Experimentelle Untersuchungen zur Bauteilzahigkeit an verschiedenen Werkstoffen des Druckbehalterbaus

C.-M. v. Meysenbug, E. Gaube, M. Dickhauser und D. Siegele

Kenntnisse iiber das Zahigkeitsverhalten von Behaltern untcr Innen- druck wurden durch Bcrstvcrsuche init Verformungsmessungen an Modellbehaltern verschiedener Konstruktionsform aus den Werkstof- fen Kesselblech HUH11 und Tieftemperaturstahl1TSt. 35 N bcreits in friiheren Untersuchungen gewonnen. Diese Ergebnisse werden erglnzt durch analoge Versuche an Behaltern aus den Feinkornbau- stahlen TTSt.E36 und St.E47, uber die hier qchwerpunktmaflig berichtet wird. Durch Absenken der Temperatur findet man charakte- ristische Verformungs- und Brucherscheinungen, die den Ubergang vom zahen zum sproden Verhalten der Bauteile je nach der Duktilitat der einzelnen Werkstoffe kennzeichnen. Aus Werkstoffkennwerten wie Kerhschlagiibergangstemperatur und Rifiauffangtemperatur nach Robertson sowie aus dem Druck fur den FlieBbeginn wahrend dcs Berstversuches konnen die in jedem Fall vorhandcne Verformungsre- serve und die Sicherheit bei der Bauteilauslegung nach den Regeln der Technik abgeschatzt werden. Die experimentellen Befunde bilden die Voraussetzung und zugleich die Bestatigung fur spannungsanalytische Untersuchungen. iiber die in einem wcitercn Aufsatz berichtet wird.

Experimental Investigations on Structural Member Toughness with Several Pressure Vessel Materials

Former bursting tests and strain measurcmcnts with model vessels of boiler plate and of low temperature steel gave already informations on toughness behaviour of such structural members at temperatures down to -140°C. This paper deals with similar tests on vessels of fine grain steels and gives a final evaluation or all these experiments. Characteristic deformation and fracture phenomena are found at the changing from tough Lo brittle behaviour according to ductility of the different materials. Materials data as impact transition ternpcrature and Robertson crack arrest temperature as well as pressure to yield during the bursting test may be used to estimate safety in calculation of pressure vessels. The results of these experiments lead to stress analy- tic investigations which are reported in a further paper.

1 Einfuhrung

Die konstruktive Berechnung von Bauteilen geht zunachst von den mechanischen Beanspruchungen (und des weiteren auch von den uberlagerten thermischen und chemischen Bean- spruchungen) aus, denen der verwendetc Werkstoff in der Konstruktion ausgesetzt ist, und bezieht in die mechanischen Berechnungen die Reaktionen des Werkstoffs ein, die durch entsprechende - fur jeden Werkstoff charakteristische - Werkstoffkennwerte reprasentiert werden. Nun mussen aber bekanntlich diese Werkstoffkennwerte unter stark vereinfach- ten (Pruf-)Bedingungen an einfach gestalteten Probekorpern gewonnen werden; das geschieht nicht nur, um den Prufauf- wand in vertretbaren Grenzen zu halten, so daR sie vom Werk- stoffhersteller wie vom Abnehmer und Weiterverarbeiter jederzeit leicht nachgepruft werden konnen. sondern auch um als einheitliche Bezugsbasis den einfachsten und leicht repro- duzierbaren Fall zu haben. Mit zunehmender Kenntnis des Werkstoffverhaltens wurde inimer mehr klar, dalj diese Grundwerte je nach Beanspruchungsfall durch entsprechende Abanderungsfaktoren erganzt werden mussen, da man z.B. die Kerbempfindlichkeit des Werkstoffs, seinen Ubergang vom elastischen zum plastischen Verhalten. seine Reaktion auf auljere Einflusse wie Beanspruchungsgeschwindigkeit, Beanspruchungsdauer, Temperatur, Chemikalieneinwirkun- gen usw. beriicksichtigen muB. Das fuhrte schon fruh zu Begriffen wie Gestaltfestigkeit und Betriebsfestigkeit. die das Werkstoffverhalten unter Einbeziehung der konstruktiven Gestalt (EinfluU konstruktiv bedingter Kerben) und zusatzlich von auReren Betriebsbedingungen (Haufigkeit von Bela-

stungsfolgen, Anlauf- und Stillstandzeiten usw .) sehen. Solche , ,Festigkeitswerte" gelten dann nicht fur den Werkstoff allge- mein, sondern fur bestimmte Gestaltungs- und Betriebsfalle, sie mussen auch in wesentlich aufwendigeren Untersuchungen (nicht an einfachen Werkstoffproben. sondern) an Bauteilen bestimmt werden. Verallgemeinern lassen sie sich nur durch die Ableitung grundsatzlicher Tendenzen, die sinnvoll auf ahnlich gestaltete Bauteile und ahnliche Betriebsverhaltnisse zu ubertragen sind.

Mit den steigenden Anforderungen an technische Konstruk- tionen und der damit einhergehenden Weiterentwicklung der Werkstoffe wurden erweiterte Kenntnisse des Werkstoffver- haltens im Bauteil ebenso erforderlich wie verfeinerte Berech- nungsmethoden, um einerseits den Werkstoff maximal auszu- nutzen und zum anderen auf vereinfachende Annahmen in der Berechnung verzichten zu konnen und die mechanischen Ver- haltnisse genauer als bisher zu erfassen. Die damit sich erge- benden groljeren Moglichkeiten verlangen aber auch ein erhohtes Ma13 an Sicherheit fur die Konstruktion und deren Betrieb, das wiederum nur durch den erweiterten Kenntnis- stand garantiert werden kann. Die Sicherheit technischer Bau- werke ist im Zusammenhang mit verschiedenen Unglucksfal- len in den letzten Jahren haufig diskutiert worden (z. B.l-3). Wegen moglicher langfristiger Umweltgefahren ist bekannt- lich auf dem Sektor der friedlichen Nutzung dcr Kernenergie, aber auch gegenuber der chemischen Industrie die Diskussion besonders heftig - leider wird sie zum Teil, auch das ist bekannt, BuRerst unsachlich gefuhrt. Immerhin hat sie deut- lich gemacht, daB es eine absolute Sicherheit nicht geben kann, da8 aber die Sicherheitsbestimmungen und die entspre-

Z . Werkstofftech. 11, 387-399 (1980) 0 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1980

004%3688i80/1111-0387$02.50/0 387

chenden Sicherheitsvorkehrungen fur Atommeiler in der Bun- desrepublik die scharfsten und die risikoarmsten in der gesam- ten industrialisierten Welt sein diirften (4): was die chemische Industrie anbelangt. so ist man dort seit jeher bestrebt, die Anlagen nach den Gesichtspunkten grolJtm6glicher Sicherheit zu bauen und durch standige Uberwachung diese Sicherheit auch aufrecht zu erhalten (5, 6), weil damit nicht allein der Gefahr fur Mensch und Umwelt begegnet, sondern zugleich die Verfugbarkeit und somit auch die Wirtschaftlichkeit der A d a g e garantiert werden (7).

