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Item Open Access Auslegung und Optimierung von Flanschverbindungen mit SMC-Losflanschen und PTFE-Dichtungen(2014) Kurz, Hariolf; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Die Anforderungen an Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Hinblick auf die Dichtheit, die Medienbeständigkeit und die Betriebssicherheit in den letzten Jahren gestiegen. Dennoch müssen die Betreiber chemischer Anlagen mit Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Losflanschen aus sheet-molding-compound (SMC) diese nachweislich sicher betreiben. Die Motivation zu dieser Arbeit liegt darin, dieses Bestreben mit der Auswahl von geeigneten PTFE-Dichtungen und mit der Untersuchung und Optimierung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche sowie ihrer analytischen Berechnung zu unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst. • Optimierung der Dichtungen In diesem Themenbereich wurden neun verschiedene Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und zwei Gummidichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in GFK-Flanschverbindungen untersucht. Die Basis der Untersuchungen bildeten die Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555, welche unter reduzierten Anfangspressungen im Leckage- und Stauchversuch und bei niedrigerer Steifigkeit und verlängerter Versuchsdauer im Kriechrelaxationsversuch ermittelt wurden. Vier PTFE-Dichtungen stellten sich im Leckageversuch als besonders geeignet heraus. An diesen wurden zusätzlich Untersuchungen zum Rückfeder- und Kriechrelaxationsverhalten durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Dichtungsprüfung sind zum einen, dass das Leckageratenkriterium der TA Luft mit 0,01 mbar•l/(s•m) bei 40 bar Helium von einigen PTFE-Dichtungen auch bei den in GFK-Flanschverbindungen typischen Flächenpressungen unterhalb 10 MPa eingehalten werden kann. Zum anderen entspricht das Rückfederverhalten der PTFE-Dichtungen dem der Gummidichtungen und die Kriechrelaxation der PTFE-Dichtungen unter den Bedingungen in GFK-Flanschverbindungen ist mit etwa 80% verbleibender Flächenpressung im Betrieb akzeptabel. Der Verlust der Vorspannkraft der Flanschverbindung im Betrieb resultiert maßgeblich aus der Kriechrelaxation der GFK-Flansche. Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen werden von den Dichtungsherstellern verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Variation der Dichtungsgeometrie, welche das Abdichtverhalten verbessern. Um die Auswirkungen dieser Modifikationen rechnerisch erfassen zu können, wurde ein zweistufiges numerisches Konzept entwickelt, welches die Durchlässigkeit der Dichtung mit einem Transportansatz beschreibt. Dafür wird im ersten Schritt in einer Finite-Elemente-Simulation die Flächenpressungsverteilung der Dichtung bestimmt. Die lokale Dichtheit kann mit dem Leckageversuch nach DIN EN 13555 bestimmt und in einem zweiten Schritt der in Finite Elemente diskretisierten Dichtung örtlich zugewiesen werden. Die Lösung des Transportproblems führt zur Druckverteilung innerhalb der Dichtung und zur globalen Leckagerate der optimierten Dichtung. Diese Vorgehensweise liefert im Vergleich zu den gemessenen Druckprofilen innerhalb unter-schiedlich verpresster Dichtungen und für die globale Leckagerate einer vorverpressten PTFE-Dichtung konsistente Werte. Dem entsprechend konnte die Reduktion der Leckagerate einer durch Vorverpressen optimierten PTFE-Flachdichtung um den Faktor 3000 korrekt vorhergesagt werden. Die Methodik ermöglicht ebenfalls eine realistische Bewertung der Dichtheit von Flansch-verbindungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit dem Ergebnis, dass in der Regel die zur Einhaltung der Dichtheit benötigten Mindestwerte der Schraubenkräfte im Vergleich zur herkömmlichen Bewertung der Dichtheit mit der mittleren Flächenpressung der Dichtung geringer werden. • Optimierung der Flansche Zunächst wurde der fertigungsbedingte Lagenaufbau und die damit verbundenen Werkstoffeigen-schaften der SMC-Losflansche bestimmt. Es handelt sich um eine unregelmäßige Verteilung eines transversal isotropen Lagenaufbaus. Dies wurde durch die Untersuchung der Mikrostruktur verdeutlicht, wobei festgestellt wurde, dass innerhalb der Flansche neben den eingeschlossenen