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- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (5)
- 5.5 Materialmodellierung (5)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (4)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (2)
Eingeladener Vortrag
- nein (148)
Unter Druck
(2005)
Implementation and current situation of introducing the Directives 97/23/EC in the German legislaton
(2001)
Die modulare Brandprüfung von Composite-Flaschen als Voraussetzung für den probabilistischen Ansatz
(2007)
Der Einfluss unterschiedlicher Klimazonen auf Betriebssicherheit und Lebensdauer von Behältern
(2006)
Auslaufmodell
(2007)
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
THE SLOW BURST TEST AS A METHOD FOR PROBABILISTIC QUANTIFICATION OF COMPOSITE CYLINDER DEGRADATION
(2013)
Hochbeanspruchte Bauteile wie Druckbehälter bergen im Falle eines Versagens ein erhebliches Gefährdungspotential für Mensch und Umgebung. Trotz der Auslegung mit hohen Sicherheitsfaktoren kommt es durch die hauptsächlich bei mobilen Anwendungen eingesetzten Leichtbauwerkstoffe und Materialkombinationen zu komplexen Degradations- und Schädigungsvorgängen, welche unter ungünstigen Umständen zu einem frühzeitigen Versagen führen können. Die hier vorgestellten Untersuchungen beziehen sich auf Typ IV-Gasspeicher, die als Wasserstofftanks in KFZ zur Anwendung kommen. Durch den Einsatz eines Messverfahrens auf Basis einer experimentellen Modalanalyse (EMA) sollen Schädigungs- und Degradationsgrad künftig zerstörungsfrei erfasst und auch einsatzbegleitend überwacht werden können.
The objective of this work is to find a method that describes the degree of damage from an impact experiment. This experiment was performed on Composite Pressure Vessels (CPV) in order to find the correlation of impact damage to the residual burst pressure. Computed Tomography (CT) approach was used to capture the before and after impact condition of the CPVs. The Wasserstein function was used to calculate how much the after impact image has differed from the original one. In the end, a good correlation was obtained to the residual burst pressure.
The test data for static burst strength and load cycle fatigue strength of pressure vessels can often be well described by Gaussian normal or Weibull distribution functions. There are various approaches which can be used to determine the parameters of the Weibull distribution function; however, the performance of these methods is uncertain. In this study, six methods are evaluated by using the criterion of OSL (observed significance level) from Anderson-Darling (AD) goodness of Fit (GoF), These are: a) the norm-log based method, b) least squares regression, c) weighted least squares regression, d) a linear approach based on good linear unbiased estimators, e) maximum likelihood estimation and f) method of moments estimation. In addition, various approaches of ranking function are considered. The results show that there are no outperforming methods which can be identified clearly, primarily due to the limitation of the small sample size of the test data used for Weibull analysis. This randomness resulting from the sampling is further investigated by using Monte Carlo simulations, concluding that the sample size of the experimental data is more crucial than the exact method used to derive Weibull parameters. Finally, a recommendation is made to consider the uncertainties of the limitations due to the small size for pressure vessel testing and also for general material testing.
The presentation reflects the questions that have been raised by member states and NGOs.
As background information details on the question how to choose a suitable salvage pressure receptacle (SPR) are provided. This leads to the need for deleting the volume limitation for SPRs and to the discussions in 2014 and 2016 on this issue.
As an adequate substitution for deleting the volume limit for SPRs it is proposed to limit the pressure receptacles to be stored in by a maximum pressure-volume-value of 1.5 Mio bar-litres.
After some explanations to standardisation projects currently also tackling this pV-limit, some risk-based safety criteria for a limitation are mentioned with the focus of the consequence level and the general avoidance of catastrophic worst case scenarios.
First the acceptance rates resulting from the analysis of different minimum burst ratios and standards are displayed and explained. Especially the problems resulting from a further reduction if the minimum burst ratio are shown.
For a better understanding of these results the process of analysing the acceptance rate is explained in detail. This contains the alleged contradiction between safety of samples due to its scatter while the rejected sample provides a higher mean strength.
