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Rissfortschritt in Pipelines

Quantitative Beschreibung des Zähigkeitseinflusses auf die Rissarresteigenschaften moderner Pipelinestähle.
  • Messung und schädigungsmechanische Simulation des duktilen (Hochlage) und spröden (Tieflage) Versagensverhaltens
  • Verifikation durch Simulation von Kerbschlagbiegeversuchen und Fallgewichtsversuchen nach Battelle
  • Abbildung von Separations und inversem Bruchverhalten in Laborversuchen und Vorhersage des Bauteilverhaltens
  • Entwicklung eines gekoppelten FSI-Rohrmodells zur Quantifizierung lastseitiger Einflüsse

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 seitens der europäischen Stahlindustrie Rohrleitungsstähle mit hervorragenden Zähigkeitseigenschaften entwickelt. Deren Potential kann bislang nicht vollumfänglich ausgenutzt werden, da bei der experimentellen Zähigkeitscharakterisierung in Kerbschlagbiegeversuchen und Fallgewichtsversuchen nach Battelle zum Ausschluss spröder Rissinitiierung Bruchphänomene auftreten, die herkömmliche Bemessungsverfahren in Frage stellen. Dies beschränkt das Anwendungsfeld der höchstzähen Stähle derzeit stark. Zu den Phänomenen zählen sog. Separations und das inverse Bruchverhalten, die beide dem spröden Versagensmechanismus zugeordnet wurden. 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 nicht-konservative Bemessungsergebnisse für moderne Rohrleitungsstähle. Aufgrund des ungewöhnlichen Verhaltens der höchstzähen Werkstoffe und den fehlenden Erfahrungswerten zur Deutung dieser, herrscht derzeit bei den Bemessungsingenieuren eine große Unsicherheit. Dieser wird mit Sicherheitsfaktoren begegnet. Dadurch werden die exzellenten Materialeigenschaften der höchstzähen Stähle, mögliche Steigerungen der Transportkapazität sowie Material- und Herstellungskosten verschwendet.

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Förderung

Das IGF-Vorhaben „Schädigungstoleranz dünnwandiger Strukturen“, IGF-Projekt Nr. 19038 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Laufzeit: 01.06.2017 – 30.11.2019

Fördervolumen: 201.000 €

Publikationen

Keim, V.; Paredes, M.; Nonn, A.; Münstermann, S.

FSI-simulation of ductile fracture propagation and arrest in pipelines: Comparison with existing data of full-scale burst tests Werkstoffsimulation Artikel

International Journal of Pressure Vessels and Piping, 182 , S. 104067, 2020, ISSN: 0308-0161.

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Keim, V.; Marx, P.; Nonn, A.; Münstermann, S.

Fluid-structure-interaction modeling of dynamic fracture propagation in pipelines transporting natural gases and CO2-mixtures Werkstoffsimulation Artikel

International Journal of Pressure Vessels and Piping, 175 , S. 103934, 2019, ISSN: 0308-0161.

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Keim, V.; Nonn, A.; Münstermann, S.

Application of the modified Bai-Wierzbicki model for the prediction of ductile fracture in pipelines Werkstoffsimulation Artikel

International Journal of Pressure Vessels and Piping, 171 , S. 104 - 116, 2019, ISSN: 0308-0161.

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Ansprechpartner

Der Fachbereich Werkstoffsimulation des TC-Neustadt a.d. Donau setzt im Rahmen des ICME auf Forschung an der Schnittstelle von Werkstoffen und Bauteilen.