Strukturmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten und -systemen in Energiewandlungsanlagen unter Berücksichtigung der realen Werkstoffcharakteristik

Abstract

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.

The present report is a basis for the development of new methods based on the limitation of strains and contributes to the better utilization of the load carrying capacities of piping materials without loss in safety. Within this report strain limitation is understood to be the limitation of strains rather than stresses to cover design loads. The basis are results of experiments developed at the Materials Testing Institute (MPA), Universität Stuttgart. The aim of a stress validation is the verification of the integrity of the candidate piping system. The integrity is proven for the total lifetime if the component may withstand all operational and upset loading conditions based on specified as well as monitored load cycles. Thereby the stresses and strains in a component shall be limited to values which guarantee that elastic and plastic deformations are within allowable limits. The codes and standards to calculate stresses and strains must contain tools which are appropriate for theoretical and experimental stress analysis. Considering realistic material models, elastic-plastic material characteristics can be involved in the calculation, which allows a better utilization of the material without loss in safety. The structural verification of piping systems on the basis of a concept on strain limitation is useful. However, the validation of piping systems considering strain limitations is usually not used in common calculation codes because of its time and money consuming nature. Using a concept on strain limitation for components manufactured from ductile materials, an essential question concerns the multiaxiality of stress state. It can be used to determine the possibility of deformations on a component. If the multiaxiality of stress state exceeds a critical value, plastic deformations are restricted. The question arises which level of multiaxiality of stress state occurs and to what extent the possibility of deformation is limited. Herein the multiaxiality of stress state is first examined in straight pipes under pure pressure and bending. Therefore pipes with different diameters and wall thicknesses were analysed using the finite element method and an elastic plastic material characteristic. For the verification of the multiaxiality of stress state, the coefficient of multiaxiality q by Clausmeyer is evaluated for highly stressed areas. In general the deformation behaviour of a component is restricted for low q values, whereas for higher q values the deformation behaviour increases. The calculated q values for the straight pipes showed acceptable values. Further investigations on pipes using finite elements with elastic plastic material characteristics were focussed on the total strains on the outer (bend) surface of the pipes. The calculated strains are plotted versus the applied bending moment, the ratio of pipe diameter as well as he bending angle. Thus it is possible to compare for defined loading conditions the calculated stresses based on an elastic material characteristic with the total strain of an elastic plastic calculation. The calculations were validated using the experiment results. Furthermore the transferability of experiment results gained using straight pipes under bending to a piping system was examined. The results of finite element analysis of straight pipes were compared to the results of the piping system. It arises that the load carrying and the deformation behaviour of experiments with straight pipes are not directly transferable to the piping system. The reasons are different strains and deformations due to different boundary conditions for straight pipes within the experiments and the piping system. Moreover for the piping system torsional loading can be supposed, whereas the experiments performed at MPA are loaded without torsion. The determination of allowable loads in piping systems normally is realized on the basis of a limitation of fictitious elastic stresses. A comparison of the results of a fictitious elastic calculation for the piping system with the results developed with more realistic material models was only done exemplarily. The comparison of the results of calculations based on elastic and elastic plastic material characteristics gives information about the redistribution of stresses and strains in the piping system. It shows how static loads can be assessed on the basis of a limitation of strains. Therefore the coefficient of multiaxiality q in highly stressed areas was examined with respect to the corresponding strains. As a result the strains realized in the pipe experiment cover the strains calculated for the piping system in a conservative way. The pipe system analysis shows for the reaction moments along the pipe axis significant differences performing the calculation with an elastic material characteristic or with an elastic plastic material characteristic. The load bearing capacity comparing an elastic material characteristic with an elastic plastic material by limiting the stress to 3Sm reaches a value of 1.38. One allowable strain limit which corresponds to the allowable stress level D of the KTA is shown. According to the experiences and the results of the piping system examined, the strain limit is to be conservative considering an adequate coefficient of multiaxiality. The method shown before can be transferred to piping systems with degraded sections at which fracture mechanics methods shall be implicated. As a conclusion it can be realized that the combination of allowable strains and the coefficient of multiaxiality q for different loading conditions need further basic experimental investigation for the deformation and fracture behaviour for the materials to be considered.