gwf Gas/Erdgas Gasnetze sind fit für die Energiewände (Vorschau)

FachberichtE Rohrnetz
Untersuchung des Festigkeits verhaltens
beim Schweißen druckbelasteter
Gashochdruckleitungen
Rohrnetz, Gashochdruckleitung, Schweißen unter Druck, Vorwärmung, Schweißsimulation,
Finite-Differenzen-Verfahren, Finite-Elemente-Methode
Marco Enderlein, Felix Koch und Joachim Roßmann
Mithilfe der Technologie „Schweißen unter Druck“
können gasführende Leitungen im Betrieb repariert
und erweitert werden. Dazu wird der betroffene Leitungsabschnitt
mit einer Induktionsglühanlage vorgewärmt
und beispielsweise ein T-Stück aufgeschweißt.
Für die sicherheitstechnische Bewertung der
geschweißten Rohrleitung und die Optimierung der
Technologie „Schweißen unter Druck“ werden die
Vorwärmung und das Schweißen der druckbelasteten
Leitung in einem Computermodell abgebildet. Die
Temperaturverteilung im vorgewärmten Rohr wird
mit dem Finite-Differenzen-Verfahren numerisch
ermittelt. Dabei wird ein eindimensionales Modell
verwendet, welches das Temperaturprofil vereinfacht
in axialer Richtung der Rohrleitung betrachtet. Der
maßgebende Wärmeübergang zwischen Rohrleitung
und Gasströmung wird durch numerische Strömungssimulation
untersucht. Die Simulation des
Schweißprozesses erfolgt mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode,
wobei die Schweißquelle auf Basis
der bekannten doppelellipsoiden Volumenwärmequelle
nach GOLDAK modelliert wird. Anhand der
berechneten Temperaturverteilung lassen sich Vorhersagen
bezüglich der während des Schweißens zu
erwartenden Gefügeumwandlungen treffen. Eine
nachfolgende Spannungsanalyse erlaubt Aussagen
zur Belastung der Schweißnaht sowie zu auftretenden
Eigenspannungen.
Analysis of strength behaviour during in-service
welding of high-pressure gas pipelines
Repairing or extending gas-bearing pipelines requires
a special technology. First, the corresponding pipeline
section is preheated using induction heat equipment.
In case of an extension afterwards a T-fitting is
welded onto the pipeline. To optimize this in-service
welding technology and for the purpose of safety
assessment the preheating and welding operations
are simulated with computer models. The temperature
distribution within the preheated pipe is calculated
numerically using Finite Differences Method.
Here, a one-dimensional model is used that predicts
the temperature profile in the axial direction of the
pipeline. The relevant heat transfer between the pipeline
and the gas flow is analysed within CFD-simulations.
The arc welding process is simulated by Finite
Element Method using the well known double ellipsoid
volume heat source by GOLDAK. The calculated
temperature distribution allows for prediction of the
microstructural transformations during welding. A
subsequent stress analysis yields results regarding
the load of the weld and arising residual stresses.
1. Einleitung
Gashochdruckleitungen müssen zur Sicherstellung eines
ordnungsgemäßen Betriebs regelmäßig gewartet und
im Bedarfsfall erweitert werden. Die betroffenen Leitungsabschnitte
können hierbei aus betriebswirtschaftlichen
und technischen Gründen zumeist nicht vom Netz
genommen werden, und erforderliche Schweißarbeiten
sind im Betriebszustand der Leitung durchzuführen.
Damit wird eine unterbrechungsfreie Gasversorgung für
die angeschlossenen Verbraucher sichergestellt.
Vor diesem Hintergrund wird am Institut für Mechanik
und Fluiddynamik der TU-Berg-akademie Freiberg
im Auftrag der Verbundnetz Gas AG ein Forschungsprojekt
bearbeitet, das sich mit der Simulation des Schweißens
von Gashochdruckleitungen bei laufendem
Betrieb beschäftigt. Ziel des Projekts ist die sicherheitstechnische
Bewertung der ge-schweißten Rohrleitung
unter Berücksichtigung lokaler Materialveränderungen
infolge der Erwärmung beim Schweißen sowie die Optimierung
der Technologie des „Schweißens unter Druck“.
April 2012
244 gwf-Gas Erdgas