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Derzeit existieren für Gefahrgutverpackungen in den internationalen Gefahrgutvorschriften keine Festlegungen für quantitative Grenzleckageraten, die sich an Sicherheitsbetrachtungen während der Beförderung orientieren. Für die Dichtheitsprüfung im Rahmen der Bauartzulassung von Gefahrgutverpackungen für flüssige Füllgüter ist das Standardprüfverfahren das Eintauchverfahren in Wasser („Bubble Test“). Hierbei handelt es sich um ein lokalisierendes Prüfverfahren. Seine Anwendung lässt keine quantitative Aussage darüber zu, ob unter Beförderungsbedingungen aufgrund von strömungsbedingter Stofffreisetzung durch Leckstellen der Gefahrgutverpackungen die Gefahr der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre besteht. Zentrales Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, zunächst quantitative Dichtheitsanforderungen an Gefahrgutverpackungen im Hinblick auf die Entstehung explosionsfähiger Dampf-Luft-Gemische während des Transports zu entwickeln. Im Anschluss werden strömungsbedingte Leckageraten der Verschlüsse verschiedener Bauarten von Gefahrgutverpackungen gemessen. Der Vergleich der Messwerte mit den berechneten Grenzwerten ermöglicht die Einschätzung hinsichtlich der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre. Dieser quantitative Ansatz zur Beurteilung der Dichtheit ist für Gefahrgutverpackungen derzeit noch nicht etabliert. Die Grenzleckageraten werden für das Szenario des interkontinentalen Transports von Gefahrgutverpackungen in einem 20-Fuß-Frachtcontainer im Hinblick auf die untere Explosionsgrenze abgeleitet. Dies geschieht unter Annahme einer Worst-Case-Betrachtung für Beförderungsdauer, Beladung und Luftwechselrate. Als mittlere Beförderungstemperatur wird 30 °C angesetzt. Eine vollständige Durchmischung im freien Luftraum des Containers wird angenommen. Es werden drei repräsentative Baugrößen von Gefahrgutverpackungen gewählt, mit einem Volumen von ca. 6 L, ca. 60 L und ca. 220 L. Als Füllgüter werden die 23 meistbeförderten flüssigen Gefahrgüter betrachtet. Die treibende Kraft für die Strömung durch Leckstellen ist der sich in der Verpackung ausbildende Überdruck. Die Berechnung des Überdrucks erfolgt durch analytische Modellgleichungen in Abhängigkeit der spezifischen Stoffdaten, Füllgrad, Befülltemperatur, Transporttemperatur und Nachgiebigkeit der Verpackungsbauart. Die quantitative Leckageratenmessung der Gefahrgutverpackungen wird mit dem Überdruckverfahren mit Ansammlung (Akkumulationsverfahren) unter Verwendung von Helium als Prüfgas vorgenommen. Zusätzlich erfolgt die Detektion weiterer potentieller Leckstellen außerhalb des Verschlussbereiches mit dem Schnüffelverfahren. Bei allen untersuchten Bauarten, mit Ausnahme des 6 L-Feinstblechkanisters, ist der Verschluss die einzige systematische Leckstelle der Verpackung. Die Messung der Helium-Leckageraten und der anschließende Vergleich mit den berechneten Helium-Grenzleckageraten zeigt, dass folgende Bauarten hinsichtlich des Erreichens der unteren Explosionsgrenze (UEG) durch eine Leckageströmung als kritisch einzuschätzen sind: Kunststoffverpackungen mit Schraubverschlüssen mit Flachdichtung, wenn bei diesen bestimmte Schädigungsmuster im Verschlussbereich vorliegen; Feinstblechkanister, da bei ihnen nicht nur der Verschlussbereich eine Leckstelle darstellt; Kunststoffverpackungen mit Schraubverschlüssen mit Flachdichtung, wenn diese auch für Füllgüter der Verpackungsgruppe I zugelassen sind. Als Konsequenz sollten bei diesen kritischen Bauarten entweder Modifikationen in Bezug auf die Verpackung selbst oder auf die Transportbedingungen im Frachtcontainer vorgenommen werden. Bei Kunststoffverpackungen ist auch die Füllgutpermeation als Freisetzungsmechanismus relevant. Es wird der prinzipielle Rechenweg zur Berücksichtigung dieses Quellterms exemplarisch gezeigt. Diese Arbeit leistet einen grundlegenden Beitrag für die Etablierung einer systematischen quantitativen Dichtheitsbetrachtung von Gefahrgutverpackungen mit dem Ziel der Verbesserung der Sicherheit beim interkontinentalen Gefahrguttransport im Frachtcontainer.
Abstract: The dangerous goods regulations UN/ADR 6.1.5.5.4 a) prescribe a maximum filling degree for determining the test pressure for the hydraulic pressure test by real measurements. The assumption is that the maximum filling degree of the liquid phase is the worst case concerning the gauge pressure. Therefore the main objective of this study is to investigate the effect of the filling degree on the gauge pressure.
Gauge pressure measurements and calculations for different substances were carried out at different filling degrees for a steel drum and a steel jerrican (heating-up from 15 °C to 55 °C).
The assumption that the maximum filling degree is the most critical is only valid for relatively rigid packagings: If the relative expansion of the packaging is smaller than the volume increase of the liquid phase due to heating-up, the gauge pressure increases with increasing filling degree.
