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- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (3)
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Eingeladener Vortrag
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The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as FKM, FVMQ, VMQ, EPDM, CR, CSM, IIR, PA, NBR and PUR in fuels and heating oil with and without admixtures of biogenic sources such as E10, diesel fuel with 5 % biodiesel, non-aged and 2 year aged B10 (heating oil with 10 % biodiesel), pure diesel, standard heating oil and premium grade fuel Super plus 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.
Zusammenfassend wird aufgrund der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen die Aussage getroffen, dass die Fluorpolymere FKM und FVMQ die beständigsten Dichtungswerkstoffe in Biokraftstoffen und Heizöl B10 im Temperaturbereich bis 70 °C sind. In E10 und E85 kann keiner der Dichtungswerkstoffe bei 70 °C als beständig bewertet werden. Diese Erkenntnisse können vielen Wirtschaftszweigen ein Innovationspotential bieten und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern.
In der Bundesrepublik Deutschland werden über 400 Mio.t Gefahrgüter jährlich in Tankfahrzeugen, Aufsetztanks, Batteriefahrzeugen, Eisenbahnkesselwagen und Tankcontainern befördert, davon etwa 150 Millionen Tonnen im Straßengüterverkehr. Zu den Hauptschadensursachen zählt die Korrosion, wobei die gleichmäßige und ungleichmäßige Flächenkorrosion die Korrosionsart ist, die beim Chemikalientransport in Tanks am häufigsten auftritt. Viele Schäden durch Lochkorrosion entstehen beim Transport von chloridhaltigen Medien bei Anwesenheit von Feuchtigkeit.
Die BAM-Liste - Anforderungen an Tanks für die Beförderung gefährlicher Güter - ist Grundlage für die stoffbezogenen Baumusterzulassungen für Tankcontainer und ortsbewegliche Tanks zur Beförderung gefährlicher Güter durch die BAM seit der Herausgabe der 1. Auflage 1989. In die BAM-Liste wurden vorrangig solche gefährlichen Güter aufgenommen, die potenziell in Tanks befördert werden können. Die Beständigkeitsbewertungen gebräuchlicher metallischer Tankwerkstoffe und polymerer Dichtungs-, Beschichtungs- und Auskleidungswerkstoffe werden auch bei der Zulassung von Kesselwagen und Tankfahrzeugen als Erkenntnisquelle verwendet. Diese Daten sind aber unter sorgfältiger Überprüfung der Übertragbarkeit auch für andere praktische Anwendungen und unter Berücksichtigung der jeweiligen Praxisbedingungen auch als Ratgeber für Verpackungen, IBC, Lagerbehälter, Rohrleitungen usw. aus metallischen Werkstoffen anwendbar.
In den internationalen Gefahrgutverordnungen ADR, RID und IMDG-Code wird nach einer vorgegebenen Prüffrist eine innere Besichtigung der Tanks gefordert. Bei Tankcontainern beträgt diese Prüffrist im ADR/RID, Kap. 6.8 , fünf Jahre (bei der Beförderung von ortsbeweglichen Tanks nach ADR/RID, Kap. 6.7, und nach dem IMDG-Code 2½ Jahre) und bei Tankfahrzeugen sechs Jahre. Im RID wird für Eisenbahnkesselwagen eine Prüffrist von acht Jahren für die Innenbesichtigung vorgeschrieben. Für die Dauer der Prüfintervalle muss die Werkstoffbeständigkeit der Tankwerkstoffe gewährleistet sein.
Die BAM-Liste - Anforderungen an Tanks für die Beförderung gefährlicher Güter – mit den Beständigkeitsbewertungen metallischer und polymerer Werkstoffe ist Grundlage für die stoffbezogenen Baumusterzulassungen für Tankcontainer und ortsbewegliche Tanks zur Beförderung gefährlicher Güter durch die BAM seit der Herausgabe der 1. Auflage 1989. Diese Beständigkeitsbewertungen werden nicht nur bundesweit, sondern weltweit als Erkenntnisquelle genutzt. Für die Zulassung von Kesselwagen und Tankfahrzeugen werden diese Daten auch herangezogen. Die Werkstoffbeständigkeitsdaten und der damit verbundene Informationsservice der BAM haben mit Sicherheit dazu beigetragen, Leckagen von Tanks aufgrund des Einsatzes von Tanks/Kesselwagen aus einem gegenüber dem Füllgut unbeständigem Tankwerkstoff oder Dichtungswerkstoff zu vermeiden.
In der DIN 6601 - Beständigkeit der Werkstoffe von Behältern/Tanks aus Stahl gegenüber Flüssigkeiten (Positiv-Flüssigkeitsliste) ist die Beständigkeit unlegierter Stähle, austenitischer CrNi- und CrNiMo-Stähle gegenüber den reinen Ottokraftstoffen bewertet. Mit der verstärkten Verwendung bioethanol- und biodieselhaltiger Kraftstoffe und Heizöl stellt sich auch die Frage nach der Beständigkeit der handelsüblichen Tank- und Behälterwerkstoffe sowie der Dichtungswerkstoffe unter dem Einfluss dieser Medien.
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-Biodiesel-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.
Beständigkeitsbewertungen von Werkstoffen für den Transport von Gefahrgütern durch die BAM-Liste.
