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Für die Rohrherstellung verwendete Werkstoffe und ihre Bearbeitbarkeit

Publications presse 24/10/2016

Die Wahl eines Werkstoffes wird in der Industrie nie dem Zufall überlassen. Bei Entwicklung und Konstruktion müssen die Eigenschaften der Werkstoffe sorgfältig geprüft und definiert werden, um bei ihrer späteren Anwendung böse Überraschungen und überflüssige Kosten zu vermeiden.

Für die Rohrherstellung verwendete Werkstoffe und ihre Bearbeitbarkeit

Die Wahl eines Werkstoffes wird in der Industrie nie dem Zufall überlassen. Bei Entwicklung und Konstruktion müssen die Eigenschaften der Werkstoffe sorgfältig geprüft und definiert werden, um bei ihrer späteren Anwendung böse Überraschungen und überflüssige Kosten zu vermeiden.

Umso stärker gilt dieser Grundsatz bei der Wahl eines Werkstoffes für ein Rohr. In der Tat sind bestimmte Rohre je nach Art, Druck und Temperatur des Fluids, das in ihnen transportiert wird, hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt.

Der Werkstoff, aus dem das Rohr hergestellt wurde, wird einen erheblichen Einfluss auf alle Fertigungs- und Bearbeitungsprozesse haben. Die Bearbeitbarkeit eines Rohrs hängt direkt vom Werkstoff ab, aus dem es hergestellt ist. Daher müssen für jeden Werkstoff besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um eine hochwertige Bearbeitung gewährleisten zu können.

Zum Beispiel ist die Bearbeitung für die Vorbereitung einer Schweißnaht ein gängiger Vorgang, bei dem das Rohrende nach bestimmten Winkeln bearbeitet werden muss, um sicherzustellen, dass das Schweißgut in die gesamte Rohrdicke eindringt.

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Standardstahl

Aufgrund der Kostenvorteile und der mechanischen Qualitäten werden häufig Rohre aus Standardstahl eingesetzt, die sich für zahlreiche Anwendungen eignen. Stahlrohre sind beständig, dauerhaft und verformbar. Sie können also für Anwendungen mit starken Temperatur- und/oder Druckvariationen eingesetzt werden. Diese Rohre werden häufig auch verwendet, wenn Stöße oder Schwingungen Rohrnetze beanspruchen können (wie z. B. bei unter Straßen verlegten Rohren). Stahlrohre sind relativ einfach herzustellen und können leicht gebogen bzw. abgetrennt werden.

Allerdings sind Stahlrohre sehr rostanfällig, wenn sie nicht vorab mit einem Rostschutz behandelt werden. Zu den geläufigen Rostschutzbehandlungen zählt die Galvanisierung. Hierbei wird die Oberfläche des Stahlrohrs mit Zink beschichtet. Diese Zinkoberfläche wird sich anstelle des Stahls im Laufe der Zeit ganz langsam oxidieren.

Die Bearbeitung von leicht legiertem Stahl, d. h. mit einem geringen Kohlenstoffanteil (zwischen 0,008% und 2,14%), stellt kein besonderes Problem dar. Bei steigendem Kohlenstoffanteil neigen die Werkstoffeigenschaften wie Härte bzw. mechanische Beständigkeit dazu, sich deutlich zu verbessern. Doch beeinflusst dies auch in erheblichem Maße die Bearbeitbarkeit, die bei Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil schwieriger wird.

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Stahl P91

Stahl P91 ist ein legierter Stahl mit einem hohen Anteil an Chrom (9%) und Molybdän (1%). Durch Hinzufügen von Chrom wird eine gute mechanische Beständigkeit bei hohen Temperaturen sowie ein guter Rostschutz erreicht. Molybdän dagegen verbessert die Verformungsbeständigkeit. Geringe Mengen an Nickel und Mangan verbessern die Härte des Werkstoffes. P91 ist in seiner Mikrostruktur sehr empfindlich gegenüber Variationen, zu denen es bei starker Erhitzung kommen kann. Diese Variationen der Mikrostruktur machen den Werkstoff anfällig. Daher wird die Kaltbearbeitung zum Schneiden dieser Art von Werkstoff meist bevorzugt.

