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PIPELINEBAU

Untersuchungen an ferritisch-perlitischen Stählen,bainitischen Stählen und Duplex-Stählen

für Fernleitungen

Sonja Felber

PIPELINEBAU

Second Edition 2015

*V

0*

W1ÖsterreichischeGesellschaft für

Schweißtechnik

erlagan der Technischen Universität Wien

Habilitation: Pipelinebau

0. Inhaltsangabe

Seite

1. Einleitung 1.1

1.1. Entwicklung und Einsatzbereiche der Pipeline-Stähle 1.3

1.1.1. Entwicklung der Pipeline-Stähle 1.3

1.1.2. Einsatzbereiche der Pipeline-Stähle 1.5

1.1.2.1. Erdgas-und Erdölleitungen in Österreich 1.6

1.1.2.2. Erdgas-und Erdölleitungen in Deutschland und Europa 1.12

1.1.2.3. Erdgas- und Erdölleitungen in Amerika 1.17

1.1.2.4. Erdgas-und Erdölleitungen weltweit 1.18

1.2. Entwicklung und Einsatzbereiche der Duplex-Stähle 1.20

1.2.1. Entwicklung der Duplex-Stähle 1.20

1.2.2. Einsatzbereiche der Duplex-Stähle 1.21

1.3. Schadensfälle, Ursachen und deren Vermeidung 1.24

1.3.1. Schadensfälle an Pipelines 1.24

1.3.2. Rißarrestoren für Pipelines 1.28

Durch das Einlaufen des Risses in einen Bereich vermin- 1.28

derter ZugspannungenDurch das Aufbringen von Druckvorspannungen in Ab- 1.29

schnitten der Rohrleitung

Durch das Einfügen von rißzäheren Rohrabschnitten 1.30

Durch das Einlaufen des Risses in Lochreihen 1.30

Durch die weitgehende Verhinderung der Flügelbildung 1.31

Durch die Behinderung der Flügelbildung durch schwere 1.32

Materialien, die beschleunigt werden müssen

1.3.3. Korrosion an Pipelines 1.34

1.3.4. Korrosionsschutz gegen Korrosion von außen 1.35

1.3.4.1. Beschichtung der Rohre 1.35

Temporäre Beschichtungen 1.37

Werkumhüllungen 1.38

Baustellenumhüllungen 1.39

Umhüllungen für außergewöhnliche Beanspruchungen 1.41

Sonja Fetoer 0.39


1.3.4.2. Kathodischer Korrosionsschutz (KKS) 1.43

1.3.5. Korrosionsschutz gegen Korrosion von innen 1.47

1.3.6. Vorschriften, Normen und gesetzliche Bestimmungen 1.48

1.3.7. Erfassung und Auswertung einer Schadensanalyse 1.53

2. Werkstoffe für Rohrleitungen 2.1

2.1. Pipeline-Stähle 2.1

2.1.1. Chemische Zusammensetzung der Pipeline-Stähle 2.1

2.1.1.1. Normen und Bezeichnungen für Pipeline-Stähle 2.1

2.1.1.2. Legierungselemente in Pipeline-Stählen 2.6

2.1.1.3. Wirkung der Legierungselemente in Pipeline-Stählen 2.8

Kohlenstoff 2.15

Silicium 2.16

Mangan 2.17

Phosphor 2.17

Schwefel 2.17

Vanadium, Niob, Titan 2.19

Vanadium 2.20

Niob 2.21

Titan 2.22

Aluminium 2.22

Stickstoff 2.22

Kupfer, Nickel, Chrom 2.22

Molybdän 2.23

Zirconium 2.23

Bor 2.23

2.1.2. Physikalische Eigenschaften 2.24

2.1.2.1. Zustandsschaubilder, Umwandlungsverhalten 2.24

2.1.2.2. Ausscheidungsverhalten 2.30

Karbide, Nitride 2.33

V-Nitrid 2.33

0.40 Sonja Felber


(Si, Mn)N2 2.34

AI-Nitrid 2.34

Mn-Sulfid 2.34

Ti-Karbosulfid 2.34

