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Strukturintegritätsbewertung von Gassteigleitungen

Übersicht

Vereiste Gassteigleitungen und Absperrleitungen eines industriellen Mitglieds aus der Öl- und Gasindustrie waren anfällig für Sprödbrüche. TWI führte daher mechanische Prüfungen und eine ingenieurkritische Strukturintegritätsbewertung (Engineering Critical Assessment, ECA) durch, um die Bruchfestigkeitseigenschaften und die maximal zulässigen Fehlergrößen an den Schweißnähten zu ermitteln. Dies half dem Klienten, das Materialverhalten der sogenannten Gas Lift Lines und Kill Lines zu verstehen, durch die bei einem Gasausbruch Bohrflüssigkeit in das Bohrloch gepumpt werden kann, und unterstützte ihn bei der Inspektions- und Reparaturplanung.

Mit den Gassteigleitungen und Absperrrohrsystemen mit einem Durchmesser von 2 und 4 Zoll (50 und 100 mm) kann Gas in das Bohrloch eingepresst werden, um die Ausbeute der Lagerstätte zu verbessern. Ursprünglich betrug der angezeigte Bohrlochinjektionsdruck 188 bar, aber aufgrund der Entnahme sank der angezeigte Bohrlochdruck auf 50 bar. Dies führte aufgrund des Joule-Thomson-Effekts zu einer Eisbildung unterhalb des Choke-Ventils, wie in Abbildung 1 dargestellt wird. Die für den Grundwerkstoff und für das Schweißgut des 4-Zoll-Querschnitts ermittelte Kerbschlagfestigkeit wurde als niedrig eingestuft, und der Klient hatte daher Bedenken hinsichtlich der Sprödbruchgefahr. Daher wurde ein auf Fraktographie basierendes Engineering Critical Assessment durchgeführt, um die Sprödbruch-Anfälligkeit zu bestimmen und die maximal zulässige Fehlergröße zu ermitteln. 

Ziele

  • Messung der Zug- und Bruchzähigkeitseigenschaften für den 4-Zoll-Abschnitt der Rohrleitungen, um Eingangsgrößen für das Engineering Critical Assessment zu ermitteln
  • Durchführung einer Fraktographie an den geprüften Zug- und Bruchzähigkeitsproben
  • Bestimmung der maximal zulässigen, oberflächlichen Fehlergrößen für Umfangsschweißnähte im 4-Zoll-Rohrleitungssystem
Abbildung 1. Vereiste Gasfederleitungen
Abbildung 1. Vereiste Gasfederleitungen

Lösung

Da die Abmessungen der Schweißnähte zu klein waren, um nur aus Schweißgut bestehende Zugproben entnehmen zu können, wurden Härteprüfungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt: Abbildung 2 zeigt den Härteverlauf. Daraus wurden dann die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Schweißgutes abgeschätzt. Vier Zugproben aus Grundwerkstoff, quer zur Umfangsnaht, wurden bei den niedrigsten Betriebs- bzw. Umgebungstemperaturen geprüft. Bruchzähigkeitsprüfungen wurden bei der niedrigsten Betriebstemperatur mit SENB-Proben (Single Edge Notch Bend Specimens, SENB) durchgeführt, mit Kerben an der Nahtmittellinie bzw. der Wärmeeinflusszone.

Die erhaltenen Zugfestigkeits- und Bruchzähigkeitsdaten sowie die Geometrie- und Spannungsinformationen wurden in ECAs eingespeist, die mit der in Abbildung 3 dargestellten CrackWISE®-Software von TWI durchgeführt wurden.

Fazit

Die maximal zulässigen Größen der oberflächlichen Fehler auf der Rohrinnenseite wurden an den Klienten übermittelt. Da die zulässigen Fehlergrößen groß sind, war es zum Zeitpunkt der Beurteilung unwahrscheinlich, dass ein Sprödbruch auftritt. Es wurden planmäßige Untersuchungen empfohlen, um das Rohrleitungssystem sicher zu betreiben und Brüche zu vermeiden.

Abbildung 2. Kartographie der Härteverlaufsmessung
Abbildung 2. Kartographie der Härteverlaufsmessung
Abbildung 3. CrackWISE® 5
Abbildung 3. CrackWISE® 5
Avatar Dr Guiyi Wu - DE Principal Project Leader, Asset- und Bruchmanagement

Guiyi Wus Arbeit konzentriert sich auf die bruchmechanische Bewertung und die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit nach verschiedenen Normen, einschließlich Materialcharakterisierungstests, Finite-Elemente-Analyse sowie Eigenspannungsprognose und -messung. Er leitet die Entwicklung von TWIs ECA-Software CrackWISE® und betreut auch MSc-Studenten und Doktoranden am NSIRC. Guiyi Wu interessiert sich besonders für die Forschungsgebiete additive Fertigung, dehnungsbasierte Bruchanalyse, probabilistische Bruchmechanik sowie Eigenspannungsprognose und -messung. Er ist Mitglied der BS 7910 und R6 Eigenspannungsgruppenausschüsse, dient als Prüfer für die ASME-Konferenz-Veröffentlichungen und Journale und hat mehr als 20 peer-reviewte Konferenz- und Journalbeiträge verfasst oder mitverfasst.

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