P91 wurde zur Herstellung von Rohrsystemen in herkömmlichen Wärmekraftwerken oder in Atomkraftwerken entwickelt. In der Tat verlässt der Dampf den Überhitzer in einem modernen Kraftwerk mit einer Temperatur von ungefähr 570°C bis 600°C und mit einem Druck zwischen 170 und 230 Bar. Das bedeutet, dass die letzten Ebenen des Überhitzers und die Rohre, die den Dampf ab der Turbine transportieren, extreme Belastungen aushalten müssen. Daher ist ein Werkstoff mit einer hohen mechanischen Beständigkeit erforderlich, die sich im Laufe der Zeit, wie das bei P91 gewährleistet ist, nicht verschlechtert.

Durch P91 konnten die Ingenieure trotz höheren Betriebstemperaturen die Wandstärken der Rohrnetze verringern, wodurch die thermodynamische Leistungsfähigkeit des gesamten Systems verbessert werden kann.

Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit ist die Bearbeitung von P91 allerdings nicht sehr einfach. Regelmäßiges Wechseln der Werkzeuge, um ihre Schärfe zu gewährleisten und die Anwendung von niedrigen Schnittgeschwindigkeiten vereinfachen die Bearbeitung dieses Werkstoffes. Durch Einwirken auf die Schnitttiefe kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.

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Duplexstahl

Ein rostfreier Duplexstahl besteht aus einem rostfreien Chromstahl, dem Nickel zugesetzt wird. Die Matrix enthält sowohl Ferrit als auch Austenit, wovon sich der Name Duplex ableitet. Diese Legierung wurde entwickelt, um Korrosionsbeständigkeit und Zugfestigkeit zu garantieren. Duplexstahlrohre werden sehr häufig bei der Erdöl- und Gasgewinnung in Offshore-Anlagen eingesetzt, wo die Pipelines hohen Drücken und einer salzhaltigen Umgebung ausgesetzt sind. Diese Rohre findet man auch in Industriebereichen, in denen Chlor- oder Säureprodukte Anwendung finden, wie beispielsweise in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. In den vergangenen Jahren sind auch stärker legierte Duplexstähle unter den Bezeichnungen Super-Duplex oder Hyper-Duplex auf den Markt gekommen.

Die Bearbeitung von Rohren aus Duplexstahl ist aufgrund der Zugfestigkeit sowie einer erhöhten Elastizitätsgrenze in der Regel eher schwierig. Die Schnitttemperatur kann sehr hoch sein und das Rohr plastisch verformen. Zur Bearbeitung von Duplex müssen Werkzeuge und Flansche ausreichend starr und stabil sein.

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Rostfreier Stahl

Rostfreie Stähle bestehen wie Standardstähle aus Eisen und Kohlenstoff. Allerdings wird Chrom hinzugefügt, das ab einer bestimmten Proportion (10,5%) die Bildung einer Chromoxidschicht ermöglicht. Diese als “passiv” bezeichnete Schicht ist chemisch gesehen inert, korrosionsfest und stabil.
Es können auch andere Elemente hinzugefügt werden, um die mechanische Festigkeit (Nickel) oder die Temperaturbeständigkeit (Molybdän, Titan, Vanadium, Wolfram) zu verbessern.

Obwohl die Rohre aus rostfreiem Stahl teurer sind als Rohre aus Standardstahl, sind sie in vielen Industriezweigen wie z. B. in der Chemie, der Erdölindustrie, im Pharmabereich, in der Lebensmittelindustrie und Luftfahrttechnik, im Schiffbau usw. sehr verbreitet.

Durch die Korrosionsfestigkeit und chemische Stabilität können diese Rohre für Fluide verwendet werden, die in keinster Weise kontaminiert werden dürfen, wie das z. B. in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie der Fall ist bzw. müssen sie korrosiven Fluiden wie in der chemischen Industrie standhalten.

Die Bearbeitung von rostfreiem Stahl hängt sehr stark von der Proportion der Legierungselemente ab. Ein hoher Anteil an Chrom, Nickel oder Titan macht die Bearbeitung schwieriger, während Elemente wie Kohlenstoff oder Schwefel die Bearbeitung vereinfachen.

Die Schnittkante muss scharf sein, um das Ablösen des Materials zu begünstigen und die erforderlichen Schnittkräfte zu reduzieren.

Die Verbindung der Schneidwerkzeuge sowie die Maschine selbst müssen ausreichend starr sein, um den durch das Schneiden induzierten Belastungen standhalten zu können. Man geht im Allgemeinen davon aus, dass die Schnittkräfte bei einem rostfreien Stahl im Vergleich zu einem Standard-Kohlenstoffstahl um 50 % höher sind.