2.1.2.3. Korrosionsverhalten 2.34

2.1.3. Mechanische Eigenschaften 2.35

2.1.4. Herstellung 2.49

2.1.4.1. Gießen 2.49

2.1.4.2. Umformen 2.50

Thermomechanisches Walzen 2.50

2.1.4.3. Rohrherstellung 2.60

Längsnahtrohrherstellung (U-O-Verfahren) 2.62

Spiralrohrherstellung 2.64

2.1.5. Verarbeitungseigenschaften 2.66

2.1.6. Normen und technische Lieferbedingungen 2.66

2.1.7. Untersuchte Pipeline-Stähle 2.72

2.1.7.1. Pipeline-Stahl X70 2.72

Längsnahtgeschweißte Rohre aus X70 2.74

Spiralnahtgeschweißte Rohre aus X70 2.74

2.1.7.2. Pipeline-Stahl X80 2.75

2.2. Duplex-Stähle 2.76

2.2.1. Chemische Zusammensetzung der Duplex-Stähle 2.76

2.2.1.1. Normen und Bezeichnungen für Duplex-Stähle 2.76

2.2.1.2. Legierungselemente in Duplex-Stählen 2.83

2.2.1.3. Wirkung der Legierungselemente in Duplex-Stählen 2.91

Kohlenstoff 2.93

Silicium 2.94

Mangan 2.96

Phosphor 2.97

Schwefel 2.97

Sonja Felber 0.41


Stickstoff 2.98

Chrom 2.101

Kupfer 2.103

Molybdän 2.104

Nickel 2.105

Wolfram 2.107

2.2.2. Physikalische Eigenschaften 2.107

2.2.2.1. Zustandsschaubilder, Umwandlungsverhalten 2.108

2.2.2.2. Ausscheidungsverhalten 2.112

a'(Alpha')- bzw. §'(Delta')- und G-Phase 2.116

Y2-Phase 2.118

0(Sigma)-Phase 2.118

X(Chi)-und ri(Eta)-Phase 2.121

X(Chi)-Phase 2.124

r)(Eta)-, R- oder Laves-Phase 2.124

Nitride 2.125

n(Pi)-Phase 2.126

e(Epsilon)-Phase 2.127

T(Tau)-Phase 2.127

Karbide 2.128

2.2.2.3. Korrosionsverhalten 2.131

2.2.3. Mechanische Eigenschaften 2.135

2.2.4. Herstellung 2.137

2.2.4.1. Gießen 2.138

2.2.4.2. Umformen 2.139

2.2.4.3. Rohrherstellung 2.143

2.2.5. Verarbeitungseigenschaften 2.144

2.2.6. Normen und technische Lieferbedingungen 2.144

2.2.7. Untersuchte Duplex-Stähle 2.147

0.42Sonja Felber


2.2.7.1. Duplex-Stahl 1.4462 (gewalzt) 2.148

2.2.7.2. Duplex-Stahl 1.4462 (geschmiedet) 2.149

2.3. Gegenüberstellung der Pipeline- und Duplex-Stähle 2.150

3. Schweißbarkeit und Wärmebehandlungen im Pipelinebau 3.1

3.1. Schweißbarkeit und Wärmebehandlungen von Rohrleitungen 3.1

aus Pipeline-StählenSchweißbarkeit 3.1

Wärmebehandlungen 3.1

3.1.1. Schweißeignung von Pipeline-Stählen 3.2

Kohlenstoffäquivalent (C-Äquivalent, Ceq) und Härte 3.3

Wasserstoffrisse und Härte 3.7

Legierungselemente im Schweißgut von Pipeline-Stählen 3.10

3.1.2. Schweißmöglichkeit von Rohrleitungen aus Pipeline-Stählen 3.10

3.1.2.1. Lichtbogenhandschweißen (111) von Rundnähten an Pipeline- 3.11

Stählen

Fallnahtschweißen mit Zelluloseelektroden (111-C-PG) 3.12

Fallnahtschweißen mit basischen Elektroden (111-B-PG) 3.15

Kombiniertes Schweißen mit Zelluloseelektroden und 3.18

basischen Elektroden

Steignahtschweißen mit Zelluloselektroden (111-C-PF) 3.18

Steignahtschweißen mit basischen Elektroden (111-B-PF) 3.19

Vergleich der Lichtbogenhandschweißverfahren 3.20

