Häufige Mängel in Druckbehältern
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Druckbehälter müssen regelmäßig technisch überprüft werden. Der Zweck dieser Überprüfungen besteht darin, Mängel am Behälter frühzeitig zu erkennen und diese rechtzeitig beseitigen, um zu verhindern, dass die Mängel weiter wachsen und schließlich zu Schadensereignissen führen. Zu den häufigen Defekten in Druckbehältern gehören Korrosion, Risse und Verformungen. 1. Korrosion Korrosion ist der häufigste Defekt, der bei Druckbehältern im Laufe ihrer Nutzung entstehen kann – insbesondere in Chemiebehältern. Es entsteht durch chemische oder elektrochemische Reaktionen zwischen dem Metall und dem Medium, mit dem es in Berührung kommt. Die Korrosion von Behältern kann als gleichmäßige Korrosion, Punktkorrosion, interkristalline Korrosion, Spannungskorrosion und Verschleißkorrosion auftreten. Unabhängig von der Art der Korrosion kann sie in schweren Fällen zum Versagen oder zur Zerstörung des Behälters führen. Sowohl die Innen- als auch die Außenflächen von Druckbehältern können korrodieren. Die Außenwände der Behälter werden in der Regel durch Korrosion durch die Atmosphäre beschädigt. Die Auswirkungen dieser Korrosion hängen stark von Region und Jahreszeit ab. In trockenen Regionen oder in Zeiten mit wenig Niederschlag ist die Korrosion durch die Atmosphäre deutlich geringer als in feuchten Regionen oder in regnerischen Perioden. Die Korrosion an der Außenwand von Druckbehältern tritt meist an Stellen auf, die ständig feucht sind und in denen sich leicht Feuchtigkeit ansammeln kann. An den Kontaktflächen zwischen Behälter und Halterung sowie an den Stellen, an denen der Behälter mit dem Boden in Berührung kommt, tritt leicht Korrosion auf. Die Korrosion an der Innenwand des Behälters entsteht hauptsächlich durch das Arbeitsmedium oder die darin enthaltenen Verunreinigungen. Im Allgemeinen werden bei Behältern, in denen das Arbeitsmedium eine ausgeprägte Korrosionswirkung hat, bei der Konstruktion Korrosionsschutzmaßnahmen ergriffen, wie beispielsweise die Verwendung korrosionsbeständiger Materialien, eine Oberflächenbehandlung oder -beschichtung sowie das Einbringen eines Belags auf die Innenwände. Daher wird die Korrosion an den Innenwänden dieser Behälter oft durch eine Beeinträchtigung der Korrosionsschutzmaßnahmen verursacht. Die Korrosion der Innenwände des Behälters kann auch dadurch verursacht werden, dass die normalen Betriebsbedingungen gestört werden. Beispielsweise hat trockener Chlor keinen korrosiven Einfluss auf Stahlbehälter. Wenn jedoch Chlorgas Feuchtigkeit enthält – oder wenn der mit Chlorgas gefüllte Behälter nach einem Drucktest nicht ausgetrocknet wurde – oder wenn aus anderen Gründen Feuchtigkeit in den Behälter gelangt, dann reagiert das Chlorgas mit der Feuchtigkeit und bildet Salzsäure oder Hypochloroussäure. Diese Substanzen haben eine starke korrosive Wirkung auf die Innenwände des Behälters. Aus strukturellen Gründen kann ebenfalls Korrosion entstehen oder verschärft werden. Beispielsweise können Behälter mit korrosiven Ablagerungen dazu führen, dass die Abflussrohre über der Bodenfläche des Behälters liegen. Dadurch sammeln sich im Laufe der Zeit korrosive Ablagerungen am Boden des Behälters an, was wiederum zu Korrosion führt. Außerdem sind Schweißnähte und