Sicherheit und Verfugbarkeit von Anlagen sind begrundet auf der Zuverlassigkeit der Anlagen-Komponenten, d .h . der einzelnen Bauteile, aus denen die Anlage besteht. Ein beson- ders vielseitigen Beanspruchungen ausgesetztes und damit besonders gefahrdetes Bauteil ist der Druckbehalter, fur den deshalb in den technischen Regelwerken Berechnungsvor- schriften aufgestellt wurden, die bei Berucksichtigung der Verformungsfahigkeit des Werkstoffs, der Betriebstenipera- tur, der Wanddickenverhiltnisse, der Verschwichung durch eingebrachte Offnungen usw., durch Begrenzung des zulassi- gen Drucks fur verschiedene Anwendungstemperaturen groRtmogliche Sicherheit anstreben. Gerade bei der Bean- spruchung von Druckbchaltern spielt das Zahigkeitsverhalten des verwendeten Werkstoffs eine entscheidende Rolle, das hier besonders durch die Gestaltung des Bauteils und die Betriebsverhaltnisse gepragt wird. U m hieriiber genauere Aufschlusse zu erhalten und die geltenden Regeln auch fur die Anwendung neuer Werkstoffe (mit z. T. vorher nicht beachte- ten Eigenschaften) oder fur hohere Ausnutzung der Werk- stoffe durch genauere Berechnungsverfahren zu uberprufen. hat die chemische Industrie bereits vor mehr als zehn Jahren ein langfristiges Untersuchungsprogramm angeregt'). An Modellbehaltern von praxisahnlicher Gro8e und Gestaltung, die aber fur den Versuchsbetrieb noch handhabbar sind, sollte das Zahigkeitsverhalten (Bauteilzakigkeit) bei Anwendung verschiedener Werkstoffe untersucht werden, wenn bei gege- benem Mehrachsigkeitsgrad (konstruktive Form) eine zuneh- mende Versprijdung durch Absenken der Temperatur herbei- gefuhrt wird. Das Verhalten kann damit temperaturabhangi- gen Werkstoffkenn werten fur die Zahigkeit beziehungsweise fur die Versprbdungsneigung der verwendeten Werkstoffe gegenubergestellt werden. Die konstruktive Gestaltung und die Herstellungsweise der Behalter sollten der gangigen Praxis entsprechen, um eine weitgehende Ubertragbarkeit der Ergebnisse zu ermoglichen. Die experimentellen Befunde, insbesondere des durch Dehnungsmessungen ermittelten Beanspruchungsverlaufs, sollten zu diesem Zweck mit der Nachrechnung nach den bislang vorhandenen Hypothesen und Berechnungsinethoden verglichen und die gefundenen Ver- sagenskriterien zu den Aussagen und Vorgaben der geltenden Regeln der Technik in Beziehung gesetzt werden. Nach Kenntnis der Zusammenhinge und des zu erwartenden Ver- haltens bei verschiedenen Werkstoffen sollte eine Nachrech- nung nach verfeinerten Berechnungsmethoden mit dem Ziel einer Vorausberechnung des Versagens sowie des Verfor- mungs- und Bruchverhaltens vorgenommen werden. Damit ergab sich fur das gesamte Programm die folgende Konzep- tion:

Das Untersuchungsprogramm wurde in einem ArbeitsausschuR des Dechema-Fachausschusses .,Werkstoffe und Konstruktion im Che- mie-Apparatebau" entwickelt und wahrend seiner Laufzeit von die- hem Ausschua koordinicrt und betreut.

2 Untersuchungsprogramrn

2.1 Untersuchte Werkstoffe

Es war vorgesehen, die grundlegenden Versuchsreihen an den am haufigsten verwendeten Druckbehaltenverkstoffen vorzunehmen, d . h. an den Kesselblechen HI und HII. Diesen sollte dann das Verhalten eines Tieftemperaturstahls, TTSt. 35 N , gegenubergestellt werden (8-11). Als Ubergang zu den Feinkornbaustahlen wurde ferner der Stahl TTSt .E 36 ausge- wahlt (12). SchlieBlich sollte das Verhalten und die Eignung des Feinkornbaustahls St.E 47 untersucht werden, der eben- falls in den Druckbehalterbau Eingang gefunden hatte (13).

Die Werkstoffkennwerte der fur die Klopperbiiden der Hauptversuchsreihen (Behalter Typ K , vgl. Abb. 2) verwen- deten Bleche aus diesen Stahlsorten lagen durchweg uber den nach den Normen bzw. nach den Stahleisen-Werkstoffblattern geforderten Mindestwerten. Fur die Zusammenstellung der Werkstoffe in Tabelle 1 sind nur die in eigenen Versuchen ermittelten effektiven Werte aufgefuhrt; gleichzeitig sind die Prufmethode und die verwendete Probenform angegeben. In der letzten Spalte der Tabelle sind die Zusatzwerkstoffc fur die Ausfuhrung der SchweiBungen bezeichnet. Es wurde dar- auf geachtet, daB die Bleche fur die Klopperboden jeder Ver- suchsreihe aus einer und derselben Schmelze stammten. Wie aus Abb. 1 zu ersehen ist, verandert sich der E-Modul der untersuchten Feinkornbaustahle in dem hier betrachteten Temperaturbereich nicht.

Aus dem Stahl TTSt.E36 wurden Behalter mit drei ver- schiedenen Wanddicken fur den oberen Klopperboden herge- stellt, die folglich aus verschiedenen Schmelzen entnommen werden muaten. Tabelle 2 gibt eine Gegenuberstellung der Festigkeitswerte fur die drei Blechdicken bei Raumtempe- ratur.

Die 10 mm dicken Rleche zur Herstellung der zylindrischen Behalter mit seitlichen Klopperboden (entsprechend Abb. 3) sind mit ihren kennzeichnenden Werten in 7abelle 3 aufge- fuhrt .

Tabelle 4 enthalt die chemischen Zusammensetzungen aller verwendeten Bleche nach den Werksangaben der Hersteller- firmen.

2.2 Ausfuhrung und Herstellung der Modellbehalter

Als Behalterform wurde bevorzugt die in Ahb. 2 gezeigte Ausfuhrung ,,Typ K" gewahlt: eine zylindrische Zarge ist durch zwei angeschweifite Klopperboden verschlossen; Zarge und unterer Boden sind dicker gehalten als der obere Boden. um die maximalen Verformungen in diesem ~ .Mef3boden" zu erhalten.

Im M e h o d e n waren auBer einem exzentrisch angeordneten Stutzen (Abb. 2) bei den ersten Versuchsreihen noch ein wei- terer (kleinerer) Stutzen und eine mit einem Blockflansch ver- schlossene Offnung angebracht (10, 11). urn die Verformungs- verhaltnisse an diesen praxisublichen Einbauten zu studieren; hierauf wurde jedoch in der Folge verzichtet, nachdem sich bestatigte, dalj die Stelle der groaten Vergleichsspannung. an der auch der Ril3 entstand, immer an dem dem Scheitel des Klopperbodens benachbarten Rand des groBen Stutzens lag. Der Durchmesser des Stutzens und die Hauptabmessungen wurden fiir alle Versuchsreihen beibehalten; die fur die einzel-

388 C.-M. v. Meysenbug. E. Gaube, M. Dickhauser und D. Siegele 2. Werkstofftech. If. 387-399 (1980)

Tabelle 1. Werkstoffkennwerte der verwendeten Bleche (20 mm dick) fur die Herslellung der Modellbehalter Typ K (entspr. Abb. 2) Table 1. Mechanical properties of steels (thickness 20 mm) used for manufacturing model vessels type K (see Fig. 2)

Festigkeitskennwei te

Werkstoff Pruftemp R,, R, As 7 Pruf- "C Nimm' N h m ' % 5% now

DIN

HI +22 253 393 39 (DIN 17155) -60 390 473 s = 20 mm -100 490 530

H I1 +22 280 419 38 111

Dll C

3 '0

X

d

TTSt.35N +22 290 440 32

s = 20 mm -100 495 538 z TTSt.E36 +22 370 528 29 70 (SEW 089-70) -20 435 581 2Y.5 68 8 s = 20 mm -60 508 629 29 64 2

-80 560 660 30 63 8 -100 59.5 680 32 62 2

(SEW 68&70) -60 421 485

-120 630 705 - -

-140 665 735 -15 -10

St.E47 +22 492 627 2Y,5 60 (SEW 089-70) -20 516 662 31 67 s = 30mm -60 577 729 32 65

-100 654 777 31.5 63 -140 734 836 32 62

Kerbschlagarbeit in J bei Prultemperatur "C

Probc +22 0 -20 -40 -60 -70 Pruf- SchweiR- norm zusatz- DIN Werkstoff

I I I I I

- TTSt E 36

0 5 10 15 20 25 rn Langenanderung m m

Abb. 1. Kraft-Langenanderungs-Diagramme der untersuchten Fein- korn-Baustahle fur verschiedene Temperaturen. Fig. 1. Load-elongation plots of the fine grain steels tested at various temperatures.