3.1.2.2. Schutzgasschweißen von Rundnähten an Pipeline-Stählen 3.24

Vollmechanisiertes Schutzgasschweißen mit Massivdraht 3.24

(135)Vollmechanisiertes Schutzgasschweißen mit Fülldraht 3.28

(136)3.1.2.3. Unterpulverschweißen von Rundnähten an Pipeline-Stählen 3.29

(12)Unterpulverschweißen von Rohren zu Doppellängen 3.29

3.1.2.4. Allgemeiner Schweißverfahrensvergleich (Pipeline-Stähle) 3.29

3.1.2.5. Schweißen in nasser Umgebung 3.36

3.1.3. Schweißsicherheit von Rohrleitungen aus Pipeline-Stählen 3.36


Sonja Felber 0.43


3.1.5. Wärmebehandlungen an Pipeline-Stählen 3.51

3.2.

3.2.1.

Schweißbarkeit und Wärmebehandlungen von Rohrleitungenaus Duplex-Stählen

Schweißeignung von Duplex-Stählen

3.65

3.66

Chrom- und Nickeläquivalent (Cr- und Ni-Äquivalent, Creqund Nieq)

Grobkornzone in der Wärmeeinflußzone

3.68

3.70

Ferritgehalt im Schweißgut und in der Wärmeeinflußzone 3.72

Wasserstoffrisse 3.74

Heißrisse 3.75

3.2.2. Schweißmöglichkeit von Rohrleitungen aus Duplex-Stählen 3.76

3.2.2.1. Lichtbogenhandschweißen von Rundnähten an Duplex-Stählen 3.77

3.2.2.2. Schutzgasschweißen von Rundnähten an Duplex-Stählen 3.80

Wolframinertgasschweißen 3.80

Schutzgasschweißen mit Massivdraht 3.84

Metallinertgasschweißen 3.86

Metallaktivgasschweißen 3.87

Fülldrähte 3.88

3.2.2.3. Unterpulverschweißen von Rundnähten an Duplex-Stählen 3.91

3.2.2.4. Allgemeiner Schweißverfahrensvergleich (Duplex-Stähle) 3.95

3.2.3. Schweißsicherheit von Rohrleitungen aus Duplex-Stählen 3.101


3.2.5. Wärmebehandlungen an Duplex-Stählen 3.105

3.3.

4.

Gegenüberstellung der Schweißbarkeit und Wärmebehandlun¬

gen im PipelinebauSchweißtechnische und mechanisch-technologische

Untersuchungen im Pipelinebau

Schweißtechnische Untersuchungen

3.113

4.1

4.1

Zugversuch 4.3

Härteprüfung 4.4

Kerbschlagbiegeversuch 4.5

Vorschriften, Normen und gesetzliche Bestimmungen 4.9

4.1. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.15

0.44Sonja Felber


chungen an Pipeline-Stählen4.1.1. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.15

chungen am Pipeline-Stahl X70

Untersuchungen an längsnahtgeschweißten Rohren aus 4.16

X70

Untersuchungen an spiralnahtgeschweißten Rohren aus 4.23

X70

4.1.2. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.26

chungen am Pipeline-Stahl X804.1.3. Zusammenfassung der schweißtechnischen und mechanisch- 4.27

technologischen Untersuchungen an Pipeline-Stählen und

Vergleich mit Werten aus der Literatur

4.2. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.28

chungen an Duplex-Stählen4.2.1. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.28

chungen am Duplex-Stahl 1.4462 (gewalzt)4.2.2. Schweißtechnische und mechanisch-technologische Untersu- 4.30

chungen am Duplex-Stahl 1.4462 (geschmiedet)Blech aus 1.4462 geschmiedet (E-Handschweißung) 4.32

