Schweißauftrag mit Nickellegierungen: Beschichtung von Kohlenstoffstahl für Korrosionsbeständigkeit

Schweißauftragung -, auch Schweißplattierung oder Auftragsschweißung genannt -, ist eine bewährte, Code-konforme Methode zum Aufbringen einer korrosionsbeständigen Nickellegierungsschicht auf ein Substrat aus Kohlenstoffstahl oder niedrig{4}legiertem Stahl. Das Ergebnis: die mechanische Festigkeit und die niedrigen Kosten von Kohlenstoffstahl, kombiniert mit der Korrosionsbeständigkeit von Nickellegierungen - bei 40–60 % geringeren Materialkosten als bei Konstruktionen aus massiver Nickellegierung. In diesem Artikel wird erläutert, wann eine Schweißauflage die richtige Wahl ist, welche Nickellegierungen verwendet werden, welche Normen gelten und wie die Auflage richtig spezifiziert wird.

Das Auftragschweißen mit Nickellegierungen ist die Branchenstandardlösung für Druckbehälter, Wärmetauscher und Rohrleitungskomponenten, die Korrosion durch Sauergas (H₂S), Chloride, Säuren und Hochtemperaturoxidation - widerstehen müssen, ohne dass die Kosten für die Herstellung einer Volllegierung anfallen.

Einführung zum Schweißauftrag

Beim Auftragschweißen werden eine oder mehrere Schichten einer korrosionsbeständigen Legierung (typischerweise auf Nickelbasis) mithilfe von Lichtbogenschweißverfahren auf die Oberfläche eines günstigeren Grundmetalls (typischerweise Kohlenstoffstahl oder niedriglegierter Stahl) aufgetragen. Die Deckschicht - ist typischerweise 3–6 mm dick - und fungiert als Barriere zwischen der korrosiven Prozessflüssigkeit und dem strukturellen Grundmetall.

Warum Overlay statt Volllegierung verwenden?

Tisch. Kosten- und Leistungsvergleich - Massivlegierung vs. Schweißauftragskonstruktion

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Div. 1 (2023); ASME B31.3 Prozessrohrleitungen (2022); Special Metals Corporation „Katalog für Schweißprodukte“ (2023); Technische Daten von Haynes International zu korrosionsbeständigen Legierungen; Interne Kostenanalyse von JN Alloys für 2024–2025.

Bei Behältern mit großem-Durchmesser, Wärmetauschergehäusen und Rohrleitungsspulen, bei denen der Korrosionsangriff auf die Innenfläche beschränkt ist, bietet Schweißauftrag die gleiche Korrosionsleistung wie Volllegierungen bei 40–60 % geringeren Materialkosten.

Die am häufigsten spezifizierten Overlay-Materialien sind Alloy 625 und Alloy C-276

Nicht alle Nickellegierungen sind zum Auftragschweißen geeignet. Das Auflagematerial muss schweißbar, mit der Kohlenstoffstahlverdünnung kompatibel und gegenüber der spezifischen korrosiven Umgebung beständig sein. Zwei Legierungen dominieren die Branche: Alloy 625 (UNS N06625) und Alloy C-276 (UNS N10276).

Legierungsauswahl nach Korrosionsumgebung

Tisch. Nickellegierungs-Überzugsmaterialien - Auswahlhilfe nach Korrosionsumgebung

Quelle: Datenblätter „INCONEL® Alloy 625“ und „INCONEL® Alloy 725“ der Special Metals Corporation (2023); Technische Daten von Haynes International „HASTELLOY® C-276 Alloy“ (2023); ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt IX (2023) QW-422 P-Nummerngruppierung; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015.

Vergleich der chemischen Zusammensetzung

Tisch. Chemische Zusammensetzung gängiger Nickellegierungs-Überzugsmaterialien (Gewicht %, typisch)

Quelle: ASTM B443 (Legierung 625); ASTM B575 (Legierung C-276, C-22, 59); ASTM B425 (Legierung 825); ASTM B168 (Legierung 600); ASTM B435 (Legierung X); Datenblätter von Special Metals und Haynes International (2023).

Legierung 625 ist die Standardwahl für den Einsatz in Meerwasser, Chlorid und Sauergas (H₂S). Legierung C-276 ist die Standardwahl für reduzierende Säuren (HCl, H₂SO₄) und raue chemische Umgebungen. In Grenzfällen konsultieren Sie NACE MR0175 / ISO 15156-3 und führen Sie Korrosionstests durch.

