TWI: CRA Lined Pipe

Diesen Vortrag mit dem Titel Investigations into the fatigue strength of CRA lined pipe hat Carol Johnston zusammen mit Channa Nageswaran und Tyler London bei der Offshore Technology Conference OTC2016 in Houston, Texas zum ersten Mal präsentiert (DOI: 10.4043/27141-MS).

• Hintergrund: Was ist Lined Pipe und was sind die Unbekannten?
• Ansatz
• • Resonanzfrequenz-Ermüdungsuntersuchungen in voller Größe
  • Ultraschalluntersuchungen
  • Engineering Critical Assessmen (ECA)
• Ergebnisse
• • Resonanzfrequenz Ermüdungsuntersuchungen in voller Größe
  • Ultraschalluntersuchungen
  • Engineering Critical Assessment (ECA)
• Schlussfolgerungen: Was haben wir über Lined Pipe gelernt?
• Zukünftige Arbeiten

• Verbundforschungsprojekt von TWI Ltd und INTECSEA
• Projektsponsoren
• • Petrobras
  • BG Group
  • Saipem
  • Tenaris
  • Technip
  • Cladtek
  • HMC
• Projektlaufzeit von Mai 2012 bis März 2014
• Lined Pipe ist relativ neu mit einigen Unbekannten

• Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) Stahlrohr mit einem (formschlüssig) eingelegtem Rohr aus rostfreiem Edelstahl (Corrosion Resistant Alloy, CRA)
• Kostengünstiger als Clad Pipe (bei dem die beiden Lagen durch Sprengplattieren oder Walzplattieren stoffschlüssig  miteinander verbunden sind)
• Auftragsschweißungen im Endbereich, um Umfangsschweißnähte auf der Baustelle erstellen zu können

• Das Verhalten an der Übergangsstelle unter Ermüdungsbelastung
• Die Möglichkeit, dass sich Risse im Liner bilden, bevor der C-Mn-Stahl reißt
• Es gibt noch keine Methode für die Ultraschallinspektion an der Übergangsstelle
• Es gibt keine Richtlinien für den Belastungs-Intensivitäts-Faktor an der Übergangsstelle
• Es gibt keine Richtlinien für die Ausführung von Engineering Critical Assessment (ECA)

• Keine Daten über das Ermüdungsverhalten
  -> Produziere ein S-N-Diagramm für Lined Pipe mit Auftragsschweißungen
•  Keine Richtlinien über die Untersuchungsmethoden für Lined Pipe
  -> Untersuche eine mögliche Methode, um den Übergangspunkt zwischen Auftragsschweißungen und Liner in Lined Pipe
• Keine Richtlinien bezüglich der Ausführung eines Engineering Critical Assessment
  -> Produziere Materialdaten für Lined Pipe und entwickle eine Methodologie für Engineering Critical Assessments (ECAs) von Lined Pipe

• Resonanz-Ermüdungsuntersuchungen in voller Größe
  
• Das ist eine Methode, um Rohre oder Verbindungsstücke (Connectors) in voller Größe zu untersuchen
  
• Die Methode wird weitverbreitet eingesetzt , wenn Schweißanweisungen qualifiziert werden sollen oder die Ermüdungsfestigkeit von Verbindungsstücken ermittelt werden soll
  
• Rege das Prüfstück zu Resonanz der ersten Ordnung an
  
• Konstruiere Prüfstücke mit einer Resonanzfrequenz von 30 Hz
  
• Regele die Anregungsmotorgeschwindigkeit, um die aufgebrachten Lasten zu regeln
  
• Nutze Innendruck um die axiale Durchschnittsbelastung zu erreichen (R>0)

• 12 Lined Pipes wurden mit  Resonanz-Ermüdungsuntersuchungen in voller Größe getestet
  
• Die Muster waren aus Grade 450 Kohlenstoffstahl und einem CRA Liner
  
• Alle Liner waren aus Alloy 625.
• Umfangsnähte und zwei Übergangspunkte in der Rohrmitte. 
  
• 6 Rohre hatten einen Außendurchmesser von 12,75 Zoll
  
• 6 Rohre hatten einen Außendurchmesser von 8,25 Zoll
  
• Test mit R>0 bis zum Versagen
  
• Belastungslevel (Stress Range) und Ermüdungsdauer (Fatigue Endurance) wurden für jedes Prüfstück aufgezeichnet.

