Die betriebsfeste Bemessung von komplexen und sicherheitsrelevanten Schweißstrukturen sollte sich nicht nur auf ein einziges Auslegungsverfahren verlassen, sondern sollte auch weitere Methoden heranziehen, um die Zuverlässigkeit des vorgenommenen Nachweises abzusichern. In diesem Kontext werden die Anwendung des Strukturspannungs-, Kerbspannungs-, und Rissfortschrittskonzeptes am Beispiel von Offshore-Rohrknoten diskutiert, die in energietechnischen Konstruktionen, wie Ölbohrplattformen, Windkraftanlagen, ein wichtiges Strukturdetail darstellen. Die Versuche wurden mit unter Schutzgas lichtbogengeschweißten K-Knoten aus dem Feinkornbaustahl Fe 355 unter konstanten und variablen Belastungsamplituden unter künstlichem Meerwasser (2.5 % NaCl, T = 15 Grad C, pH =7) durchgeführt. Die geradlinig verteilte Teilfolge mit variablen Amplituden (Common Load Sequence, COLOS) wurde anhand von langjährigen Seegangsbeobachtungen in der Nordsee abgeleitet und hatte einen Umfang von Ls = 4.95 x 105 Schwingspielen, eine Teilfolge entsprach einem Einsatz von einem Jahr. Alle untersuchten K-Knoten waren in den kritischen Bereichen zur Ermittlung der Strukturspannungsverteilung mit Dehnungsmessstreifen appliziert. Für die Darstellung der Ergebnisse wurden zwei Versagenskriterien definiert. Für die Beurteilung der Treffsicherheit des Hot-Spot-Spannungs- und Kerbspannungskonzeptes werden die Bemessungskurven der IIW-Empfehlungen mit FAT 90 und FAT 225 (Spannungsschwingbreiten bei N= 2 x 106 Schwingspielen, t = 25 mm, Pü = 97.7%) zu Grunde gelegt. Bei der Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für den Referenzradius r(ref) = 1.00 mm, wurde die Kerbspannung nach der Gestaltänderungsenergiethese (GEH) berechnet. Für die Berechnung des Rissfortschrittes wurde das Werkstoffverhalten unter künstlichem Meerwasser mit R = 0 und P(ü)= 50 % zugrunde gelegt. Die Berechnung des Rissfortschrittes wurde mit dem Modell der einseitig angerissenen Platte durchgeführt. Dem Einfluss von möglichen hohen Zugeigenspannungen wurde durch Verwendung der vorstehend angegebenen Rissfortschrittkennwerte für R = 0 Rechnung getragen, obwohl die Versuche unter Wechselbelastung mit R = -1 vorgenommen wurden. Um sowohl die Hot-Spot Spannungen als auch die Kerbspannungen im kritischen Bereich der Stutzen-Rohr-Verbindungen (phi = 105 Grad) zu bestimmen, wurde eine FE-Modellierung vorgenommen. Es wurde neben dem Referenzradius von r(ref) = 1.00 mm auch die Spannungsverteilung für r = 0.5 mm untersucht, weil dieser Radius mit Hilfe von Replikamessungen bestimmt wurde. Für die Berechnung der Strukturspannungen wurde im Programm MARC ein FE-Modell bestehend aus Schalenelementen (gekrümmte dicke Elemente) erstellt. Die Bewertung des Betriebsfestigkeitsverhaltens der Rohrknoten wird anhand der berechneten Hot-Spot- Spannungen und Kerbspannungen vorgenommen. Wie in einer Tabelle zusammengefasst, sind die Unterschiede zwischen berechneten und gemessenen (Hot-Spot-) Spannungen tolerierbar. Die Treffsicherheit der angewendeten Konzepte kann durch das Verhältnis berechneter und experimentell ermittelter Lebensdauern bei gleichem Versagenskriterium und gleicher Überlebenswahrscheinlichkeit beurteilt werden. Auf Basis der getroffenen Annahmen zeigen das Hot-Spot-Spannungskonzept und das Rissfortschrittskonzept in etwa die gleiche Genauigkeit. Das Kerbspannungskonzept hingegen erscheint konservativer. Dies könnte durchaus durch die Modellierung der Nahtübergangskerbe bedingt sein. Auch für das Rißfortschrittskonzept sollte hier noch mal erwähnt werden, dass trotz der Wechselbelastung mit R = -1, durch die Anwendung der Paris-Erdogan-Kennwerte für R = 0, um zumindest den am Anfang des Rissfortschritts vorhandenen Zugeigenspannungen Rechnung zu tragen, eine Konservativität vorliegt. Nichtsdestotrotz, alle drei Konzepte übertreiben nicht auf der sicheren Seite, liefern schlüssige Ergebnisse und sind somit zuverlässig. Die festgestellten Unterschiede zwischen den angewendeten Konzepten sind auf die verschiedenen Annahmen bzw. Modelle zurückzuführen aber tolerabel, weil die berechneten Lebensdauern ähnlich sind und nahe an den experimentellen liegen. Somit sichert die parallele Anwendung verschiedener Bemessungsverfahren, ihre Zuverlässigkeit vorausgesetzt, auch die Sicherheit in der Lebensdaueraussage ab.


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    Title :

    Gegenüberstellung und Zuverlässigkeit verschiedener lokaler Konzepte für die betriebsfeste Bemessung von geschweißten Offshore-Rohrknoten unter Seegangsbelastung und Meerwasserkorrosion


    Contributors:


    Publication date :

    2009


    Size :

    12 Seiten, 20 Bilder, 2 Tabellen, 11 Quellen




    Type of media :

    Conference paper


    Type of material :

    Print


    Language :

    German




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