Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Quantitative Beschreibung des Zähigkeitseinflusses auf die Rissarresteigenschaften moderner Pipelinestähle

Der Widerstand gegen langlaufende Risse unter Gewährleistung von Rissarrest stellt eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen an gastransportierende Rohrleitungen dar. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden seitens der europäischen Stahlindustrie Rohrleitungsstähle mit hervorragenden Zähigkeitseigenschaften entwickelt. Allerdings kann das Potential dieser modernen und höchstzähen Werkstoffe bislang nicht ausgenutzt werden. Dies liegt daran, dass bei der Zähigkeitscharakterisierung Phänomene beobachtet werden, die bei Stählen moderater Zähigkeit noch unbekannt sind. Hierbei handelt es sich einerseits um Bruchflächenaufreißungen und andererseits um inverses Bruchverhalten. Aufgrund des ungewöhnlichen Verhaltens der höchstzähen Werkstoffe einerseits und den fehlenden Erfahrungswerten im Umgang mit diesen Stählen andererseits herrscht derzeit bei den Bemessungsingenieuren eine große Unsicherheit. Da diesem Sachverhalt konservativ begegnet wird, ist die Ausnutzung des Leichtbaupotenzials von höchstzähen Stählen derzeit nicht möglich.

Das hier beantragte Projekt hat zum Ziel, dieser Ungleichbehandlung der modernen höchstzähen Rohrleitungsstähle entgegenzutreten. Hierzu soll in einem ersten Schritt aufgezeigt werden, dass sowohl das inverse Bruchverhalten als auch die Bruchflächenaufreißungen durch schädigungsmechanische Modellierungsansätze abgebildet werden können. Anschließend soll die Frage beantwortet werden, wie relevant diese Phänomene für den Anwendungsfall „druckführende Rohrleitung“ sind. Im zweiten Schritt wird deshalb auf Basis von Bauteilsimulationen überprüft, inwiefern inverses Bruchverhalten und Bruchflächenaufreißungen sich auf das Rissarrestvermögen auswirken. Die aus beiden Schritten erzielten Ergebnisse können insbesondere von kleinen und mittelständischen Ingenieurbüros dazu eingesetzt werden, um auf den konkreten Anwendungsfall abgestimmte Zähigkeitsanforderungen zur Vermeidung von langlaufenden Rissen zu definieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden auf Basis umfangreicher, experimenteller Arbeiten in der Tieflage und bei Raumtemperatur schädigungsmechanische Modellierungsansätze entwickelt und parametrisiert. Die duktilen und spröden Schädigungsmodelle wurden durch Simulationen von Kerbschlagbiege- und Fallgewichtsversuchen nach Battelle verifiziert und dann zur Vorhersage des Rohrverhaltens angewandt. Dabei wurden in den Simulationen des Fallgewichtsversuchs erstmals Separations und das inverse Bruchverhalten wiedergegeben Auf Bauteilebene zeigten die Rohrsimulationen in Folge der Separations einen Anstieg der Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Im Hinblick auf die Spaltbruchauslösung konnten aufgrund der Separations weniger kritische Spannungszustände im Bereich vor der Rissfront festgestellt werden. Hinsichtlich des inversen Bruchverhaltens konnte der Schluss gezogen werden, dass dies auf die Spannungsverhältnisse in den Laborproben in der Hochlage zurückzuführen 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 ermöglicht. Das 3D FSI-Modell dient zur Berechnung der Druckfelder im Inneren der Pipeline während der Simulation des Berstvorgangs, die sich je nach Fluid stark unterscheiden. Basierend aufzutreffenden Vorhersagen im Vergleich zu Messungen aus Berstversuchen konnte das entwickelte FSI Modell verifiziert werden.

Die erzielten Projektergebnisse wirken der herrschenden Unsicherheit im Umgang mit höchstzähen Rohrleitungswerkstoffen entgegen und erweitern so deren Einsatzspektrum. Basierend auf den numerischen Vorhersagen können bisweilen angewandte Korrelationen zwischen dem Materialverhalten auf Labor- und Bauteileben bewertet werden. Ferner stellen die entwickelten Modellkonzepte innovative Tools zur Auslegung anderer druckführender Komponenten dar.