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Superlegierungen

Die in der Rohrfertigung eingesetzten Superlegierungen gehören größtenteils zu den Superlegierungen auf Nickelbasis. Zu dieser Stahlsorte gehören Inconel bzw. Austenit. Diese Namen gehen auf den jeweiligen Hersteller der Legierung zurück.

Die Basis der Legierung ist also immer Nickel, dem Chrom, Eisen, Titan oder Aluminium hinzugefügt werden. Diese Legierungen haben die gleichen Vorteile wie rostfreier Stahl, die Vorzüge sind jedoch noch ausgeprägter. Zum Beispiel ist ihre Hitzebeständigkeit höher (ca. 900°C), ebenso ihre Korrosionsbeständigkeit (Korrosion durch Chloridionen, Reinstwasser und Ätzung) größer. Ihr Preis ist natürlich auch weitaus höher als der von Standardlegierungen, doch ist dieser gerechtfertigt, wenn es um Anwendungen geht, bei denen die Sicherheit der Mitarbeiter ein wesentliches Kriterium ist.

Rohre aus Superlegierungen auf Nickelbasis werden in der Luftfahrt (z. B. in den Verbrennungskammern), wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit in der chemischen Industrie, in Atomkraftwerken und in einem geringerem Maße auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Die Bearbeitung dieser Superlegierungen gilt als sehr schwierig. Dies hat mehrere Ursachen: Als erstes muss man berücksichtigen, dass 70% der Hitze direkt an das Schneidwerkzeug zurückgestrahlt werden, während es bei Standardstahl nur 15% sind. Daher ist es also äußerst wichtig, während der Bearbeitung die Schnittkante abkühlen zu können. Der zweite Grund für die schwierigere Bearbeitung liegt in der Härte des Werkstoffes. Die Lebensdauer der Schneidwerkzeuge kann auf einige Minuten reduziert sein, wenn die verwendete Maschine nicht die erforderliche Leistung erbringt oder wenn die Schneidwerkzeuge bzw. die Schnittgeschwindigkeiten nicht angemessen sind.

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Titan

Titan ist für die Industrie ein äußerst interessantes Metall. Aus ihm können leichte, aber sehr korrosions- und hitzebeständige (600°C) Rohre gefertigt werden. Auch seine mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Beanspruchung und Dehnbarkeit) sind vorteilhaft. Nur sein hoher Preis beschränkt die Anwendung auf spezifische Applikationen. In erster Linie wird es in der Luftfahrtindustrie eingesetzt, wo seine geringe Dichte in Verbindung mit seinen mechanischen Eigenschaften aus ihm einen unumgänglichen Werkstoff machen.

Da die Wärmeleitfähigkeit von Titan nur sehr gering ist (nur ca. ein Zehntel der von Stahl), ist auch die Wärmeableitung bei der Bearbeitung nicht optimal. Die Schnittkante muss ordnungsgemäß gekühlt werden, um Bearbeitungsfehler zu vermeiden.

Es sollten sehr scharfe Schneidwerkzeuge bevorzugt werden, um das Ablösen des Materials zu erleichtern und somit die Schnittkraft zu reduzieren.

Die Bearbeitung wird noch schwieriger, wenn es sich um behandeltes Titan handelt (Behandlung durch Abscheidung oder wenn z. B. Chrom vorhanden ist).

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Aluminium

Aluminium wird in der Industrie vielfach eingesetzt. Aluminiumrohre sind günstig, einfach zu formen und miteinander zu verbinden. Sie sind auch sehr korrosionsbeständig und leicht, was sie in der Flugzeugindustrie, im Transport und für die Konstruktion zu einem bevorzugten Werkstoff macht. Auch bei der Herstellung von Druckluftstellsystemen werden sie häufig eingesetzt.

Die Bearbeitung von Aluminiumrohren ist aufgrund ihrer sehr geringen Härte relativ einfach. Allerdings können aufgrund ihrer Formbarkeit andere Probleme auftreten, wie z. B. das Anstauen von Spänen. Die Lösung dafür besteht in einer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer tieferen Schnittlinie und einem schnelleren Vorschub. Bei der Bearbeitung kann es auch zu einer Verformung der Rohre kommen, wenn die Bearbeitungsmaschine und insbesondere das Spannfutter nicht angemessen sind.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ermöglicht ein gutes Ableiten der Wärme. Die Schnittgeschwindigkeit kann also ohne Reduzierung der Lebensdauer der Schneidwerkzeuge erhöht werden.

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Protem SAS

Mathieu Schram,

Zuständig für Australien – Skandinavien
Diplomingenieur für Verfahrenstechnik