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

Rohrnetz
Fachberichte
Die Vorgehensweise bei einer derartigen Schweißung
ist in Bild 1 beispielhaft für das Erstellen eines
Abzweiges dargestellt. Der Abzweig wird mithilfe eines
geteilten T-Stücks erstellt. Die beiden Teile des T-Stücks
werden zunächst durch Längsstumpfnähte (E111) verbunden
und an das Grundrohr angedrückt. Der Bereich
der Verbindungsschweißung zwischen T-Stück und gasführendem
Grundrohr wird mittels einer Induktionsglühanlage
auf 80–100 °C vorgewärmt, wobei die Glühkabel
je nach Gasdurchflussmenge in geeigneter
Anordnung auf das Grundrohr aufgewickelt werden.
Stellt sich im Nahtbereich ein stationärer Wert im geforderten
Temperaturintervall ein, beginnt das Schweißen
der Stirnkehlnaht (E111). Nach Beendigung des
Schweißvorgangs wird die Glühanlage langsam heruntergefahren
und es kann mit den Anbohrarbeiten
begonnen werden.
Bild 1. Vorgehensweise beim Erstellen eines Abzweiges an einer
Gashochdruckleitung im Betriebszustand.
2. Vorwärmung durchströmter
Rohrleitungen
Eine kritische Größe für das Festigkeitsverhalten der
Schweißverbindung zwischen T-Stück und Rohrleitung
ist die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit durch den Wärmeabfluss
infolge der Gasströmung. Sie beeinflusst entscheidend
die während des Schweißens stattfindende
Gefügeumwandlung. Insbesondere wird die unerwünschte
Martensitbildung begünstigt und Eigenspannungen
im Bereich der Schweißnaht nehmen zu. Diesen
Prozessen wird durch eine entsprechende Vorwärmung
der Leitung vor, während und nach dem Schweißen
entgegengewirkt. Die Rohrleitung darf dabei nicht zu
stark erhitzt werden, um ein Versagen infolge des Innendrucks
und der gleichzeitig bei erhöhter Temperatur
herabgesetzten Festigkeit auszuschließen. Die Einstellung
entsprechender Arbeitswerte beruht jedoch bisher
zu einem großen Teil auf Erfahrungswerten der ausführenden
Techniker.
Um die Zuverlässigkeit der Prozessführung während
der Vorwärmphase verbessern zu können, wird ein
Simulationsmodell basierend auf der eindimensionalen
Theorie der Rippen [1] für die Rohrvorwärmung entwickelt.
Ausgangspunkt ist hierbei die Wärmeleitungsgleichung
nach Fourier, wobei das Temperaturprofil vereinfacht
nur eindimensional in axialer Richtung der Rohrleitung
betrachtet wird. Die Temperatur über der Dicke
der Rohrwand wird als konstant angenommen. Die
Festlegung der erforderlichen Rand‐ und Übergangsbedingungen
geht aus der Modellskizze in Bild 2 hervor.
An der Rohraußenwand erfolgt der Wärmeübergang
durch freie Konvektion und Wärmestrahlung, wobei die
Umgebungstemperatur als konstant angenommen
wird. Der Energieeintrag wird im Bereich der Heizanlage
durch Vorgabe eines Wärmestroms realisiert. An der
Rohrinnenseite wird die Wärmeübertragung im Wesentlichen
durch erzwungene Konvektion bestimmt, was zu
einer Erhöhung der Gastemperatur führt. Strahlungsaustausch
zwischen den Rohrwandabschnitten sowie
Wärmeleitung im Gas (diffuser Wärmetransport) können
vernachlässigt werden. Die sich ergebenden Differenzialgleichungen
zur Beschreibung der Wärmeübertragung
werden mit Hilfe des Finite‐Differenzen‐Verfahrens
numerisch gelöst.
Die sich einstellende Temperaturverteilung in der
Rohrwand wird entscheidend von der Modellierung des
Wärmeübergangs zum strömenden Gas beeinflusst. Aus
diesem Grund wurden hierzu ausführliche Untersuchungen
durchgeführt; einerseits mit empirischen
Lösungsansätzen basierend auf den Ähnlichkeits-Kennzahlen
der Strömung und andererseits mithilfe numerischer
Strömungssimulationen. Hierbei hat sich die
lokale Auswertung der empirischen Lösung nach Dittus
& Boelter [2] für die Wärmeübergangszahl mithilfe der
temperaturabhängigen Stoffwerte des Erdgases als zielführend
erwiesen.
Eine weitere Einflussgröße stellt die Modellierungen
des orts- und zeitabhängigen Wärmeeintrags durch die
Induktionsglühanlage dar. Die Induktionsglühanlage
ruft im Rohr Wirbelströme hervor, die aufgrund des
Ohmschen Widerstands zur Erwärmung des elektrisch
leitenden Rohrmaterials führen. Dieser Effekt wird durch
die Vorgabe einer lokalen Wärmestromdichte abgebildet,
welche durch numerische Simulationen der elektromagnetischen
Felder und der daraus resultierenden
Temperaturverteilungen ermittelt wurde.
Bild 2.
Modell zur
Simulation
der Rohr -
vorwärmung
mittels
Induktionsglühanlage.
April 2012
gwf-Gas Erdgas 245