der werkstoffmechanisch basierte integritätsnachweis … · asme b 31g‐1991: manual for...

Der werkstoffmechanisch basierte IntegritätsnachweisIntegritätsnachweis

–B i fü i d k h dBasis für wiederkehrende

Prüfmaßnahmen

Eberhard Roos (MPA Universität Stuttgart)Xaver Schuler (MPA Universität Stuttgart)

Hartmut Drosch (Gasversorgung Süddeutschland GmbH)

25. FDBR – Fachtagung Rohrleitungstechnik 23.-24.03.2010

1

Inhalt

EinleitungEinleitung

Vorgehensweise zur Gewährleistung einer anforderungsgerechten Qualität im Betriebanforderungsgerechten Qualität im Betrieb

Integritätsnachweisll d h d l dDarstellung des vorhanden Qualitätszustandes

Analyse möglicher und aktiver Schädigungsmechanismen

Bewertung der vorhandenen Rohrleitungsqualität

Zusammenfassung

2 25. FDBR – Fachtagung Rohrleitungstechnik (23.‐24.03.2010)

Einleitung

Die Integrität einer Rohrleitung wird bestimmt durchDie Integrität einer Rohrleitung wird bestimmt durch die im Zuge der Herstellung erzeugte Qualität

Werkstoffe

Konstruktion

rechnerische Nachweise

Fertigung

Qualitätssicherung


Einleitung

und durch betriebliche Maßnahmen, die zum Erhaltund durch betriebliche Maßnahmen, die zum Erhalt einer anforderungsgerechten Qualität während der weiteren Betriebszeit ergriffen werden.weiteren Betriebszeit ergriffen werden.

Wiederkehrende Prüfungen (WKP)

Instandhaltungsmaßnahmen

Betriebsweise


Einleitung

E t i kl i

Schadenseintritt

Entwicklung einerSchadensbildungkann erkannt werden(Diagnosen)

Anfang derSchadensbildung

ualit

ät)

Zeitintervall zumEinschreiten beizustandsorientierternd

ene

Qu

Instandhaltung

nd (v

orha

n

Optimierungspotential zur Verlängerung der Instandhaltungszyklen

Für Anlagenbetrieb unbedenklich, hohe Kosten

Für Anlagenbetrieb unbedenklich, optimale Kosten

ST-Z

usta

n g y

Für Anlagenbetrieb evtl. bedenklich, evtl. hohe Kosten (z. B. Ausfall, Schaden) ZeitIS


Einleitung

Die Analyse und Bewertung des Rohrleitungszustandes bildet y g gdie Grundlage für die Gewährleistung der Integrität und die Festlegung betrieblicher Maßnahmen zum Erhalt einer f d h l banforderungsgerechten Qualität im Betrieb.

Hierzu ist eine detaillierte Kenntnis über mögliche und/oderHierzu ist eine detaillierte Kenntnis über mögliche und/oder aktive Schädigungsmechanismen erforderlich.

Ursachen

Einflussgrößen auf die Schädigungsentstehung und ‐entwicklung

Folgen einer Schädigung

Die Analyse und Bewertung dieser Schädigungsmechanismen kann im Rahmen eines Integritätsnachweise erfolgen.

6

g g

25. FDBR – Fachtagung Rohrleitungstechnik (23.‐24.03.2010)

Einleitung

Durch den Integritätsnachweis ist es möglich zuDurch den Integritätsnachweis ist es möglich zu bewerten inwieweit durch Schädigungsmechanismen

die Integrität und damit der sichere Betrieb derdie Integrität und damit der sichere Betrieb der Rohrleitung beeinträchtigt wird,

Befunde evtl. in Kombination mit zusätzlichen Maßnahmen (WKP, Monitoring, ...) belassen werden können,

Reparatur‐ oder Ersatzmaßnahmen erforderlich sind.