Tabelle 2. Werkstoffkennwerte bei Raumtemperatur Iiir die 3 ver- wendeten Blechdicken aus TTSt. E 36: Priifmethoden entspr. Ta- belle 1 Table 2. Mechanical properties at room temperature of sheets TTSt. E 36 which were used in various thicknesses (s)

ISO-V 163 162 157 150 86 55 DIN 1913 quer E 4343

RR(B) 7

ISO-V 184 - 171 140 88 52 quer

ISO-V 188 - 182 177 157 108 DIN 1913 quer E 5155 B 10

KO-v 170 169 158 100 27 20 DIN 1913

(DIN 17100)

langs E 8018-C 1

2 3

0 vl

ISO-v 110 75 33 22 15 - DIN 1913

langs quer 107 56 50 18 12 - E 8018-C 1

Blechdicke s Zugversuch 20 "C Kerbschlag- versuch 20 "C ISO-V langs

Rc" R, AS AL mm N/mmz NJmm' 7 P J

10 436452 589-596 27 70 20 339-386 520-535 30 170 30 375-410 52S.570 31 150

nen Werkstoffe verwendeten Wanddicken und Wanddicken- verhaltnisse MeBbodenlStutzen sind in Abb. 2 angegeben.

In einer gesonderten Versuchsreihe sollte der EinfluR eini- ger konstruktiver Varianten auf das Zahigkeitsverhalten der Behalter untersucht werden. Hierzu wurden Modellblitter nach Abb. 3 (, ,Typ T") verwendet (14). Die Wanddicken des liegenden Zylinders und der beiden VerschluBboden wurden gleich gehalten; variiert wurden der Durchmesser und die Wanddicke des in der Mitte befindlichen Stutzens; auBerdem waren die Stutzen einmal in durchgesteckter und zum anderen in aufgesetzter Anordnung mit dem Zylinder verschweifit (Abb. 3). Zusatzlich wurde fur die Behalter mit durchgesteck- tem Stutzen von 30 mm Durchmesser das Wanddickenverhalt- nis StutzeniBehalter zwischen 0.4 und 1:8 verhder t .

Fur die Herstellung der Behilter') wurden durchweg die gangigen Fertigungsmethoden und die fur die einzelneri Werk- stoffe ublichen SchweiDzusatzwerkstoffe verwendet (vgl. Tabelle 1). Auch die SchweiBnahtvorbereitung entsprach der normalen Handhabung. Einige Behalter der Versuchsreihe mit Kesselblech HI wurden nach der Fertigstellung spannungs- arm gegliiht; nachdem eine solche Warmebehandlung keinen EinflulJ auf das Berstverhalten erkennen lieR. blieben die anderen Behalter unbehandelt.

In dem Bestreben, den ,,Unterbau" der Modellbehalter fur mehrere Berstversuche beizubehalten und nur den MeRboden auswechseln zu mussen, wurde auch eine Zarge aus austeniti- schem Stahl (Werkstoff-Nr. 1.4541) hcrgestellt. Sie konnte

2, Dic Klopperboden wurden aus dem angelieferten Material in ver- schiedenen Bodenpressereien geprel3t. Die sonstigen Umlorm- sowie die Schweiaarbeiten iibernahmen die Werkstatten von Pintsch-Bumug AG, Butzbach, BASF AG, Ludwigshafen, Buyer AG, Leverkusen und Hoechst AG, FrankfurtiM., denen auch an dieser Stelle fur die sorgfaltige Ausfuhrung der Arbeiten gedankt sein soll.

2. Wcrkstofftech. 11. 387-399 (1980) -

\ - ~ I Untersuchungen zur Bauteilzahigkeit 389

Tabelle 3. Werkstoffkennwerte bei Raumtemperatur des 10-mm-Kes- sclblechs H I fur die Herstellung der Modellbehalter Typ T (entspr Abb 3) Table 3. Mechanical properties of the 10 mm vessel sheet (HI) used for manufacturing model vessels type T (see Fig 3)

Zugvcrsuch 20 "C Kerbschlag- versuch 20 "C ISO-V kings

Ak R'" R, A< J Nimm' Nimm' %

253-289 385417 32-40 190

aufgrund der hohen Zahigkeit fur mehrere Versuche. insbe- sondere bei tiefen Temperaturen, verwendet werden. Der auf sie zulaufende RiR wurde beim Auftreffen auf diese Zarge gestoppt und entlang der Verbindungsschweianaht zwischen Zarge und Klopperboden umgelenkt.

Im Hinblick auf bruchmechanische Deutung des RiBver- laufs wurde bei einigen der Modellbehalter aus Feinkornbau- stahlen der Versuch gemacht, kunstliche Fehlstellen einzu- bringen. An der Stelle der groBten Spannungskonzentration wurde ein ,,RadialriB" erzeugt. indem mit einem Sageblatt von 0,2 mm Dicke das Blech des Kldpperbodens bis zur Mitte eingeschnitten wurde. (Die Schnittiefe in der Stutzenwand blieb dabei unter der halben Blechdicke.) Eine Tangential- kerbe lieR sich dadurch erzeugen, daR die Naht zwischen Stut- Zen und Klopperboden auf 100 mm Lange nur bis zur Halfte der Bodendicke von innen durchgeschweiBt wurde.

2.3 Untersuchungsmethoden

Zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte der unter- suchten Werkstoffe wurden die gangigen Priifeinrichtungen verwendet. Fur die Ermittlung der Kerbschlagzahigkeit stand ein Pendelschlagwerk mit Kraft- und WegmeReinrichtung zur Verfiigung, das durch Aufnahme von Kraft-Verformungs-Dia- grammen eine bessere Beurteilung des Zahigkeitsverhaltens erlaubt als die pauschale Angabe der Arbeitsaufnahme.

Die Ausfuhrung der Robertson-Versuche zur Ermittlung des CAT-Wertes (crack arrest temperature j fur die einzelnen

