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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: <strong>DVS</strong> 392 13
Tabelle 1. Berechnungsparameter – Beispiel Rohrleitung Größe: Verwendeter Wert Außendurchmesser DN1400 Wanddicke 21,6mm Material X80 Volllastwechsel 0 bar – 100bar Rissgeometrie Halbelliptischer innenliegender Oberflächenriss Anfangsrisstiefe a=1mm Anfangsrisslänge 2c=50mm Bild 2. Risswachstum bei Volllastwechseln von 0 bis 100 bar Unter Luft / Methanatmosphäre (orangefarbige Linie in Bild 2) tritt hier kein Risswachstum auf und die kritische Risstiefe wird somit nicht erreicht. Unter Wasserstoffatmosphäre (blaue Linie in Bild 2) wird die kritische Risstiefe von 6,8 mm nach 354 Volllastwechseln erreicht. Dabei ist zu beachten, dass das in DVGW G 464 vorgeschlagenen Bewertungsverfahren eine maximal zulässige rechnerische Risstiefe von 4,5 mm ergibt. Damit wird die zugehörigen zulässige Lastwechselzahl von 319 bestimmt. Nach 1/5 dieser Lastwechselzahl ist gemäß DVGW G464 Regelwerk eine Überprüfung erforderlich. Das bedeutet in diesem Fall nach hier ca. 63 Lastwechseln. Dieses wäre für den Betrieb des Röhrenspeichers vermutlich nicht wirtschaftlich. Daher wird im Folgenden der Einfluss der unteren Entleerungsgrenze untersucht. Wenn der Speicher nicht bis 0 bar, sondern nur bis zu einem minimalen Druck pmin entleert wird, erhöht sich die zulässige Lastspielzahl und auch das entsprechende Prüfintervall (Bild 3). Gleichzeitig reduziert sich damit allerdings das effektiv nutzbare Speichervolumen, was für die wirtschaftliche Nutzung des Speichers für den Betrieb mit Wasserstoff zu berücksichtigen ist. Bild 3. Zulässige Lastwechsel als Funktion des minimalen Betriebsdrucks bei einem maximalen Druck von 100 bar (10MPa). 14 <strong>DVS</strong> 392
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