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The current practise of focusing the periodic retesting of composite cylinders primarily on the hydraulic pressure test has to be evaluated as critical - with regard to the damage of the specimen as well as in Terms of their significance. 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 (Germany) uses a new approach of validation of composite for the determination of re-test periods. It enables the description of the state of a population of composite cylinders based on destructive tests parallel to operation.
An essential aspect of this approach is the prediction of residual safe service life. In cases where it cannot be estimated by means of hydraulic load cycle tests, as a replacement the creep or burst test remains. As a combination of these two test procedures BAM suggests the 'slow burst test SBT'. On this a variety of about 150 burst test results on three design types of cylinders with plastic liners are presented. For this purpose both, the parameters of the test protocol as well as the nature and intensity of the pre-damage artificially aged test samples are analysed statistically. This leads first to an evaluation of the different types of artificial ageing but also to the clear recommendation that conventional burst tests be substituted
totally if indented for assessment of composite pressure receptacles.
Composite-Druckgefäße kommen auch in Atemschutzgeräten als persönliche Schutzausrüstung (PSA) zunehmend zum Einsatz und sind dabei außergewöhnlich rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Da diese durch die angewendeten Normen nominell nicht umfassend abgedeckt sind, wurden die End-of-Life-Restfestigkeiten untersucht. Die untersuchten drei Stichproben bestehen aus je 25 im Feuerwehrbetrieb über 15 Jahre gealterten Composite-Atemluftflaschen eines Baumusters. Mit diesen Restfestigkeitsuntersuchungen wird am Beispiel den Fragen nachgegangen, ob dieses Baumuster statistisch eine ausreichende Sicherheit am Lebensende aufweist und welche Verteilungsfunktionen die Ergebnisse am besten beschreiben. Methodisch kommen für die Prüfung eine konventionelle Berstprüfung, das Konzept der BAM für eine langsamen Berstprüfung und die hydraulische Lastwechselprüfung zur Anwendung. Das Ergebnis zeigt für das Baumuster hinreichende Sicherheit; aber auch die besondere Bedeutung der sog. Frühausfälle für die Statistik und den Bedarf an einer entsprechend auf die Frühausfälle ausgerichteten, zerstörungsfreien Prüfmethode.
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.
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.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden im Feuerwehrbetrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch sichere Bereich dieser Behälter ist jedoch heutzutage noch nicht einschätzbar. 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 werden genutzt, um einzuschätzen, ob es sicherheitstechnisch notwendig ist, besondere thermische Betriebsbedingungen in normativen Prüfkriterien zu berücksichtigen.
In einem ersten Schritt wurden Typ-III-Atemluftflaschen der Berliner Feuerwehr Umgebungsbedingungen des typischen Belastungsprofils der Brandbekämpfung (130 °C bis 250 °C, 10 Minuten) ausgesetzt, um die Erwärmung des Behältermaterials zu erfassen. Da die Größe der bestrahlten Oberfläche in einem Brandeinsatz nicht bekannt ist, erfolgte zusätzlich eine Variation der Strahlungsexposition. Strömungsprozesse, die in einem Brandeinsatz den Behälter von innen kühlen, wurden in diesem ersten Untersuchungsabschnitt noch nicht betrachtet.
Es konnte gezeigt werden, dass der Aluminium-Liner einer Typ-III-Atemluftflasche einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturverteilung im Behältermaterial ausübt. Die hohe Leitfähigkeit des Aluminiums führt bei Verringerung der bestrahlten Behälteroberfläche zu hohen Temperaturgradienten innerhalb der Behälterwand. Die Materialtemperaturen in der Atemluftflasche konnten für das Belastungsprofil der Brandbekämpfung auf ein typisches Temperaturintervall eingegrenzt werden. Die Grenzen liefern Aussagen zur exponierten Behälteroberfläche und liegen zwischen einseitiger und Vollbestrahlung.
The arrangement of the measuring sensors allowed the
capture of air flow induced temperatures and material
temperatures on various points of the cylinder body. Four
significant temperature levels could be observed: Inside the cylinder (far from the wall, close to the wall), inside the aluminium liner and outer surface. Figure 5 shows the temperature distribution after a regular filling process with a filling time of ten minutes. The temperature sensors T1 - T9 are marked with different colors. The corresponding measurement points are shown in Figure 4. Due to the high thermal conductivity of the aluminum liner the induced temperature peaks are quickly derived. A flow-induced exceeding of the maximum approval temperature is not expected. Regarding the safety assessement the results show that the pressure and temperature profilesmustbe taken into account.