Dissertation Julisch

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Bruchmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten auf der Basis statistisch verteilter Werkstoffkennwerte Von der Fakultt Maschinenbau der Universitt Stuttgart zur Erlangung der Wrde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung vorgelegt von Dipl.-Ing. Peter Julisch, geboren in Stuttgart Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Roos Mitberichter:Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche Tag der mndlichen Prfung:10. Mrz 2008 2007 Materialprfungsanstalt (MPA) Universitt Stuttgart Vorwort DievorliegendeArbeitentstandwhrendmeinerTtigkeitalswissenschaftlicher MitarbeiteranderMaterialprfungsanstalt(MPA)UniversittStuttgartsowieam InstitutfrMaterialprfung,WerkstoffkundeundFestigkeitslehre(IMWF)der Universitt Stuttgart. MeinbesondererDankgiltdemDirektorderMPAUniversittStuttgartHerrn ProfessorDr.-Ing.habil.EberhardRoos.SeineintensiveFrderungund Untersttzung hat entscheidend zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. HerrnProfessorDr.-Ing.BerndBertschedankeichsehrherzlichfrdiebernahme desMitberichtssowieHerrnProfessorDr.-Ing. Eberhard Gde fr den Vorsitz bei der mndlichen Prfung. BeimeinenehemaligenKolleginnenundKollegenderMPAUniversittStuttgart mchte ich mich fr die angenehme und konstruktive Zusammenarbeit bedanken. NichtzuletztdankeichauchmeinenElternfrdiegroeUntersttzungwhrendder Fertigstellung dieser Arbeit. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit wurden mit den Mitteln des Verbandes derElektrizittswirtschaft(VDEW)gefrdert,wofrichmichebenfallsherzlich bedanke. Ilsfeld, Mrz 2008 1 INHALTSVERZEICHNIS FORMELSYMBOLE............................................................................................................... 5 ZUSAMMENFASSUNG......................................................................................................... 7 ABSTRACT.............................................................................................................................. 9 1EINLEITUNG..............................................................................................................11 2PROBLEMSTELLUNG UND LSUNGSWEG....................................................13 3BRUCHBILDUNG UND BRUCHMECHANISCHE KONZEPTE.......................15 3.1Bruchbildungsmechanismen von Sthlen..............................................................15 3.1.1Bruch ferritischer Sthle in der Zhigkeitshochlage........................................15 3.1.2Bruch ferritischer Sthle in der Zhigkeitstieflage...........................................16 3.1.3Bruch ferritischer Sthle im bergangsgebiet der Zhigkeit .........................16 3.1.4Bruch austenitischer Sthle ................................................................................17 3.2Bruchmechanische Konzepte und Kennwertermittlung.......................................18 3.2.1Linear-elastische Bruchmechanik ......................................................................18 3.2.2Elastisch-plastische Bruchmechanik .................................................................18 3.2.3Bruchmechanische Modelle im bergangsgebiet...........................................20 3.2.4Formale berfhrung der J-Werte in K-Werte .................................................21 3.2.5Die Grenzlastmethode .........................................................................................22 3.2.6Die R6-Methode....................................................................................................22 4WERKSTOFFE UND PROBEN..............................................................................25 4.1Werkstoffkennwerte...................................................................................................25 4.1.1Stckanalyse des Werkstoffs X10CrNiNb18-9 ................................................25 4.1.2Stckanalyse des Werkstoffs X10CrNiTi18-9 ..................................................25 4.1.3Stckanalyse des Werkstoffs 10MnMoNi5-5....................................................26 4.1.4Stckanalyse des Werkstoffs 22NiMoCr3-7 (MPA-Schmelze KS 01) .........26 4.1.5Stckanalyse des Werkstoffs 22NiMoCr3-7 (MPA-Schmelze KS 07) .........27 4.1.6Stckanalyse des Werkstoffs 17MoV8-4 ..........................................................28 2 4.1.7Anforderungen mechanisch-technologische Werkstoffkennwerte................28 4.2Probengeometrie .......................................................................................................29 4.3Probenentnahme .......................................................................................................29 5GRUNDLAGEN DER STATISTIK UND PROBABILISTIK................................31 5.1Vorteil des probabilistischen Bewertungsansatzes ..............................................31 5.2Statistische Mazahlen.............................................................................................31 5.2.1Der Erwartungswert ..............................................................................................31 