13 Zentrale Universitätseinrichtungen
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/14
Browse
22 results
Search Results
Item Open Access Werkstoffmechanische Untersuchungen zu den Mechanismen des Vorbelastungseffekts(2002) Alsmann, Ulrich; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der experimentellen Untersuchung des WPS-Effekts wurden mehr als hundert Lastpfadversuche durchgeführt. Dabei wurden die Einflußparameter Werkstoffzähigkeit, Lastpfadverlauf sowie Probengröße variiert. Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: Der WPS-Effekt wurde bei allen drei untersuchten Werkstoffen trotz unterschiedlichster Zähigkeit in qualitativ ähnlicher Ausprägung beobachtet. Durch die experimentelle WPS-Simulation konnte die Gültigkeit des konservativen WPS-Prinzips: "keine Initiierung bei zeitlich streng monoton fallender Spannungsintensität, wenn die Rißspitze im Laufe der aktuell betrachteten Transiente eine vorangegangene warme Vorbelastung erfahren hat" bestätigt werden. Die Initiierung eines Bruches trat ausnahmslos erst ein, nachdem die Beanspruchung gesteigert wurde. Das erreichbare Beanspruchungsniveau beim Bruch wird in erster Linie durch die Höhe der Warmvorbelastung bestimmt. Als weitere Einflußgrößen auf die Höhe des WPS- Effekts wurden der Verlauf der Transiente, insbesondere der Grad der Entlastung nach dem Maximum sowie die Probengröße identifiziert. Bei WPS-Versuchen mit teilweiser oder totaler Entlastung (LPUCF, LUCF) wurden in der Regel geringere Versagensbeanspruchungen gemessen als dies bei Lastpfaden ohne Entlastung (LCF) der Fall war. Bei LUCF-Lastpfaden wird beim Bruch das Niveau der Warmvorbelastung nicht in jedem Fall wieder erreicht. Bei gleicher Warmvorbelastungshöhe und gleicher Kaltwiederbelastungstemperatur erreicht der LUCF-Lastpfad das geringste Beanspruchungsniveau beim Bruch und damit den am geringsten ausgeprägten WPS-Effekt. Ein weiterer Teil der Untersuchung befaßte sich mit den dem WPS-Effekt zugrunde liegenden Mechanismen. Durch experimentelle Untersuchung der Einzelmechanismen Rißspitzenabstumpfung und Werkstoffvordehnung hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Sprödbruchverhalten wurde gezeigt, daß der wesentlichste Beitrag zum WPS-Effekt aus einer günstigeren Spannungsverteilung im Vergleich mit nicht warmvorbelasteten Proben resultiert. Analytische Verfahren, die zur Bewertung der Rißspitzenbeanspruchung die gesamte thermomechanische Vorgeschichte der Warmvorbelastung berücksichtigen, sind in der Literatur seit einiger Zeit bekannt. Das bekannteste und bislang am besten überprüfte Verfahren in diesem Zusammenhang ist das Chell-Modell. Die Überprüfung des Chell-Modells anhand der experimentellen Ergebnisse zeigte, daß die Phänomenologie des WPS-Effekts vom Chell-Modell richtig beschrieben wird. Bei Anwendung innerhalb der Gültigkeitsgrenzen ergab sich auch quantitativ eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden. Insbesondere konnte gezeigt werden, daß bei Verwendung von "lower bound"-Bruchzähigkeitskennwerten mit Hilfe des Chell-Modells eine untere Abschätzung des zu erwartenden WPS-Effekts möglich ist. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit des WPS-Effekts in der Integritätsanalyse von RDB untersucht. Die bislang einzige quantitative Berücksichtigung des WPS-Effekts in Regelwerken (BS 7910) basiert auf dem Chell-Modell. In diesem Ansatz wird zur Abschätzung des WPS-Effekt eines beliebigen Lastpfads ein LUCF-Lastpfad als Referenz verwendet. Aufgrund des großen Einflußes der Entlastung auf die Höhe des WPS-Effekts beinhaltet diese Vorgehensweise ein hohes Maß an Konservativität. In einer hier vorgestellten Weiterentwicklung dieses Ansatzes wird dem realen Entlastungsverlauf Rechnung getragen. Als Referenzlastpfad wird in jedem Punkt der Transiente ein LPUCF- Lastpfad verwendet, dessen Entlastung dem Grad der Entlastung im betrachteten Punkt der Transiente entspricht. Die potentielle Wiederbelastbarkeit wird ebenfalls mit Hilfe des Chell-Modells ermittelt. Die vorgestellte Methode ermöglicht es, bei Notkühllastpfaden den Sicherheitsabstand gegen Initiierung unter Einbeziehung des WPS-Effekts besser quantitativ zu erfassen.Item Open Access Entwicklung eines