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Druckbehälter aus Faserverbundwerkstoffen werden unter anderem für die Speicherung von Erdgas in Fahrzeugen genutzt. Sie erfordern zuverlässige und effiziente Methoden der Qualitätssicherung während der Fertigung und des Betriebs, um ein möglichst hohes Sicherheitsniveau zu gewährleisten. Die in diesem Beitrag vorgestellte, auf Schallemissionen beruhende Prüfmethodik wurde entwickelt und patentiert, um unter typischen Fertigungsbedingungen angewendet zu werden.
Überwachung der Fertigungsqualität von Faserverbund - Druckbehältern mittel Schallemissionsprüfung
(2011)
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.
Überwachung der Fertigungsqualität von Faserverbund - Druckbehältern mittels Schallemissionsprüfung
(2011)
Ziel der Untersuchung ist die Validierung einer Prüfmethodik zur Sicherung der Fertigungsqualität von Faserverbund – Druckbehältern unter realen Fertigungsbedingungen.
Das Verfahren basiert auf Merkmalen und zulässigen Grenzwerten, die aus Schallemissionsverläufen bei der Erstdruckprüfung abgeleitet werden.
Die Methodik konnte zuvor bereits erfolgreich an Faserverbund –
Druckbehältern mit metallischem Liner getestet und patentiert werden.
Mit den aktuellen Untersuchungen wurde die Möglichkeit des Erkennens von Fertigungsfehlern in Kohlenstofffaser/Glasfaser – Hybriddruckbehältern mit polymerem Liner evaluiert.
Dazu wurden Faserverbund – Druckbehälter mittels Schallemissionsmessung bei einer hydraulischen Erstdruckprüfung überwacht, wie sie (ohne Schallemissionsprüfung) generell zur Qualitätssicherung nach der Fertigung von Faserverbund – Druckbehältern gefordert wird.
An Druckbehältern aus einer Serienproduktion wurden die Schallemissionsverläufe registriert und die mittleren Merkmalswerte sowie deren Streuung als Referenz ermittelt. Diese werden mit den Schallemissionsverläufen von Druckbehältern mit gezielt eingebrachten Fertigungsfehlern verglichen.
Bei den Fertigungsfehlern handelt es sich um Fehler, die in der Serienproduktion auftreten können und mit den Methoden der herkömmlichen Qualitätssicherung schwer oder gar nicht nachzuweisen sind.
Alle untersuchten Druckbehälter wurden im Anschluss an die Erstdruckprüfung auf verschiedene Weise bis zum Versagen (Leckage, Bersten) beansprucht. Damit war es möglich, den tatsächlichen Einfluss der Fertigungsfehler auf den Berstdruck bzw. das Ermüdungsverhalten der Behälter zu verifizieren und die Aussagefähigkeit des Schallemissionsverfahrens zu beurteilen.
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.
In dem aktuell laufenden EU-Projekt HyComp wurde das bereits
beim 18. Kolloquium Schallemission vorgestellte Verfahren zur Qualitätssicherung
von Faserverbund-Druckbehältern mittels Schallemissionsprüfung an weiteren
Baumustern zweier verschiedener Behältertypen getestet.
Die vorgestellte Methodik beruht auf Merkmalen und zulässigen Grenzwerten,
die aus Schallemissionsverläufen bei der Erstdruckprüfung (Druckbehälter mit
Kunststoffliner) bzw. dem Autofrettageprozess (Druckbehälter mit metallischem
Liner) eines Baumusters abgeleitet werden.
Es wird an einer Anzahl Druckbehälter aus der Serienproduktion eine
Referenzkurve mit den mittleren Merkmalswerten und deren Streuung ermittelt.
Damit ist das Verfahren zur Druckprüfung dieses Baumusters anwendbar.
Um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu untersuchen, wurden Druckbehälter
mit bewusst eingebrachten künstlichen Fertigungsfehlern untersucht.
Alle geprüften Behälter wurden im Anschluss an die SE-Druckprüfung
zerstörend geprüft, um Aussagen über die Auswirkungen der eingebrachten Fehler
im Vergleich zu den Behältern aus der normalen Produktion treffen zu können.
In dem genannten EU- Projekt wurde das Verfahren an den beiden in der
Automobilindustrie gängigen Behältertypen getestet, in einem Fall auch unter
Fertigungsbedingungen beim Hersteller.
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.
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