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Current standards governing the design, qualification and in-service inspection of carbon fibre composite cylinders do not facilitate to optimise cylinder design. The requirements have been adapted from standards for metallic cylinders and cannot easily quantify the degradation processes in composite materials. In this article, the results of hydraulic and hydrogen pressure cycle life tests performed on composite reinforced tanks with a metal liner (type 3) and with a high density polymer liner (type 4) are shown. Moreover, the degradation measured by means of residual strength of the tanks after the cycling tests have been compared. It has been found that the most critical aging for metal based composite cylinder is the gaseous cycling while type 4 designs seem to be more sensitive to hydraulic cycling at high temperature.
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.
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.
Im Rahmen einer Bachelorarbeit zum Thema „Untersuchungen an Bremsleitungsabschnittsreparaturen“ zwischen der HTW Berlin und der TÜV Rheinland Kraftfahrt GmbH wurden in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berstdruckprüfungen durchgeführt. Im Rahmen der Kooperation sollte untersucht werden, inwiefern Reparaturmaßnahmen an beschädigten Bremsleitungsabschnitten sicherheitstechnisch unbedenklich sind, auch in Bezug auf die Verwendung unterschiedlicher auf dem Markt erhältlicher Bremsleitungsmaterialien.
Fibre-reinforced plastics (FRP) especially carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) and glass-fibre-reinforced polymer (GFRP) are commonly used materials in high pressure vessels and storage units for automotive and aerospace purposes. Optical fibres are suitable to be integrated or directly applied to the surface of FRP components. Using optical fibres it is possible to monitor the distributed strain profiles and changes within the fatigue life of a pressure vessel to ensure the operational safety. Within artificial ageing experiments we used swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of commercial high-pressure composite cylinder. This artificial ageing was performed using test conditions of 503bar pressure load (service pressure 300 bar) and 89 °C for 100 h. The polyimide coated optical fibres were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. Using distributed strain sensing (DSS) material expansion of over 0.5% were monitored with sub-centimetre spatial resolution. Within the circumferential direction we observed up to 10 % local fluctuation compared to the median strain caused by inhomogeneous material expansion, which could cause local material fatigue. In addition, we determined material degradation manifested itself as localized remaining material expansion and/or contraction. Results have been validated by other non-destructive methods like digital strip projection.
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.