Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (6)
- Zeitschriftenartikel (1)
- Beitrag zu einem Sammelband (1)
- Beitrag zu einem Tagungsband (1)
- Dissertation (1)
- Posterpräsentation (1)
Sprache
- Deutsch (11) (entfernen)
Referierte Publikation
- nein (11)
Schlagworte
- Aging (2)
- Alterung (2)
- Degradation (2)
- Elastomer (2)
- Leakage (2)
- Lifetime prediction (2)
- Rubber (2)
- Compression (1)
- Dichtheit (1)
- Elastomer Dichtung (1)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (6)
At BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Germany, it is our responsibility to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes the investigation of elastomeric seals applied in the containers. Besides examining the low-temperature behavior of elastomeric seals, it is our goal to evaluate the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Furthermore, we deem it necessary to exceed the requirements given in the ageing standard DIN 53508 and take into account diffusion-limited oxidation (DLO) effects [1] and non-Arrhenius behavior [2] when making lifetime predictions. Therefore, we started an ageing programme with selected rubbers (HNBR, FKM and EPDM) which are oven-aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) in order to extrapolate the data to service temperature using different models and check which one is appropriate. Samples are examined at different times up to 5 years. In order to be able to compare between compressed and relaxed rubber, they are aged in two conditions: the undeformed O-ring state as well as compressed between plates with a compression of 25 % corresponding to the actual compression during service. Additionally, we are ageing samples in flanges that allow leakage rate measurements which is the central performance criterion. Analysis methods include hardness as a quick indicator, compression set and compression stress relaxation as measures reflecting the actual properties of a compressed seal. Additionally, we are applying classical polymer analysis methods like dynamic mechanic analysis and thermogravimetric analysis which show changes in the polymeric structure due to chain scission and crosslinking. Furthermore, we are testing the leakage rate of the O-rings in order to correlate the changes in physical properties to the actual performance of the seal.
First results of samples aged up to 100 days show a strong increase in hardness for HNBR, a moderate increase for EPDM and hardly a change for FKM. A similar result is seen in the compression set of samples aged 100 d at 100 °C in compression as HNBR has reached 60 %, EPDM 25 % and FKM 15 % compression set. However, after ageing at 150 °C, EPDM shows a worse performance with 95 % compression set compared to HNBR with only 80 %. This is probably due to DLO effects in HNBR that appear because of the fast ageing and low oxygen permeability in HNBR. This leads to a deficit of oxygen in the center of the sample which is thus protected from ageing and can retain elastic properties. The full paper shall discuss the changes in material properties observed to date and the impact on the performance of elastomeric seals.
References:
1. Wise, J., K.T. Gillen, and R.L. Clough, Quantitative model for the time development of diffusion-limited oxidation profiles. Polymer, 1997. 38(8): p. 1929-1944.
2. Gillen, K., et al., Evidence that Arrhenius high-temperature aging behavior for an EPDM o-ring does not extrapolate to lower temperatures, 1997, Sandia National Labs., Albuquerque, NM (United States).
At BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Germany, it is our responsibility to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes the investigation of elastomeric seals applied in the containers. Besides examining the low-temperature behavior of elastomeric seals, it is our goal to evaluate the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Furthermore, we deem it necessary to exceed the requirements given in the ageing standard DIN 53508 and take into account diffusion-limited oxidation (DLO) effects [1] and non-Arrhenius behavior [2] when making lifetime predictions. Therefore, we started an ageing programme with selected rubbers (HNBR, FKM and EPDM) which are oven-aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) in order to extrapolate the data to service temperature using different models and check which one is appropriate. Samples are examined at different times up to 5 years. In order to be able to compare between compressed and relaxed rubber, they are aged in two conditions: the undeformed O-ring state as well as compressed between plates with a compression of 25 % corresponding to the actual compression during service. Additionally, we are ageing samples in flanges that allow leakage rate measurements which is the central performance criterion. Analysis methods include hardness as a quick indicator, compression set and compression stress relaxation as measures reflecting the actual properties of a compressed seal. Additionally, we are applying classical polymer analysis methods like dynamic mechanic analysis and thermogravimetric analysis which show changes in the polymeric structure due to chain scission and crosslinking. Furthermore, we are testing the leakage rate of the O-rings in order to correlate the changes in physical properties to the actual performance of the seal.