Blech aus 1.4462 geschmiedet (UP-Schweißung) 4.32

Rohr aus 1.4462 geschmiedet 4.33

4.2.3. Zusammenfassung der schweißtechnischen und mechanisch- 4.33

technologischen Untersuchungen an Duplex-Stählen und

Vergleich mit Werten aus der Literatur

4.3. Zusammenstellung der Ergebnisse und Vergleich mit der 4.34

Literatur

4.3.1. Ergebnisse der Versuche an Pipeline-Stählen 4.35

4.3.2. Ergebnisse der Versuche an Duplex-Stählen 4.36

4.3.3. Zusammenfassung der Versuchsergebnisse 4.37

5. Bruchmechanische Untersuchungen im Pipelinebau 5.1

Einleitung 5.1

CTOD-Untersuchungen 5.8

Rißauffanguntersuchungen 5.9

Herstellung der Proben 5.10

Versuchsdurchführung 5.19

Auswertung der CTOD-Untersuchungen 5.26

Auswertung der Rißauffang-Untersuchungen 5.29


Sonja Felber 0.45


5.1. Versuchsergebnisse der bruchmechanischen Untersuchungen 5.33

an Pipeline-Stählen5.1.1. Bruchmechanische Untersuchungen am Pipeline-Stahl X70 5.33

5.1.1.1. CTOD-Untersuchungen am Pipeline-Stahl X70 5.33

5.1.1.2. Rißauffanguntersuchungen am Pipeline-Stahl X70 5.34

Dreipunktbiegeproben 5.34

Compact-Crack-Arrest-Proben 5.35

Full-Thickness Compact-Crack-Arrest-Proben 5.36

Grundmaterial - Verschiedene Probenformen 5.37

Schweißgut - Verschiedene Probenformen 5.38

Wärmeeinflußzone - Verschiedene Probenformen 5.39

Temperaturbereiche für Rißauffang 5.40

5.1.2. Bruchmechanische Untersuchungen am Pipeline-Stahl X80 5.41

5.1.3. Zusammenfassung der bruchmechanischen Untersuchungen 5.41

an Pipeline-Stählen und Vergleich mit Werten aus der

Literatur

5.2. Versuchsergebnisse der bruchmechanischen Untersuchungen 5.44an Duplex-Stählen

5.2.1. Bruchmechanische Untersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 5.44

(gewalzt)5.2.1.1. CTOD-Untersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 (gewalzt) 5.44

5.2.1.2. Rißauffanguntersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 (gewalzt) 5.44

5.2.2. Bruchmechanische Untersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 5.44

(geschmiedet)5.2.2.1. CTOD-Untersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 (geschmiedet) 5.44

5.2.2.2. Rißauffanguntersuchungen am Duplex-Stahl 1.4462 5.45

(geschmiedet)5.2.3. Zusammenfassung der bruchmechanischen Untersuchungen 5.45

an Duplex-Stählen und Vergleich mit Werten aus derLiteratur

5.3. Bruchmechanische Sicherheit^- und Lebensdauerabschätzung 5.46

5.3.1. Beschreibung der Fehler 5.47

5.3.2. Bestimmung der Spannungen 5.48

5.3.3. Bestimmung von K|Bauteii 5.49

5.3.4. Werkstoffkennwerte 5.50

0.46Sonja Felber


5.3.5. Bestimmung der kritischen Fehlergröße 5.50

5.3.6. Beurteilung 5.51

5.3.7. Fehlerbewertung mit der CTOD-Bewertungskurve 5.51

5.3.8.

5.3.9.

Das R6-Verfahren (Zwei-Kriterien-Verfahren, FAD, Failure

Assessment Diagram)Batelle-Konzept

5.54

5.56

5.4. Beispiel: Bruchmechanische Sicherheits- und Lebensdauer¬

abschätzung für ein Gasfernleitungsrohr aus X70

Bruchmechanisches Modell

5.62

5.63

6. Werkstoffphysikalische Untersuchungen 6.1

Einleitung 6.1

Lichtmikroskop 6.3

Mikrohärteprüfung 6.4

Quantitative Gefügeanalyse 6.5

Rasterelektronenmikroskop (REM) 6.10

Elektronenstrahlangeregte Röntgenmikroanalyse(Elektronenstrahlmikrosonde)

Probenentnahme und -Vorbereitung

6.11

6.13


6.1. Werkstoffphysikalische Untersuchungen an Pipeline-Stählen 6.15

Salpetersäureätzmittel 6.15

Lichtmikroskopische Untersuchung der Pipeline-Stähle 6.16

Mikrohärteprüfung der Pipeline-Stähle 6.18

Quantitative Gefügeanalyse der Pipeline-Stähle 6.19

6.2.

