die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens langfristig beeinträchtigen würden.

Schweißprozesse und technische Prozessanforderungen

Im Allgemeinen besteht ein Auftragsschweißprojekt aus drei Schritten. Zunächst wird das Grundmaterial bearbeitet, um Platz für die Schweißauflage zu schaffen. Dann wird ein spezialisierter Schweißer eingesetzt, um das Metall mit höherer Spezifikation aufzutragen, beispielsweise Inconel 625, bevor das Bauteil zur endgültigen Dimensionierung an die Maschinenwerkstatt zurückgeschickt wird.

Die Entwicklung der Auftragschweißverfahren umfasste ein mechanisiertes Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahren (GTAW), das in den Projekten eingesetzt wurde, die auf die ersten Schweißversuche folgten.

Der Schweißaufbau enthält eine nicht abschmelzende Wolframelektrode, die den Lichtbogen erzeugt, dessen Hitze ausreichen muss, um Metalle zu schmelzen.

In diesem Fall ist Inconel 625 das Metall, das mit dem Gehäusematerial aus niedriglegiertem Stahl verschmolzen wird. Ein Inconel-Draht wird kontinuierlich dem Schweißlichtbogen und dem Werkstück zugeführt. Der Schweißlichtbogen wird durch einen Schutzgasschutz geschützt, der eine Kontamination des Schweißbereichs verhindert (Bild 2).

Beim Schweißprozess ergeben sich mehrere Herausforderungen. Das Fluidtechnikunternehmen arbeitete jedoch mit einem qualifizierten Schweißfachmann zusammen, der in der Lage war, die geforderte hohe Schweißqualität zu erreichen und tonnenschwere Pumpengehäuse zu bewältigen. Drei Anforderungen der Schweißspezifikation werden berücksichtigt.

Eisenzusammensetzung

Die Verdünnung und der Eisengehalt in der Schweißnaht müssen sorgfältig kontrolliert werden. Für die Nickelbasislegierungen N06625 sind nach American Petroleum Institute (API) 6A (International Organization for Standardization [ISO] 10423) zwei Zusammensetzungsklassen für die chemischen Analysen festgelegt: Fe5 und Fe10.

Die Abkürzungen stehen für den maximal zulässigen Eisengehalt, der sich an der Stelle 3,2 Millimeter (mm) vom Grundmaterial entfernt ansammelt (Bild 3). Jede Erhöhung des Eisengehalts der Schweißschicht über den angegebenen Wert hinaus erhöht die Korrosionsgefahr.

Schweißnahtdicke

Eine weitere Anforderung sieht vor, dass auf dem Grundmaterial mindestens zwei Lagen Schweißung aufgebracht werden müssen. Der Blick durch die Gehäusebohrung (Bild 4) zeigt das leicht zerfurchte Aussehen der Schweißschicht.

Sobald die Schweißung abgeschlossen ist, wird eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) durchgeführt, um die erforderlichen Materialeigenschaften sicherzustellen und Restspannungen abzubauen.

In diesem Fall entschied sich das Fluidtechnikunternehmen für eine endgültige Schweißnahtdicke von 5 mm. Ziel war es, etwaige Abweichungen hinsichtlich Fertigungstoleranzen und möglichen Erosionsverschleiß, die im Betrieb auftreten können, auszugleichen.

Um die endgültige Schweißnahtgeometrie zu erhalten, sind mehrere Fertigungsschritte erforderlich. Eines der Ziele des Projekts war es, die Abweichung in der Schweißnahtdicke so weit wie möglich zu minimieren, um die für die Endbearbeitung erforderliche Zeit zu verkürzen. Um eine endgültige Schweißnahtdicke von 5 mm anzustreben, mussten die Bearbeitung für die Schweißnahtvorbereitung und die Endbearbeitung nach dem Schweißen entworfen und ihre Maßtoleranzen festgelegt werden.

Kleine Bohrungen

Beim Schweißen von Bohrungen ergeben sich weitere Herausforderungen. Die Zugänglichkeit der Gehäusebohrungen zum Schweißen wird durch die Größe des Schweißwerkzeugs eingeschränkt.

