TY - THES

T1 - Morphologische Charakterisierung von Stumpfschweißverbindungen in Polyethylen-Rohrleitungen

AU - Arbeiter, Florian

N1 - gesperrt bis 08-09-2016

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Das Ziel dieser Masterarbeit war es die Morphologie und ihren Einfluss auf das Kurz- und Langzeitverhalten von Stumpfschweißnähten aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) zu charakterisieren. Dazu wurden Stumpfschweißnähte von Rohren mit 160 bzw. 2000 mm Aussendurchmesser mit variierenden Schweißparametern, wie die Art des Schweißdrucks und der Anwärmzeit, produziert. Um die Morphologie der Schweißnähte und Rohre zu bestimmen, wurden Orientierungsmessungen mittels Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Infrarot- (IR) Spektroskopie durchgeführt. Weiter wurde der Kristallinitätsgrad der verschiedenen Schweißnähte mit Hilfe der dynamsichen Differenzkalorimetrie (DSC) eruiert. Basierend auf den Beobachtungen der Morphologie wurden gezielt mechanische und bruchmechanische Versuche durchgeführt, um die zuvor genannten Einflüsse der Morphologie auf das Materialverhalten zu bestimmen. Um Kurzzeiteigenschaften und Materialparameter wie den Elastizitätsmodul (E-Modul) und die Bruchdehnung, etc. zu bestimmen, wurden Zugversuche durchgeführt. Zur Ermittlung des Widerstandes gegen schlagartige Belastung wurden Pendelschlagversuche durchgeführt. In Kontrast dazu wurden die Langzeiteigenschaften der Schweißnähte (langsames Risswachstum) mit Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) bestimmt. Um ein qualitatives Ranking der benutzten Schweißparameter zu erstellen, wurden zyklische Tests mit gekerbten zylindrischen Prüfkörpern (CRB) ausgeführt. Bei diesen Tests wurden die Prüfkörper jeweils bei gleichen Belastungsniveaus getestet und hinsichtlich der Zyklenzahl bis zum Bruch gereiht. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen einen Unterschied in der Morphologie je nach Schweißparameter. Sowohl die Art des Druckes, als auch die Anwärmzeit während des Schweißens beeinflussen den Kristallinitätsgrad und die mechanischen Eigenschaften, wobei der Einfluss des Druckprofils bedeutend größer ist. Die Resultate deuten auch darauf hin, dass durch das „Dual-Druck Verfahren“, bei dem der Schweißdruck bereits nach 10 Sekunden auf 1/6 des ursprünglichen Drucks abgesenkt wird, die Langzeiteigenschaften der Schweißnähte im Gegensatz zum „Single-Druck Verfahren“, bei dem der Druck über die gesamte Abkühlzeit aufrecht erhalten wird, gesteigert werden. Die Ergebnisse zeigen auch, dass sich das Materialverhalten innerhalb der Schweißzone deutlich von der aus der Praxis gewonnen Erfahrung mit Brüchen von Schweißnähten unterscheidet, da bisher beobachtet wurde, dass Brüche von den Schweißwulstkerben ausgehend im Ausgangsmaterial erfolgen. Diese Abweichung lässt sich dadurch erklären, dass Brüche von Schweißnähten normalerweise zwar an Wulstkerben, die durch das Schweißen entstehen initiieren, sich dann aber durch das Grundmaterial und nicht wie im Versuch in die Schweißzone selbst ausbreiten. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Großrohren deuten darauf hin, dass die Morphologie von Großrohren und ihr Einfluss auf das Langzeitverhalten in Bezug auf die uneinheitliche Verteilung über die Rohrwand weiterer Forschung bedürfen.  

AB - Das Ziel dieser Masterarbeit war es die Morphologie und ihren Einfluss auf das Kurz- und Langzeitverhalten von Stumpfschweißnähten aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) zu charakterisieren. Dazu wurden Stumpfschweißnähte von Rohren mit 160 bzw. 2000 mm Aussendurchmesser mit variierenden Schweißparametern, wie die Art des Schweißdrucks und der Anwärmzeit, produziert. Um die Morphologie der Schweißnähte und Rohre zu bestimmen, wurden Orientierungsmessungen mittels Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Infrarot- (IR) Spektroskopie durchgeführt. Weiter wurde der Kristallinitätsgrad der verschiedenen Schweißnähte mit Hilfe der dynamsichen Differenzkalorimetrie (DSC) eruiert. Basierend auf den Beobachtungen der Morphologie wurden gezielt mechanische und bruchmechanische Versuche durchgeführt, um die zuvor genannten Einflüsse der Morphologie auf das Materialverhalten zu bestimmen. Um Kurzzeiteigenschaften und Materialparameter wie den Elastizitätsmodul (E-Modul) und die Bruchdehnung, etc. zu bestimmen, wurden Zugversuche durchgeführt. Zur Ermittlung des Widerstandes gegen schlagartige Belastung wurden Pendelschlagversuche durchgeführt. In Kontrast dazu wurden die Langzeiteigenschaften der Schweißnähte (langsames Risswachstum) mit Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) bestimmt. Um ein qualitatives Ranking der benutzten Schweißparameter zu erstellen, wurden zyklische Tests mit gekerbten zylindrischen Prüfkörpern (CRB) ausgeführt. Bei diesen Tests wurden die Prüfkörper jeweils bei gleichen Belastungsniveaus getestet und hinsichtlich der Zyklenzahl bis zum Bruch gereiht. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen einen Unterschied in der Morphologie je nach Schweißparameter. Sowohl die Art des Druckes, als auch die Anwärmzeit während des Schweißens beeinflussen den Kristallinitätsgrad und die mechanischen Eigenschaften, wobei der Einfluss des Druckprofils bedeutend größer ist. Die Resultate deuten auch darauf hin, dass durch das „Dual-Druck Verfahren“, bei dem der Schweißdruck bereits nach 10 Sekunden auf 1/6 des ursprünglichen Drucks abgesenkt wird, die Langzeiteigenschaften der Schweißnähte im Gegensatz zum „Single-Druck Verfahren“, bei dem der Druck über die gesamte Abkühlzeit aufrecht erhalten wird, gesteigert werden. Die Ergebnisse zeigen auch, dass sich das Materialverhalten innerhalb der Schweißzone deutlich von der aus der Praxis gewonnen Erfahrung mit Brüchen von Schweißnähten unterscheidet, da bisher beobachtet wurde, dass Brüche von den Schweißwulstkerben ausgehend im Ausgangsmaterial erfolgen. Diese Abweichung lässt sich dadurch erklären, dass Brüche von Schweißnähten normalerweise zwar an Wulstkerben, die durch das Schweißen entstehen initiieren, sich dann aber durch das Grundmaterial und nicht wie im Versuch in die Schweißzone selbst ausbreiten. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Großrohren deuten darauf hin, dass die Morphologie von Großrohren und ihr Einfluss auf das Langzeitverhalten in Bezug auf die uneinheitliche Verteilung über die Rohrwand weiterer Forschung bedürfen.  

KW - Morphologie

KW - Polyethylen

KW - PE-HD

KW - Rohr

KW - Schweißnaht

KW - CRB

KW - langsames Risswachstum

KW - morphology

KW - polyethylene

KW - PE-HD

KW - pipe

KW - butt weld

KW - CRB

KW - SCG

M3 - Masterarbeit

ER -