Luftblasen auch die Matrix zwischen den Fasern von mikroskopischen Lufteinschlüssen durchsetzt ist. Aus diesem Grund weichen die Elastizitätskonstanten aus der theoretischen Herleitung deutlich von den gemessenen Werten an Bauteilausschnitten ab. Die Untersuchung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche wurde in einem Stauchversuch durchgeführt. Der Unterschied zur genormten Vorgehensweise nach DIN EN 16966 Teil 7 besteht darin, dass die Last kontinuierlich bis zum Bauteilversagen aufgebracht und dabei die axiale Verformung des Losflansches aufgezeichnet wird. Die Auswertung des Stauchverhaltens liefert als Ergebnis die maximale Traglast und die Steifigkeit der Losflansche. Beide Werte sind zur Bestimmung der Qualität einer Flanschverbindung von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich werden mögliche Schwächen im Bauteil, welche zu vorzeitigem Versagen führen, erkannt. Dies ermöglicht dem Hersteller, beispielsweise durch die Variation des Lagenaufbaus oder des Matrixwerkstoffes, die Eigenschaften der Losflansche zu optimieren. Mit der messtechnischen Erfassung des Kriechrelaxationsverhaltens unter Temperatur in einem speziell dafür entwickelten Prüfstand wurde bestätigt, dass der Vorspannkraftverlust der Flanschverbindung im Betrieb maßgeblich durch die viskose Verformung der Flansche bedingt ist. Mit dem Ziel, den Lagenaufbau der SMC-Losflansche zu verbessern und die analytische Beschreibung der Losflansche zu verifizieren, wurde ein Finite-Elemente-Modell der Flanschverbindung erstellt. Darin wurden die an Bauteilausschnitten senkrecht und längs der SMC-Matten ermittelten anisotropen Elastizitätskonstanten, Festigkeits- und Kriecheigenschaften mittels geeigneter Werkstoffmodelle eingebunden. Der unregelmäßige Lagenaufbau wurde durch die Anpassung der Elementkoordinatensysteme an die an Schnitten visuell ermittelte Orientierung der SMC-Matten abgebildet. Die Bewertung der Ergebnisse der FE-Simulation mit der Festigkeits-hypothese nach Tsai-Wu bestätigt das verbesserte Tragverhalten eines Losflansches mit dem durch eine Fertigungsumstellung erzielten ebenen Lagenaufbau. Damit konnte die maximale Traglast des SMC-Losflansches um 50 % erhöht werden. Die Kriechrelaxation des SMC-Losflansches wird durch die Abbildung der an den Bauteilausschnitten ermittelten, richtungsabhängigen Kriechkurven mit dem von Hill modifizierten Kriechgesetz nach Graham-Walles beschrieben. Damit werden die gemessenen zeitlichen Verläufe der Schraubenkraft im Betrieb realistisch abgebildet. Die Vorhersage der im Vergleich zum bestehenden Losflansch geringfügig erhöhten Kriechrelaxation des Prototyps mit ebenem Lagenaufbau wird durch die Messung bestätigt. Insgesamt bedeutet die Erhöhung der zulässigen Schraubenkräfte bei Montage von 40 kN auf 60 kN eine deutliche Zunahme der Schraubenkraft im Betrieb, was die Betriebssicherheit erhöht und die Verwendung von PTFE-Dichtungen begünstigt. • Optimierung der Berechnungsmethode Mit den Erkenntnissen zur Beanspruchung von Losflanschen aus der messtechnischen Untersuchung der Flanschverbindung und aus der numerischen Simulation wurde ein analytisches Berechnungskonzept für den Losflansch entwickelt. Dieses berechnet die Beanspruchung in Umfangsrichtung aus dem Stülpmoment. Die Umfangsspannungen und die Verformung des Losflansches werden damit realistischer beschrieben als durch die bestehenden Regelwerke. Da das Berechnungskonzept ausschließlich die Spannung an der Losflanschoberseite zwischen den Schrauben abbildet, kann ein Bauteilversagen an anderer Stelle nicht erfasst werden. So muss bei der Auslegung differenziert nach der Lokalisierung des Versagens im Stauchversuch vorgegangen werden: - Losflansch versagt im Stauchversuch an der Flanschoberseite zwischen den Schrauben Das Berechnungskonzept ist anwendbar. Zur Berechnung der Flanschverbindung kann die analytische Beschreibung des Verhaltens von Losflanschen die bestehenden Regelwerken ersetzen. Mit dem zur Diskussion stehenden Wegfall der Werkstoffabminderungsfaktoren gemäß den Definitionen im AD 2000-Merkblatt führt die beschriebene Vorgehensweise zu höheren Schraubenkräften bei Montage und im Betrieb der Flanschverbindung. Dies bewirkt eine höhere Dichtheit und Betriebssicherheit von Anlagen mit GFK-Rohrleitungen. - Losflansch versagt an anderer Stelle Das Berechnungskonzept kann nicht angewendet werden. Alternativ können die maximale zulässige Schraubenkraft für Montage und im Betrieb sowie die Steifigkeiten im Stauchversuch ermittelt werden. Der Hersteller kann die sich im Stauchversuch offenbarenden Schwachstellen im Bauteil identifizieren und den Fertigungsprozess hinsichtlich des Tragverhaltens der Losflansche optimieren.