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27.06.13 | Artikel der Salzgitter Mannesmann Forschung

Wie flexibel ist eine Pipeline?

Neue Rohrbiegeprüfmaschine in Duisburg – ein weiterer Schritt in Richtung Leitungssicherheit von hoch beanspruchten Pipelines aus modernen Rohrstählen.

Das Team „LiSA“ ist zufrieden (Bild 1): Die ersten elf Biegeversuche an Großrohren, seit Montage der Prüfmaschine im Januar 2012, sind durchgeführt. Die geprüften Pipeline-Rohre (sechs Spiralrohre von SMGR und vier UOE-Rohre von Europipe, je 36", sowie ein HFI-Rohr der Abmessung 24" von SMLP) zeigten gutes Verformungsvermögen. Bei gleichzeitiger Innendruckeinwirkung und zum Teil auch ohne Innendruck konnten große Biegekräfte und Biegewege aufgebracht werden, bevor die Rohre lokal einbeulten oder gar Leckagen aufwiesen.

Team "LiSA" (v.l.): Dr. S. Zimmermann, A. Ostermann, M.Vogel, S. Heinzen, Dr. H. Karbasian, Dr. S. Höhler (nicht abgebildet: C. Pilger)

Die Biegeversuche bei gleichzeitig aufgebrachtem Innendruck verfolgen das Ziel, das Tragverhalten von Pipeline-Rohren auch unter externen Einwirkungen, wie Biegekräfte und Krümmung, realistisch zu simulieren. Pipelines sind Erdbewegungen ausgesetzt, die in Regionen mit komplexen geologischen Gegebenheiten von großem Ausmaß sein können. Über das herkömmliche Design hinaus, das gewöhnlich nur den Festigkeitsnachweis in Umfangsrichtung bei Innendruckbelastung betrifft, erfährt die Leitung bei solch komplexen Gegebenheiten große plastische Verformungen in Axialrichtung. Die Rohre und deren Verbindungen müssen genügend Verformungsreserven besitzen, um diesen externen Einflüssen standzuhalten. Auch bei der Verlegung von Leitungen können Biegezustände mit großen Axialdehnungen auftreten, z. B. beim Reel-Laying von Offshore-Leitungen, wo Rohrstränge auf große Trommeln aufgewickelt und bei der Verlegung wieder abgewickelt werden. Weiterhin werden bei der Verlegung von Onshore-Leitungen Rohre auf der Baustelle „kalt“ gebogen, um Trassenkrümmungen der Leitungen zu erzielen. Solche Verlegezustände können mit LiSA nachgebildet werden, indem Biegung ohne Innendruck aufgebracht wird. LiSA (Limit State Analyzer) wurde von der Linde Engineering GmbH, Marienheide, Anfang 2012 in der Abteilung Bauteilsicherheit (EDIS) in Duisburg installiert. Der Versuchsstand ist ein geschweißter Stahlträger, dessen Abmessungen sich sehen lassen können. So haben die beiden Stegbleche eine Höhe von 1.800 mm und eine Dicke von 80 mm. Die beiden Flansche, jeder misst 200 mm in der Dicke, wurden in einem Arbeitsgang über eine Länge von rund 16 m bei dem Lieferanten mechanisch bearbeitet, so dass die vertikale 4-Punkt-Biegeeinrichtung (Bild 2) maßgenau eingerichtet werden kann. LiSA ist ausgestattet mit vier servohydraulischen Prüfzylindern mit je 2.500 kN Druckkraft und maximal 1.500 kN Zugkraft. Je zwei Hydraulikzylinder wirken an einem Lastangriffspunkt. Dadurch kann eine Gesamt-Biegekraft von 10 MN (1000 Tonnen) aufgebracht werden. Die Zylinder besitzen einen maximalen Hub von 1.100 mm.

4-Punkt-Biegeversuch auf LiSA
Gebogenes Rohr: Beulenbildung im Prüfabschnitt

Der maximale Auflagerabstand beträgt ca. 15,5 m. Dabei ist eines der Auflager als Festlager unverschieblich an der Unterkonstruktion montiert, während das andere Auflager und die beiden Lastebenen flexibel entlang der Rohrachse verschoben werden können. Dadurch können die Prüfabstände je nach Rohrdimension und Versuchsanforderung gewählt werden.

Die Kapazität der Maschine reicht aus, um bei Großrohren in einer Vielzahl von Parameterkombinationen die Grenzen der Tragfähigkeit zu ermitteln. Beispielsweise können hochfeste 56"-Rohre in der Güte X100 bei hoher Innendruckauslastung und Wandstärken bis 25 mm gebogen werden.

Indem die Bauteilversuche an Rohren im Maßstab 1 : 1 durchgeführt werden, kann das Last-Verformungsverhalten der Rohre realistisch ermittelt und bewertet werden. Dies wäre durch Materialprüfungen (z. B. einaxiale Zug- oder Stauchprobe) allein nicht möglich. Die Ergebnisse dienen einerseits dazu, das Bauteilverhalten mit den Materialeigenschaften zu korrelieren. Andererseits dienen die Versuche der Weiterentwicklung der großformatigen Produkte. Durch die Verifizierung von Berechnungsmodellen (analytisch oder mit FE-Simulationen) können mit optimierten Modellen Parameterstudien erfolgen. Deren Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf vorteilhafte Materialeigenschaften, Rohrdimensionen und Lastparameter zu (Bilder 3, 4), aber auch auf die Walzparameter und die Rohreinformung.

FEM-Plot des LiSA-Versuchs: Rohr mit lokaler Beule

Die vergangenen Versuchsserien betrafen das unternehmensbereichsweite (UB Röhren) Projekt „Experimentelle Simulation von Belastungszuständen“ mit den Partnern Salzgitter Mannesmann Großrohr, Europipe und Salzgitter Mannesmann Line Pipe. Das Projekt wird in diesem Jahr fortgesetzt. Unter anderem steht die Untersuchung von Rohrabschnitten mit Rundnähten (Rohrverbindungsnaht) auf dem Programm.

Prüfeinrichtung Limit State ­Analyzer LiSA – Fakten:
max. Roghrlänge
ca. 15,5 m
max. Rohrdurchmesser
1.422 mm/56"
Gesamtbiegekraft
10,0 MN (4 Zylinder)
max. Zylinderhub
1.100 mm
  • Flexible Positionierung der Auflager- und Lastpunkte entlang der Rohrachse
  • Weggesteuerte Versuchsdurch­führung
  • Innendruck durch Wasserfüllung