Wärmebeeinflusste Zonen, die Umgebung der Nieten bei genieteten Behältern sowie Verbindungsstellen Orte, an denen Korrosion besonders leicht auftritt. Da die Korrosion an der Außenwand des Behälters in der Regel eine gleichmäßige oder lokale Korrosion ist, kann sie durch visuelle Inspektion festgestellt werden. Bei Behältern, deren Außenwände mit einer lackierten Schutzschicht überzogen sind, ist es in der Regel nicht notwendig, die Schutzschicht zu entfernen, um den Zustand der Metallwände hinsichtlich von Korrosion zu überprüfen – vorausgesetzt, die Schutzschicht ist unbeschädigt und es gibt keine anderen verdächtigen Anzeichen. Bei Behältern mit Isolierschicht oder anderen Überzugsschichten kann die Isolierschicht beibehalten werden, sofern das Isoliermaterial keine Korrosion am Behälterwandmaterial verursacht oder der Behälterkörper über eine korrosionshemmende Schicht verfügt und die Isolierschicht unbeschädigt ist. Sollten jedoch Lecks oder andere Anzeichen für eine mögliche Korrosion festgestellt werden, muss zumindest an den betroffenen Stellen ein Teil der Isolierschicht entfernt werden, um eine Untersuchung durchzuführen. An der Innenwand des Behälters können verschiedene Arten von Korrosion auftreten. Auch bei gleichmäßiger und lokaler Korrosion kann man durch visuelle Inspektionen vorgehen. Bei der interkristallinen Korrosion sowie der Risskorrosion (Spannungskorrosion und Ermüdungskorrosion) lässt sich im Allgemeinen nur durch visuelle Prüfungen schwer beurteilen, wobei bei schwerer interkristalliner Korrosion eine Prüfung mit dem Hammer zur Erkennung hilfreich sein kann. Häufig werden dazu metallurgische Untersuchungen, Analysen der chemischen Zusammensetzung sowie Festigkeitsmessungen eingesetzt. In der Regel muss die Auskleidung auf Dichtigkeit überprüft werden. Dabei müssen alle Bauteile, die die Überprüfung behindern, entfernt werden. Bei einer visuellen Inspektion, bei der eine gleichmäßige oder lokale Korrosion an der Innen- oder Außenwand des Behälters festgestellt wird, muss die verbleibende Dicke der korrodierten Stelle gemessen werden, um so die Dicke der korrodierten Stelle sowie die Korrosionsrate zu bestimmen. Die Behandlung von Korrosionsdefekten hängt von den konkreten Einsatzbedingungen des Behälters ab. Die allgemeinen Grundsätze sind: (1) Wenn an der Innenwand Korrosionen wie interkristalline Korrosion oder Risskorrosion festgestellt werden, sollte der Behälter nicht weiter verwendet werden. Wenn die Korrosion gering ist, ist es unter Berücksichtigung der konkreten Umstände zulässig, die ursprünglichen Betriebsbedingungen zu ändern und weiterhin zu verwenden. (2) Wenn es zu punktueller Korrosion kommt, diese jedoch die Betriebsabläufe nicht beeinträchtigt (es gibt keine Risse und die Korrosionsstärke ist geringer als die Hälfte der berechneten Wanddicke), kann das Defekt unberührt gelassen werden, sodass das Bauteil weiterhin verwendet werden kann. (3) Bei der gleichmäßigen und lokalen Korrosion wird entschieden, ob das Material weiterhin verwendet werden kann, ob der Zeitabstand zwischen den Überprüfungen verkürzt werden darf, ob es unter reduziertem Druck eingesetzt werden kann oder ob es als unbrauchbar zu betrachten ist – und zwar anhand des Prinzips, dass die verbleibende Dicke mindestens der berechneten Dicke entsprechen muss.
