Roestvast stalen producten... wat valt er te keuren?

Roestvast staal wordt in de praktijk gekozen omdat dit staal een aantal bijzondere eigenschappen bezit, zoals een verhoogde corrosievastheid, een verhoogde temperatuur oxidatievastheid, een hoge ductiliteit, en voor bepaalde typen hoge mechanische eigenschappen. Het succes bij het toepassen van roestvast staal is, net als bij de toepassing van andere materialen, afhankelijk van de materiaalkeuze en het gehele fabricageproces van het uiteindelijke product.

Ir. Lammert Brantsma, EWE & Hans Vergunst, EWT


(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 5, 1999- artikel 104)

In het leven van metaalproducten zijn de volgende stadia te onderscheiden, te beginnen bij de legeringssmelt lopend via het fabricageproces en eindigend bij het omsmelten van het schrot:

• de legeringssmelt
• het metaal (gietblok, gietstuk) verkregen vanuit de smelt het basisproduct (plaat, staf)
• het tussenproduct (gelaste deelconstructie e.d.)
• het eindproduct
• het gebruik
• het recyclen van het materiaal (scheiden van materialen en hergebruik).

Bij de fabricage van alle metalen, en in het bijzonder bij materialen als roestvast staal, is kennis omtrent de chemische samenstelling van de smelt essentieel. Immers, de corrosie-eigenschappen, maar ook de uiteindelijke microstructuur, de mechanische eigenschappen en de bewerkbaarheid van een roestvast staal worden net als van elk ander willekeurig metaal in sterke mate bepaald door de samenstelling. Bovendien zijn de (gecombineerde) deformatie-en warmtebehandelingsgeschiedenis, oftewel de 'totale thermo-mechanische behandeling' zoals smeden, walsen, vervormen, lassen, oplossend gloeien e.d. van het gegoten (begin)product tot aan het basis-en/of eindproduct, bepalend voor de eigenschappen van het roestvast staal. Het basisproduct zal immers middels verspanende bewerkingen, lassen, vervormen, warmtebehandelingen enz. verwerkt moeten worden tot het eindproduct. Dit eindproduct kan een kunstwerk zijn, maar ook een pijpplaat van een warmtewisselaar, een waterleiding of een grote gegoten roestvast stalen bocht uit een leid ingsysteem. Hoe exotisch en geavanceerd het product ook moge zijn, op een gegeven moment is de economische en/of technische levensduur voorbij. Het is dan economisch en/of technisch niet meer verstandig om het product in bedrijf te houden. Dit kan zijn omdat de productiecapaciteit dan te gering is, de reparatiekosten te hoog zijn of omdat corrosie haar werk heeft gedaan. Vervanging van het product door een gelijksoortig product of een product van nieuw ontwerp of een ander materiaal behoort dan tot de mogelijkheden. Sloop van het oude product, gevolgd door recycling van de betreffende materialen, kan dan aan de orde zijn. Voor roestvast staal kunnen globaal de volgende keuringen in of voorafgaand aan de genoemde stadia van de levenscycli (of in de bijbehorende materiaal-of productcertificaten) worden onderscheiden:


 

Chemische analyse

De corrosievastheid van roestvast staal is afhankelijk van de samenstelling van het roestvast staal, de vervaardigingswijze en het milieu waarin het moet opereren. De verschillende milieus geven immers alle in combinatie met de verschillende roestvaste stalen en hun productvorm, constructie en vervaardigingswijze aanleiding tot verschillende corrosievormen, zoals algemene corrosie, putvormige corrosie, spleetcorrosie, spanningscorrosie en galvanische corrosie. De chemische samenstelling van een roestvast stalen product (of van het gestolde monster uit een smelt) kan worden bepaald door er een monster van te nemen en dit monster middels optische emissie spectrometrie (OES), röntgen fluorescentie (XRF) of op nat chemische wijze te analyseren. Tegenwoordig kan ook op locatie optische emissie spectrometrie worden uitgevoerd aan het product zelf, waarbij zelfs de gehalten aan elementen als koolstof, nodig om onderscheid te maken tussen de roestvaste soorten en hun gelijknamige laag koolstofvarianten, zoals 304 en 304L, zwavel en fosfor, kunnen worden vastgesteld. Het voordeel van analyse aan het object zelf is dat er geen deel van het materiaal behoeft te worden afgenomen, veelal middels slijpen, boren of hakken (spanen voor nat-chemisch onderzoek), hetgeen in vele gevallen betekent dat zeker relatief kleine objecten als verloren moeten worden beschouwd.

