Berechnungsmethode für Rohrbögen

Projektnummer 201

In den achtziger Jahren gab es eine Reihe von Schadensfällen in Kraftwerken durch das spontane Versagen von Rohrbögen und -biegungen, verbunden mit erheblichen Personen- und Sachschäden. Die weitaus größte Anzahl der geschädigten Rohrbögen und -biegungen wurde im Zeitstandbereich betrieben. Es musste davon ausgegangen werden, dass die Zeitstandschädigung zum Versagenszeitpunkt weiter fortgeschritten war, als es der rechnerischen Zeitstanderschöpfung entsprach.

Ein an der MPA Stuttgart seit 1986 durchgeführtes Großprojekt sollte Aufschlüsse über das Verhalten von Rohrbögen und -biegungen im Zeitstandsbereich unter Belastung durch Innendruck und Biegemoment liefern. Dieses von der VGB-FORSCHUNGSSTIFTUNG unter der Projektnummer 83 teilfinanzierte Projekt wurde 1994 abgeschlossen (siehe VGB-Konferenzen "Forschung für die Kraftwerkstechnik 1993" und "Forschung für die Kraftwerkstechnik 1995", VGB KraftwerksTechnik, August 1996, S. 661 - 666).

Zur Kennzeichnung der heutigen Situation bei der Berechnung von unrunden Rohrbögen im Zeitstandsbereich sind drei Aspekte von Bedeutung:

  • Stand der Regelwerke und ergänzender Vereinbarungen und Vorschläge,
  • Anforderungen der Betreiber (VGB) an die Qualität von Rohrbögen,
  • Möglichkeiten der Hersteller.

Die derzeit vorliegenden Regelwerke und Richtlinien zur Berechnung des Festigkeitsverhaltens von Rohrbiegungen sind nicht in der Lage, das Bauteilverhalten bei hohen Temperaturen (Zeitstandsbereich) widerzuspiegeln, da sie durchweg auf linear-elastischem Materialverhalten basieren. Mit steigender Temperatur ist der Einfluss von Kriech- und Relaxationsvorgängen für das Bauteil weitaus bedeutsamer, als das elastische Verhalten. Der Einfluss geometrischer Imperfektionen (Unrundheit des Querschnitts, unterschiedliche Wanddicken) wird in seiner Wechselwirkung mit den Belastungen Innendruck und Systemlasten (Biege- und Torsionsmomente) von keinem Regelwerk vollständig erfasst. Die Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs von Dehnungen und Spannungen und darauf aufbauende Berechnungen des Erschöpfungsgrades fehlen vollständig. Von den derzeit in der Endphase ihrer Entwicklung befindlichen europäischen Regelwerken ist kein Fortschritt in dieser Richtung zu erwarten. Eine realitätsnahe Festigkeitsberechnung von Bauteilen im Zeitstandsbereich ist derzeit nur mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) möglich.

Ziel des Vorhabens ist es daher, zu einem praxistauglichen Berechnungsalgorithmus zu gelangen, welcher in einer Verbändevereinbarung zu verankern ist. Aufgrund der Komplexität erscheint die Umsetzung des gesuchten Berechnungsalgorithmus in eine Software als Bestandteil der Vereinbarung der Hersteller- und Betreiberverbände sinnvoll.

Um die Streuungen innerhalb der FEM-Rechnungen zu minimieren bzw. Abweichungen, die durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffgesetze hervorgerufen werden, zu vermeiden, soll für jeden der Werkstoffe die gleiche Art von Kriechgesetz verwendet werden.

Werkstoffe und Temperaturbereiche

Werkstoff  Typische Einsatztemperatur  Höchste Einsatztemperatur 
  [°C]  [°C]
13 CrMo 4 4 515  540 
10 CrMo 9 10 525  550 
14 MoV 6 3 530  550 
15 CrMoV 5 10 530  550 
X 20 CrMoV 12 1 550  575 
X 10 CrMoVNb 9 1 (P 91)  580  610 
P 92  580  610 
E 911  580  610 

Die Werkstoffgesetze werden durch analytisches Berechnen von Zeitstandproben auf Plausibilität überprüft. Bei der Auftragung:

  • Kriechdehnung über der Zeit,
  • Kriechdehngeschwindigkeit über Kriechdehnung,
  • Kriechdehngeschwindigkeit über der Zeit

dürfen dabei keine Überschneidungen der Kurven für verschiedene Spannungsniveaus auftreten.

Zur besseren Nutzung der früheren Untersuchungen wurde ein Gemeinschafts-Arbeitsprogramm entwickelt, das der VGB-Fachausschuss "Werkstoffe und Qualitätssicherung" befürwortete. Das Projekt wird über eine Laufzeit von achtzehn Monaten bei zwei Herstellerunternehmen und der Staatlichen Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart (Prof. Roos) bearbeitet.

Ansprechpartner

Projektergebnisse

  • VGB-Fachtagung "Werkstoffe und Qualitätssicherung 2004", Dortmund, Vortrag 11.
  • VGB PowerTech 07/2004, S. 60 - 65.
  • Abschlussbericht