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Organisationseinheit der BAM
Seit 1981 veranstalten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) gemeinsam die Kolloquien dieser Reihe, um die Teilnehmer über aktuelle Ergebnisse und Entwicklungen auf dem Gebiet der chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik zu informieren.
Die Themen dieses Berichtsbandes informieren über Explosionsschutz zur Vermeidung explosionsfähiger Lösemittel-Dampf-Luft-Gemischen in Trocknern, Zündquellensicherheit zu Gas/Luft-, Staub/Luft- und Staubschichten, Zünddurchschlagssprozesse in Wasserstoff/Luft-Gemischen, stellen Prüfmethoden und Einflussgrößen auf die gefährlichen Eigenschaften von Ammuniumnitrat und ammoniumnitrathaltigen Zubereitungen vor, berichten über Einflüsse auf Brandverhalten und -gefahren bei Schüttgutlagerung und speziellen Werkstoffen, geben Auskunft über die Schwierigkeiten bei Anwendung neuer technischer Regeln und Richtlinien auf nationaler und europäischer Ebene und liefern neue Ansätze zur probabilistischen Riskionbetrachtung für die sichere Auslegung von Treibgasspeichern.
Bei dieser Jubiläumsveranstaltung haben die Teilnehmer darüber hinaus die Gelegenheit, die neuen Versuchseinrichtungen der BAM auf dem Freiversuchsgelände in Horstwalde zu besichtigen. Dieses etwa 50 km südlich von Berlin gelegene, 12 km² große Freiversuchsgelände verfügt über einen Sprengplatz von 400 m Durchmesser für Brand- und Explosionsversuche mit Sprengwirkungen bis 150 kg TNT.
Mit diesem im europäischen Raum einmaligen Gelände hat die BAM Möglichkeiten, Untersuchungen an und mit Explosivstoffen und Gegenständen mit Explosivstoff sowie Gefahrstoffen und Gefahrgütern, insbesondere im großem Maßstab und mit moderner Laborausstattung durchzuführen. Zu den Versuchsanlagen gehören unter anderem Brandwallanlagen, Modellgebäude, Schwadenkammer, Sprengkammer bzw. Sprenggrube, 12-m-Fallturm, Bunkerräume, Laboratorien und ein spezieller Lagerkomplex.
Neben den Prüfungen für die Zulassung von Stoffen und Gegenständen werden diese Anlagen auch für Untersuchungen
bei Schadensaufklärungen sowie in Forschungsprojekten genutzt.
Allen vortragenden und an der Organisation beteiligten Kolleginnen und Kollegen sei herzlich gedankt. Ihre Beiträge und
Unterstützung haben wesentlich zum Gelingen dieses 10. Kolloquiums beigetragen.
Seit 1981 veranstalten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) gemeinsam die Kolloquien dieser Reihe, um die Teilnehmer über aktuelle Ergebnisse und Entwicklungen auf dem Gebiet der chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik zu informieren. Die Themen dieses Berichtsbandes informieren über Explosionsschutz zur Vermeidung explosionsfähiger Lösemittel-Dampf-Luft-Gemischen in Trocknern, Zündquellensicherheit zu Gas/Luft-, Staub/Luft- und Staubschichten, Zünddurchschlagssprozesse in Wasserstoff/Luft-Gemischen, stellen Prüfmethoden und Einflussgrößen auf die gefährlichen Eigenschaften von Ammuniumnitrat und ammoniumnitrathaltigen Zubereitungen vor, berichten über Einflüsse auf Brandverhalten und -gefahren bei Schüttgutlagerung und speziellen Werkstoffen, geben Auskunft über die Schwierigkeiten bei Anwendung neuer technischer Regeln und Richtlinien auf nationaler und europäischer Ebene und liefern neue Ansätze zur probabilistischen Riskionbetrachtung für die sichere Auslegung von Treibgasspeichern. Bei dieser Jubiläumsveranstaltung haben die Teilnehmer darüber hinaus die Gelegenheit, die neuen Versuchseinrichtungen der BAM auf dem Freiversuchsgelände in Horstwalde zu besichtigen. Dieses etwa 50 km südlich von Berlin gelegene, 12 km² große Freiversuchsgelände verfügt über einen Sprengplatz von 400 m Durchmesser für Brand- und Explosionsversuche mit Sprengwirkungen bis 150 kg TNT. Mit diesem im europäischen Raum einmaligen Gelände hat die BAM Möglichkeiten, Untersuchungen an und mit Explosivstoffen und Gegenständen mit Explosivstoff sowie Gefahrstoffen und Gefahrgütern, insbesondere im großem Maßstab und mit moderner Laborausstattung durchzuführen. Zu den Versuchsanlagen gehören unter anderem Brandwallanlagen, Modellgebäude, Schwadenkammer, Sprengkammer bzw. Sprenggrube, 12-m-Fallturm, Bunkerräume, Laboratorien und ein spezieller Lagerkomplex. Neben den Prüfungen für die Zulassung von Stoffen und Gegenständen werden diese Anlagen auch für Untersuchungen bei Schadensaufklärungen sowie in Forschungsprojekten genutzt. Allen vortragenden und an der Organisation beteiligten Kolleginnen und Kollegen sei herzlich gedankt. Ihre Beiträge und Unterstützung haben wesentlich zum Gelingen dieses 10. Kolloquiums beigetragen.
