Autor: Mehdi Fardi
Die sich wandelnden Herausforderungen beim Design und der Bewertung von Pipelines
Von der Barlow-Gleichung zu fortgeschrittenen Ermüdungs- und Bruchmechanikbewertungen für Wasserstoff-Pipelines
In den letzten Jahrzehnten mussten das Pipeline-Design und Methoden zur Bewertung von Pipelines wiederholt an die sich ständig ändernden Bedingungen der Branche angepasst werden. Mit der Einführung von Wasserstoff steht die Branche nun vor neuen Herausforderungen. Unser Experte Mehdi Fardi, Principal Engineer bei der ROSEN Group, nimmt diese neuen Herausforderungen genauer unter die Lupe und diskutiert, wie die Branche sie lösen könnte.Von der Barlow-Gleichung bis hin zu fortschrittlichen Ermüdungs- und Bruchmechanikbewertungen für Wasserstoff-Pipelines.
Seit Jahrzehnten verlässt sich die Pipeline-Industrie beim Design und der Bewertung der Integrität von Pipelines auf grundlegende Prinzipien des Engineerings. Zu den wichtigsten Gleichungen zählen dabei die Barlow-Gleichung, die einen Zusammenhang zwischen Innendruck, Umfangsspannung, Wandstärke und Rohrdurchmesser herstellt. Diese Gleichung dient Pipeline-IngenieurInnen seit jeher als Grundlage für die Bestimmung sicherer Betriebsdrücke. Bei der konventionellen Pipeline-Konstruktion erfolgt die Auswahl der Rohrdicke entweder nach einem normativen oder einem leistungsbasierten Ansatz. Unabhängig von der Methodik beginnt der Konstruktionsprozess jedoch traditionell mit der Auswahl der Mindestrohrdicke auf der Grundlage der Rohrgröße, der Stahlsorte/Festigkeit und des Designfaktors unter Verwendung der Barlow-Gleichung. Sobald die Rohrdicke bestimmt ist, werden die Pipelines hinsichtlich verschiedener Risiken bewertet, darunter extern induzierte Spannungen/Dehnungen, externe Störungen und laufende duktile Brüche.
Dieser vereinfachte Ansatz ist zwar für konventionelle Anwendungen wirksam, berücksichtigt jedoch nicht vollständig die komplexen Herausforderungen, die in extremen Umgebungen wie Offshore-, Sauergas- oder georisikobehafteten Gebieten auftreten. Pipelines, die unter diesen rauen Bedingungen betrieben werden, müssen externen Faktoren wie seismischen Aktivitäten, Erdrutschen, Bergsenkungen und Frosthebungen sowie internen Risiken wie Korrosion, Ermüdung und Versagensmechanismen standhalten, die über einfache Überkreuzspannungsbetrachtungen hinausgehen.
Als die Branche mit den Herausforderungen des Integritätsmanagements bestehender Pipelines und der Konstruktion und dem Bau neuer Offshore- und Sauergas-Pipelines konfrontiert wurde, erkannten IngenieurInnen die Notwendigkeit ausgefeilterer Bewertungsmethoden. Die Einführung der Bruchmechanik, der Ermüdungsanalyse und der Engineering Critical Assessments (ECA) markierte einen bedeutenden Fortschritt im Pipeline-Integritätsmanagement. Offshore-Pipelines und Steigleitungen sind während der Installation typischerweise hohen Belastungen ausgesetzt und unterliegen im Betrieb zyklischen Belastungen, die in erster Linie auf thermische Schwankungen und dynamische Effekte wie wirbelinduzierte Schwingungen (VIV) zurückzuführen sind. Diese anspruchsvollen Bedingungen erfordern eine strenge ECA der Rundnähte, um deren Eignung für den Einsatz unter repräsentativen Belastungsszenarien sicherzustellen.
Pipelines für den Transport von sauren Medien, die Schwefelwasserstoff (H₂S) ausgesetzt sind, bergen zusätzliche Risiken wie sulfidinduzierte Spannungsrisse (SSC) und Wasserstoffinduzierte Risse (HIC). Um diesen Herausforderungen zu begegnen, waren eine verbesserte Materialauswahl, fortschrittliche Spannungsanalysen und die Implementierung von Techniken zur Risikominderung erforderlich, um die langfristige strukturelle Integrität zu verbessern. Diese Entwicklungen bedeuteten einen Wandel von rein spannungsbasierten Konstruktionsmethoden hin zu einem umfassenderen, bruchmechanischen Ansatz.
Wasserstoff-Pipelines erfordern einen neuen Ansatz für das Pipeline-Design und die Pipeline-Umrüstung
Heute, da Wasserstoff als wichtiger Energieträger im globalen Übergang zu saubereren Energien immer mehr an Bedeutung gewinnt, steht die Konstruktion neuer Pipelines oder die Umstellung bestehender Pipelines vor beispiellosen Herausforderungen. Wasserstoffpipelines können nicht mit herkömmlichen Methoden für Öl und Gas konstruiert oder bewertet werden, sondern erfordern einen grundlegend anderen Ansatz, der auf Bruchmechanik und Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Werkstoffen basiert. Die Wasserstoffversprödung – ein Phänomen, bei dem Wasserstoffatome in Metallstrukturen eindringen und deren Duktilität und Zähigkeit verringern – stellt ein erhebliches Risiko für die Integrität von Pipelines dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Öl- und Gaspipelines, die typischerweise duktile Versagensarten aufweisen, sind Wasserstoffpipelines selbst unter relativ niedrigen Belastungsbedingungen weitaus anfälliger für Sprödbruch.
