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Tanks for heating oil made of polyethylene grades have been on the market since the early 1970s in Germany. Tank manufacturers recommend the replacement of the tanks after a period of 30 years due to guarantee safety. Polyethylene grades are subject to ageing by alteration of the properties during their life cycle. The degree of ageing and the nature of the degradation process mainly depend on the chemical degradation of the polyethylene, the wall thickness of the tank and the environmental conditions. There are no results available on the long-term behavior of the polyethylene grades, especially after a service life of more than 30 years. The aim of this investigation was the determination of the factual degree of damage in comparison to the uncontaminated polyethylene grades. Material data of the used polyethylene grades are available because the BAM was the competent authority for the tests and expert reports for the approval of these tanks until the middle of the 1990s.
The determination of the Melt Flow Rate (MFR) and the Fourier Transmission IR Spectroscopy (FTIR) of tank sections from the bottom, the shell and the roof of 10 segregated heating oil storage tanks produced of polyethylene grades A and B were used as tests methods.
The MFR measurements of the tank sections showed differences in the values depending on the weight which was used (5 kg or 21.6 kg). A reduction of the MFR values was measured for most of the sections of tanks made of polyethylene grade B after a service life of the tanks of more than 30 years. This grade is mainly subject to the internal ageing by cross-linkages, increased degree of branched molecules and loss of the plasticizer, and to a lesser extent by oxidative degradation. The FTIR analysis, especially of tank sections of the bottom and the shell showed that the intensity of the CH2 asymmetric and symmetric stretching vibrations in the range: 2800 - 2900 cm-1 and the CH2 bending deformation vibration at 1400 cm-1 increased due chain scissions. The intensity of the carbonyl stretching vibration C=O at 1740 cm-1 is low. The carbonyl index characterizes the degree of oxidation.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as FKM (fluorocarbon rubber), FVMQ (methyl-fluoro-silicone rubber), VMQ (methyl-vinyl-silicone rubber), EPDM (ethylene-propylene-diene rubber), CR (chloroprene rubber), CSM (chlorosulfonated polyethylene), IIR (butyl rubber), PA (polyamides), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber) and PUR (polyester urethane rubber) in fuels and heating oil with admixtures of biogenic sources such as E10 (fuel with 10 % ethanol), E85 (fuel with 85 % ethanol), non-aged and aged biodiesel, diesel fuel with 5 % biodiesel, non-aged and aged B10 (heating oil with 10 % biodiesel) at 20 °C, 40 °C and 70 °C.
Mass, tensile strength and breaking elongation of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 days in the fuels. The visual examination of some elastomer test specimens clearly showed the great volume increase until break or partial dissolution. Shore hardness A and D (for PA) were determined before and after exposure of the test specimens in the biofuels for 42 days.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore a threshold of 15 % was determined for the evaluation of the compatibility.
In summary, it can be therefore stated that the chemical resistance of the fluoropolymers FKM and FVMQ in fuels and biofuels is the best one.
Heizöllagerbehälter aus Polyethylenformstoffen werden seit Beginn der 70-iger Jahre in Deutschland hergestellt. Die Hersteller empfehlen zur Gewährleistung der Sicherheit nach Ablauf von 30 Jahren den Ersatz dieser Behälter. Polyethylenformstoffe unterliegen im Laufe ihrer Nutzungsdauer der Alterung durch die Veränderung ihrer Eigenschaften. Das Ausmaß der Alterung und die Art des Abbauvorganges hängen im Wesentlichen vom chemischen Abbau des Polyethylens, der Wanddicke des Behälters und den Umgebungsbedingungen ab. Bisher lagen keine Untersuchungen zum Langzeitverhalten der Polyethylenformstoffe vor, insbesondere nach einer Nutzungsdauer der Tanks über 30 Jahre. Ziel der Untersu-chungen war, den tatsächlichen Schädigungsgrad der Polyethylenformstoffe im Vergleich zu den unbelasteten Formstoffen zu ermitteln. Da die BAM bis Mitte der 90-iger Jahre für die Prüfungen und Gutachten zur Zulassung dieser Behälter zuständig war, sind die Werkstoffdaten noch vorhanden.