extreme plostische Verformung j2 ,/ be1 hoheren Ternperaturen

I

~~~ moo 2 Abb. 2. Ausfuhrung und Hauptabmessungen der Behalter vom

Fig. 2. Structure and main dimensions of test vessels type K . TYP K.

Werkstoffe hatte das Max-Planck-Institut fur Eisenforschung in Dusseldorf ubernommen, das uber eine entsprechende Ver- suchseinrichtung (15) verfiigt.

Die Berstversuche an den Modellbehaltern wurden in einem Tieftemperaturprufstand ausgefuhrt. dessen Aufbau in Abb. 4 schematisch dargestellt ist3) (16). Der Behalter befindet sich in einer drucksicher ausbetonierten Grube. die mit fliissigem Stickstoff gekuhlt werden kann. E r wird rnit Druckflussigkeit') gefullt, die zur Drucksteigerung aus einem Vorratsgefafi nach- gepumpt wird; durch Messen der eingepunipten Menge ergab sich ein MaB fur die Gesamtverformung des Behalters. Einen Eindruck von dem AusmaR des Prufstandes rnit Nebeneinrich- tungen vermittelt Ahh. 5.

Die ortlichen Verformungen an der Oberflache des Behil- ters wurden mit Hilfe von DehnungsmeBstreifen gemessen, die nach einem Mefistellenplan (vorwiegend an den hochstbe- anspruchten Stellen) uber den oberen Klopperboden verteilt waren. Jede MeEstelle wurde rnit einem DMS in meridionaler Richtung und einem solchen senkrecht dazu bestuckt: im Scheitelpunkt des Klopperbodens wurde eine Rosette geklebt.

3, Der Prufstand wurde vun der Hoechst AG, Frankfurt-Hochst. auf deren Werksgelande eingerichtet und betrieben.

') Als Druckfliissigkeit diente ie nach Versuchstemperatur Frigen I I @ oder Frigen 12* (eingetragene Warenzeichen der Hoechsr AG). Zum Einsparen von Druckfliissigkeit konnte der Behiilter zunachst rnit Verdrangungskorpern (unglasierten Porzellankugcln) gefullt werden.

Tabelle 4. Chemische Zusammensetmng aller verwendeten Werkstoite Table 4. Chemical analysia of all steels used for these investigationa

Werkstoff Gewichtsprozent (Schmelzen-Nr .)

C Si Mn P S hl N Nb W

HI (138951) (105797)

H I 10 mm* H I1 (I 37709)

(270Y 36) TTSt. 3.5 N (124838) TTSt. E 36 (6225) 10 mm

(6115) 20 mm (6230) 30 inm

St. E47 (55400)

0.09 0.10 0,09-0,ll 0.10 0.12 0,15 0.17 0.15 0.18 0.16

0,24 0,10 0.17-0.24 0.08 0,09 0,024 0,40 0.33 0.34 0,35

0.5 0.53 0,4b0.64 0,73 0.74 0,60 1.33 I ,28 I .47 1.65

0.03 0,028

0.024 0.024 0.011 0.010 0.017 0.017 0.019

o.o I -0 ,m

0.016

0.0 IC~0.026 0.016 0.030 0.022 0.013 0,009 0.009 0,003

0.019

0,040 - 0,065 - - -

0,065 0.015 0.025 0.015 0.041 0,014 0,020 0.340

- - - -

- -

- - 0.040 - 0.024 - 0.028 -

0,17

* verschiedene Schrnelzen; 10 mm-Blech zur Hcrstcllung der Behalter Typ T

390 C.-M. v. Meysenbug, E. Gaubc. M. Dickhauser und D. Siegele Z. Werkstofftcch. 11, 387-399 (1980)

7

10 12 15 18

TIs

Be;ndr 1 ;; 1 Slulze[d;;hrniser

300 - 300 -

10 100 300 500 10 100 300 500

~

- - - 300 - - 300 - - 300 - - 300 -

Stutze, - aus'uhrung

durhgesteckt

oufgesetzt

durchgesieckt

Abb. 3. Ausfuhrung und Hauptabmessungen der Behdter vom Typ T. Fig. 3. Structure and main dimensions of test vessels type K.

6

Vorratsbehalter fur Druckflussigkeit

5 Sollwertvergleich

7 Ternperaturfuhler 8 Kuhlschlange

;1 Abb. 4. Aufbau und Funktionsschema des Tieftemperatur-Priifstan- des fur Berstversuche an Modcllbehaltern. Fig. 4. Operating scheme of low temperature test equipment used for bursting model vessels (1 Concrete container. 2 Insulation. 3 Tank for pressure liquid; 4 and 5 Measuring equipments, 6 Additional air. 7 Temperature measuring, 8 Radiator).

Ahh. 6 zeigt die Anordnung der MeRstellen fur die Behalter vom Typ K. In ahnlicher Weise wurde auch an den Behaltern Typ T gernessen. Die Anzeigen der DMS wurden uber Com- puter in Vergleichsdehnungen E, umgerechnet. so daB bei der stufenweisen Drucksteigerung fur jedc MeBstelle unmittelbar ein Diagramm Innendruck uber Verforniung aufgezeichnet werden konnte. Dieser Verlauf p uber E, ist aufschluBreich fur das Zahigkeitsverhalten der Behalter. wenngleich die Verfor- mung wegen vorzeitigen Versagens der DMS nicht bis zum Bruch verfolgt werden konnte.

Bei den ersten Versuchsreihen wurde zusatzlich die Verwol- bung des MeBbodens als MaB fur die Verformung bestimmt (9). AuBerdem wurde versucht, durch Ultraschallmessung die

Abb. 5. Gesamtansicht des Priifstandes Fig. 5. Total sight ol test equipment.

Abb. 6. Vcrteilung der McRstcllcn auf den Behaltern Typ K fur die Werkstoffe TTSt. E36 und St. E47. Fig. 6. Arrangement or strain gauges on type K vessels of the fine grain steels TTSt. E36 and St. E47.

Verformung in Richtung der Wanddicke zu erfassen. Die gemessenen Wanddickenanderungen waren jedoch bei der GroBenordnung der auftretenden Dehnungen so gcring. dal3 sie fur die Berechnung der Vergleichsdehnungen nicht ins Gewicht fielen; im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurde deshalb auf diese Messungen verzichtet.

Fur bruchmechanische Untersuchungen wurden aus dem Material 'ITSt.E 36 Dreipunkt-Biegeproben nach ASTM (17) verwendet, da die maximal vorliegende Blechdicke (30 mm) eine Bestimmung der Spannungsintensitatsfaktoren an den ublichen CT-Proben nicht sinnvoll erscheinen lieB. Bei 30 mm Probendicke betrug die Probenhohe 60 mm. die RiBtiefc 30 mm und der Abstand der Biegeauflager 240 mm.

Z. Werkstofftech. 11, 387-399 (1980) Untersuchungen zur Bauteilzahigkeit 391

3 Untersuchungsergebnisse

3.1 Berstversuche

Aus den Dehnungsmessungen wahrend des Berstversuchs ergibt sich der Verlauf der Vergleichsdehnung E, (nach v. Mises, vgl. (18)) bei der jeweiligen Versuchstemperatur an den einzelnen Mefistellen. Abb. 7 zeigt als Beispiel fur eine McBstelle an einem Behalter aus ?'TSt.E 36 solche Druck-Ver- formungs-Kurven von Raumtemperatur bis - 145 "C. Der Abbruch der Kurven bedeutet nicht das Ende des Versuchs (Bersten). sondern das Aussetzen der MeOstreifenanzeige, das stark von der Versuchstemperatur abhangig ist. Aus dem Kur- venverlauf 1aRt sich (entsprechend der 0.2%-Dehngrenze beim Zugversuch) der Druck ermitteln, der eine bleibende Verformung der Behalterwand von 0,2% hervorruft. Dieser Druck p,,*% kann fur die Beurteilung des Zahigkeitsverhaltens herangezogen werden.

In Abb. 8 ist fur einige Druckstufen der ortliche Dehnungs- verlauf fur die MclJstellen in der Mittellinie eines Behalters Typ K 2 aus TTSt.E 36 dargestellt. Unter Beriicksichtigung der vergleichsweise geringen Dichte der MeBstellenanordnung bestatigt dieser Verlauf die Spannungsberechnung nach gingi- gen Theorien (18. 19) sowie anhand der Finite-Element-

Behalter Typ K 2 TTSt E 36 MeOstelle 5

I

1 I I L I I 1 7 7 .

0 0.1 0.2 0,3 O L 05 06 0.7 0.8 0.9 1.0 Vergleichsdehnung E v %

Abb. 7. Zusammenhang zwischen Innendruck und Vergleichsdch- nung bei verschiedenen Temneraturen (an r i n r r MeRstellrt

