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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.
Commercial, off-the shelf propane cylinders are subjected to high safety regulations. Furthermore, those cylinders are equipped with safety devices like pressure relief valves (PRV). Despite these regulations and safety measures, a failure of the Container is possible if exposed to an intense fire. The result of this is severe hazard for users, rescue forces and infrastructure. Within the framework of a destructive test series, 15 identical propane cylinders, without pressure relief devices, were exposed to an intensive fire in horizontal Position until failure. Each cylinder was filled with a mass of m =11 kg of liquid propane. Three different fire sources were used (wood, petrol, propane). The experiments revealed the failure of all cylinders in a time period t < 155 s. The failure lead to a fragmentation into several major parts with throwing distances of up to l =262 m. In all trials, the temperature of the cylinder wall (top, side, bottom), of the liquid phase inside and of the surrounding fire (top, side, bottom) was recorded. In addition, the inner cylinder pressure and the induced overpressure of the blast wave after the failure were recorded. Overpressures of up to p=0.27 bar were recorded close to the cylinder (l =5 m). AM tests were documented hy video from several positions (general view, close-up, high-speed 5000 fps). This test series creates the basis for further experimental studies in the field of alternative fuels for vehicles. The aim of this test series is to assess and analyse the consequences of the failure of gas vessels (for LPG, CNG, CGH2) in the aftermath of severe incidents.
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.
In einer Großversuchsserie wurden auf dem BAM-TTS 15 11-kg-Propangasflaschen ohne Sicherheitseinrichtung mit drei verschiedenen Methoden (Holz, Benzinpool, Gas) unterfeuert. Der Beitrag beschreibt die dokumentierten Auswirkungen (z. B. Fragmentierung, Überdruck), die Art des Versagens sowie den Behälterzustand zum Zeitpunkt des Versagens.
In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
Compressed natural gas (CNG) is a widely used automotive fuel in a variety of countries. In case of a vehicle fire where the safety device also malfunctions, a failure of the CNG automotive cylinder could occur. Such a cylinder failure is associated with severe hazards for the surrounding environment. Firstly, a comprehensive analysis is given below, summarizing various accidents involving CNG automotive cylinders and their consequences. In an extensive experimental program, 21 CNG automotive cylinders with no safety device were tested. Of the 21, burst tests were carried out on 5 Type III and 5 Type IV cylinders. Furthermore, fire tests with 8 Type III and 3 Type IV cylinders were conducted. Apart from cylinder pressure, inner temperature and cylinder mantle temperature, the periphery consequences, such as nearfield blast pressure and fragmentation are documented. The maximum measured overpressure due to a Type III cylinder failure was p = 0.41 bar. Each traceable fragment was georeferenced. All-in-all, fragment throw distances of d > 300 m could be observed. As one key result, it can be stated that the tested Type IV CNG cylinders showed less critical failure behavior then the Type III cylinders under fire impingement.
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.
Die Anwendung der hydraulischen Prüfverfahren in der Praxis Teil 1: Die hydraulische Berstprüfung
(2017)
Um die Resultate aus den hydraulischen Prüfungen statistisch bewerten zu können, benötigt man Prüfergebnisse, die auf reproduzierbaren Prüfverfahren basieren. Dabei geht es nicht nur um ein funktionierendes Qualitätsmanagementsystem im Prüflabors, sondern vornehmlich um die Reduzierung des Einflusses der Prüftechnik und des Prüfverfahrens auf die Streuung der Ergebnisse. Dieser Einfluss kann erst durch ins Detail konkretisierte Prüfungsanforderungen minimiert werden.
Dieser Anforderung entsprechend wurde ein Verfahren beschrieben, das den Spielraum bei der Durchführung der hydraulischen Berstprüfung verringert und somit eine Streuung der Ergebnisse garantiert, die annähernd ausschließlich aus den Prüfmustern kommt. Die Prüfmusterdokumentation spielt dabei eine zentrale Rolle. Zwischen den hydraulischen Prüfungen im Zuge der Zulassung eines Baumusters und den hydraulischen Prüfungen zur Prüffristenfestlegung liegt eine Zeitspanne von mehreren Jahren. Um die Prüfergebnisse auch nach einer längeren Preisfestlegung (z.B. 10 Jahre) miteinander vergleichen zu können, müssen die zerstörenden Prüfungen reproduzierbar durchgeführt und vollständig dokumentiert und archiviert werden.
