Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bimodales Zähigkeitsverhalten von höchstzähen Rohrleitungsstählen - skalenübergreifende Ursachenanalyse und angepasste Bewertungskonzepte

Die europäische Stahlindustrie hat in den vergangenen zehn Jahren beeindruckende Fortschritte im Bereich der Stähle für Großrohrleitungen erzielt. Kontinuierliche Reinheitsgradverbesserungen und maßgeschneiderte themomechanische Behandlungsmethoden haben zur Verfügbarkeit von Pipelinestählen geführt, für die im Kerbschlagbiegeversuch Hochlagenwerte von deutlich über 300 J ermittelt werden. Problematisch ist allerdings, dass es nicht zur Ausbildung konventioneller Übergangstemperaturkurven kommt. Stattdessen werden ausschließlich Werte der Hoch- oder der Tieflage ermittelt, wobei sich gleichzeitig ein etwa 60 K umfassender Temperaturbereich ausbildet, indem die einzelnen Versuchsereignisse entweder der Hoch- oder Tieflage zweifelsfrei zugeordnet werden können. Dieser Überschneidungsbereich liegt in vielen Fällen im Arbeitsbereich der Pipeline, sodass die Befürchtung besteht, dass es zu katastrophalen Sprödbruchereignissen kommen könnte.

Im Projekt werden auf Basis von numerischen und experimentellen Untersuchungen zunächst die mikroskopischen Mechanismen identifiziert, die zur Ausbildung dieses besonderen Zähigkeitsverhaltens führen. Auf Basis schädigungsmechanischer Untersuchungen wird anschließend systematisch untersucht, ob es trotz veränderter Spannungszustände und lokaler Dehnraten im Vergleich zur Kerbschlagbiegeprobe auch in Großrohren zur Ausbildung des digitalen Zähigkeitsverhaltens kommen kann und somit Sprödbruchereignisse befürchtet werden müssten.

Das Projekt beseitigt somit die Einsatzhindernisse für moderne höchstzähe Pipelinestähle aus europäischer Produktion und ermöglicht wirtschaftlichen Leichtbau. Gleichzeitig profitieren kleine Ingenieurbüros vom Projekt durch die Bereitstellung angepasster Bewertungsmethoden, die für den Sicherheitsnachweis von Rohrleitungen aus diesen modernen Stählen unbedingt benötigt werden und erheblich über die Standard-Bemessungswerkzeuge hinausgehen.

Volkswirtschaftlich ist das Projekt von hohem Nutzen, da derzeit durch Dumpingpreise im asiatischen Raum kaum Anreize für Leichtbaulösungen geschaffen werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein bainitischer Pipelinewerkstoff, welche ein gestauchtes Zähigkeitsverhalten aufweist, umfangreich charakterisiert. Titannitride (TiN) und Kalziumsulfide (CaS) wurden als rissinitiierende Gefügebestandteile sowohl für sprödes als auch duktiles Werkstoffversagen identifiziert. Anhand von Mikrostruktursimulationen konnte nachgewiesen werden, dass je nach Position, Größe und Verkippung des Einschlusses die lokalen Spannungs- und Dehnungskonzentrationen im Gefüge stark variieren. Die Entwicklung einer skalenübergreifenden Simulationsmethodik ermöglichte es anschließend, den Einfluss unterschiedlicher Einschlusskonfigurationen auf das Werkstoff- und Bauteilverhalten zu bewerten. Die in der Simulation von repräsentative Volumenelemente (RVE) abgeleiteten, mikrostrukturbezogenen Parametersätzen wurden im makroskopischen Schädigungsmodell genutzt, um das gestauchte Übergangsverhalten numerisch abgebildet Rohrleitungssimulationen durchzuführen. Ein Gefüge mit kritischem Einschluss führt zu sprödem Bauteilversagen und einer höheren Rissausbreitungsgeschwindigkeit, während ein Gefüge ohne kritischen Einschluss duktiles Bauteilversagen hervorruft.

Sowohl bei den Rohr- und Stahlherstellern kann der Ansatz verwendet werden, um einerseits bei der Aufklärung materialtechnischer Phänomene unterstützend mitzuwirken. Andererseits wird ermöglicht, virtuelle Experimente zum Design schädigungstoleranter Mikrostrukturen und zur Bestimmung von effektiven Werkstoff- und Bauteileigenschaften durchzuführen. Von diesem Fortschritt kann wiederrum der mittelständige Maschinen- und Anlagenbau profitieren. Auch kleine Ingenieursbüros können diesen Ansatz verwenden, um lokal wirkende Spannungs- und Dehnungskonzentrationen numerisch abzuschätzen. Basierend auf diesen Erkenntnissen können sowohl Lösungswege für Kunden aufgezeigt werden als auch Schadensanalysen durch mikrostrukturelle Simulationen ergänzt werden.