But the opposite is true for relatively flexible packagings: If the relative expansion of the packaging exceeds the relative volume expansion of the liquid, the gauge pressure increases for decreasing filling degrees. The current regulations for the hydraulic test pressure determination at a maximum filing degree do not lead to the intended safety level. For a lower level than the maximum filling degree, the prescribed safety factor of 1.5 is not respected. Under transport conditions it is possible that the inner gauge pressure exceeds the test pressure. This can result in a failure of the packaging. There is a need to reconsider the regulations.
The objective was to find out whether an explosive atmosphere can be created in a freight container by gaseous leakage flow of vapour-air-mixture through leaks in the closures of dangerous goods packagings filled with hazardous liquids. Because of high temperatures during intercontinental carriage, there is a gauge pressure in the free vapour phase inside the packagings which can cause a gaseous leakage flow. Two different methods were applied:
Helium limit leakage rates for 23 quantitatively important hazardous liquids concerning their lower explosion limit (LEL) were calculated for a worst case transport scenario (Method 1).
Helium leakage rates of five closure types of dangerous goods packagings with volumes of approximately 6 l were measured using the pressure technique by accumulation (Method 2).
All types of closures of steel packagings were uncritical. The maximum measured leakage was 33% of the limit leakage rate. The leakage rates of screw closures of plastic jerricans can exceed the LEL if there are production-related patterns such as non-concentricity of the closures and flashes on the neck. Especially for plastic packagings it is important to minimize gaseous leakage flow, because an explosive atmosphere can also be reached by permeation of the individual filling substance or by a combination of both effects. For the assessment of potentially explosive mixtures in freight containers, both mass transfer mechanisms have to be taken into account.
Für die Durchführung einer Dichtheitsprüfung und für die Bewertung des Ergebnisses ist es wichtig, den sich unter Betriebsbedingungen im Prüfobjekt einstellenden Überdruck zu kennen. Entspricht der Prüfüberdruck nicht dem Betriebsüberdruck, so ist es oft erforderlich, die unter Prüfbedingungen gemessenen Leckageraten auf den realen Betriebsüberdruck umzurechnen. Im Bereich der Gefahrgutverpackungen ist jedoch der spätere maximale Betriebsüberdruck nicht genau bekannt. Er hängt für jede einzelne Verpackungsbauart von dem eingefüllten Füllmedium mit seinen spezifischen Stoffeigenschaften, dem Füllgrad sowie den Beförderungsbedingungen, insbesondere der mittleren Transporttemperatur, ab. Es werden Berechnungsansätze vorgestellt, mit denen sich der Überdruck in Gefahrgutverpackungen unter Beförderungsbedingungen rechnerisch ermitteln lässt. Die theoretisch berechneten Überdrücke werden mit Überdruck-Messwerten verglichen, die mit verschiedenen Füllmedien in unterschiedlichen Verpackungsbauarten ermittelt wurden.
The objective of this work was to determine the maximum gauge pressure in the vapour phase above the liquid in different design types of dangerous goods packagings under normal conditions of carriage. The design types investigated were steel and plastic packagings with a volume of approximately 6 l.
Two different methods were applied. In method 1, the pressure inside the packaging filled with a certain filling substance (dichloromethane) was directly measured under simulated conditions of carriage (degree of filling: 90%; filling temperature: 15°C; temperature during storage: 31°C). The maximum measured gauge pressures were between 89 mbar for a light plastic jerrican and 336 mbar for a steel drum.
In method 2, the gauge pressure was calculated. The consideration of a rigid packaging combined with the assumption of a vapour pressure of zero during filling and sealing can serve as a worst case scenario. The calculated gauge pressure is approximately 1061 mbar. This procedure leads to the highest safety factor and does not require any experimental investigations.
For a more realistic approximation of the gauge pressure of a non-rigid packaging, a packaging-specific function of relative expansion can be used, which is determined by a hydraulic pressure test. The calculated values ranged from 105 to 347 mbar. Method 2 provides conservative results. No hazardous filling substance is needed, and it allows a prediction of gauge pressure for other temperatures, substances and filling degrees. Therefore, this method could serve as alternative to UN Model Regulations 6.1.5.5.4 (a).
Der innere Überdruck, der sich unter Beförderungsbedingungen im freien Dampfraum einer Gefahrgutverpackung bildet, die mit einer gefährlichen Flüssigkeit gefüllt ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Den spezifischen Stoffeigenschaften des jeweiligen Füllguts, dem Füllgrad, der Nachgiebigkeit der Verpackungsbauart, der Befülltemperatur und der Temperatur bei Beförderungsbedingungen.
Zu den normalen Beförderungsbedingungen von befüllten Gefahrgutverpackungen zählt der interkontinentale Transport in Frachtcontainern. Es werden die Ergebnisse einer Klimamessfahrt vorgestellt, die mit einem instrumentierten Frachtcontainer auf der Fahrt von Hamburg nach Singapur und zurück gewonnen wurden. Hierdurch lassen sich durchschnittliche und maximale Beförderungstemperaturen beim interkontinentalen Containertransport ermitteln. Es werden Modellgleichungen vorgestellt, mit denen sich für verschiedene Annahmen der sich einstellende Überdruck in einer Gefahrgutverpackung berechnen lässt.