GTAW und GMAW für Overlay mit hoher -Integrität

Die Wahl des Schweißverfahrens beeinflusst die Qualität der Auflage, die Verdünnungsrate, die Abscheidungsrate und die Kosten. Für kritische Druckgeräte sind GTAW (WIG) und GMAW (MIG) die gebräuchlichsten Optionen. Für großflächige Verkleidungen bieten FCAW und SAW eine höhere Produktivität.

Prozessvergleich für Nickellegierungsüberzüge

Tisch. Schweißprozesse für Nickellegierungsauflagen - Vergleich nach Qualität und Produktivität

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt IX (2023); AWS D1.6/D1.6M-22 „Strukturelle Schweißvorschriften – Edelstahl“; Special Metals „Schweißrichtlinien für Nickellegierungen“ (2023); Technischer Leitfaden „Nickellegierungsschweißprodukte“ von Lincoln Electric (2023).

Das Verdünnungsmanagement ist für die Overlay-Leistung von entscheidender Bedeutung

Die Verdünnung erfolgt, wenn das Grundmetall (Kohlenstoffstahl) schmilzt und sich mit dem Zusatzmetall (Nickellegierung) vermischt. Eine übermäßige Verdünnung verringert die Korrosionsbeständigkeit des Overlays, indem der kritische Legierungsgehalt (Cr, Mo, Nb) gesenkt wird. Bei Alloy 625-Überzügen sollte der Eisengehalt in der ersten Schicht unter 10 % gehalten werden; für C-276 unter 7 %.

Tisch. Maximal zulässige Verdünnung - Eisengehaltsgrenzen nach Legierung

Quelle: Special Metals „Welding Guidelines for INCONEL® Alloy 625“ (2023); Haynes International „Welding and Fabrication of HASTELLOY® C-276 Alloy“ (2023); ASME Abschnitt IX QW-404.12 „Füllmetallverdünnung“; AWS A5.14/A5.14M:2018 „Spezifikation für blanke Schweißelektroden und -stäbe aus Nickel und Nickellegierungen.“

Verwenden Sie GTAW (WIG) für die erste Schicht, um die Verdünnung zu minimieren und die Einhaltung der Chemie sicherzustellen. Verwenden Sie GMAW, FCAW oder SAW für nachfolgende Schichten, um die Produktivität zu steigern. Überprüfen Sie die Chemie des Overlays immer durch PMI (Positive Material Identification) oder Laboranalyse.

Auflagestärke 3–6 mm

Die Mindestschichtdicke richtet sich nach der Korrosionszugabe, der Verdünnungstiefe, der Fähigkeit des Schweißprozesses und den Vorschriften. Bei den meisten Druckbehältern und Rohrleitungen sind 3–6 mm (2–3 Schichten) Standard. Dünnere Overlays bergen die Gefahr des Durchbruchs; Dickere Auflagen erhöhen die Kosten und können zu Problemen mit der Eigenspannung führen.

Richtlinien für die Dickengestaltung

Tisch. Overlay-Dickendesign - Empfohlene Werte je nach Anwendung

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Div. 1 (2023) UG-16 „Mindestwandstärke“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 „Erdöl- und Erdgasindustrie – Materialien zur Verwendung in H₂S-haltigen Umgebungen“; API 6A (21. Ausgabe, 2024) „Bohrlochkopf- und Baumausrüstung“; API 17D (3. Auflage, 2021) „Design und Betrieb von Unterwasser-Produktionssystemen“.

Berechnung des Korrosionszuschlags

Die Dicke der Auflage muss Folgendes umfassen: (1) Korrosionszugabe (typischerweise 1,5–3,0 mm für eine Nutzungsdauer von 10–20 Jahren), (2) Bearbeitungszugabe (0,5–1,0 mm für die Oberflächenbearbeitung) und (3) Dicke der Verdünnungszone (1,0–1,5 mm für die erste Schicht).

Tisch. Aufschlüsselung der Overlay-Dicke - Korrosionszugabe und Fertigungstoleranzen

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Div. 1 UG-25 ​​„Corrosion Allowance“; ASME B46.1-2019 „Oberflächentextur (Oberflächenrauheit, Welligkeit und Lage)“; ASME Abschnitt V Artikel 4 „Ultraschalluntersuchungsmethoden für Schweißnähte“; ASME Abschnitt IX „Schweiß-, Hartlöt- und Schmelzqualifikationen“.

Abschluss:Geben Sie für die meisten Anwendungen eine Mindestauflagedicke von 3,0 mm nach der Bearbeitung an. Geben Sie für Umgebungen mit starker Korrosion (Sauergas, Säuren, Meerwasser) 4,0–5,0 mm an. Berücksichtigen Sie in der Konstruktionsspezifikation immer den Korrosionszuschlag.

