Relaxationsverhalten von Rohrflanschen aus 9 % Chrom-Stahl

Abstract

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.

Flanged joints form an integral part in the construction of modern power plants. They serve as detachable connections for piping sections. Flanged joints are exposed to high and complex loading. The loading reduces the flanges ability to seal, therefore costly maintenance work is necessary to retighten the flange bolts. Up to now these facts have only partly been considered in current computational models. The present thesis examines the experimental relaxation characteristics of various flanged joints consisting of 9 % chromium steels. Additionally the possibilities of numerical simulation for the relaxation characteristics of flanged joints and the optimisation of inspection intervals are examined by applying an inelastic finite-element (FE) analyses. To this end, three different types of flanged joints were exposed to 600 °C for 10000 h in the absence of internal pressure. One of the flanges was equipped with a seal ring; while the other two had a machined seal fillet. During the exposure, strain measurements were taken repeatedly in different locations using high temperature strain gauges. A first inspection was made after 5000 h to carry out additional measurements (such as amount of residual stress at flange bolts). This was followed by a second exposure period of 5000 h and another inspection. Following a characterisation of the five materials involved, FE-models were created utilising the ANSYS 5.6 software. Using these models, the relaxation of the flanges was simulated. The results obtained were tested for plausibility and for sensitivity to input parameters. The calculations were then compared with a total of 59 test results. These results were determinations of an average obtained by several individual measurements. Since the materials showed different material properties the relaxation characteristics were rather complex. The differences in the thermal expansion coefficient in particular were a decisive factor in the performance of the flanged joints. The mutual interaction of flange, bolts and sleeves resulted in a combined loading of relaxation and creep. To sum it up, it was discovered that the calculations could be matched with the test results, despite the complexity of the system. By comparing the test results with the calculations the FE-models were verified. In a second step the boundary conditions such as pre-stressing force, material parameters, internal pressure and geometrical design were varied. In addition a long term simulation lasting 100000 h was carried out. The results of this work present a reliable tool for predicting the long term-relaxation behaviour of flanged joints. In addition to this the results can be used to optimise the inspection intervals and to determine the layout design of flanged joints.