Ductiele en brosse breukanalyse van pijplijnstaal gebruikmakende van geavanceerde dynamische trek- en afschuiftest methodologie.

Een breuk in een hogedruk gaspijpleiding kan catastrofale gevolgen hebben met zowel economische verliezen alsook een grote impact op het milieu. Om structurele integriteit gedurende meerdere decennia te verzekeren worden materialen voor dit type leidingen uitgebreid getest om het breukgedrag te analyseren. Gestandaardiseerde testen zoals de Charpy V-Notch (CVN) en de Drop Weight Tear Test (DWTT) zijn veruit het meest gekend en het meest toegepast in de industrie. Deze testen werden echter geïntroduceerd voordat hoogsterktestaal werd gebruikt voor de constructie van pijpleidingen. Bovendien is de correlatie tussen deze testen en pijpleidingen uitsluitend gebaseerd op empirische relaties met de database van grootschalige breuktesten. Daarom is er een toenemende vraag naar het karakteriseren van pijpleidingmateriaal met breuktesten die de omstandigheden van een leidingbreuk nabootsen.

In deze studie werd de Dynamic Tensile Tear Test (DT3) onderzocht als een alternatieve breuktest op laboratoriumschaal. De voorgestelde methodologie past een dynamische trekbelasting toe om een plaatvormig proefstuk te breken. De experimentele opstelling werd gebruikt om het breukgedrag van een hoogwaardig pijpleidingstaal X70 te analyseren. Er werd een testcampagne uitgevoerd, gericht op de karakterisering van het breukgedrag in het ductiele, brosse en transitiegebied. Om experimenten uit te voeren in deze gebieden, vereiste nieuwe experimentele ontwikkelingen:

• Ductiel gebied: Om gedetailleerde informatie over het dynamische breukgedrag te verkrijgen alsook de vorming van het fenomeen Crack Tip Flipping (CTF) te observeren, was de implentatie van een set hogesnelheidscamera's nodig. Door middel van hogesnelheidsstereografische Digital Image Correlation (DIC) kon het mechanisme van CTF worden onderzocht.

• Bros- en transitiegebied: Een Spray Cooling systeem werd ontwikkeld om testen in het brosse gebied mogelijk te maken. Lage temperaturen konden worden bereikt door gebruik te maken van de latente warmte van vloeibare stikstof. De koelsnelheid en temperatuuruniformiteit werden geanalyseerd voordat ze in het DT3-systeem werden geïntegreerd. Het geïntegreerde koelsysteem maakte het mogelijk om experimenten uit te voeren bij elke gegeven doeltemperatuur in het bros gebied en het transitiegebied.

Analyse van de verkregen experimentale data maakte het mogelijk om het transitiegedrag van ductiel naar bros te karakteriseren alsook de overgangstemperatuur (DBTT) te schatten. Er werd een vergelijking uitgevoerd met impact-gebasseerde CVN- en DWTT-experimenten, wat wees op een goede benadering met behulp van de nieuwe voorgestelde methodologie zonder dat er empirische relaties of extra correctiefactoren nodig waren. Ter ondersteuning van de experimentele data, werden alle verkregen breukoppervlakken onderzocht met behulp van 3D-beeldvorming en elektronenmicroscopie (SEM). Deze beeldvormingstechnieken gaven extra inzicht in het breukgedrag en de vorming van Arrowhead Markings (AHMs).

Aanvullend op het experimentele werk werden numerieke modellen gemaakt om de experimentele waarnemingen te valideren. Ductiel en bros faalgedrag werden gesimuleerd met behulp van Eindige Elementen (FE) analyse via implementatie van geavanceerde schademodellen zoals het Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model en het Modified Bai-Wierzbicki (MBW) schademodel. De numerieke modellen waren in staat om hetzelfde breukgedrag te reproduceren als waargenomen tijdens de DT3-experimenten. Tenslotte werd een nieuw Hybrid Fluid-Structure (HFS) framework ontwikkeld om de breukpropagatie te analyseren in grootschalige pijpleiding breuken.

De resultaten in dit onderzoek maken het mogelijk om het breukgedrag van pijpleidingstaal te karakteriseren in het ductiel gebied, het transitiegebied en het brosse gebied met behulp van het DT3-systeem. Op basis van de verkregen resultaten blijkt dat de DT3-opstelling, als een niet-gestandaardiseerde testmethode, potentieel heeft om beschouwd te worden als een alternatieve test op laboratoriumschaal zonder de noodzaak van empirische relaties. Dit kan cruciaal zijn voor toekomstige constructie van pijpleidingen, aangezien de empirische relaties voor conventionele testen gebaseerd zijn op een database van grootschalige testen met staalsoorten tot X65. Bijgevolg zou de DT3-methode een oplossing kunnen bieden voor materiaalkarakterisering van hoogsterkte staal en voorspelling van de DBTT voordat er wordt overgegaan tot grootschalige testen.