Untersuchungen von stumpfgeschweißten PE-Rohren mit bruchmechanischen Methoden

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1 Untersuchungen von stumpfgeschweißten PE-Rohren mit bruchmechanischen Methoden F. Arbeiter 1, A. Frank 2, G. Pinter 1 ; 1 Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe, Leoben (Österreich), 2 Polymer Competence Center Leoben GmbH, Leoben (Österreich) 1 Einleitung Rohre aus Polyethylen werden bereits seit über 50 Jahren für die Verteilung von Gas und Wasser genutzt. Um so kostengünstig und effizient wie möglich zu sein, müssen moderne Werkstoffe für Rohre Lebensdauern von mindestens 50 [1 3], besser 100 Jahren [1, 4, 5] ermöglichen. Um die Qualität der Materialien sicherzustellen, bzw. um neue Entwicklungen vergleichen zu können werden immer schnellere Testmethoden benötigt. Mit bisherigen, etablierten Testmethoden wie dem Full Notched Creep Test, dem Notched Pipe Test etc. ist es aufgrund der guten Langzeiteigenschaften der Materialien inzwischen nicht mehr möglich innerhalb eines Jahres Resultate zu erzielen. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren immer wieder neue Testmethoden erforscht um innerhalb kürzerer Testzeiten zu Abschätzungen des Langzeitverhaltens zu kommen [5 9]. Die Eigenschaften von Schweißnähten werden hingegen hauptsächlich mit genormten kurzzeit-versuchen untersucht. Mit diesen Methoden ist es möglich zwischen guten und schlechten Schweißnähten zu unterscheiden, da etwaige Fehlstellen wie große Lunker entdeckt werden. Das eigentliche Langzeitverhalten des Materials in der Schweißnaht selbst kann jedoch mit diesen Tests nicht ausreichend genug untersucht werden um auf das Verhalten während des langjährigen Einsatzes zu schließen. Daher ist es wichtig, zusätzlich zu den Kurzzeit- auch die Langzeiteigenschaften von Schweißnähten zu untersuchen. Es wurde bereits von einigen Autoren diverser Arbeiten und Studien gezeigt, dass Risse in Stumpfschweißnähten meist von der künstlichen Kerbe, die durch den Schweißwulst entsteht, ausgehend in die Rohrwand hineinwachsen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Risse anschließend entlang der Schweißnaht durch das Ausgangsmaterial wachsen, und nicht wie vielleicht vermutet werden könnte durch die Schweißnaht selbst [10 12]. Ausgehend von dieser Beobachtung, ist also der Widerstand gegen Risswachstum des Ausgangsmaterials selbst von großer Bedeutung. Entstehen jedoch Fehlstellen innerhalb der Schweißnaht selbst, z.b. durch fehlerhafte Schweißvorgänge, Fremdkörper, etc. könnte es zu einer Rissausbreitung im Inneren der Schweißnaht kommen. Da nicht für jede Schweißnaht in der Anwendung mit Sicherheit gesagt werden kann, dass die Naht absolut fehlerfrei ist, ist es daher von großem Interesse, wie sich derartige Risse innerhalb der Schweißnaht auf lange Sicht hin verhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden für die Charakterisierung der Kurzzeiteigenschaften Charpy-Kerbschlagversuche und Dynamische Differenzkalorimetrieversuche durchgeführt. Eine Abschätzung der Langzeiteigenschaften, bzw. des Widerstands gegen langsame Rissausbreitung wurden zyklische Versuche an gekerbten Rundproben (CRB) und Compact- Tension (CT) Prüfkörpern durchgeführt. Um zusätzlich zum normalen Materialverhalten

2 Fehlstellen innerhalb der Schweißnaht zu simulieren, wurden einige CRB und CT- Probekörper mit Rasierklingen innerhalb der Schweißnaht selbst gekerbt. Ziel der Arbeit war es mit den oben genannten Methoden moderne PE 100 und PE 100-RC Materialien in Abhängigkeit der Variation verschiedener Schweißparameter zu untersuchen. Dazu wurden normgerechte Schweißungen gemäß der DVS und auch Proben mit variierender Durchwärmungszeit, bzw. unterschiedlichem Druckprofil während dem Schweißvorgang hergestellt. 2 Stumpfschweißen Es gibt eine Vielzahl von Normen und Regulieren für das Schweißen von PE-Rohren, die für die jeweiligen Einsatzbedingungen optimiert sind. Allerdings weißen die meisten Standards sehr ähnliche Prozeduren bzw. Abläufe auf. Als erster Schritt werden die zwei Stirnflächen der zu verschweißenden Rohre plan-gehobelt und von Schmutz befreit. Anschließend werden die Enden auf einen Heizspiegel gepresst, bis sich ein Anfangswulst ausbildet. Danach wird das Material weiter aufgeheizt und zum Schmelzen gebracht. Abschließend wird der Heizspiegel entfernt und die beiden Rohrenden aufeinander gepresst und zum Abkühlen fixiert. Die Schweißnähte in dieser Arbeit wurden gemäß dem deutschen Standard DVS , bzw. der ISO durchgeführt. Der Prozess dieser Schweißung ist in Bild 1 dargestellt. Zusätzlich zur normgerechten Schweißung, wurde die Durchwärmungszeit variiert (kürzer und länger als in der Norm vorgeschlagen) und es wurde weiters zum vorgeschlagenen Druckprofil ( single-pressure Verfahren) auch das für Großrohre entwickelte dualpressure Verfahren verwendet. Bild 1: Schematische Darstellung des Schweißprozesses gemäß DVS bzw. ISO 21307; In Anlehnung an [13]

