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Nach Außerkraftsetzung der Druckbehälterverordnung und der Acetylenverordnung ist zum 01.01.2013 auch eine Reihe wichtiger sicherheitstechnischer Regeln für Gase ausgelaufen. Dazu gehören die Technischen Regeln Druckgase (TRG), die Technischen Regeln Druckbehälter (TRB), die Technischen Regeln Rohrleitungen (TRR) und die Technischen Regeln Acetylen (TRAC). Sie enthielten Beschaffenheitsanforderungen für Druckgeräte und Informationen zu den Gefährdungen beim Umgang mit den Gasen. Ein Teil der in diesen Regeln enthaltenen sicherheitstechnischen Anforderungen sind inzwischen europäisch in den Richtlinien zu ortsbeweglichen (TPED) und ortsfesten Druckgeräten (PED) oder aber in den Verordnungen zum Gefahrguttransport (RID/ADR etc.) bzw. zur Einstufung, Klassifizierung und Kennzeichnung (CLP-Verordnung) geregelt. Die verbliebenen sicherheitstechnischen „Lücken“ des alten Regelwerks wurden nun in drei neuen Technischen Regeln zur Gefahrstoffverordnung bzw. zur Betriebssicherheitsverordnung behandelt. Unter Federführung der BAM sind die TRGS 407, die TRGS 745/TRBS 3145 sowie die TRGS 746/TRBS 3146 von einer Projektgruppe „Gase“ beim BMAS erarbeitet worden. Im Vortrag wird das aktuelle, neu strukturierte sicherheitstechnische Regelwerk für Gase (international, europäisch und national) dargestellt. Insbesondere werden dabei im nationalen Teil die Inhalte der drei neuen Technischen Regeln besprochen.
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 als kritisch zu bewerten. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM bringt daher bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäße von mehr als fünf Jahren zur Absicherung einen neuen Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Nachfolgend wird erläutert, wie die statistische Auswertung von Stichproben und deren perspektivische Extrapolation erfolgen und wie Zuverlässigkeitsgrenzwerte von der Größe von Druckgefäßen abhängig gemacht werden können, sowie welchen Einfluss der reale Gasdruck auf die Sicherheitsbewertung im Rahmen des Ansatzes der BAM hat. Insbesondere wird in das zentrale Arbeitsdiagramm des Ansatzes eingeführt und erläutert, wie dieses verwendet werden kann. Hierzu wird auch ausgeführt, wie die Füllzyklenzahl und die Lastwechselfestigkeit über die neu eingeführte Größe der spezifischen Füllempfindlichkeit zusammenhängen.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl hinsichtlich der Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft kritisch zu bewerten. Entsprechend wird nach einem Ansatz gesucht, auch durch betriebsbegleitende zerstörende Prüfungen eine aussagekräftige Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters zu erhalten. Für die Bewertung der Ergebnisse aus diesen Prüfungen wird eine Methode zur statistischen Auswertung vorgestellt, die es erlaubt, die Extrapolation von Zuverlässigkeitslinien auch auf relativ kleine Stichproben aufzubauen und so das Ende der sicheren Gebrauchsdauer auf der Basis von Grenzwerten für Mindestlast und maximal zulässiger Ausfallwahrscheinlichkeit auf systematische wie auch konservative Weise zu determinieren.
Aspekte der Restfestigkeitsermittlung von Composite-Druckgefäßen mittels hydraulischer Prüfung
(2011)
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist kritisch bezüglich der Schädigung der Prüfmuster und ihrer Aussagekraft zu bewerten. Entsprechend wird nach einem Ansatz gesucht, auch durch betriebsbegleitend zerstörende Prüfungen eine aussagekräftige Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters zu erhalten. Im Beitrag werden erste Ergebnisse aus Prüfungen zur Ermittlung der Restlebensdauer von Composite-Druckgefäßen dargestellt und zunächst qualitativ diskutiert. Es wird erkennbar, dass die hydraulische LW-Prüfung durchaus geeignet ist, die Restlebensdauer von Baumustern mit metallischem Liner zu bewerten. Hierbei darf die Lastwechselzahl aus der hydraulischen Prüfung aber nicht als Füllzyklenzahl interpretiert werden. Außerdem können anhand der Ergebnisse die Möglichkeiten zur Restlebensdauerermittlung an lastwechselunempfindlichen Baumustern ohne metallische Liner deutlich eingegrenzt werden, was eine Konkretisierung möglicher Verfahren erlaubt; wenn dies auch an dieser Stelle noch keine Lösung bietet.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist kritisch zu bewerten. Zum einen tragen diese Prüfungen mit ihren relativ hohen Drücken vor dem Hintergrund der Schädigungsprozesse in Faser-Verbundwerkstoffen deutlich zur Degradation bei, zum anderen ist der Erkenntnisgewinn aus dieser Prüfung verschwindend. Um eine Abschätzung der sicheren Lebensdauern zu erhalten, bieten sich betriebsbegleitend zerstörende Prüfungen an. Kann man zwei zeitlich versetzte Zustandsbeschreibungen dieser Art miteinander vergleichen, sollten für jedes Baumuster/jede Bauart zeitabhängige Restfestigkeitsmerkmale ableitbar sein. Hierzu wird ein Ansatz formuliert, der spezifische Prüfverfahren und weitergehende Betrachtungen, z. B. über den geeigneten Zeitpunkt für Stichprobenprüfungen im Laufe der Betriebszeit, beinhaltet.
