Ergebnisse zur Bestimmung von Dauerbetriebstemperatur
Bild 2. Beispiele für das dauerelastische Verhalten und die erreichten Lastwechsel für die Rohre A (a) und B (b) (Bildquelle: IMA)
Die durchgeführten dynamischen Versuche zeigen ein typisches Wöhler-Verhalten. Sowohl mit der Abnahme der Vorkonditioniertemperatur als auch des Lastniveaus stellten sich höhere Lastspielzahlen ein. Die durch die thermische Alterung bedingte Abnahme der axialen Scherfestigkeit führt bei gleicher Oberspannung somit zu einem höheren Lastniveau.
Die Probekörper zeigten bei den Prüfungen bis kurz vor Erreichen der maximalen Lastspielzahl ein elastisches Verhalten, so dass ein einfaches Federmodell als Ansatz zur Beschreibung des Lastwechselverhaltens herangezogen wurde. Mit Erhöhung der Vorkonditioniertemperatur verringert sich das elastische Verhalten. Bei einer Vorkonditioniertemperatur von 160 °C ist bei den Probekörpern kein oder nur ein geringes dauerelastisches Verhalten feststellbar.
Obwohl die beiden Rohre A und B bei der für die Bewertung der Kurzzeiteigenschaften des PUR-Schaumstoffs geprüften axialen Scherfestigkeit annähernd die gleichen Werte aufweisen, zeigen sich bei dynamischer Belastung Unterschiede bei der Anzahl der möglichen Lastspiele in den beiden Rohrsystemen. Bild 2 stellt beispielhaft für die Rohre A und B das annähernd dauerelastische Verhalten und die erreichten Lastwechsel dar. Der Einfluss der Medienrohrtemperatur auf die Anzahl der Lastwechsel ist ebenfalls erkennbar. So wurden tendenziell bei der Mediumrohrtemperatur von 90 °C höhere Lastwechsel als bei 120 °C erreicht.
Die Probekörper zeigen bei dynamischer Belastung mit den Vorkonditioniertemperaturen 120 und 140 °C bis kurz vor dem Versagen des Verbunds „PUR-Schaumstoff – Mediumrohr“ ein dauerelastisches Verhalten. Auf Basis des dauerelastischen Verhaltens des Verbundsystems wurde für die Auswertung ein einfaches Federmodell herangezogen. Über dieses Federmodell wurde ein E-Modul von 17 ± 1,5 MPa für 90 °C und 15 ± 1,5 MPa für 120 °C bestimmt.
Bei der Vorkonditioniertemperatur von 160 °C ist eine signifikante Versprödung des PUR-Schaumstoffs aufgrund thermischer Alterung erkennbar. Dies steht im Gegensatz zur Ableitung von Lebensdaueraussagen auf Grundlage von Mindestrestscherfestigkeiten bei klassischen Alterungsversuchen wie dem CCOT und dem axialen
Scherfestigkeitsversuch nach Alterung.
Zusammenfassung und Ausblick
An zwei verschiedenen Kunststoffmantelrohrsystemen wurden dynamische Ermüdungsversuche durchgeführt. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen wurde für die Darstellung des dauerelastischen Verhaltens der Verbundsysteme ein einfaches Federmodell verwendet, mit dem noch verbleibende Lastspielzahlen für PUR-Schaumstoffsysteme bei Grenzzuständen (Vorkonditioniertemperaturen bei rd. 150 °C) und geringeren Dehnraten mit dynamischen Ermüdungsversuchen bestimmt werden könnten.
Restlebensdauer
Nach aktuellem Stand der Technik kann auf Grundlage von Scherfestigkeitsversuchen und durch Auswertung von Betriebszuständen eine Restlebensdauer geschätzt werden. Eine Betrachtung des Ermüdungszustands aufgrund der temperaturwechselbedingten Lastspielzahlen wird jedoch bisher nicht betrachtet.
Dauerbetriebstemperatur
Weiterhin stellt sich die Frage, ob auf Grundlage von Ermüdungsversuchen in Kombination mit Temperaturüberlagerungen Aussagen zur Dauerbetriebstemperatur abgeleitet werden können und somit eine Alternative zum CCOT geschaffen werden kann. Auf Grundlage von Mindestscherfestigkeiten und Mindestlastspielzahlen könnten Dauergebrauchstemperaturen abgeleitet werden.
Literatur
[1] BMWi-Forschungsvorhaben FKZ0327418 A-C Zeitstandfestigkeit von Kunststoffmantelrohren – Permeations- und Degradationsverhalten, Wechselbeanspruchung, Alterungsgradient, Muffenbewertung, Versagensverhalten; AGFW Forschung & Entwicklung, H. 17.
[2] BMWi-Forschungsvorhaben FKZ03ET1080 A-C Qualitätssicherung für zukünftige Kunststoffmantelrohrsysteme in der Fernwärmeversorgung – Alterungsprüfmethoden, Wechselbeanspruchung, zerstörungsfreie Muffenprüfungen, Diffusionshemmung, Zeitstandsverhalten, Versagensmechanismen; AGFW Forschung & Entwicklung, H. 39.
[3] BMWi-Forschungsvorhaben FKZ03ET1335A, B, D: Technische Gebrauchsdaueranalyse von Wärmenetzen unter Berücksichtigung volatiler erneuerbarer Energien; AGFW Forschung & Entwicklung, H. 55/56.
[4] DIN EN 253:2015-12: Fernwärmerohre – Werkmäßig gedämmte Verbundmantelrohrsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze – Verbund-Rohrsystem, bestehend aus Stahl-Mediumrohr, Polyurethan-Wärmedämmung und Außenmantel aus Polyethylen; Deutsche Fassung EN 253:2009+A2:2015; Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth-Verlag Berlin.
[5] DIN EN 253:2020-03: Fernwärmerohre – Einzelrohr-Verbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze – Werkmäßig gefertigte Verbundrohrsysteme, bestehend aus Stahl-Mediumrohr, einer Wärmedämmung aus Polyurethan und einer Ummantelung aus Polyethylen ; Deutsche Fassung EN 253:2019; Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth-Verlag Berlin.
Dipl.-Ing. Heiko Below, Abteilungsleiter Rohrsysteme; Dipl.-Ing. Matthias Thölert, Projektingenieur, IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, ima@ima-dresden.de, www.ima-dresden.de