Einführung: Spannungsrisskorrosion in der Industrie

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein bekannter Schädigungsmechanismus, der unter bestimmten physikalischen und chemischen Bedingungen in der Öl- und Gas-, Chemie- und Nuklearindustrie auftreten kann. Während die Erkennung von Spannungsrisskorrosion (SCC) mit Phased-Array-Ultraschallverfahren immer effektiver geworden ist, bleibt die genaue Größenbestimmung solcher Risse eine Herausforderung, insbesondere in schalldämpfenden und anisotropen Werkstoffen wie den in der Öl- und Gas- sowie der Nuklearindustrie eingesetzten Edelstählen.

Damit sich Spannungsrisskorrosion (SCC) entwickeln kann, müssen drei Bedingungen gleichzeitig gegeben sein:

a. Anfälliges Material

b. Eine Umgebung mit Zugstress (z. B. Reststress aus dem Schweißen)

c. Eine korrosive Umgebung (z. B. Chloridbelastung)

Erhöhte Temperaturen können die Schadensbildung beschleunigen.

In der Öl- und Gasindustrie wurde Spannungsrisskorrosion (SCC) in konzentrierten Salzlösungen mit mehreren Vorkommnissen bei Offshore-Strukturen aus Duplex-Edelstählen in Verbindung gebracht, wie in den Referenzen (1), (2) und (3) dokumentiert. Mehrere Studien (4, 7) haben die Spannungsrisskorrosion (SCC) in plattierten Druckbehältern für den Offshore-Einsatz untersucht und verschiedene Methoden zur Risserkennung und -bewertung evaluiert. Abbildung 1 zeigt Makroaufnahmen von transgranularer und interkristalliner Spannungsrisskorrosion in der austenitischen Plattierungsschicht eines Druckbehälters.

In Kernkraftwerken ist die Spannungsrisskorrosion (SCC) ein wichtiger Alterungsmechanismus, der empfindliche Bauteile sowohl in Siedewasserreaktoren (Boiling Water Reactors, BWR) als auch in Druckwasserreaktoren (Pressurized Water Reactors, PWR) betrifft. Es wurde berichtet, dass Bauteile aus austenitischen Edelstählen anfällig für interkristalline Spannungsrisskorrosion (SCC) sind (4, 5). Ein für nukleare Umgebungen spezifischer Faktor ist die Exposition gegenüber hoher Neutronenfluenz, die Edelstähle anfällig für Spannungsrisskorrosion machen kann – ein Phänomen, das als strahlungsinduzierte Spannungsrisskorrosion (IASCC) bekannt ist. In anderen Fällen wurden Schäden durch Spannungsrisskorrosion in der Nähe von Schweißverbindungen in den SicherheitsInjektionssystemen der Druckwasserreaktoren berichtet (6). Weitere Informationen zur Spannungsrisskorrosion finden sich auch in Referenz (10).

Struktur typischer Spannungsrisskorrosion und Wechselwirkung mit Ultraschallwellen

Stresskorrosionsriss ist ein komplexer Versagensmechanismus, der aus der kombinierten Wirkung von Zugstress und einer korrosiven Umgebung entsteht. Das Verständnis der Struktur und Geometrie der Spannungsrisskorrosion (SCC) ist für eine effektive Erkennung und Charakterisierung unerlässlich.

Struktur der Spannungsrisskorrosion

Spannungsrisskorrosion (SCC) entsteht typischerweise an der Grenzfläche, an der anfällige Werkstoffe sowohl Zugspannungen als auch einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Von der Oberfläche aus breiten sich Risse als feine, scharfe Verzweigungen in das Material aus, im Allgemeinen senkrecht zur Richtung der Zugspannung ausgerichtet. Im Laufe der Zeit können sich daraus Netzwerke aus feinen, miteinander verbundenen Rissen bilden. Bei der Ausbreitung von Rissen interagieren deren Spitzen mit der Kornstruktur des Materials, die oft deren Wachstum lenkt.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein von Spannungsrisskorrosion (SCC) betroffenes Bauteil aus Edelstahl. Eine umfassende theoretische Übersicht zu den Phänomenen der Spannungsrisskorrosion (SCC) in verschiedenen Materialien findet sich in Referenz (8).

