Fertigungsprozess für Wärmetauscherrohre mit DLC-Innenbeschichtung

Im Anlagenbau, speziell im Wärmetauscherbau, bedeutet Belagsbildung (Fouling) an Wärmeübergangsflächen meist eine erhebliche Leistungsminderung des Apparats. Eine Maßnahme, die oft hilfreich ist, sind Beschichtungen. Allerdings sind viele Beschichtungsvarianten nicht abrasionsbeständig. In dieser Arbeit soll ein Fertigungsprozess für Rohre mit DLC-Beschichtung (innen sowie außen) entwickelt werden, weil DLC gegen bestimmte Formen des Foulings wirksam ist und sich als sehr abrasionsbeständig erweist. Dabei wurden zwei Varianten (Prozess P01 und Prozess P10) vorgeschlagen. Die Herstellung mit geschlitzten Rohren (Prozess P01) zeigt einige Schwierigkeiten, weil bei den bisherigen Schweißversuchen die erforderliche Längsnaht einen erheblichen Verzug verursachte. In Prozess P10 wird eine größere Anzahl (im Vergleich zu Prozess P01) ungeschlitzter DLC-beschichteter Rohre mittels Orbitalschweißverfahren zu einem 6-8 m Produktrohr gefertigt. Die mögliche Beschichtungslänge der DLC-Beschichtung auf der Innenseite des Rohres ist im Prozess P10 allerdings beschränkt.
In dieser Arbeit wurde der Fokus auf das Orbitalschweißen gelegt, da es für beide Prozesse notwendig ist. Das Unternehmen Polysoude Austria GmbH aus Admont ist auf die Herstellung von automatisierten Schweißgeräten für Orbitalschweißungen spezialisiert und war Projektpartner.
Aufgabe war es einen Versuchsaufbau, die Probenvorbereitung und die Versuchsserie zu entwickeln. Es wurden Rohre DA25 mm, 2 mm Wandstärke aus 1.4571 verwendet. Die Teststücke waren unbeschichtet bzw. DLC-beschichtet (a-C:H:Si: 30% Si-dotiert, ca. 8 μm dick), jeweils ca. 100 mm lang und an beiden Enden plangedreht.
Das Ziel war es zu zeigen, ob eine Entfernung der DLC-Schicht als Schweißvorbereitung notwendig ist. Das Schweißprogramm sollte eine möglichst geringe Entfernung der DLC-Schicht bewirken, vor allem auf der Innenseite.
Die Testschweißungen zeigten gute Ergebnisse in Hinsicht auf Geradheit, Automatisationsgrad, Gefüge und Kohlenstoffeintrag. Allerdings war überraschend, dass das Schweißprogramm für unbeschichtete Rohre nicht für beschichtete Rohre durch marginale Adaptierungen passend gemacht werden konnte, sondern eine zusätzliche Vergütungsnaht erforderlich war, was aber in wirtschaftlicher Hinsicht kaum ins Gewicht fällt.
Die Analysen mit dem GDOES-Verfahren zeigten, dass der Eintrag durch die Schweißung eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes um 0,0188 Massen-% bringt. In der Materialspezifikation von 1.4571 liegt das zulässige Kohlenstoff- Maximum bei 0,08 Massen-%. In keiner der Schweißnahtproben wurden höhere Werte gemessen. Der Kohlenstoff kann im Gefüge diffundieren und bildet mit Chrom Carbide, die ein erhöhtes Korrosionsrisiko mit sich bringen.
Die Zugversuche lt. EN ISO 4136 zeigten, dass die Scheißnaht die Bruchstelle darstellt. In der Materialspezifikation 1.4571 ist die Zugfestigkeit mit 500 – 700 MPa angegeben. Die Zugfestigkeit der Schweißungen der unbeschichteten als auch der beschichteten Rohre liegt deutlich über 500 MPa. Die Bruchdehnung war bei allen Schweißnaht-Messungen ähnlich. Es zeigten sich allerdings Unterschiede zur Bruchdehnung vom Originalwerkstoff 1.4571 und denen der Schweißungen. Unabhängig ob beschichtet oder unbeschichtet ist – wie zu erwarten war – durch die Schweißung eine geringe Versprödung entstanden.
Für den Einsatz im Wärmetauscherbau deutet dies darauf hin, dass bei der Schweißung von Rohren mit DLC-Beschichtung im Randbereich ohne spezielle Schweißnahtvorbereitung – Stoß an Stoß – nur eine unwesentliche Schwächung der Festigkeit entsteht. Die Gefügeveränderungen, die durch das Schweißen enzstanden sind, sind unterschiedlich und ebenso der Kohlenstoffanteil in der Schweißnaht. Es ist davon auszugehen, dass die Korrosionsgefahr aufgrund von Carbidbildung - wegen des erhöhten Kohlenstoffeintrages, in Anwesenheit von Chrom – steigt. Die Ergebnisse aus dem Zugversuch zeigen keine Festigkeitseinbußen von den Schweißungen zwischen beschichteten und unbeschichteten Rohren. Der Beizversuch zeigte keine erhöhte DLC-Schicht-Beschädigungen. Diffusion von Kohlenstoff ist bei den DLC-beschichteten Rohren gegeben. Aufgrund des anwesenden Chroms ist eine Versprödung realistisch und ebenfalls eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit. Für die endgültige Beantwortung, ob eine Entfernung der DLC-Schicht im Randbereich vor dem Schweißen notwendig ist, ist das Korrosionsverhalten noch zu untersuchen.