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Im Rahmen von nationalen und europäischen Forschungsvorhaben wurde die Schallemissionsprüfung (SEP) in den letzten Jahren an der BAM zur Prüfung und Zustandsbeurteilung von Composite-Druckbehältern eingesetzt und weiterentwi-ckelt.
Das aktiv arbeitende SEP-Verfahren detektiert bereits frühe, erste Schädigungen mit geringer SE-Intensität, z.B. durch Zwischenfaserbruchversagen. Später einset-zende Faserbrüche oder Delaminationsvorgänge erzeugen sehr starke Schallemissi-onen.
Im Vortrag werden anhand von Beispielen die unterschiedlichen Zielstellungen der SEP bei der Behälterprüfung dargestellt:
- Design-Optimierung von Behälterstrukturen durch Analyse der Schädigungs- entwicklung bei Berstversuchen
- Qualitätskontrolle von Composite-Druckbehältern beim Autofrettageprozess (Fertigung) oder bei der Erstdruckprüfung (Abnahmeprüfung)
- Nachweis von Beschädigungen im Betrieb (Ermüdungsrisse, Impacts, Delami- nationen, Kerben etc.) durch eine Wiederkehrende Druckprüfung
- Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring) zum Online-Nachweis von kritischen Ermüdungszuständen oder aktuellen Beschädigungen.
Das Zukunftspotenzial des Schallemissionsverfahrens besteht vor allem in seinem Einsatz bei der Prüfung und Zustandsüberwachung von Composite-Hochdruck-behältern für die 700 bar-Wasserstofftechnologie aber auch für Faserverbundbau-teile in anderen sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie Windkraftanlagen, Luft- und Raumfahrt.
Existing regulations and standards for the approval of composite cylinders in hydrogen service are currently based on deterministic criteria (ISO 11119-3, UN GTR No. 13). 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 BAM. Based on Monte-Carlo simulations the available design range of all concepts is compared. In addition, the probability of acceptance for potentially unsafe design types is determined.
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.
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.
The application range of CPV (composite pressure vessels)
is multifaceted. But also the failure forms and the spectrum of measurement methods is manifold. On various, at BAM observed effects, it is shown why the micromechanical analysis of the composites is of such great interest for the prediction of aging effects of CPVs.
This presentation provides general data about BAM, the structure of department 3 and a short impression of the application of pressure vessels for hydrogen in stationary use, supply chain and onboard storage.
It guides to the actions of BAM as competent authority on this area and shows a lot different methods for testing operated at BAM. Based on this additional research has been detected as necessary for a competent tackling of the tasks as competent authority. After having mentioned several important research projects a figure is presented that compares the development of regulations with relevant re-actions of BAM. The outcome was a concept of a risk based definition of accepted failure rates in combination with probability-oriented safety assessment over entire service life.
The second aspect raised at INERIS is the issue of advising the BMVI concerning pressure vessels for hydrogen. Since the pressure is high for saving material consumption and weight there is still high interest in changing regulatory requirements. Therefor we developed an approach for the display of minimum requirements of regulations in diagrams (sample performance charts; SPC) and the probabilistic analysis for these deterministic requirements. This is done by Monte-Carlo simulation and the analysis of acceptance rate and survival rate of basic populations all over the SPC.
This finally provide same knowledge of non-approvable but safe ranges of parameters and even approvable but non-safe constellations. In addition, this analysis allows to optimise deterministic requirements in regulations to the intended level of safety for approved populations of pressure vessels, which is shown on the example of the GTR#13.
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.
The presentation explains the intended way of BAM in tackling the safety issues in the project TAHYA.
The way how the term “safety” is used in TAHYA leads to the need for a more risk-based understanding of safety. Based on this, the Monte Carlo simulation is used to show where the weak points of current regulations are. Thus, a concept for optimization of relevant regulations, codes and standards will be elaborated during the project. For this purpose, it is helpful to improve the currently operated tool for Monte Carlo simulation, which will need additional data for monitoring the outcome. Strength data, that will be determined by BAM and the other partners during the already agreed test program can be used for this purpose without additional effort.
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 hat 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 Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.