Erkennung von Spannungsrisskorrosion

Obwohl Spannungsrisskorrosion (SCC) im fortgeschrittenen Stadium manchmal an der Oberfläche sichtbar sein kann, macht die charakteristische Morphologie – feine Verzweigungen und schmale Rissspitzen, die sich ins Innere des Materials erstrecken – eine visuelle Beurteilung unzuverlässig und für die zerstörungsfreie Prüfung unzureichend.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Farbeindringprüfung oder die Wirbelstrom-Array-Prüfung (ECA) werden häufig eingesetzt, um oberflächenoffene Risse durch das Erkennen von Rissöffnungen zu bewerten (Abbildung 3). Jedoch werden die tieferen Rissspitzen, -verzweigungen und -netzwerke typischerweise mit Ultraschallprüfverfahren untersucht.

Ultraschallstrahlen mit geeigneten Wellenfrequenzen können durch das Material hindurch propagieren und Risscluster oder einzelne Rissmerkmale wie Fuß, Verzweigungen oder Spitzen erfassen. Diese Fähigkeit ermöglicht die Charakterisierung von Rissen, einschließlich Oberflächenkonnektivität, Orientierung und Tiefe.

Ein Beispiel für Phased-Array-Ultraschalldaten ist in Abbildung 4 (4) dargestellt. Das obere Echo stellt eine Rissspitze oder einen oberen Ast dar, der in das Material hineinragt, während das Basis-Echo wahrscheinlich durch Schall erzeugt wird, der in der Ecke gefangen ist, die von der Rissbasis und der Rückwand des Bauteils gebildet wird. Durch Messung der Laufzeit zwischen diesen beiden Echos lässt sich die Risshöhe abschätzen.

Schallinteraktion mit einer vertikalen Kerbe

Ein vereinfachtes Modell, das häufig zur Bewertung von Ultraschallreaktionen auf
Risse verwendet wird, ist eine vertikale Kerbe. Vertikale Kerben werden häufig als Kalibrierungsreferenzen für Inspektionsmethoden verwendet, die auf vertikale oder
nahezu vertikale Fehler abzielen.

Typischerweise ist die zu erwartende Reaktion eines vertikalen Fehlers, der mit der Rückwand verbunden ist, ein starkes Echo von der Eckfalle bzw. dem Fuß des Fehlers und ein schwächeres (diffraktiertes) Signal von der Spitze des Fehlers. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel, bei dem ein simulierter Strahl mit einer einfachen vertikalen Kerbe interagiert. Zwei Haupt-Echos sind deutlich erkennbar: Ein diffraktiertes Echo geringer Amplitude von der Oberseite der Kerbe und ein stärkeres Echo, das von der Ecke reflektiert wird, die durch den Kerbgrund und die Rückwand gebildet wird.

Techniken und ihr Potenzial: TOFD, PA, TFM, PCI

Mehrere fortschrittliche Ultraschallbildgebungsverfahren können zur Inspektion vertikaler Fehler eingesetzt werden:

• 1. Time-of-Flight Diffraction (TOFD, Laufzeitbeugung). TOFD ist sehr empfindlich gegenüber kleinen Unregelmäßigkeiten wie Rissspitzen, Fehlerkanten und Porositäten und wird häufig zur Schweißnahtinspektion eingesetzt. Allerdings ist TOFD weniger geeignet für Metallstrukturen, die von ausgedehnten SCC-Netzwerken betroffen sind, da die Zwei-Sonden-Konfiguration die Fähigkeit zur Erzeugung einer zweidimensionalen Abbildung einschränkt.
• 2. Standard Phased-Array Ultraschallprüfung (PAUT). Phased-Array-Inspektionen verwenden typischerweise Scher- oder Longitudinalwellen, die unter verschiedenen Winkeln durch einen sektoriellen Scan auf den vermuteten Fehler gerichtet werden.
• 3. Total Focusing Method (TFM). TFM erzeugt fokussierte Strahlen an jedem Punkt innerhalb eines definierten Interessensbereichs. Die Bediener können für den Inspektionsbereich unterschiedliche Schallwege oder Strahlkonfigurationen auswählen. Eine direkte Impuls-Echo-Konfiguration erzeugt ein Bild, das einem Phased-Array-Sektor-Scan ähnelt, jedoch mit verbesserter Abdeckung und Fokussierung.
• 4. TFM Self-Tandem-Modus. In dieser Konfiguration reflektiert der Ultraschallstrahl zuerst von der Rückwand, dann von der Seite des Fehlers und kehrt anschließend zur Sonde zurück. Mit dieser Methode lässt sich die vertikale Geometrie der Kerbe genauer reproduzieren.
• 5. Phasenkohärenz-Bildgebung (PCI). Die Phasenkohärenz-Bildgebung (PCI) ist eine neuere Bildgebungstechnik, die auf der Phasenkohärenz reflektierter Signale beruht. Sie ist besonders effektiv bei der Verstärkung von Beugungssignalen und reduziert die Empfindlichkeit gegenüber großen spiegelnden Reflektoren.