2. Risse Risse sind die gefährlichste Art von Defekten in Druckbehältern. Sie sind der Grund für eine brüchige Zerstörung des Behälters. Zudem tragen sie dazu bei, dass es zu Ermüdungs- und Korrosionsbrüchen kommt. Risse in Druckbehältern lassen sich nach ihrem Entstehungsprozess grob in zwei Kategorien einteilen: Risse, die bereits bei der Herstellung des Rohmaterials oder des Behälters entstehen, sowie Risse, die während der Nutzung des Behälters entstehen oder sich weiter ausbreiten. Ersteres umfasst Walzungsrisse in Stahlplatten, Ziehrisse in Behältern, Schweißrisse sowie Spannungsentlastungsbehandlungsrisse ； Letztere umfassen Ermüdungsrisse und Spannungskorrosionsrisse. Rillen durch das Walzen von Rohmaterialen entstehen durch die Ansammlung von Defekten im Metall selbst – wie Porosität, Einschlüsse sowie nichtmetallische Verunreinigungen –, die durch das Walzen zu linearen Defekten werden. Dieser Mangel kann sich im Inneren des Materials oder an der Oberfläche befinden – es gibt keine bestimmte Richtung oder einen festen Ort dafür. In einigen gezogenen kleinen Hochdruckbehältern werden ebenfalls häufig ähnliche Risse gefunden. Schweißrisse entstehen hauptsächlich während des Herstellungsprozesses der Behälter. Dies liegt daran, dass die Qualitätskontrollen in den Herstellungsbetrieben unzureichend sind, oder an bereits vorhandenen, geringfügigen Defekten, die im Laufe der Nutzung weiter verschlimmern. Stressentlastungshärtekräfte verursachen Risse, die sich in Form von verzweigten interkristallinen Rissen äußern. Diese Risse entstehen während der Stressentlastungshärtebehandlung nach dem Schweißen und können sich auch im Laufe der Nutzung weiter ausdehnen. Ermüdungsrisse entstehen aufgrund von strukturellen Mängeln des Behälters oder Defekten im Material, wodurch lokale Spannungen zu hoch werden. Sie bilden sich, wenn der Behälter wiederholt mit Druck oder ohne Druck belastet wird. Solche Risse können in Pressbehältern festgestellt werden, die häufig in Betrieb genommen und stillgelegt werden. Korrosionsrisse entstehen allmählich durch die Korrosion des Materials durch korrosive Stoffe unter bestimmten Betriebsbedingungen; solche Risse hängen oft mit Spannungen zusammen. Denn Stress und Korrosion verstärken sich gegenseitig: Die Korrosion verursacht an der Oberfläche des Materials Risse, wodurch eine Spannungskonzentration entsteht oder die Bindungskräfte zwischen den Metallkristallen geschwächt werden. Der Stress wiederum beschleunigt den Fortschritt der Korrosion, sodass sich die Risse in der Oberfläche weiter vertiefen. Obwohl Risse in Druckbehältern an verschiedenen Stellen ihrer Innen- und Außenoberflächen auftreten können, treten sie in der Regel am ehesten an Schweißnähten, in den vom Schweißen betroffenen Bereichen sowie an Stellen mit übermäßig hohem lokalem Spannungszustand auf. Die Überprüfung von Rissen kann durch visuelle Inspektion und zerstörungsfreie Prüfverfahren erfolgen. In der Regel werden Anzeichen für Risse durch eine visuelle Inspektion entdeckt oder zunächst erkannt, um sie anschließend mittels nicht zerstörender Prüfverfahren zu bestätigen. Die schadlose Prüfung – sei es durch Flüssigkeitspenetrationsprüfung, Fluoreszenzprüfung oder Magnetprüfung – ist bei der Erkennung von Oberflächenrissen sehr wirksam. Je nach konkreter Situation kann die geeignete Methode ausgewählt werden. Wenn Risse in dem Druckbehälter festgestellt werden, sollte zunächst die Ursache der Risse analysiert werden – unter Berücksichtigung der Lage der Risse, ihrer Anzahl, Größe, Verteilung sowie der Betriebsbedingungen des Behälters. Bei Bedarf können metallurgische Untersuchungen durchgeführt werden, um herauszufinden, ob die Risse auf Mängel im Rohmaterial zurückzuführen sind, ob sie bereits bei der Herstellung des Behälters entstanden sind oder im Laufe der Nutzung entstanden sind. Anschließend wird je nach Schweregrad des Defekts und den spezifischen Eigenschaften des Behälters die Methode zur Beseitigung des Defekts oder zur Behandlung des defekten Behälters festgelegt. Aufgrund der Mikrorisse, die durch das Walzen oder Ziehen von Behältern entstehen, sind diese in der Regel eher flach und können mit einer Feile oder einer Schleifmaschine entfernt werden. Schweißrisse müssen bei ihrer Entdeckung beseitigt werden. Bauteile, die aufgrund von mangelhafter Konstruktion und zu hohem lokalem Stress Risse aufweisen, eignen sich in der Regel nicht mehr für den weiteren Gebrauch. Behälter mit Korrosionsrissen dürfen auch nicht nach Beseitigung oder Schweißen der Risse weiterhin verwendet werden. In besonderen Fällen, in denen Risse, die durch die Herstellung des Behälters oder die verwendeten Rohstoffe entstehen, tatsächlich nur schwer beseitigt werden können, kann der Behälter nach Prüfung durch eine zertifizierte Stelle für die Beurteilung von Mängeln an Druckbehältern weiterhin verwendet werden – vorausgesetzt, es wird nachgewiesen, dass sich die Risse aufgrund von Analysen und Berechnungen aus der Bruchmechanik nicht ausdehnen werden und es ausreichende Sicherheitsreserven gibt. In diesem Fall müssen jedoch die Prüfintervalle verkürzt werden, um die Entwicklung der Risse genau im Auge zu behalten.