Vorgehensweise

Ausführung (spez. / as built) Belastungen Betriebserfahrung, WKP, Sonderprüfungen (Molchung)- Werkstoff

- Konstruktion - Befundeder

nen

t

- Fertigungs- / Fügeverfahren Betrieb StörfälleBefunde

- auffindbare Fehlergröße

Betriebliche Belastungen d d Hä fi k it

Umgebung Spezifizierte Belastungen

Nac

hwei

s d

vorh

ande

nQ

ualit

ät

Spannungsanalyse

und deren Häufigkeiten Medium Belastungen

alys

em

en Schädigungsanalysep g y

z. B. Bestimmung vonErschöpfungsgrade

Befundanalyse(Ermüdung)

( B ASME B31 dechn

ung,

Ana

S.-M

echa

nism

Absicherung der Analysemethoden

(z. B. Experimente)

Beurteilung vorhandene Qualität, Restlebensdauer

(z. B. ASME B31 oder Bruchmechanik)B

ere

der

Normen und Richtlinien

Komponentenstatus

Überwachungsmaßnahmen(Ort, Verfahren, Intervall)B

ewer

tung

,M

aßna

hmen

Modifikation der Fahrweise

Instandsetzung- Reparatur / Austausch (ggf.

O ti i d K t kti )

RichtlinienForschung


für Ursachen und/oder Folgen von Schädigungsmechanismen

B M Modifikation der Fahrweise Optimierung der Konstruktion)

Integritätsnachweis – Vorhandene Qualität

AnwendungsbeispielAnwendungsbeispiel Erdverlegte Gashochdruckleitungen aus Stahl (Errichtungszeit teilweise in den 1960er Jahren DN 300 700)(Errichtungszeit teilweise in den 1960er Jahren, DN 300 ... 700)


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätWerkstoff

Verfügbare Werkstoffangaben: Baujahr Werkstoff DN

• Werkstoffanforderungen aus der Errichtungszeit

1962 X46 4001965 St52.7 5001962 X46 400

1962/64 X46 3001975 St53 7 400

• Aktuelle Werkstoffanforderungen (z. B. DIN 17100, Werkstoff St42‐3)

• Abnahmewerte für Grundwerkstoff und Schweißgut

1975 St53.7 4001963/1986 MRSt37.2 200/2501963/1991 X52/StE385.7 600/5001962/64/69 X42/St43.7/St35 300

Abnahmewerte für Grundwerkstoff und Schweißgut (an der MPA liegen für Gashochdruckleitungen aus Stahl noch umfangreiche Prüfprotokolle vor)

k ll k ffd b k• Aktuelle Daten aus MPA‐Werkstoffdatenbank ergänzt durch aktuelle Werkstoffprüfungen• Flachzugprobengp• Integralproben• Kerbschlagbiegeproben• Bruchmechanikproben


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätWerkstoff

Ergebnis aktueller Werkstoffprüfungen:

Zugprüfung bei 0°C, (Intergralproben GW‐WEZ‐SG): Bruch im GW

Kerbschlagbiegeprüfung (ISO V Proben aus Mitte SG)

St42-3 (X42) MPA 2008 DIN 17100 Anford. 1965

Kerbschlagbiegeprüfung (ISO‐V‐Proben aus Mitte SG)

Bruchmechanikprüfung (statisch und zyklisch) aus Mitte SG

St42 3 (X42) MPA 2008 DIN 17100 Anford. 1965

Re / MPa 402 255 270Rm / MPa 529 412 412m

Bruchdehnung / % 29 26 22Kerbschlagarbeit (0°C) / J 40 (ISO-V) 28 (ISO-V) 28 (DVM)Bruchmechanik (0°C)Ji / N/mmKIJ / MPa√m

3080

- -

KIJ / MPa√m 80da/dN C = 7,5E-10

n = 3,9


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätSchweißnähte

Werksnähte : automatisierte Spiralnahtschweißung mit Qualitätskontrolle, v=1

Bei Baustellennähten : durch Schweißer mit gültigem Schweißerzeugnis.

l bl h h ß h f kHier liegen übliche Schweißnaht‐Imperfektionen in Form von z.B. Kantenversatz, Lunker, Bindefehler vor (Schweißqualität bei der Rohrverlegung E‐Handschweißungen mit v=0 85)der Rohrverlegung E‐Handschweißungen mit v=0,85)

Schweißkantenversatz


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätBelastungen

BelastungBetriebsdruck statisch 50 bar,Betriebsdruck statisch 50 bar,

Hauptdruckversuche 54 – 58 bar.