Behalve de draagbare emissie spectrometer beschikt Schielab ook over draagbare röntgen fluorescentie apparatuur (XRF). Deze apparaten zijn echter alleen geschikt om metallische legeringselementen zoals chroom, nikkel, molybdeen, vanadium en titaan semi-kwantitatief aan te tonen en legeringen te identificeren. Door de compactheid en het geringe gewicht is het meten op de meeste locaties mogelijk (zie afbeelding 1).


Afbeelding 1. Middels X RF-apparatuur worden ook op locatie globale chemische analyses uitgevoerd, zodat op verwisseling van materiaal kan worden gecontroleerd.


De röntgen spectrometer vindt vooral toepassing bij PMI onderzoek (Positieve Materiaal Identificatie) aan leidingen en apparaten in corrosieve omstandigheden, bijvoorbeeld in de petrochemie. Het PMI-onderzoek maakt vaak deel uit van:

• lasmethodekwalificaties (is het lastoevoegmateriaal niet verwisseld ?)
• controles van materiaalcertificaten
• schadeonderzoek
• reparatieadviezen.

De noodzaak om vooral in geval van toepassing van corrosievaste materialen te beschikken over een de juiste materiaalsamenstelling wordt geïllustreerd door de grote gevolgen van een geringe verschil in samenstelling op het corrosiegedrag. Daarbij is bijvoorbeeld het verschil in bestendigheid tegen putcorrosie tussen RVS type AISI 304 en AISI 316 illustratief. Roestvast staal type AISI 316 is goed bestand tegen putcorrosie als gevolg van het legeren met molybdeen (ca. 2 .5%). AISI 304 bevat geen molybdeen en is daardoor minder goed bestand tegen putcorrosie. Ten behoeve van een goede recycling, een beperking van de raffinage en het bijlegeren van verkregen smelten van schrot is het van belang verschillende groepen metalen te scheiden. Daarbij kan gebruikgemaakt worden van vereenvoudigde OES-apparatuur, maar ook van XRF, eventueel ingericht voor specifieke groepen materialen, bijvoorbeeld alleen voor roestvast staal van het type AISI 304, 316 en 347.

Bepaling mechanische eigenschappen

Voor een constructie zijn de mechanische eigenschappen van de toegepaste materialen van wezenlijk belang. De constructeur kent een aantal criteria op basis waarvan een materiaalkeuze gedaan kan worden, zoals:

• soort belasting (statisch of dynamisch)
• hoogte van de belasting
• belastingsrichting
• omgeving (corrosief, temperatuur enz.)
• esthetica
• levensduur (corrosiegedrag)
• productaantal
• beschikbare productieprocessen
• toelaatbare kostprijs.

De materiaalkeuze zal veelal een compromis zijn. Wel geldt dat aan de levensduur (die in het geval van toepassing van roestvast staal veelal wordt bepaald door het milieu en de bedrijfstemperatuur) wel een bekende concessie gedaan mag worden, maar aan de relevante sterkteeigenschappen nooit! De berekeningsvoorschriften schrijven voor hoe de sterkteberekening tot stand moet komen, rekening houdend met de nodige veiligheidsfactoren. Speciaal voor drukhoudende toestellen, apparaten of leidingen is het van belang om te weten of de mechanische eigenschappen en het corrosiegedrag aan de voor de toepassing gestelde eisen voldoen. Trek-, kerf-, buig-en soms ook hardheidsonderzoek zijn in die gevallen noodzakelijk. Dit is dan ook een reden om  materialen met certificaat te kopen of het materiaal door een onafhankelijk Sterlab-gecertificeerd laboratorium, zoals Schielab, te laten onderzoeken op de voor de toepassing relevante eigenschap(pen). Bij de keuze van uit te voeren onderzoeken zullen de metaalkundigen rekening houden met de relaties die er bestaan tussen de verschillende eigenschappen van het roestvast staal of de lassen daarin. In de volgende tabel staan enige van die relaties voor roestvast staal.




Ook het gerede product wordt vaak mechanisch onderzocht. Buismaterialen, maar ook drukvaten worden immers afgeperst met bijvoorbeeld water. Zowel de lekdichtheid als de sterkte worden daarmee gecontroleerd.

Microstructuuronderzoek

De microstructuur van een roestvast staal geeft een indruk omtrent de uitgevoerde warmtebehandeling van een materiaal of het effect van een fabricage-of bedrijfsproces op het materiaal. Middels microstructuuronderzoek kan dan antwoord worden verkregen op bijvoorbeeld de volgende vragen:

Bij het eindproduct:

• is het roestvast staal oplosgegloeid of koud vervormd?
• zijn er in het roestvast staal tijdens het lassen carbiden uitgescheiden in de door de laswarmte beïnvloede zone?
• is er door het lassen korrelgroei opgetreden in bijvoorbeeld ferritisch roestvast staal?

