Welche Anforderungen stellen die neuen Geschäftsmodelle der erneuerbaren Energien an Edelstahlrohre?

In den Branchen des neuen Energiesektors (z. B. Photovoltaik, Windenergie, Wasserstoffenergie, Energiespeicherung und Elektromobilität usw.) haben Edelstahlrohre vielfältige Anwendungsfälle (z. B. Fluidtransport, strukturelle Unterstützung, Wärmemanagement usw.). Die Leistungsanforderungen an diese Rohre müssen auf der Grundlage spezifischer Bedingungen (z. B. Medium, Druck, Temperatur, Umweltkorrosion usw.) umfassend festgelegt werden. Folgende sind die gängigen und spezifischen Kernanforderungen des Bereichs: 

I. Kernanforderungen an die Materialeigenschaften

Korrosionsbeständigkeit

Neue Energieanlagen kommen oft mit korrosiven Medien (z. B. Elektrolyt, Kühlmittel, Wasserstoff, Feuchtigkeit, Salznebel usw.) in Kontakt. Es ist notwendig, auf der Grundlage der Eigenschaften des Mediums eine geeignete Edelstahlsorte auszuwählen:

Allgemeine korrosive Umgebung (z. B. Luft, Süßwasser): Edelstahl 304 (mit 18 % Cr und 8 % Ni) kann die grundlegenden Anforderungen erfüllen;

Stark korrosive Umgebung (z. B. Elektrolyt, Meerwasser, Spurenverunreinigungen in Wasserstoff): Es werden 316L (enthält Mo, verbessert die Lochfraßbeständigkeit), Duplexstahl (z. B. 2205, balanciert Stärke und Korrosionsbeständigkeit) oder superaustenitischer Edelstahl (z. B. 904L, widersteht der gesamten Korrosion) benötigt;

Wasserstoffenergiebereich: Es ist erforderlich, Wasserstoffversprödung und Wasserstoffpermeation zu widerstehen, und austenitischer Edelstahl mit hohem Nickelgehalt (z. B. 316Lmod) sollte priorisiert werden, um wasserstoffinduzierte Risse (HIC) und Spannungskorrosionsrisse (SCC) zu vermeiden.

Mechanische Eigenschaften

Es ist erforderlich, ein Gleichgewicht zwischen Stärke, Zähigkeit und Dauerfestigkeit zu erreichen:

Hochdruck-Szenarien (z. B. Wasserstoffspeicher- und -transportleitungen, Verbindungsleitungen für Hochdruckbehälter): Hohe Zugfestigkeit (≥500 MPa), hohe Streckgrenze (≥200 MPa) und ausreichende Dehnung (≥40%) sind erforderlich, um sprödes Brechen zu vermeiden;

Dynamische Last-Szenarien (z. B. Turmrohrleitungen von Windkraftanlagen, Rohrleitungen für Fahrgestelle von Elektromobilen): Ausgezeichnete Dauerfestigkeit (≥200 MPa nach 10⁷ Zyklen) ist erforderlich, um Schwingungsermüdung zu widerstehen;

Niedrigtemperaturszenarien (z. B. Niedrigtemperatur-Energiespeicher): Niedrigtemperatur-Zähigkeit bei Schlagbeanspruchung (-40°C, AKV ≥ 40 J) ist erforderlich, um Niedrigtemperaturbruch zu vermeiden. 

II. Anforderungen an Struktur und Prozess

Maßgenauigkeit und Konsistenz

Die Toleranzen des Rohrdurchmessers und der Wandstärke müssen streng kontrolliert werden (±0,1mm), um die Dichtigkeit sicherzustellen (z. B. die Passung mit Flanschen und Buchsen);

Wandstärkenuniformität (Abweichung ≤ 5%), um lokale Spannungskonzentrationen zu vermeiden, die zu einem Bruch führen können (insbesondere in Hochdruckszenarien).

Oberflächenqualität

Oberflächengüte (Ra ≤ 1,6μm): Verringerung des Strömungswiderstands (z. B. in Kühlleitungen), Verhinderung der Anhaftung von Schadstoffen (z. B. in Photovoltaik-Reinigungsanlagen);

Oberflächenpassivierung: Durch Chromatpassivierung oder Säurebehandlung wird ein dichter Oxidfilm gebildet, der die Korrosionsbeständigkeit verbessert;

Keine Oberflächenfehler (z. B. Risse, Lochblasen, Kratzer): Vermeidung, dass Fehler den Ausgangspunkt für Korrosion oder Spannungskonzentration werden.

Schweiß- und Verbindungssicherheit

Bei einem geschweißten Rohr darf die Schweißnaht keine Defekte wie Poren, Schlackeneinschlüsse oder unvollständige Verschmelzung aufweisen, und die Schweißfestigkeit sollte nicht geringer als die des Grundwerkstoffs sein (es müssen Prüfungen auf Fehler, wie Röntgen- oder Ultraschallprüfungen, bestanden werden);

Angemessene Verbindungsmethode (Schweißen, Flanschen, Buchsen usw.): Bei Wasserstoffenergieleitungen sollte beim Schweißen die durch hohe Temperaturen verursachte interkristalline Korrosion vermieden werden, und es muss eine notwendige Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden. 