Then the importance of batch testing is explained and leads to the recommendation to have a strong interaction between provided mean strength and requested maximum of production scatter.
Based on the preliminary presentations in this task force it is repeated how a basic population scatters and its degradation influences properties statistically. There is a remainder on the issue of accepting borderline populations due to the minimum burst ratio requirement.
Then it is explained in detail how the analysis of minimum requirements by a Monte-Carlo-simulation works. The result with respect to the further reduced minimum burst ratio of 2.0 is summarised and means a two-step approach of two scatter levels requiring two different minimum burst ratios.
The methods for evaluating batch tests are analysed. A proposal for integration a statistical analysis is described in detail.
Finally, the positive effect of proof testing is shown and its dependence from the real ageing is shown.
This ends in the recommendation to have a stronger and quantitative look on real ageing and to follow the 2 proposed sets of criteria for a safe usage of hydrogen storage systems.
Faserverbundwerkstoffe (Komposite) zeigen außergewöhnliche Veränderungen ihrer Eigenschaften in Abhängigkeit von der Betriebsdauer. Daraus leitet sich auch die Notwendigkeit ab, eine Methode zu finden, die in der Lage ist, Festigkeiten und Restfestigkeiten von Komposit-Druckbehältern zu ermitteln. Dies kann mittels Lastwechselprüfung oder in anderen Fällen vorzugsweise mittels der langsamen Berstprüfung erfolgen. Für eine aussagekräftige Beschreibung der Festigkeit bedürfen die Ergebnisse beider Prüfverfahren einer statistischen Auswertung. Aber insbesondere die statistische Auswertung der berstbezogenen Festigkeitseigenschaften unterliegt neben der Frage der Stichprobengröße einer großen Unsicherheit mit enormen Folgen. Dies ist die Frage, welche Verteilungsfunktion der Streuung der Festigkeitseigenschaft konservativ zugrundegelegt werden darf. So ist zu untersuchen, ob die Gaußsche Normalverteilung (NV) die wahre Verteilung richtig beschreibt. Es könnten aber auch andere Funktionen, wie z. B. die Weibull-Verteilung notwendig sein, um eine Überschätzung der Überlebenswahrscheinlichkeit bzw. Zuverlässigkeit in dem interessanten Bereich von einem Ausfall pro 104 bis 108 Druckbehältern zu vermeiden.
Slow burst testing of samples as a method for quantification of composite cylinder degradation
(2014)
The current practise to focus periodic retesting of composite cylinders primarily on the hydraulic pressure test has to be evaluated as critical. The test itself always causes a certain amount of micro damage to the cylinders but does not necessarily deliver sufficient and evaluable information. Thus BAM Federal Institute of Materials Research and Testing (Germany) moves the focal point to a new approach for validation of composite cylinders, based on destructive sample tests parallel to operation. Statistical assessment of results of these destructive tests is employed for the estimation of remaining safe service life, based on reliability demands. The estimated service life is also used for the determination of re-test periods of the examined population of composite cylinders.
An essential aspect of this approach is the validation of current residual strength and its prediction at any point of service life. In cases of gas cylinders with very high cycle strength, residual strength cannot be quantified statistically by means of hydraulic load cycles. As a replacement, creep tests or burst tests may be employed. BAM suggests the 'slow burst test SBT' as a combination of these two test procedures. This is a compromise between the practicability of the (conventional) burst test and the practical relevance of sustained loads during service, to be tested in creep rupture tests. In this paper, a variety of 99 burst results of a cylinder design type used for breathing apparatus (CFRP with PE-liner) is evaluated. The influence of test procedure parameters and nature and intensity of artificial ageing on the test sample strength are analysed statistically. This leads to an evaluation of different procedures of artificial ageing and the recommendation to substitute conventional burst tests by slow burst tests for the assessment of composite pressure receptacles.
There is evidence that composite materials degrade under static loads. Consequently there is no way to design composite gas cylinders for unlimited service life. Yet this fact is not reflected by design standards for composite receptacles approved for the transport of dangerous goods or for stationary application. Unnecessary cost and weight result from this.