Tijdens gebruik:

• is er na een zekere bedrijfstijd kruip opgetreden?
• heeft er carbide-uitscheiding plaatsgevonden door de bedrijfsomstandigheden?

Het microstructuuronderzoek kan gebeuren aan monsters (destructief) welke zijn uitgenomen en geprepareerd voor lichtmicroscopisch onderzoek, en replica's (semi-niet destructief) genomen van een op locatie geprepareerd object (zie afbeelding 2) met licht-en elektronenmicroscopisch onderzoek.


Afbeelding 2. Microstructuur van een 304 H gegoten bocht. Het beeld is verk regen middels het nemen van een replica, die is beoordeeld met een optische microscoop.

Corrosieonderzoek

Roestvast staal wordt toegepast omdat het enkele bijzondere eigenschappen bezit. De corrosievastheid en de verhoogde temperatuuroxidatievastheid zijn hiervan de belangrijkste. De toepasbaarheid van roestvast staal voor specifieke milieus is vooral afhankelijk van de samenstelling, de vervorming en de warmtebehandeling die het materiaal heeft ondergaan. Voor een goede keuze van een roestvast staal kan corrosieonderzoek dan ook gewenst zijn. Belangrijk is dat het milieu waarin het materiaal moet opereren zeer goed bekend is. Geringe wijzigingen in het milieu kunnen namelijk een groot effect hebben op het corrosiegedrag van het materiaal.

Om te controleren of de roestvast stalen voldoen aan de gestelde eisen, bestaan er di verse standaardproeven die elk hun specifieke doel hebben. Genoemd worden de standaard-corrosieproeven ASTM G48 (bepaling gevoe ligheid voor putcorrosie, o.a . voor duplex RVS), ASTM G36 (voor bepaling van de gevoeligheid voor spanningscorrosie), de Strauss -en de Huey-testen. Ook de bepaling van pitting potentialen, de kritische pitring temperatuur enzovoort kan voor de toepassing van belang zijn. In alle gevallen van onderzoek, inspectie of kwaliteitscontrole geldt dat slechts doelgericht onderzoek gedaan moet worden, dus onderzoek naar de voor de toepassing relevante eigenschappen. Dat kennis van zaken nodig is om ten behoeve van doelgericht onderzoek keuzes te maken uit het grote aanbod va n verschillende mogelijke onderzoeken moge duidelijk zijn.

Niet-destructief onderzoek

De integriteit van materialen, producten en daarmee van de uiteindelijke constructies is essentieel voor het gebruik. Tijdens de fabricage moeten daarom specifieke onderdelen ni etdestructief onderzocht worden. Gietstukken moeten bijvoorbeeld radiografisch onderzocht worden daar waar krachten doorgeleid moeten worden, of waar de corrosie-eigenschappen van het roestvaste staal op de proef worden gesteld. Lassen kunnen ultrasoon (in geval van roestvast staal niet zo veel toegepast), radio grafisch, penetrant en magnetisch (ferritisch en martensitisch roestvast staal) worden onderzocht. Ook hierbij geldt dat slechts die onderzoeken uitgevoerd hoeven te worden, waarmee daadwerkelijk de integriteit van een (las)constructie gewaarborgd kan worden. Zo moeten lassen penetrant worden onderzocht ingeval er kans bestaat op het optreden van warmscheuren bij het lassen. Ook kan in plaats van de gebruikelijke NDO-methoden gekozen worden voor het gebruik van andere methoden, zoals het meten van het ferrietgehalte van het lasmetaal bij bepaalde roestvaste stalen. Dit ferrietgehalte geeft bij de (bijna volledig) austenitische roestvast stalen immers een indicatie omtrent de kans op warmscheuren (zie afbeelding 3).


Afbeelding 3. Meting van het ferrietgehalte in een roestvaststalen product middels een draagbare ferrietmeter.


Ook het onderzoek naar de juiste uitvoering van beits-en passiveerbehandelingen van roestvast stalen producten behoort tot de mogelijkheden. Hiervoor wordt de ferroxyl-test gebruikt, waarbij middels het aanbrengen van een specifieke oplossing vrij ijzer {losse staaldeeltjes, bijvoor beeld afkomstig van gewoon stalen producten) op het roestvast stalen oppervlak kan worden aangetoond.

Conclusie

Samengevat kan worden gesteld dat voor de keuze van uit te voeren onderzoeken er een duidelijk beeld moet bestaan over de constructie en de bedrijfsomstandigheden. Pas dan kan bijvoorbeeld door Schielab een weloverwogen keuze gemaakt worden, een keuze die in meerdere gevallen zou afwijken van hetgeen diverse specificaties en normen voorschrijven. Dit betekent niet altijd een veel geringere beproevingso mvang, maar wel één die meer ter zake doende is, en die meer inzicht geeft in de werkelijke integriteit van de constructie.