3 3 Experimentell Für alle Experimente wurden kommerziell erhältliche PE-HD Materialien für die Anwendung in Druckrohren verwendet. Die Materialien erfüllen alle Anforderungen für die Klassifizierung MRS 10 ( minimum required strength von 10 MPa bei 20 C über 50 Jahre hinweg). 3.1 Herstellung der Schweißnähte Die Schweißnähte wurden mit Rohren von 160 mm Durchmesser und einer Wandstärke von 14.6 mm durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Großrohrschweißnaht (DN 2000, Wandstärke 90 mm) für die CT-Versuche produziert. Da es für diese Rohrdimension noch keine gültigen Normen gibt, wurden die Parameter der ISO auf diese Geometrie linear extrapoliert. Ein genauer Plan der durchgeführten Schweißungen ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Parametervariation für die Herstellung der Schweißnähte Material Druckprofil (/) Durchwärmungszeit (s) DN 160 PE 100 Single 120 PE 100 Single 190 PE 100 Dual 120 PE 100 Dual 190 PE 100 Single 146 PE 100 RC Single 120 PE 100 RC Single 190 PE 100 RC Dual 120 PE 100 RC Dual 190 PE 100 RC Single 146 DN 2000 PE 100 Dual Dynamische Differenzkalorimetrie Die dynamische Differenzkalorimetrie wurde verwendet um Unterschiede im Kristallinitätsgrad in Abhängigkeit zur Position der Fügeebene im Material zu untersuchen. Dazu wurden Proben mit ca. 5 mg aus den Schweißnähten an verschiedenen Positionen entnommen. Die Positionen unterscheiden sich sowohl im Abstand zur Fügeebene, als auch in Bezug auf die Rohrwand (Mitte, Innen- und Außenseite) selbst. Resultate für eine normgerechte Schweißung sind in Bild 2 dargestellt.

4 Bild 2: Kristallinitätsgrad einer normgerechten Schweißung in Abhängigkeit zur Entnahmestelle im Rohr; In Anlehnung an [13] Es kann gesehen werden, dass durch den Schweißprozess der Kristallinitätsgrad des Materials beeinflusst wird. Durch den langsameren Abkühlprozess nach dem Schweißvorgang werden höhere Kristallinitätsgrade im Material erreicht, als an der während des Extrusionsprozesses schnell abgekühlten Außenseite des Rohrmaterials selbst. Der Unterschied im Kristallinitätsgrad könnte auch ein Hinweis auf unterschiedliche mechanische Eigenschaften zwischen Rohr und Schweißnaht sein. Ähnliche Ergebnisse, v.a. in Bezug auf den Elastizitätsmodul von Schweißnähten wurden auch von weiteren Autoren gefunden [14]. 3.3 Kerbschlagversuche nach Charpy Um Unterschiede der Schweißnähte in Bezug auf Kurzzeiteigenschaften zu finden wurden Kerbschlagversuche in Anlehnung an die ISO 179 durchgeführt. Es wurden Proben (10x10x50 mm) in axialer Richtung aus den Rohren entnommen und zusätzliche mittels Rasierklingen gekerbt. Die Versuche wurden bei 23 C und mittels 2 Joule Hammer durchgeführt. Für die Auswertung wurden die Bruchflächen im Anschluss mittels Mikroskop vermessen. Die Resultate zu den Kerbschlagversuchen sind, normiert auf die Schlagarbeit der nicht geschweißten Probe, in Bild 3 dargestellt.