tions for one measuring site) at various temperatures.

R l3Obor

s w' (0.5

Methode mit einem speziell fur diese Behalterversuche ent- wickelten Rechenprogramm (20, Seite 40&411 dieses Heftes).

Fur die Darstellung in Abb. 8 wurde die Anderung der Deh- nung nur bis etwa 0,2% verfolgt und deshalb uber dem urspriinglichen Profil des Versuchsbehalters aufgezeichnet. Die plastische Verformung dieses Profils, die bei Versuchs- temperaturen von f 2 0 bis -20°C noch betrachtlich ist. wurde dabei nicht berucksichtigt. Sie lie8 sich nach den Versu- chen an der Stellung des Stutzens zum Klopperboden gut beobachten; auBerdem konnte die stetige Zunahme des gesamten Behiiltervolumens durch Messen der zugepumpten Menge an Druckflussigkeit wahrend des Versuchs kontrolliert werden. In Abb. 2 ist eine extreme Verformung des Profils angedeutet, die dadurch bedingt ist, daB der Behalter das Bestreben hat, sich der Kugelforin anzugleichen.

D a die Abnahme der Zahigkeit hier durch Absenken der Versuchstemperatur erreicht wurde, ergibt sich als Kriterium

_ - - -- - II

/ ___ 16

-

3 -

__

I

42 0 Pruftemperatur "C

Abb. 9. Berstdruck und FlieRdruck uber der Temperatur fur Behalter vom Typ K 2 aus verschiedenen Werkstoffen im Temperaturhereich + 20 his - 140 "C. Fig. 9. Burst and yield pressure vs. temperature for type K 2 vessels of various steels at temperatures from 20 to minus 140 "C.

Druckstufen /I I 1CCbar

Abb. 8. Druckverlauf uber das Behal terprofil (Typ K2, T lS t E36) be1 ver- schiedenen Druckstufen und Tempera- turen Fig. 8. Local pressures meawred over the vessel profile at Iarious pressure steps and temperatures (type K 2 vessel.

1 2 3 L 5 6 TTSt E36)

392 C.-M. v. Meysenbug, E. Gaube, M. Dickhauser und D. Siegele 2. Werkstofftech. 11, 387-399 (1980)

;: I I

: z

TTStE36 51 E L7 10 / 10 0 20 I 1 0 x 20/ 10 RK 2 0 / 10 TK A 20/12RK A 30120 0 30 I20 RK v

Abb. 10. Verlauf des Berstdruckes iiber der Temperatur k r die Behalter (Typ K) verschiedener Wanddicken aus den untersuchten Feinkornbaustahlen. Fig. 10. Burst pressure vs. temperature for type K vessels with various wall thicknesses made of fine grain steels n S t . E36 and St. E47.

fur das Verhalten der Behalter der Verlauf des Berstdrucks pB und der gewahlten VerformungskenngroBe po,21c uber der Temperatur. Wahrend der Berstdruck fur jeden der unter- suchten Werkstoffe einen charakteristischen Verlauf zeigt, unterscheidet sich der Druck. bei dem eine Vergleichsdeh- nung von 0,2% erreicht wird, fur die einzelnen Werkstoffe nur geringfugig. In Abb. 9 sind die Kurven pB = f (T) fur alle Werkstoffe bei vergleichbarer Konstruktionsform (Wanddik- kenverhaltnis StutzeniKlopperboden = 20110) zusammenge- stellt; fur den Druckverlauf po,2q ist ein Streuband eingezeich- net, dessen untere Lage fur die Behalter K 2 aus HI, HII, TT'St. 35N gilt, wahrend die vergleichbaren Behalter aus Fein- kornbaustahl TTSt.E 36 im oberen Bereich liegen.

Fur den Werkstoff TTSt.E 36 sind Modellbehalter mit meh- reren Wanddicken (irn MeRboden und Stutzen) untersucht worden. Abb. 10 gibt zu den entsprechenden Kurven aus Abb. 9 den Kurvenverlauf fur die anderen Wanddicken wieder. der hauptsachlich durch die unterschiedliche Steifigkeit des Bau- teils (z. Teil aber auch durch Unterschiede in den Festigkeits- werten der verwendeten Ausgangsmaterialien, vgl. Tabelle 2) bedingt sein durfte. Daneben ist der Verlauf der Berstkurve fur den Werkstoff St.E47 eingezeichnet, der nur an Behaltern mit dem Wanddickenverhaltnis 30120 untersucht wurde (Typ K3). In diesern Diagrarnm sind zum Vergleich auch die Werte

der Riflauffangtemperatur nach Robertson (CAT) fur die bei- den Werkstoffe angegeben. Ferner sind die Berstdruckwerte fur Behalter eingezeichnet, in denen am Ubergang Stutzeni Behalter eine radial zum Stutzen verlaufende Kerbe (RK) oder eine Tangentialkerbe (TK) angebracht war.

In Tabelle 5 sind die Einzelwerte fur diese beiden Werk- .stoffe zusammengestellt, aus denen hervorgeht. daB das Ver- haltnis der Berstdrucke bei gekerbter gegenuber der unge- kerbten Ausfuhrung fur diese Feinkornbaustahle zwischen 0:6 und 0,66 liegt. Eine Abschatzung des Berstdrucks fur Behalter mit vorgegebenen Rissen kann nach ASME Boiler and Pres- sure Vessel Code vorgenommen werden; dort sind ideal scharfe Risse vorausgesetzt, deren Krummungsradius gegen 0 geht. Daher ergibt sich ein ungunstigeres Verhaltnis als das hier gefundene, bei dem der Krummungsradius fur die einge- brachten Kerben im Mittel auf 0,15-0,25 mm geschatzt wer- den kann.

Abb. I 1 faRt in analoger Form die Ergebnisse der Berstver- suche an den zylindrischen Behaltern vom Typ T zusammen, wobei die drei untersuchten Stutzendurchmesser (Wanddik- kenverhaltnis StutzedBehalter = 1) jeweils in durchgesteckter und in aufgesetzter Ausfuhrung markiert sind. Die Versuche mit verschiedenen Uranddickenverhaltnissen bei durchge- stecktem Stutzen von 300 mm Durchmesser wurden nur bei einer Pruftemperatur (0 "C) gefahren; die gefundenen Berst- driicke fur die Wanddickenverhaltnisse 0.7 bis 1.8 liegen zwi- schen 113 und 116 bar, unterscheiden sich also nur geringfugig von dern beim Ausgangs-Wanddickenverhaltnis 1.

Die Riflbildung begann in allen Berstversuchen (unabhan- gig von der Behalterforrn und den Wanddickenverhaltnissen) in der SchweiRnaht auf der AuBenseite am Ubergang Stutzen1 Behalter; bei den exzentrisch angeordneten Stutzen (Behalter Typ K) erwartungsgemafl an der Stelle des Stutzenumfangs, die dem Behaltermittelpunkt am nachsten liegt (und auch rechnerisch die groBten Spannungen ergibt).

Fur die Behalter aus den Kesselblechen HI und HI1 sowie aus dern Stahl TTSt.35 N ist der Verformungs- und Riflverlauf bereits eingehend beschrieben worden (z. B. 10); dort wurden im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa - 20°C starke Verformungen und verzweigungsfreie Risse beobach- tet, deren Lange rnit sinkender Temperatur zunahm. Diese ,,Leckstellen" verliefen beim Kesselblech vnrzugsweise radial zum Stutzen, bei dem Tieftemperaturstahl zunachst tangential im Bereich der SchweiBnaht. Bei tieferen Temperaturen liefen die Risse mit mehrfachen Verzweigungen durch den ganzen Behalter einschlieRlich des Stutzens.