Druckschwankungen Δp = 35 bar (überwiegend < 10 bar)Druckschwankungen Δpmax = 35 bar (überwiegend < 10 bar)

ΔpΔp= 24 bar

Δpmax= 35 bar


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätBeispiele für mögliche Befundzustände

Defizite aus der HerstellungÜberwalzungen (Doppelungen)

Kratzer, Eindellung

Einwalzungen von Fremdkörpern

Beulen und Dellen (Feldbögen)

Ri f K tRiefen, Kratzer

DoppelungenAufdachung bei Baustellenbiegung



Schädigungen während der Betriebszeit

Flächige Korrosion (außen)

Lochfraßkorrosion

vereinzelt mikrobiologische Korrosion (außen)

In der Regel keine rissbildende Korrosion

Beulen und Dellen Riefen Kratzer durch äußere mechanischeBeulen und Dellen, Riefen, Kratzer durch äußere mechanische Beschädigungen (z. B. bei Straßenbau eingebracht)

vereinzelt Delaminationen und Abplatzungen von Überwalzungen

Anmerkung: Korrosionsbefunde stammen häufig aus der Anfangszeit des Leitungsbetriebs und sind zwischenzeitlich durch einen aktiven Korrosionschutz zum Stilltand gekommen.



Überwiegend Flächige Korrosion (außen)

Vereinzelt Abplatzungen (Dopplungen)

Vereinzelt mikrobiologische Korrosion (außen)


Integritätsnachweis – Vorhandene QualitätBefundzustand‐ Prüfmöglichkeiten

Molchung mit Magnetstreuflussmolch



Ein sehr starker Permanentmagnet magnetisiert

Das Prinzip der MagnetstreuflusstechnikEin sehr starker Permanentmagnet magnetisiert zuerst die Stahlleitung. Die unmittelbar danach angeordneten Fühler registrieren Abweichungen der in der Rohrwandeingebrachten Magnetflusslinien. Diese im Zuge des Inspektionslaufes aufgenommenen Signale werden mit R f i l li h d d i d diReferenzsignalen verglichen und daraus wird die wahrscheinlichste Defektgeometrie abgeleitet.Die Erfassungsgenauigkeit von Defekten liegt bei Magnetstreuflussmolchen im Bereich von einemMagnetstreuflussmolchen im Bereich von einem bis zwei Prozent der Nennwanddicke. Kleinere Fehler werden auch registriert, jedoch steigt dabei die Ungenauigkeit der Auswertungsteigt dabei die Ungenauigkeit der Auswertung (Länge, Breite, Tiefe des Fehlers).


Integritätsnachweis – AnalyseBewertungsgrundlagen

Berechnungsnormen und Technische Regeln

DIN EN1594:2000 Rohrleitungen für einen maximal zulässigen Betriebsdruck überDIN EN1594:2000 Rohrleitungen für einen maximal zulässigen Betriebsdruck über 16 bar, CEN Europäisches Komitee für Normung, Brüssel, 2000

SF = 1,4

DVGW Arbeitsblatt G463, Technische Regel für Gasleitungen aus Stahlrohren für einen Betriebsdruck > 16 bar, DVGW Regelwerk, Deutsche Vereinigung des Gas‐und Wasserfachs e V Bonn 2001und Wasserfachs e.V., Bonn, 2001

