Erhöhte Anfälligkeit von hochfesten Schraubenmuttern für wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion

Hochfeste HV-Schraubengarnituren mit den Durchmessern M48 und M64 und der Festigkeitsklasse 10.9 wurden in Offshore-Windkraftanlagen montiert. Die M64-Schrauben wurden in Kupplungsflanschen innerhalb von Monopiles eingesetzt. Die Schrauben mit dem Durchmesser M48 kamen in einem anderen Offshore-Windpark zum Einsatz und standen zeitweise unter natürlichem Witterungseinfluss. Bei beiden Einbausituationen wurden zeitverzögerte Brüche der Schraubenmuttern beobachtet. Aufgrund makroskopisch sichtbarer Korrosionsprodukte wurde als wahrscheinlicher Versagensgrund die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion (H-SpRK bzw. Hi-SCC, hydrogen-induced stress corrosion cracking) festgestellt. Allerdings ist der Bruch einer Schraubenmutter bei einer korrekt vorgespannten Schraubenverbindung untypisch, da die Spannungen im Schraubengewinde größer sind als im Muttergewinde. Nach der Theorie der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion wäre der Bruch bei dem Bauteil zu erwarten, in dem die größte Belastung auftritt, d. h. bei der Schraube. Im Rahmen der Schadensanalyse wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt, um die Ursache für den Bruch der Muttern festzustellen. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Frage, ob der Mutterwerkstoff anfälliger für wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion ist als der Schraubenwerkstoff. Die Untersuchungen umfassten die Bruchflächenanalyse mittels Energiedispersive Röntgenspektroskopie im Rasterelektronenmikroskop (REM-EDX), die lichtmikroskopische Untersuchung von metallographischen Schliffen, mechanische Prüfungen sowie Zeitstandversuche an wasserstoffbeladenen Proben. Obwohl die Ergebnisse nahelegen, dass die geprüften Muttern den Anforderungen der gültigen Normen im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften entsprechen, zeigte sich, dass der Mutterwerkstoff trotz seiner geringeren Zugfestigkeit eine deutlich höhere Anfälligkeit gegenüber Hi-SCC zeigt als der Schraubenwerkstoffr. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Anfälligkeit des Werkstoffs für Hi-SCC und der Zugfestigkeit, wie es Normen und Richtlinien implizieren, liegt daher nicht vor.

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Hoche, H., Brilz, M. and Oechsner, M.. "Enhanced susceptibility of high-strength fastener nuts to hydrogen-induced stress corrosion cracking" https://doi.org/10.1515/pm-2024-0027 © 2023 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany

Zeitschrift

Practical Metallography, vol. 61, no. 5, 2024, pp. 319-345

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