III. Anpassungsfähigkeit an Umwelt- und Betriebsbedingungen

Wärmebeständigkeit

Hohe Temperatur-Szenarien (z. B. Photovoltaik-Wärmekraftwerke, Brennstoffzellenstapel): Muss beständig gegen Hochtemperaturoxidation sein (z. B. 310S Edelstahl, mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 1100°C) und einen stabilen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um Risse durch Wärmespannungen zu vermeiden;

Niedrige Temperatur-Szenarien (z. B. Lagerung und Transport von flüssigem Wasserstoff, Niedertemperatur-Energiespeicherung): Muss bei niedrigen Temperaturen zäh bleiben (z. B. 304L, mit guter Schlagzähigkeit bei -196°C) und ein Bruch bei niedrigen Temperaturen verhindern.

Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und Wasserstoffpermeation (Kern im Bereich der Wasserstoffenergie)

Unter Hochdruck-Wasserstoffumgebungen (35MPa/70MPa) neigen Wasserstoffmoleküle dazu, in das Edelstahlgitter einzudringen und Versprödung zu verursachen. Erforderlich:

Wählen Sie austenitischen Edelstahl mit geringer Wasserstofflöslichkeit (z. B. 316L) oder wenden Sie Oberflächenbeschichtungen (z. B. diamantähnlicher Kohlenstoff DLC) an, um die Wasserstoffpermeation zu reduzieren;

Steuern Sie die Materialhärte (≤240HV) und vermeiden Sie eine Erhöhung der Empfindlichkeit gegen Wasserstoffversprödung aufgrund hoher Härte;

Verifizieren Sie durch Wasserstoffversprödungstests (z. B. ASTM F1459), um sicherzustellen, dass kein Risiko von Rissbildung innerhalb der Entwurfslebensdauer besteht.

Beständigkeit gegen Ermüdung und Vibrationen (z. B. Windkraft, Elektromobile)

Die internen Rohrleitungen von Windkrafttürmen müssen langfristigen Vibrationen standhalten, was erfordert, dass das Material eine hohe Dauerfestigkeit aufweist (10⁷-Zyklenfestigkeit ≥ 150MPa);

Die Kühlrohre von Elektromobilen müssen Rüttelvibrationen standhalten, mit gleichmäßigen Rohrwandungen und ohne Defekte, um Ermüdungsversagen zu vermeiden. 

IV. Compliance und Nachhaltigkeit

Standards und Zertifizierungen

Es ist erforderlich, bestimmten Branchenstandards zu entsprechen, wie:

Wasserstoffleitungen: ISO 19880 (Wasserstoffinfrastruktur), GB/T 37244 (Hochspannungswasserstoffsystem für Fahrzeuge);

Leitungen für neue Energiefahrzeuge: ISO 11439 (Stahlrohre aus nichtrostendem Stahl für Straßenfahrzeuge);

Photovoltaik / Windkraft: GB/T 14976 (Stahlrohre aus nichtrostendem Stahl für die Fluidförderung), ASTM A312 (Nahtlose Rohre aus austenitischem nichtrostendem Stahl).

Niedrig-Kohlenstoff und Nachhaltigkeit

Die neue Energiebranche betont "niedrigen Kohlenstoffgehalt über den gesamten Lebenszyklus", was erfordert, dass der Herstellungsprozess von Stahlrohren aus nichtrostendem Stahl grünen Strom für das Schmelzen verwendet (z. B. wasserstoffbasierte Stahlherstellung) und die Materialien recycelbar sein müssen (die Recyclingrate von nichtrostendem Stahl ist > 90%), was den Anforderungen der Kreislaufwirtschaft entspricht. 

V. Spezielle Anforderungen für bestimmte Bereiche

Kühlleitungen für neue Energiefahrzeuge: müssen leicht sein (dünne Wand ≤ 1mm, aber mit hoher Festigkeit), beständig gegen Korrosion durch Kühlmittel (Ethylenglykol) sein und mit Verbindungskomponenten (z. B. Kunststoff, Gummi) kompatibel sein, ohne elektrochemische Korrosion;

Rohrleitungen für Photovoltaik-Reinigungsanlagen: Beständig gegen ultravioletten Alterungsprozess, beständig gegen Korrosion durch Reinigungslösungen (schwache Säuren und Laugen) und mit glatten Innenwänden, um die Bildung von Kalkablagerungen zu reduzieren;

Rohrleitungen für Energiespeicherbatteriekompartimente: Hohe Brandsicherheit (z. B. Erfüllung der UL 94 V-0-Normen) und Beständigkeit gegen Korrosion durch Elektrolytaustritt (z. B. LiPF₆). 

Zusammenfassend müssen die Edelstahlrohre in der neuen Energiebranche in Bezug auf Kernindikatoren wie Korrosionsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften und Umweltadaptierbarkeit exakt an die Arbeitsbedingungen angepasst sein und müssen auch die Vorschriften und Nachhaltigkeitsanforderungen erfüllen. Unterschiedliche Branchenbereiche erfordern gezielte Optimierungsdesigns.