Fracture Mechanics Based Lifetime Assessment and Long-term Failure Behavior of Polyethylene Pressure Pipes

Titel in Übersetzung: Bruchmechanische Lebensdauerabschätzung und Langzeit-Versagensverhalten von Druckrohren aus Polyethylen

Andreas Frank

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In der Gas- und Wasserversorgung hat sich Polyethylen (PE) zu einem der bedeutendsten Werkstoffe entwickelt, wobei die Einsatzzeiten derartiger Rohre heute 50 Jahre und mehr betragen. Bei Kenntnis der Risswachstumskinetik bei statischer Belastung ist eine bruchmechanische Lebensdauervorhersage mit Hilfe der Linear-Elastischen Bruchmechanik möglich. Ein wesentliches Ziel dieser Dissertation war die Erstellung eines Prüfprogramms zur Lebensdauervorhersage von PE-Druckrohren bei anwendungsnahen Temperaturen. Hierfür wurde ein bruchmechanisches Konzept basierend auf den Mechanismen der langsamen Rissausbreitung verwendet, wobei die Wachstumsgeschwindigkeiten von Rissen bei zyklischer Belastung (Ermüdung) unter unterschiedlichen Spannungsverhältnissen (R-Verhältnis) auf die statische Belastungssituation extrapoliert wurden. Um speziell bei modernen PE Rohrwerkstoffen technisch sinnvolle Prüfzeiten zu gewährleisten, wurden zylindrisch gekerbte Prüfkörper (cracked round bar, CRB) verwendet. Eine direkte Messung der Risskinetik mit CRB-Prüfkörpern erfolgte über ein System von drei Extensometern, welches die Prüfkörpernachgiebigkeit in Abhängigkeit von der Risslänge erfasst. Mithilfe einer Nachgiebigkeits-Kalibrierkurve war es möglich, die Risskinetik in einem einzelnen zyklischen CRB-Versuch zu messen. Neben der Kennwertermittlung erfolgten im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse auch ein Vergleich unterschiedlicher Berechnungen des K-Wertes sowie eine Evaluierung relevanter Randbedingungen. Die Lebensdauervorhersage unterschiedlicher PE-Typen ergab plausible Ergebnisse, welche auf Versagenszeiten von mehr als 50 Jahren hinweisen. Eine Fallstudie an zwei PE-Rohren aus realen Installationen deutet darauf hin, dass trotz bereits jahrzehntelangem Betrieb die erforderlichen Restlebenszeiten erreicht werden dürften. Der Zeitaufwand für die Materialprüfung moderner PE 100 Typen betrug nicht mehr als 6 Monate, was einen erheblichen Vorteil gegenüber Zeitstandinnendruckversuchen darstellt, die selbst nach mehr als einem Jahr keine Informationen über das relevante quasi-spröde Versagen liefern. Ein weiterer Aspekt in der Langzeitanwendung von Rohrleitungen umfasst die Sanierung und Rehabilitierung bestehender Systeme. Eine der wichtigsten grabenlosen Technologien ist die Sanierung mit Close-Fit-Linern (CFL), bei der ein werkseitig gefaltetes PE-Rohr in ein bestehendes Altrohr eingezogen und unter Temperatureinfluss wieder rückdeformiert wird. Da zu diesem Thema bisher keine werkstoffkundlichen Daten vorliegen, war ein weiteres Ziel dieser Dissertation, eine umfangreiche Untersuchung des Einflusses der Deformationsvorgänge auf relevante Werkstoffeigenschaften durchzuführen. Die morphologische Charakterisierung der vorgeformten und rückdeformierten CFL vertiefte vor allem das Verständnis für die Wirkungsweise der Molekülorientierungen und dem damit verbundenen Memory-Effekt, welcher entscheidend für den Installationsprozess ist. Es wurde gezeigt, dass trotz der erheblichen zusätzlichen thermischen Belastung während der Installation keine signifikanten thermo-oxidativen Alterungsvorgänge stattfinden. Eine wesentliche Verbesserung des installierten CFL wurde bei den Eigenspannungen konstatiert, die durch die thermisch begleitete Installation nahezu vollständig abgebaut werden. Dieser Effekt dürfte sich auch positiv auf das Risswachstumsverhalten auswirken, sodass insgesamt eine hohe Zuverlässigkeit derart installierter Rohre gegeben erscheint.
Titel in ÜbersetzungBruchmechanische Lebensdauerabschätzung und Langzeit-Versagensverhalten von Druckrohren aus Polyethylen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Aust, Nicolai, Beurteiler B (intern)
  • Lang, Reinhold, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2010

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Polyethylen Bruchmechanik
  • linear
  • elastisch Lebensdauer
  • Vorhersage Risswachstum
  • langsames
  • sprödes Rohr
  • druckbelastet Rohrsanierung
  • grabenlos Ermüdung Alterung Prüfkörper
  • zylindrisch
  • gekerbt
  • CRB

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