5 Bild 3: Auf das unbeeinflusste Rohrmaterial normierte Schlagarbeit der Kerbschlagversuche in Abhängigkeit von Material und Schweißparameter; In Anlehnung an [13] Es kann gesehen werden, dass durch den Einsatz des dual-pressure Verfahrens die Kerbschlagarbeit leicht erhöht wurde. Dieses Resultat könnte auf eine leichte Steigerung des Widerstandes gegen rasche Rissausbreitung durch die Verwendung dieses Verfahrens hinweisen. Die Verbesserung könnte durch den geringeren Druck während der Abkühlphase erklärt werden. Aufgrund des geringeren Drucks könnte es sein, dass die Moleküle in der Fügeebne leichter relaxieren und dadurch eine weniger stark ausgeprägte, das Risswachstum bevorzugende Orientierungsrichtung, im Vergleich zur normgerechten Schweißung vorhanden ist [13]. 3.4 Ermüdungsversuche mittels CRB und CT Prüfkörper Zur Abschätzung des Widerstands gegen langsames Risswachstum wurden zyklische Ermüdungsversuche an CRB und CT Prüfkörpern durchgeführt. Wie bereits angedeutet, dürfte aufgrund des Risspfades in der realen Anwendung im Normalfall der Widerstand des Grundmaterials ausschlaggebend sein. Um den Einfluss von Fehlstellen in der Schweißnaht selbst zu untersuchen, wurde jedoch auch versucht den Risswiderstand in der Fügeebene selbst zu analysieren. Dazu wurden aus den Rohren mit dem Durchmesser DN 160 mm CRB Prüfkörper mit und ohne Schweißnaht und aus dem Großrohr mit dem Durchmesser DN 2000 mm CT-Prüfkörper mit und ohne Schweißnaht entnommen. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur, einem Belastungsverhältnis von R=0.1 (Fmin/Fmax) und einer Frequenz von 10 Hz durchgeführt. Die Kerbgrüne der CRB- und CT-Prüfkörper wurden mit einer Rasierklinge (0.1 mm dick) nachgeschärft. Bei den Prüfkörpern, die eine Schweißnaht enthielten wurde speziell darauf geachtet, die Kerbe wirklich im Inneren dieser zu positionieren. Um mögliche Einflüsse durch die Schweißparameter zu verdeutlichen, wurden die extremsten Fälle ( single-pressure und lange Durchwärmzeit und dual-pressure und kurze

6 Durchwärmzeit) mittels CRB-Versuchen miteinander verglichen. Die Ergebnisse dazu sind in Bild 4 dargestellt. Dabei ist anzumerken, dass bei Prüfkörpern mit Schweißnaht die Risse auch tatsächlich in der Fügeebene gewachsen sind. Bild 4: Ergebnisse der zyklischen Versuche mittels CRB Prüfkörper in Abhängigkeit der Schweißparameter; In Anlehnung an [13] Die CT-Prüfkörper aus dem Großrohr wurden gemäß Bild 5 entnommen. Zusätzlich wurden die CT-Prüfkörper mit Seitenkerben versehen, um einen überwiegend ebenen Dehnungszustand zu erzwingen. Es sollte damit der Riss bei den geschweißten Proben innerhalb der Schweißzone selbst gehalten werden. Es zeigte sich jedoch, dass der Zwang den die Seitenkerben auf den Risswachstumspfad ausgeübt haben nicht ausreichend war, um den Riss tatsächlich innerhalb der Schweißnaht zu halten. Stattdessen begannen die Risse aus der Seitenkerbe und der geschweißten Zone hinaus in das Grundmaterial zu wachsen. Aufgrund der unterschiedlichen Risspfade war es nicht möglich das Versagensverhalten der geschweißten und nicht geschweißten Proben, so wie beim CRB-Versuch, direkt miteinander zu vergleichen. 4 Zusammenfassung und Diskussion Es wurden thermische und mechanische Versuche an Proben aus PE 100 und PE 100-RC Rohrschweißnähten durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass sich durch das abermalige Schmelzen und langsame Abkühlen der Schweißnaht ein höherer Kristallinitätsgrad innerhalb der Schweißnaht als im restlichen Rohr einstellt. Diese Änderung der Morphologie kann auch eine Änderung von mechanischen Werten wie dem Elastizitätsmodul nach sich ziehen, wie bereits von Autoren gezeigt wurde [14]. Zusätzlich wurden Versuche zur Ermittlung des Wi-