Als Untersuchungsmethoden wurden die Bestimmung der Schmelze-Masse-Fließrate (MFR) und die Fourier-Transformation-IR-Spektroskopie (FTIR) von Tankausschnitten aus dem Bereich des Bodens, des Mantels und des Daches von 10 ausgesonderten Behältern aus den Polyethylenformstoffen A und B herangezogen. Die Messungen der MFR der Tankaus-schnitte aus diesen Bereichen zeigten Unterschiede in den Werten in Abhängigkeit vom Ge-wicht (5 kg oder 21,6 kg), welches eingesetzt wurde. Eine Abnahme der MFR-Werte wurde für die größere Anzahl der Tankwandungsausschnitte aus dem Formstoff B nach einer Lebensdauer der Tanks > 30 Jahre gemessen. Dieser Formstoff wurde hauptsächlich durch innere Alterung infolge Vernetzungen, Verzweigungen und Weichmacherverlust und weniger durch oxidativen Abbau geschädigt. Die FTIR-Messungen der Proben aus dem Bereich des Bodens und des Mantels der Tanks zeigten, dass die Intensität der asymmetrischen/symmetrischen CH2 -Streckschwingungen im Bereich: 2800 - 2900 cm-1 und der CH2 -Biegeverformungsschwingung bei 1400 cm-1 aufgrund von Kettenspaltungen zugenommen haben. Die Intensität der Carbonylstreckschwingung C=O bei 1740 cm-1 ist niedrig. Sie ist ein Maß für die Oxidation des Polymerwerkstoffes.
Die Bewertung der Werkstoffbeständigkeit ist von großer Bedeutung bei Änderung der Zusammensetzung der Kraftstoffe und des Heizöls, insbesondere die Frage nach der Beständigkeit der Dichtungswerkstoffe bei Zusätzen von Bioethanol und Biodiesel (Rapsölfettsäuremethylester).
Vorhergehende Untersuchungen (Messungen der Veränderungen der Masse, der Zugeigenschaften und der Härte) bezogen sich auf die Bewertung der Beständigkeit häufig verwendeter Dichtungswerkstoffe wie FKM, FVMQ, VMQ, EPDM, CR, CSM, IIR, PA, NBR und PUR in Kraftstoffen und Heizöl mit 10 % Biodiesel (nicht gealtert und bis zu 5 Jahre gealtert) unter statischen Bedingungen.
Ziel der Untersuchungen war die Bewertung der Beständigkeit von Fluorkautschuk unter verpressten Bedingungen in Analogie zu den Einsatzbedingungen in der Praxis. Die Masse und der Druckverformungsrest von Prüfkörpern aus FKM wurden vor und nach der Auslagerung über einen Zeitraum von 3, 7, 14, 28, 56 und 90 Tagen in E10 (Kraftstoff mit max. 10 % Ethanol), E85 (Kraftstoff mit 85 % Ethanol), Biodiesel (Rapsölfettsäuremethylester), Super (Kraftstoff mit max. 5 % Ethanol), Dieselkraftstoff mit max. 5 % Biodiesel, Super Plus (Kraftstoff ohne Ethanolzusatz) und Heizöl mit 10 % Biodiesel (B10) bei 40 °C gemäß ISO 815-1 bestimmt. Die Druckverformungsrestprüfung zählt neben der Messung der Härte, der Dichte und der Zugeigenschaften zu den wichtigsten Grundprüfverfahren der Elastomerindustrie. Nach Ende der Auslagerung in den Kraftstoffen und der Aufhebung der Verpressung wurde der Druckverformungsrest der Prüfkörper in regelmäßigen Zeitabständen bis zu einer Rücktrocknung > 90 Tage bestimmt. Zum Vergleich wurden Prüfkörper aus FKM ohne Kraftstoff oder Heizöl unter Verpressung bei 40 °C ausgelagert.