Due to the degradation aspects of composites it is necessary to provide appropriate retesting procedures, which allow rejection of used vessels as is common practice for metallic receptacles. The current procedure of hydraulic tests appears to be an expensive procedure with serious doubts regarding its usefulness for composite cylinders.
Consequently, an efficient method is needed, which allows limiting the life time to its safe maximum. It is thus recommended to combine retesting with the assessment of residual life time. Since relevant non-destructive methods are not yet sufficiently matured and standardized enough, a concept featuring destructive tests on composite cylinders parallel to operation should be considered. An alternative concept introduced here, proposes to substitute the hydraulic testing of 100% of a population by a probabilistic evaluation of destructive tests on samples parallel to operation. Intensified pre-fill inspections should be an additional component of such a concept.
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.
The reduced volume method has found a particular zone to be used for evaluating the strength of unidirectional composite materials. To validate the method, modelling an experimental test where it has the same basic assumption of the model had been carried out. The result was favourable as the model can predict the average value from the experiment and also the time dependent effect.
This presentation explains how an PA-based approval concept could work and would substitute the most of deterministic requirements based on a risk based quantification of accepted failure rates.
The concept of a probabilistic approval approach is based on 5 separate types of requirements:
1. Testing and evaluation of properties at Beginning of Life (BoL)
2. Artificial aging with residual strength assessment
3. Testing against dedicated accidental loads
4. Surveillance of production quality
5. Surveillance of degradation/ check of estimated end of life (EoL)
Each of these aspects is visualised by photos and diagrams.
This presentation provides an impression of the boundary condition of the work on composite cylinders on a competent authority. It shows the various kinds of usage, the different tasks and duties around this kind of storage units and the wide spread of technical competence necessary for the substantial research when addressing the legislation. Based on this it shows how we react on changes in the regulations by research and how this influences the regulations, again. As an example, our probabilistic approach is mentioned and drafted for getting mentioned several times during the ongoing set of presentations.
Der Vortrag zeigt die aktuelle Rechtslage bzgl. Bergungsdruckgefäße und die hierzu vom BMVI und der BAM veröffentlichten Dokumente. Darüber hinaus werden die Informationen dargestellt, die der BAM derzeit über Betrieb und Bauweise von Bergebehältern vorliegen. Der Vortrag informiert über mögliche Alternativen, die ggf. angestrebte Weiterverwendung alter Bergebehälter unter dem Vorbehalt der positiven Prüfung zu gestatten. Der Vortrag schließt mit einer Reihe von Fragen an die anwesenden Betreiber, deren Beantwortung der BAM hilt, das weitere Vorgehen zur Erfüllung der behördlichen Aufgabe effizient und kundenoritiert zu gestalten.
15 identical off-the-shelf propane cylinders (m = 11 kg liquid propane) were underfired. The infrared Radiation of the Explosion, that occurred in the aftermath of the vessel failure, was recorded using four bolometers. These measurements are compared with an estimation of the Maximum intensity gained by an Analysis of the Video data, an Extended Version of the Stefan-Boltzmann law and a BLEVE model.
Referring to the inter-departmental project group "Pressure Equipment" and the section "Pressure Equipment-pressure receptacles; Fuel Gas Storage Systems" developed from, it is shown here how research on safety aspects, technical regulations and the activities of the Federal Institute BAM in its role as competent authority interact to the advantage of safety of composite pressure vessels.
Conventional approval requirements exclusively ask for minimum strength values, which have to be met. The probabilistic approach estimates how likely none of the comparatively manufactured units fails during operation.
Both questions are juxtaposed and compared here with respect to the load cycle tests. The influence of the sample sizes is discussed additionally.
Ein Aspekt des Gefahrguttransportes, der an Bedeutung in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Versorgung von Wasserstofftankstellen und anderen H2-Großverbrauchern über die Schiene aber insbesondere über die Straße.