Abbildung 6 zeigt die Reaktion einer vertikalen Kerbe unter Verwendung dieser vier Bildgebungsverfahren.

• Abbildung 6 a) Sektor-Scan-Daten einer realen Kerbe in einer Stahlplatte. Ein schwaches Beugungssignal von der Spitze und ein wesentlich stärkeres Corner-Trap-Echo sind sichtbar.
• Abbildung 6 b) TFM-Impuls-Echo-Daten aus derselben vertikalen Kerbe. Bei Fokussierung auf alle Punkte im Untersuchungsbereich können beide Merkmale – die Spitze und die Basis – mit sehr guter Auflösung klar unterschieden werden.
• Abbildung 6c) PCI-Daten aus dem gleichen Untersuchungsbereich wie in den TFM-Daten. PCI verstärkt das diffraktierte Echo von der Spitze und minimiert das Echo von der Basis. Sie kann eine bessere Auflösung im Bereich der Rückwand für Risse bieten, die sich nur wenige Millimeter von der Rückwand erstrecken, sowie eine verbesserte Erkennung von Spitzen oder kleinen Verzweigungen.
• Abbildung 6 d) TFM-Daten im Selbst-Tandem-Modus (TT T). Es liefert eine realitätsgetreue Ansicht der Einkerbung.

Alle diese Methoden ermöglichen die Bestimmung der Risshöhe durch Messung der Laufzeit zwischen dem Echo an der Rissspitze und dem Echo an der Rissbasisecke.

Komplexe Rissmorphologie – Ultraschallinteraktion mit SCC-Rissspitzen und -verzweigungen

In der Praxis ist SCC weitaus komplexer als eine einfache Einkerbung. Es besteht häufig aus Clustern oder Netzwerken von miteinander verbundenen Rissen mit mehreren Basen und Verzweigungen. Kleine Ecken innerhalb dieses Netzwerks können Ultraschallwellen reflektieren, wenn sie auf den einfallenden Schallstrahl ausgerichtet sind. Darüber hinaus
können die äußersten Äste und ihre Spitzen mit zunehmender Tiefe dichter werden und bis
zur Kornstruktur des Materials reichen. Diese Spitzen sind mit Ultraschallverfahren vermutlich nur sehr schwer zu detektieren.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Ursprung und die Orientierung von Rissen. Je nach Stressquelle und -richtung kann Spannungsrisskorrosion an der Außenfläche (OD-verbundene Risse) oder an der Innenfläche (ID-verbundene Risse) entstehen. Im Hinblick auf die Bestrahlung mit zur Inspektion eingesetzten Ultraschallstrahlen sind bei ID-verbundenen
Rissen die Spitzen einer direkten Welle ausgesetzt, während bei OD-verbundenen Rissen eher Verzweigungen freigelegt werden, was einen indirekten und eingeschränkteren Zugang zu
ihren Spitzen ermöglicht.