Die Masseänderung der Prüfkörper aus FKM betrug nach 90 Tagen Auslagerung in E10 9 %, in Super 8 %, in E85 4% und 0,6 % in Biodiesel. Die Erhöhung der Masse und die damit verbundene Quellung der Prüfkörper in E10 und Super mit 5 – 10% Ethanolzusatz hatte einen Einfluss auf den Druckverformungsrest, der sprunghaften Veränderungen unterlag im Vergleich zu den Werten nach Auslagerung in Biodiesel, Dieselkraftstoff und Heizöl B10 bei 40 °C. Zum Vergleich, unter statischen Bedingungen verringerte sich die Zugfestigkeit der Prüfkörper aus FKM nach Auslagerung in E10 bei 40 °C um 31 % und die Reißdehnung um 18 %.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as fluorocarbon rubber (FKM), fluorosilicone rubber (FVMQ), silicone rubber (VMQ), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), chloroprene rub-ber (CR), chlorosulfonated polyethylene (CSM), butyl rubber (IIR), acrylonitrile buta-diene rubber (NBR), polyester urethane rubber (PUR) and polyamide (PA) in non-aged/aged biodiesel and heating oil with 10 % biodiesel at 20 °C, 40 °C and 70 °C. Mass, tensile properties and Shore hardness A/D (for polyamide) of the test speci-mens were determined before and after the exposure for 84/42 days in the aged and non-aged fuels of different age.
Biodiesel fuels are easily oxidized and contain acids and water. The sealing materi-als: acrylonitrile butadiene rubber, butyl rubber, chloroprene rubber, chlorosulfonated polyethylene and ethylene-propylene-diene rubber and were generally not resistant to biodiesel and heating oil with 10 % biodiesel. Fluorocarbon rubber, fluorosilicone rubber and polyamide were the most resistant materials in all tested fuels up to 70 °C. The degree of damage to the sealing materials increased with higher test temperatures and the age of the fuels.
Plastic storage tanks for heating oil have been on the market since the early 1970s in Germany, mainly made from polyethylene grades. Tank manufacturers and experts examining the tanks recommend the replacement of the tanks to ensure the safety after a period of 30 years. The tank manufacturer is legally obliged to specify the service life of the tanks.
Polyethylene is subject to ageing by alteration of the properties during its life cycle. A distinction is made between internal and external ageing processes. The internal ageing, such as the breakdown of internal stresses, post-crystallization, phase sepa-ration of multicomponent systems and plasticizer migration is attributed to thermodynamically instable conditions of the plastic material. The external ageing in form of stress cracking, fatigue cracking, thermooxidative degradation or swelling is based on physical or chemical effects of the environment of the polyethylene grade. The degree of ageing and the nature of the degradation process mainly depend on the chemical degradation of the polyethylene, the wall thickness of the tank and the environmental conditions. There are no results available on the long-term behaviour of the polyethylene grades used as materials for heating oil storage tanks, especially after a service life of more than 25 years.
The aim of this investigation was the determination of the factual degree of damage in comparison to the uncontaminated polyethylene grades. Data on the melt flow rate (MFR) and density of the used polyethylene grades are available because the BAM was the competent authority for the approval of the plastic heating oil storage tanks until the end of the 1980s.
The technical service of specialist companies for fuel tank disposal supplied tank sections from the bottom, the shell and the roof of 8 segregated heating oil storage tanks. Some of the tanks had been in service for more than 30 years. Two polyethylene grades mainly were used as materials for these tanks over this time. The determination of the MFR according to EN ISO 1133 and the FTIR spectroscopy followed standard test methods.
The highest average percentage increase in the MFR was determined as 31- 43 % for the bottom section of the tanks, for both the inner shell and the outer shell. The lowest increase in MFR was measured for the top of the tank, with 6 - 12 % for the inner shell and 0 - 8 % for the outer shell. The tank shell sections had an average percentage increase in MFR of 10 - 33 % for the inner shell and of 14 - 40 % for the outer shell.
The oxidative damage of the polyethylene grades was highest in the bottom area due to the permanent contact with the heating oil and degradation products.
The microtome cuttings were analyzed with image-guided infrared microscopy in the transmission mode and confirmed the results obtained with the MFR measurements.
In summary it can be concluded that the oxidative damage of the polyethylene grades after long-term contact with heating oil is relative low.
