DVS_Bericht_392LP

4 Bruchmechanische Bewertung
Die bruchmechanische Bewertung soll zeigen, ob in dem betrachteten Bauteil Risswachstum auftreten kann
und falls dieses der Fall sein sollte, wie viele Lastwechsel bis zum Versagen möglich sind. Vor allem das
Zusammenspiel von Material, Speichermedium und Betriebslastwechselhäufigkeiten ist für eine Abschätzung
der sicheren Betriebsdauer von großer Wichtigkeit. Des Weiteren ist es im speziellen Fall von eingeerdeten
Erdgasröhrenspeichern sinnvoll, die auftretenden Spannungen rechnerisch zu erfassen, da so auch Stellen
identifiziert werden können, die z. B. im Zuge der wiederkehrenden Prüfungen sinnvoll überwacht werden
könnten.
4.1 FE-Analyse des Spannungszustands
Für die bruchmechanische Bewertung müssen möglichst detaillierte Informationen über den Spannungszustand
vorliegen. Im Gegensatz zu Gastransportleitungen sind die Spannungszustände komplexer, da sich z.
B. im Bereich von Böden (Krempe) und Stutzen mehrachsige Spannungszustände einstellen (Bild 1). Die
genauen Spannungsverläufe unter Berücksichtigung aller Lasten sollten mittels Finite-Elemente-Berechnungen
ermittelt werden. Die einzelnen Spannungsanteile können dann zur Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors
genutzt werden. Es bietet sich z. B. bei komplexen Belastungszuständen auch an, den Spannungsintensitätsfaktor
direkt mit FE zu bestimmen und als Eingangsgröße für bruchmechanische Bewertungen zu
verwenden. Für die Analyse von potenziellen Rissen im Schweißnahtbereich sollten auch Schweißeigenspannungen
– als Sekundärspannungen – mitberücksichtigt werden, siehe auch Zerbst, U.[7]
Bild 1. Exemplarischer Verlauf der von Mises-Vergleichsspannung im Bereich eines Stutzens und eines Bodens
4.2 Rissfortschrittsberechnung
Für die Berechnung muss die Geometrie des Anfangsfehlers angenommen. Wenn vorhanden, können ermittelte
Fehler aus der Zustandsbewertung der Anlage verwendet werden. Andernfalls müssen sinnvolle Annahmen
getroffen werden: Es können z. B. auf die bei der Errichtung zugrunde gelegten Normen zurückgegriffen
und die dort angegebenen maximal zulässigen Schweißnahtfehlerabmessungen verwendet werden.
Eine vollständige erneute zerstörungsfreie Prüfung eines Erdgasröhrenspeichers ist nicht möglich, da in der
Regel keine Molchbarkeit gegeben und ein Freilegen des gesamten Speichers im Regelfall unwirtschaftlich
für die Projektumsetzung ist.
Gemäß DVGW G464 [8] können für die bruchmechanische Analyse rissartige Fehler auf der Rohrinnenseite
mit einer Tiefe von 5 % bzw. 10 % der Wanddicke und einer Länge von 50 mm angesetzt werden.
Mit den Abmessungen des Anfangsfehlers, den Abschätzungen der Spannungszustände aus der FE- Analyse
und dem angestrebten zukünftigen Lastkollektiv für die Gesamtanlage kann die Berechnung durchgeführt werden.
Im Folgenden werden anstelle des Kollektives zur Vereinfachung nur Volllastwechsel betrachtet.
In Bild 2 ist das Ergebnis einer Rissfortschrittsberechnung bis zur kritischen Risstiefe akrit für den Fall Speicherung
von Wasserstoff (blau) bzw. Speicherung von Methan (orange) dargestellt. Es wurden folgende Parameter
verwendet:
DVS 392 13