Mit Blick auf die primäre Form der Speicherung wird der Begriff der Sicherheit über den Aspekt der Häufigkeit eines definierten Ereignisses erläutert und auf die Besonderheiten der Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen hingewiesen, wie auch den regulatorischen Hintergrund der Lebensdauerüberprüfung nach 15 Jahren nach den Vorgaben der zuständigen Behörde. In Deutschland sind diese Vorgaben in der BAM-Gefahrgutregel 021 geregelt, die in der GGR 022 durch eine Regelung zur Wiederkehrenden Prüfung dieser Umschließungen ergänzt wird.
Beide BAM-Gefahrgutregeln basieren auf einem probabilistischen Ansatz und einer Konsequenzabschätzung über das Druck-Volumen-Produkt der Druckgefäße. Die neu im Recht verankerte EN 17339 ist die erste Norm, die speziell fest montierte Compositespeicher für den Wasserstofftransport regelt. Sie ermöglicht eine erhebliche Gewichtreduktion und führt eine Obergrenze für das Druckvolumen ein.
Es wird kurz erläutert, dass gerade mit Blick auf Wasserstofftransporte über eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen eine Begrenzung des Konsequenzpotentials in das internationale Recht eingeführt werden soll und welche Kriterien bei der systematischen Ermittlung des akzeptierten Wertes von 1.5 Mio bar Liter Einfluss haben.
Mit Blick auf die Energiewende sieht es die BAM als besonders wichtig an, die Transportkosten zu senken, indem der Prüfaufwand reduziert und gleichzeitig die Erkenntnistiefe aus der betrieblichen Überwachung verbessert wird. Hierzu muss die Datenbasis für die probabilistische Bewertung der Lebensdauer von zerstörenden Prüfungen auf zerstörungsfreie Prüfungen umgestellt werden und idealerweise die 100% Prüfung zumindest in der ersten Hälfte des sicheren Lebens auf Stichproben reduziert werden.
Dies und andere Aufgaben, die wichtig für eine sichere und attraktive Wasserstoffwirtschaft sind werden von dem Kompetenzzentrum H2Safety@BAM bearbeitet, dass in seinen Grundzügen kurz vorgestellt wird.
Durch Einsatz neuer Technologien im Transport von komprimiertem Wasserstoff konnte eine Verdreifachung des Nutzlastverhältnisses erreicht werden. Diese neuen Speicher auf den Transportfahrzeugen müssten aber anders auf ihre Sicherheit überprüft werden, als dies heute gefordert wird.
Mit dem Markthochlauf Wasserstoff vervielfacht sich zudem die Anzahl der Transporteinheiten. Da sich im Zuge der neuen H2-Transportfahrzeuge aber auch die Anzahl der einzelnen Speicher pro Fahrzeug etwa verzwanzigfacht hat, kommen die Kapazitäten für die erforderliche wiederkehrende Prüfung an ihre Grenzen.
Dies könnte evtl. durch eine entsprechende Erhöhung der Prüfkapazitäten gelöst werden. Da dies aber weder praktisch machbar ist noch technisch wirklich sinnvoll, müssen alternative Ansätze z.B. durch digital erfasste zerstörungsfreie Prüfkonzepte gesucht werden. Hierzu bedarf es aber einer Lebenslaufakte, die beginnend von der Definition einer Bauweise über die Baumusterprüfung, Zulassung, Herstellung, erstmalige Prüfung, Verwendung und wiederkehrenden oder begleitenden Prüfungen bis zum Verschrotten alle Daten erfassen und verwalten kann.
Eine solche Lebenslaufakte könnte auch als eine Art digitaler Produktpass (DPP) verstanden werden.
Entwickelt und validiert - Probengeometrie zur Untersuchung von gewickelten Faserverbundproben
(2012)
Durch die beschriebene, auf eine Umfangsbelastung ausgelegte Probengeometrie werden
Fertigung und Einsatz von Druckbehältern nachempfunden. Dafür wurden bereits bestehende
Probenformen überarbeitet, um im Probenkörper eine unidirektionale Zugbelastung zu
erzeugen. Da die endgültigen Eigenschaften von faserverstärktem Kunststoff erst in der
Fertigung entstehen, sind gleiche Fertigungsbedingungen von Proben und Bauteilen wichtig.