First results of samples aged up to 100 days show a strong increase in hardness for HNBR, a moderate increase for EPDM and hardly a change for FKM. A similar result is seen in the compression set of samples aged 100 d at 100 °C in compression as HNBR has reached 60 %, EPDM 25 % and FKM 15 % compression set. However, after ageing at 150 °C, EPDM shows a worse performance with 95 % compression set compared to HNBR with only 80 %. This is probably due to DLO effects in HNBR that appear because of the fast ageing and low oxygen permeability in HNBR. This leads to a deficit of oxygen in the center of the sample which is thus protected from ageing and can retain elastic properties. The full paper shall discuss the changes in material properties observed to date and the impact on the performance of elastomeric seals.
At BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Germany, it is our responsibility to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes investigating the elastomer seals used in the containers. Our current goal is a deeper understanding of ageing processes and examination of service lifetime of compressed O-ring seals with regard to interim storage periods which might be longer than the currently licensed 40 years in Germany. For this reason, we started an ageing programme with selected rubbers (HNBR, EPDM, FKM) for investigating the change of properties during accelerated ageing over long periods of time (up to five years). In contrast to standard procedure which recommends the ageing of standard test pieces, we are ageing O-rings, both uncompressed and compressed [1]. This approach takes into account the specific geometry and stress state of compressed O-rings. Additionally, it allows leakage rate measurements as the most important property of the sealing system under conditions relevant to the application. Other investigated properties and applied methods include hardness, dynamic mechanic analysis (DMA), thermogravimetric analysis (TGA), compression stress relaxation (CSR, loss of sealing force over time), compression set (CS, increases if resilience decreases), density and tensile tests. The aim is to correlate leakage rate with common material properties in order to identify a suitable and easily measurable end-of-lifetime criterion for elastomer O-ring seals. Furthermore, the appearance of diffusion-limited oxidation (DLO) effects is investigated, as these effects can lead to heterogeneous ageing and thus distorted bulk properties, resulting in overestimated lifetimes [2].
Extrapolations are made using time-temperature shifts and Arrhenius graphs. For hardness and compression set data the extrapolation leads to different lifetimes. This is because crosslinking and chain scission reactions influence hardness in opposite directions [3], whereas both effects add up to increase compression set [4]. After 0.5 years of ageing, EPDM exhibits only slight hardness increase except at 150 °C, while CS increases substantially at all ageing temperatures. On the other hand, for HNBR, both hardness and CS increase strongly. This confirms that crosslinking is the major degradation mechanism in HNBR [5], while in EPDM both crosslinking and chain scission are apparent [6]. Consequently, hardness is not a suitable measure for extrapolation, as a slight hardness increase can be accompanied by significant chain scission, resulting in severe degradation in other properties, such as CS. NMR, TGA, DMA and density measurements can give further information about the contribution of crosslinking or chain scission in the materials at different ageing stages. The experiments are in progress and results will be presented at the conference.
References
[1] Kömmling A, Waste Management Symposia 2015.
[2] Gillen KT, Polym. Eng. Sci. 1989:29:1.
[3] Snijders EA, Polym. Degrad. Stab. 2005:89:2.
[4] Andrews RD, J. Appl. Phys. 1946:17:5.
[5] Bhattacharjee S, Polym. Degrad. Stab. 1991:31:1.
[6] Bender H, Kautsch. Gummi Kunststoffe 2001:54.
At BAM, which is a federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes assessment of elastomeric seals applied in the containers. Besides examining the low-temperature behaviour and irradiation effects of elastomeric seals, it is our goal to evaluate the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used in seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) up to 1.5 years. In order to assess sealability, O-rings are aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings are aged as well. Further methods characterising seal performance are compression stress relaxation (CSR) reflecting the loss of sealing force of a compressed seal over time, and compression set (CS) which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression. In order to understand the underlying ageing mechanisms in each material, the change in material properties is examined using thermal and mechanical analysis. The experimental results indicate that while material properties, CSR and CS show considerable degradation effects, the leakage rate stays constant or even decreases until shrinkage and the loss of resilience of the aged seal leads to the formation of a leakage path. This indicates that static leakage rate, which is the most relevant criterion for seal performance, has only limited sensitivity for the degradation of the seal material.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.