Die Prüfung an neuen Materialien oder neuen Produkten erfordert eine moderne Prüftechnik, die sich mit dem Stand der Technik stetig weiterentwickeln muss. Demzufolge ist die zunehmende Automatisierung in der Prüftechnik ein wichtiger Schritt um Prüfungen reproduzierbarer durchzuführen.
Wie ein konkretisierte Verfahren zur hydraulischen Lastwechselprüfung in der Praxis aussieht, wird in einem nächsten Beitrag betrachtet. Dabei wird ebenfalls Bezug zur verwendeten Prüftechnik genommen unter dem Hauptgesichtspunkt, welche Anforderungen in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM an eine moderne Lastwechselanlage zur Prüfung von Druckbehältern bis 1200 bar gestellt werden.
Die bisherigen Erfahrungen mit der bestehenden Impulsprüfanlage PN020 der BAM zeigen Potential für Verbesserungen auf. Dies betrifft insbesondere die Aspekte nutzbares Impulsvolumen, Wartungsaufwand und Stillstandszeiten, sowie Abmessungen und Gestaltung der Prüfkammer hinsichtlich Nutzraum und Handling der Prüfmuster. Im Zuge eines optimierten Anlagekonzeptes besteht großes Interesse an einer flexiblen Neuausrichtung der Druckerzeugung. Eine moderne Prüfanlage sollte in der Lage sein, die zu bewegenden Massen an die gewünschte Prüfaufgabe und den jeweils benötigten Volumenbedarf anzupassen. Die technische Lösung für die Druckerzeugung sollte deshalb modular gestaltet sein, sodass zusätzlich benötigtes Fördervolumen im Bedarfsfall nachgerüstet werden kann. Ein anderes Konzept als eines, das auf Druckübersetzern basiert, scheidet für Extremtemperaturprüfungen aus, da das vorzutemperierende Medium hierzu in einer Säule pendeln und nicht zirkulieren darf.
Wesentlicher Aspekt der Modularität ist die Redundanz bei Teillast (reduzierter Volumenbedarf - Arbeitsfähigkeit bleibt mit Einschränkung erhalten). Es wird davon ausgegangen, dass einzelne Druckerzeugungs-/Antriebseinheiten so demontiert, repariert oder ausgetauscht werden können, dass die Nicht-Verfügbarkeit der gesamten Anlage auf den Ein- und Ausbau von Elementen der Anlage und Ausfälle in der Steuerung beschränkt bleibt. Auch im teil-demontierten Zustand sollte die Anlage mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit grundsätzlich einsetzbar sein. Die Wartungskosten sollen durch die Verwendung von identischen und kleineren Druckerzeugereinheiten „von der Stange“ gesenkt werden. Eine moderne Anlage wäre zur Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten mit erheblich mehr Sensorik auszurüsten.
Die Druckerzeugung muss mit der Art der Medienkonditionierung kompatibel gestaltet sein. Das heißt, das Prüfmedium sollte unabhängig von der Umgebungsluft aktiv temperiert werden können, um die Konditionierzeiten bis zum Prüfungsstart zu verkürzen und um einen Temperaturanstieg infolge der Reibung zu verringern. Die „Prüfkammer“ sollte keine starre Kammer im herkömmlichen Sinne mehr sein. Stattdessen ist eine thermisch isolierte und mechanisch hoch belastbare Versuchsfläche aufzubauen, auf der sowohl mechanische Schutzelemente (vergl. aktueller Berstkäfig) wie auch mobile Isolierhauben verwendet werden können.
Wesentlich ist eine Optimierung einer solchen Anlage auf die eingangs erwähnte Reproduzierbarkeit von Prüfprozeduren und die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse mit Blick auf die statistische Auswertung. Hierzu sollten eine möglichst exakte Regelung, eine statistische Auswertung der Duckextremwerte (zumindest in Klassen), eine Aufzeichnung der Temperatur- und Feuchtewerte sowie des geförderten Volumens jedes Zyklusses und verschiedene Methoden der Leckerkennung/automatischen Versuchsabbruches selbstverständlich implementiert sein.
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.