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- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (3)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
- 2.2 Prozesssimulation (2)
- 7 Bauwerkssicherheit (2)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (2)
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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.
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
Im Rahmen des Projekts „Complex Fires – Auswirkung von Behälterversagen“ (CoFi-ABV) sollen die Auswirkungen des Versagens von Gasbehältern für alternative Treibstoffe in Fahrzeugen unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien untersucht werden. Es wird der aktuelle Hintergrund des Forschungsvorhabens erläutert sowie die geplanten Untersuchungen und beabsichtigten Ergebnisse vorgestellt. Hauptbestandteil des Projekts ist eine Vielzahl von zerstörenden Großversuchen. Im Vorfeld dieser Großversuche werden zur Weiterentwicklung und Adaptierung von Messtechnik Versuche im kleineren Maßstab durchgeführt. Im Folgenden werden Teile dieser Ver-suchsaufbauten im „mid-scale“ sowie die dabei verwendete Messtechnik dargestellt. Weiterhin werden erste Ergebnisse aus Wärmeeintragsversuchen zur Quantifizierung verschiedener Unterfeuerungsmethoden für die zerstörenden Großversuche vorgestellt.
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.