Verfahrens zur Lebensdauervorhersage für Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen(2002) Issler, Stephan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Rotoren von Gasturbinen unterliegen im Betrieb komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Dabei steht bei der Lebensdauerberechnung von An- und Abfahrvorgängen die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe, kurz Schaufel-Scheibe-Verbindung, im Mittelpunkt des Interesses. Insbesondere in der Scheibe kommt es zu hohen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, die an den hochbelasteten Stellen zu elastisch-plastischen Wechselverformungen führen können. Für eine Lebensdauervorhersage sind die verfügbaren konventionellen Berechnungsansätze unbrauchbar, da die wesentlichen Einflüsse auf die Schädigung nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt werden. Ein Ausweg bietet sich in der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens auf der Basis von inelastischen FE-Analysen. Dabei werden komplexe Werkstoffmodelle benötigt, die das statische, zyklische und viskoplastische Werkstoffverhalten berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein derartiges fortschrittliches Berechnungskonzept zu entwickeln und durch LCF-Versuche an bauteilähnlichen Modellkörpern für Schaufel-Scheibe-Verbindungen zu verifizieren. Durch Vergleich der rechnerischen Vorhersagen mit Experimenten wurden die Berechnungskonzepte auf ihre Tauglichkeit hin überprüft. Dabei konnte mit dem Schädigungsparameter von Smith, Watson und Topper auf der Basis der größten Hauptspannung sowie der größten Hauptdehnung eine gute Übereinstimmung von rechnerischen Vorhersage und Experiment erzielt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine zutreffende Charakterisierung der Reibungsverhältnisse eine unabdingbare Voraussetzung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage von Schaufel-Scheibe-Verbindungen darstellt. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten und verifizierten Berechnungsverfahren ist es möglich, die Lebensdauer von Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen zuverlässig zu berechnen.Item Open Access Entwicklung eines Lebensdauerkonzeptes für Schaufel-Welle-Verbindungen stationärer Turbinen aus Nickelbasis- und 10 %-Chromlegierungen(2006) Rauch, Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Bereich von Gas- und Dampfturbinen sind die Rotoren, besonders während der Anfahr- und Abschaltphasen, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt zu elastisch-plastischen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, welche im Bereich der Schaufelanbindung an den Rotor deutlich ausgeprägt zu finden sind. Ziel dieser Arbeit war daher, ein Berechnungsverfahren auf Basis inelastischer Finite Elemente-Analysen bei betriebsnaher Beanspruchung zu entwickeln. Hierbei bestand die Neuerung für Gasturbinen aus Nickelbasislegierungen darin, dass der wechselseitige Einfluss benachbarter Schaufeln sowie die Thermoschutzschicht im Kontaktbereich zwischen Schaufel und Scheibe berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurde dieses Lebensdauerkonzept zur Anwendung auf martensitische 10 %-Chromstähle von Dampfturbinen erweitert. Dies ist insofern wichtig, da sich aufgrund des zyklisch ständig entfestigenden Werkstoffverhaltens kein stabiler Zustand berechnen und auswerten lässt. Zunächst wurde je eine Modellkörpergeometrie entwickelt, die die wesentlichen lokalen Beanspruchungen in realen Gas- bzw. Dampfturbinen richtig wiedergeben. Die Nachrechnung der an diesen Modellkörpern durchgeführten zyklischen Versuche wurde unter Anwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt und diente zur Verifikation des Lebensdauerkonzeptes. Dadurch wurde für die Gasturbinenkonfiguration ein stabiler Zustand erreicht, der mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper ausgewertet wurde. Entsprechend den Versuchsergebnissen konnte durch diese Berechnungsmethode gezeigt werden, dass die Beschichtung der Schaufelfüße keinen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung darstellt. Aufgrund der ständigen zyklischen Entfestigung bis zum Anriss und der stärkeren Kriechneigung des bei der Dampfturbine eingesetzten