Verhalten dünnwandiger austenitischer Rohre bei Wasserstoff-Sauerstoff-Detonation

Abstract

Beim Auftreten oder bei der Verwendung von Wasserstoff in sauerstoffhaltiger Umgebung ist eines der Hauptrisiken dessen leichte Entzündbarkeit, wobei die Gasreaktionen mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gasdruckentwicklungen ablaufen. In der Folge können zum Beispiel in druckführenden Komponenten technischer Anlagen extreme mechanische und auch thermische Belastungen auftreten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der sicherheitstechnischen Bewertung austenitischer Rohrleitungen unter Beanspruchung durch Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionen. Derzeit bekannte Ansätze für die Auslegung von Rohrleitungen unter derartigen Belastungsszenarien sind entweder auf rein elastische Rohrreaktionen beschränkt oder aber sie berücksichtigen die gasdynamischen Vorgänge nicht in ausreichendem Maße. Neben der genauen Kenntnis der vielfältigen komplexen Belastungsgrößen und deren Wechselwirkung mit der Struktur ist aber auch das Verständnis des Materialverhaltens und der Bruchmechanismen der Komponentenstruktur unter den auftretenden Beanspruchungsgeschwindigkeiten- und -temperaturen von zentraler Bedeutung. Zur Beschreibung der Vorgänge wurden von Stadtmüller und Offermanns durchgeführte Detonationsversuche herangezogen. Ziel dieser Versuche war die Untersuchung von Detonationsvorgängen in Deckelsprühleitungen von Siedewasserreaktoren. Die Versuche wurden daher an für diese Anwendung relevanten austenitischen Rohren (Werkstoffnummer 1.4541) mit den nominalen Abmessungen Da x s = (114,30 x 6,02) mm durchgeführt. Die Untersuchungen wurden im Rahmen dieser Arbeit durch weitere Versuche mit identischem Außendurchmesser, aber veränderter Wanddicke ergänzt. Die Auswertung der Versuche hat ergeben, dass geringere Mengen an reaktionsfähigem Gas zu einer heftigeren Rohrreaktion führen können als es bei höheren Mengen der Fall ist. Diese Beobachtung kann auf den Einfluss der so genannten überkomprimierten Detonation zurückgeführt werden. Von einer überkomprimierten Detonation spricht man, wenn die mit Unterschallgeschwindigkeit ablaufende deflagrative Verbrennung vor ihrer Flammenfront Frischgas vorkomprimiert und der Umschlag in eine Detonation (DDT) innerhalb dieser vorkomprimierten Zone stattfindet. Die Deflagrationsstrecke wird mit abnehmender Konzentration reaktionsfähiger Gase länger, so dass die Vorkompression zunimmt. Dies hat zur Folge, dass am Umschlagpunkt zur Detonation höhere Druckspitzen und Dehnraten auftreten, als bei einer höheren Gaskonzentration. Die Analyse der Bruchstücke hat ergeben, dass es, abhängig von Gasmischung und Rohrwanddicke, zur Ausbildung so genannter adiabatischer Scherbänder kommen kann. Adiabatische Scherbänder sind sehr schmale Zonen, in denen es zu intensiv lokalisierten Scherdeformationen kommt. Zurückzuführen ist diese Lokalisierung auf die Umwandlung eines erheblichen Teils der Formänderungsarbeit in Wärme. Da der Vorgang bei hoher Belastungsgeschwindigkeit weitgehend adiabat abläuft, d. h. die Zeit für eine Diffusion der Wärme nicht ausreicht, kommt es zu einer thermischen Entfestigung welche schließlich die Kaltverfestigung überschreitet. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde ein Schädigungsmodell verwendet, das die Werkstoffschädigung über einen weiten Bereich verschiedener Spannungszustände abbilden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Schädigung des Untersuchungswerkstoffs in starkem Maße auch vom Lode-Winkel beeinflusst wird. Dieser Umstand wurde in einem vereinfachten Ansatz berücksichtigt. Durch Kleinprobenversuche wurde die kritische Dehnung in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit und Lode-Winkel bestimmt. Es erfolgte eine numerisch gestützte Auswahl geeigneter Probenformen und die Festsetzung entsprechender Versuchsanordnungen. Zur konstitutiven Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter den auftretenden Beanspruchungsgeschwindigkeiten- und -temperaturen wurden geeignete Materialmodelle ausgewählt. Die erforderlichen Parameter wurden experimentell durch Kleinprobenzug- und Druckversuche evaluiert und numerisch verifiziert. Mit Hilfe der konstitutiven Werkstoffbeschreibung und des Schädigungsmodells wurden numerische Simulationen der Detonationsversuche durchgeführt. Die räumlichen und zeitlichen Druckverläufe wurden am Institut für Kern- und Energietechnik am Karlsruher Institut für Technologie numerisch ermittelt, gelten jedoch nur für unnachgiebige Rohrleitungen. Zur Berücksichtigung der Interaktion mit den stark plastifizierenden Rohren aus [1] wurde ein einfacher Korrekturansatz über die Isentropenbeziehung des Gases herangezogen. Die Simulationen der Detonationsversuche haben ergeben, dass im Bereich der stabilen Detonation die plastische Verformung gegenüber dem Experiment überschätzt wird. Diese Beobachtung ist vermutlich hauptsächlich vereinfachten Annahmen bei der Gas-Strukturinteraktion geschuldet. Beispielsweise wird bei dem verwendeten Ansatz sowohl der axiale Druckausgleich als auch die radiale Strömung während der Rohraufweitung vernachlässigt. Eine direkte Kopplung der verwendeten gas- und strukturmechanischen Berechnungsmethoden könnte hier zu einer Verbesserung führen. Weiterhin konnte das Versagen von Rohren infolge der Ausbildung adiabatischer Scherbänder in befriedigender Übereinstimmung mit dem Experiment simuliert werden.