SF = 1,5 bis 1,6

DIN EN 13480 3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002 05): Metallische IndustrielleDIN EN 13480‐3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002‐05): Metallische Industrielle Rohrleitungen, Teil 3: Konstruktion und Berechnung, NormenausschußRohrleitungen und Dampfkesselanlagen (NARD) im DIN Deutsches Institut für Normung e V August 2002Normung e.V. August 2002

TRG 241 Technische Regeln Druckgase, Allgemeine Anforderungen an D k b hält H t ll S h iß d d Fü f h S t 1975


Druckgasbehälter, Herstellen, Schweißen und andere Fügeverfahren, Sept. 1975


Werkstoffnormen (Techn. Lieferbedingungen)

DIN 17100: Allgemeine Baustähle, Gütevorschriften, September 1966g p

DIN 17172: Stahlrohre für Fernleitungen für brennbare Flüssigkeiten und Gase, Oktober 1966

DIN EN 10208‐2: Stahlrohre für Rohrleitungen für brennbare Medien, Technische Lieferbedingungen, August 1996

API Specifications L5, American Petrol Ind.API Specifications L5, American Petrol Ind.



Richtlinien und Berechnungsprozeduren zur Befundbewertung

ASME B31G‐1991: Manual for Determining the Remaining Strength of CorrodedPipelines,The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA, 1991

FITNET, Fitness‐For‐Service (FFS) Procedure, Corrosion Damage Module, GKSS Research Center, Geesthacht, Germany, 2001

British Standard 7910, Guide on Method for assessing the acceptability of flaws in metallic structures, British Standards Institution, 2005

XPiPE™ R6/P B h f i A l (d i i i h dXPiPE™‐R6/P: Berechnungssoftware zur erweiterten Analyse (deterministisch und probabilistisch) von Komponenten mit rissartigen Fehlern, MPA Universität Stuttgart, 2008


Integritätsnachweis – AnalyseSpannungsanalyse

NennspannungenRohr 323,9 mm x 6,35 mm, St42‐3 (X42), pB = 50 barRe = 255 MPa , SF = 1,6 ‐> smin = 5,1 mm snenn = 6,35 mm > smin ‐> SFist = 2

Bewertung von Zusatzlastenlasten mittels FEM

Vergleichsspannungv. Mises / MPa

(auch Berücksichtigung lokaler Schwächungen möglich)

p = PA (62 bar)Mb = 25 kNm


Verformung um den Faktor 100 überhöht dargestellt

Integritätsnachweis – AnalyseSpannungsanalyse

Bewertungskriterien fürBaustellenbiegungen

DIN EN 1594:2000:Die Herstellung von Baustellenbögen aus spiralnahtgeschweißten Rohren ist zulässig.

h h hUnrundheit max. 2,5% des Rohraussendurchmessers

Faltenhöhe kleiner 0,01 des Abstands zweier Falten (Spiralnähte)

An beiden Enden gerade Schenkel von mindestens 0,5 m Länge

Keine Rundnähte im Biegebereich

Mindestbiegeradius 40 x Aussendurchmesser

DVGW‐Regelwerk Arbeitsblatt G463: 2001:Die Herstellung von Baustellenbögen aus spiralnahtgeschweißten Rohren ist zulässig.

Unrundheit max. 4 % des Rohraussendurchmessers

Beulen und Falten sind nicht zulässig, flache Wellen sind nicht zu beanstanden

Biegegrad maximal 1,5° / Länge eines Rohrdurchmessers

Mindestbiegeradius 40 x Aussendurchmesser


Integritätsnachweis – AnalyseErmüdungsanalyse

S-N Ermüdungskurve (EN 13480-3:2002)

Zulässige Lastspielzahl für Auslegungstemperaturen < 100oC und Wanddicken <25mm

RS – ungeschweißt (gewalzte Oberfläche)K1 – Schweißnaht beidseitig geschweißtK2 Ei iti h ißt it G htK2 – Einseitig geschweißt mit GegennahtK3 - Einseitig geschweißt ohne Gegennaht

