Mehr Sicherheit in der Anlagentechnik - Analyse von Detonationen in Rohrleitungen

23.10.2007

Wissenschaftler der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart (MPA) um Prof. Eberhard Roos analysieren Detonationen in Rohrleitungen. Der dabei verwendete Versuchsaufbau führt zu sehr hohen Energieaufkommen und liefert Ergebnisse, die bisher kaum zu erhalten waren. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie seit 2004 geförderte Forschungsvorhaben hat zum Ziel, das Verhalten von Rohrleitungen, wie sie zum Beispiel innerhalb von Kernkraftwerken genutzt werden, besser voraussagen zu können und damit die Sicherheit zu erhöhen.

Bei Siedewasserreaktoren und in chemischen Anlagen ist es theoretisch möglich, dass sich in Rohrleitungen ein Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch (Knallgas) bildet, das sich entzünden und zur Detonation im Rohr führen könnte. Im Rahmen des Forschungsvorhabens führen die Wissenschaftler der MPA deshalb experimentelle und numerische Untersuchungen zum Rohrleitungsverhalten durch, in dem sie Situationen simulieren, bei welchen sich in Rohrleitungen vorhandene Wasserstoff/Sauerstoff-Ansammlungen entzünden. Als Versuchsmaterial verwenden die Forscher dünnwandige Geradrohre mit einer Weite von 100 Millimetern mit und ohne eingeschweißte Rohrkrümmer und bringen das Wasserstoff/Sauerstoff Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis von rund 66 Volumenprozent Wasserstoff und 34 Volumenprozent Sauerstoff mit einem Fülldruck von 70 bar in die Rohre ein. Bei den Versuchen wird zusätzlich Stickstoff in Anteilen zwischen null und 60 Prozent eingesetzt, so dass nach gezielter Zündung unterschiedlich starke Gasreaktionen realisiert werden. Je niedriger der Stickstoffanteil, desto mehr Energie wird freigesetzt. Hierbei entstehen Druckspitzen von bis zu 1.500 bar, die sich mit Überschallgeschwindigkeit von rund 3.000 Metern pro Sekunde im Rohr ausbreiten.

Zu derartigen hochdynamischen Rohrleitungsbelastungen gibt es bislang noch kaum Versuchsergebnisse. Im Gegensatz zu den weitläufig angewandten quasistatischen Berstversuchen können bei diesen hochdynamischen Beanspruchungen Mehrfachlängsriss- und -bruchbildungen bis hin zu Splitterbrüchen auftreten. Die Versuche werden im 32 Meter tiefen Prüfschacht der MPA durchgeführt und mit modernster Messtechnik aufgezeichnet. Eine moderne High Speed-Kamera filmt zudem die Abläufe mit bis zu 100.000 Bildern pro Sekunde.

Die aufwändigen Versuche nutzen die Wissenschaftler nicht nur für die experimentelle Analyse des Rohrleitungsverhaltens. Die Ergebnisse dienen auch der Verifikation von numerischen Berechnungen zur Beschreibung des Materialverhaltens bei derartig hochdynamischen Beanspruchungen und fließen in die Entwicklung von Werkstoffgesetzen mit ein.

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