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03.05.11 | Artikel der Salzgitter Mannesmann Forschung

Unternehmensbereichweites Forschungsthema

Mehraxiales Tragverhalten von Pipelines

Die Erschließung neuer Energieressourcen findet heute zunehmend in entlegenen Gebieten mit komplexen Bodengegebenheiten und extremen Klimabedingungen statt. Für die Auslegung der erforderlichen Pipelines stellt dies eine große Herausforderung dar. Kritische Zustände ergeben sich aus Bodenbewegungen, z. B. aus Setzungen, thermischer Ausdehnung, Frosthub oder Erdbebeneinflüssen, die zu einer Biegebeanspruchung des Rohrstrangs und damit zu hohen plastischen Längsdehnungen führen können. Zusammen mit der Innendruckbelastung entsteht somit ein mehraxialer Beanspruchungszustand in der Rohrwand.

Die Dimensionierung und Werkstoffwahl ist insbesondere dann erschwert, wenn Rohrabschnitte über die Streckgrenze hinaus beansprucht werden und somit plastische Verformungen erfahren. Dann dominiert das Verfestigungsvermögen des Rohrmaterials das plastische Bauteilverhalten. In den Bereichen der Rohre, in denen Druckspannungen bzw. -dehnungen entstehen, können zusätzlich lokale Beulprozesse maßgebend werden. Da Beulprozesse den Stabilitätsproblemen zuzuordnen sind, werden diese vorwiegend von der Rohrgeometrie und deren Toleranzen, nämlich der Querschnittsschlankheit D/t und der Ovalität, beeinflusst.

Die Abteilung Bauteilsicherheit am Standort Duisburg ist seit dem Jahr 2008 damit beschäftigt, das plastische Rohrtragverhalten systematisch zu untersuchen. Für die in der SZAG vorherrschenden Leitungsrohr-Produktionslinien wurden analytische Modelle entwickelt, die auf der Plastizitätstheorie aufbauen. Sie -ermöglichen die Vorhersage plastischer Dehnungszustände für verschiedenste Belastungsgeschichten, die sich im Allgemeinen aus voneinander unabhängigen Lastfällen zusammensetzen (Innendruck, externe Biegeeinflüsse, Axialkräfte). Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Leitungsrohrwerkstoffe wird dabei durch geeignete Verfestigungsfunktionen -beschrieben.

Aus den Ergebnissen können Anhaltswerte für die praktische Anwendung abgeleitet werden, z.B. zulässige Biegeradien bei gegebenen Innendruckauslastungen. Daneben wird der Einfluss einzelner Werkstoffparameter auf das Bauteiltragverhalten analysiert. Beispielsweise werden funktionale Zusammenhänge zwischen Rohrgeometrie, zulässigen Biegemomenten und den erforderlichen Verfestigungseigenschaften (Streckgrenzenverhältnis, Gleichmaßdehnung, Verfestigungsexponent) ermittelt. Die Rohrhersteller können damit bei der Auswahl der Vormaterialien und der Prozessparameter gezielt unterstützt werden. Dies betrifft im Besonderen die hochfesten Leitungsrohrgüten X80 und X100, die in naher Zukunft bei außergewöhnlich hohen Nutzungsfaktoren für den Transport der fossilen Brennstoffe zu fernen Märkten sorgen sollen.

Die analytischen Modelle werden durch FEM-Simulationen verifiziert. In Kürze sollen die theoretischen Untersuchungen durch Experimente bestätigt und ergänzt werden. So sind für das Jahr 2011 mehraxiale Full-Scale-Biegeversuche bei gleichzeitiger Innendruckeinwirkung an realen Leitungsrohrabschnitten geplant. Diese sind mit dem Projekt „Experimentelle Simulation von mehraxialen Belastungszuständen“ in die unternehmensbereichweiten Forschungsthemen eingebunden.

Dr. Susanne Höhler
aus "SZMF aktuell" Ausgabe 2/2010

Typische mehrachsiale Beanspruchungssituationen in Leitungsrohren