(2005)
Beständigkeitsbewertungen von Werkstoffen für den Transport von Gefahrgütern durch die BAM-Liste
(2005)
BAM, IKS Dresden und ThyssenKrupp VDM haben ein umfangreiches Versuchsprogramm mit geschweißten Werkstoffprüfblechen durchgeführt, um neue Erkenntnisse über das Korrosionsverhalten der Superaustenite und der Nickelbasislegierung zu gewinnen und um diese Bewertungen im Abschnitt 5 der BAM-Liste zu berücksichtigen. Das Versuchsprogramm umfasste Korrosionsbeständigkeitsbewertungen der drei höherlegierten Werkstoffe in Stoffen aus 12 Gruppen von korrosiven Gefahrgütern, wie z. B. anorganische Halogenide, organische Säurehalogenide, Halogencarbonsäuren, Chlorsilane, Chlorate, Perchlorate, Chlorite, Hypochlorite, Hydrogensulfate und Nitriersäuren.
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 wur-de 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 %.
Die ökonomische Bewertung der immissionsbedingten Materialschäden der Sachgütergruppen Freileitungsmaste, Brücken der Bundesautobahnen, Eisenbahnbrücken und -fahrleitungsmaste, fernmeldetechnische Einrichtungen der Deutschen Bundespost, Industrieanlagen, Wohngebäude und Denkmäler basiert auf sogenannten „Stock-at-risk“-Informationen, Dosis-Wirkungs-Funktionen der der Atmosphäre ausgesetzten Werkstoffe und auf in der Praxis vorliegenden Erfahrungswerten über Zeitintervalle der Erneuerung der Korrosionsschutzsysteme und Bauteile. In jenen Fällen, in denen der immissionsbedingte Anteil am Gesamtschaden noch nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, werden die Forschungslücken aufgezeigt bzw. Modellrechnungen durchgeführt.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
Zum Vergleich der Polyethylenformstoffe für eine Bauart von Gefahrgutverpackungen und IBC wurden die Materialkennwerte: Schmelze-Massefließrate MFR, Dichte D, Kerbschlag-zähigkeit acN bei -30 °C, Spannungsrissbeständigkeit (bestimmt mit dem Full Notch Creep Test) und Beständigkeit gegen oxidativen Abbau Ox (bestimmt durch den prozentualen Anstieg des MFR in Salpetersäure) in der DIN EN 15507 – Verpackung – Verpackungen zur Beförderung gefährlicher Güter – Vergleichende Werkstoffprüfung von Polyethylensorten ausgewählt.
Das Ziel der Untersuchungen war die Auswahl eines Kennwertes für die Bestimmung des mechanischen Leistungsniveaus von Polyethylenformstoffen, da unter Druck Verpackungen beulen oder knicken. Zur Auswahl standen drei Prüfverfahren:
a) Bestimmung der Biegesteifigkeit S nach DIN 53 350 (Prinzip von Ohlsen).
b) Bestimmung der Biegefestigkeit σfM und Biegedehnung ɛfM nach DIN EN ISO 178
c) Bestimmung der Druckkraft Fmax und Verformung dL bei Fmax nach DIN EN ISO 604.
Die Prüfmethode zur Bestimmung der Biegesteifigkeit nach DIN 53 350 eignet sich zum Vergleich des mechanischen Leistungsniveaus der Formstoffe. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sollte der Skalierungsbereich der Prüfapparatur erweitert wer-den, um genauere Messergebnisse zu erzielen.
Der Dreipunktbiegeversuch nach DIN EN ISO 178 eignet sich bei verformungsfähigen Kunststoffen, wie dem Polyethylen, zur Bestimmung der Biegefestigkeit σfM. Dieser Ver-such besitzt den Nachteil, dass am Ort des maximalen Biegemoments in der Randschicht, wo auch die maximale Biegespannung erzeugt wird, zusätzlich der Biegestempel angreift.
Die Messergebnisse haben gezeigt, dass die Druckprüfung nach DIN EN ISO 604 sich sehr gut zur Bewertung des mechanischen Verhaltens der Polyethylenformstoffe unter Druckbelastung (Stapeldruckprüfung der Verpackungen) eignet.
Heating oil storage tanks made of polyethylene grades have been on the market in Germany since the early 1970s. To ensure safety, their replacement is recommended by tank manufacturers after a period of 30 years. Polyethylene is subject to ageing by alteration of the properties during its life cycle. The degree of degradation and the nature of the process mainly depend on the chemical alteration of the polyethylene, the wall thickness of the tank and the environmental conditions. There are no data available on the long-term behaviour of the polyethylene grades, especially after a service life of more than 30 years.
The aim of this investigation was to find a suitable test method to determine 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. Therefore, tank sections from the bottom, the shell and the roof of 22 individual storage tanks produced of polyethylene grades A and B have been examined by Melt Flow Rate (MFR) and Attenuated Total Reflectance (ATR). Their service life was in the range between 20 and 41 years.
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). An increase of the MFR was determined for the samples of polyethylene grade A, whereas a reduction of the MFR values was measured for most samples of polyethylene grade B. This grade is mainly subject to the internal ageing by cross-linkages, increased degree of branched molecules and loss of the plasticizer.
ATR analysis exhibits an absorption band at 909 cm‒1 predominantly in samples of polyethylene grade A indicating chain scission and concomitantly formed terminal vinyl groups. This absorption band can be used for the characterization of the ageing of the polyethylene grades.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.