Dr. Helga Leonhard, Vorstand und Leitung Kompetenzcenter Werkstofftechnik, IGR e.V.

Das Kompetenzcenter Werkstofftechnik hat die Aufgabe, Wissen und Know-how in allen Fragen der Werkstofftechnik bei der Planung, dem Betrieb und der technischen Optimierung von Produktionsanlagen vorzuhalten und weiterzuentwickeln. Nehmen Sie Einblicke in die Arbeit des Kompetenzcenters und verfolgen Sie, wie Mitgliedsfirmen von den Ergebnissen profitieren.
Der Trend im Anlagenbau der Chemie- und Pharmaindustrie geht zu Standardisierungen und Kostensenkungen bei den eingesetzten Bauteilen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe durch veränderte und variablere Fahrweisen bei der Produktion.

Neue Werkstoffe kommen hinzu, für die es mitunter nur wenige Erfahrungswerte gibt. Aber auch die Herstellungsverfahren ändern sich. Jüngstes Beispiel: Bestimmte Bauteile aus Metall oder Kunststoff werden heute schon additiv gefertigt. Aber wie verhalten sich „gedruckte“ Bauteile im Kontakt mit aggressiven Medien und in puncto Korrosionsbeständigkeit? Welcher Werkstoff ist für den jeweiligen Einsatzbereich am besten geeignet?

 

Wissenstransfer und Marktplatz der Erfahrungen

Das Kompetenzcenter Werkstofftechnik stellt den Mitgliedsunternehmen Wissen und Know-how zur Verfügung. Im Fokus stehen die Eigenschaften und die sichere und wirtschaftliche Verwendung von Werkstoffen, Komponenten und Bauteilen. Diese Informationen benötigen Anlagenbetreiber für die Sicherstellung der Beschaffungs- und Dienstleistungsqualität. Dazu zählen Anforderungs- und Prüfspezifikationen, aber auch Lieferantenaudits, Guidelines, Positionspapiere, aktuelle Hinweise und Empfehlungen sowie technische Informationen, beispielweise das Dichtungskataster, die Erkenntnisse aus Schadensfällen und die Eigenschaften neuer Werkstoffe. Das Kompetenzcenter organisiert die Regelwerksverfolgung und den Austausch von technischen und wissenschaftlichen Informationen in Arbeitskreisen, Workshops sowie Fachgesprächen und beteiligt sich alle zwei Jahre am fachübergreifenden IGR-Erfahrungsaustausch.

Durch die Mitarbeit in Gremien und Verbänden, beispielsweise bei der Gesellschaft für Korrosionsschutz (GfKORR e.V.), gelingt es, dort erarbeitetes Wissen den IGR-Mitgliedern zur Verfügung zu stellen. Die Bereitstellung von Fachinformationen erfolgt über das IGR-Portal. Die viermal pro Jahr erscheinenden Vereinsmitteilungen „IGR-Aktuell“ informieren Mitgliedsunternehmen über die Arbeitsergebnisse aus dem Kompetenzcenter Werkstofftechnik und den anderen Kompetenzcentern der IGR.

Zur Vermittlung von Kenntnissen zum Stand der Technik betreibt das Kompetenzcenter eine von den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der IGR-Mitgliedsunternehmen rege nachgefragte Hotline. Dort erhalten Interessierte eine qualifizierte Aussage von Werkstoff-Expertinnen und -Experten. Hierbei geht es zum Beispiel um Fragen zu einer Werkstoffnummer, den spezifischen Eigenschaften von Werkstoffgruppen oder dem Verhalten von Werkstoffen in besonderen Medien. Bei der Beantwortung der Fragen spielen eigene Erfahrungen, Literaturkenntnisse und im Rahmen von IGR-Projekten erlangtes Wissen eine große Rolle. Zudem bieten die regelmäßigen Werkstofftechnik-Fachgespräche ein Forum zur Information über bestimmte Werkstoffgruppen, Arbeitsmethoden oder Bauteile – und die Möglichkeit der anwendungsorientierten Diskussion. Auf Wunsch der Mitgliedsunternehmen werden auch regelmäßig Schulungen zur Erlangung von werkstofftechnischem Know-how durchgeführt.