Δp < 10 bar

ergibt 2σa* < 2σW

Δp = 24 bar ergibt 2σa* > 2σW

mit Nzul = 1,05•106

2σW = 63 MPa

für K1

Δp = 35 bar ergibt 2σa* > 2σW

mit Nzul = 3,4•105


Integritätsnachweis – AnalyseBefundbewertung

Fehlerbewertung nach ASME B31 und FITNET

Lokale Wanddickenschwächungen

Fehlerbewertung nach ASME B31 und FITNET

ASME B 31G‐1991: Manual for Determining the RemainingASME B 31G 1991: Manual for Determining the RemainingStrength of Corroded Pipe‐lines

FITNET: European Fitness‐for‐service Network, Corrosionp ,Damage Module

Bewertung von örtlichen Wanddickenschwächungen (Localthinned areas), z.B. Korrosionsstellen oder mechanische Abtragungen



P l = P0 * rsflP l = P0 * rsflP l = P0 * rsfl

Vorgehensweise nach ASME B31

Pzul = P0 rsfl

1

1,1Pzul = P0 rsfl

1

1,1Pzul = P0 rsfl

1

1,1Auslegungsdruck, P0

111

Betriebsdruck PB

tbar

keit

tbar

keit

tbar

keit

Bel

ast

unzulässige F hl öß

Zulässige F hl öß

Bel

ast


Zulässige F hl öß

Bel

ast


Zulässige F hl öß FehlergrößenFehlergrößen FehlergrößenFehlergrößen FehlergrößenFehlergrößen

27

Fehlergröße (Länge, Tiefe)Fehlergröße (Länge, Tiefe)Fehlergröße (Länge, Tiefe)

25. FDBR – Fachtagung Rohrleitungstechnik (23.‐24.03.2010)


Pzul = P0 * rsfl

FITNET ASME B31

rsfl remaining strength factor

1 ⋅−⋅=

XFrsf s

a

factor 11 −⋅⋅−⋅=

MXFrsf

sal

rsfl remaining strength )1( sa

l Frsf −⋅=factor für 412 >−M

)( slf

Folias Faktor sDLM ⋅⋅+=

28,01 sD

Profilfaktor X 1 2/3

F 1 1 1F 1 1,1

Nenndruck bzw Auslegungsdruck P0

fa

cyl

SsDs

P⋅−

⋅⋅=

)(2

0

σ

fa

e

SDRsP

⋅⋅⋅

=2

0



Zähigkeitsmodifizierte plastische GrenzlastgleichungRissartige BefundeZähigkeitsmodifizierte plastische Grenzlastgleichung(PGL, MPA‐Programm XPiPE)

R6‐Methode (MPA‐Programm XPiPE‐R6/P )

1 unsicher1

sicher

unsicher

KR

0 LR 1

zulässig

Verfahren erfordern als Eingabe Werte die Kerbschlagarbeit (PGL)

oder Bruchmechanik‐Kennwerte wie Kic oder Ji (R6)



R6, Initiierung, Längsfehler, pBetrieb = 50 bar

Maximaler Betriebsdruck

t = Wanddickea = Fehlertiefe2c = Fehlerlänge



R6, Initiierung, Umfangsfehler, pBetrieb = 50 bar350

300

Pa

a/s = 0,25

a/s = 0,5

200

250

ng σ

/ M

P

a/s = 0,75

150

alsp

annu

n

50

100

Axi

a

σax(Pi = 50 bar)

s = Wanddicke

00 20 40 60 80 100

σeigen = Re a = Fehlertiefe2c = Fehlerlänge


Risslänge 2c / mm

Integritätsnachweis – BefundbewertungBefundbewertung

1

23

Bewertungskurvefür flächige Fehler

Bewertungskurvefür rissartige Fehler

für flächige Fehler


Integritätsnachweis Experimentelle Verifikation

Berstvesuch 1

nach Versuch



Berstvesuch 2

nach Versuch



Berstvesuch 3

nach Versuch


nach Versuch


2 5

3Berstversuch 3 künstlicher flächiger Fehler

Berstversuch 2 Abplatzung

Berstversuch1 Lochfraßkorrosion

2

2.5

Berechnungsbasis: Anforderungswerte

1.5

2

/ Pbe

tr

Sicherheitsfaktor: 1

Betrieb

1

P /

p/p B

0.5

Ber

stdr

uck

Ber

stdr

uck

Ber

stdr

uck

SME

B31

ASM

E B

31

SME

B31

GL,

XPi

PE

GL,

XPi

PE

L, X

PiPE

0

Exp.