7 derstandes gegen rasche, und gegen langsame Rissausbreitung in Abhängigkeit verschiedener Schweißparameter untersucht. Bild 5: Entnahmestellen der CT-Prüfkörper aus der Rohrwand des geschweißten Großrohrs und daraus resultierende Bruchflächen und Risspfade Dabei zeigte sich, dass in beiden Fällen das so genannte dual-pressure Verfahren, das in erster Linie bei Großrohen Anwendung findet, positive Auswirkungen zu haben scheint. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wachsen Risse normalerweise nicht in, oder durch die Schweißnaht, sondern ausgehend von den künstlich erzeugten Kerben der Schweißwülste durch das Grundmaterial selbst. Um den Einfluss eines Risses der tatsächlich innerhalb der Schweißnaht initiiert und wächst abzuschätzen, wurden mittels CRB-Versuch Kerben direkt in die Schweißzone eingebracht. Aufgrund der hohen lokalen Behinderung wuchsen die Risse in diesem Fall innerhalb des geschweißten Materials. Dabei zeigte sich, dass dieses Material, aufgrund eventueller morphologischer Orientierung die durch den Schweißprozess hervorgerufen werden [13, 15], einen geringeren Widerstand gegen langsames Risswachstum zu haben scheinen, als das Grundmaterial selbst. Bei Versuchen mittels CT-Prüfkörpern zeigte sich, dass die Risse trotz Seitenkerben aus der Schweißzone hinaus in das Grundmaterial wachsen. In diesem Fall dürfte die lokale Behinderung nicht hoch genug sein, um dies zu verhindern. Aufgrund der stark unterschiedlichen Risspfade, können diese Versuche jedoch nicht eindeutig quantifiziert werden. Es scheinen bei dem Risswachstum innerhalb von Schweißnähten zwei Versagensmechanismen direkt zu konkurrieren. Einerseits der reduzierte Widerstand gegen langsame Rissausbreitung innerhalb der Schweißnaht selbst wodurch der Riss innerhalb dieser wachsen sollte und andererseits der Zwang den die verschiedenen mechanischen Eigenschaften auf den Risspfad ausüben wodurch der Riss aus der Schweißnaht hinaus und anschließend im Grundmaterial selbst wachsen würde. Welches der beiden Phänomene im realen Fall gewichtiger ist und ob schlussendlich der Widerstand des Grund-

8 materials, oder der der Schweißnaht für Defekte innerhalb der Schweißnaht ausschlaggebend für die Lebensdauer ist wäre noch weiter zu überprüfen. Dafür könnten Bauteilversuche mit integrierten Fehlstellen innerhalb der Schweißnaht herangezogen werden. 5 Literatur [1] Brömstrup H (ed.). 50 Jahre Rohrsysteme aus Polyethylen für Gas, Wasser und Abwasser. Essen: Vulkan-Verl; [2] Richard K, Gaube E, Diedrich G. Trinkwasserrohre aus Niederdruckpolyäthylen. Kunststoffe;1959(49(10)): [3] Lang RW, Stern A, Dörner GF. Applicability and limitations of current lifetime prediction models for thermoplastics pipes under internal pressure. Die Angewandte Makromolekulare Chemie 1997(247): [4] Hessel J. 100 Jahre Nutzungsdauer von Rohren aus Polyethylen. 3R International 2007(46): [5] Frank A, Pinter G, Lang RW. Fracture MEchanics Lifetime Prediction of PE 80 and PE 100 Pipes under Complex Loading Conditions. In Proceedings Plastics Pipes XV Vancouver (Cdn) [6] Parsons M, Stepanov EV, Hiltner A, Baer E. Correlation of fatigue and creep slow crack growth in a medium density polyethylene pipe material. Journal of Materials Science 2000;35(11): [7] Frank A, Pinter G. Evaluation of the applicability of the cracked round bar test as standardized PE-pipe ranking tool. Polymer Testing 2014;33: [8] van der Stok E, Scholten F. STRAIN HARDENING TESTS ON PE PIPE MATERIALS. In Proceedings Plastics Pipes XVI;2012. [9] Nezbedová E, Hutař P, Knésl Z, Sadilek J. Accelerated test for PE 100 and PE 100 RC pipes grades. In: Radusch H, editor. Polymeric Materials: Polymer physics, polymer chemistry, polymer engineering and Special Symposium Polymers in Energy Engineering; September 15-17, 2010, Halle (Saale). Halle (Saale): Martin-Luther-Univ; 2010, p [10] Fleissner M. Experience with a full notch creep test in determining the stress crack performance of polyethylenes. Polymer Engineering and Science 1998(38): [11] Frank T. Schweißen von Rohren mit großem Durchmesser. Joining Plastics 2008(4): [12] Hessel J. Langzeitverhalten von Schweißverbindungen an Großrohren aus Polyethylen. 3R International 2011(4-5): [13] Arbeiter FJ, Frank A, Pinter G. Impact of Single and Dual Pressure Butt-Welding Procedures on the Reliability of Pe 100 Pipe Welds. In: Brown HL, Jones DH, editors. EUROTEC 2013: Proceedings of the 2nd European Technical Conference & Exhibition; 2013, p [14] Hutař P, Ševčík M, Lach R, Knésl Z, Náhlík L, Grellman W. A Description of Local Material Properties Close to a Butt Weld. KEM 2013;586: [15] Potente H. Fügen von Kunststoffen: Grundlagen, Verfahren, Anwendung ; mit 31 Tabellen. München, Wien: Hanser; 2004.