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zur fertigungsbedingten Entstehung von Fehlern in Mischschweißverbindungen(2011) Schütt, Thorsten; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an einer Mischschweißverbindung die Parameter die zur Entstehung und Ausbildung von Ablösungen (Disbonding) zwischen ferritischem Grundwerkstoff und Pufferung führen können zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Festlegung der Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen wurden strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozesses, einerseits der Pufferung und andererseits der Festigkeitsnaht, für unterschiedliche Nahtgeometrien und Schweißparameter wie Flankenwinkel, Pufferungsdicke, Schweißnahtbreite, Zwischenlagentemperatur und Schweißfolge durchgeführt. Hieraus wurden die Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen abgeleitet, damit möglichst hohe mechanische Spannungen, d. h. Eigenspannungen, am Übergang von Pufferung zum ferritischen Grundwerkstoff auftreten und so das Entstehen von Ablösungen begünstigen. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Mischnaht aus dem ferritischen Werkstoff 22NiMoCr3-7 und dem austenitischen, niobstabilisierten Werkstoff X6CrNiNb18-10 durchgeführt. Die Pufferung und die Verbindungsnaht wurde mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox SAS 2R hergestellt. Zum Vergleich wurde eine weitere Mischschweißverbindung mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox NiCr70Nb ausgeführt. Für die Schweißung der Pufferungen wurde basierend auf Erfahrungen bei der Herstellung von Pufferungen für Mischschweißverbindungen und den Ergebnissen der FE-Analysen, Parameter bestimmt, die eine hohe Neigung zu Ablösungen zwischen Ferrit und Pufferung, also Disbonding, aufweisen. Ausgewählt wurden primär die Parameter, die zu hohen mechanischen Spannungen, d. h. Eigenspannungen, beim Erstarren des Schweißgutes führen. Mit den nach Abschluss der Schweißarbeiten durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen konnten allerdings keine Ablösungen detektiert werden. Die durchgeführten zerstörenden metallkundlichen und mechanisch-technologischen Prüfungen haben gezeigt, dass bei der austenitischen Nahtausführung Gefügebereiche mit inhomogenen Festigkeits- und Verformungseigenschaften aufgetreten sind. Diese unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften können die Bildung von Ablösungen begünstigen. Bei der mechanisch-technologischen Prüfung zeigten hierbei spezifisch entnommene Kerbschlagproben eine Bruchmorphologie, wie sie bereits bei disbondingbehafteten Mischschweißverbindungen festgestellt werden konnte. Im Anschluss an die experimentellen Untersuchungen wurden ergänzend zu den numerischen Vorausberechnungen zur Festlegung der Schweißparameter weiterführende, detailliertere strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozess (Schweißung der Pufferung und der Verbindungsnaht) der Mischschweißverbindung durchgeführt. Für die Nachrechnung wurden hierzu die Parameter des eingesetzten Materialmodells (Armstrong, Frederick und Chaboche (AFC) Modell) an die aktuellen Werkstoffeigenschaften angepasst. Hierzu wurden isotherme, zyklische Zugversuche sowie statische Zugversuche bei vier verschiedenen Temperaturen (RT, 500 °C, 800 °C, 1300 °C) durchgeführt. Darüber hinaus wurden anhand von Kurzzeitstandversuchen die Parameter für ein modifiziertes Graham-Walles Kriechgesetz bestimmt, das für die Simulation der Spannungsarmglühung der Pufferung verwendet wurde. Mit den so ermittelten Parametern haben sich nach der durchgeführten Schweißsimulation Eigenspannungen im Bereich des Interface ergeben, die für die Längsspannung Werte von bis zu 500 MPa erreichen. Die berechnete Längenänderung des Rohres aufgrund der Schweißung ergab einen Schrumpfbetrag des Rohres von ca. 7 mm. Der Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Befunden