Exp.

Exp.A A AS

PG PG PGL

Bauteilversuche zeigen deutliche Tragreserven auf


Bauteilversuche zeigen deutliche Tragreserven aufKonservativität der Bewertungsverfahren bestätigt

Zusammenfassung (1)

Die wesentlichen Elemente des werkstoffmechanisch basierte Integritätsnachweis wurden dargestellt und eine allgemeinIntegritätsnachweis wurden dargestellt und eine allgemein anwendbare Vorgehensweise aufgezeigt.

Der Integritätsnachweis ermöglichtDer Integritätsnachweis ermöglicht quantitative Aussagen zur Integrität und damit dem sicheren Betrieb von Komponenten und Systemen und

bildet die Grundlage für betriebliche Entscheidungen wie z.B. ob Befunde evtl. in Kombination mit zusätzlichen Maßnahmen (WKP, Monitoring, ...) belassen werden können oder Reparatur‐ oder g, ) pErsatzmaßnahmen erforderlich sind.

Die praktische Anwendung dieser Vorgehensweise wurde am l h hd kl fBeispiel von Gashochdruckleitungen aufgezeigt.


Zusammenfassung (2)

Die Untersuchungen weisen für die betrachteten Gashochdruckleitungen eine hohe inhärente Sicherheit undGashochdruckleitungen eine hohe inhärente Sicherheit und Fehlertoleranz aus.

Das Verfahren der Magnetstreuflussmolchung ermöglichtDas Verfahren der Magnetstreuflussmolchung ermöglicht eine 100% Prüfung der Leitungen mit ausreichender Prüfgenauigkeit.

In Verbindung mit der Vorgehensweise zum Integritätsnachweise kann ein langfristiger sicherer Betrieb der Versorgungsleitungen mit hoher Versorgungssicherheit gewährleistet werden.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

p g g(MPA Stuttgart, Otto‐Graf‐Institut (FMPA))

Postfach 801140, D‐70511 Stuttgart

Internet: http://www.mpa.uni‐stuttgart.de

E‐Mail: [email protected]‐stuttgart.deE Mail: [email protected] stuttgart.de


SchädigungsmechanismenUrsachen‐Folgen‐Matrix

statisch

…

statisch

schwingend

dynamisch

statisch

transient

MechanischeBelastung

ThermischeBelastung

( O )

Ursachen

Schädigungs-

Flächen-korrosion

LokaleKorrosion

n- s- RK) s- K) - RK)e

plas

tisch

e(R

atch

etin

g)

atio

n

ion

lver

schl

eiß)

tisch

e D

efor

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, Kni

cken

)

dung

hen

schl

eiß

e A

lteru

ng

Medium (korrosiv, abrasiv)

Schädigungsmechanismen

Folgen

X X X X X

Oxi

datio

n,Zu

nder

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Ver

schl

eiß-

korr

osio

n …

Loch

-, M

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Krie

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Gle

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s

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mis

che

Änderung Materialeigenschaften X X X X X

X X X

X X X X X

X X X X X X

X X X X X X X X X

Geometrieänderung

Wanddickenschwächung

Anriss + Risswachstum

Leckage

Änderung Materialeigenschaften

X X X X X X

( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X )Beeinträchtigung der Funktion?

Bruch

…


● logisches ODER○ logisches UND

der werkstoffmechanisch basierte integritätsnachweis … · asme b 31g‐1991: manual for...

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