Das 6. Interdisziplinäre Doktorandenseminar ist 2012 von Attendorn nach Berlin umgezogen. Es bot wieder reichlich Gelegenheit zum Kennenlernen, Wiedersehen und fachlichen Gedankenaustausch. Insgesamt kamen über 30 Teilnehmerinnen und Teilnehmer von Hochschulen, Forschungseinrichtungen und der Industrie zusammen.
Niedriglegierte warmfeste Mn-Mo-Ni und Cr-Mo-V Stähle bilden einen wesentlichen Beitrag gegenwärtig eingesetzter Werkstoffe für druck- und temperaturführende Komponenten im Kraftwerksbau. Dies sind beispielsweise Kesselkomponenten wie Membranwände und Druckbehälter. Dabei kommen die Hauptmerkmale dieser Werkstoffgruppe (sehr gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, Verarbeitbarkeit und niedrige Legierungskosten) zum Tragen. Die weitere Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades ist dabei das wichtigste Ziel, der Werkstoffauswahl für die nähere Zukunft, unabhängig vom Kraftwerkskonzept. Dies trifft jedoch im Besonderen bei fossil-befeuerten Kraftwerken im Rahmen der notwendigen Reduzierung der CO2 Emissionen zu. Die schweißtechnische Komponentenfertigung ist dabei das maßgebliche Fertigungsverfahren. Das Einbringen der Schweißwärme bedingt dabei metallurgische und Gefügeveränderungen in der wärmebeeinflussten Zone des Grundwerkstoffes (WEZ) als auch im niedergeschmolzenen Schweißgut. Die Schweißverbindung kann dabei zusätzlich während oder nach dem Schweißen Wasserstoff aufnehmen. Wasserstoff hat dabei eine degradierende Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften, die sich im Worst-Case als wasserstoffunterstützte Kaltrisse zeigen, dies vor allem auch zeitverzögert (delayed cracking) durch die temperaturabhängige Wasserstoffdiffusion. Dabei zeigt jede Schweißmikrostruktur spezifische Wasserstoffdiffusions- und Lösungscharakteristika. Die Degradation ist daher als eine Kombination sich gegenseitig beeinflussender Faktoren aus lokaler Wasserstoffkonzentration, Mikrogefüge und mechanischer Beanspruchung zu sehen. Wie aktuelle Schadensfälle in der jüngeren Vergangenheit belegten (Rissbildung bei Schweißnähten an T24 Rohr-Rohr-Verbindungen), ist Wasserstoff dabei eine potentiell zu berücksichtigende Schadensursache. Zur weiterführenden Früherkennung möglicher Schäden, ist es daher notwendig, den gefügespezifischen Wasserstoffeffekt in Schweißnähten an niedriglegierten Stählen festzustellen und zu bewerten.
Die Interdependenz der mechanischen Beanspruchung und des Verbleibens einer potentiell degradierenden Wasserstoffkonzentration muss dabei für jedes Gefüge separiert werden. Daher wurden für die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften gefügespezifische Untersuchungen an wasserstoffbeladenen Zugproben aus Grundwerkstoffen und thermisch simulierten WEZ Gefügen untersucht. Das Diffusionsverhalten wurde mit der elektrochemischen Permeationsmethode bei Raumtemperatur und über die Interpretation des Wasserstoffeffusions-verhaltens mittels Trägergasheißextraktion bei erhöhten Temperaturen bis 400°C untersucht. Zur realistischen Abbildung des Diffusionsverhaltens, wurde dabei eine optimierte Prozedur aus Probenaufheizung und Wasserstoffeffusion entwickelt. Diese wurde zusätzlich auf ein Wasserstoffmessgerät mit gekoppeltem Massen-spektrometer (MS) übertragen. Gleichzeitig, wurden die korrespondierende getrappte, sowie die Gesamtwasserstoff-konzentration bestimmt.