Die hier vorgestellte Probe verspricht dadurch eine gute Eignung für den Einsatz bei Untersuchungen
zum Zeitstandsverhalten.
Mit „Knallgas“ in die Zukunft? Sicherheit von Wasserstoff – Von der Herstellung bis zur Nutzung
(2022)
Der Vortrag gibt eine Antwort auf die Frage: „Ist der Umgang mit Wasserstoff so sicher, dass wir unsere Zukunft darauf aufbauen können?“
Dr. Mair stellt das Kompetenzzentraum H2Safety@BAM vor. Er beginnt mit dem spektakulären Wasserstoff-Unfall auf dem Tempelhofer Feld aus dem Jahr 1894, kommt zur Gründung des Kompetenzzentrums im Kontext der Wasserstoffstrategien Deutschlands und der EU und erläutert deren sicherheitsfokussierte Ausrichtung, um Vertrauen in Wasserstofftechnologien zu schaffen und zu bewahren.
Danach werden die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu Methan (Erdgas) vorgestellt. Dies leitet über zur Betrachtung des Hindenburg-Unfall sin Lakehurst 1937.
Im nächsten Abschnitt werden der weltweite Bedarf an H2, sein Importbedarf aus deutscher Sicht, das weltweite Erzeugungspotential und der Transportaufwand der üblichen H2-Derivate dargelegt.
Die zentrale Frage ist die nach der Sicherheit von Wasserstoff als Ergebnis der bisher ergriffenen Maßnahmen. Es werden wenige der immer wieder geschehenden Unfälle im Transport von Energieträgern vorgestellt, was zur Erkenntnis führt, dass, um die Sicherheit objektiv beurteilen zu können, der Risikobegriff herangezogen werden muss.
Das Risiko basiert auf der Konsequenz und der Häufigkeit eines Ereignisses. Mit Blick auf den bereits erkennbaren Markhochlauf wird dargelegt, wie eine Risikosteuerung in Abhängigkeit der Produkte im Transport funktionieren kann. Hierzu muss beachtet werden, dass jede Eigenschaft streut. Damit sind auch die Zuverlässigkeit jedes einzelnen Speichers, des gesamten Bestandes an Gasspeichern, im Neuzustand und erst recht mit zunehmendem Alter einer Streuung unterworfen, die aktuell nur über Stichproben abgeschätzt werden kann.
Es wird an Beispielen aufgezeigt, welche Prüftechniken und Beurteilungsmethoden die BAM zur Sicherheitsbeurteilung von Transportspeichern und sogar Tankstellen einsetzt und weiterentwickelt.
Dies führt zu einem Petitum für probabilistische Betrachtungsweisen von Produktsicherheit mit Blick auf die Qualität der Rechtsvorschriften, der Produktdesigns und der Herstellung von Produkten für die Wasserstoffanwendung.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Die BAM wird kurz mit ihren Eckdaten als Ganzes vorgestellt und dann der Einstieg in die besonderen Möglichkeiten der Versuchsplattform "Wasserstofftankstelle" erläutert. Nach kurzen Vorstellung der Struktur der Tankstelle wird erläutert, wie drei Methoden der ZfP für das Structural Health Monitoring in Verbindung mit KI zur Anwendung kommen 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.
Safety Assessment by Probabilistic: Strength Degradation of Composite Pressure Receptacles (CPR)
(2012)
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
The publication is an extended abstract on the modelling of the manufacturing process related residual stresses in type 4 pressure vessels for hydrogen storage. A 2D analytical model based on the classical laminate theory and a 3D finite element model are introduced. The calculated residual stress state after the filament winding process as well as the stress state in service are presented and discussed.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. Forensuring safety, they must undergo a challenging approval process. Relevant standardsand regulations for composite cylinders used for the transport of hydrogen and for its on-board storage are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or semi-probabilistic(UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the properties of such methods withrespect to the evaluation of load cycle strength. Their characteristics are compared withthe probabilistic approach of the BAM. Based on Monte-Carlo simulations, the availabledesign range (mean value and scatter of strength criteria) of current concepts was exem-plarily estimated. The aspect of small sample sizes is analysed and discussed with respectto the evaluation procedures.