• Ultraschalltesten von der Außenseite des Rohres wurde eingesetzt
• Herausforderungen die gelöst werden mussten
• • Anisotrope Gefügestruktur
  • • Hohes Rauschen
    • Schwer interpretierbare resultierende Ultraschallwellen
  • Die mechanische Grenze (zwischen C-Mn-Rohr und Liner) ist eine Barriere für die Ultraschallwellen

• Pragmatischer Ansatz
• • Ein Inspektionsmuster mit repräsentativen Fehlern wurde hergestellt
  •  Mehrere Ultraschallinspektionsverfahren wurden an dem Inspektionsmuster ausprobiert
  • Die als geeignet identifizierten Verfahren wurden mit den Ermüdungsproben optimiert

• Um Engineering Critical Assessment (ECA) durchführen zu können, sind Materialdaten erforderlich. Diese wurden bisher in der Literatur noch nicht veröffentlicht. Daher mussten Bruchzähigkeit, Festigkeit und die Ermüdungsrissfortschrittsgeschwindigkeit für CRA ermittelt werden
• Es war nicht möglich, SENT-Muster (Single Edge Notched Tension Specimens) in voller Größe mit a/W = 0,2 nach DNV RP F108:2006 herzustellen. Daher wurden verkleinerte Muster mit einer funkenerodierten Nut (Electrical Discharge Machining, EDM)  hergestellt
• Engineering Critical Assessment (ECA): Die Analyse mit der Finite-Elemente-Methode wurde eingesetzt. Die Lined Pipe wurde modelliert und dann wurden in einem Modell, das virtuelle Risse enthielt,  globale Biegung, globaler axialer Druck und Rissanfangsdruck überlagert
• Belastungsintensitätsfaktor K_i und Y-Faktor Y:

• Geometriespezifische Belastungsintensitätsfaktor-Lösungen wurde auf diese Weise für Risse in Lined Pipes ermittelt

• Es gibt eine Tendenz für Risse an der Übergangsstelle von der Auftragsschweißung zum Liner (6 von 9 Prüfstücke)
• Die Belastungsdaten zeigten, dass manchmal der Liner vor dem C-Mn Stahl riss (was zu Problemen führen würde, weil das korrosive Medium dann mit dem C-Mn Stahl in Berührung käme)
• Eine Regressionsanalyse wurde ausgeführt, um ein Design-Diagramm für Lined Pipe zu erstellen
• Die derzeitige Empfehlung der DNV ist Klasse F, aber dieses Projekt zeigte eine Ermüdungsfestigkeit zwischen BS 7608 Class D und BS 7608 Class C (sehr viel höher als die bisherige DNV-Klasse)

• In Rohrlängsrichtung (longitudinal) ausgerichtete Phased Array Sender und Empfängersonden wurden verwendet, um widergespiegeltes Rauschen zu minimieren
• 0° Hochfrequenz-PA-Sonde
• Abgewinkelte Shear-PA-Sonde
  -> Ein eigenes Komposit-Werkzeug wurde entwickelt und auf einem Kalibrierblock optimiert
• Resonanz-Test-Muster wurden vor und nach dem (mechanischen) Testen (mit Ultraschall) inspiziert
• Das Werkzeug konnte Typ II und Typ IV Fehler nicht finden
• Das Werkzeug konnte aber Typ I und Typ III Fehler finden

• Die Bruchzähigkeit der Wärmeeinflusszonen (WEZ) der Auftragsschweißungen wurde mit verkleinerten SENT-Mustern (Single Edge Notched Tension Specimens) erfolgreich ermittelt
• Die Bruchzähigkeit der Wärmeeinflusszonen (WEZ) der Auftragsschweißungen ist ähnlich wie die der Wärmeeinflusszonen der (Umfangs-)Schweißnähte.
• Es wird aber empfohlen, für kritische Anwendungen bereits angerissene Muster zu verwenden
• Die Belastungsintensitätsfaktoren anhand von Y-Faktoren waren 15% niedriger als BS 7910 Raju-Newman Lösungen
• Paris‘ Law Ermüdungsfortschrittsgeschwindigkeitsdiagramme (Fatigue Crack Growth Rate, FCGR) anhand von Y-Faktoren stimmten gut mit den Ergebnissen der Ermüdungsuntersuchungen überein
• Der Einsatz von Y-Faktor-Belastungsintensitätsfaktoren (Stress Intensity Factors, SIFs) im Engineering Critical Assessment (ECA) können übertriebene Konservativität vermeiden, wenn keine vollständige Finite Elemente Analyse durchgeführt werden kann.

• Ein Inspektionsverfahren, das auf Ultraschallprüfmethoden basiert, wurde entwickelt und für die Untersuchung der Lined Pipe Muster eingesetzt
• Resonanzermüdungsuntersuchungen in voller Größe wurden durchgeführt und die Position der Risse in CRA Lined Pipes herausgefunden
• Materialdaten, die für die Lined Pipe Geometrie spezifisch sind, wurden ermittelt
• Numerische Modellierung wurde eingesetzt, um die Belastungsintensitätsfaktor-Lösungen zu generieren, die für die Lined Pipe Geometrie spezifisch sind

• Ein Nachfolge-Verbundforschungsprojekt wird vorgeschlagen, um Lined Pipe unter großer globaler Biegebelastung, z.B. während des Verlegens mithilfe von Abwickelspulen (Reeling Installation)  zu untersuchen
• Das Ziel ist es, CRA Lined Pipe Muster unter großen zyklischen Biegebelastungen zu testen und festzustellen, ob ein Knock-Down-Faktor für die Ermüdungsbelastung von Falten enthaltenden Lined Pipes angewendet werden sollte.

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zu CRA Lined Pipes zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).