Unabhängig von der verwendeten Schweißtechnik umfassen die Reinigungsverfahren bei der Herstellung von Edelstahlanlagen sowohl mechanische als auch chemische Reinigung.

1.1 Reinigung sowie Beizen und Passivieren nach der spanenden Bearbeitung

Nach der spanenden Bearbeitung von Edelstahlwerkstücken verbleiben auf deren Oberfläche in der Regel Verunreinigungen wie Eisenspäne, Stahlstaub und Kühlschmierstoffe. Diese Verunreinigungen können zu Flecken und Rostbildung auf der Edelstahloberfläche führen. Daher sollte zunächst eine Entfettung und Ölentfernung durchgeführt und anschließend eine Reinigung mit Salpetersäure vorgenommen werden, Auf diese Weise werden sowohl Eisenspäne und Stahlstaub entfernt als auch eine Passivierung erreicht.

1.2 Reinigung sowie Beizen und Passivieren vor und nach dem Schweißen

Da Fette eine Wasserstoffquelle darstellen, bilden sich in nicht entfetteten Schweißnähten Wasserstoffblasen, und Verunreinigungen durch Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. zinkhaltige Lacke, können nach dem Schweißen zu Rissen führen. Daher müssen vor dem Schweißen von Edelstahl die Fugen sowie die Oberflächen im Umkreis von 20 mm gründlich gereinigt werden. Ölverschmutzungen können mit Aceton abgewischt werden, Lack- und Rostspuren sollten zunächst mit Schleifpapier oder einer Edelstahlbürste entfernt und anschließend mit Aceton gründlich gereinigt werden.

Unabhängig davon, welche Verfahren bei der Herstellung von Edelstahlanlagen zum Einsatz kommenSchweisstechnikNach dem Schweißen muss eine Reinigung durchgeführt werden, um alle Schweißrückstände, Spritzer, Flecken und Oxidationsverfärbungen zu entfernen. Die Reinigungsmethoden umfassen sowohl mechanische als auch chemische Verfahren. Zur mechanischen Reinigung gehören Schleifen, Polieren sowie Sandstrahlen und Kugelstrahlen. Der Einsatz von Bürsten aus Kohlenstoffstahl sollte vermieden werden, um Rostbildung an der Oberfläche zu verhindern. Um eine optimale Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, kann das Werkstück in eine Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure getaucht oder mit einer Beiz- und Passivierpaste behandelt werden. In der Praxis werden mechanische und chemische Reinigung häufig kombiniert.

1.3 Reinigung von Schmiede- und Gussteilen Passivierungslösung für Edelstahl

Edelstahlwerkstücke, die einer Warmumformung wie Schmieden oder Gießen unterzogen wurden, weisen häufig eine Oxidschicht auf ihrer Oberfläche auf, sind mit Schmiermitteln verunreinigt oder durch Oxide verschmutzt. Zu diesen Verunreinigungen zählen unter anderem Graphit, Molybdändisulfid und Kohlendioxid. Diese sollten durch Strahlenbehandlung, Salzbadbehandlung und mehrstufige Beizbehandlung entfernt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Behandlungsverfahren für Turbinenschaufeln aus Edelstahl in den USA:

10 Minuten lang in ein Salzbad einlegen, anschließend 2,5 Minuten lang in Wasser abschrecken, danach 2 Minuten lang mit Schwefelsäure waschen, dann 2 Minuten lang mit kaltem Wasser waschen, anschließend 10 Minuten lang in ein alkalisches Permanganatbad legen, danach erneut 2 Minuten lang mit kaltem Wasser waschen, noch einmal 1 Minute lang mit Schwefelsäure waschen, anschließend 1 Minute lang mit kaltem Wasser gewaschen, 1,5 Minuten lang mit Salpetersäure gewaschen, danach 1 Minute lang mit kaltem Wasser gewaschen und schließlich 1 Minute lang mit heißem Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet.

2. Beizen und Passivieren vor der Inbetriebnahme neuer Anlagen

Edelstahlanlagen und -rohrleitungen, die in vielen großen Anlagen der chemischen Industrie, der Chemiefaserindustrie und der Düngemittelindustrie zum Einsatz kommen, müssen vor der Inbetriebnahme einer Beiz- und Passivierungsbehandlung unterzogen werden. Obwohl die Anlagen bereits im Werk einer Säurebehandlung unterzogen wurden, um Schweißrückstände und Oxidschichten zu entfernen, lassen sich Verunreinigungen durch Fette, Schmutz, Sand und Rost während der Lagerung, des Transports und der Montage kaum vermeiden. Um sicherzustellen, dass die Qualität der Produkte aus den Anlagen und Anlagen, insbesondere chemische Zwischenprodukte und Fertigprodukte, den Anforderungen entspricht und der erste Probebetrieb erfolgreich verläuft, muss eine Beiz- und Passivierungsbehandlung durchgeführt werden. Beispielsweise müssen die Edelstahlanlagen und Rohrleitungen in H₂O₂-Produktionsanlagen vor der Inbetriebnahme gereinigt werden, da sonst bei Vorhandensein von Verunreinigungen Schwermetallionen zu einer Katalysatorvergiftung führen können. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Fett oder freien Eisenionen auf Metalloberflächen zur Zersetzung von H₂O₂ führen, was eine heftige Wärmefreisetzung zur Folge hat und Brände oder sogar Explosionen auslösen kann. Ebenso besteht bei Sauerstoffleitungen die hohe Wahrscheinlichkeit, dass bereits geringste Ölrückstände oder Metallpartikel Funken erzeugen, was schwerwiegende Folgen haben kann.

3. Beizen und Passivieren bei Wartungsarbeiten vor Ort

Bei den Anlagenmaterialien für die Herstellung von raffinierter Terephthalsäure (PTA) kommen vorwiegend die austenitischen Edelstähle 316L und 317 zum Einsatz; bei den Anlagenmaterialien für die Herstellung von Polyvinylalkohol (PVA) kommen vorwiegend die austenitischen Edelstähle 316L und 304L zum Einsatz; Bei Anlagen zur Herstellung von Acrylnitril werden in großem Umfang die austenitischen Edelstähle 316L, 317 und 304L verwendet; bei Anlagen zur Herstellung von Essigsäure werden in großem Umfang die austenitischen Edelstähle 316L, 317 und 304L verwendet. Da die Materialien in diesen Produktionsanlagen schädliche Ionen wie Cl⁻, Br⁻, SCN⁻ und Formiat enthalten oder es zu Verschmutzungen und Materialablagerungen kommt, kann es zu Lochfraß, Spaltkorrosion und Schweißnahtkorrosion an den Anlagen kommen. Während der Stillstands- und Wartungsarbeiten können die Anlagen oder Bauteile einer umfassenden oder partiellen Beiz- und Passivierungsbehandlung unterzogen werden, um die Passivschicht wiederherzustellen und so die Ausbreitung lokaler Korrosion zu verhindern. Beispiele hierfür sind die Erneuerung und Wartung der aus Edelstahl gefertigten Rohre im Trockner der PTA-Anlage von Shanghai Petrochemical sowie die Wartung der Edelstahl-Wärmetauscher in der Acrylan-Anlage; in all diesen Fällen wurde eine Beiz- und Passivierungsbehandlung durchgeführt.

4. Entkalkung und Reinigung von in Betrieb befindlichen Anlagen

In petrochemischen Anlagen, insbesondere in Wärmetauschern, lagern sich nach einer gewissen Betriebszeit an den Innenwänden verschiedene Ablagerungen ab, wie beispielsweise Karbonat-, Sulfat-, Silikat-, Eisenoxid-, organische und Katalysatorablagerungen. Dies beeinträchtigt die Wärmeübertragung und kann zu Korrosion unter den Ablagerungen führen. Zur Entfernung der Ablagerungen muss ein geeignetes Reinigungsmittel ausgewählt werden, beispielsweise Salpetersäure, eine Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure, Schwefelsäure, Zitronensäure, EDTA oder wasserbasierte Reinigungsmittel, wobei zudem eine angemessene Menge an Korrosionsschutzmitteln hinzugefügt werden muss. Nach der Entkalkung kann bei Bedarf eine Passivierungsbehandlung durchgeführt werden. So wurden beispielsweise die Edelstahl-Wärmetauscher in den Anlagen für PTA, Essigsäure und Acrylnitril bei Shanghai Petrochemical einer Entkalkung unterzogen.

5. Hinweise zum Beizen und Passivieren von Edelstahl

5.1 Vorbehandlung durch Beizen und Passivieren

Edelstahlwerkstücke, die Oberflächenverschmutzungen aufweisen, sollten vor dem Beizen und Passivieren zunächst mechanisch gereinigt und anschließend entfettet werden. Da die Beiz- und Passivierungslösung Fett nicht entfernen kann und vorhandene Fettrückstände die Qualität des Beiz- und Passivierungsvorgangs beeinträchtigen, darf die Entfettung nicht ausgelassen werden. Hierfür können Laugen, Emulgatoren, organische Lösungsmittel sowie Dampf verwendet werden.

5.2 Kontrolle des Cl⁻-Gehalts in Beiz- und Spülwasser

Bestimmte Beizlösungen oder Beizpasten für Edelstahl enthalten als Haupt- oder Hilfswirkstoffe korrosive Medien wie Salzsäure, Perchlorsäure sowie Eisen(III)-chlorid und Natriumchlorid, die Chloridionen enthalten, um die Oberflächenoxidschicht zu entfernen. Zur Fettentfernung werden hingegen chlorhaltige organische Lösungsmittel wie Trichlorethylen verwendet, was unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung von Spannungsrisskorrosion nicht besonders geeignet ist. Darüber hinaus kann für das Wasser der Vorwäsche Brauchwasser verwendet werden, während für das Wasser der Endreinigung eine strenge Kontrolle des Halogenidgehalts erforderlich ist, weshalb üblicherweise entionisiertes Wasser verwendet wird. Wenn es sich beispielsweise um Druckbehälter aus austenitischem Edelstahl im petrochemischen Bereich handelt, die für Wasserdruckprüfungen verwendet werden, muss der Cl-Gehalt im Wasser auf maximal 25 mg/l begrenzt werden. Kann diese Anforderung nicht erfüllt werden, kann dem Wasser Natriumnitrat zugesetzt werden, um den Wert zu senken. Dadurch können die Anforderungen erfüllt werden. Übersteigt der Cl-Gehalt den Grenzwert, wird die Passivschicht des Edelstahls zerstört, was zu Lochfraß, Spaltkorrosion und Spannungsrisskorrosion führen kann.

5.3 Prozesssteuerung beim Beizen und Passivieren

Eine reine Salpetersäurelösung ist zwar wirksam bei der Entfernung von freiem Eisen und anderen metallischen Verunreinigungen, jedoch unwirksam bei der Beseitigung von Eisenoxidkrusten. Auch die Entfernung von verdickten Korrosionsprodukten und Temperhäuten ist damit nicht möglich. In der Regel sollte eine HNO₃ + HF-Lösung verwendet werden. Um die Handhabung zu vereinfachen und die Sicherheit zu gewährleisten, kann HF durch Fluoride ersetzt werden. Bei einer reinen HNO₃-Lösung ist der Zusatz eines Korrosionsinhibitors nicht erforderlich, beim Beizen mit HNO₃ + HF muss jedoch Lan – 826 hinzugefügt werden. Bei der Beizung mit HNO₃ + HF sollte das Mischungsverhältnis 5:1 betragen, um Korrosion zu vermeiden. Die Temperatur sollte unter 49 °C liegen, da HF bei höheren Temperaturen verdampft.

Was die Passivierungslösung betrifft, so sollte die HNO₃-Konzentration im Bereich von 20% bis 50% gehalten werden. Den Ergebnissen elektrochemischer Tests zufolge ist die Qualität der gebildeten Passivschicht instabil, wenn die Behandlung bei einer HNO₃-Konzentration von weniger als 20 % durchgeführt wird, was besonders anfällig für Lochfraß macht. Eine HNO₃-Konzentration von mehr als 50 % ist jedoch ebenfalls ungeeignet, da eine Überpassivierung vermieden werden muss.

Die Verwendung eines Ein-Schritt-Verfahrens für die Entfettung, Beizung und Passivierung ist zwar einfach in der Anwendung und spart Arbeitszeit, doch da die Beiz- und Passivierungslösung (Paste) ätzendes HF enthält, ist die Qualität der resultierenden Schutzschicht nicht mit der eines Mehr-Schritt-Verfahrens vergleichbar.

Während des Beizprozesses ist es zulässig, die Säurekonzentration, die Temperatur und die Einwirkzeit innerhalb bestimmter Grenzen anzupassen. Mit zunehmender Verwendungsdauer der Beizlösung muss auf Veränderungen der Säurekonzentration und der Metallionenkonzentration geachtet werden, um ein Überbeizen zu vermeiden. Die Titanionenkonzentration sollte unter 21 ppm liegen, da es andernfalls zu schwerer Lochfraßkorrosion kommen kann. Im Allgemeinen beschleunigt und verbessert eine Erhöhung der Beiztemperatur die Reinigungswirkung, jedoch kann dadurch auch das Risiko von Oberflächenverunreinigungen oder -beschädigungen steigen.

5.4 Steuerung des Beizvorgangs unter Bedingungen, die eine Sensibilisierung von Edelstahl begünstigen

Bei manchen Edelstahlsorten kann es aufgrund einer unsachgemäßen Wärmebehandlung oder durch Schweißen zu einer Sensibilisierung kommen; durch Beizen mit HNO₃ und HF kann es zu interkristalliner Korrosion kommen. Die durch interkristalline Korrosion verursachten Risse können während des Betriebs, bei der Reinigung oder bei der anschließenden Weiterverarbeitung zu einer Anreicherung von Halogeniden führen, was wiederum Spannungskorrosion auslösen kann.

Im Allgemeinen eignen sich diese sensibilisierbaren Edelstahlsorten nicht besonders gut für das Entzundern oder Beizen mit einer HNO₃-HF-Lösung. Wenn nach dem Schweißen dennoch ein solches Beizen erforderlich ist, sollten Edelstahlsorten mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt oder stabilisierte Edelstahlsorten verwendet werden.

5.5 Beizen von Baugruppen aus Edelstahl und Kohlenstoffstahl

Bei Bauteilen, die aus einer Kombination von Edelstahl und Kohlenstoffstahl bestehen, wie beispielsweise Edelstahlrohre und Rohrböden in Wärmetauschern, sowie Gehäuse aus Kohlenstoffstahl, führt die Beizung und Passivierung mit HNO₃ oder einer Mischung aus HNO₃ und HF zu starker Korrosion des Kohlenstoffstahls. In diesem Fall sollte ein geeigneter Korrosionsinhibitor, wie beispielsweise Lan-826, zugesetzt werden. Befinden sich Bauteile aus einer Kombination von Edelstahl und Kohlenstoffstahl in einem sensibilisierten Zustand, darf keine Beizung mit HNO₃ + HF durchgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, Hydroxyessigsäure (2%) + Formaldehyd (2%) zusammen mit einem Korrosionsinhibitor zu verwenden, die Temperatur auf 93 °C einzustellen und die Behandlungsdauer auf 6 Stunden. Alternativ kann eine neutrale Ammonium-EDTA-Lösung zusammen mit einem Korrosionsinhibitor verwendet werden, wobei die Temperatur auf 121 °C und die Behandlungsdauer auf 6 Stunden eingestellt wird. Anschließend wird mit heißem Wasser gespült und die Bauteile in eine Lösung aus 10 mg/l Ammoniumhydroxid und 100 mg/l Hydrazin getaucht.

5.6 Nachbehandlung nach dem Beizen und Passivieren

Bei Edelstahlwerkstücken kann nach dem Beizen und Abspülen mit Wasser eine alkalische Permanganatlösung verwendet werden, die 101 % NaOH und 41 % KMnO₄ enthält. Durch Einweichen in dieser Lösung bei einer Temperatur von 71 bis 82 °C für 5 bis 60 Minuten lassen sich die nach dem Beizen verbleibenden Rückstände entfernen. Anschließend ist das Werkstück mit Wasser abzuspülen und zu trocknen. Sollten auf der Oberfläche von Edelstahl nach dem Beizen und Passivieren Flecken oder Verfärbungen auftreten, können diese durch Abwischen mit frischer Passivierungslösung oder hochkonzentrierter Salpetersäure beseitigt werden. Bei den **endgültig gebeizten und passivierten** Edelstahlanlagen oder -komponenten ist auf den Schutz zu achten; diese können mit Polyethylenfolie abgedeckt oder umwickelt werden, um den Kontakt zwischen unterschiedlichen Metallen und Nichtmetallen zu vermeiden.

Bei der Behandlung von sauren Abwässern und Passivierungsabwässern müssen die Maßnahmen tatsächlich den geltenden Umweltschutzvorschriften entsprechen. Bei fluorhaltigen Abwässern beispielsweise können Kalkmilch oder Calciumchlorid zur Behandlung zugesetzt werden. Bei Passivierungsflüssigkeiten sollte möglichst kein Salz verwendet werden ; bei chromhaltigen Abwässern kann zur Reduktion Eisen(II)-sulfat zugesetzt werden.

Das Beizen von martensitischem Edelstahl kann zu Wasserstoffversprödung führen. Falls dies erforderlich ist, kann Sauerstoff durch Wärmebehandlung entfernt werden, indem das Material auf 200 °C erhitzt und eine Zeit lang auf dieser Temperatur gehalten wird.

6. Qualitätsprüfung beim Beizen und Passivieren von Edelstahl

Die Prüfungen werden in der Regel an Mustern durchgeführt, da chemische Prüfungen die Passivschicht des Produkts beschädigen können. Beispiele für solche Verfahren sind:

(1) Titration mit Kupfersulfat

Tropfen Sie die Lösung ++2 auf die Oberfläche der Probe und halten Sie diese feucht. Wenn innerhalb von 6 Minuten keine Kupferausfällung auftritt, gilt die Probe als bestanden.

(2) Titrationstest mit Kaliumcyanid

Man tropft die Lösung Na++(CN)₆⁺ auf die Oberfläche der Probe und beurteilt anhand der Anzahl der entstehenden blauen Flecken sowie der Zeit, bis diese erscheinen, die Qualität der Passivschicht.