3. Verformung Unter Verformung versteht man eine Änderung der geometrischen Form des Behälters – entweder im Ganzen oder an bestimmten Stellen – nach seiner Nutzung. Solche Mängel kommen in Druckbehältern in der Regel nur selten vor. Die Verformung eines Behälters kann in Form von lokalen Einbuchtungen, Ausbuchtungen, einer allgemeinen Verdünnung oder Ausdehnung des Behälters auftreten. Lokale Einbuchtungen entstehen, wenn bestimmte Bereiche der Behälterhülle oder -abdeckung durch äußere Kräfte beschädigt werden. Solche Verformungen treten in der Regel nur bei kleinen Behältern mit dünnen Wänden auf. Sie führen nicht zu einer Veränderung der Wanddicke des Behälters, sondern verursachen lediglich, dass eine bestimmte Stelle der Oberfläche ihre ursprüngliche geometrische Form verliert. Eine Ausbuchtung entsteht, wenn die belastete Oberfläche eines Behälters aufgrund schwerer Korrosion so stark abnimmt, dass die Wandstärke deutlich reduziert wird. Dadurch kommt es unter dem Einfluss des Innendrucks zu einer nach außen gerichteten Deformation. In Einzelfällen kann auch eine zu hohe lokale Temperatur im Behälter dazu führen, dass die mechanischen Eigenschaften des Materials nachlassen und dadurch Blasen entstehen. Diese Verformung führt wiederum dazu, dass die Wandstärke in diesem Bereich des Behälters weiter abnimmt. Die allgemeine Verformung entsteht dadurch, dass die Wandstärke der Behälterwand aufgrund äußerer Drücke zu gering ist. Dadurch verliert die Wandstärke ihre Stabilität und der Behälter verliert seine ursprüngliche Form. Diese Verformung tritt nur in den Teilen des Behälters auf, die äußeren Drücken ausgesetzt sind – beispielsweise im Inneren eines Umhüllungsbehälters. Die gesamte Dehnung entsteht dadurch, dass die Wandstärke des Behälters zu gering ist oder der Behälter unter Überdruck betrieben wird, wodurch der gesamte Behälter oder bestimmte Querschnitte in eine gebrochene Deformation geraten. Diese Verformung erfolgt in der Regel langsam und kann nur unter besonderer Überwachung festgestellt werden. Die Überprüfung von Verformungen kann in der Regel durch eine visuelle Inspektion erfolgen. Nicht allzu schwere Verformungen können mithilfe von Messinstrumenten festgestellt werden. Behälter mit Deformationsfehlern sollten, abgesehen von weniger schwerwiegenden lokalen Einbuchtungen, im Allgemeinen nicht weiter verwendet werden. Denn bei Behältern, die einer plastischen Verformung unterzogen wurden, verringert sich die Wandstärke stets in unterschiedlichem Maße. Zudem nimmt aufgrund der Dehnungsverhärtung die Zähigkeit des verformten Materials ab, und auch die Korrosionsbeständigkeit ist geringer. Bei geringen Verformungen in Form von Erhebungen, sofern die betroffene Fläche nicht zu groß ist und andere Teile des Behälters nicht beeinträchtigt werden, kann bei guter Schweißbarkeit des Behältermaterials eine Instandsetzung durch Ausbessern in Betracht gezogen werden. Der zu wölbende Bereich wird ausgehöhlt, anschließend werden Platten mit derselben Form und demselben Material zur Nachverschweißung verwendet. Nach dem Schweißen werden die Schweißnähte gemäß den ursprünglichen technischen Anforderungen des Behälters überprüft.