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.
Neue Ansätze für die sichere Auslegung von Treibgasspeichern - Probabilistik und Risikoansatz
(2004)
Die Beurteilung neuer Techniken bezüglich der Gefährdung
von Dritten wird immer weniger mit Hilfe traditioneller, auf
Erfahrung und Iteration basierenden Betrachtungsweisen
hinreichend möglich. Deshalb werden zunehmend probabilistische
Analysen und Risikobetrachtungen erforderlich. Diese
Verfahren bieten zudem die Möglichkeiten, ein System
z. B. gegenüber Eigengewicht oder Wartungsaufwand bei
gleicher oder auch besserer Sicherheit zu optimieren.
Vor diesem Hintergrund werden zunächst die Begriffe Risiko
und Chance bzw. Gefahr und Sicherheit erläutert.
Am Beispiel von Treibgasspeichern wie sie auch für die
Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen eingesetzt werden
wird gezeigt, dass die bisherige, deterministische
Betrachtungsweise von Druckbehältern und deren statische
Sicherheit (z. B. gegen Bersten) kein hinreichendes Maß der
Sicherheit als Gegenteil von Gefahr darstellt oder sogar
irreführend für die richtige Einschätzung ist.
Gas cylinders made from composite materials receive growing popularity in applications where light weight is of advantage. At the same time manufacturers are interested in cutting cost and weight through material reduction for better acceptance of a product, e.g. H2-vehicles. This requires a better understanding of safety relevant properties.
The safety determination of current standards is mainly based on the minimum burst pressure of a few specimens. Various research projects were conducted aiming at reducing minimum burst pressure requirements without compromising safety. No satisfying results were found. While looking at reliability aspects it could be concluded, that the minimum burst pressure of unused specimens is not a satisfying criterion for safety during service life.
This paper introduces first ideas for a method to determine one aspect of reliability of composite gas cylinders, employing probabilistic analysis of burst pressures of a sample of specimens. This can create potential for saving material cost while granting a higher safety level than the current method. Additionally, degradation over service time can be assessed.
Emergency response units increasingly use pressure cylinders made from fibre composites for breathing air as elements of personal protective equipment (PPE). Such applications expose the composite cylinders to harsh temperature and handling conditions. At least in Europe, standards have been used for certifying PPE, which are designed and mandatory for the approval of pressure receptacles for the transport of dangerous goods. Therefore, service conditions specific to PPEs are not accounted for in these standards. In this paper, BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) investigates the residual safety of a composite cylinder design at the end of their designated service life of 15 years. The cylinders (test pressure PH 450 bars; 6.8 Litres) are of one design type with aluminium liner and fully wrapped with carbon fibres, which is commonly considered a “Type III” cylinder. All cylinders were used as PPE by the Berlin fire department and randomly picked in three samples of 25 cylinders each before tested.
At BAM, the cylinder samples underwent hydraulic load cycle tests (LCT), conventional burst tests (BT) and so called slow burst tests (SBT). A concept for quantification of strength degradation already introduced by BAM was applied. This concept is based on a probabilistic assessment of the average strength and scatter of each sample of cylinders. The strength distributions of the used PPEcylinders is shown and analysed. Some unexpected effects are shown and a refinement of the statistical assessment is introduced.
Composite materials show a degradation of properties depending on Service life. This creates the necessity to find tailored methods to determine strength and residual strength of composite cylinders. The determination can be done e.g. by load cycles tests. The result needs a Statistical assessment for the precise description of strength. Especially the Statistical assessment of load cycle strength properties has a high uncertainty. It is unclear if a Log-Normal distribution, a WEIBULL distribution or others, describe the scatter behaviour of residual strength properties correctly. Distribution functions aim at approximating the frequency of occurrence of residual load cycle strength for high survival rates. An assumption has to be found and confirmed to prevent overestimation of reliability.
The presentation starts with some key figures about BAM. Then it introduces BAM's competence centre H2Safety@BAM and shows aspects of special competence of the centre. It closes with information about the engagement of BAM in European research projects on hydrogen and a reference to our bilingual paper about our hydrogen strategy.
