P 1236 – Quantitative Beschreibung des Zähigkeitseinflusses auf die Rissarresteigenschaften moderner Pipelinestähle

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ISBN: 978-3-96780-007-4 Kategorien: ,

Beschreibung

P 1236 – Quantitative Beschreibung des Zähigkeitseinflusses auf die Rissarresteigenschaften moderner Pipelinestähle

Der Widerstand gegen langlaufende Risse unter Gewährleistung von Rissarrest stellt eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen an Pipelines zum Gastransport dar. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden Rohrleitungsstähle mit hervorragenden Zähigkeitseigenschaften entwickelt. Aufgrund der auftretenden  Bruchphänomene bei der experimentellen Zähigkeitscharakterisierung in Kerbschlagbiegeversuchen und Fallgewichtsversuchen nach Battelle zum Ausschluss spröder Rissinitiierung, sind die herkömmlichen Bemessungsverfahren für eine umfängliche Nutzung dieser hervorragenden Eigenschaften jedoch zu hinterfragen. Zu den Phänomenen zählen sog.
Separations und das inverse Bruchverhalten. Neben dem Ausschluss spröder Rissinitiierung ist duktiler Rissarrest sicherzustellen. Der ausreichende Materialwiderstand gegen Rissausbreitung wird dabei als Hochlagenenergiewert aus Kerbschlagbiegeversuchen definiert. Studien in der Vergangenheit zeigten nichtkonservative Bemessungsergebnisse für moderne Rohrleitungsstähle, denen mit entsprechenden Sicherheitsfaktoren begegnet wird.  In diesem Projekt wurden daher auf Basis umfangreicher, experimenteller Arbeiten in der Tieflage und bei RT schädigungsmechanische Modellierungsansätze entwickelt und parametrisiert. Die duktilen und spröden Schädigungsmodelle wurden durch Simulationen von Kerbschlagbiegeversuchen und Fallgewichtsversuchen nach Battelle verifiziert und dann zur Vorhersage des Rohrverhaltens angewandt. Dabei wurden im Fallgewichtsversuch nach Battelle erstmals Separations und das inverse Bruchverhalten simuliert. Auf Bauteilebene zeigten die Simulationen in Folge der Separations einen Anstieg der Rissausbreitungsgeschwindigkeit, in den Laborversuchen und im Rohr jedoch im Hinblick auf die Spaltbruchauslösung weniger kritische Spannungsverhältnisse im Bereich vor der Rissfront. Hinsichtlich des inversen Bruchverhaltens konnte geschlussfolgert werden, dass dieses in der Hochlage auf die Spannungsverhältnisse in den Laborproben zurückzuführen ist und im Rohr nicht zu erwarten ist. Parallel wurde ein gekoppeltes FSI Rohrmodell entwickelt, das die Abschätzung der Wechselwirkungen zwischen der Rissausbreitung in der Rohrwand, der Fluid- Dekompression im Inneren des Rohrs und der Erdhinterfüllung in Onshore-Anwendungen ermöglicht. Das drei-dimensionale FSI-Modell dient während der Simulation des Berstvorgangs zur Berechnung der Druckfelder im Inneren der Pipeline, die sich je nach Fluid stark unterscheiden. Im Vergleich zu Messungen aus Berstversuchen wurden zutreffende Vorhersagen erzielt und der Ansatz so für ein- und zweiphasige Erdgase und CO2-Gemische verifiziert.
Die erzielten Projektergebnisse unterstützen einen sicheren Umgang mit  höchstzähen Rohrleitungswerkstoffen und erweitern deren Einsatzspektrum. Basierend auf den numerischen Vorhersagen können bisweilen angewandte Korrelationen zwischen dem Materialverhalten auf Labor- und Bauteileben bewertet werden. Ferner stellen die schädigungsmechanischen und multi-physikalischen Modellkonzepte innovative Tools zur Auslegung anderer druckführender Komponenten dar.

Veröffentlichung:
Januar 2021

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. S. Münstermann, David Lenz, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. A. Nonn, V.Keim, M.Sc.