Spannungsrisskorrosion in Wärmetauscherrohren aus
CrNi-Stahl – Kernkraftwerk Greifswald


1. Vorgeschichte

In Lubmin bei Greifswald wurde ein Kernkraftwerk errichtet, das aus 4 Druckwasserreaktoren mit einer elektrischen Leistung von je 440 MW bestand. Der erste Block ging 1973 ans Netz. Als Kühlwasser diente der Peenestrom (Brackwasser); das Abwasser wurde in die Ostsee abgegeben. Vier weitere Blöcke wurden geplant, wovon einer das Stadium der Erprobung erreichte. Im Zuge der Wiedervereinigung Deutschlands (1990) wurde das Werk stillgelegt. Die Wärmetauscher (Dampferzeuger) waren liegend ausgeführt.
Im November des Jahres 1982 machten sich in den Rohren der Dampferzeuger von Block 1 Lecks bemerkbar. Die Risse waren von der Kühlwasserseite (Außenseite) her eingelaufen. Besonders betroffen war der Bereich der Abstandshalterungen. Übergeben wurden zwei Rohrabschnitte (I, II), welche Risse enthielten, die den Querschnitt noch nicht völlig durchdrungen hatten. Die Risse waren längs zur Rohrachse orientiert.
Stahl: X8CrNi18-10, Durchmesser: 16 mm, Wanddicke: 1,4 mm

2. Untersuchungen

Probe I

Das Rohrstück wurde so um die Längsachse gebogen, dass die Außenseite unter Zug kam und die Risse sich öffneten. Die Länge der Trennungen betrug 2-6 mm (Bild 1).

Rohrstück I, Risse geöffnet
Bild 1: Rohrstück I, Risse geöffnet

Probe II

Bei diesem Teil wurden die Risse endgültig aufgezogen. Näher betrachtet wurde ein etwa 10 mm langer Riss, der kurz vor dem Durchbruch stand. Der Anriss lief senkrecht in die Rohrwand ein. Der Restbruch ist unter 45° orientiert; er entstand durch Scherung (Bild 2).

Rohrstück II aufgebrochen, Gebiet A als Anriss, Gebiet R als Restbruch
Bild 2: Rohrstück II aufgebrochen, Gebiet A als Anriss, Gebiet R als Restbruch

Der Riss fächert in der Tiefe auf (Bild 3).

Nebenriss als dunkle Linie(Ausschnitt aus Bild 2)
Bild 3: Nebenriss als dunkle Linie (Ausschnitt aus Bild 2)

Auf den ersten beiden Dritteln erscheint der Rissbereich strukturarm, die Bruchfläche war dort unter Bildung von Magnetit korrodiert (Bild 4).

Belagsreste im Risseinlauf (Ausschnitt aus Bild 3)
Bild 4: Belagsreste im Risseinlauf (Ausschnitt aus Bild 3)

Im letzten und somit jüngsten Bruchdrittel wird ein feinfacettiertes Bruchgefüge mit transkristallinem Verlauf erkennbar (Bild 5).

Bild 5: transkristallines feinfacettiertes Bruchgefüge
(Ausschnitt aus Bild 4, oben)
Bild 5: transkristallines feinfacettiertes Bruchgefüge (Ausschnitt aus Bild 4, oben)

Es sind klare Einzelfacetten zu sehen (Bild 6).

Bild 6: transkristallines feinfacettiertes Bruchgefüge (Ausschnitt aus Bild 5)
Bild 6: transkristallines feinfacettiertes Bruchgefüge (Ausschnitt aus Bild 5)

Eine gut ausgebildete Einzelfacette wird in Bild 7 heraus gehoben.

Einzelfacette (Ausschnitt aus Bild 6)
Bild 7: Einzelfacette (Ausschnitt aus Bild 6)

Wird eine Korngrenze überschritten, wechseln die Bahnen ihre Richtung. Die Rissausbreitung ist also an bestimmte kristallographische Ebenen gebunden (Bild 8).

Bruchbahnen ändern lokal ihre Richtung, dort Korngrenzen (Ausschnitt aus Bild 7).
Bild 8: Bruchbahnen ändern lokal ihre Richtung, dort Korngrenzen (Ausschnitt aus Bild 7).

Betrachtet wird der Übergang zum Restbruch. Vorgeschobene Facettenbahnen wurden durch Abscheren der Zwischenstege vereinigt (Bild 9).

Bild 9: Übergang zum Restbruch;
Facetten laufen in Scherbahnen aus (Ausschnitt aus Bild 5, oben)
Bild 9: Übergang zum Restbruch; Facetten laufen in Scherbahnen aus (Ausschnitt aus Bild 5, oben)

Der Restbruch erscheint wellig-flach mit kleineren Abreißwaben (Bild 10). Solche Strukturen ergeben sich durch das sogenannte Serpentinengleiten, welches den Bruch hochzäher Metalle kennzeichnet.

wellige Struktur im Restbruch
Bild 10: vorwiegend wellige Struktur im Restbruch

3. Diskussion

Die Risse sind transkristallin unter Ausbildung feiner Facetten in den Werkstoff eingelaufen. Es somit liegt eine Art Spaltbruch vor, der unten den gegebenen Bedingungen typisch ist für eine Spannungsrisskorrosion. Auslöser hierfür sind üblicherweise Chloride. Die Risse hatten sich an der Rohrachse orientiert, also waren Umfangsspannungen aus der Betriebsbelastung maßgebend. Auf mündlichem Wege wurde mitgeteilt, dass es in der Wasserführung Unregelmäßigkeiten gegeben habe. Weitere Einzelheiten finden sich in [1].

Literatur

[1] Pastor, D.; Phillip, M.; Ruesse, H.; Jacob, H.; Ziegler, L.: Schädigungsnachweis an Wärmetauscherrohren im KKW mit Hilfe der Wirbelstromtechnik. In: Umgebungsabhängiges Bruchverhalten, 17. Metalltagung Dresden 1990, Hrsg.: M. Schaper, J. Barthel, DGM-Verlag, S. 449-472

Martin Möser, 31. Mai 2012

An den Rohren des älteren Kernkraftwerkes Rheinsberg waren die Risse quer orientiert, da durch Eigenspannungen bedingt; siehe in dieser Homepage: Transkristalline Spannungsrisskorrosion an Wärmetauscherrohren aus einem Druckwasserreaktor (KKW Rheinsberg),

hinsichtlich Spannungsrisskorrosion finden sich weiterhin:
Spannungsrisskorrosion an der Kapsel einer Kobalt-Strahlenquelle und Spannungsrisskorrosion an Behältern aus CrNi-Stahl durch Abdrückwasser

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