Heizöllagerbehälter aus Polyethylenformstoffen werden seit Beginn der 70-iger Jahre in Deutschland hergestellt. Die Hersteller empfehlen zur Gewährleistung der Sicherheit nach Ablauf von 30 Jahren den Ersatz dieser Behälter. Polyethylenformstoffe unterliegen im Laufe ihrer Nutzungsdauer der Alterung durch die Veränderung ihrer Eigenschaften. Das Ausmaß der Alterung und die Art des Abbauvorganges hängen im Wesentlichen vom chemischen Abbau des Polyethylens, der Wanddicke des Behälters und den Umgebungsbedingungen ab. Bisher lagen keine Untersuchungen zum Langzeitverhalten der Polyethylenformstoffe vor, insbesondere nach einer Nutzungsdauer der Tanks über 30 Jahre. Ziel der Untersu-chungen war, den tatsächlichen Schädigungsgrad der Polyethylenformstoffe im Vergleich zu den unbelasteten Formstoffen zu ermitteln. Da die BAM bis Mitte der 90-iger Jahre für die Prüfungen und Gutachten zur Zulassung dieser Behälter zuständig war, sind die Werkstoffdaten noch vorhanden.
Als Untersuchungsmethoden wurden die Bestimmung der Schmelze-Masse-Fließrate (MFR) und die Fourier-Transformation-IR-Spektroskopie (FTIR) von Tankausschnitten aus dem Bereich des Bodens, des Mantels und des Daches von 10 ausgesonderten Behältern aus den Polyethylenformstoffen A und B herangezogen. Die Messungen der MFR der Tankaus-schnitte aus diesen Bereichen zeigten Unterschiede in den Werten in Abhängigkeit vom Ge-wicht (5 kg oder 21,6 kg), welches eingesetzt wurde. Eine Abnahme der MFR-Werte wurde für die größere Anzahl der Tankwandungsausschnitte aus dem Formstoff B nach einer Lebensdauer der Tanks > 30 Jahre gemessen. Dieser Formstoff wurde hauptsächlich durch innere Alterung infolge Vernetzungen, Verzweigungen und Weichmacherverlust und weniger durch oxidativen Abbau geschädigt. Die FTIR-Messungen der Proben aus dem Bereich des Bodens und des Mantels der Tanks zeigten, dass die Intensität der asymmetrischen/symmetrischen CH2 -Streckschwingungen im Bereich: 2800 - 2900 cm-1 und der CH2 -Biegeverformungsschwingung bei 1400 cm-1 aufgrund von Kettenspaltungen zugenommen haben. Die Intensität der Carbonylstreckschwingung C=O bei 1740 cm-1 ist niedrig. Sie ist ein Maß für die Oxidation des Polymerwerkstoffes.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist. Ein Schwerpunkt wird bei den metallenen Werkstoffen auf der Erprobung von Messmethoden liegen, mit denen sich in kurzer Versuchszeit ein Korrosionsangriff detektieren lässt.
Metallene Werkstoffe:
Weder örtliche Korrosion noch erhöhte Flächenkorrosion (Korrosionsrate:< 0,1 m/Jahr) sind bei den bisher geprüften Werkstoffen: Aluminium,
C-Stahl 1.0037, austenitischer CrNi-Stahl 1.4301, Kupfer und Messing in Heizöl und B20 (Heizöl mit 20% Biodiesel) aufgetreten. Diese Werkstoffe sind in den Prüfmedien Heizöl und B20 als beständig zu bewerten.
Es wurde keine signifikante Veränderung des pH-Wertes der Prüfmedien gemessen.
Polymere:
Massebestimmung:
Die Prüfkörper der Elastomere ACM, HNBR und PUR sowie in geringerem Maße PE neigten zur Quellung in Heizöl und B20 nach 42 d und 84 d Auslagerung; für PA 6, POM und PVC wurde keine Masseänderung gemessen. Die Masseänderung der Prüfkörper in Heizöl und B20 ist mit Ausnahme von PUR vergleichbar. Bei PE traten Verfärbungen durch die Brennstoffe auf.
Zugeigenschaften:
ACM, HNBR, PE und PVC sind in Heizöl und B20 beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 15 % beträgt. PA und POM sind bedingt beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 30% beträgt.