zeigte für den größten Teil der Parameter und der Schweißnähte eine gute Übereinstimmung. Mit der in dieser Arbeit weiterentwickelten Methodik zur Untersuchung und Bestimmung der werkstoffkundlichen und mechanischen Eigenschaften einer Mischschweißverbindung konnten somit die Einflussgrößen identifiziert werden, die zu Disbonding in Mischschweißverbindungen führen können. Unter Berücksichtigung der hierbei ermittelten Parameter kann ein mögliches Auftreten von Disbonding bei der Herstellung von Mischschweißverbindungen weitestgehend ausgeschlossen werden.Item Open Access A new approach to modelling friction stir welding using the CEL method(2013) Hoßfeld, Max; Roos, EberhardAlthough friction stir welding (FSW) has made its way to industrial application particularly in the last years, the FSW process, its influences and their strong interactions among themselves are still not thoroughly understood. This lack of understanding mainly arises from the adverse observability of the actual process with phenomena like material flow and deposition, large material deformations and thermomechanical interactions determining the mechanical properties of the weld. To close this gap an appropriate numerical model validated by experiments may be helpful. But because of the issues mentioned above most numerical techniques are not capable of modelling the FSW process. Therefore in this study a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach is used for modelling the whole FSW process. A coupled thermomechanical 3D FE model is developed with the CEL formulation given in the FE code ABAQUS® V6.12. Results for temperature fields, weld formation and the possibility of void formation are shown and validated.Item Open Access Fortgeschrittene Methoden zur Bewertung des schmelzenspezifischen Zeitstandbruchverhaltens von Werkstoffen des Kraftwerkbaus(2012) Frolova, Olga; Maile, Karl (Prof. Dr.-Ing. habil.)Bei Anlagen, die im Zeitstandbereich betrieben werden, wie z. B. Dampfkraftwerken stellt die Lebensdauerbewertung der hochbelasteten Hochtemperatur-Komponenten eine wichtige Aufgabenstellung dar. Sie steht im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit und damit der Wirtschaftlichkeit und dem Wirkungsgrad, es werden aber auch Aspekte der Betreiberverantwortung abgedeckt. Eine zentrale Problemstellung ist in diesem Kontext die zuverlässige Erfassung und Umsetzung der hierfür notwendigen spezifischen Materialeigenschaften. Im Vordergrund steht hierbei die Festigkeitseigenschaften, ganz besonders aber das zeitabhängige Verformungs- und Bruchverhalten der eingesetzten warmfesten Stähle. Die Festigkeitseigenschaften sind das Resultat wechselseitiger Beeinflussungen, d.h. mehrdimensionaler Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Elementen der chemischen Zusammensetzung, der Parameter der Wärmebehandlung und den Herstellbedingungen, d.h. der Erzeugnisform. Die herkömmlichen analytischen Methoden können die Auswirkung dieser Parameter auf den Kennwert, z. B. die Zeitstandbruchfestigkeit nicht ganzheitlich beschreiben. Die individuelle, d. h. schmelzenspezifische Zeitstandbruchfestigkeit kann nach dem Stand der Technik und Wissens daher zuverlässig nur über experimentelle Untersuchungen ermittelt werden. Aus der Literatur sind erfolgreiche Versuche bekannt, mit Hilfe von künstlichen Neuronalen Netzen (kNN) das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Eingangsgrößen wie chemische Zusammensetzung und Wärmebehandlung, zu simulieren. Die Modellierung mit kNN stellt damit eine Alternative zu den analytischen Methoden dar, da damit mehrdimensionale Zusammenhänge erfasst werden können. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel das Potenzial der Anwendung von kNN auf die Bestimmung von maßgebenden Eigenschaften ausgewählter warmfester Stähle zu ermitteln und zu bewerten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf die optimierte Vorhersage des Zeitstandbruchverhaltens und die Bestimmung der Position der spezifischen Schmelze in dem Streuband des jeweiligen Stahls unter Berücksichtigung aller technisch erfassbaren Parameter gesetzt. Ein wichtiger Ausgangspunkt einer Datenanalyse stellt die Datenbasis selbst dar. Mit der Wahl der Stähle P91, P92 und E911 wurden folgende Ziele erreicht: • die durchgeführten Zeitstandversuche, die die Datengrundlage bilden, entsprechen den Anforderungen der heute gültigen Qualitätsmaßstäben für die Versuchsdurchführung • es wurden Daten von modernen Stählen mit unterschiedlicher Zeitstandfestigkeit, aber vergleichbarer metallurgischen Grundstruktur verwendet • die vorhandenen Ergebnisse für den Stahl X20CrMoV12-1 können einbezogen werden. Vor Verwendung wurden die Daten auf ihre Konsistenz geprüft und in Ebenen mit unterschiedlichen Merkmalen aufgeteilt. Als Merkmale wurden die einzelnen Elemente der chemischen Zusammensetzung, die Parameter der Wärmebehandlung, mechanisch-technologische Kennwerte, die Zeitstandfestigkeit bzw. Zeitstandbruchzeit und der zugehörigen Versuchstemperatur, die Zeitstandbruchdehnung, Mikrostrukturparameter verwendet. Danach wurden mit einem Teil der Daten verschiedene Modelle des kNN trainiert, wobei folgende Zielgrößen verwendet wurden: Zeitstandfestigkeit, Zeitstandbruchzeit, Streckgrenze bei Raumtemperatur. Diese Modelle wurden mit den ermittelten unterschiedlichen Datenebenen trainiert. Das Vorhaben stellte erstmals die Modellierung mit dem kNN den Ergebnissen auf der Basis einer Multiplen Linearen Regressionsanalyse gegenüber. Dabei zeigte sich, dass das kNN ein besseres Korrelationsverhalten aufweist, weil es die mehrdimensionalen Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Elementen besser wiedergibt. Die Interpretationen des kNNs wurden dahingehend geprüft, ob die grundlegenden physikalischen und metallurgischen Hintergründe ausreichend reflektiert werden. Die Ergebnisse wurden mit den realen Materialverhalten verglichen und die Auswirkung bei der Lebensdaueranalyse quantifiziert. Hierzu wurde eine „künstliche“ Schmelze definiert, die den Mittelwert aller berücksichtigten Merkmale repräsentierte. Die Verifikation der Modelle mit der Zielgröße Zeitstandfestigkeit erfolgte auf der Basis von experimentellen Daten, die nicht im Datenpool für das Trainieren des kNN enthalten waren. Dabei ergab sich teilweise eine gute Übereinstimmung. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Anwendung von kNN zur Ermittlung des individuellen Zeitstandbruchverhaltens bei modernen warmfesten Stählen ein Anwendungspotenzial aufweist, das mit der Absicherung der Datenbasis besonders im Bereich langer Bruchzeiten > 50 000 h eine technische Relevanz zeigen wird. Im Hinblick auf die technische Anwendung im Rahmen einer Lebensdauerberechnung stellt sich das Problem, dass es methodenbedingt keine Abschätzung der Unsicherheit der ermittelten Kennwerte gibt, die der seitherigen Vorgehensweise direkt vergleichbar ist.Item Open Access Berechnung der Stufen von Dampf- und Gasturbinen nach statischen Untersuchungswerten(2012) Dejc, Michail E.; Filippov, Gennadij A.; Lazarev, L. Ja.; Pertschi, Ottmar (Übersetzer)Der Atlas enthält die Profile der Leit- und Laufgitter von Axialturbinen, berechnet auf Unterschall-, schallnahe und Überschall-Geschwindigkeiten. Im Atlas sind die speziellen Schaufelprofile mit geringen Höhen, den charakteristischen Querschnitten der Stufen mit langen Schaufeln usw. angegeben. Außerdem wird untersucht, welchen Einfluß die verschiedenen Geometrien und Betriebswerte auf die Gittereigenschaften haben. Die Möglichkeiten zur Berechnung der Turbinenstufen nach den im Atlas angegebenen Werten werden analysiert. Der Atlas ist ein Lehrbuch für Studenten der Energiewirtschaft an Technischen Hochschulen, kann aber auch für Ingenieure und Wissenschaftler in der Turbinenbauindustrie und an wissenschaftlichen Forschungsinstituten nützlich sein. (Übersetzung der Zusammenfassung des Buches, S. 2) Inhalt der Übersetzung: § 33. Methode der Wärmeberechnung der Stufen unter Heranziehung der aerodynamischen Werte des Atlas § 34. Rechenbeispiele für TurbinenstufenItem Open Access Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen(2015) Hüggenberg, Daniel; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod.. Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann. Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden. Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.Item Open Access Komponentenverhalten im 700 °C-Kraftwerk : numerische und experimentelle Untersuchungen(2013) Schmidt, Kay H.; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Auswahl, Charakterisierung und Qualifizierung geeigneter Kessel- und Rohrleitungswerkstoffe für ein hocheffizientes fossil befeuertes 700 °C Kraftwerk zu leisten. Weiterhin soll gezeigt werden, dass mit Hilfe numerischer Simulationen unter Einbindung geeigneter Kriechgleichungen das Verformungs- und Relaxationsverhalten von hochtemperaturbeanspruchten Komponenten abgebildet werden kann. In den vergangen Jahren wurden einige neue Werkstoffe entwickelt die es erlaubten Dampftemperaturen von bis zu 625 °C im Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels zu erzielen. Ermöglicht wurde dies durch die Verwendung von speziell für den Hochtemperatureinsatz weiterentwickelten martensitischen Stählen. Die Zeitstandfestigkeit dieser martensitischen Stähle weisen aktuell keine ausreichende Zeitstandfestigkeit auf um einen sicheren Dauerbetrieb eines fossil befeuerten Kraftwerkskessels bei Spitzentemperaturen oberhalb von 700 °C und Dampfdrücken bis zu 350 bar zu gewährleisten. Im Bereich der Temperaturen bis 700 °C müssen daher weitere Werkstoffe für den Einsatz im Kraftwerksbetrieb qualifiziert werden. Hier steht mit der Nickelbasislegierung Alloy 617 mod eine sehr interessante Legierung zur Verfügung. Durch den hohen Ni-Gehalt ist dieser Werkstoff allerdings vergleichsweise teuer und muss zudem unter erhöhtem Aufwand verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung dieses Werkstoffes auf den Temperaturbereich von 625 °C bis 700 °C eingeschränkt werden sollte. Im Temperaturbereich bis 625 °C kann auf die gut erprobten martensitischen 9 % bis 12 % Cr-Stähle (z. B. T/P92 und VM12/VM12-SHC) zurückgegriffen werden. Im Bereich niedriger Temperaturen bis 525 °C bietet der Einsatz des 2,5 % Cr-Stahles T/P24, besonders bei der Fertigung von Membranwänden, einige Vorteile. Er weist in diesem Temperaturbereich ausreichende Zeitstandfestigkeiten auf und kann im dünnwandigen Bereich bei entsprechender Prozessführung ohne Wärmenachbehandlung verschweißt werden. Für eine erfolgreiche Realisierung eines 700 °C Kraftwerkes müssen geeignete Werkstoffe qualifiziert und im Hinblick auf ihre Kriecheigenschaften untersucht werden. Daher werden zunächst die Werkstoffe Alloy 617 mod, T/P92, VM12/VM12-SHC und T24 charakterisiert und vorgestellt sowie anschließend detaillierten Zeitstanduntersuchungen unterzogen. Innerhalb dieses Versuchsprogramms werden sowohl Grundwerkstoffproben, entnommen aus Kesselrohren und dickwandigen Rohren sowie deren Induktivbiegungen als auch Schweißverbindungs- und Schweißgutproben geprüft. Um zudem wichtige Informationen über das Verhalten der Werkstoffe unter mehrachsiger Belastung und annähernd realen Betriebsbedingungen gewinnen zu können, werden Membranwandprüfkörper in einem an der MPA Stuttgart entwickelten Komponentenprüfstand auf ihr Kriechverhalten untersucht. Die am Prüfkörper angreifenden mechanischen Lasten während des Prüfvorganges werden so ausgelegt, dass nach einer Zeit von etwa 2.000 h bis 5.000 h ein Zustand hoher Schädigung vorliegt. Anschließend werden die Prüflinge einer detaillierten metallografischen Untersuchung unterzogen. Ziel ist, neben der Bestimmung des Ortes der Rissbildung, die Ermittlung des tatsächlichen Schädigungszustandes, im Besonderen innerhalb der Rohr-Steg-Schweißverbindung. Neben der Charakterisierung und Qualifizierung der Werkstoffe werden die Ergebnisse der Zeitstanduntersuchungen zur Erstellung eines Materialmodelles für inelastische Finite-Elemente-Simulationen herangezogen. Die zu diesem Zweck verwendeten Kriechgleichungen basieren auf einem Ansatz nach Graham und Walles. Über eine Nachrechnung der innerhalb dieser Arbeit durchgeführten Bauteilversuche konnten die erstellten Materialmodelle verifiziert werden. Mit Hilfe des berechneten Schädigungsparameters, der lokalen Kriechdehnung sowie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes kann zudem der Ort maximaler Kriechschädigung und somit der Ort der Rissbildung kurz unterhalb der Bauteiloberfläche der rohrseitigen Wärmeeinusszone der Rohr-Steg-Schweißverbindung abgebildet werden. Die hier erarbeiteten Ergebnisse verdeutlichen, dass moderne FE-Programme in Kombination mit einem modifizierten Kriechgleichungsansatz nach Graham und Walles ein durchaus geeignetes Werkzeug zur Unterstützung