Wasserstoffinduzierte Rissbildung (HIC)

Wasserstoff und Stahl - eine "unglückliche Beziehung"

Wasserstoffinduzierte Rissbildung (Hydrogen Induced Cracking, HIC) ist ein Schadensmechanismus, der typischerweise in Raffinerien und chemischen Industrien vorkommt, der durch Diffusion von atomarem Wasserstoff in die innere Struktur von Stahl verursacht wird. Dieser sammelt sich an Einschlüssen und Verunreinigungen im Stahl und wird zu molekularem Wasserstoff umgewandelt. Hierdurch entstehen erst Dopplungen, und im weiteren Verlauf des Schadensmechanismus können sich Terrassenrisse bilden, die entweder die Dopplungen untereinander verbinden oder sich zur inneren Oberfläche ausweiten. HIC kann bei relativ niedrigen Temperaturen (<150 C°) auftreten. Die Schädigung ist meist kumulativ und kann sich in verschiedenen Arten wie Blasenbildung, Terrassenrissen oder spannungsorientierter Rissbildung (Stress Orientated Hydrogen Induced Cracking, SOHIC) manifestieren.

Daher ist die qualitative und quantitative Bewertung der strukturellen Integrität von Behältern und/oder Rohrleitungen, die möglicherweise Schäden durch Wasserstoff erleiden, sowohl aus sicherheitstechnischer, ökologischer als auch finanzieller Sicht von großer Bedeutung.

Einsatz von Ultraschallprüfungen mit manuellen und automatisierten Systemen

MISTRAS-GMA wendet effektive und speziell aufeinander abgestimmte Prüfmethoden an, die eine Detektion von Dopplungen, Blasen und Terrassenrissen auf Grundlage von HIC-Mechanismen ermöglichen.

Um Dopplung oder Blasen im Inneren des Grundwerkstoffes zu identifizieren, setzen wir für große Prüfflächen unser selbstentwickeltes automatisiertes Large Structure Inspection (LSI) Ultraschall-Prüfsystem ein oder nutzen Ultraschall Phased Array (PAUT), wenn es sich um kleinere Prüfflächen handelt.

LSI ist ein schnelles, automatisches sowie programmier- und konfigurierbares Ultraschall-Prüfsystem, das 2D oder 3D Flächen-Scanbilder der internen Materialstruktur von z.B. ferritischen Tankwänden, Druckbehältern, Wärmetauschern, Rohrleitungen erstellt. Vergleichbare Scanbilder werden auch mittels PAUT generiert, jedoch ist diese Prüftechnik um ein vielfaches langsamer, hat jedoch den Vorteil, dass kleinere Flächen, die für das LSI System unzugänglich sind, untersucht werden können.

Durch den Einsatz dieser Prüfsysteme, können großflächige Bereiche bildgebend und extrem schnell auf Wanddickenänderungen (Dopplungen und Blasen) gescannt werden.

Die nachfolgenden Scanbilder verdeutlichen die Darstellung der typischen HIC-Schädigungen (Dopplungen und Blasen) in Form von reflektierter Schallwellen (rote Bereiche auf der Prüffläche). 

Total Focusing Method (TFM)

Um das Vorhandensein von oberflächenbrechenden Rissen oder Terrassenrissen festzustellen, wird die sogenannte TFM Methode eingesetzt. Diese Methode erzeugt ein stark fokussiertes Ultraschallfeld und "sieht" gewissermaßen in alle Richtungen. Dies ermöglicht auch die Detektion von Reflektoren in einer Schräglage, wie sie häufig bei Rissen vorkommt. Dank dieser Prüfmethode kann ein existierender Riss bildlich dargestellt werden und das Ausmaß bezogen auf Länge, Tiefe und Höhe in Millimeter ermittelt werden. Die Methode ist relativ schnell und bietet höchstmögliche Zuverlässigkeit der Befunde hinsichtlich der Detektion und Vermessung von Rissen bzw. Terrassenrissen (siehe Bild links).

Alle erfassten Daten können entweder numerisch oder in Form von farbcodierten Bildern (jede Farbe ist einer bestimmten Amplitude zugeordnet) erstellt werden (s. TFM-Bild rechts).

Durch die wegabhängige Aufnahme der Ultraschalldaten mittels eines integrierten Encoders zur Bestimmung der Position der Anzeigen von Dopplungen, Blasen, Rissen und Terrassenrissen ist es uns möglich, den allgemeinen Zustand der internen Wandstruktur zu ermitteln und die Existenz von HIC-Schädigungen und deren Ausmaß zu bestimmen. Hierzu erfolgt eine Klassifizierung in 0-10 Schadensklassen. Zusätzlich kann anhand des zur Verfügung gestellten aussagekräftigen Prüfberichtes eine Zustandsbewertung mit Berechnung der Restlebensdauer (Fitness For Service Analyse (FFS) erfolgen.

Vorteile:

• Durch Anwendung unserer Prüfmethoden können sehr effektiv, detaillierte qualitative und quantitative Informationen schnell extrahiert werden, so dass die Früherkennung und das Schadenswachstum von HIC-Schädigungen im Detail ermöglicht wird.

• Anschauliche und bildliche, farbcodierte Darstellung der Prüfergebnisse in einem für den Kunden verständlichen Prüfbericht und der Einstufung der Befunde in 0-10 Schadensklassen.

• Aufgrund der hohen Detektionswahrscheinlichkeit, der guten Reproduzierbarkeit und der Möglichkeiten zur genauen Anzeigengrößenbestimmung können auch genaue Vergleiche von wiederkehrenden Messungen durchgeführt werden. Diese bewerten das potenzielle Schadenswachstum und liefern Informationen über die Degradationsrate der beschädigten Bereiche. Zusätzlich besteht die Möglichkeit anhand der Messdaten die Restlebensdauer (Fitness-for-Service (FFS)) für diese Hochrisikobereiche zu bestimmen und zu berechnen.

• Kommen Überwachungsprogramme entweder als eigenständige oder als Teil eines größeren Inspektionsplanes zum Einsatz, ist die frühzeitige Ermittlung von Risikobereichen garantiert, die ansonsten zu unerwarteten Ausfällen und zur nicht planmäßigen Abschalten der Anlagen führen können. Geeignete Reparaturmaßnahmen sind hierdurch planbar.

• Die Rohdaten und die ausgewerteten Daten werden strukturiert archiviert und stehen für wiederkehrende Prüfungen zum Vergleich zur Verfügung.