Um die Komplexität der Wechselwirkung von Schallwellen mit Rissen besser zu verstehen, können vereinfachte Rissmodelle und Schallstrahlsimulationen verwendet werden. Abbildung 7 zeigt ein vereinfachtes Rissmodell und das Ergebnis eines Schallstrahls, der auf die Rissspitzen und Rissecken trifft. Der Schallstrahl wird von den Ecken und Verzweigungen des Risses in alle Richtungen gestreut. Modusumwandlungen können ebenfalls auftreten, was die Dateninterpretation erschwert (Umwandlungen werden in diesem Fall nicht angezeigt).

Ein wesentliches Merkmal von Diskontinuitäten, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des auftreffenden Ultraschalls sind, ist die Beugung. Beugungswellen werden an Rissspitzen oder kleinen Ecken erzeugt und breiten sich in alle Richtungen aus. Beugungssignale sind meist schwächer als Echos von Risskanten und -verzweigungen. Um Rissspitzen und -verzweigungen von der Basis zu unterscheiden, ist möglicherweise eine höhere Auflösung erforderlich, das heißt Strahlen mit höherer Frequenz. Abbildung 8 zeigt einen vergrößerten sektoriellen Phased-Array-Scan eines simulierten Risses mit einem langen Ast, einer Spitze und mehreren kleinen Ecken. In diesem Fall können schwache Beugungssignale von Rissspitzen von Echos von Zweigen und Risskanten unterschieden werden, was auf die kürzere Wellenlänge (10 MHz, Transversalwellen) und den größeren Trennungsabstand zwischen Spitzen und Zweigen zurückzuführen ist. Eine wichtige Feststellung ist, dass selbst Spitzen, die nicht auf den einfallenden Strahl ausgerichtet sind, dennoch Beugungsechos liefern können, wohingegen einige Äste außerhalb des Strahlengangs möglicherweise keine Echos erzeugen.

Strahloptimierung. Wie man das richtige Setup auswählt, um die Detektionswahrscheinlichkeit von Spannungsrisskorrosion zu erhöhen

Die Phased-Array-Technik bietet eine Vielzahl von Parametern, die bei der Planung eines Spannungsrisskorrosions-Inspektionsprojekts (SCC) berücksichtigt werden müssen. Tabelle 1 enthält eine umfassende, aber nicht vollständige Übersicht der Parameter sowie deren Vor- und Nachteile für die SCC-Inspektion.

Wie bei Phased-Array üblich, muss bei der Wahl der passenden Sonde die Anwendung berücksichtigt werden, einschließlich Materialart, Fehlertyp und Geometrie sowie Anforderungen an die Erkennung und Dimensionierung. Sehr oft steht die durch das Material vorgegebene, geeignetste Lösung im Widerspruch zu den Anforderungen an die Detektion.

Zum Beispiel erfordern dicke oder grobkörnige Materialien typischerweise eine größere
Apertur, größere Sondenelemente, eine niedrigere Frequenz und eventuell lineare Sonden mit Longitudinalwellen oder sogar TRL. Umgekehrt erfordert die Erkennung kleiner Risse, Spitzen und Verzweigungen eine hohe Auflösung und divergente Strahlen, also eine höhere Frequenz, kleinere Sondenelemente und longitudinale Wellen. In solchen Fällen ist ein Kompromiss entscheidend.

Tabelle 1 führt die Parameter und Methoden der Phased-Array-Sonden sowie deren Vorteile und Nachteile für die Erkennung von Spannungsrisskorrosion (SCC) auf.

Tabelle 1 Liste der Parameter, die bei der Planung einer Spannungsrisskorrosions-Inspektion (SCC) zu berücksichtigen sind. (+) Vorteile; (-) Einschränkungen

Die folgenden Abbildungen zeigen Beispiele für Anwendungsfälle von drei Bildgebungsverfahren, die zur Erkennung und Größenbestimmung von Rissbereichen eingesetzt werden.

Abbildung 9 präsentiert die TRL-Technik. Eine Doppelsonde verwendet ein Sendeelement zur Signalübertragung und ein Empfangselement zum Empfang, während sie Längswellen im Prüfobjekt erzeugt. Ein Merkmal von Doppelsonden ist die Strahlkreuzung, die am Schnittpunkt des Sende- und Empfangsstrahls einen pseudofokalen Bereich erzeugt. Diese Fokussierung erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Rissspitzen im Bereich der Strahlkreuzung. Der Nachteil bei der Verwendung von Longitudinalwellen besteht in der zusätzlichen Erzeugung von Scherwellen (SW), die sich mit geringerer Geschwindigkeit ausbreiten und zusätzliche Echos erzeugen, die schwer als von Scherwellen stammend zu identifizieren sind.