Die BAM wurde vom Industriegaseverband (IGV) zur Beantwortung der Frage, ob eine positive Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Bauarten im Sinne der europäischen Richtlinie über ortsbewegliche Druckgeräte (RL 1999/36/EG) möglich ist, mit der Erstellung eines Gutachtens beauftragt. Es soll insbesondere die systematische Entwicklung der Zulassungsanforderungen für diese Art von Druckgefäßen in Deutschland berücksichtigen.
Explizit sind im Rahmen des Auftrages zu betrachten: Bauarten von nahtlosen Gasflaschen aus Stahl mit einer Zugfestigkeit (Rm) von weniger als 1.100 MPa für Industriegase, deren Zulassung ohne jedwede Art von Auflagen oder Einschränkungen auf der Basis der Druckgasverordnung (vom 20. Juni 1968) und nachfolgend der Druckbehälterverordnung erteilt wurde.
Aufgrund der systematischen Betrachtung können Bauarten, deren Zulassungen unter irgendeiner Art von Betriebsauflagen oder sonstigen Einschränkung erteilt worden sind, nicht mit diesem Gutachten erfasst werden.
Dies Gutachten analysiert die Unterschiede in den Beschaffenheitsanforderungen nach Druckgas- bzw. Druckbehälterverordnung gegenüber dem geltenden RID/ADR 2007. Es soll den benannten Stellen nach Richtlinie 1999/36/EG (TPED) eine Vereinfachung ihrer Bewertungsarbeit zur Neubewertung von in Deutschland zugelassenen Gasflaschen ermöglichen.
Für die Anwendung dieses Gutachtens wird auf die sog. „Flaschen-Negativliste“ der EIGA
(Doc. 86/02 „Gas cylinders with restricted use in the EU“) und ggf. auf weitere zukünftig verfügbare Erkenntnisquellen verwiesen. Die dort beschriebenen Flaschen, u. a. aus Deutschland, werden unabhängig von der formalen Konformität mit der Richtlinie 1999/36/EG von den Mitgliedern der EIGA bzw. des IGV nicht den benannten Stellen zur wiederkehrenden Prüfung und damit auch nicht zur Neubewertung vorgestellt.
Dieses Gutachten ersetzt das Gutachten zur Neubewertung von vorhandenen und in Deutschland ohne Auflagen oder Einschränkungen zugelassenen Bauarten von nahtlosen Stahlflaschen, Gutachten der BAM vom 21. August 2001; Gutachter: Mair, G. W. und Müller, H.-J. und die gleichnamige Überarbeitung (Rev. 1) vom 20. Juli 2007.
The current practice of periodic retesting of composite pressure receptacles primarily based on the hydraulic pressure test has to be evaluated as critical.
This is justified by micro damages caused to the specimen by the test
itself and by a lack of informative values. Thus, BAM Federal Institute of Materials Research and Testing uses a new validation approach in the case of retest periods of more than 5 years. It enables the description of the condition of a specific design type series based on destructive tests parallel to operation. With respect to this approach it is explained how the statistical evaluation of sample tests and their extrapolation to end of life or at least to the time of next retesting can be achieved. In addition, it is explained how the reliability limits may be linked to the size and pressure level of the respective composite pressure receptacle. The frame of this safety Approach includes the influence of the maximum working pressure on the safety assessment.
One topic of this approach is the introduction of the working diagram
essential for safety assessments that allows graphical evaluation of load cycle strength by mean value, scatter and survival rate of samples as well as instruction how to use it. For this, it is explained how the number of filling cycles and the reduction of the respective hydraulic residual cycle strength interacts with the newly introduced value of specific filling sensitivity.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. For ensuring safety, storage cylinders must undergo a challenging approval process. Relevant standards and regulations for composite cylinders used for the transport of hydrogen and for its onboard storage are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or to some respect semi-probabilistic criteria (UN GTR No. 13; with respect to burst strength).
