Theoretical and experimental investigations on integrity assessment of pipes and elbows

Abstract

Integrity assessment of piping components is very essential for safe and reliable operation of both conventional and nuclear power plants. It is especially important for nuclear power plants because the leak-before-break (LBB) concept, which involves detailed integrity assessment of piping components, is now widely used to design the primary heat transport (PHT) system piping. There are various issues in the integrity assessment of piping components that are unresolved or not fully resolved and require experimental/analytical investigation. These issues have been investigated in detail in this work. The overall aim of these investigations is to define improved fracture assessment methods in order to better quantify the safety and integrity assessment of piping components and thus allow an optimised and economical operation of piping systems. This overall aim is achieved by doing the following analytical and experimental work : New closed-form collapse moment equations of defect-free elbows subjected to combined internal pressure and bending moment have been proposed. New limit load based basic general expression of 'hpl' and 'g' have been proposed to evaluate JR -curve from test results of load-deflection and load-crack growth data. The implication of these new basic equations is that for any new specimen geometry and loading condition for which limit load formula is available, specimen/component JR-curve can be obtained from test data. The effect of deformation on the unloading compliance correlation has been investigated for accurate measurement crack growth during JR-tests. It has been shown that deformation of pipe significantly changes the compliance correlation and must be accounted for. However, it has also been shown that this effect is not so significant for the commonly used ASTM three point bend (TPB) specimen. In the experimental work, fracture tests have been carried out on full size (200 - 400 mm diameter) pipes and elbows with through wall circumferential cracks. Load, load-line-displacement and crack growth have been measured during these experiments. From these data, component JR-curves have been evaluated using the newly developed 'hpl' and 'g' functions. Tensile tests have been carried out on small tensile samples machined from these tested pipes to evaluate the pipe/elbow material tensile properties. Small TPB specimens have also been machined from these tested pipes to conduct fracture tests and evaluate the small specimen JR-curve. With elastic-plastic finite element analyses, the stress triaxiality ahead of crack tip has been evaluated on these tested specimens and components. It has been shown that if stress triaxialities of specimen and component match within a certain distance ahead of the crack tip, small laboratory specimen JR-curve can be transferred to full size components. Based on these studies, the improved integrity assessment procedures of pipes and elbows have been proposed, which may be a reliable basis for leak-before-break (LBB) analysis.

Die Integritätsbewertung von Rohrleitungskomponenten ist für den sicheren und zuverlässigen Betrieb sowohl von konventionellen als auch von nuklearen Kraftwerken sehr wesentlich. Für Kernkraftwerke ist es besonders wichtig, weil das Leck-vor-Bruch Konzept, das detaillierte Integritätsbewertungen von Rohrkomponenten beinhaltet, bei der Auslegung von Primärkreisrohrleitungen angewendet werden kann. Verschiedene Fragen in der Integritätsbewertung von Rohrkomponenten, sind ungelöst oder nicht vollständig gelöst und erfordern deshalb experimentelle und analytische Untersuchungen. Diesen Fragen wurde in der vorliegenden Dissertation detailliert nachgegangen. Das Hauptziel der Untersuchungen war es, eine verbesserte bruchmechanische Bewertungsmethode für eine verbesserte quantitative Sicherheits- und Integritätsbewertung von Rohrkomponenten abzuleiten. Damit ist ein optimierter, wirtschaftlicher Betrieb von Rohrsystemen möglich.

Dieses Hauptziel wird durch folgende analytische und experimentelle Arbeiten erreicht: Herleitung eines geschlossenen analytischen Kollapsmomentes für nicht angerissene Rohrbogen unter Innendruck- und Biegemomentbelastung. Neue 'hpl' und 'g' Funktionen basierend auf Grenzlastgleichungen zur Bestimmung von JR-Kurven aus Versuchsergebnissen, insbesondere aus der Lastverlängerungs- und Last-Risswachstumscharakteristik.

Der Einfluss der Verformung auf die Steifigkeit wurde untersucht, um genauere Messungen des Risswachstum zu erhalten und damit verbesserte JR-Kurven.

Es zeigte sich, dass Verformungen die Steifigkeit wesentlich verändern und deshalb beachtet werden müssen. Allerdings zeigte sich auch, dass dieser Effekt im Falle von ASTM Dreipunktbiegeproben nicht so wesentlich ist. Bei der experimentellen Arbeit wurden Bruchtests an Rohrleitungen und Rohrbogen (Durchmesser: 200 - 400 mm) mit wanddurchdringenden Rissen durchgeführt. Belastung, Last-Verlängerung und Risswachstum wurden während dieser Experimente gemessen. Die JR-Kurven dieser Bauteile wurden anhand der neu entwickelten 'hpl'- und 'g'- Funktionen aus den experimentellen Werten ermittelt. Mittels Zugversuchen wurden die Werkstoffkennwerte des Rohr- und Rohrbogenwerkstoffs ermittelt. An kleinen Dreipunktbiegeproben wurden ebenfalls Bruchmechanikversuche durchgeführt und die JR-Kurven bestimmt.

Mit elastisch-plastischen Finite Elemente Analysen wurde die Mehrachsigkeit des Spannungszustandes der Proben und Komponenten im Ligament ausgewertet. Es zeigte sich, dass die JR-Kurven kleiner Laborproben auf reale Bauteile übertragen werden können, wenn die Mehrachsigkeit über bestimmte Bereiche des Ligaments von Proben und Komponente übereinstimmen.

Auf der Grundlage dieser Untersuchungen gelang es, die Integritätsanalyse von Rohrleitungen und Rohrbogen zu verbessern. Damit auch ist die Basis für optimierte Leck-vor-Bruch Analysen vorhanden.