Schwingungsrisskorrosion von X5CrNiCuNb16-4 und Duplex X2CrNiMoN22-5-3 unter in-situ Geothermiebedingungen (60°C, Normaldruck, Thermalwasser) (SwiDu)

Im Rahmen der kooperativen Zusammenarbeit der Fachgruppe 9.2 der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung) wurden mehrere Teilprojekte benannt. Hier wird die an der HTW entwickelte Korrosionskammer für die in-situ Prüfung von Bauteilen im Betrieb ständig um neue in-situ-Funktionen, wie optische Analyse, Strömungsüberwachung, pH-Wertmessung, und elektrochemische Messungen erweitert, angepasst und erprobt. Dabei wird in diesem Teilprojekt die Betriebssicherheit des martensitischen Vergütungsstahls X5CrNiCuNb16-4 und des Duplexstahls X2CrNiMoN22-5-3, 2 Stahlqualitäten, die in der Geothermie als Wellenwerkstoffe zum Einsatz kommen, analysiert. Ziel ist das Aufstellen einer Wöhlerkurve und eine Lebensdauerabschätzung unter den speziellen Bedingungen (60°C, Aquiferwasser, bzw. Thermalwasser des Norddeutschen Beckens, strömendes CO2, Normaldruck) und die Angabe einer maximalen Betriebsspannung. Darüber hinaus werden Aussagen zum Versagen getroffen und ein Korrosionsschädigungsmodell entwickelt. Zum Forschungsziel wurde die Korrelation der Rissinitiierung mit dem Abfall des chemischen Potentials erklärt. Dieses könnte eine einfache Überwachung von Bauteilen in Realanlagen darstellen und ein Frühwarnsystem begründen.

Geothermieanlagen sind im Grundlastbereich eine heute praktizierte zugängliche Alternative zu konventionellen Kraftwerken. Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ist es notwendig, die verwendeten Bauteile beanspruchungsgerecht auslegen zu können – was bisher nicht im geeignetem Maße geschieht und zu hohen zusätzlichen Kosten bei Herstellern und Betreibern führt. Durch Schwingungsrisskorrosion in hochsalinen Thermalwässern verursachte Schadensfälle haben zusätzlich gezeigt, dass Geothermieanlagen heute noch nicht sicher betreibbar sind. Ziel dieses Projekts ist die Erarbeitung eines Auswahlverfahrens für Werkstoffe für die Anwendung in Geothermie-Technologien und die Ermittlung von spezifischen Werkstoffkennwerten, um die bestehenden Systeme in vielen Details entscheidend zu verbessern, damit ein verlässlicher und effizienter Betrieb möglich wird. Die Ergebnisse des Projekts sollen bei der Werkstoffauswahl für geothermische Kraftwerke konkret beratend herangezogen werden.

Aufgrund der speziellen Betriebsmedien (z.B. heiße Thermalwässer mit hoher Salinität bei ultraniedrigem Sauerstoffpartialdruck) ist es erforderlich, das Werkstoff-Auswahlverfahren neu zu begründen. Dies ist Voraussetzung für die Erarbeitung eines Werkstoffkatalogs für geothermische Kraftwerke. Der Hauptteil dieses Projektes besteht daher in mechanischen in-situ-Untersuchungen zur Schwingungsrisskorrosion. Darüber hinaus werden Messungen des chemischen Potentials bei laufenden Versuchen durchgeführt und mechanisches mit dem elektrochemischen Verhalten korreliert. Es werden Versuche sowohl bei Normaldruck, (evtl. auch bei hohem Druck bis 140 bar) in einer von der Projektleiterin und in fortgeführten Bachelor- und Masterarbeiten entwickelten Korrosionskammer für eine Demonstrationsanlage zur Ermittlung von Werkstoffkenndaten durchgeführt werden (HTW/BAM 5.1,9.2). Die zugehörige mikrostrukturelle Charakterisierung der Werkstoffe vor und nach den Experimenten umfasst: metallographische Gefügecharakterisierung, Analyse von Phasen und korrosionskinetische Auswertung (HTW/BAM 5.1).

Projektlaufzeit

1.8.2015 - 1.8.2021

Projektleitung

Kooperationspartner

  • BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

Mittelgeber

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung