Welding Processing of Medium-Manganese Austenitic Steels for Cryogenic Applications
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C. Reppin
,
A. Gericke
Abstract
For several years, the significance of gaseous energy sources (e. g. liquified natural gas and hydrogen) has been increasing worldwide due to environmental and climate policy requirements. Storage and transportation of the liquids occur under cryogenic conditions. This results in specific requirements for the mechanical properties of the materials used at cryogenic temperatures. Nowadays, cold-tough, high-nickel austenites and martensitic steels of type X8Ni9 are used for such purposes. While austenitic materials offer good processing properties, they are not attractive due to their comparatively low strength and high costs. Welding martensitic steel with commonly used nickel-based additives significantly impacts processing quality and process automation due to high magnetic remanence. Additionally, the increased requirements for the storage of liquid hydrogen regarding low-temperature toughness push the conventional low-temperature materials to their limits. A potential solution to the identified challenges can be achieved by using medium- and high-manganese austenitic steels. Within the scope of this work, the medium-manganese steel X2CrMnNiN1775 (1.4371) is investigated as an economical substitute for the conventionally used materials in cryogenic applications. Considering the relevant qualification requirements for welded joints and welding additives, submerged arc welded joints are investigated and their applicability under cryogenic operating temperatures is demonstrated.
Kurzfassung
Bereits seit einigen Jahren nimmt die Bedeutung gasförmiger Energieträger (verflüssigtes Erdgas und Wasserstoff) aufgrund von umwelt- und klimapolitischen Anforderungen weltweit immer weiter zu. Die Lagerung und der Transport erfolgt häufig unter kryogenen Bedingungen. Daraus ergeben sich spezifische Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe bei Tieftemperaturen. Die bisher verwendeten Werkstoffe sind kaltzähe, hochnickelhaltige Austenite und martensitische Stähle vom Typ X8Ni9. Die austenitischen Werkstoffe bieten gute Verarbeitungseigenschaften, sind aber aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Festigkeit und hohen Kosten nicht attraktiv. Das Schweißen des martensitischen Stahls mit üblicherweise Nickelbasiszusatz hingegen hat einen erheblich negativen Einfluss auf die Verarbeitungsqualität und die Automatisierung des Prozesses aufgrund der hohen magnetischen Remanenz. Auch durch die gesteigerten Anforderungen der Lagerung von flüssigem Wasserstoff an die Tieftemperaturzähigkeit geraten die herkömmlichen eingesetzten Tieftemperaturwerkstoffe an ihre Grenzen. Einen Lösungsansatz für den aufgezeigten Problemkreis bietet die Nutzung mittel- sowie hochmanganhaltiger austenitischer Stähle. Im Rahmen dieser Arbeit soll der mittelmanganhaltige Stahl X2CrMnNiN17-7-5 (1.4371) als günstiges Substitut zu den bisher verwendeten Werkstoffen für kryogene Anwendungen untersucht werden. Unter Berücksichtigung der einschlägigen Qualifikationsanforderungen für Schweißverbindungen und Schweißzusätze werden unterpulvergeschweißte Verbindungen untersucht und die Anwendbarkeit auch unter kryogenen Einsatztemperaturen nachgewiesen.
Funding statement: The research project IFG No.: 22156 BG / FOSTA No.: P 1597 “Processing and qualification of medium and high manganese austenitic steels for the storage of cryogenic energy sources” from the Research Association for steel Application (FOSTA), Düsseldorf, is supported by the Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action the German Federation of Industrial Research Associations (AiF) as part of the programme for promoting industrial cooperative research (IGF) on the basis of a decision by the German Bundestag. The project is carried out at Fraunhofer IGP as Research Center 1 and at Clausthal University of Technology as Research Center 2.
Funding statement: Das IGF-Vorhaben Nr.: 22156 BG / FOSTA-Nr.: P 1597 „Verarbeitung und Qualifizierung mittel- und hochmanganhaltiger austenitischer Stähle für die Lagerung kryogener Energieträger“ der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wird am Fraunhofer IGP als Forschungsstelle 1 und an der TU Clausthal als Forschungsstelle 2 durchgeführt.
* Vortrag auf der Steel Innovation (SI), 25.–26. Oktober 2023 in Köln
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