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Eine Gleichung wird alle Marineingenieure und Flottenmanager bei der Auswahl ihrer Ausrüstung begrüßen – und hier ist sie: Bei der Auswahl Ihres wassergekühlten Wärmeaustauschers ist der entscheidende Faktor das verwendete Material. Die Wahrheit ist, dass Meerwasser äußerst aggressiv ist: Es ist stark korrosiv, enthält hohe Chloridkonzentrationen und gelösten Sauerstoff und ist voller Mikroorganismen, die sich regelrecht auf ungeeignete Materialien stürzen. SME führt jährlich über 500 Rückrüstungen und Reparaturen durch und stellt dabei immer wieder fest, dass die Materialwahl unmittelbar Lebensdauer und Gesamtkosten beeinflusst. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf drei der am häufigsten eingesetzten Werkstoffe – Titan, 316L-Edelstahl und SMO 254 (super-austenitischer Edelstahl) – und betrachten sie hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Eigenschaften, Wirtschaftlichkeit sowie Eignung für den Einsatz.
Korrosionsbeständigkeit in maritimen Umgebungen
Lokalisierte Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion ist die Hauptursache für Ausfälle von Wärmeaustauscherplatten im Meerwassereinsatz.
Das Standardmodell ist edelstahl 316L. Die Beständigkeit des Werkstoffs gegenüber Chloridangriffen liegt aufgrund des Molybdängehalts (ca. 2–3 %) im mittleren Bereich. Bei Anwendungen mit geringem Durchfluss oder stehendem Meerwasser besteht jedoch die Gefahr von Spaltkorrosion unter biologischen Ablagerungen und unter der Dichtung. In den meisten Fällen tauschen wir bei Schiffen, die in tropischen Regionen sowie in salzhaltigem oder brackigem Wasser eingesetzt werden, die 316L-Platten aus und stellen fest, dass diese nach etwa 12 bis 18 Monaten durch Lochkorrosion angegriffen wurden.
SMO 254 ist eine super-austenitische Sorte mit deutlich höherem Nickelgehalt. Sie weist eine PREN-Zahl (Pitting Resistance Equivalent Number) von über 40 auf und ist daher gegenüber Chloriden deutlich widerstandsfähiger gegen Lochkorrosion als herkömmlicher 316L-Edelstahl. Sie eignet sich für den Einsatz in warmem Salzwasser und ist beständig gegen kurzzeitige Chlorierung oder leicht stehende Umgebungen. Die Lebensdauer von SMO 254 ohne erhebliche Korrosion variiert; in verschiedenen KMU-Projekten für den Schiffbau in Küstenregionen wurde bisher eine Einsatzdauer von drei bis fünf Jahren beobachtet.
Titanium (Grad 1 oder 2) weist im Seewasser praktisch unbegrenzte Zuverlässigkeit auf. Der passive Oxidfilm ist selbst bei hohen Temperaturen (bis zu 120 °C) und bei Strömungen mit hoher Geschwindigkeit äußerst stabil. Im Gegensatz zu Edelstählen ist Titan widerstandsfähig gegenüber Problemen wie Spaltkorrosion, Erosionskorrosion und Spannungsrisskorrosion. Wenn der Preis keine Rolle spielt und Ausfallzeiten unbedingt vermieden werden müssen, ist Titan die erste Wahl.
Mechanische Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit
Neben der Korrosionsbeständigkeit müssen die Wärmeaustauscherplatten Druckdifferenzen, Vibrationen und thermischen Wechselbelastungen standhalten.
Die Streckgrenze von 316L beträgt etwa 170 bis 220 MPa. Es ist gut formbar und leicht zu verarbeiten, weist jedoch eine geringere Festigkeit auf; daher erfordern Hochdrucksysteme dickere Platten, was zu einer geringeren thermischen Effizienz führt.
Eine maximale Streckgrenze in der Größenordnung von 300 bis 350 MPa ist mit SMO 254 möglich, wodurch dünnere und effizientere Platten als zuvor realisierbar sind – ohne Einbußen bei der strukturellen Integrität. Das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht übertrifft oft die geringe Wärmeleitfähigkeit und macht den Werkstoff so zu einer idealen Konstruktion für kleine Anlagen.
Titan der Güteklasse 2 weist eine Streckgrenze zwischen 250 und 400 MPa auf und ist zudem ein hervorragend zähes Ermüdungsmaterial. Im Gegensatz dazu liegt die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials unter 50 % derjenigen vergleichbarer Edelstahlwerkstoffe; zur Erzielung gleicher Wärmeübertragungsmengen sind daher dünne Blechstärken bzw. effektive Strömungen erforderlich. Es tritt ein erheblicher Temperaturabfall innerhalb der Platten auf; unser technisches Team empfiehlt daher bei Retrofit-Maßnahmen eine optimale Wellung, um diesen Effekt auszugleichen.