Die Ergebnisse zeigten, dass die WEZ eine generell erhöhte Anfälligkeit für die Degradation besitzt (im Gegensatz zum Grundwerk-stoff), unabhängig von der verwendeten Legierungsroute. Dabei nimmt die martensitische Grobkornzone die Stellung als anfälligste Mikrostruktur ein. Aus den gewonnenen Daten, konnten erstmals durchgängige gefügespezifische Kriterien(Hüllkurven) für das Versagen mit quantifizierbaren Wasserstoffkonzentrationen generiert werden. Dazu erfolgten Untersuchungen an Mn-Mo-Ni legierten Stählen (16MND5 und 20MND5 / 20MnMoNi5-5) sowie an kriechfesten Stählen T24 (7CrMoVTiB1010) und T22 (10CrMo9-10). Generell, zeigten Mn-Mo-Ni Grundwerk-stoffe eine bessere Beständigkeit als Cr-Mo(-V) Stähle. Im Fall des Cr-Mo-V Legierungskonzeptes, konnte zusätzlich die positive Wirkung von Vanadium als Legierungselement zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber einer Degradation bestätigt werden.
Die Untersuchungen des Diffusions- und Lösungs-vermögens zeigten, dass die WEZ generell niedrigere Diffusionskoeffizienten besitzt als der Grundwerk-stoff. Dies wird durch stärkeres Trapping des Wasserstoffs beeinflusst und steigert dabei die Lösungs-fähigkeit der Mikrostruktur. Oberhalb von 100°C konnte dabei kein nennenswertes Trapping festgestellt werden, außer im Fall des T24 infolge der Zulegierung von Vanadium. Unterhalb von 100°C, zeigte sich ein deutlicher Abfall der Diffusion infolge des weiter ansteigenden Trappings. Für den betrachteten Temperatur-bereich wurden dabei effektive Wasserstoffdiffusions-koeffizienten berechnet, die zum Teil höher liegen, im Vergleich zu Literaturwerten. Dies liegt zum großen Teil in der optimierten Aufheizprozedur der Proben begründet und, daran gekoppelt, der beschleunigten Wasserstoffeffusion.
Die weiterführende Bedeutung der Ergebnisse liegt in drei Bereichen begründet. Erstens, besteht jetzt die Möglichkeit der quantifizierbaren Vergleichbarkeit des gefüge-spezifischen Wasserstoff-einflusses auf die Degradation. Zweitens, wurden aus den experimentellen Daten, Kriterien für das Versagen für der spezifischen Schweißnahtgefüge abgeleitet. Drittens, stehen realistischere Diffusionskoeffizienten für eine Vielzahl von Schweißnahtgefügen zur Verfügung.
Aus wissenschaftlicher Sicht ergeben sich wichtige Beiträge zur Interpretation des Wasserstoffeinflusses auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Legierung bzw. Phasenzusammensetzung, wie oben angeführt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Berechnungsalgorithmen in Kombination mit bestimmten experimentellen Randbedingungen, großen Einfluss auf die effektiven Wasserstoffdiffusions-koeffizienten haben. Dies kann speziell bei erhöhten Temperaturen zu Abweichungen führen, die einen weiteren Ansatz zur Erklärung (der in der Literatur) genannten Streubänder ergeben.
Aus ökonomischer Sicht leisten die präsentierten Ergebnisse Beiträge zur sicheren und zuverlässigen Verarbeitung der Werkstoffe. So können anhand der identifizierten Temperaturstufen des Wasserstofftrappings Mindestvorwärm-, Zwischenlagen- bzw. Nachwärmtemperaturen für das Wasserstoffarmglühen identifiziert werden. Die Verwendung der Diffusionskoeffizienten ermöglicht zusätzlich die Abschätzung bzw. Anpassung von notwendigen Haltezeiten. Für die weitere Zukunft ist die Einbindung der mechanischen Daten in vorhandene Modelle zur numerischen Simulation und der verbesserten Vorhersage wasserstoffunterstützter Degradation von Schweißmikrostrukturen vorgesehen.
