Leistungsunterschiede von Flanschen aus verschiedenen Materialien in Hochtemperaturumgebungen

Die Leistung von Flanschen in Hochtemperaturumgebungen variiert erheblich je nach verwendetem Material, hauptsächlich in Bezug auf Festigkeitserhalt, Oxidationsbeständigkeit, Kriechbeständigkeit, thermische Stabilität und Verträglichkeit mit Medien.  Im Folgenden wird eine Analyse typischer Materialkategorien vorgestellt:

​​1.  Flansche aus Kohlenstoffstahl (z. B. Q235, 20# Stahl) – Grundlegende Wahl für niedrige bis mittlere Temperaturen​​
​​Festigkeitsabbau bei hohen Temperaturen​​
Kohlenstoffstahlflansche sind typischerweise auf Temperaturen unter ​​425°C​​ begrenzt.  Über ​​350°C​​ sinkt ihre Streckgrenze erheblich (z. B. sinkt die Streckgrenze von 20# Stahl von ​​245 MPa bei Raumtemperatur auf 180 MPa bei 400°C​​).  Über ​​450°C​​ kommt es zu Perlitkugelung, die zu Kornvergröberung und schließlich zum Kriechbruch führt.
​​Geringe Oxidationsbeständigkeit​​
Eine rasche Oxidation beginnt über ​​300°C​​ und bildet eine lockere ​​Fe₃O₄​​-Schicht.  Bei ​​500°C​​ ist die Oxidationsrate ​​fünfmal höher​​ als bei 300°C.  Die Einwirkung von Schwefel oder Wasserdampf beschleunigt die Korrosion zusätzlich.

​​2.  Flansche aus austenitischem Edelstahl (304/316 usw.) – Bevorzugt für Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit​​
​​Bessere Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit​​
​​304er Edelstahl​​ kann bis zu ​​870°C​​ standhalten, während ​​316L (mit Molybdän)​​ eine gute Festigkeit (Streckgrenze ≥ ​​120 MPa​​) unter ​​650°C​​ beibehält.
Die ​​Cr₂O₃-Oxidschicht​​ (aus 18-20 % Chrom) bietet eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit (z. B. ​​90 % geringere Oxidationsrate als Kohlenstoffstahl bei 800°C​​).
​​Hochtemperaturrisiken​​
​​Sensibilisierung (450-850°C):​​ Karbidausscheidungen können interkristalline Korrosion verursachen (gemildert durch Stabilisierungsbehandlungen, z. B. ​​321er Edelstahl mit Titan​​).
​​Kriechgrenzen:​​ Über ​​650°C​​ beschleunigt sich die Kriechverformung, was eine reduzierte zulässige Spannung erfordert (z. B. hat ​​316L bei 700°C​​ nur 15 % seiner Raumtemperaturfestigkeit​​).

​​3.  Duplexstahlflansche (2205, 2507 usw.) – Kostengünstig für Hochtemperaturkorrosion​​
​​Zwischenliegende Hochtemperaturleistung​​
​​2205er Duplexstahl​​ ist bis zu ​​300°C​​ einsetzbar, während ​​super Duplex 2507​​ bis zu ​​350°C​​ reicht (Streckgrenze > ​​400 MPa bei 300°C​​, ​​doppelt so hoch wie bei 304er Edelstahl​​).
Über ​​350°C​​ beschleunigt sich der Abbau der Ferritphase, wodurch die Kriechbeständigkeit schneller als bei austenitischen Stählen verringert wird.

​​4.  Chrom-Molybdän-Stahlflansche (15CrMo, P91 usw.) – Ideal für Hochtemperatur-Hochdruckbedingungen​​
​​Erhöhte Festigkeit und Kriechbeständigkeit​​
​​15CrMo (1-1,5 % Cr, 0,5 % Mo)​​ arbeitet bis zu ​​550°C​​ (Streckgrenze > ​​200 MPa bei 500°C​​).
​​P91 (9 % Cr, 1 % Mo)​​ hält ​​650°C langfristig​​ stand, mit ​​doppelter Kriechbruchfestigkeit von 15CrMo​​ (z. B. ​​100 MPa gegenüber 40 MPa bei 600°C für 100.000 Stunden​​).

​​5.  Flansche aus Nickelbasislegierungen (Inconel 625, Hastelloy C-276 usw.) – Ultimative Lösung für extreme Bedingungen​​
​​Unübertroffene Hochtemperaturleistung​​
​​Inconel 625​​ behält > ​​100 MPa Zugfestigkeit bei 1093°C​​.
​​Hastelloy C-276​​ widersteht der Oxidation bis zu ​​1200°C​​, mit einer Kriechlebensdauer von über ​​100.000 Stunden​​ (z. B. ​​5x stärker als 316L bei 800°C​​).
​​Beständigkeit gegen komplexe Korrosion​​
Hoher Nickelgehalt (≥50 %), Chrom (20-30 %) und Molybdän (10-16 %) ermöglichen die Beständigkeit gegen:
​​Oxidation, Spannungsrisskorrosion und interkristallinen Angriff​​ in rauen Umgebungen (z. B. ​​650°C Kohlevergaser mit H₂S/CO₂​​).
Geeignet für ​​20+ Jahre Betrieb​​ unter extremen Bedingungen wie Hochtemperatur-Schwefelsäure oder schwefelreichem Öl/Gas.