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Viele Konzepte zur Sicherheitsbewertungen beruhen auf der Untersuchung weniger, oder einzelner Prüfergebnisse. Aber auch im Fall umfangreicherer statistischer Untersuchungen können nur begrenzte Stichproben untersucht werden. Mittelwerte und Streuung kleiner Stichproben weichen mehr oder weniger von den wahren Eigenschaften des untersuchten Baumusters ab. Solche Abweichungen werden derzeit nicht oder nur sehr vage berücksichtigt. In diesem Aufsatz wird der Einfluss der Unsicherheiten aus Stichproben anhand der Bewertung von Composite-Druckgefäßen durch Berst- und Lastwechselprüfungen dargestellt.
Die aktuelle Praxis, die Sicherheit von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen auf der Basis von Mindestwerten einzelner Prüfmuster zu bewerten, ist hinsichtlich ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Entsprechend wird nach einem Ansatz gesucht, eine aussagekräftige Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters zu erhalten. Für die Berst- und Lastwechselprüfungen wird ein statistischer Ansatz vorgestellt, der eine absolute Zuverlässigkeitsaussage auf Basis von Stichprobenergebnissen erlaubt. Wie hier ausführlich dargestellt wird, ist der Stichprobenumfang von wesentlicher Bedeutung für die Erarbeitung quantitativer Wahrscheinlichkeitsaussagen.
Ein wesentlicher Aspekt der Prognose der sicheren Restlebensdauer ist die möglichst differenzierte Erfassung von Restfestigkeiten. In Fällen, in denen diese nicht mittels hydraulischer Lastwechselprüfungen abgeschätzt werden kann, bleiben als Ersatz die Zeitstands- oder die Berstprüfung. Als Kombination aus diesen beiden Prüfungen schlägt die BAM die langsame Berstprüfung vor. Die Vielzahl von bereits veröffentlichten Ergebnissen zu diesem Prüfkonzept werden hier um die Werte der extrem langsamen Berstprüfung (ca. 1 000 h kontinuierlicher Druckanstieg) ergänzt. Dies führt zu der eindeutigen Empfehlung, die heute üblicherweise schnellen Berstprüfungen zum Nachweis der Festigkeit von Composite-Druckgefäßen am besten ganz durch die langsame Berstprüfung zu ersetzen.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl bezüglich der Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Entsprechend kommt durch die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Absicherung bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäßen von mehr als fünf Jahren ein neuer Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsabschätzung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Ein wesentlicher Aspekt dieses Ansatzes ist die Prognose der sicheren Restlebensdauer. In Fällen, in denen diese nicht wie in den Teilen 1 und 2 beschrieben mittels hydraulischer Lastwechselprüfungen abgeschätzt werden kann, bleiben als Ersatz die Zeitstands- oder die Berstprüfung. Als Kombination aus diesen beiden Prüfungen schlägt die BAM die 'langsame Berstprüfung' vor. Zu diesem Prüfkonzept werden zahlreiche Ergebnisse dargestellt. Hierzu werden sowohl die Parameter der Prüfung wie auch die Art und Intensität der Vorschädigung künstlich gealterter Prüfmuster statistisch ausgewertet. Dies führt zum einen zu einer Bewertung der verschiedenen Belastungsarten aber auch zu der eindeutigen Empfehlung, die heute üblicherweise schnellen Berstprüfungen zum Nachweis der Festigkeit von Composite-Druckgefäßen am besten ganz zu ersetzen.
Die Methoden der Sicherheitsbeurteilung von Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen werden zunehmend verfeinert, um Material und damit auch Kosten sparen zu können. So steht auch der Mindestberstdruck als eine der Basisforderungen in den relevanten Normen in der Diskussion. Im Beitrag wird dargestellt, wie die Anforderungen nach Norm unter Berücksichtigung der realen Streuung der Festigkeitseigenschaften nach dem Kriterium einer Mindestzuverlässigkeit prinzipiell zu bewerten sind. Im Ergebnis wird abgeleitet, dass eine quantitative Reduzierung bei Beibehaltung des Charakters der Anforderung sicherheitstechnisch bedenklich ist. Der Ansatz, die Sicherheit von Composite-Druckgefäßen nach dem Kriterium eines Mindestberstdrucks anhand einzelner Prüfmustern nachzuweisen, ist weder eine notwendige noch eine hinreichende Bedingung für ein sicheres Baumuster. Das Potenzial zur Materialeinsparung kann nur durch Umstellung der Sicherheitsnachweise auf ein probabilistisches Verfahren genutzt werden.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl im Hinblick auf die Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Daher bringt die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Absicherung bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäße, die älter als fünf Jahre sind, einen neuen Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Ein wesentlicher Aspekt dieses Ansatzes ist die Prognose der sicheren Restlebensdauer. Hierbei stellt der Effekt des übermäßigen Verlusts an hydraulischer Lastwechselfestigkeit im Sinne einer Degradation der Festigkeit einen kritischen Punkt in der Prognose der Sicherheit bis zum Lebensdauerende dar.
Statistische Bewertung von Prüfergebnissen zur Restfestigkeitsbetrachtung von Composite-Druckgefäßen
(2013)
Die hydraulische Innendruckprüfung von Composite-Druckgefäßen schädigt die Prüfmuster, liefert aber nur wenig Erkenntnis. Deshalb werden von der BAM zur Eignungsfeststellung für Prüffristen von mehr als drei Jahren Eigenschaften abgefragt, die nach aktuellen Normen nicht zu quantifizieren sind: Die Abschätzung der Zuverlässigkeit eines Baumusters auf der Basis von kleinen Stichproben. Hierbei kommt abhängig von der Lastwechselempfindlichkeit entweder die Lastwechselprüfung oder die langsame Berstprüfung zum Einsatz. Im Folgenden wird für beide dieser zerstörenden Prüfverfahren das jeweils passende Verfahren zur statistischen Auswertung der Ergebnisse von kleinen Stichproben vorgestellt. Hierzu werden die mittleren Berst- bzw. Lastwechselfestigkeiten und die Streuung der Stichprobe erfasst, analysiert und als Wertepaar dargestellt. In Verbindung mit den verwendeten Arbeitsdiagrammen, lässt sich dann jedes Wertepaar einer Stichprobe unmittelbar bezüglich seiner Überlebenswahrscheinlichkeit grob beurteilen.
Composite-Druckgefäße kommen auch in Atemschutzgeräten als persönliche Schutzausrüstung (PSA) zunehmend zum Einsatz und sind dabei außergewöhnlich rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Da diese durch die angewendeten Normen nominell nicht umfassend abgedeckt sind, wurden die End-of-Life-Restfestigkeiten untersucht. Die untersuchten drei Stichproben bestehen aus je 25 im Feuerwehrbetrieb über 15 Jahre gealterten Composite-Atemluftflaschen eines Baumusters. Mit diesen Restfestigkeitsuntersuchungen wird am Beispiel den Fragen nachgegangen, ob dieses Baumuster statistisch eine ausreichende Sicherheit am Lebensende aufweist und welche Verteilungsfunktionen die Ergebnisse am besten beschreiben. Methodisch kommen für die Prüfung eine konventionelle Berstprüfung, das Konzept der BAM für eine langsamen Berstprüfung und die hydraulische Lastwechselprüfung zur Anwendung. Das Ergebnis zeigt für das Baumuster hinreichende Sicherheit; aber auch die besondere Bedeutung der sog. Frühausfälle für die Statistik und den Bedarf an einer entsprechend auf die Frühausfälle ausgerichteten, zerstörungsfreien Prüfmethode.