Die Geschichte der Prozessanalysentechnik begann mit Paul Gmelin, Mitarbeiter im physikalischen Laboratorium der Badischen Anilin und Soda Fabrik in Ludwigshafen und einer großen Aufgabe: Bei den Versuchen zur Ammoniaksynthese war deutlich geworden, dass die großen Gasdurchflüsse hinsichtlich ihrer Zusammensetzung überwacht werden mussten. Gmelin entwickelte den sogenannten Pfeifenanalysator, der das Verhältnis der Gase Stickstoff und Wasserstoff für die Ammoniaksynthese messtechnisch erfassen und so den Produktionsprozess steuern konnte. Im Mai 1913 erhielt er hierfür das Patent – die Prozessanalysentechnik war geboren. Heute sind Chemieanlagen, Raffinerien und nahezu alle Anlagen der verfahrenstechnischen Industrie ohne die vielfältigen Messmethoden der PAT nicht mehr wirtschaftlich zu betreiben. Die direkte Messung von Substanzeigenschaften, Konzentrationen und Zusammensetzungen erlaubt die Überwachung von Produktionsprozessen sowie die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards und ermöglicht eine optimierte, zielproduktorientierte Produktion.
Begünstigt durch den Innovationsschub im Bereich der Automatisierungstechnik etablierte sich die PAT als hochinnovatives, interdisziplinäres Arbeitsfeld. Mit der Verkürzung der Zeitkonstanten bei der Erfassung von online Messergebnissen gelang der Sprung von einer reinen Überwachungsfunktion hin zur Führungsgröße innerhalb der Prozesssteuerung.
Das diesjährige Kolloquium des Arbeitskreises Prozessanalytik der DECHEMA und der GDCh mit dem Schwerpunkt „Prozessführung und -automatisierung“ steht deshalb ganz im Zeichen des „Trialogs“ .zwischen Forschern, Geräteherstellern und Anwendern, um gemeinsam hierfür interdisziplinäre Lösungsansätze zu entwickeln und Innovationen auf diesem Gebiet voranzutreiben.
Die technische Entwicklung von einer indirekten zur direkten Messgröße ermöglicht bereits heute den Einsatz von PAT-Methoden in ressourcenschonenenden, energieeffizienten und nachhaltigen Regelungskonzepten. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Operational Excellence in der Prozessführung. Dieser Herausforderung wird sich die Prozessanalysentechnik selbstbewusst und gegründet auf 100 Jahren Erfahrung und Expertise stellen und die erfolgreiche interdisziplinäre Zusammenarbeit auch in Zukunft weiter fortsetzen.
Durch das alkalische Porenwassermilieu ist Stahl im Beton vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Karbonatisierung, Chlorideintrag) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Im weiteren Verlauf können sich korrosionsbedingte Folgeschäden, wie Risse und Abplatzungen am Bauwerk ergeben. Um notwendige Sanierungsmaßnahmen sind frühzeitige und weitgehend zerstörungsfrei ermittelte Informationen über das aktuelle Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Die Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche aktiv korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz.
Durch das alkalische Milieu des Porenwassers im Beton ist der Stahl normalerweise dauerhaft vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Chlorideintrag, Karbonatisierung) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Der Korrosionsprozess ist initiiert. Die entstehenden Korrosionsprodukte werden zunächst vom Porengefüge des Betons aufgenommen, ohne dass es zu sichtbaren Schäden am Bauwerk führt. Im fortgeschrittenem Stadium der Korrosion können sich dann Risse und Abplatzungen bilden.
Um notwendige Sanierungsmaßnahmen sowohl aus sicherheitstechnischen Gründen als auch aus wirtschaftlichen Erwägungen rechtzeitig einzuleiten, sind frühzeitige und weitestgehend zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Ermittlung der aktuellen Korrosionswahrscheinlichkeit der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Deshalb finden Methoden und Verfahren zur laufenden bzw. regelmäßigen Korrosionsüberwachung von Stahlbetonbauwerken ständig größere Beachtung, sowohl im Bereich Forschung und Entwicklung als auch in der Praxis. Die elektrochemische Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Methode bei der Detektion von chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz.
Der Lehrgang vermittelt den Teilnehmenden in kompakter Form einen zusammenfassenden Überblick über die notwendigen Grundlagen zum Verständnis der Messmethode, der Vorbereitung und Durchführung der Messungen, der notwendigen Begleituntersuchungen sowie der Interpretation der gewonnenen Daten. Der erste Tag ist der theoretischen Ausbildung gewidmet, am zweiten Tag folgt dann die praktische Anwendung der Lerninhalte. Am dritten Tag folgt die Abnahme der praktischen und theoretischen Prüfung zur Erlangung des Sachkundenachweises.
Mit GeoHyBe wurde ein neues Forum für die etwa 150 Vertreter der verschiedensten Berufszweige geschaffen, die eng mit dem Thema "Geothermische Anlagen unter hydrogeochemischen Aspekten der Betriebssicherheit" in Berührung stehen.