Eine Untersuchung – alle profitieren

Besonders bei neuen Werkstoffen ist die Kenntnis des Verhaltens in praktischen Medien (Betriebsmedien) wichtig, um beim Einsatz in der Anlage auf der sicheren Seite zu sein. In Ergänzung zu den Herstellerangaben werden die Werkstoffe für die IGR deshalb im akkreditierten Korrosionslabor der TÜV SÜD Chemie Service GmbH umfangreichen Tests unterzogen. Die Ergebnisse stehen allen Mitgliedsunternehmen zur Verfügung. Das spart jedem Unternehmen erheblich Kosten und Zeit. Gleichzeitig sind alle Mitgliedsfirmen immer auf dem neuesten Stand. Auch neue Fragestellungen, die direkt aus den Unternehmen kommen, werden aufgegriffen. Das Kompetenzcenter stellt den „State of the Art“ zu diesem Thema fest und initiiert gegebenenfalls ein neues Projekt. Im Folgenden werden exemplarisch vier IGR-Projekte mit Arbeitsergebnissen vorgestellt.

Additiv gefertigte Werkstoffe

Die additive Fertigung von metallischen Werkstoffen ist ein rasch wachsender Markt. Die verschiedenen Verfahren wie SLM (Selective Laser Melting) oder LMD (Laser Metal Deposition) sind zunehmend standardisiert und bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die entweder schon im Bereich Chemie/Pharma vorhanden sind, oder es bald sein werden. Additiv gefertigte Bauteile bieten klare Vorteile: vereinfachtes Produktdesign, Gewichtseinsparung und verkürzte Lieferzeiten. Und weil die Komponenten „gedruckt“ werden, kann selbst bei komplizierten Bauteilen oftmals eine Nachbearbeitung entfallen.

Von Betreiberseite aus ist es notwendig, die herstellungsbedingten veränderten Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile und deren Einfluss auf den Produktionsalltag zu kennen. Die mechanischen Eigenschaften sind inzwischen gut untersucht, beim Korrosionsverhalten gab es aber bisher nur wenige Informationen. Deshalb wurden Korrosionsversuche an im SLM-Verfahren hergestellten Proben aus nichtrostendem austenitischen Stahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L) durchgeführt und mit konventionell produziertem Material verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die SLM-Proben selbst bei starker elektrochemischer Belastung in einer NaCl-Lösung keine klassische Lochkorrosion zeigen, sondern eher eine flächige Korrosion. Bei den additiv gefertigten Proben zeigte sich zudem eine Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der Porosität des Werkstoffs: bei niedriger Porosität eine geringe, bei hoher Porosität eine stärkere Neigung zu Korrosion. Untersucht wurde auch das Phänomen der Spannungsrisskorrosion. Hier sind keine Unterschiede zwischen additiv und konventionell hergestellten Werkstoffen feststellbar.

Das Verhalten von additiv gefertigten Kunststoffen wurde ebenso untersucht. Dabei ging es um die Bewertung der Beständigkeit von additiv gefertigtem im Vergleich zu konventionell extrudiertem Polypropylen (PP). Das Ergebnis: PP, das mit dem FDM-Verfahren (FDM: Fused Deposition Modeling) hergestellt wurde, schnitt in puncto Beständigkeit gegenüber Salzsäure signifikant besser ab als PP, das mit dem pulverbasierten SLS-Verfahren – also mittels selektivem Lasersintern – gefertigt wurde. Bei den mechanisch-technologischen Eigenschaften übertrifft konventionell hergestelltes PP allerdings beide additiv gefertigten Varianten, so dass zum gegenwärtigen Zeitpunkt für Anwendungen in der chemischen Industrie vorzugsweise konventionell extrudiertes PP eingesetzt werden sollte.