Für eine gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus verschiedenen Anlagen sollte dieTreffsicherheit der Extremdrücke nach
Maßgabe einer bestimmten wirksamen Haltezeit ermittelt und bewertet werden.
Hierbei können selbst bei Flaschen für 700 bar Betriebsdruck bereits Abweichungen
von wenigen bar unbemerkt zu deutlichen Veränderungen der Lebensdauer-Versuchsergebnisse führen.
Speziell für Prüflinge aus Verbundwerkstoff mit tragenden Schichten aus verschiedenen Fasern oder mit mittragendem Liner kommt eine besondere Abhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit von der Temperatur und damit auch von deren Schwankung hinzu. Für die Bewertung der Temperaturregelung ist es vor allem erforderlich, die
Oberflächen- und die Medientemperatur zu protokollieren und in engen Grenzen zu regeln.
So wird empfohlen, insbesondere Anlagen, die zukünftig für Versuche zur Ermittlung probabilistischer Kenngrößen von
Composite-Flaschen herangezogen werden, auf diese Aspekte hin besonders zu ertüchtigen und in Ringversuchen - wie dem gezeigten - auf ihre Eigenschaften (ihren spezifischen "Fingerabdruck") hin zu überprüfen.
Versuchsparameter, können für derartige Versuche folgende Empfehlungen gegeben werden:
1. Der Druckbereich sollte auf den größten und auch kleinsten Maximaldruck, der von den Anlagen in Prüfungen abgefordert werden soll, ausgerichtet sein.
2. Der Prüfling sollte so gewählt sein, dass während des Ringversuchs möglichst nicht ausgetauscht werden muss. Hierbei darf er nicht zu klein oder zu steif sein, damit die Anlage bezüglich des Hub- oder Fördervolumens
auch repräsentativ für die Prüfaufgaben gefordert wird.
3. Das beschriebene Prüfprogramm mit wanderndem Prüfling und Messequipment hat sich im Grundsatz genauso bewährt
wie die zentrale Auswertung der Daten.
4. Es ist nicht einfach, ein harmonisiertes Verständnis über die konkreten Aspekte des Prüfprogramms zu erreichen, entsprechend sollte sowohl das Personal im Vorfeld gut über Hintergründe und Zielsetzung informiert sein als auch die Durchführung von Ringversuchen durch sehr erfahrenes, das Prüfequipment permanent begleitendes Personal betreut werden.
Jeder der Partner hat aus diesem Ringversuch viel Erfahrung und Wissen für sich mitnehmen können, sodass ein wesentlicher Vorteil derartiger Versuche im Erfahrungsgewinn aller Beteiligten zu sehen ist.
Gegebenenfalls sollten derartige Ringversuche mittelfristig auch fester Bestandteil der Audits und Reaudits zur Akkreditierung bzw. Anerkennung als technischer Dienst, insbesondere für die 700-bar-Wasserstofftechnik,
werden.
Im Hinblick auf den Inhalt der Ringversuche und die Relevanz der diskutierten
Die Sicherheit von Druckgefäßen und Treibgasspeichern gegen Ermüdungsversagen wird derzeit immer unter Einbeziehung
von Lastwechselversuchen abgeprüft. Hierbei gibt es verschiedene Versuchsparameter, die nicht vorgegeben, sondern
meist nur in eine Richtung limitiert sind. Einer dieser Parameter ist die Versuchstemperatur, die insbesondere bei Com -
posite-Druckbehältern mit metallischem Liner eine große Rolle spielt. Der Einfluss dieses Aspekts wie auch der der Druckregelgenauigkeit
und der Sauberkeit der Druckkurve auf Versuchsergebnisse werden an Beispielen analysiert. Daran
schließt sich die Zusammenstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs an hydraulischen Lastwechselanlagen an, an dem
Anlagen für Innendruckversuche an 700-bar-Wasserstoffspeichern in vier europäischen Ländern beteiligt waren.
Die Sicherheit von Druckgefäßen gegen Ermüdungsversagen wird derzeit weitgehend unabhängig von den real zu erwartenden
Befüllungszyklen und unabhängig vom Werkstoff abgeprüft. Während die werkstoffspezifischen Streuungen von Metallen
im Wöhlerdiagramm von ähnlicher Größenordnung sind, gibt es bei Compositen erhebliche Unterschiede und diese insbesondere
zwischen Carbon-Compositen und Metallen. Auch ändert sich die lebensdauerrelevante Belastung während des
Betriebs bei Stahlflaschen nur in Abhängigkeit des Innendrucks, während es bei Composite-Druckgefäßen bedingt durch
Relaxationsprozesse deutliche Veränderungen der Materialanstrengung über das Leben geben kann. Um Konsequenzen
hieraus besser bewerten zu können, werden der Betriebspunkt als Grundlage der Lebensdauervorhersage erweitert definiert
und die werkstoffspezifische Streuungen im Wöhlerdiagramm mit ihren Auswirkungen auf die Überlebenswahrscheinlichkeit
bzw. sichere Befüllungszahl analysiert. Das Ergebnis sind Hinweise und Empfehlungen für werkstoffabhängige und
besser angepasste Prüfkonzepte, um diese sicherheitsrelevanten Unterschiede im Rahmen der Baumusterprüfung und
Sicherheitsbeurteilung erfassen zu können.