PMI-Verifizierung und NTE

Da die Überzugsschicht dünn ist (3–6 mm) und die Korrosionsbeständigkeit von einer präzisen Chemie abhängt, ist die Qualitätskontrolle wichtiger als bei Konstruktionen aus massiven Legierungen. Jede Auflage muss durch eine positive Materialidentifizierung (PMI) verifiziert und durch Ultraschallprüfung (UT) oder Röntgenprüfung (RT) geprüft werden.

Prüfanforderungen für Schweißnähte

Tisch. Qualitätskontrolltests für Schweißauflagen aus Nickellegierungen

Quelle: ASTM E1621-21 „Standard Guide for Elemental Analysis by Wavelength Dispersive X-Ray Fluoreszenz Spectrometry“; ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt V (2023) Artikel 2, 4, 5, 6; ASME Abschnitt VIII Div. 1 UW-51 „Röntgenuntersuchung von Schweißnähten“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 Tabelle A.1 „Härteanforderungen für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle“.

Häufige Defekte und ihre Ursachen

Tisch. Häufige Schweißnahtfehler - Ursachen und Vorbeugung

Quelle: AWS D1.6/D1.6M-22 „Strukturschweißcode – Edelstahl“; Special Metals „Schweißrichtlinien für Nickellegierungen“ (2023); ASME Abschnitt IX QW-190 „Prüfung und Reparatur von Schweißnähten“.

Die PMI-Überprüfung der Overlay-Chemie ist für jeden Auftrag obligatorisch. Die UT- oder RT-Inspektion bestätigt die Integrität der Verbindung. Für den Einsatz im sauren Bereich ist gemäß NACE MR0175 eine Härteprüfung erforderlich. Alle Prüfergebnisse sind im Materialprüfbericht zu dokumentieren.

ASME VIII und ASME B31.3

Das Auftragschweißen ist keine „alternative“ Methode -, es wird ausdrücklich von den ASME-Designcodes anerkannt und geregelt. Die Überzugsschicht kann als Korrosionszuschlag, jedoch nicht als druckhaltende Dicke angerechnet werden, es sei denn, sie ist ausdrücklich qualifiziert und dokumentiert.

Code-Anforderungen für Schweißüberlagerungen

Tisch. ASME-Code-Anforderungen für Schweißauftragskonstruktionen

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Div. 1 (2023) UG-16, UW-42, UCL-30 bis UCL-46; ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Div. 2 (2023) Teil D Artikel D.11; ASME B31.3-2022 „Prozessrohrleitungen“, Absätze 323.4.2, 328.5.1; ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt IX (2023) QW-214, QW-283; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015.

Wenn Overlay in die Designdicke einbezogen werden kann

Standardmäßig behandeln die ASME-Codes Schweißüberzüge als Korrosionszuschlag -, sie werden nicht in die Druck--Berechnung der Druckhaltedicke einbezogen. Wenn das Overlay-Verfahren jedoch geeignet ist, eine vollständige metallurgische Bindung nachzuweisen, und die Konstruktionsspezifikation dies ausdrücklich zulässt, kann die Overlay-Dicke (abzüglich Korrosionszugabe) angerechnet werden.

Tisch. Bedingungen für die Einbeziehung von Überlagerungen in die Druckbemessung

Quelle: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Div. 1 UCL-30 „Clad and Weld-Metal-Lined Vessels“; ASME Abschnitt IX QW-283 „Schweißvariablen für korrosionsbeständige Overlays“; WRC-Bulletin 447 „Richtlinien zur Beurteilung von Schweißauftragsplattierungen in Druckgeräten“ (1999).

Die Schweißüberlagerung ist vollständig Code-kompatibel. Standardmäßig wird es als Korrosionszuschlag behandelt und nicht in die Druckbemessung einbezogen. Wenn die Konstruktionsspezifikation dies zulässt, kann die Auflage auf die Druckdicke - angerechnet werden, dies erfordert jedoch qualifizierte Verfahren und eine ausdrückliche technische Genehmigung.

Öl und Gas, Chemie und Energieerzeugung

Auftragsschweißungen mit Nickellegierungen werden am häufigsten in Branchen eingesetzt, in denen die Prozessumgebung stark korrosiv ist, die Konstruktion aus massiven Legierungen jedoch aufgrund der Anlagengröße wirtschaftlich unattraktiv ist. Die Öl- und Gasindustrie ist der größte Abnehmer, gefolgt von der chemischen Verarbeitung und der Stromerzeugung.