martensitischen Stahles X12CrMoWVNbN10-1-1 kann in zyklischen Finite Elemente-Berechnungen kein stabiler Zustand erreicht werden. Daher wurde die Weiterentwicklung des Lebensdauerkonzeptes für dieses Werkstoffverhalten erforderlich. Unter Ausnutzung eines im viskoplastischen Stoffgesetz implementierten Ermüdungsschädigungsparameters und dessen Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Grenzwert, konnte die Anrisslastwechselzahl von typischen Dampfturbinenwerkstoffen vorhergesagt werden. Der Vergleich mit derzeit eingesetzten Auslegungsmethoden zeigt, dass das entwickelte Lebensdauerkonzept eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit unter betriebsnaher Beanspruchung von Turbinen bietet.Item Open Access Untersuchung von GFK-Bauteilen mit akustischen Verfahren am Beispiel der Rotorblätter von Windenergieanlagen(2010) Jüngert, Anne; Große, Christian (Prof. Dr.-Ing.)Im Hinblick auf den Klimawandel und die endlichen Reserven fossiler Rohstoffe kombiniert mit der wachsenden Energienachfrage, gewinnt die Nutzung erneuerbarer Energien an Bedeutung. Die Europäische Union hat beschlossen, die Treibhausgase um 20 Prozent zu reduzieren und den Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch bis 2020 auf 20 Prozent zu erhöhen. In Deutschland und Mitteleuropa wird vor allem die Windenergienutzung eine große Rolle spielen. Die Nutzung der Windenergie hat eine lange Tradition. Windkraft wird zum segeln, Wasser pumpen und Korn malen seit Jahrhunderten verwendet. Die ersten Windmühlen zur Stromerzeugung wurden im 19. Jahrhundert gebaut. Moderne Windkraftanlagen nutzen den Auftrieb um Windenergie in elektrische Energie umzuwandeln und existieren seit dem frühen 20. Jahrhundert. Üblicherweise haben moderne Windenergieanlagen drei aerodynamisch geformte Rotorblätter. Windenergieanlagen sind großen Kräften ausgesetz. Verschleiß tritt an Maschinenteilen, der Gondel, dem Turm und den Rotorblättern auf. Alle diese Teile müssen regelmäßig überprüft werden. Obwohl Unfälle an Windkraftanlagen sehr selten sind, ist immer ein großer finanzieller Schaden damit verbunden. Um Ausfallzeiten zu verringern, ist der Einsatz moderner Prüftechniken sinnvoll. Rotorblätter von Windkraftanlagen bestehen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und Leichtbaumaterialien wie Kunststoffschäumen oder Holz. Sie werden alle zwei bis vier Jahren von Sachverständigen begutachtet. Diese Untersuchungen sind auf Sichtprüfungen und einfache Klopfprüfungen beschränkt. Mit zerstörungsfreien Prüfmethoden können Schädigungen in den Rotorblättern bereits in einem frühen Stadium erkannt werden. Zerstörungsfreie Prüfungen an GFK sind in der Luft- und Raumfahrttechnik gängige Praxis. Leider können etablierte Techniken nicht unmittelbar auf die Nutzung an Rotorblättern übertragen werden. Darüber hinaus sind Schäden in Rotorblättern andersartig. Rotorblätter werden in Halbschalenbauweise gefertigt. Die Verklebungsbereiche sind sicherheitsrelevant und können nicht visuell von außen geprüft werden. Darüber hinaus können Delaminationen der unterschiedlichen Schichten im gesamten Blatt durch Erosion oder durch Ausbreitung von Vorschädigungen auftreten. In dieser Arbeit werden zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren vorgestellt, die Schall- und Ultraschallwellen verwenden. Das erste Verfahren ist das Ultraschall-Echo-Verfahren, das auch für die Schadensdetektion in Metallen oder Beton Anwendung findet. Der Einsatz an GFK erfordert spezielle Anpassungen. Aufgrund der Faserlagen werden die Ultraschallwellen im Material stark gestreut und gedämpft. Daher ist die Verwendung von niederfrequenten Ultraschallwandlern sinnvoll. Mit einem energiereichen Ultraschallimpuls können mehrere Zentimeter GFK durchdrungen und Schäden detektiert werden. Insbesondere die Verklebungen können mit diesem Verfahren geprüft werden. In dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen verschiedenen Ultraschallsensoren aufgezeigt. Ein trockener Ankopplung der Sensoren ist ein Vorteil beim Einsatz an Rotorblättern von Windenergieanlagen.Der Energieverlust durch eine trockenen Ankopplung im Vergleich zur Nassankopplungen wird in dieser Arbeit quantifiziert. Das Ultraschall-Echo-Verfahren wird an