Korrosion unter Isolierungen (CUI)

Behälter, Kolonnen und Rohrleitungen können zur Vermeidung von Wärme- und Energieverlusten sowie Gesundheits- und Sicherheitsrisiken mit einer Wärmedämmung oder einem Flammschutz verkleidet sein. Bei Mitgliedsfirmen gab es wiederholt Schadensfälle durch Korrosion unter solchen Einrichtungen, deren Ursachen im Kompetenzcenter Werkstofftechnik näher untersucht wurden. Die Erkenntnisse flossen in verschiedene Guidelines ein. Korrosion unter Isolierungen, häufig als CUI (Corrosion under Insulation) bezeichnet, wird verursacht durch ein wässriges, sauerstoffhaltiges und meist chloridhaltiges Medium, das in die Isolierung gelangt. Bei rostfreien austenitischen Stählen oder Duplexstählen kann dies Spannungsrisskorrosion auslösen, bei unlegierten Stählen hingegen wird meist ein flächiger Abtrag oder Muldenkorrosion beobachtet. Für die Ausbildung der Spannungsrisskorrosion bei rostfreien Stählen ist Voraussetzung, dass eine Grenztemperatur überschritten wird, weiter müssen im Medium Chloride vorhanden sein, die sogar aus dem Dämmstoff selbst in wasserlöslicher Form mobilisiert und ausgewaschen werden können.

Gemeinsam ist derartigen Schäden, dass sie in der Regel erst dann entdeckt werden, wenn sie bereits weit fortgeschritten sind oder sogar schon eine Leckage aufgetreten ist. Wichtig ist deshalb eine durchdachte Prüfstrategie, um CUI rechtzeitig zu lokalisieren und eingreifen zu können. Die sicherste Methode besteht in der direkten Prüfung, also dem Entfernen der Isolierung und einer visuellen Inspektion, begleitet von einer Wanddickenmessung mit Ultraschall. Zum Auffinden von Spannungsrisskorrosion ist eine Farbeindringprüfung geeignet, die sich bis zu einer Oberflächentemperatur von etwa 150 °C einsetzen lässt und bei laufendem Betrieb möglich ist. Auch indirekte Prüfungen, bei denen die Isolierung oder der Flammschutz nicht entfernt werden muss, sind mit Durchstrahlung oder digitaler Radiographie zur Wanddickenmessung möglich. Spannungsrisskorrosion kann so allerdings nicht identifiziert werden. Für die Auffindung durchfeuchteter Stellen im Dämmstoff und/oder Kältebrücken kann auch eine Infrarot-Kamera (Thermographie) genutzt werden. Ob unlegierter, niedriglegierter oder rostfreier Stahl: Spezielle Beschichtungssysteme unter Isolierungen schützen vor Korrosion. Dazu hat das Kompetenzcenter Werkstofftechnik entsprechende Guidelines verfasst.

Einsatzgrenzen von metallischen Werkstoffen in Kühlwässern

Fluss- und Rückkühlwasser werden als Kühlmittel in chemisch-pharmazeutischen Anlagen eingesetzt. Durch den niedrigen Chloridgehalt und oftmals auch die niedrigere Einsatztemperatur erscheint Flusswasser auf den ersten Blick wenig korrosiv. Schadensfälle haben jedoch gezeigt, dass sogar Leitungen aus rostfreiem Stahl bereits nach kurzer Zeit schwer geschädigt werden können. In Systemen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit bilden sich Schlammablagerungen, unter denen sich Spaltkorrosion entwickeln kann. Temperaturen zwischen 20 und 40 °C begünstigen zudem die Bildung eines Biofilms, als möglicher Ausgangspunkt für eine mikrobiell induzierte Korrosion.

Um eine Abschätzung des Verhaltens in realen Flusswassersystemen zu erhalten, wurden Korrosionsproben verschiedener rostfreier Stähle in einem Kühlkreislauf ausgelagert. Die Temperatur des Flusswassers betrug maximal 30 °C, bot also ideale Bedingungen für Mikroorganismen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Werkstoff 1.4539 korrosionsfrei war und damit sicher eingesetzt werden kann. Von der Verwendung des Werkstoffs 1.4541 ist abzuraten, da bei allen Proben Spaltkorrosion festgestellt wurde. Der Werkstoff 1.4571 zeigte bei einigen Proben Spaltkorrosion.