Dieser Paradigmenwechsel erfordert eine Neubewertung der für die Pipeline-Konstruktion erforderlichen Fähigkeiten und Kompetenzen. IngenieurInnen müssen Fachwissen in den Bereichen Bruchmechanik, Wasserstoff-Material-Verträglichkeit sowie neuartige Prüf- und Validierungsmethoden entwickeln, um den sicheren Transport von Wasserstoff zu gewährleisten. Derzeit besteht in der Branche eine erhebliche Wissenslücke, und ohne sofortige und umfassende Schulungen könnte der Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur durch Sicherheitsrisiken, Ausfälle und Projektverzögerungen behindert werden.
Um diese Risiken zu mindern und den Übergang zu einer wasserstoffbasierten Energiewirtschaft zu erleichtern, ist eine globale Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Regulierungsbehörden unerlässlich. Die Einrichtung standardisierter Ausbildungsprogramme, Qualifikationsrahmen und Forschungsinitiativen im Bereich des Engineerings von Wasserstoff-Pipelines wird für die Bewältigung dieser Herausforderungen von entscheidender Bedeutung sein. Ein proaktiver Ansatz bei der Kompetenzentwicklung wird nicht nur den sicheren und effizienten Betrieb von Wasserstoff-Pipelines gewährleisten, sondern auch kostspielige Ausfälle verhindern und den Übergang zu nachhaltigen Energielösungen beschleunigen.
Exkursion: Eine persönliche Reise in die Bruchmechanik: Der Kreis schließt sich von der Theorie zum Design von Wasserstoff-Pipelines
Meine ersten ernsthaften Berührungen mit Bruchmechanik und Ermüdungsanalyse hatte ich 1997 während meines Masterstudiums, als ich mich für einen Kurs mit dem Titel „Bruchmechanik und Ermüdung“ einschrieb. Zu diesem Zeitpunkt war ich bereits mit Elastizität, Plastizität, Platten- und Schalenlehre sowie Finite-Elemente-Analyse bestens vertraut. Die Bruchmechanik – insbesondere die Bewertung von Strukturen mit Rissen – eröffnete mir jedoch eine völlig neue Perspektive.
Was mein Denken wirklich herausforderte, war die Erklärung des Professors, dass die Bruchmechanik proaktiv bei der Konstruktion von Strukturen eingesetzt werden kann. Für uns Studenten war das eine radikale Idee. Bis dahin basierte unser Verständnis auf der Annahme, dass Strukturen konstruktionsbedingt fehlerfrei sein sollten. Die Vorstellung, dass keine Struktur wirklich fehlerfrei ist – und dass es sowohl praktisch als auch notwendig ist, Risse einzuplanen – war uns fremd und, offen gesagt, widersprach unserer Intuition.
Damals wandten nur wenige Branchen, wie die Luft- und Raumfahrtindustrie und Hersteller von Hochdruckgeräten, die Prinzipien der Bruchmechanik in ihren Konstruktionsprozessen an. In der Pipeline-Industrie war der Einsatz der Bruchmechanik begrenzt und spezialisiert. Techniken wie die Maxey-Gleichung waren speziell für Pipelines entwickelt worden, aber selbst diese wurden in der Regel nur für Integritätsbewertungen und nicht für die Konstruktion verwendet. Die allgemeinen bruchmechanischen Rahmenbedingungen, die in Normen wie BS 7910 oder API 579-1 festgelegt sind, fanden im Pipeline-Engineering keine breite Anwendung.
Dieses Paradigma begann sich mit dem Aufkommen von Wasserstoff als kritischem Element in der Energieinfrastruktur zu verschieben. Die Einführung von Wasserstoff-Pipelines deckte die Grenzen herkömmlicher Methoden zur Integritätsbewertung auf. Traditionelle Zähigkeitstests wie Charpy-Schlagprüfungen waren für diese Anwendungen nicht mehr ausreichend oder gültig. Darüber hinaus bedeutete das Fehlen von Testdaten in realem Maßstab, dass sich die Industrie nicht mehr auf etablierte, pipelinespezifische Bruchmechanikmodelle verlassen konnte. Infolgedessen mussten wir uns den umfassenderen und strengeren Methoden zuwenden, die in Normen wie BS 7910 und API 579-1 beschrieben sind.
Nachdem ich fast zwei Jahrzehnte lang die Bruchmechanik ausschließlich für Integritätsbewertungen angewendet hatte, stieß ich auf ein Projekt zum Entwurf einer Wasserstoff-Pipeline, das den Kreis schloss. Damals wurde mir klar, dass die Vision, die mir 1997 in diesem Kurs vermittelt worden war – die Bruchmechanik als Design-Tool einzusetzen – Wirklichkeit wurde. Seitdem habe ich mich voll und ganz diesem Ansatz verschrieben und forsche kontinuierlich an seiner Anwendbarkeit auf Wasserstoff-Pipelines.
Kontinuierliche Innovation und Anpassung an neue und sich abzeichnende Herausforderungen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung des Pipeline-Designs und der Pipeline-Bewertung von einfachen stressbasierten Methoden hin zu fortschrittlichen Ansätzen auf Basis der Ermüdungs- und Bruchmechanik die Notwendigkeit der Industrie widerspiegelt, sich an neue und aufkommende Herausforderungen anzupassen. Das Aufkommen von Wasserstoff als Energieträger unterstreicht die Notwendigkeit kontinuierlicher Innovationen, strenger Materialprüfungen und interdisziplinärer Zusammenarbeit, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Pipeline-Infrastruktur der nächsten Generation zu gewährleisten.