Gasleidingen scheuren als plastic tasjes

Het is de nachtmerrie van elke huisvrouw: op de knieën achter vijf kilo over straat rollende appels aan nadat de plastic zak gescheurd is. Vaak ligt de oorzaak van het bezwijken in het verschijnsel ‘kruip’: onder het voortdurende gewicht van de appels rekken de hengsels steeds verder uit – verder dan ze sowieso al doen, vanaf het moment dat de plastic tas volgeladen wordt – totdat ze na een tijdje breken. Wat natuurlijk altijd precies gebeurt tijdens het oversteken van het drukste kruispunt van de stad.

Een persoonlijk rampje. Maar het kan nog erger: een vergelijkbaar bezwijkmechanisme zou over ongeveer vijftig jaar vervelende gaslekken kunnen veroorzaken. Een deel van het Nederlandse gasnet (het gedeelte dicht bij de huizen) bestaat namelijk net als de plastic zakken uit polyetheen en is dus ook vatbaar voor kruip. ,,Het gaat met name om kruipscheurgroei”, vertelt dr.ir. Ton Riemslag, die daar vier jaar onderzoek naar deed bij de faculteit Scheikundige Technologie en Materiaalkunde en afgelopen maandag promoveerde.

,,De naam zegt het al. Het is een variant van kruip die optreedt rond scheurtjes, die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door plaatselijk hogere spanningen ten gevolge van steentjes of door oneffenheden in de groef waarin de buis ligt. Rond de scheurtjes is de spanning hoger dan normaal, en daardoor krijg je lokale kruip en zal het materiaal daar bezwijken. Zo groeit het scheurtje verder en kan uiteindelijk een gaslek tot gevolg hebben – wat in het verleden trouwens slechts enkele malen is voorgevallen, dus geen paniek.”

Het is de bedoeling dat de gasleidingen zo’n vijftig jaar meegaan; binnen die tijd mag er dus geen lek ontstaan. Om dat te onderzoeken zouden in principe tests met een duur van vijftig jaar nodig zijn, maar zoveel tijd is er niet. Daarom doet men traditioneel proeven die het kruipproces versnellen en beperken tot enkele maanden. Het materiaal wordt daarbij extremer belast dan in werkelijkheid: de temperatuur en de spanning zijn hoger. Riemslag: ,,Maar die experimenten voldeden niet meer. Er is nu namelijk een nieuwe generatie polyetheen, die niet meer op korte termijn bezwijkt bij de traditionele proeven. Oké, prima, zou je denken. Maar je wilt toch blijven vergelijken; je wilt weten welk type PE het beste is. Daarom was er behoefte aan een alternatieve testmethode.”
Not done

Riemslag kwam uit bij vermoeiing als hulpmiddel om het kruipscheurgroei-proces te voorspellen. Dat was tot dan eigenlijk not echt done, aangezien vermoeiing te maken heeft met wisselende belastingen en kruip met een constante last. ,,Desondanks vondik vermoeiing een goede kandidaat. Het breukvlak veroorzaakt door vermoeiing is te vergelijken met het breukvlak door kruip”, aldus Riemslag.

Riemslag beredeneerde dat de resultaten van vermoeiingsproeven te extrapoleren zijn naar de situatie van een constante belasting. Een vermoeiingsbelasting bestaat namelijk uit een constant deel en een wisselend deel. Door de maxima van de cycli steeds op hetzelfde niveau te houden maar de minima geleidelijk te verhogen, vermindert het aandeel van de cyclische belasting (de vermoeiing) en wordt de situatie van een constante belasting benaderd. Kruip dus. Door extrapolatie kan zo uit een aantal vermoeiingsproeven relatief snel de scheurgroeisnelheid bij kruip bepaald worden.

Om zijn theorie te verifiëren moest Riemslag in zijn experimenten voortdurend scheurtjes opmeten om de scheurgroeisnelheid te bepalen. Daarvoor gebruikte hij een geautomatiseerd systeem, dat elke twintig seconden een digitale opname van de scheur maakte en analyseerde. Omdat de lengte van de scheur de spanningspiek beïnvloedt, werden de opnamen ook gebruikt om de belasting zodanig aan te passen dat de spanningspiek bij de scheur constant bleef, ondanks de toenemende lengte van de scheur. ,,Als je dit soort dingen niet geautomatiseerd doet, wordt het veel te arbeidsintensief”, zegt Riemslag.
Uitgelubberd