Kleinere Bohrungen lassen sich mit massiven Inconel-Rohren herstellen, die in eine vorgebohrte und etwas größere Öffnung im Gehäuse eingeschweißt werden. Eine weitere Möglichkeit wäre, einen Vollzylinder aus Inconel in eine Öffnung einzusetzen. Anschließend erfolgt die Endbearbeitung durch das Bohren einer Bohrung in diesen eingeschweißten Kern.

Ausführung

Drei Pumpeneinheiten mit Inconel-verkleideten Gehäusen wurden fertiggestellt, seit die ersten Schweißversuche an solchen Pumpenkomponenten durchgeführt wurden. Der erste Entwurf betraf eine Unterwasserinstallation im Golf von Mexiko. Der zweite Auftrag betraf ein Öl- und Gasprojekt im Nahen Osten und der dritte Auftrag betraf eine Pumpe zur Verarbeitung von Kohlendioxid (CO2). Bei den Projekten ging es um das Schweißen des Prozessbereichs größerer Pumpengehäuse (siehe Bild 5).

Die größten Pumpengehäuse waren über drei Meter lang. Die Größe und das Gewicht dieser Komponenten, die mehrere Tonnen auf die Waage bringen, machten das Projekt noch komplexer.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde das anfängliche Schmieden an die Bearbeitungsanlage weitergegeben, dann an den Schweißer für den Plattierprozess und schließlich bearbeitet, um die endgültigen Abmessungen auf den geschweißten Oberflächen zu erreichen.

Aufgrund der Größe dieser Pumpen wurden die Gehäuse für den Schweißauftragsprozess vertikal positioniert (Bilder 6 und 7), sodass der Schweißbrenner auf die erforderliche Genauigkeit ausgerichtet werden konnte.

Bei zwei der Pumpen galten spezielle Schweißanforderungen für die Dichtungsnuten der Flanschrohrverbindungen, die außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet sind. Die Schnittstelle am Pumpengehäuse umfasst bearbeitete Nuten, deren Zweck die Aufnahme der Metalldichtungen ist.

Die Auswahl des Materials für die Dichtungen ist genormt und korreliert mit dem Zusatzwerkstoff der Schweißnaht. Sowohl die Dichtung als auch die Schweißnahtverkleidung bestehen aus Inconel 625. Das Projekt erforderte die Verkleidung aller Dichtungsnuten (Bild 8). Der Zweck des Schweißens bestand darin, galvanische Korrosion zwischen der Dichtung und dem weniger edlen Grundmaterial, dem in diesem Dokument beschriebenen Pumpengehäuse, zu verhindern.

Die Verwendung von Auftragsschweißungen an Pumpenkomponenten kann eine wirksame Alternative zur herkömmlichen Auswahl korrosionsbeständiger Grundmaterialien wie Superduplex für Pumpen sein, die in einer korrosiven Umgebung betrieben werden. Der endgültigen Materialauswahl muss jedoch eine Kostenschätzung vorausgehen, da die Preise für Superduplex und den niedriglegierten Stahl schwanken können, ebenso wie die Lieferzeit für die einzelnen geschmiedeten Rohmaterialien.

Der Trend zu höheren Druckklassen und damit zu dickeren drucktragenden Teilen begünstigte die Werkstoffauswahl mit der niedrigen Legierungszusammensetzung 2,25 % Chrom 1 % Molybdän. Die Eignung von Pumpengehäusen aus Superduplex ist auf eine bestimmte Schmiededicke beschränkt. Da sich dieser Trend fortsetzt, wird die Nachfrage nach Schweißplattierungen entweder für die Nachrüstung bestehender Pumpen oder für die Schaffung neuer Anlagen steigen.

Die Entwicklung dieses Verfahrens durch das Fluidtechnikunternehmen hat sich als erfolgreich erwiesen, da die Herstellungs- und Schweißverfahren für die beschriebenen Pumpeneinheiten genau abgestimmt wurden. Dies wurde dadurch erreicht, dass die einzelnen Fertigungsschritte wie Schmieden, Vorbearbeiten, Schweißen und Endbearbeitung in Zusammenarbeit mit einem spezialisierten Schweißpartner optimal aufeinander abgestimmt wurden.

Benedikt Trottmann ist Entwicklungsingenieur bei Sulzer. Weitere Informationen finden Sie unter sulzer.com.