5.2.2Die Standardabweichung ....................................................................................32 5.3Statistische Verteilungsfunktionen..........................................................................32 5.3.1Die Normalverteilung............................................................................................33 5.3.2Die Lognormalverteilung......................................................................................33 5.3.3Die Weibullverteilung............................................................................................34 5.42-Test zur Bestimmung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung ...........................34 5.5Die Monte-Carlo-Methode ........................................................................................35 5.6DieGenerierungvonZufallszahlengemeinerWahrscheinlichkeitsverteilung......................................................................................................................................37 6STATISTISCHE UNTERSUCHUNG DER EINFLUSSGRSSEN....................38 6.1Statistische Verteilung der Werkstoffkennwerte ...................................................38 6.1.1Streckgrenze Re (bzw Rp0,2) ................................................................................38 6.1.2Zugfestigkeit Rm....................................................................................................42 6.1.3Ji-Wert .....................................................................................................................45 6.1.4JIc-Wert ...................................................................................................................49 6.1.5KIJ-Wert...................................................................................................................51 6.1.6KJIc-Wert .................................................................................................................55 6.1.7KJc-Wert ..................................................................................................................57 6.1.8KIJ-Wert des bergangsgebiets .........................................................................61 6.2Statistische Mazahlen der Werkstoffkennwerte .................................................63 3 6.3Richtungsabhngigkeit der wichtigsten Werkstoffkennwerte .............................65 6.4Statistische Verteilung geometrischer Kennwerte ................................................68 6.4.1Auendurchmesser D der Versuchsrohre ........................................................68 6.4.2Wanddicke t der Versuchsrohre .........................................................................69 7UNTERSUCHUNG RISSBEHAFTETER VERSUCHSROHRE.........................71 7.1Auswahl und Beschreibung der untersuchten Versuchsrohre ...........................71 7.2Auslegung der fehlerfreien Rohre ...........................................................................72 7.3Einflussgren der Berechnung der rissbehafteten Versuchsrohre..................73 7.4Vergleich von Experiment und deterministischer R6-Rechnung........................73 7.5VergleichvondeterministischerundprobabilistischerR6-Rechnungmitder Monte-Carlo-Methode sowie der Auslegung gegen Flieen..............................74 7.6Sensitivittsanalyse der Initiierungswahrscheinlichkeit .......................................76 7.6.1Bewertungskriterium der Sensitivittsanalyse .................................................77 7.6.2Sensitivittsanalyse..............................................................................................78 8EINBINDUNGDERZERSTRUNGSFREIENWERKSTOFFPRFUNGIN DIEPROBABILISTISCHEBEURTEILUNGVONROHRLEITUNGSKOM-PONENTEN................................................................................................................81 8.1Erstellung von POD-Kurven in der ZfP...................................................................81 8.2Auswahl des geeigneten ZfP-Verfahren durch die POD-Kurve .........................83 8.3Auswahl des quantitativ besten Prfverfahrens....................................................85 9KORRELATIONENZURBESTIMMUNGBRUCHMECHANISCHERWERK-STOFFKENNGRSSEN..........................................................................................86 9.1Korrelation von Ji- und JIc-Werten...........................................................................86 9.2Korrelation der Ji- bzw. JIc-Werte mit der Kerbschlagarbeit KV.........................90 4 9.3Korrelation von JIc-Wert, Kerbschlagarbeit KV und Zhigkeitkennwert ............93 9.3.1Bestimmung der Mittelwertfunktion fr JIc-Werte.............................................94 9.3.2Bestimmung der Mittelwertfunktion fr Ji-Werte ..............................................98 9.3.3Beurteilung der Mittelwertkorrelationen...........................................................101 9.3.4Bestimmung einer Funktion fr die Standardabweichung der J-Werte .....102 10LITERATUR......................