Werkstoffauswahl für sCO₂-Leitungen (superkritisches CO₂): Schlauchinsert und Metallrohr so wählen, dass nichts schiefgeht

Superkritisches Kohlendioxid (sCO₂) wandert vom Kraftwerksbau (sCO₂-Brayton-Kreislauf) über Kälte und Wärmepumpen in immer mehr industrielle Rohrleitungssysteme. Die Anforderungen an die Werkstoffe unterscheiden sich völlig von normalem CO₂: trocken korrodiert er Kohlenstoffstahl kaum, mit Wasser steigt die Korrosionsrate um mehr als das Fünffache. Beim Schlauch zählen Einlage und Typ, beim Rohr Feuchtegehalt und Temperatur. Dieser Artikel erklärt die Werkstoffgrenzen von sCO₂-Systemen in einem Durchgang – mit Vergleichstabelle und Checkliste zum direkten Mitnehmen.

1. drei Probleme aus der Praxis

Problem 1: Eine Kohlenstoffstahllinie lief zwei Jahre problemlos in trockenem sCO₂ – dann zeigte ein neuer Feuchtemesspunkt eine Wanddickenabnahme von 30 %.

Das ist keine erfundene Geschichte. Trockenes (unmodifiziertes) CO₂ korrodiert Kohlenstoffstahl tatsächlich nur langsam, und die Forschung bestätigt: In unmodifiziertem CO₂ sind Korrosionsrate niedrig und Eignung gut. Doch sobald „feuchtebeaufschlagt“ auftaucht, kippt das Urteil: An 1018-Kohlenstoffstahl wurde in wassergesättigtem sCO₂ deutlicher Korrosionsangriff beobachtet. Und die Temperatur ist ein Verstärker – in manchen feuchten Bedingungen steigt die Korrosionsrate beim Anheben von 40 °C auf 80 °C von 0,45 mm/a auf 2,43 mm/a. Weniger als eine Verfünffachung der Temperatur, aber die Korrosionsrate vervielfacht sich um mehr als das Fünffache.

Problem 2: PTFE-Schläuche sind der Mainstream – aber Mainstream heißt nicht universell.

PTFE (Polytetrafluorethylen) ist chemisch extrem inert; mit Edelstahlgeflecht verstärkt hält es mehrere hundert bar aus und ist heute eine der verbreitetsten Lösungen für sCO₂-Schläuche. Aber Vorsicht bei einer Falle: Studien berichten, dass PTFE-Beschichtungen in bestimmten sCO₂-Umgebungen degradieren können. Deshalb reicht die Antwort „PTFE“ nicht – verlangen Sie vom Lieferanten die Verträglichkeitsdaten des konkreten Typs für Ihre Bedingungen.

Problem 3: 316 gehört bei 600 °C in Rente, doch viele denken erst bei 650 °C an einen Materialwechsel.

Edelstahl 316 (inklusive 316H und 316L) ist ein gängiger Kandidat für Heiß-sCO₂-Systeme, korrodiert auch in feuchter Umgebung kaum und ist insgesamt besser als 304. Die empfohlene Temperaturgrenze liegt jedoch bei rund 600 °C: Darüber kann die schützende Oxidschicht versagen und die Korrosionsbeständigkeit sinkt. Danach helfen nur Nickellegierungen wie Inconel oder Hastelloy.

2. die gemeinsame Ursache: Druck und Temperatur im Blick, die Medienreinheit vergessen

Die drei Probleme oben wirken wie drei Themen, haben aber eine gemeinsame Wurzel – man behandelt sCO₂ wie „ein Gas“, dabei ist es „ein Medium veränderlicher Reinheit“. Sein Korrosionsverhalten wird von zwei Variablen bestimmt:

1. Feuchtegehalt (Medienreinheit) – entscheidet, ob Kohlenstoffstahl für Metallleitungen überhaupt infrage kommt
2. Betriebstemperatur – bestimmt die Typengrenze beim Edelstahl

Solange diese beiden Punkte nicht festgelegt sind, ist jede „Empfehlung“ nur Schlagwort.

3. eine Tabelle zeigt die Werkstoffgrenzen

Noch ein Detail zu 304: Bei 550 °C und 20 MPa bildet Edelstahl 304 eine Oxidschicht, in der Praxis wird die Korrosionsbeständigkeit oft durch Beschichtungen erhöht. Die verbesserte Variante (z. B. Super 304H) bei 600–700 °C ist noch Forschungsthema – nicht ohne Nachweis im Projekt einsetzen.

4. drei harte Kennwerte, die vor der Auswahl feststehen müssen

1. Feuchtegehalt des Mediums (Taupunkt / Reinheit) – die erste Wasserscheide. Trocken → Kohlenstoffstahl möglich; feucht → direkt auf 304/316 wechseln.
2. Maximale Betriebstemperatur – bis 600 °C die 316-Familie; über 600 °C Nickellegierungen bewerten.
3. Permeation und Sperre – bei Schläuchen sowohl die Korrosionsbeständigkeit der Einlage als auch die CO₂-Durchlässigkeit beachten; Gummischläuche brauchen eine Metallfolie oder ähnliche Sperrschicht.

