Einfluss innerer Spannungen auf die Lebensdauervorhersage für Kunststoffrohre
Impact of internal stresses on lifetime assessment for plastic pipes
Förderinstitution: AiF-Vorhaben
Projektnummer: IGF 15 806 N
Projektlaufzeit: 01.11.2008 – 31.10.2012
Kurzdarstellung
Ausschlaggebend für die anwendungstechnische Bedeutung von Kunststoffrohren ist unter anderem ihre auf Basis internationaler Normen nachgewiesene hohe Lebensdauer. Die Lebensdaueranalyse erfolgt notwendigerweise auf Grundlage einer akzelerierten Prüfung mit einer anschließenden Extrapolation des Materialverhaltens, wie sie in DIN EN ISO 9080 in Verbindung mit DIN EN ISO 1167 beschrieben wird. Die grundsätzliche Eignung des Verfahrens ist durch langjährige Prüf- und Praxiserfahrungen von nunmehr fast 60 Jahren belegt.
Die Herstellung von Kunststoffrohren erfolgt in der Regel durch Extrusion, welche eine Orientierung der Polymerketten, eine unterschiedliche Verteilung des Kristallinitätsgrades über der Rohrwand und eine unterschiedliche Volumenkontraktion mit sich bringt. Die daraus resultierenden Eigenspannungen überlagern sich im Betriebsfall mit den Spannungen infolge Innendruck. Die Auswirkungen von herstellungsbedingten Eigenspannungen und deren späterer Relaxation auf die Lebensdaueranalyse von Kunststoffrohren sind bisher nicht systematisch untersucht worden. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob und in welcher Form das Eigenspannungsniveau der in den Zeitstand-Innendruckversuchen gemäß DIN EN ISO 1167 im Rahmen der Lebensdaueranalyse gemäß DIN EN ISO 9080 verwendeten Probekörper Einfluss auf die ermittelten Ergebnisse ausübt.
Zur Klärung dieser Fragestellung wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein umfangreiches Programm von über 650 Zeitstand-Innendruckversuchen bei jeweils vier unterschiedlichen Prüftemperaturen und unter Berücksichtigung von Standzeiten bis zu 10 000 h durchgeführt. Untersuchungsgegenstand waren Kunststoffrohre aus drei unterschiedlichen Werkstoffen (Polyethylen und zwei verschiedene Typen Polypropylen), mit zwei unterschiedlichen Abmessungen (63 mm und 110 mm) und zwei unterschiedlichen Eigenspannungsniveaus (normal und hoch). Die Prüfergebnisse aus den Zeitstand-Innendruckversuchen bei verschiedenen Temperaturen über das gesamte Standzeitspektrum bildeten die Grundlage für die Durchführung von Lebensdaueranalysen entsprechend der Standardextrapolationsmethode je Werkstoff und Eigenspannungsniveau. Dabei wurden sowohl die vorhergesagte mittlere Zeitstand-Innendruckfestigkeit σLTHS(20 °C; 50 a) als auch die untere Vertrauensgrenze für die vorhergesagte Zeitstand-Innendruckfestigkeit σLPL(20 °C; 50 a; 97,5) für eine Extrapolationstemperatur und -zeit von 20 °C bzw. 50 a ermittelt. Für keinen der Werkstoffe lassen sich signifikante Unterschiede in Abhängigkeit vom Eigenspannungsniveau feststellen.
Begleitend dazu werden die Eigenspannungen der verwendeten Probekörper mittels der Methoden nach Janson und Kleindienst ermittelt. Dabei konnten die unterschiedlichen Eigenspannungsniveaus mit beiden Methoden reproduzierbar qualitativ nachgewiesen werden. Mittels der weitergehenden werkstofftechnischen Charakterisierung und chemischen Analytik konnte zudem eine Korrelation verschiedener untersuchter Parameter mit den Eigenspannungen aufgezeigt werden.