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung an

Pipeline-StählenElektronenstrahlangeregte Röntgenmikroanalyse an

Pipeline-StählenWerkstoffphysikalische Untersuchungen an Duplex-Stählen

6.21

6.23

6.24

Farbätzmittel nach Lichtenegger und Bloech 6.25

Ätzmittel 8 nach Handbuch der metallographischenÄtzverfahren

Lichtmikroskopische Untersuchung der Duplex-Stähle

6.27

6.27

Mikrohärteprüfung der Duplex-Stähle 6.29

Sonja Felber 0.47


Quantitative Gefügeanalyse der Duplex-Stähle 6.31

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung an 6.35

Duplex-StählenElektronenstrahlangeregte Röntgenmikroanalyse an 6.40

Duplex-Stählen6.3. Zusammenstellung der Ergebnisse und Vergleich mit der 6.46

Literatur

7. Projektierung, Bau und Betrieb einer Pipeline 7.1

7.1. Onshore-Pipelines 7.2

7.1.1. Projektierung einer Onshore-Pipeline 7.2

7.1.2. Bau einer Onshore-Pipeline 7.12

Tiefbau zur Herstellung des Rohrgrabens 7.12

Rohrbau 7.13

Schweiß- und Verlegetechnik 7.15

Schweißnahtprüfung 7.22

Isolierung 7.28

Rohrverlegung 7.29

Tiefbau zur Verlegung der Rohrleitung 7.35

Prüfung der Rohrleitung nach dem Verfüllen 7.37

Tiefbau, Vermessung und Markierung 7.43

7.1.3. Betrieb einer Onshore-Pipeline 7.45

7.1.4. Qualitätsmanagement bei Onshore-Pipelines 7.57

7.1.5. Vorschriften, Normung und gesetzliche Regelungen für 7.61

Onshore-Pipelines

7.1.6. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen für Onshore-Pipelines 7.83

7.1.7. Sicherheit, Umweltschutz und ökologische Aspekte bei 7.86

Onshore-Pipelines7.2. Offshore-Pipelines 7.90

7.2.1. Projektierung einer Offshore-Pipeline 7.91

7.2.2. Bau einer Offshore-Pipeline 7.92

7.2.3. Betrieb einer Offshore-Pipeline 7.97

7.2.4. Qualitätsmanagement bei Offshore-Pipelines 7.98

7.2.5. Vorschriften, Normung und gesetzliche Regelungen für 7.98

0.48 Sonja Felber


Offshore-Pipelines7.2.6. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen für Offshore-Pipelines 7.98

7.2.7. Sicherheit, Umweltschutz und ökologische Aspekte bei 7.100

Offshore-Pipelines8. Qualitätsaufzeichnungen zum Bau einer Erdgasleitung 8.1

8.1. Qualitätsaufzeichnungen allgemein 8.1

QM-INFORMATION ZUR BAU DER PIPELINE 8.3

ERLÄUTERUNGEN ZU DEN VERWENDETEN ABKÜR- 8.5

ZUNGEN UND BEGRIFFEN

INHALTSVERZEICHNIS 8.6

ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERDGASLEITUNG 8.7

TECHNISCHE DATEN 8.7

ORGANISATORISCHE DATEN 8.8

... (LAND 1) SEITE 8.9

ORGANISATION 8.9

SCHWEISSTECHNOLOGIE 8.10

PRÜFTECHNOLOGIE 8.11

BAULOS 1 - ÜBERWACHUNG DER SCHWEISSAR- 8.12

BEITEN

BAULOS 2 - ÜBERWACHUNG DER SCHWEISSAR- 8.16

BEITEN

VERGLEICH DER BEIDEN BAULOSE 8.19

WEITERE INTERESSANTE PARAMETER 8.20

BEILAGEN 8.23

8.2. Vergleich verschiedener Pipelineprojekte 8.24

L. Literatur L.1

A. Anhang (Farbbilder und Farbpläne) A.1

B. Beilage (Tabellen, Diagramme und Pläne) B.1

Sonja Felber 0.49

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