Produktionsausfälle vermeiden

Dr. Friedrich Stoll

Werkstoffbearbeitung und Erprobung, Anlagen- und Werkstoffprüftechnik, Inspektion und Bauüberwachung von Anlagen und Komponenten, sowie Gutachten und Schadensursachenanalysen, sind die Kernkompetenzen von werkstofftechnischen Dienstleistungsunternehmen wie der Werkstoff- und Prüftechnik von Infraserv Höchst. Der Unternehmensbereich ist ein akkreditiertes Prüflabor nach DIN ISO 17025, das aufgrund der langjährigen Erfahrung bei Planung, Bau und Betrieb von Chemie- und Pharmaanlagen, neben den marktüblichen Prüfleistungen auch auf die Bedürfnisse von Anlagenbetreibern zugeschnittene Leistungspakete anbietet.

Wie wichtig es sein kann, geeignete Leistungspakete zu schnüren, lässt sich am besten an einfachen Beispielen verdeutlichen. Als Reaktoren zur Herstellung von Spezialchemikalien oder pharmazeutischen Wirkstoffen werden häufig Druckbehälter aus hochlegierten, korrosionsbeständigen Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdän-Stählen, beispielsweise 1.4541 oder 1.4571, mit aufgeschweißten Halbrohrschlangen aus gleichen oder gleichartigen Werkstoffen, eingesetzt. Das Produktionsverfahren erfordert oft den Wechsel zwischen Aufheizen, in der Regel mit Niederdruckdampf von 3,5 bar, und Kühlen mit Kühlwässern. Die Werkstoffe werden im Normalfall so gewählt, dass die Beständigkeit bei hinreichender Kühlwasserqualität (Chloridgehalt, pH-Wert) den Anforderungen im spezifizierten Temperaturbereich genügt. Das gilt bei sachgemäßer, den Regeln der Technik entsprechender Konstruktion und Fertigung. Bei Apparaten mit aufgeschweißten Halbrohrschlangen ist ein wesentliches Fertigungsmerkmal die saubere, spalt- und anlauffarbenfreie Ausführung der meterlangen Kehlnahtverbindungen. Werden bei Planung und Bau die entsprechenden Anforderungen nicht beachtet, kann ein Reaktor in vergleichsweise kurzer Zeit durch chloridinduzierte Loch- oder Spannungsrisskorrosion zerstört werden. Die geeignete Werkstoffauswahl muss dementsprechend durch Spezifikation geeigneter schweißtechnischer Verarbeitungsverfahren und durch eine gezielte Bauüberwachung beim Hersteller ergänzt werden.

Im Beispiel war ein Reaktor mit aufgeschweißten Halbrohrschlangen zur Herstellung von Spezialchemikalien aus dem Werkstoff 1.4541 nach etwa halbjähriger Betriebszeit undicht geworden. Kühlmedium war Trinkwasser im Temperaturbereich zwischen 30 und 70 °C.

Die Untersuchung ergab Schäden durch Lochkorrosion, ausgehend von Spalten, unzulässigen Anlauffarben und Schweißspritzern im Innenbereich der Halbrohrschlangen (Abb. 1, 2). Unbeeinflusste und fachgerecht bearbeitete Werkstoffbereiche waren unbeschädigt. Bei der Fertigung waren gleich einige wesentliche Regeln nicht beachtet worden: Halbrohrschlangen müssen richtig vorbereitet und vorzugsweise nach DIN EN 1708-1 Nr. 6.5.4 an der Innenkante angefast werden. Die Wurzel der Kehlnaht wird dann unter hinreichender Formierung des Halbrohrraumes am besten im WIG-Verfahren gelegt, um Spalte, Spritzer und Anlauffarben sicher zu vermeiden. Bei Spezifikation und Beachtung dieser Regeln wäre der Schaden sicher zu vermeiden gewesen, wie im vorliegenden Fall an benachbarten baugleichen Reaktoren nachzuweisen war, die seit Jahren unter gleichen Bedingungen betrieben wurden.

Die Beständigkeit von Werkstoffen und die Belastbarkeit von Komponenten ist grundsätzlich nur innerhalb der Auslegungsgrenzen gewährleistet. Schon kleine Änderungen der verfahrenstechnischen Bedingungen, beispielsweise das Einsparen von Rohstoffen oder Kühlwasser in Rektifikationsanlagen, kann dazu führen, dass die ursprünglichen Auslegungsgrenzen erreicht oder gar überschritten werden. Unter solchen Bedingungen ist es sinnvoll, mit gezielter Überwachung in geeigneten zeitlichen Abständen ein zuverlässiges Zustandsbild der Anlage zu erhalten. Die moderne Prüftechnik bietet dazu eine Palette von Verfahren, von der regelmäßigen Inspektion mit zerstörungsfreien Prüfmethoden bis zum Monitoring über eingebrachte Probecoupons. Ein auf den Einzelfall zugeschnittenes Überwachungskonzept ist ein geeignetes Werkzeug zur Kostenersparnis und der Erhöhung der Anlagensicherheit. Im Kundenbereich der Werkstoff- und Prüftechnik von Infraserv Höchst werden alle verfügbaren Überwachungsmethoden bis hin zur telemetrischen Überwachung und Auswertung von elektrochemischen Sensoren, dem Online Corrrosion Monitoring, angeboten und eingesetzt. Basis jeder Einsatzempfehlung ist eine Risiko- und Wirtschaftlichkeitsbewertung im Vorfeld.

Kontinuierliche Produktionsanlagen zur Herstellung von Monomeren oder Vorprodukten zum Beispiel werden in verschiedenen Anlagenbereichen mit unterschiedlichen Methoden kontinuierlich überwacht. Im Destillationsbereich einer Vorproduktanlage für Carbonsäuren finden Probecoupons aus unterschiedlichen Werkstoffen Verwendung, die mit einer speziellen Einbauvorrichtung auch während des Betriebs gezogen und beurteilt werden können. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn über eine bestimmte Anlagenperiode unterschiedliche Korrosionsgefährdungen bestehen oder das Verhalten von Alternativwerkstoffen im Praxisbetrieb untersucht werden soll. Anlagenkomponenten, die aus verfahrenstechnischen Gründen im Grenzbereich der Beständigkeit gefahren werden, zum Beispiel der Sumpf einer Destillationskolonne, werden mit Online-Sensoren überwacht (Abb. 3), die die Veränderung des elektrochemischen Rauschsignals messen und in Echtzeit auswerten. Diese Methode ist auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar und reagiert äußerst empfindlich auf lokale Korrosionsvorgänge, die im vorliegenden Fall bereits durch geringe Änderungen der Chlorionenkonzentration über den Grenzwert von 10 ppm hinaus verursacht werden können. Abbildung 4 zeigt ein Originalmessprotokoll aus der Anlage. Die Reduzierung des Chloridgehaltes von 11 auf 8 ppm bewirkt bereits eine Änderung der Indikationsgröße für Korrosion um nahezu zwei Größenordnungen. Das von der Sensortechnik her robuste Messverfahren hat sich im Langzeiteinsatz bereits bewährt.