Die charakteristische Bruchentstehung fur die verwendeten Feinkornbaustahle ist an einigen Beispielen in den folgenden Bildern dargestellt. Im Bereich der hoheren Temperaturen (+ 20 bis etwa - 20°C) beginnt das Bersten des Behalters irnmer als TangentialriR an der gewohnten Stelle des Stutzen- umfangs. Abb. 12 zeigt einen solchen RIB an einen Behalter aus TTSt.E 36 (Typ K 2, Wanddickenverhaltnis 20110, also mit den Behaltern aus HI und aus TTSt.35N vergleichbar), der bei + 20 "C geborsten wurde. Der RiR wird in diesem Fall wegen der Zahigkeit des Werkstoffs (Verformung am Stutzen- umfang erkennbar) rasch gestoppt und bildet lediglich ein Leck. Der RiBfortschritt ist aber hier nicht allein durch die Werkstoffzahigkeit und die Temperatur bedingt, sondern wird stark durch die geometrischen Verhaltnisse mitbestimmt, In Abb. 13 sieht man einen ebenfalls bei + 2 0 T geborstenen Behalter K 3 (Wanddickenverhaltnis 30/20) aus St.E 47, fur welchen Werkstoff allerdings eine etwas niedrigere Kerb- schlagzahigkeit gemessen wurde als fur den TTSt.E 36 (Tabelle 1). Ein ahnliches Versagen fand man jedoch auch an

Z . Werkstofftech. I I , 387-399 (1980) Untersuchungen zur Bauteilzlhigkcit 393

Tabelle 5. Ergebnisse der Berstversuche an Modellbehaltern Typ K aus den Werkstoffen TTSt. E36 und St. E47 Table 5. Results of pressure tests with type K vessels madc of fine grain steels TTSt. E36 and St. E47

Werkstoff Behalter Wand- Pruftemp. Kerhe Berstdruck pe Bruch Ril3verlauf Typ dicken- bar (vgl. Abbildung) P R verh.

S , k ? "C

- 7TSt.E36 K1 10il0 0 120 starke Verformung - -110 75 Verformung

-140 60 sprdde -120 - 55 sprode

~ K 2 20i10 +20 150 starke Verformung tang. z. SchweiBnaht, Abb. 12 + 20 - 162 Verformung -80 - 140 zah bis sprdde - 120 - 135 spriide

- 145 - 110 spriide

-120 tangent. 89 0.66 sprode verzweigt. Ahh. 19 -120 radial 80 0,6 sprode

- 20112 -120 182 sprode durch Stutzen u. Rehalter. - 120 radial 120 0.66 sprode Abh. 16

K3 30120 + 20 - 368 starke Verformung -80 - 270 zah his sprode

-120 - 220 sprode - 140 - 109 sprede - 140 - 131 sprodc

- - 120 236 sprode Zersplitterung, Abb. 21

St.E47 K3 30120 + 20 - 400 starke Verformung rund urn d. SchweiBnaht, -20 - 405 Verforinung Abb. 13 -20 radial 25 8 0.64 zerkliiftet Abb. 15 -60 - 388 sprode Ahh. 20

294 sprbde Zersplitterung, Abb. 17

Zersplitterung, Abb. 18

- 120 - - 140 258 sprode treppenfhnig, Splitter -

durchgesteck t aufgeset z t

t -120 -100 -80 -60 -LO -20 0 -+ Prufternpemtur O C

Abb. 12. Behalter Typ K2. TTSt. E 36: RadialriM nach dem Bersten bei 20 "C (pe = 162 bar). Fig. 12. Type K 2 vessel. TTSt.E36: radial crack after burstins at + 20 "C (pB = 162 bar).

Behaltern aus TTSt.E 36 mit Wanddickenverhdtnis 30/20 bei + 20 "C.

Abb. 11. Berstdruck iiber der Temperatur fur vcrschiedene Ausfiih- rungen der Behalter vom Typ T (14). Fig. 11. Burst pressure vs. temperature for type T vessels of various structures (see 14).

Im Temperaturbereich ab etwa - 20°C nach tieferen Tem- peraturen hin kommt es zu einem typischen Sprodbruchver- lauf, der durch RiRgabelungen gekennzeichnet ist (schema- tisch in Abb. 14 dargestellt). Solche RiRverzweigungen treten

394 C.-M. v . Meysenbug, E. Gaube. M. Dickhauscr und D. Siegele Z . Werkstofftech. 11, 387-399 (1980)

Abb. 13. Behalter Typ K3, St. E 47: starke Veriormung vor dern Ber- sten bei 20 "C (pe = 400 bar), RiRverlauf rund urn die Schweihaht. Fig. 13. Type K 3 vessel. St. E 47: large deformation before bursting at + 20 "C (pB = 400 bar). cracking path around welding seam.

n

R, RiRbeginn R, 1. RiRverzweigung R2 2.RiOverzweigung

Abb. 14. Schematische Darstellung eines Prirnarbruchverlaufs mit RiRverzweigung. Fig. 14. Scheme of primary cracking path with crack branching.

Abb. 15. Behalter Typ K 3 . St. E47: verzweigtcr Ria mit starker Ver- forrnung nach dem Bersten bei - 20 "C (pB = 405 bar). Fig. 15. Type K 3 vessel, St. E47: branched crack with large deforma- tion after bursting at -20 "C (pB = 405 bar).

Abb. 16. Behllter Typ K2, TTSt. E 36: Riaverlauf nach dern Bersten bei - 120 "C (pn = 182 bar). Fig. 16. Type K 2 vessel, 'ITSt.E36: cracking path after bursting at - 120 "C (pB = 182 bar).

immer dann auf, wenn die Energiefreisetzungsrate, die den Bruch vorantreibt, bei hoher RiBgeschwindigkeit einen kriti- schen Wert uberschreitet. Dieser prinzipielle Verlauf kann durch die jeweiligen Bauteilgegebenheiten (Werkstoffbeschaf- fenheit, Temperatur, Schweihahte) abgewandelt werden. AuRerdem konnen Sekundarbruche (z. B. nach Herumlaufen eines RiBzweiges urn den Stutzen und Wiedereindringen in den Klopperboden) das Primarbruchsystem storend uberla- gern.

Bei - 20°C geht einem solchen RiBverlauf auch hicr noch eine merkliche Verformung voraus, wie Abb. 15 fur einen Behalter K 3 aus St.E 47 erkennen la&. Die RiBverzweigun- gen werden deutlich in Abb. 16 an der Rekonstruktion eines Behalters K 2 aus TTSt.E36, der bei - 120°C geborsten und im Oberteil vollig zerlegt war. Eine lhnliche Phanornenologie ist schon bei - 60 "C festzustellen: Abb. 17 fur einen Behalter K 3 aus St.E47. Bei - 140°C erstreckte sich die Zerlegung in viele Teilstiicke auch auf das Behalterunterteil, das allerdings bei dieser Ausfiihrung (K3, St. E47) gegenuber dem Oberteil nicht verstarkt ist, Abb. 18.

Die Tendenz zum radialen Riljansatz wird selbst durch eine vorgegebene Tangentialkerbe am Stutzenumfang nicht beein- fluBt: Abb. 19 zeigt den (erwarteten) Aufbruch der Tangen- tialkerbe sowie den verzweigt weiterlaufenden RadialriB in einem Behalter K2 aus TTSt.E36 bei - 120°C. Demgegen- uber ,,richtet" eine Radialkerbe den RiB aus, der bei - 20°C in einem Behalter K 3 aus St.E47 noch keine Verzweigung aufweist (Abb. 20). Bei tieferen Temperaturen (und dunneren Wanddicken) mu13 in jedern Fall mit RiBverzweigungen gerechnet werden, die zur Zerlegung des Behalters fuhren (z. B. Abb. 21 fur einen Behalter K 3 aus TTSt.E36 bei - 120°C). Die Kerben (als Symbole fur entsprechend gela- gerte Werkstoff- oder Verarbeitungsfehler) bedingen also keine grundsatzliche Veranderung der RiB- und Bruchausbil- dung.

Der Ubersicht halber sind in Tubelle 6 die fur die Priiftem- peratur 20 "C gefundenen (Mittel-)Werte des Berstdrucks den ermittelten Kennwerten der verwendeten Werkstoffe gegen- ubergestellt. Dazu sind fur den Werkstoff die Kerbschlagiiber- gangstemperatur (50% der Hochlage der Kerbschlagarbeit) und der CAT-Wert nach Robertson angegeben.

Z. Werkstofftech. 11, 387-399 (1980) Untersuchungen zur Bauteilzahigkeit 395

Abb. 17. Behalter Typ K3. St. E47: Zerlegung des Behalter-Ober- teils nach dem Bersten bei - 60 "C (pR = 388 bar). Fig. 17. Type K 3 vessel. St.E47: breaking of the vessel top after bursting at -60 "C (pB = 388 bar).

Abb. 19. Behalter Typ K2, TTSt. E36: Aufbruch in der Tangential- kerbe und RiRverlauf nach dcm Bersten bei - 120 "C (pB = 8Y bar). Fig. 19. Type K 2 vessel, TTSt. E 36: breaking along tangential notch and branched cracking path after bursting at -120 "C (pB = 89 bar).

Abb. 18. Behalter Typ K3, St. E 47: Aushreitung der Risse his in das Behilter-Unterteil nach dem Bersten bei - 140 "C (po = 258 bar). Fig. 18. Type K 3 vessel, St. E47: dispersion of cracks to vessel base.