Rotorblattprobestücken und an einem kompletten Rotorblatt angewandt. Es wird deutlich, dass die Verklebungsbereiche detektiert und bewertet werden können. Schließlich wird das Messsystem mit einem automatisierten Prüfsystem verknüpft. Zur Detektion von oberflächennahen Delaminationen und Luftblasen wurde ein zweites Verfahren angewandt. Aus einfachen Klopfprüfungen wurde die sogenannte lokale Resonanzspektroskopie weiterentwickelt. Mit einem instrumentierten Impulshammer wird die Oberfläche abgeklopft und der erzeugte Klang mit einem Mikrofon aufgezeichnet. Aufgrund der Anregung beginnt die Struktur zu schwingen und ein Klang wird erzeugt. Dieser Klang hängt von der Kontaktsteifigkeit zwischen der Struktur und den Hammer ab. Eine Materialänderung bewirkt eine Änderung in der Kontaktsteifigkeit und somit eine Veränderung des erzeugten Klangs. Die Änderung kann über das Frequenzspektren der Mikrofondaten dargestellt werden. Darüberhinaus ist es möglich, die Anregungskraft und -dauer des Hammer auf der Oberfläche aufzeichnen. Eine Änderung der Kontaktsteifigkeit, bewirkt auch eine Änderung der Kontaktzeit. Dies liefert zusätzliche Informationen über den Zustand des Materials. Das Verahren ist sehr einfach anzuwenden und das Messystem ist klein, so dass es von Experten, auch beim Abseilen von der Rotornabe mitgeführt werden kann. Beide Verfahren werden verglichen und die Stärken und Schwächen werden in dieser Arbeit diskutiert. Abschließend wird ein Ausblick zur weiteren Verwendung der Verfahern, sowohl manuell als auch automatisiert, gegeben.Item Open Access Auswirkungen eines dreiachsigen Spannungszustandes auf das Verformungsverhalten und das Rissinitiierungsverhalten von Gruppenfehlstellen(2004) Weichert, Christina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Während des Erstarrungsprozesses von großen Schmiedestücken ist die Entstehung von Fehlstellen (nichtmetallische Einschlüsse) und Inhomogenitäten nicht vollständig vermeidbar. Daher ist es erforderlich, Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Fehlstellen zu erarbeiten. Zum Auffinden und zur Größenbestimmung der Fehlergrößen im Inneren der Schmiedestücke wird die Ultraschallprüfung angewandt. Zur Ermittlung von Oberflächenfehlern dient die Magnetpulverrissprüfung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Gruppenfehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Abhängigkeit der jeweiligen Fehlstellengrößen und des Fehlstellenabstandes, sowie die Erstellung eines Wechselwirkungskriteriums zur Charakterisierung und Bewertung der Fehlstellen. Neben der Nachauswertung der Kleinproben wurden experimentelle Untersuchungen an Großproben (70 mm Schaftdurchmesser) der Stähle 26NiCrMoV14-5 und 30CrMoNiV5-11 mit Gruppenanzeigen durchgeführt. Die Proben stammen von Ausschussschmiedestücken, die mittels moderner Erschmelzungstechnologie in den 90iger Jahren hergestellt wurden. Eine Probe wurde mehrachsig (Schleuderprobe), die übrigen wurden einachsig beansprucht. Parallel zu den Versuchen erfolgten zerstörungsfreie Prüfungen, die Aussagen über die Lage der Fehlstellen und den Beginn des Risswachstums ermöglichten. Nach Erreichen von signifikanten zerstörungsfreien Prüfsignalen wurden die Proben kalt (spröde) aufgebrochen und die Fehlstellen rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung der Fehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung sowie die Planimetrierung der Fehlstellengrößen und deren Risswachstum. Weiterhin wurden bruchmechanische Analysen durchgeführt und die durch die Fehlstellen verursachten Versagensvorgänge beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde zunächst eine einachsig beanspruchte fehlstellenbehaftete Probe betrachtet. An dem dreidimensionalen Modell wurden neben linearelastischen Simulationen auch Berechnungen unter Verwendung des Kriechgesetzes von Norton-Bailey durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt. Dabei wurden die Fehlstellen elliptisch angenähert. Zur Verifizierung dieser Näherung wurde in Anlehnung an eine bereits experimentell untersuchte Probe die wahre Fehlergeometrie modelliert. Erwartungsgemäß zeigte der Vergleich beider Rechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der wahren Fehlerform