Unsere Aufgabe im Fachbereich 3.4 der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) ist die sicherheitstechnische Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktiven Abfall, die für langfristige Zwischenlagerung ausgelegt sind. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Bewertung der Lebensdauer von Metall- und Elastomerdichtungen in den Behältern im Hinblick auf die Anforderungen für langfristige Behältersicherheit (min. 40 Jahre in Deutschland). Um die Eigenschaftsänderungen der Elastomerdichtungen während einer beschleunigten Alterung über lange Zeiträume (bis zu fünf Jahre) untersuchen zu können, wurde ein Alterungsprogramm an ausgewählten Elastomeren (HNBR, EPDM, FKM) begonnen.
Im Gegensatz zu Normalterungsverfahren altern wir keine Normteile, sondern O-Ringe im unverpressten sowie verpressten Zustand. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bewertung des Einflusses der Verpressung auf die Alterung sowie die Untersuchung des Bauteilversagens mittels Leckageratenmessungen unter anwendungsnahen Bedingungen. Weitere Charakterisierungsmethoden sind Härtemessung, dynamisch-mechanische Analyse (DMA), Thermogravimetrie (TGA), Druckspannungsrelaxation, Druckverformungsrest (DVR), Dichtebestimmung und Zugversuch. Das Ziel ist, die Leckagerate mit anderen Eigenschaften bzw. Methoden zu korrelieren, um so ein aussagekräftiges und leichter zu bestimmendes Lebensdauerkriterium für elastomere O-Ringe abzuleiten.
Während der Alterung können in Abhängigkeit von Material sowie Alterungsdauer und –temperatur Inhomogenitäten aufgrund von diffusionsbegrenzter Oxidation auftreten, durch die sich unterschiedliche Eigenschaften an der Oberfläche und im Volumen der Dichtung ergeben, was zu falschen Lebensdauerabschätzungen führen kann. Mittels Mikrohärtemessung über den Querschnitt werden diese Effekte charakterisiert und bei der Extrapolation mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung und Arrheniusgraph berücksichtigt. Bisher liegen Daten von bis zu einem Jahr bei vier verschiedenen Temperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) gealterten Proben vor. Nach 100 Tagen bei 150 °C weisen HNBR und EPDM schon einen DVR von über 80 % auf, aber noch keinen signifikanten Anstieg der Leckagerate. Diese sinkt zunächst während der Alterung, da die Permeabilität aufgrund von Vernetzungsreaktionen sinkt. Bei HNBR ist dies aufgrund der dominanteren Vernetzungsreaktionen während der Alterung noch stärker ausgeprägt als bei EPDM.
Unsere Aufgabe im Fachbereich 3.4 der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) ist die sicherheitstechnische Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktiven Abfall, die für langfristige Zwischenlagerung ausgelegt sind. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Bewertung der Lebensdauer von Metall- und Elastomerdichtungen in den Behältern im Hinblick auf die Anforderungen für langfristige Behältersicherheit (min. 40 Jahre in Deutschland). Um die Eigenschaftsänderungen der Elastomerdichtungen während einer beschleunigten Alterung über lange Zeiträume (bis zu fünf Jahre) untersuchen zu können, wurde ein Alterungsprogramm an ausgewählten Elastomeren (HNBR, EPDM, FKM) begonnen.
Im Gegensatz zu Normalterungsverfahren altern wir keine Normteile, sondern O-Ringe im unverpressten sowie verpressten Zustand. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bewertung des Einflusses der Verpressung auf die Alterung sowie die Untersuchung des Bauteilversagens mittels Leckageratenmessungen unter anwendungsnahen Bedingungen. Weitere Charakterisierungsmethoden sind Härtemessung, dynamisch-mechanische Analyse (DMA), Thermogravimetrie (TGA), Druckspannungsrelaxation, Druckverformungsrest (DVR), Dichtebestimmung und Zugversuch. Das Ziel ist, die Leckagerate mit anderen Eigenschaften bzw. Methoden zu korrelieren, um so ein aussagekräftiges und leichter zu bestimmendes Lebensdauerkriterium für elastomere O-Ringe abzuleiten.