Abb. 20. Behalter Typ K3, St. E47: durch Radialkerbe ausgeloster RIB nach dem Bersten bei - 20 "C (pB = 257 bar). Fig. 20. Type K 3 vessel, St. E47: crack released by radial notch after bursting at -20 "C (pe = 257 bar).

396 C.-M. v. Meysenbug, E. Gaubc, M. Dickhauser und D. Siegele Z. Werkstofftech. 12,387-399 (1980)

Tabelle 6. Vergleich dcs (mittleren) Berstdrucks fur Behalter Typ K aua verschiedenen Werkstoffen mit den entsprechenden Werkstoffienn- werten (Priiftemperatur +20 "C) Table 6. Random burst pressure for type K vessels made of various steels in comparison to their mechanical propcrtics at room temperature

Wcrkstoff (Norm)

Behdter P B Re, I R m AK T,, F W C CAT TYP bar N:mm' Nirnm' J "C "C

~~

HI (DIN 17155) K 2 185 253 393 163 - 55 -11 HI1 (DIN 171.55) K 2 190 280 419 184 -55 -11

TTSt. E36 (SEW 089-70) K 2 155 370 528 170" -40 - 18 K3 370 392 550 150* -35 -21"*"

St. E47 (SEW 089-70) K 3 400 492 627 110 -35'" -12"*"

TTSt. 35 N (SEW 680-70) K 2 200 290 410 188 -75 -16

* Langsprobe nach DIN 17100 (TSO-V). * * 27 J-Ubergangstemperatur.

* * * umgerechnct von 30 mm auf 20 mm Probendicke.

Die GroRe K,,, wird dabei aus der Bruchlast, K, aus der Last, bei der instabiles RiSwachstum einsetzt, und K, aus derjenigen, bei der die RiRaufweitung gerade 5% vom linea- ren Verlauf abweicht, ermittelt. Die letzte Spalte der Tabelle zeigt eine Abschatzung f i r die minimale Probendicke. die erforderlich ist, damit die plastische Zone klein gegenuber den Probenabmessungen bleibt und gultige KI,-Wcrte ermittelt werden konnen .

Daraus geht hervor, daR bei der Temperatur - 120°C fur das 30-mm-Blech gerade noch gultige Wertc gefunden wur- den, wahrend bei den hoheren Temperaturen der Gultigkeits- bereich der Bruchmechanik uberschritten ist.

4 Folgerungen aus den Befunden fur die Sicherheit von Druckbehaltern

Abb. 21. Behalter Typ K3, TTSt. E 36 mit Radialkerbe: vollige Zer- legung des Behalters nach dem Bersten bei - 120 "C (pR = 220 bar). Fig. 21. Type K 3 vessel, TTSt. E36. radial notched: total breaking into pieces after bursting at - 120 "C (pB = 220 bar).

3.2 Bruchmechanische Untersuchungen

In Tabelle 7 sind die aus Dreipunkt-Biegeversuchen bei ver- schiedenen Pruftemperaturen erhaltenen Ergebnisse zusam- mengestellt.

Tabelle 7. Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte fur =St, E 36 bei tiefen Temperaturen Table 7. Dates for fracture mechanics of the steel TTSt. E 36 at low temperatures

-140 1950 1950 1950 6.50 22.5 -120 2095 2095 2095 630 27,6 -80 1880 - 3470 560 96 ,0 -60 1840 2730 2900 500 84,l

Die Zusammenfassung der Ergebnisse fur alle untersuchten Werkstoffe in den Abb. 9 und 10 sowie in der Tabelle 6 1aRt zunachst fur den Berstdruck im Bereich der Raumtemperatur (bei vergleichbarer Behaltergeometrie) eine ahnliche Stufung wie fur die Kerbschlagzahigkeit erkennen. Der Gang des Steil- abfalls der Kerbschlagzahigkeit (Ubergangstemperatur bei 50% der Hochlage) entspricht jedoch nicht dem Absinken des Berstdrucks bei tieferen Temperaturen fur die einzelnen Werkstoffe. Hier zeigt sich envartungsgemafi die groBere Zahigkeit der Tieftemperaturstahle und insbesondere der Feinkornbaustahle. Je zahei der Werkstoff sich noch bei nied- rigen Temperaturen verhalt, desto groRer ist der Abstand zwi- schen dem Steilabfall der Kerbschlagzahigkeit und dem Abfall der Berstdruckkurve. Die in fruheren Interpretationen (1 1) vorgeschlagene Einteilung des Bruchverhaltens in , ,Berei- che", die durch die Kerbschlagubergangstemperatur und die RiRauffangtemperatur nach Robertson (CAT) begrenzt sind. mu13 also insofern eingeschrankt werden, als sich je nach Werkstoff auch unterhalb der Kerbschlagubergangstempcra- tur noch ein relativ zahes Bauteilverhalten ergeben kann: der Steilabfall des Berstdrucks kann bei weit tieferen Temperatu- ren einsetzen und einen allmihlichen Ubergang vom zahen zum sproden Verhalten bedingen. Als Grenze fur die absolute Versprodung kann vielmehr die Temperatur angenommen werden, bei der Berstdruck und FlieRdruck zusammenfallen, d. h. der Schnittpunkt der Kurven fur pn und P",~%, Abb. 9 iind 22. (Diese Grenze hat jedoch nur theoretische Bedeutung und lief3 sich in den vorliegenden Untersuchungen fur die Behalter aus St.E47 nicht mehr beobachten.) Der Bereich oberhalb der

Z. Werkstofftech. 11, 387-399 (1980) Untcrsuchungen zur Bauteilzahigkeit 397

RiBauffangtemperatur ist in jedem Fall gekennzeichnet durch eine volle Ausnutzung der Verformungsreserve des Werk- stoffs: der RiB hat begrenzte Lange und die Gefahr des Absprengens von Teilen des Behalters besteht nicht. Der Abstand zwischen CAT und dem vollkommen sproden Versa- gen des Behalters kann aber fur die einzelnen Werkstoffe sehr unterschiedlich sein; z. B. liegen die CAT-Werte f i r die Ble- che HI1HII und St.E47 fast gleich. wahrend die Ternperaturen der beginnenden Versprodung im Berstversuch weit auseinan- der liegen. Die geringen Unterschiede der gemessenen CAT- Werte lassen sich demnach nicht zur Differenzierung der Werkstoffe hinsichtlich des Berstvcrhaltens daraus hergestell- ter Behalter heranziehen, sondern CAT kann nur in dem oben genannten Sinne als Sicherheit fur das Vorhandensein ausrei- chender Verformungsreserve angesehen werden. So wurde auch bei den Berstversuchen an allen Werkstoffen ,.his etwa - 20 "C" noch starke Verformung beobachtet.

Die Feststellung einer noch vorhandenen Verformungsre- serve auch unterhalb der Kerbschlagubergangstemperatur des Werkstoffs (als leicht verfugbarem Richtwert) ist von erhebli- cher Bedeutung fur die Praxis, denn sie bestatigt. dalj man mit der Auslegung von Druckbehiltern nach den gangigen Regeln der Technik gut auf der sicheren Seite liegt. Als Beispiel sind in Ahh. 22 fur die Behalter K 3 aus den Feinkornbaustahlen St.E47 und TTSt.E36 die nach dem AD-Regelwerk (AD-B3 und W 10) berechneten Auslegedrucke pA eingezeichnet. Ihre Berechnung berucksichtigt die Verschwachung durch den Stutzen und setzt mit fallender Temperatur hohere Sicher- heitsfaktoren an. Infolgedessen liegt der Sicherheitsabstand gegenuber dem gemessenen Berstdruck (Sicherheitsbeiwert SB = pB/pA) f i r Raumtemperatur in der GroRenordnung von 4 und fur - 120°C (TTSt.E36) bei 10 (vgl. (12)); der Feinkorn- baustahl St.E47 ist nach A D nur bis - 100°C zugelassen.

r - ~ ~ - - - ~ ~ T T S i . E 3 6

!--j-.-.j- r.-.J

wofur sich ein Sicherheitsbeiwert von ca. 12 ergeben wurde. Die zu tieferen Temperaturen hin beobachtete groljere Ver- sprddungsneigung wird also durch den hoheren Sicherheitsbei- wert aufgefangen. Die durch den Abstand der Kurven fur p~ und po.2n,, gekennzeichnete Verformungsreserve wird durch den Verlauf der Stufenkurve fur pA ebenfalls gut wiedergege- ben (Abb. 22).