Schweißbarkeit und Reparaturaspekte
In der Praxis werden Platten durch mechanische Beschädigung, Dichtungsversagen und Erosion beschädigt. Der Austausch oder die Reparatur vor Ort muss daher einfach zu handhaben sein.
316L lässt sich problemlos mit einem WIG-System schweißen und ist einfach zu reparieren. Es gibt zahlreiche Beispiele für 316L in den meisten Werftwerkstätten, und Ersatzplatten aus 316L sind im Lager erhältlich. Das Schweißen führt jedoch zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit im Wärmeeinflussgebiet (HAZ), was gelegentlich eine Nachbearbeitung durch Beizen erforderlich macht.
Es ist wichtig, ein sicheres Gefühl für das Schweißen mit hochnickelhaltigen Zusatzwerkstoffen zu entwickeln, um SMO 254 einzusetzen, und bei der Schweißarbeit auf die Wärmezufuhr zu achten. Der korrosionsbedingte Vorteil kann verloren gehen, wenn unsachgemäßes Schweißen zur Ausscheidung intermetallischer Phasen führt. Die zertifizierten Techniker von SME sind in den Schweißverfahren für superaustenitische Stähle geschult; viele allgemeine Reparaturwerften verfügen jedoch nicht über diese Fähigkeit.
Die Verhinderung von Versprödung erfordert beim Schweißen von Titan eine vollständige Abschirmung, entweder mit Argon oder mit Helium. Es handelt sich nicht um eine Aufgabe für nicht qualifizierte Personen. Da Titan jedoch sehr widerstandsfähig gegenüber Erosion ist, fallen insgesamt weniger Reparaturen an. SME stellt fest, dass es am besten ist, beschädigte Platten durch eine Werkschweißung zu ersetzen und keine Feldreparaturen vorzunehmen.
Kosten und Lebenszykluswert
Die anfänglichen wirtschaftlichen Kosten können oft der entscheidende Faktor beim Kauf eines Produkts sein; bei einer Lebenszyklusanalyse gilt dies jedoch nicht.
Die kostengünstigste Variante am Anfang ist 316L. Aufgrund seiner kurzen Lebensdauer im Salzwasser (typischerweise zwei bis drei Jahre) können jedoch Ersatz, Dichtungswechsel und Betriebsunterbrechungen die Gesamtkosten innerhalb des zehnjährigen Betriebszeitraums des Fahrzeugs um das Dreifache erhöhen.
SMO 254 kostet das Zweifache oder Dreifache von 316L, bietet aber bei typischen Meerwasserbedingungen vier bis fünf Jahre Einsatzdauer. Die Amortisation erfolgt üblicherweise innerhalb von etwa anderthalb Jahren, was eine kosteneffiziente Wahl für mittlere Leistungsanforderungen darstellt.
Die erste Kostenposition ist die höchste Kostenposition; die ursprünglichen Titanplatten weisen die erste Kostenposition auf, die bis zu 5–8-mal höher sein kann als bei 316L. Da die Platten eine Einsatzdauer von 15 bis 20 Jahren haben, ist der Austausch äußerst selten erforderlich; falls ein Schiff eine lange Einsatzdauer oder hohe Anforderungen an die Mission stellt, ergibt sich hierdurch die niedrigste Lebenszykluskostenquote für diese Schiffstypen. Bislang haben wir Titan bereits für über 1.000 Schiffe geliefert, und in den letzten mehr als 10 Jahren trat bei keiner dieser Lieferungen ein Ausfall ein.
Fazit: Lassen Sie sich von Fachexperten bei Ihrer Entscheidung beraten
Wir verpflichten uns, Ergebnisse zu erzielen! Bei SME gibt es keine einzige Lösung. So etwas tun wir hier nicht. Unser Team aus über hundert Ingenieuren und Fachtechnikern realisiert im Durchschnitt jährlich mehr als fünfhundert abgeschlossene Projekte – jedes Jahr für jeden Werftbetrieb in China und für weltweite Dienstleister. Jedes Ihrer Projekte beinhaltet eine zwölfmonatige Garantie. Und falls nicht: ‚Es geht darum, sich frühzeitig einzubringen – etwa durch die Bereitstellung des richtigen Materials, damit Sie sofort starten können.‘ Für diese kosteneffiziente und zeitgesteuerte Unterstützung bei 316L, für zuverlässige Leistung mit SMO 254 und für garantierte Lieferung Ihres Titans versprechen wir Ihnen schnelle technische Unterstützung, weltweite Montageservices vor Ort sowie selbstverständlich präzise passgenaue Zuschnitte und Fertigungen in unserem 5000-Quadratmeter-Werk in Nantong. Dazu ist eine eingehende Bewertung des Servicebetriebs und des Lebenszyklus des Schiffes sowie des Budgets des Kunden erforderlich, um ein Angebot mit einer Garantie zu erstellen, die Ausfälle verhindert und Kosten für die optimale Lösung minimiert.