Riemslag raakte geboeid door de scheurtjes en zoomde verder in op de scheurtip, de plek waar het allemaal gebeurt. ,,Die scheurtip is een tweefasensysteem: het materiaal komt er in twee gedaanten voor. Ten eerste heb je het bulk materiaal: daar treden wel hoge spanningen op, maar het materiaal blijft in de oorspronkelijke samenhang. Ten tweede heb je de craze, in feite de punt van de scheur, die nog gedeeltelijk gevuld is met fibrillen. Dat zijn vezels die de randen van de scheur nog overbruggen. Ze zijn sterk uitgerekt, maar nog wel intact. Zoiets als de uitgelubberde hengsels van een plastic tas. Die craze is een raar ding. Aan de ene kant zorgt dit gebiedje ervoor dat de scheurtip nog gevuld is met materiaal, waardoor de scheur zelf minder scherp wordt en er minder hoge spanningen optreden. De craze zorgt dus voor ontlasting van de scheur. Aan de andere kant is hij er wel de oorzaak van dat de scheur groeit en dat het materiaal uiteindelijk bezwijkt.”

Het onderzoek, dat gesponsord werd door het Nederlandse Centrum voor Gastechnologie Gastec, heeft voorlopig geen concrete consequenties. Riemslag: ,,Het gaat om inzicht in het bezwijkmechanisme en inzicht in de methoden die je kunt gebruiken om dat bezwijken te voorspellen. Mijn methode is nog niet tot norm verheven. Hij zal nog op meer materialen getest moeten worden.”

Het onderzoek van Riemslag liep enkele maanden vertraging op door onvoorziene pech. ,,Drie jaar geleden was er een brandstichting aan de TU; een gestoorde man met een roep om aandacht. Dat was dus precies in mijn kamer. Uitgefikt. Mijn computer ging verloren en een aantal back-up floppy’s ook. Niet zo handig om die naast de computer te bewaren. Dat kostte me wel een paar maanden. Later knapte er ook eens een hydraulische slang van eenproefopstelling. De hele kamer kreeg een olie-douche.”

Het leverde Riemslag, die sinds januari werkt bij een bedrijf dat aan materiaalbeproeving en schadeonderzoek doet, in elk geval een stelling bij het proefschrift op: ‘Computers zijn redelijk bestand tegen hydraulische olie, maar gaan verloren bij brand.’

,,

Veel gasleidingen in Nederland zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als plastic tasjes. En net als de hengsels van die tasjes kunnen ook de leidingen plaatselijk uitlubberen en na verloop van tijd onder de last bezwijken.

Het is de nachtmerrie van elke huisvrouw: op de knieën achter vijf kilo over straat rollende appels aan nadat de plastic zak gescheurd is. Vaak ligt de oorzaak van het bezwijken in het verschijnsel ‘kruip’: onder het voortdurende gewicht van de appels rekken de hengsels steeds verder uit – verder dan ze sowieso al doen, vanaf het moment dat de plastic tas volgeladen wordt – totdat ze na een tijdje breken. Wat natuurlijk altijd precies gebeurt tijdens het oversteken van het drukste kruispunt van de stad.

Een persoonlijk rampje. Maar het kan nog erger: een vergelijkbaar bezwijkmechanisme zou over ongeveer vijftig jaar vervelende gaslekken kunnen veroorzaken. Een deel van het Nederlandse gasnet (het gedeelte dicht bij de huizen) bestaat namelijk net als de plastic zakken uit polyetheen en is dus ook vatbaar voor kruip. ,,Het gaat met name om kruipscheurgroei”, vertelt dr.ir. Ton Riemslag, die daar vier jaar onderzoek naar deed bij de faculteit Scheikundige Technologie en Materiaalkunde en afgelopen maandag promoveerde.

,,De naam zegt het al. Het is een variant van kruip die optreedt rond scheurtjes, die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door plaatselijk hogere spanningen ten gevolge van steentjes of door oneffenheden in de groef waarin de buis ligt. Rond de scheurtjes is de spanning hoger dan normaal, en daardoor krijg je lokale kruip en zal het materiaal daar bezwijken. Zo groeit het scheurtje verder en kan uiteindelijk een gaslek tot gevolg hebben – wat in het verleden trouwens slechts enkele malen is voorgevallen, dus geen paniek.”