und der elliptischen Näherung. Daher wurden die Rechnungen mit der elliptischen Fehlergeometrie durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses des Fehlstellenabstandes wurden verschiedene dreidimensionale Rechnungen mit gleichen Fehlergrößen durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Fehlstellen variiert wurde. Hierzu war es erforderlich, für jede Rechnung ein neues Netz zu generieren. Da diese Rechnungen sehr aufwändig sind, wurden vereinfachend zweidimensionale Rechnungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die 3D-Rechnungen zu ähnlichen Ergebnissen wie die 2D-Rechnungen führen. Basierend auf diesem Resultat wurden weitere unterschiedliche Fehlstellengrößen und -abständen zweidimensional simuliert. Neben der Nachrechnung von fehlerbehafteten einachsig beanspruchten Proben, wurden auch mehrachsig beanspruchte fehlerfreie und fehlerbehaftete Proben untersucht. Die Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit wurde basierend auf dem Mehrachsigkeitsquotienten q durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei den Kriechrechnungen sowohl bei einachsiger als auch bei mehrachsiger Beanspruchung im Bereich der Fehlstellenränder eine signifikante Zunahme der Mehrachsigkeit. Während das Risseinleitungsverhalten bei einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung von dem Mehrachsigkeitsquotienten q unabhängig ist, wird dieser bei spontaner Risserweiterung beeinflusst. Ausgehend von diesen numerischen Analysen wurde eine Wechselwirkungsfunktion erstellt, welche den Grad der gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei benachbarten Fehlstellen beschreibt. Die Wechselwirkungsfunktion ist dabei von dem Fehlergrößenverhältnis und dem auf die größere Fehlerachse bezogenen Abstand abhängig. Durch Einbeziehung der experimentellen Ergebnisse konnte ein Wechselwirkungsbereich definiert werden. Innerhalb dieses Bereichs ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei in einer Ebene liegenden Fehlstellen zu rechnen. Weiterhin wurden die zur Anwendung des Wechselwirkungskriteriums an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gestellten Anforderungen erläutert. Aus den in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen und numerischen Finite-Elemente-Untersuchungen ist es nun möglich, das Verhalten von Gruppenfehlstellen zu charakterisieren und bruchmechanisch zu bewerten.Item Open Access Numerische Untersuchungen zur J-Integralerweiterung für elastisch-plastisches Material im Hinblick auf die Integrität des Reaktordruckbehälters(2002) Schimpfke, Thomas; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen dieser Arbeit wurden numerische Untersuchungen von Rissbeanspruchungsparametern durchgeführt, die im Gegensatz zum J-Integral auch bei Entlastung und Spannungsumlagerung nach einer Plastifizierung weg- und gebietsunabhängige Werte aufweisen. Betrachtet wurden die Parameter T* von Atluri und J* von Simo. Im Falle linear-elastischen Materialverhaltens sind beide Beanspruchungsgrößen identisch mit dem J-Integral. Für elastisch-plastisches Werkstoffverhalten stellen sie hinsichtlich der Weg- und Gebietsunabhängigkeit verallgemeinerte Parameter dar. Der Parameter T* entspricht gerade dem J-Integral für einen auf die Rissspitze schrumpfenden Integrationspfad. Der Parameter J* ist ebenfalls der Grenzwert für einen auf die Rissspitze schrumpfenden Integrationspfad, jedoch bleibt im Gegensatz zu T* der dissipative Anteil der Formänderungsarbeit im Integranden unberücksichtigt Mit der Methode der virtuellen Risserweiterung wurden die beide Parameter auf eine zur Programmierung geeignetere Form gebracht. Die Untersuchungen erstreckten sich über Nachrechnungen von WPS-Versuchen und Analysen von einem Reaktordruckbehälter bei Thermoschockbelastung. Insgesamt zeigten die durchgeführten Untersuchungen, dass die alleinige Überprüfung der Weg- und Gebietsunabhängigkeit noch keine einheitlichen Parameter gewährleistet. Erstreckt sich das Integrationsgebiet ”Integraler Parameter”, deren Integranden Ortsableitungen der Spannungs- oder Dehnungskomponenten enthalten, bis an die Rissspitze, so wirkt sich eine Änderung der Integrationsordnung oder der Vernetzung stark auf die berechneten Werte