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- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (3)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (3)
- 2.2 Prozesssimulation (2)
- 7 Bauwerkssicherheit (2)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (2)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (2)
Eingeladener Vortrag
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Die Entwicklung alternativer Antriebe im Automobilbereich und die damit verbundene Speicherung von Antriebsmedien stellen Konstrukteure vor die Aufgabe, u. a. Gasspeicher zu entwickeln, die trotz geringer Eigenmasse sehr hohe Lasten aufnehmen können. Diese Entwicklung zeigt sich zunehmend auch bei der Speicherung industrieller Gase und anderen Anwendungen, bei denen Energieträger zur Verfügung gestellt werden müssen. Aufgrund der Anforderungen bezüglich des Leichtbaus ist demnach zu erwarten, dass der Marktanteil von Druckbehältern aus Composite (Typ III und Typ IV) deutlich zunehmen wird. Diese Composite-Druckbehälter bestehen aus einem Metall- oder Kunststoffliner (gasdichte Blase), der mit künstlichen Fasern, eingebettet in einer Matrix (meist Epoxidharz), umwickelt ist. Als künstliche Endlosfasern kommen z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften zur Anwendung. Die Weiterentwicklung von Druckbehältern und die damit verbundene Verwendung neuer Materialien stellt neben vielen Vorteilen auch eine Herausforderung bei der Prüfung aus Sicht des Arbeitsschutzes dar.
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.
Verkehrsunfälle unter Beteiligung von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen wie LPG („Autogas“, Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas) oder CGH2 (Compressed Gas Hydrogen, komprimierter Wasserstoff), bergen neue, komplexe Risiken für Passagiere, Einsatzkräfte und deren Umfeld. Im Rahmen des Projektes „CoFi-ABV“ beschäftigt sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien mit einer ganzheitlichen Betrachtung der Auswirkungen des unfallbedingten Versagens von Gasbehältern für alternative Kraftstoffe. Ein wichtiger Teil des Forschungsvorhabens umfasst Entwicklung, Aufbau und Validierung einer unbemannten Flugplattform (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) zur Ferndetektion von Gaswolken. Für das sogenannte gassensitive Mini-UAV wird ein robuster Open-Path-Gasdetektor auf einer Sensorbewegungsplattform in Form eines modifizierten Kamera-Gimbals, integriert. Ziel ist es, ein leistungsfähiges und robustes Werkzeug zu entwickeln, welches Einsatzkräften im Falle eines Unfalls als Hilfe zur Abschätzung der Gefahr durch Gaswolken, ihrer Ausbreitung und der notwendigen Absperrbereiche zur Verfügung steht. Dieser Artikel ist der zweite der Reihe und legt, nach Projektvorstellung im ersten Teil, nun den Schwerpunkt auf das gassensitive Mini-UAV.
In Deutschland gibt es eine große Anzahl von Kraftfahrzeugen, die mit alternativen Antrieben (z. B. LPG (Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas)) ausgerüstet sind. In zahlreichen Großversuchsserien untersucht die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen des internen Forschungsprojekts CoFi-ABV (Complex Fires – Auswirkungen von Behälterversagen) die Auswirkungen beim Versagen der Treibstoffbehälter dieser alternativen Antriebe. Ziel dieser Untersuchungen ist eine ganzheitliche Auswirkungsbetrachtung, um die Risiken für Feuerwehren und Rettungskräfte besser abschätzen zu können. Im Vorfeld zu den Versuchen für LPG- und CNG-Tanks wurden in einer weiteren Versuchsserie 15handelsübliche 11-kg-Propangasflaschen ohne Sicherheitseinrichtung unterfeuert. Alle 15 Behälter haben – wie zu erwarten war – versagt. Neben den Zustandsdaten des Behälters zum Versagenszeitpunkt (Temperatur des Behältermantels, Innendruck und -temperatur) wurden die Auswirkungen auf die Umgebung hinsichtlich Druckwirkung und Fragmentierung (Anzahl, Masse, Distanz, Richtung) dokumentiert.
Flüssige und komprimierte Gase sind in Deutschland, Europa und der Welt vielfältig als alternative Kraftstoffe im Einsatz. Diese werden unter teilweise hohem Druck in robusten Behältern an Bord gespeichert. Ein Versagen des Treibstoffbehälters im Schadensfall sollen verschiedene Sicherheitseinrichtungen, auch bei einem eventuell unfallbedingt auftretenden Fahrzeugbrand, verhindern. Sind diese Sicherheitseinrichtungen unfallbedingt beschädigt oder liegen die Belastungen dieser Einrichtung außerhalb ihres Auslegungsbereichs, ist ein Versagen des Behälters dennoch möglich. Dadurch kann es zur Bildung eines explosionsfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs mit den entsprechenden Folgen für Fahrgäste, Einsatzkräfte und Umfeld kommen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht im Forschungsprojekt "CoFi-ABV" mit umfangreichen zerstörenden Versuchsreihen im Realmaßstab die Folgen des unfallbedingten Versagens von Behältern für alternative Kraftstoffe und Maßnahmen zur Reduktion dieser Folgen im Rahmen einer ganzheitlichen Auswirkungsbetrachtung. Dieser Beitrag ist der Start einer Reihe und soll die Problemstellung sowie die Projektinhalte umfassend erläutern.
Der Vortrag dient zur Erläuterung der Hintergründe der der Prüffeld gezeichten Prüfung und Ausstellungsstücke. Es wird zunächst erläutert, warum es Berstprüfungen gibt, und für welche Druckgefgäße diese verpflichtend sind. Dann wird auf die Prüfparameter eingegangen und die besondere Rolle der zu hoch angesetzten Druckrate. Dies leitet zur Prüftechnik der BAM über, der reale Druckkurven miteinander verglichen werden. Es wird die Prüf- und Messtechnik der anstehenden Prüfung erläutert und der Versuch gezeigt (nicht Teil der Folien). Im Nachgang wird erläutert wo die Grenzen der Interpretation dieser Prüfung liegen, und auf die langsame Berstprüfung und das dafür und für die Lastwechselprüfung bei der BAM vorhandene Equipment übergeleitet.
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 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.