In Rückkühlwasser muss der hohe Chloridgehalt beachtet werden. Dieser kann zu Loch-, Spalt- oder Spannungsrisskorrosion an rostfreien Stählen führen, da die schützende Passivschicht durch Chloridionen geschädigt wird. Die Stabilität der Passivschicht gegenüber den genannten Korrosionsarten hängt im Wesentlichen vom Chrom- und Molybdängehalt ab. Von entscheidender Bedeutung ist aber auch die Temperatur am Bauteil. Zur Bestimmung der ohne Korrosionsgefahr maximal möglichen Einsatztemperaturen wurden an den gleichen Werkstoffen wie beim Flusswasser Untersuchungen in Rückkühlwasser durchgeführt. Bei Aufstockung des Chloridgehalts auf 300 ppm wurden folgende maximale Einsatztemperaturen für die einzelnen Werkstoffe ermittelt: 1.4541: etwa 20 °C, 1.4571: 70 °C, 1.4462: 120 °C und 1.4539: 160 °C. Die Ergebnisse zeigen, dass der Werkstoff 1.4539 mit Abstand am beständigsten ist, während von dem Einsatz des 1.4541 grundsätzlich abzuraten ist. Diese und weitere Untersuchungsergebnisse, unter anderem auch zur Ursache und Abschätzung des Risikos für mikrobiell induzierte Korrosion, wurden in entsprechenden Guidelines zusammengefasst.

Rouging in der Pharmaproduktion

Als Rouging oder Rouge wird die Bildung von sichtbaren Verfärbungen auf rostfreien Stählen in Reinstwasser- oder Reinstdampf-Systemen bezeichnet. Bei nicht abwischbarem Rouge handelt es sich um eine sehr dünne Oberflächenschicht, die etwa im Bereich von 1 µm liegt. Sie kann verschiedene Farben aufweisen: rot, hellbraun, dunkelbraun oder schwarz. Eine weitere Form des Rouges sind leicht abwischbare Schichten. Analysen ergaben, dass es sich hierbei in der Regel um kristalline Ablagerungen aus Eisen- und Chromoxid handelt, meistens mit Beimengungen von Nickel- und Molybdänoxid. Betroffen sind Wasserkreisläufe, Vorratsbehälter, Destillen oder Dampfleitungen ab einer Betriebstemperatur von ≥ 65 °C, vornehmlich in Anlagen der Pharmaproduktion. Entgegen früheren Annahmen geht man heute davon aus, dass Rouging keine Korrosion ist, sondern als Eigenschaft der Passivschicht des rostfreien Stahls verstanden werden muss. Unter den genannten Bedingungen treten Metallionen aus der Passivschicht aus, die aber anstelle sich sofort wieder in die Schicht einzubauen, in das Wasser wandern. Dort bilden sich Metalloxidkristalle, die sich auf der Werkstoffoberfläche anreichern und letztendlich eine dünne Schicht ausbilden. Dabei können sich die Kristalle direkt am Entstehungsort ablagern oder aber auch strömungsbedingt zu anderen Orten transportiert werden und dort an der Bildung eines Rouging-Belags beteiligt sein.

Das Kompetenzcenter Werkstofftechnik hat mit Vertretern von Pharmaunternehmen, die Mitglieder der IGR sind, ein Positionspapier zum Thema Rouging erarbeitet. Demnach ist auftretendes Rouge als unkritisch für die Anlage zu bewerten, da die Grenzwerte der Pharmakopoeen für das Wasser, die von allen Betreibern mindestens einmal täglich überwacht werden, stets eingehalten werden – auch bei sichtbarer Rougebildung. Zusätzlich werden die Anlagen regelmäßig einer visuellen Kontrolle unterzogen. Eine Entfernung des Rouges (Derougingaktion) verspricht keinen dauerhaften Erfolg und sollte daher nicht als wiederkehrende Standardmethode angewendet werden. Die Möglichkeit einer potentiellen Verschleppung von Partikeln lässt sich durch eine Risikobewertung einschätzen und mit entsprechenden Maßnahmen verhindern.