5. so arbeitet KUNGFLEX

Shanghai Beirun Hydraulic Equipment Co., Ltd. (KUNGFLEX) ist seit 2009 auf Hydraulikschläuche und Fluidanschlüsse spezialisiert und bietet für neue Medien wie sCO₂, Flüssigkühlung und Wasserstoff Lösungen von der Einlagenauswahl bis zur Baugruppenprüfung:

• PTFE-Schläuche mit Edelstahlgeflecht: mehrlagige Geflechtstruktur für Hochdruck-Förderleitungen
• Rohrleitungen und Armaturen aus Edelstahl 316L: Industrieanschlüsse, Stahlrohrbaugruppen und Liquid-Cooling-Steckverbinder
• Berstdruckprüfung mit ultrahohem Druck: 4000 kg / ca. 400 MPa, etwa das Zehnfache des standardmäßigen Arbeitsdrucks
• Qualitätsmanagementsystem nach ISO 9001:2015, Export in über 80 Länder

sCO₂ ist eine „besonderes Medium, harte Bedingung“-Anwendung. Shanghai Beirun liefert keine generische Typennummer – wir erfassen zuerst Feuchtegehalt, Temperatur, Druck und Medienreinheit und legen dann Einlagenwerkstoff und Typ, Geflechtstruktur und Dichtform fest, damit Verträglichkeitsrisiken schon in der Auslegung ausgeschlossen werden.

6. Checkliste (direkt an Einkauf und Technik weitergeben)

• Ist der Feuchtegehalt / Taupunkt des Mediums bestätigt? Kann im Betrieb Kondensat entstehen?
• Wie hoch ist die maximale Betriebstemperatur? Wird 600 °C erreicht?
• Route für Metallleitungen: trocken → Kohlenstoffstahl; feucht → 304/316; > 600 °C → Nickellegierungen
• Schlaucheinlage: PTFE / EPDM / IIR / Nylon – liegen sCO₂-Verträglichkeitsdaten für den konkreten Typ vor?
• Ist eine Metallfolie oder ähnliche Sperrschicht gegen CO₂-Permeation nötig?
• Passen die Dichtflächenwerkstoffe der Armaturen zur Leitungslegierung (Kontaktkorrosion verschiedener Metalle vermeiden)?
• Sind Überdruck- / Berstprüfungen gefordert?

7. FAQ

Q: Darf man in einem trockenen sCO₂-System Kohlenstoffstahlrohre verwenden?

A: Ja – und es ist wirtschaftlich. Voraussetzung ist ein dauerhaft trockenes (unmodifiziertes) Medium. Sobald Feuchtigkeit dazukommt, steigt die Korrosionsrate des Kohlenstoffstahls steil an: von 40 °C auf 80 °C kann sie von 0,45 mm/a auf 2,43 mm/a springen.

Q: Muss ein sCO₂-Schlauch eine PTFE-Einlage haben?

A: PTFE-Einlage + Edelstahlgeflecht ist die verbreitetste Lösung (Druckfestigkeit bis mehrere hundert bar), aber Studien zeigen, dass PTFE-Beschichtungen in bestimmten sCO₂-Umgebungen degradieren können – die Verträglichkeit ist typspezifisch zu prüfen. In der CO₂-Kältetechnik sind EPDM- / IIR-Schläuche mit Metallfoliensperre üblich.

Q: 304 oder 316 – was wählen?

A: In feuchtem sCO₂ sind beide weit besser als Kohlenstoffstahl; für hohe Temperaturen 316 bevorzugen (inkl. 316H / 316L), Grenze ca. 600 °C. 304 bildet bei heißem sCO₂ eher Oxidschichten und braucht oft Beschichtungen.

Q: Gibt es eine Lösung oberhalb von 600 °C?

A: Die 316-Familie ist bei 600 °C praktisch am Limit. Darüber Nickellegierungen (Inconel, Hastelloy usw.) bewerten und Kosten und Konstruktion neu durchrechnen.

Q: Worauf ist bei Schlaucharmaturen zu achten?

A: Die Dichtfläche sollte zum Werkstoff des Schlauchs passen – besonders bei Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen Kontaktkorrosion verschiedener Metalle vermeiden und prüfen, dass die Druckklasse der Armatur zur Leitung passt.

über Shanghai Beirun

Shanghai Beirun Hydraulic Equipment Co., Ltd. (KUNGFLEX) ist ein Ursprungswerk für Hydraulikschläuche und Fluidanschlüsse, ISO-9001:2015-zertifiziert und exportiert in über 80 Länder. Für neue Medien wie superkritisches CO₂, Flüssigkühlung und Wasserstoff bieten wir Komplettunterstützung von der Einlagenauswahl über die Werkstoffabstimmung der Leitung bis zur Ultrahochdruckprüfung: Zuerst kommen Feuchtegehalt, Temperatur, Druck und Medienreinheit, dann werden Einlagentyp, Geflechtstruktur und Armaturenform festgelegt – Verträglichkeitsrisiken bleiben in der Auslegungsphase ausgeschlossen.

• E-Mail: shbeirun@126.com
• Hotline: 400-820-9728 / 13764595878
• Geschäftsbereich: Hydraulikschlauchleitungen, Industrieanschlüsse, Schnellkupplungen, Kugelhähne, Stahlrohrbaugruppen und Ultrahochdruck-Prüfung von Schläuchen