Het is de bedoeling dat de gasleidingen zo’n vijftig jaar meegaan; binnen die tijd mag er dus geen lek ontstaan. Om dat te onderzoeken zouden in principe tests met een duur van vijftig jaar nodig zijn, maar zoveel tijd is er niet. Daarom doet men traditioneel proeven die het kruipproces versnellen en beperken tot enkele maanden. Het materiaal wordt daarbij extremer belast dan in werkelijkheid: de temperatuur en de spanning zijn hoger. Riemslag: ,,Maar die experimenten voldeden niet meer. Er is nu namelijk een nieuwe generatie polyetheen, die niet meer op korte termijn bezwijkt bij de traditionele proeven. Oké, prima, zou je denken. Maar je wilt toch blijven vergelijken; je wilt weten welk type PE het beste is. Daarom was er behoefte aan een alternatieve testmethode.”
Not done

Riemslag kwam uit bij vermoeiing als hulpmiddel om het kruipscheurgroei-proces te voorspellen. Dat was tot dan eigenlijk not echt done, aangezien vermoeiing te maken heeft met wisselende belastingen en kruip met een constante last. ,,Desondanks vondik vermoeiing een goede kandidaat. Het breukvlak veroorzaakt door vermoeiing is te vergelijken met het breukvlak door kruip”, aldus Riemslag.

Riemslag beredeneerde dat de resultaten van vermoeiingsproeven te extrapoleren zijn naar de situatie van een constante belasting. Een vermoeiingsbelasting bestaat namelijk uit een constant deel en een wisselend deel. Door de maxima van de cycli steeds op hetzelfde niveau te houden maar de minima geleidelijk te verhogen, vermindert het aandeel van de cyclische belasting (de vermoeiing) en wordt de situatie van een constante belasting benaderd. Kruip dus. Door extrapolatie kan zo uit een aantal vermoeiingsproeven relatief snel de scheurgroeisnelheid bij kruip bepaald worden.

Om zijn theorie te verifiëren moest Riemslag in zijn experimenten voortdurend scheurtjes opmeten om de scheurgroeisnelheid te bepalen. Daarvoor gebruikte hij een geautomatiseerd systeem, dat elke twintig seconden een digitale opname van de scheur maakte en analyseerde. Omdat de lengte van de scheur de spanningspiek beïnvloedt, werden de opnamen ook gebruikt om de belasting zodanig aan te passen dat de spanningspiek bij de scheur constant bleef, ondanks de toenemende lengte van de scheur. ,,Als je dit soort dingen niet geautomatiseerd doet, wordt het veel te arbeidsintensief”, zegt Riemslag.
Uitgelubberd

Riemslag raakte geboeid door de scheurtjes en zoomde verder in op de scheurtip, de plek waar het allemaal gebeurt. ,,Die scheurtip is een tweefasensysteem: het materiaal komt er in twee gedaanten voor. Ten eerste heb je het bulk materiaal: daar treden wel hoge spanningen op, maar het materiaal blijft in de oorspronkelijke samenhang. Ten tweede heb je de craze, in feite de punt van de scheur, die nog gedeeltelijk gevuld is met fibrillen. Dat zijn vezels die de randen van de scheur nog overbruggen. Ze zijn sterk uitgerekt, maar nog wel intact. Zoiets als de uitgelubberde hengsels van een plastic tas. Die craze is een raar ding. Aan de ene kant zorgt dit gebiedje ervoor dat de scheurtip nog gevuld is met materiaal, waardoor de scheur zelf minder scherp wordt en er minder hoge spanningen optreden. De craze zorgt dus voor ontlasting van de scheur. Aan de andere kant is hij er wel de oorzaak van dat de scheur groeit en dat het materiaal uiteindelijk bezwijkt.”

Het onderzoek, dat gesponsord werd door het Nederlandse Centrum voor Gastechnologie Gastec, heeft voorlopig geen concrete consequenties. Riemslag: ,,Het gaat om inzicht in het bezwijkmechanisme en inzicht in de methoden die je kunt gebruiken om dat bezwijken te voorspellen. Mijn methode is nog niet tot norm verheven. Hij zal nog op meer materialen getest moeten worden.”

Het onderzoek van Riemslag liep enkele maanden vertraging op door onvoorziene pech. ,,Drie jaar geleden was er een brandstichting aan de TU; een gestoorde man met een roep om aandacht. Dat was dus precies in mijn kamer. Uitgefikt. Mijn computer ging verloren en een aantal back-up floppy’s ook. Niet zo handig om die naast de computer te bewaren. Dat kostte me wel een paar maanden. Later knapte er ook eens een hydraulische slang van eenproefopstelling. De hele kamer kreeg een olie-douche.”

Het leverde Riemslag, die sinds januari werkt bij een bedrijf dat aan materiaalbeproeving en schadeonderzoek doet, in elk geval een stelling bij het proefschrift op: ‘Computers zijn redelijk bestand tegen hydraulische olie, maar gaan verloren bij brand.’