Die Konzeption des Prufprogramms zieltc jedoch wenigcr darauf ab, den EinfluB tiefer Temperaturen auf das Berstver- halten der Behiilter festzustellen, als vielmehr den Ubergang vom zahen zum sproden Versagen derartiger Bauteile syste- matisch zu untersuchen; dabei mulite das Absenken der Tem- peratur ein Hilfsrnittel zum Erreichen einer zunehmenden Versprodung sein. Es ermoglichte zugleich, den Uberpang vom elastisch-plastischen zum rein elastischen Verhalten des Werkstoffes irn Bauteil zu erfassen und einer genauen Berech- nung der Spannungs- und Verformungsverhaltnisse in der Behalterwand fur verschiedene Belastungszustande nach einem Finite-Element-Programm (20) zugrundezulegen. Auch eine Analyse der Vorgange nach bruchmechanischen Gesichtspunkten konnte fur die verwendeten Werkstoffe durch Anwendung tiefer Temperatur in die Betrachtung ein- bezogen werden.

Die Konstruktionsform hat naturgemalj einen starken Ein- fluB auf die Verformung und das Bersten des Behalters. Fur die Behalter vom Typ T geht die Abhangigkeit des Berst- drucks vom Stutzendurchmesser und von der Anbringungsart des Stutzens aus Abb. 11 hervor. Dabei waren die Wanddik- ken von Behalterkorper und Stutzen gleich; ein gravierender EinfluB einer veranderten Stutzenwanddicke konnte bei den damaligen Untersuchungen nicht festgestellt werden (14). Die Stutzwirkung des Stutzens gegenuber der Verschwachung durch den Ausschnitt beruht bei der geringen Ausgangswand- dicke von 10 mm hauptsachlich auf der Formsteifigkeit des Stutzenringes (100 und 300 mm Durchrnesser) und wird dabei zu tieferen Temperaturen hin durch die aufgesetzte Ver- schweiBung etwas erhoht. - Fur die Behalterform K ist die in Abb. 10 dokumentierte Lage der Kurven fur die Wanddicken- verhaltnisse 10/10 mm (K l ) , 20/10 mm (K2) und 30120 mm (K3) bei den Behaltern aus TTSt.E36 zum Teil durch die unterschiedlichen Festigkeitswerte der verwendeten Bleche bedingt (vgl. Tabelle 2); die Stufung entspricht jedoch erwar- tungsgemiilj den Behaltenvanddicken bzw. den Wanddicken- verhaltnissen BehiilteriStutzen. Hier zeigt sich eine deutliche Erhohung der Stutzwirkung bereits durch VergrbBerung der Stutzenwanddicke von 10 auf 12 mm (vgl. Tabelle 5 , Behalter K2, Berstdruckwerte fur - 120°C), die durch die Spannungs- analyse bestatigt wird (20). Andererseits spricht das beim Wanddickenverhaltnis 30i20 mm (Behalter K 3, TTSt. E 36 und St.E 47, Raumtemperatur) beobachtete AbreiBen des ganzen Stutzens (vgl. Abb. 13) fur einen erhohten Mehr- achsigkeitsgrad (Stiitzwirkung) gegenuber der Ausfuhrung K 2 (vgl. Abb. 12).

Eindeutig wird die gefahrliche Spannung bei der Innen- druckbelastung der Behalter in der konstruktiv bedingten Kerbe am Ubergang vom Stutzen zum Behiilter nachst der Mitte des Klopperbodens gefunden. Dies war aufgrund der gewahlten Konstruktionsform zu envarten. jedoch konnte durch eine detaillierte Spannungsanalyse (20) der unterschied- liche Einflulj der Spannungen in den verschiedenen Richtun- gen (Achsen) an der AuRen- und Innenseite dieses Ubergangs bei tieferen und hoheren Temperaturen erkannt werden. Damit lassen sich auch die beobachteten KiB- und Bruchfor- men erklaren. Die einzelnen Werkstoffe reagieren je nach ihrer Duktilitat unterschiedlich auf die sich einstellende Span-

398 C.-M. v. Meysenbug, E. Gaube. M. Dickhauser und D. Siegele 2. Werkstofftech. 11, 387-399 (1980)

nungskonstellation, deren Komplexitat durch den EinfluB der SchweiBnaht noch erhoht wird. E in Eingriff in den gegebenen Spannungszustand durch Anbringen von Kerben hewirkt zwar eine Verminderung der Haltbarkeit um etwa %, die gleichar- tige Auswirkung von radial wie tangential angeordneten Ker- ben und das Beibehalten der Tendenz des RiRverlaufes deuten jedoch darauf hin, daB die Dominanz de r einzelnen Span- nungskomponenten grundsatzlich nicht verandert wird. Theo- retisch ware eine solche Veranderung bei ideal scharfer Kerbe zu erwarten, ebenso wie ein weit starkeres Absinken des Berstdruckes; die hier realisierbare Kerbscharfe kann dagegen Hinweise auf die Auswirkung von Werkstoffinhomogenitiiten und Herstellungsfehlern in d e r Praxis geben.

Fur die praktische Auslegung von Druckbehaltern ver- gleichbarer Konstruktion kann aus den hier dargestellten Ver- suchen gefolgert werden, daB die Dimensionierung und dic Anwendungsgrenzen nach den geltenden Regeln der Technik genugend Sicherheit einschliefien. Zu einer dariiberhinausge- henden exakteren Vorausberechnung nach modernen Berech- nungsmethoden konnen die experimentellen Befunde und die darauf aufbauenden rechnerischen Untersuchungen (20) einen wertvollen Beitrag liefern.

5 Sc hluR bemerkung Die Ergebnisse aus diesem umfassend angelegten Untersu-

chungsprogramm bestatigen weitgehend Erkenntnisse, die aus vereinzelt ausgefuhrten Berstversuchen an betriebsmafligen GroObehaltern, z. B. in den USA und in Italien (21), oder aus Arbeiten d e r Staatl. Materialprufungsanstalt, Stuttgart (22-24) sowie bei Berstversuchen zur Untersuchung von Klop- perboden (25) gewonnen worden sind; werkstoffforientierte Untersuchungen an behalterahnlichen Bauteilen bei der Bun- desanstalt fur Materialpriifung, Berlin, erganzen insbesondere die Kenntnisse uber das Verhalten des Feinkornbaustahles St . E 4 7 (26).

Das a lu mehreren Teilabschnitten bestehende Forschungs- programm wurde gefijrdert aus Mitteln des Bundesministeriums fur Wirtschaft uber die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen (AIF) und durch Zuschiisse des Hessi- schen Ministeriums fur Wirtschaft und Technik sowie aus Eigenmitteln der Dechema, Deutsche G'esellschaft f u r chemi- sches Apparatewesen e. V., FrankfurtiM. Allen Celdgebern sei hier nochrnals fiir die Finanzierung der Untersuchungen gedankt. Neben den bereits genannten Firmen, die die Arbeiten durch Ubedassung des Priifstandes, Herstellung der Modellbe- halter. zusatzliche Bereitstellung von Material, notwendige Sonderanfertigungen usw. unterstiitzt hahen. gilt besonderer Dunk den befreundeten Instituten*) und den Kollegen irn Dechema-Fachausschup , , Werkstoffe und Konstruktion im Chemie-Apparatebau", die mit ihren Erfahrungen und Rat- schlagen wesentlich am Gelingen der Untersuchungen beteiligt sind.

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Anschrift: Prof. Dr.-Ing. C.-M. v. Meysenbug, Dechema-Institut, 7heodor-Heuss-Allec 25, 6000 FrankfurtiM., Dr.-Ing. E. Gaube, Hoechst Aktiengesellschaft. Dip\.-lng. M. Dickhiiuser, Hoechst Aktiengesellschaft, 6230 Frankfurt/M.-Hochst, Dip]. -1ng. D. Sjegele, Fraunhofer-Institut fur Werkstoffmechanik. 7800 Freiburg.

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