des Auslegungs- und Designprozesses von Kraftwerkskomponenten darstellen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des verwendeten Kriechgleichungsansatzes eine numerische Simulation von hochtemperaturbeanspruchten Kesselkomponenten möglich ist. Die durchgeführten einachsigen Zeitstandversuche stellen zudem eine sinnvolle Ergänzung der Datenbasis für die Auslegung und die betriebliche Zuverlässigkeit im Langzeitbereich dar. Auch die Qualifizierung der Werkstoffe Alloy 617 mod, VM12/VM12-SHC, T/P92 und T24 für den Einsatz in einem fossil befeuerten Kraftwerk mit Dampftemperaturen bis 700 °C wurde mit den Ergebnissen dieser Arbeit vorangetrieben.Item Open Access Strukturmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten und -systemen in Energiewandlungsanlagen unter Berücksichtigung der realen Werkstoffcharakteristik(2011) Mutz, Alexander; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit ist eine Grundlage zur Erarbeitung neuer Berechnungsmethoden zur Dehnungsabsicherung und liefert damit einen Beitrag zur besseren Werkstoffausnutzung der in Rohrleitungen verwendeten Werkstoffe ohne Sicherheitseinbußen. Unter Dehnungsabsicherung wird in der vorliegenden Arbeit die Absicherung von Auslegungsbelastungen durch zulässige Dehnungen anstelle zulässiger Spannungen verstanden. Experimentelle Grundlage sind die an der MPA Universität Stuttgart durchgeführten experimentellen Untersuchungen. Ziel der Bewertung auftretender Beanspruchungen muss immer die Gewährleistung der Integrität der betrachteten Rohrleitung sein. Deren Integrität ist gegeben, wenn die Abtragbarkeit aller betrieblichen Belastungen und Störfallbelastungen für die spezifizierten als auch betrieblich gemessenen Eintrittshäufigkeiten über die gesamte Lebensdauer sichergestellt ist. Dabei sind die Spannungen und Dehnungen so zu begrenzen, dass die auftretenden elastischen und plastischen Verformungen im Bauteil in zulässigen Grenzen bleiben. Das zur Bewertung der Spannungen und Dehnungen verwendete Regelwerk muss dazu ausreichend genaue theoretische und auch experimentelle Werkzeuge der Festigkeitsanalyse zur Verfügung stellen. Durch die Berücksichtigung eines realeren Werkstoffverhaltens kann die jeweilige Werkstoffcharakteristik in die Berechnung integriert und damit der Werkstoff bei gleichbleibender Sicherheit besser ausgenutzt werden. Die Nachweisführung für Rohrleitungen an Hand von zulässigen Dehnungen ist nach dem Konzept der Dehnungsabsicherung sinnvoll. Allerdings ist die Absicherung von Rohrleitungen mit Dehnungen in Regelwerken meist nicht vorgesehen, da diese Berechnungsmethoden unter Berücksichtigung des realeren (elastischplastischen) Werkstoffverhaltens bei der Nachweisführung aufwändig und kostenintensiv sind. Eine entscheidende Fragestellung bei der Anwendung von Dehnungen zur Begrenzung von Belastungen bei Bauteilen, gefertigt aus verformungsfähigen Werkstoffen, ist die Spannungsmehrachsigkeit. Mit dieser lässt sich die Verformungsfähigkeit eines Bauteils bewerten. Überschreitet die Spannungsmehrachsigkeit einen kritischen Wert, sind plastische Verformungen innerhalb des Bauteils eingeschränkt. Es stellt sich also die Frage, welche Spannungsmehrachsigkeit in Bauteilen auftritt und in welchem Maße das plastische Verformungsvermögen innerhalb der Bauteile dadurch eingeschränkt wird. Die Spannungsmehrachsigkeit wird zunächst an geraden Rohren, die einer Innendruck- und Biegebeanspruchung unterliegen, untersucht. Dazu werden Rohre mit verschiedenen Durchmesserverhältnissen und verschiedenen Durchmessern unter Verwendung eines elastisch-plastischen Werkstoffmodells mit der Hilfe von Finiten Elementen analysiert. Zur Bewertung der Spannungsmehrachsigkeit wird der Mehrachsigkeitsquotient q nach Clausmeyer an den höchstbeanspruchten Stellen ausgewertet. Allgemein gilt, dass ein kleiner Mehrachsigkeitsquotient die Verformungsfähigkeit eines Bauteils behindert, bei steigendem Mehrachsigkeitsquotient die Verformungsfähigkeit immer weniger eingeschränkt wird. Für die hier betrachteten Beanspruchungszustände stellt sich der berechnete q Wert als unkritisch dar. Weitere FE-Analysen ungeschädigter gerader Rohre unter Verwendung eines elastisch-plastischen Werkstoffmodells dienen der Ermittlung der maximal auftretenden elastisch-plastischen Dehnung