Abbildung 10 zeigt ein Beispiel für ein Phasen-Kohärenzbild eines Risses, das über ein Foto eines Ausschnitts der untersuchten Probe überlagert wurde. Diese Darstellung bietet eine vereinfachte Erklärung dafür, wie die Phasenkohärenz-Bildgebung funktioniert und wie Ultraschallwellen mit Rissen wechselwirken. In diesem Beispiel sind die roten und gelben Anzeigen diffraktierte Signale der Phasenkohärenzabbildung (PCI), die Rissspitzen und -verzweigungen auf der gleichen Seite wie die Phased-Array-Sonde markieren. Es zeigt außerdem, dass der Schall durch die ersten Rissverzweigungen, die er auf seinem Weg trifft, blockiert wird und daher weiter entfernte Verzweigungen nicht erreichen kann.

Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen Daten, die mit drei Techniken erfasst wurden: PA, TFM und PCI mit einer dualen 10-MHz-Sonde. Die Daten wurden an dicken (50 mm) Edelstahl-Bauteilen erhoben. Die Risse entstehen und öffnen sich an der Oberfläche (OD) und breiten sich in die Tiefe aus. Die Herausforderung besteht darin, die tiefste Rissspitze zu erkennen und ihre Tiefe anzugeben. In allen Fällen ist der Riss nur sichtbar, wenn er sich im direkten Schallweg der PA-Sonde befindet. Wenn der Riss von anderen verborgen oder abgeschattet wird, bietet nur ein vollständiger Skip von der Rückwand eine Chance zur Detektion. Beim Vergleich der drei Techniken können folgende Beobachtungen gemacht werden:

• TFM und PCI decken einen größeren Inspektionsbereich ab als Phased Array.
• Bei Phased-Array-Verfahren hängt die Empfindlichkeit von der gewählten Fokalebene ab, während TFM eine Fokussierung an allen Punkten im interessierenden Bereich ermöglicht.
• PCI gewährleistet an allen Punkten eine vergleichbare Empfindlichkeit; das Signal-Rausch-Verhältnis wird weder von Schallabschwächung, Rissspitzenposition noch -orientierung beeinflusst. Eine vergleichbare Empfindlichkeit wird entlang des gesamten Risses und an allen Rissspitzen erreicht.

Der letzte in Abbildung 13 dargestellte Fall zeigt, wie die Höhe eines Risses in einer Deckschicht mit Hilfe der Laufzeitbeugungsmethode gemessen werden kann. Bei den amplitudenbasierten Verfahren (PA und TFM) ist das Echo an der Rissspitze schwach, während von der Basis des Risses (Eckenfalle) ein starkes Echo erfasst wird. Bei der phasenbasierten Technik (PCI) wird das gebeugte Spitzenecho verstärkt, während das Eckenfallenecho von der Basis des Risses eine geringere Empfindlichkeit aufweist. Durch die Anwendung zweier der oben genannten Methoden (einer phasenbasierten und einer amplitudenbasierten) kann diese Art von Riss gemessen und klassifiziert werden (Riss, der mit der Rückwand verbunden ist, oder isolierter Einschluss).

Zusammenfassung: Wahl der Technik und des Schallkopfes, Grenzen des Ultraschalls

Die Detektion, Klassifizierung und Größenbestimmung von Spannungsrisskorrosionsdefekten kann unter Feldbedingungen aufgrund ihrer komplexen Morphologie, die eine Vielzahl von Spitzen und Verzweigungen mit zufälliger Orientierung umfasst, schwierig sein. Dies erschwert die Wechselwirkung mit Ultraschallwellen und deren Auswertung im Vergleich zur Erkennung von Standardfehlern wie Delaminationen, mangelnder Verschmelzung oder Porositäten.