aus. Es war nicht möglich den theoretisch geforderten Grenzübergang an die Rissspitze durchzuführen. Um einheitliche Werte zu erhalten, musste eine 2x2 Integrationsordnung gewählt werden und der Korrekturtermbeitrag eines endlichen Gebietes unberücksichtigt bleiben. Die so ermittelten Parameterwerte waren dann nahezu netzunabhängig.Item Open Access Relaxationsverhalten von Rohrflanschen aus 9 % Chrom-Stahl(2003) Gengenbach, Thomas; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im modernen Kraftwerksbau sind Rohrflansche ein grundlegendes Funktionselement, um lösbare Verbindungen für Rohrleitungsabschnitte zu ermöglichen. Die Flanschverbindungen unterliegen jedoch einer hohen und äußerst komplexen Beanspruchung, die von den vorhandenen Berechnungsverfahren in den Normen nur bedingt berücksichtigt wird. Aufgrund dieser Beanspruchung sowie der hohen Temperatur wird die Dichtungskraft in der Flanschverbindung abgebaut, weshalb zum Dichthalten im Betrieb kostenintensive Revisionen für das Nachziehen der Schraubenbolzen erforderlich sind. Angesichts dieser Problematik besteht das Ziel der vorliegenden Arbeit darin, das experimentelle Relaxationsverhalten verschiedener Rohrflanschverbindungen aus 9 % Chrom-Stählen zu bestimmen. Darüber hinaus werden mit Hilfe von inelastischen FE-Analysen die Möglichkeiten einer numerischen Simulation als Hilfsmittel zur Berechnung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens und zur Optimierung von Revisionsintervallen überprüft. Zum Erreichen dieser Ziele wurden drei unterschiedliche Modellflanschverbindungen 10000 h bei 600 °C ohne Innendruck ausgelagert. Eine der Flanschverbindungen besitzt einen Dichtring und bei den beiden verbleibenden Flanschen ist ein Dichtabsatz angedreht. Während der Auslagerung erfolgten mit Hilfe von Hochtemperatur-Dehnmessstreifen (HTDMS) an verschiedenen Flanschpositionen Dehnungsmessungen. Nach 5000 h fand eine Revision statt, um zusätzliche Messungen wie zum Beispiel die Bestimmung der Restspannung in den Schraubenbolzen zu ermöglichen. Anschließend wurde eine zweite Auslagerung und nach 5000 h eine weitere Revision durchgeführt. Parallel zu den Auslagerungsexperimenten wurden Basischarakterisierungen der fünf verwendeten Werkstoffe vorgenommen sowie FE-Modelle der untersuchten Flanschverbindungen erstellt. Anschließend erfolgte eine Simulation des Relaxationsverhaltens der Flansche mit dem FE-Programm ANSYS 5.6. Das Ergebnis wurde auf seine Plausibilität hin überprüft und eine Sensitivitätsanalyse erstellt. Im Anschluss daran wurden die durchgeführten Rechnungen anhand eines Vergleichs von insgesamt 59 verschiedenen Versuchsergebnissen verifiziert, wobei sich diese Versuchsergebnisse jeweils aus der Mittelung mehrerer Einzelmessungen ergeben. Das Relaxationsverhalten der Flanschverbindungen ist durch die zum Einsatz kommenden Materialien mit stark unterschiedlichem Werkstoffverhalten sehr komplex. Insbesondere die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wirken sich erheblich auf das Flanschverhalten aus. Weiterhin tritt durch die gegenseitige Beeinflussung von Flansch, Schrauben und Dehnhülsen keine reine Relaxation auf, sondern eine kombinierte Beanspruchung aus Relaxation und Kriechen. Insgesamt lässt sich feststellen, dass in Anbetracht dieser Komplexität eine sehr gute Übereinstimmung der berechneten mit den experimentellen Ergebnissen erzielt werden konnte. Mit Hilfe der durch den Vergleich von Experiment und Rechnung verifizierten FE-Modellierung wurden in einem weiteren Schritt verschiedene Variationen der Randbedingungen (Vorspannung, Werkstoffparameter, Innendruck und geometrische Konstruktion) sowie Langzeitsimulationen von 100000 h durchgeführt. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit steht ein zuverlässiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem das langzeitige Relaxationsverhalten von Flanschverbindungen bestimmt werden kann. Es stellt ein geeignetes Hilfsmittel zur Auslegung von Rohrleitungsflanschen sowie zur Optimierung von Revisionsintervallen dar.Item Open Access Experimentelle und numerische Ermittlung der thermo-mechanischen Beanspruchung des Wurzelbereichs austenitischer Rundnähte(2001) Bonn, Ruthard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden Versuchsnähte an dünnwandigen austenitischen Rohren mit der Nennweite DN 250 erstellt. Während der Erstellung der Schweißnaht mittels der WIG-Orbital-Schweißtechnik wurden im Nahtbereich Temperaturen und Verformungen gemessen. Nach Fertigstellung der Schweißverbindung wurden die Schweißeigenspannungen auf der Rohrinnenoberfläche experimentell ermittelt. Die schweißbegleitenden Messungen lieferten eine breite Datenbasis zur Validierung von Berechnungsmodellen. Zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter schweißtypischer Beanspruchung wurden Werkstoffuntersuchungen bis zu einer Prüftemperatur von 1300°C durchgeführt. Auf der Basis der Werkstoffversuche wurde ein aus der Literatur bekanntes phänomenologisches Stoffgesetz zur Beschreibung von gemischter nichtlinearer kinematischer und isotroper Verfestigung modifiziert und in den FE-Code ABAQUS implementiert. Eine Finite Elemente Analyse der Versuchsschweißung zeigte, dass die thermische Beanspruchung der Nahtumgebung sowie die Verformungsmechanismen im nahtnahen Bereich numerisch sehr gut wiedergegeben werden können.Item Open Access Die schädigende Alkalireaktion von gebrochener Oberrhein-Gesteinskörnung im Beton(2004) Öttl, Christian; Reinhardt, Hans-Wolf (Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c.)Zwischen der löslichen Kieselsäure alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen und der alkalihaltigen Porenlösung des Betons kann es unter ungünstigen Bedingungen zu einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) kommen. In den Jahren 1997/98 sind auch Alkalischäden an Betonfahrbahndecken in einigen Gebieten des Oberrheingrabens aufgetreten. Unter "Oberrhein" wird die Region zwischen Basel und Karlsruhe verstanden. Etliche der mit Kies-Edelsplitt hergestellten Betonfahrbahnplatten mussten weit vor Ablauf ihrer vorgesehenen Nutzungsdauer erneuert werden. Bei der Verwendung von alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen haben sich Zemente mit einem niedrigen wirksamen Alkaligehalt, sogenannte NA-Zemente, zur sicheren Vermeidung von Schäden infolge von AKR seit langem bewährt. Allerdings ist der Einsatz von NA-Zement nicht für alle Anwendungen im Betonbau, wie beispielsweise den Betonstraßenbau, optimal geeignet. Zudem sind NA-Zemente aufgrund geologischer Rohstoffvorkommen regional nicht uneingeschränkt verfügbar und vergleichsweise teuer. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher festzustellen, ob gebrochenes Oberrheinmaterial nachweislich keine NA-Zemente zur Vermeidung von Schäden benötigt, und wenn ja, bis zu welchen maximalen Alkaligehalten sich Bauschäden dauerhaft vermeiden lassen. Berücksichtigt man zudem die Einwirkungen auf Betonstraßen, wie beispielsweise die äußere dynamische Belastung durch Verkehr oder die Alkalizufuhr von außen durch Tausalzeintrag, wird deutlich, dass zur sicheren Vermeidung von Betonschäden umfangreiche praxisorientierte Prüfungen notwendig sind, die in dieser Arbeit durchgeführt wurden. In die hier dargestellten Untersuchungen wurden verschiedene Zemente, u.a. ein im Einzugsgebiet des Oberrheins hergestellter Portlandschieferzement einbezogen. Vergleichend wurden neben den gebrochenen Gesteinskörnungen des Oberrheins auch alkaliempfindlicher norddeutscher Kiessand mit Opalsandstein und Flint und präkambrische Grauwacke verwendet. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Einbeziehung eines Schnelltests, der zur Ermittlung der Alkaliresistenz von Glasfasern entwickelt wurde. Ziel war dabei, die Verwendbarkeit dieses Tests als Bindemittelprüfung für Beton mit alkaliempfindlicher Gesteinskörnung aufzuzeigen. Hierbei galt es nachzuweisen, ob mit diesem Schnelltest eine Aussage über den potentiellen Angriff der Alkalien aus Bindemitteln getroffen werden kann und wie diese Testergebnisse im Hinblick auf eine mögliche Alkalireaktion im Beton gewertet werden können.Item Open Access Entstehung und Vermeidung von Rissen in Membranrohrwänden von Abhitzekesseln(2003) Langenstein, Magnus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)An den Kesselunterteilen der Abhitzekessel, die um 20° bis 30° gegenüber der Vertikalen geneigt sind, treten dabei unterschiedliche Schadensbilder