Anwendungsbeispiele nach Branchen

Tisch. Schweißauftragsanwendungen nach Branche und Serviceumgebung

Quelle: API 6A (21. Ausgabe, 2024) „Wellhead and Tree Equipment“; API 17D (3. Auflage, 2021) „Subsea Production Systems“; API 934-A (3. Auflage, 2019) „Materialien und Herstellung von 2¼Cr-1Mo- und 3Cr-1Mo-Stahl-Druckbehältern mit hoher Wandstärke für Hochtemperatur- und Hochdruck-Wasserstoffanwendungen“; NACE RP045-2003 „Auftragsschweißen für Wasserstoffanwendungen“; ASME B31.3-2022 „Prozessrohrleitungen“; DNVGL-OS-F101 (2021) „U-Boot-Pipelinesysteme“.

Fallstudie: Bohrlochkopf-Ausrüstungsüberlagerung

Unterwasser-Bohrlochkopfgeräte und Weihnachtsbäume werden in einigen der aggressivsten Korrosionsumgebungen betrieben: Meerwasser auf der Außenseite, Sauergas (H₂S) und Sole im Inneren und Temperaturen von bis zu 200 Grad. Eine Konstruktion aus Volllegierung 625 würde das Fünf- bis Achtfache an Kohlenstoffstahl kosten. Das Auftragen von Alloy 625 auf Kohlenstoffstahl oder niedriglegierten Stahl (z. B. AISI 4130, F22) bietet die gleiche Korrosionsbeständigkeit bei 40–50 % geringeren Kosten.

Tisch. Fallstudie - Unterwasser-Bohrlochkopfnabe: Alloy 625 Overlay auf F22-Stahl

Quelle: API 6A (21. Ausgabe, 2024) „Wellhead and Tree Equipment“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015; Interne Projektdaten von JN Alloys für den Unterwasser-Bohrlochkopf-Hub, hergestellt im Jahr 2023; Datenblatt „INCONEL® Alloy 625“ für Spezialmetalle (2023).

Bei großen, dickwandigen Geräten, bei denen der Korrosionsangriff auf die Innenfläche beschränkt ist, ist die Schweißauftragung die wirtschaftlich bessere Wahl. Massive Legierungen sollten für kleine Komponenten (Ventilinnenteile, Instrumentenanschlüsse) reserviert werden, bei denen eine Überlagerung unpraktisch ist.

ERNiCrMo-4 und ERNiCr-3

Die Spezifikation des Schweißzusatzwerkstoffs (AWS-Klassifizierung) bestimmt die Chemie der Auflage und die Korrosionsbeständigkeit. Für Alloy 625 Overlay verwenden Sie ERNiCrMo-3 oder ERNiCrMo-4; Verwenden Sie für die C-276-Auflage ERNiCrMo-4. Die Klassifizierung -4 hat einen höheren Mo-Gehalt und wird für den Einsatz mit stark reduzierender Säure bevorzugt.

Klassifizierung von Zusatzwerkstoffen für Nickellegierungsüberzüge

Tisch. AWS-Füllmetallklassifizierungen für Schweißauftragschweißungen aus Nickellegierungen

Quelle: AWS A5.14/A5.14M:2018 „Spezifikation für blanke Schweißelektroden und Stäbe aus Nickel und Nickel-Legierungen“; AWS A5.11/A5.11M:2017 „Spezifikation für Schweißelektroden aus Nickel und Nickel--Legierungen für das Schutzgasschweißen“; Spezialmetalle „Katalog für Schweißprodukte“ (2023); Technische Daten von Haynes International „Schweißzusatzwerkstoffe“ (2023).

Auswahl des Zusatzwerkstoffes nach Einsatzumgebung

Tisch. Auswahlhilfe für Zusatzwerkstoffe - Nickellegierungsüberzug nach Korrosionsumgebung

Quelle: NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 „Erdöl- und Erdgasindustrie-Materialien zur Verwendung in H₂S-haltigen Umgebungen“; Special Metals „Auswahlleitfaden für korrosionsbeständige Legierungen“ (2023); Technische Broschüre „Korrosionsdaten“ von Haynes International (2023); Outokumpu „Korrosionshandbuch für rostfreie Stähle und Nickellegierungen“ (2021).

ERNiCrMo-3 (Alloy 625-Füllstoff) ist die vielseitigste Wahl für allgemeine Overlay-Anwendungen. ERNiCrMo-4 (C-276-Füllstoff) wird für schwere reduzierende Säureanwendungen bevorzugt. Überprüfen Sie immer die Auftragschemie durch PMI, um sicherzustellen, dass das Schweißzusatzwerkstoff und das Schweißverfahren den erforderlichen Cr-, Mo- und Fe-Gehalt liefern.