Insgesamt besteht der Beitrag zu Zielen des Forschungsschwerpunkts Geothermie somit in zwei Hauptergebnissen: in der Schaffung der oben genannten Plattform sowie im fachlichen Austausch über hydrogeochemische Probleme mit tiefen geothermischen Anlagen. Ferner wurden vor allem im Laufe der Podiumsdiskussion wünschenswerte Entwicklungen geäußert (Datenfreigabe bzw. Erleichterung des Zugangs zu relevanten Daten, Bedarf an weiterführenden oder vertiefenden Veranstaltungen etc.).
Die erreichten Ergebnisse haben das Potenzial, zu einer vereinfachten, besser angepassten Anlagenplanung und einer Verbesserung tiefengeothermischer Technologien und Materialien beizutragen. Dies führt zu einer erhöhten Betriebssicherheit und Energieausbeute geothermischer Anlagen, welche das klimapolitische Ziel der Erhöhung des Anteils regenerativer Energien am Gesamtenergieverbrauch und den Rückgang des CO₂-Ausstoßes unterstützen.
Als bedeutendstes wissenschaftlich-technisches Ergebnis des Workshops ist - neben dem Austausch von relevantem Fachwissen - sicherlich die Formulierung des gemeinsamen Verbesserungs- und Forschungsbedarfs hervorzuheben. Vor allem die Schwierigkeiten in der Beschaffung und im Austausch geothermisch relevanter Daten wurden betont. Daneben besteht bezüglich hydrogeochemischer und mikrobieller Prozesse unter den anspruchsvollen Bedingungen in der tiefen Geothermie offensichtlich noch ein großer Bedarf an Forschung und Entwicklung, um den Einsatz geeigneter Materialien und angepasster Technologien gewährleisten zu können.
Wesentliche Erfahrungen wurden vor allem bezüglich der Aktualität und des Diskussionsbedarfs zum Thema gemacht. GeoHyBe kann im Rückblick eher als Auftaktveranstaltung denn als abgeschlossenes Projekt betrachtet werden, da von vielen Seiten der Bedarf nach weiterführenden und/oder vertiefenden Veranstaltungen geäußert wurde.
Naturwissenschaftliche Verfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung bei der Untersuchung von Kunst- und Kulturgut und bei der Entwicklung von Konservierungskonzepten zum Erhalt des kulturellen Erbes. Neben bildgebenden Verfahren wie beispielsweise der Computertomographie oder der Radiographie sind materialanalytische Verfahren von großer Wichtigkeit. Durch die Miniaturisierung elektronischer Bauteile kommen immer mehr mobile Untersuchungstechniken auf den Markt, so dass die Objekte vor Ort im musealen Kontext untersucht werden können. Zudem erfüllen viele Verfahren die Bedingung der zerstörungsfreien Analyse, so dass Untersuchungen ohne Probenentnahmen durchgeführt werden können.
Im Jahre 2006 wurde das Netzwerk zur interdisziplinären Kulturguterhaltung in Deutschland (N.i.Ke.) gegründet. Dieses Netzwerk soll den Austausch zwischen Natur- und Geisteswissenschaften fördern und versteht sich daher als Kommunikations- und Kooperationsplattform der Disziplinen Archäologie und Kunstgeschichte, Restaurierung und Konservierung sowie Natur- und Ingenieurswissenschaften. In loser Abfolge veranstaltet N.i.Ke. seit 2006 Workshops zu aktuellen Themen aus dem Bereich der Kunst- und Kulturgutanalyse. Durch eine intensive fachübergreifende Zusammenarbeit der verschiedenen Disziplinen werden hier neue naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden für restauratorisch-konservatorische oder kulturhistorische und archäologische Fragestellungen etabliert oder bestehende Verfahren weiterentwickelt. Hier kann das Netzwerk wesentliche Beiträge zum Erhalt unseres kulturellen Erbes leisten.
Was zunächst als kleine Zusammenkunft begonnen hat, entwickelte sich im Laufe der letzten 10 Jahre zu einer Veranstaltung, welche sich immer größerer Beliebtheit erfreute, gerade weil grundsätzlich unterschiedliche Themen aus dem Bereich der präventiven Konservierung, der Restaurierung oder Archäometrie in den Fokus gestellt wurden und werden.
Der erste vorliegende Band widmet sich dem Thema „Materialität“ und enthält Beiträge, die auf dem letzten Workshop „Der Exzellenzcluster Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor zu Gast in der Bundesanstalt der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)“ präsentiert wurden.