This paper provides a systematic analysis of the load cycle properties resulting from these regulations and standards. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the Federal Institute for Materials Research and Testing BAM. The most important aspect of comparing different concepts is the rate for accepting designs with potentially unsafe or critical safety properties. This acceptance rate is analysed by operating Monte-Carlo simulations over the available range of production properties.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
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.
Der Vortrag stellt das Kompetenzzentrum H2Safety der BAM vor und zeigt Aspekte besonderer Kompetenz des Zentrums mit Blick auf das Kompetenzfeld TestCert.
Beginnend mit dem H2-Unfall auf dem Tempelhofer Feld in 1894 wird dargestellt welche Bedeutung Sicherheitsfragen zu Wasserstoff für das Kompetenzzentrum H2Safety haben. Danach wird die Struktur und die Arbeitsschwerpunkte erläutert und die verantwortlichen Personen kurz vorgestellt. Das Kompetenzfeld TestCert wird vertieft erläutert und hier insbesondere auf Sicherheitsaspekte des Markthochlaufes hingewiesen. Darauf aufbauend werden die statistischen Aspekte eines Markthochlaufes wie auch die der Streuung einer Population und deren Alterung dargelegt. Zuletzt kommt der Hinweis auf das Potential der Bewertung von Baumusterprüfkriterien mithilfe der Monte-Carlo-Simulation.
Due to high specific stiffness, fibre reinforced plastics are the dominant material group for the design of mobile pressure vessels. At the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM) aging process of composite pressure vessels is studied to be able to give more accurate lifetime predictions in future. Investigations are based on type III breathing air cylinders consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. Goal is to detect changes of residual stresses over life time which directly affect fatigue strength. Within this paper an approach is presented to monitor residual stresses via an experimental modal analysis (EMA). First, the influence of changed stress conditions on modal parameters is analysed via a numerical study. Secondly, a test bench for an EMA is set up. To be able to analyse cylinders of different prestress condition, several specimens are prestress modified via high-temperature and high-pressure treatment. During modification processes, specimens are monitored via optical fibres to control prestress modifications. Through experimental measurements of the modified specimens via EMA changes in prestressing can be detected. Finally, validity and accuracy of the EMA is evaluated critically by comparing all numerically and experimentally obtained data.
Applications by fire brigades expose the composite cylinders to harsh temperature and handling conditions. Standards have been used for certifying composite cylinders, which are designed for transport of dangerous goods and do not reflect service conditions specific to fire brigades. In this paper, the residual safety of a design type (fully wrapped with aluminum and carbon fiber composite) at the end of their service life of 15 yrs is analyzed. One sample underwent hydraulic load cycle (LC) tests, another conventional burst tests, and the third slow burst tests (SBTs). The statistical evaluation and the handling of an unexpected high amount of early failures are shown.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. For ensuring safety they have to undergo a challenging approval process. Relevant standards and regulations for composite cylinders used for the transport of for on-board storage of hydrogen are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or semi-probabilistic (UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the properties of such methods in regards to the evaluation of load cycle strength. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the BAM. Based on Monte-Carlo simulations, the available design range (mean value and scatter of strength criteria) of current concepts were exemplarily estimated. The aspect of small sample sizes is analysed and discussed with respect to the evaluation procedures.
Mit der Initiative QI-Digital werden völlig neue Perspektiven für das Sicherheitsmanagement und die Qualitätssicherung technischer Anlagen erschaffen. Unsere Forschung im Kontext einer Wasserstofftankstelle zeigt, wie digitale Innovationen und Verfahren die Herausforderungen effizienter und verlässlicher Qualitätssicherung für komplexe Anlagen bewältigen können.
In diesem Vortrag werden Potentiale und Beispiele der digitalen QI für technische Anlagen demonstriert und diskutiert: Moderne Anlagenüberwachung mit digitalen Zwillingen und KI sowie Kalibriermanagement mithilfe digitaler Kalibrierscheine und elektronischem Siegel.
The developed model has certain limitations of the element size to be used in the simulation to characterise the strength of composite materials. A reduced volume method is proposed in order to reduce the number of degree of freedom of the finite element simulation.This study has revealed certain configuration to be followed to speed up the computation time.