Experimentelle Ultraschalldaten und Simulationen belegen, dass bei Rissen die Ultraschallstrahlen vor allem mit spezifischen Merkmalen wie Spitzen, Verzweigungen und Verbindungsstellen oder Ecken interagieren. Die Art und Weise, wie Ultraschallstrahlen mit diesen Merkmalen interagieren, variiert erheblich: von starken Amplitudenechos, die an Ecken und großen Verzweigungen auftreten, bis hin zu schwachen Beugungswellen, die an Spitzen und kleinen Verzweigungen entstehen. Vor diesem Hintergrund sollte die Phased-Array-Sonde, die zur Erzeugung und Detektion von Ultraschall im Prüfteil verwendet wird, mindestens die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• Fähig zur Erzeugung divergenter Wellen (um auch den oberen Bereich in hohen Winkeln abzudecken)
• Empfindlich gegenüber Beugungssignalen (kleine Elemente)
• In der Lage, kurze Wellenlängen zu erzeugen, um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Rissspitzen zu erreichen (hohe Frequenz)
• Kann hochenergetische, fokussierte Ultraschallstrahlen erzeugen, um dämpfende Materialien zu durchdringen (Doppelsonden)

Das bildgebende Verfahren muss in der Lage sein, Beugungsechos mit niedriger Amplitude zu verstärken und gleichzeitig Eckfallenechos mit hoher Amplitude zu erfassen.

Die vorliegende Studie identifizierte Lösungen, die unter anderem, aber nicht ausschließlich, auf von Sonden mit hoher Elementanzahl in einer Sender-Empfänger-Längswellen (TRL)-Konfiguration erzeugten Longitudinalwellen basieren und eine verbesserte Fokussierung sowie Durchdringung ermöglichen, zusammen mit kleiner Elementgröße und relativ hoher Frequenz, sofern die Materialstruktur dies zulässt. Es zeigte außerdem, dass ein amplitudenbasiertes Verfahren wie die sektorielle Phased-Array-Technik oder TFM in Kombination mit einem phasenbasierten Verfahren wie PCI (oder gegebenenfalls TOFD) eingesetzt werden sollte. Zusammen verbessern diese Techniken die Fehlercharakterisierung durch die Erkennung sowohl von Ecken oder Basen als auch von Spitzen oder kleineren Verzweigungen.

Literaturnachweise

[1] HSE Offshore Division Sicherheitsmitteilung 3/3003, Ausgabedatum: Dez. 2003;

[2] R. Mack, C. Williams, S. Lester und J. Cassava, „Spannungsrisskorrosion eines kaltverformten 22 Cr Duplex-Edelstahl-Produktionsrohrs in einer hochdichten, klaren CaCl² -Packerflüssigkeit“, Paper Nr. 02067, Corrosion 2002, Denver, NACE Int., Houston, TX., 2002;

[3] NPL-Bericht, DEPC MPE 008, Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstählen in konzentrierten Salzlösungen – Eine Kritik der Prüfverfahren

[4] HOIS Recommended Practice NII of Pressure Vessels – HOIS RP-103, February 2020

[5] IAEA Nuclear Energy Series: Spannungsrisskorrosion in Leichtwasserreaktoren: Bewährte Verfahren und gewonnene Erkenntnisse

[6] ASN-Bericht über den Stand der nuklearen Sicherheit und des Strahlenschutzes in Frankreich im Jahr 2022

[7] HOIS Guidance zur NII von plattierten Behältnissen, HOIS-G-026 Ausgabe 1, September 2020, https://esrtechnology.com/hois/

[8] Raja, V. S., Shoji, Tetsuo., Stressrisskorrosion: Theorie und Praxis, Oxford, Philadelphia: Woodhead Publishing Ltd, 2011.

[9] Danksagung für das zur Verfügung gestellte Muster an das HOIS Joint Industry Project: https://www.esrtechnology.com/index.php/services/non-destructive-testing-good-practice/hois-ndt

[10] Pauline Huguenin. Amorçage des fissures de corrosion sous contrainte dans les aciers inoxydables austénitiques pré-déformés et exposés au milieu primaire des réacteurs à eau sous pression. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT : 2012ENMP0069‌. pastel- 00818372