an den Biegeaußenfasern. Die ermittelten Dehnungen werden in Abhängigkeit des Biegemomentes, des Durchmesserverhältnisses und des Biegewinkels als Parameterfelder dargestellt. Den mit analytischen Methoden berechneten fiktivelastischen Spannungen in Rohren können so elastisch-plastische Dehnungen zugewiesen werden, die als Grundlage für die Festlegung maximal zulässiger Dehnungen dienen können. Die Validierung der Berechnungen erfolgt mit Hilfe experimenteller Ergebnisse, ermittelt an geraden Rohren. Weiter wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse von mit geraden Rohren durchgeführten Biegeversuchen auf reale Rohrleitungssysteme untersucht. Dazu werden die Ergebnisse der FEAnalysen für die Rohrbiegeversuche mit denen eines Rohrleitungssystems verglichen. Es zeigt sich, dass das Trag- und Verformungsverhalten experimentell untersuchter integrer gerader Rohre nicht direkt auf Rohrleitungssysteme übertragbar ist. Ursache dafür sind die aufgrund unterschiedlicher systembedingter Randbedingungen auftretenden unterschiedlichen Dehnungen und Verformungen in Rohrleitungssystemen und in den Versuchsrohren. Zudem war bei den an der MPA Universität Stuttgart durchgeführten experimentellen Rohrbiegeversuchen keine Torsion aufgebracht, wogegen bei Rohrleitungssystemen die Torsion einen Beitrag zum Beanspruchungsverhalten liefert. Die Berechnung zulässiger Belastungen auf Rohrleitungssysteme erfolgt in der Regel über die Begrenzung fiktivelastischer Spannungen. Ein Vergleich zwischen fiktivelastischen Berechnungsergebnissen und solchen unter Anwendung realerer Werkstoffmodelle ist für integere Rohre nur punktuell durchgeführt worden. Es bedarf also weiterer Vergleiche von Berechnungen unter Anwendung fiktivelastischer und realerer Werkstoffmodelle. Der Vergleich des Berechnungsergebnisses eines Rohrleitungssystems unter Einfluss eines elastischen Werkstoffmodells mit dem Berechnungsergebnis unter Einfluss eines elastisch-plastischen Werkstoffmodells gibt Aufschluss über die Umverteilung der Spannungen und Dehnungen innerhalb des Rohrleitungssystem und zeigt auf, wie die statische Last auf ein Rohrleitungssystem auf der Grundlage eines Dehnkriteriums beurteilt werden kann. Dazu wird der Mehrachsigkeitsquotient q in den höchstbeanspruchten Stellen des Rohrleitungssystems ausgewertet und in Bezug zur Dehnung gesetzt. Die am geraden Rohr durchgeführten experimentellen Untersuchungen decken die im Rohrleitungssystem auftretenden Dehnungen konservativ ab. Die Gegenüberstellung der Verläufe der Schnittmomente entlang des Rohrleitungssystems, einmal unter Beachtung des realen Werkstoffmodells und einmal unter Anwendung eines elastischen Werkstoffmodells, zeigt deutliche Unterschiede in der Reaktion auf die Belastungen. Die Laststeigerungsreserve vom realen Werkstoffmodell zum elastischen Werkstoffmodell beträgt bei Begrenzung der Spannungen auf 3 Sm 1,38. Die Höhe der Dehnung lag bei Anwendung des realen Werkstoffmodells unter 1,4%. Es wurde ein Vorschlag für die Höhe einer zulässigen Dehnung, die der Beanspruchungsstufe D der KTA entspricht, erarbeitet. Erfahrungsgemäß und auch im Vergleich zu den für das vorliegende Rohrleitungssystem berechneten Dehnungen ist diese, unter Beachtung eines entsprechenden Mehrachsigkeitsquotienten q, konservativ. Die Methodik lässt sich in gleicher Weise auch auf rissbehaftete Rohrleitungssysteme und Rohre anwenden, wobei bruchmechanische Konzepte mit in die Betrachtung einbezogen sind. Abschließend lässt sich feststellen, dass zur Verknüpfung von zulässigen Dehnung mit dem Mehrachsigkeitsquotienten für unterschiedliche Lastfallklassen noch grundlegende experimentelle Untersuchungen zum Verformungs- und Bruchverhalten des Werkstoffes erforderlich sind.Item Open Access Wasserausgleichsturm aus Eisen mit einem Fassungsvermögen von 33.350 Eimer und wasserundurchlässigem Grundlauf der städtischen Wasserversorgung von Tjumen’(2010) Petrov, Dm. V.; Pertschi, Ottmar (Übersetzer)Der hier behandelte Turm wurde 1908 für die städtische Wasserversorgung von Tjumen’ geplant. Dem Projekt zugrunde lag das in jeder Hinsicht hyperbolische Netz des Turmgerüsts nach dem System des Ingenieurs V. G. Šuchov.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.
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