und Schadenshäufigkeiten auf. Während im vorderen und hinteren Bereich der Abhitzekessel der erosive Verschleiß auf Grund der im Rauchgas mitgeführten Staubpartikel groß ist, treten ausschließlich im hinteren Bereich auch querorientierte Risse auf. Zum Aufbau eines deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells für diese Bereiche, unter Berücksichtigung des hohen Verschleißes und der Querrissbildungen, wurden in zwei deutschen Stahlwerken zahlreiche Temperaturmessungen mit Thermoelementen und einer Infrarotkamera durchgeführt. Die Messungen wurden im Stahlwerk A sowohl an glatten als auch an innenberippten Rohren mit rauchgasseitiger Beschichtung, auf der rauchgaszugewandten und der rauchgasabgewandten Seite durchgeführt. Dabei wurden Temperaturen auf dem rauchgaszugewandten Rohrscheitel von maximal 450°C und auf dem rauchgasabgewandten Rohrscheitel von bis zu 190°C gemessen. Die Analyse der Messergebnisse mittels Finit-Elemente Analysen ergab, dass sich die gemessenen Temperaturen nur bei Vorliegen einer Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre einstellen können. Die Temperaturmessungen im Stahlwerk B erfolgten auf der rauchgasabgewandten Seite ausschließlich an glatten Rohren ohne Beschichtung. Hierbei wurden maximale Rohrscheiteltemperaturen von 245°C gemessen. Auf Basis der Messergebnisse wurden Parameterstudien mittels Finiter Elemente (FE) Analysen durchgeführt. Mit den Ergebnissen aus den Parameterstudien ist es möglich, von den auf der rauchgasabgewandten Seite gemessenen Temperaturen auf die rauchgasseitigen Temperaturen zu schließen. Somit ist die Ermittlung der behinderten Wärmedehnung im Rohrquerschnitt und die Berechnung der Lebensdauer der Rohre möglich. Die Anwendung des abgeleiteten deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells auf die zwei unterschiedlichen Kesselunterteilausführungen ergibt, - dass die Lebensdauer beschichteter Rohre durch ein Versagen auf Grund von Querrissen begrenzt wird. - dass die festgestellten Risse und Risslängen der beschichteten Rohre mit theoretisch abgeleiteten Anrisslastwechselzahlen zur Bildung erster Anrisse nicht korreliert werden können. Nur unter der Annahme, dass Anrisse in der Beschichtung schon vor der ersten Inbetriebnahme vorliegen, können die metallographisch festgestellten Risstiefen mit dem Lebensdauermodell theoretisch ermittelt werden. - dass die Lebensdauer unbeschichteter Rohre durch den Verschleiß begrenzt wird. Zur Bestimmung der verfahrenstechnischen Einflussgrößen, die auf eine mögliche Dampfbildung und somit auf die Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre besonders großen Einfluss haben, wurden mit Hilfe eines thermodynamischen Berechnungsverfahrens, der sogenannten Prozessdatenvalidierung, zwei Parameterstudien durchgeführt. Für die Stahlwerke A Heißwasserteile konnte dabei der Kühlwassermassenstrom identifiziert werden. Hier sollte bei der Auslegung von Heißwasserteilen darauf geachtet werden, dass zur individuellen Einstellung des Kühlwassermassenstroms für das vordere und das hintere Kesselunterteil getrennte Speisewassereintrittssammler vorgesehen werden. Für die Stahlwerke B Kesselunterteile, die zur Dampferzeugung verwendet werden, konnten als verfahrenstechnisch wichtigste Einflussgrößen die Speisewassereintrittstemperatur und der Speisewasserdruck identifiziert werden. Die Speisewassertemperatur und der Speisewasserdruck ist so festzulegen, dass der Sättigungszustand, abhängig von der jeweils herrschenden Wärmestromdichte, unter keinen Umständen erreicht wird. Weitere, experimentell noch zu untersuchende konstruktive Lösungsansätze zur Vermeidung oder Verringerung der auftretenden Schäden sind: - Anbringen der Stege nicht wie bisher in der neutralen Phase, sondern anschweißen der Stege an die rauchgasabgewandten Rohrscheitel. Damit erhöht sich zum einen die Wärmeübertragungsfläche und zum anderen dürften die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel geringer werden. - Anbringung einer Isolierung auf der rauchgasabgewandten Seite. Damit besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel zu verringern. - Entwicklung einer Beschichtung, die den herrschenden Bedingungen standhält.
- «
- 1 (current)
- 2
- 3
- »