Während der Alterung können in Abhängigkeit von Material sowie Alterungsdauer und –temperatur Inhomogenitäten aufgrund von diffusionsbegrenzter Oxidation auftreten, durch die sich unterschiedliche Eigenschaften an der Oberfläche und im Volumen der Dichtung ergeben, was zu falschen Lebensdauerabschätzungen führen kann. Mittels Mikrohärtemessung über den Querschnitt werden diese Effekte charakterisiert und bei der Extrapolation mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung und Arrheniusgraph berücksichtigt. Bisher liegen Daten von bis zu einem Jahr bei vier verschiedenen Temperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) gealterten Proben vor. Nach 100 Tagen bei 150 °C weisen HNBR und EPDM schon einen DVR von über 80 % auf, aber noch keinen signifikanten Anstieg der Leckagerate. Diese sinkt zunächst während der Alterung, da die Permeabilität aufgrund von Vernetzungsreaktionen sinkt. Bei HNBR ist dies aufgrund der dominanteren Vernetzungsreaktionen während der Alterung noch stärker ausgeprägt als bei EPDM.
Eine Aufgabe des Fachbereichs 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, die Sicherheit von Behältern zur Lagerung von radioaktivem Abfall mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zu bewerten. Da solche Behälter vor der Entsorgung transportiert und gelagert werden, ist während dieser Zeit ein sicherer Einschluss des radioaktiven Inhalts von größter Bedeutung. Zur Abdichtung dieser Behälter sind Elastomer-O-Ringe weit verbreitet. Um für solche, wie auch für viele andere Anwendungen, eine Voraussage über die Lebensdauer dieser Komponenten treffen zu können, ist es unerlässlich zu verstehen, welchen Einfluss der durch Alterung hervorgerufene Abbau auf Dauer auf die Elastomerdichtungen hat. In einem Langzeittest wurden drei Kautschukarten (EPDM und FKM, die für die Anwendung relevant sind, und HNBR als Vergleich) über mehrere Jahre untersucht. Dabei wurden die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (z. B. Härte und Bruchdehnung) bei vier verschiedenen Alterungstemperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) sowie das Dichtungsverhalten betrachtet. Um den Einfluss von Vernetzung und Kettenspaltung auf die beobachteten Alterungseffekte zu bestimmen, wurden Messungen zur kontinuierlichen und intermittierenden Druckspannungsrelaxation durchgeführt. Dadurch konnten Erkenntnisse über Kinetik und Mechanismus der Abbaureaktionen
gewonnen werden. Zur Einschätzung des Dichtungsverhaltens wurden Durckverformungsrest und Leckagerate gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die O-Ringe unter statischen Bedingungen auch dann dicht halten, wenn die Werte für Druckverformungsrest, Druckspannungsrelaxation und mechanische Eigenschaften schon auf einen fortgeschrittenen Alterungsabbau hindeuten. Aus diesem Grund wurde ein modifizierter Dichtigkeitsversuch mit einer geringen und schnellen teilweisen Entlastung der Dichtung entwickelt, mit dessen Hilfe sich ein Lebensdauerkriterium bestimmen lässt, das eine Sicherheitsspanne für thermische Schrumpfung und Vibrationen beinhaltet.
Langzeitversuche über 10 Jahre an Federkern-Metalldichtungen mit Aluminium- bzw. Silberummantelungen
(2023)
Federunterstützte Metalldichtungen mit Aluminium(Al)- oder Silber(Ag)-Ummantelung werden u.a. in Behältern für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle eingesetzt, da diese Dichtungen eine sehr gute Dichtheit gewährleisten sowie Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und radioaktiver Strahlung aufweisen. Auch wenn die Sicherheit solcher Behälter und der verwendeten Dichtungen vielfach belegt wurde, sind sie Gegenstand andauernder Forschung, etwa im Hinblick auf eine absehbar benötigte verlängerte Zwischenlagerdauer. Aus diesem Grund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Fachbereich 3.4 „Sicherheit von Lagerbehältern“ seit über 20 Jahren Versuche an solchen Metalldichtungen durchgeführt. Dabei sollen zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Sicherheitsreserven der Dichtungen in unterstellten Störfallszenarien (axiale Bewegung des Deckelsystems bzw. Aufweitung der Nutgeometrie) und insbesondere detailliertere Erkenntnisse zum Langzeitverhalten gewonnen werden.