Schadeanalyse spanningscorrosie

Een veel voorkomende vorm van schade bij apparaten en constructies vervaardigd van austenitisch roestvast staal is spanningscorrosie. Ook nu is deze vorm van corrosie opgetreden. De reden dat in de kolommen van dit blad hiervan melding wordt gemaakt is geen andere dan om ontwerpers en gebruikers van dit gevaar, dat altijd op de loer ligt, ten volle te doordringen.

(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 9, 1995- artikel 107)

Onderzoek

Voor nader onderzoek zijn er drie willekeurige platen uitgekozen, die elk scheuren bevatten. Afbeelding 1 toont een kenmerkend scheurbeeld. De scheuring treedt op rondom de ronde doorstroomopeningen in de platen. Vervolgens zijn dwarsdoorsneden gemaakt van gescheurd plaatmateriaal, welke metallografisch zijn geprepareerd en daarna lichtmicroscopisch zijn onderzocht. De resultaten hiervan zijn te zien op de afbeeldingen 2 tot en met 5.


Afbeelding 1. Kenmerkend scheurbeeld in plaatwarmtewisselaar.
 

Bespreking

Het uiterlijk van de scheuren, zoals die op de afbeeldingen 2 tot en met 4 zijn te zien, is kenmerkend voor spanningscorrosie. De specifieke kenmerken zijn: het optreden van kleinere scheuren parallel aan de hoofdscheur (goed te zien op de afbeeldingen 3 en 4) en het voorkomen van rivierdelta-achtige vertakkingen van de scheuren (goed te zien op de afbeeldingen 3 en 4). Behalve scheuren zijn er ook putten gevonden in het platmateriaal (zie afbeelding 2). Uit het uiterlijk van de beginpunten van enkele scheuren, die vrij afgeronde scheurkanten hebben (zie met name afbeelding 4), kan worden afgeleid dat bij dergelijke scheuren de scheurvorming is voorafgegaan door putvormige aantasting, waarna de scheuren zijn uitgegaan van de bodems van zulke putten.


Afbeelding 2. Dwarsdoorsnede door plaat ter plekke van scheuren . Geëtst;V= 50 x.


Putten en scheuren zijn ontstaan aan de waterzijde. Aan weerszijden van de scheuren komen zijscheurtjes voor, die loodrecht staan op de scheurflanken (zie de afbeeldingen 3 en 4). Deze scheurtjes zijn ontstaan op plaatsen waar sterke mechanische deformatie is opgetreden, ontstaan bij de fabricage van het plaatmateriaaL Afbeelding 5 laat het hierbij optredende deformatielijnenpatroon zien. De scheurtjes loodrecht op de scheurflanken volgen deze  deformatielijnen, welke laatste bij voorkeur corroderen. Verder is gebleken, dat de scheurtjes steeds in de nabijheid van de ronde doorstroomopeningen in de platen voorkomen. Uit dit alles blijkt dat het water hier het corrosieve milieu is. De geometrie van de platen rondom de ronde doorstroomopeningen tezamen met het toepassen van zigzagstrippen roepen bij het opeenklemmen van de platen hoge spanningsconcentraties op, omdat het plaatmateriaal hier niet kan meegeven, zoals dat elders op de plaat wel mogelijk is. Bovendien zijn in de platen restspanningen aanwezig als gevolg van de fabricage van de platen.


Afbeelding 3. Dwarsdoorsnede door plaat ter plekke van scheuren. Geëtst;V= 100x.


Afbeelding 4. Dwarsdoorsnede door plaat ter plekke van scheuren. Geëtst; V = 100 x.


Afbeelding 5. Dwarsdoorsnede door plaat, waarin scheuren voorkomen. Er is een zwak patroon zichtbaar van evenwijdige golvende lijnen, lopend van links naar rechts op de afbeelding. Dit zijn deformatielijnen. De opname is onderbelicht om de deformatielijnen beter te doen uitkomen. Geëtst; V= 100 x.


De resulterende in-en uitwendige spanningen kunnen het spanningsniveau zo hoog doen oplopen, dat spanningscorrosie mogelijk is. Een factor die spanningscorrosie bevordert is de temperatuur, welke boven de drempelwaarde van zo' n 55 a 60°C ligt. Beneden deze temperatuur is spanningscorrosie ook mogelijk, maar de tijd tot scheurvorming is dan veel langer. Verder heeft het optreden van spanningswisselingen eveneens een nadelige invloed.

Conclusie

De geconstateerde scheuren in een aantal platen van een platenwarmtewisselaar zijn veroorzaakt door spanningscorrosie. Voorts is er putvormige corrosie aangetroffen,welke voor een aantal scheuren als initiatie heeft gediend. De putvormige aantasting en de scheurvorming zijn aan de waterzijde van de platen begonnen.

Remedie

De enige afdoende remedie tegen het optreden van de spanningscorrosie ligt in het constructieve vlak: de platen dienen zodanig van vormgeving te zijn, dat spanningsconcentraties worden vermeden of laag blijven. Als uitgangsmateriaal is het zeker aan te bevelen om gebruik te maken van een dieptrekkwaliteit, dat wil zeggen plaatmateriaal dat in zachtgegegloeide toestand wordt aangeleverd. Wat de putvormige corrosie betreft: die is lastiger te bestrijden. Er zullen maatregelen moeten worden genomen om de redoxpotentiaal negatiever te doen zijn dan de putcorrosiepotentiaal van het gebruikte roestvast staal in het onderhavige milieu. Anders moet een hoger gelegeerd staaltype worden gekozen, hetgeen soms tot onaanvaardbare prijs-en leveringsconsequenties kan leiden.