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Ziel unserer Arbeit ist es, den sicheren Einschluss von gefährlichen Gütern in entsprechenden Verpackungen (z.B. Behälter für radioaktive Stoffe) unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und über lange Zeiten sicher zu stellen bzw. die Materialauswahl entsprechend zu steuern. Aufgrund ihrer einfachen und zuverlässigen Anwendung werden Elastomere für viele Dichtungsaufgaben eingesetzt. In vielen Anwendungsbereichen wie z.B. Verkehr, Luftfahrt und Verfahrenstechnik können während des Einsatzes tiefe Temperaturen auftreten, bei denen die Funktionsfähigkeit der Dichtung erhalten bleiben muss. Daher ist die Untersuchung des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wichtig, um ihren Temperatureinsatzbereich nach unten abzugrenzen und dadurch einen verlässlichen Betrieb zu sichern. Dazu wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, auf deren Ergebnisse hier kurz eingegangen werden soll.
Bei allen Anwendungen ist die Frage nach der Lebenszeit einer Dichtung entscheidend für z.B. Austauschintervalle oder Wartung. Besondere Bedeutung hat die Lebensdauer allerdings bei Anwendungen, in denen ein Austausch der Dichtung nicht möglich ist. Hier kann die Dichtung über die Lebensdauer des Gesamtsystems entscheiden. Daher ist eine verlässliche Abschätzung der Lebensdauer für diese Anwendungen relevant. Dazu ist eine umfangreiche Datenbasis erforderlich. Entsprechende Arbeiten, die gerade begonnenen worden sind, sollen ergänzend vorgestellt werden. Erste konkrete Ergebnisse werden im Vortrag vorgestellt.
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.
Ein wesentliches sicherheitstechnisches Kriterium für Transport und Lagerbehälter ist das Langzeitverhalten von verschraubten Deckel-Dichtsystemen unter Verwendung von Metall- und Elastomerdichtungen sowie von im Behälterkörper integrierten Polyethylenen zur Neutronen¬abschirmung.
Die ordnungsgemäße Funktion der Metalldichtungen ist Voraussetzung für die Einhaltung der geforderten Dichtheit des Deckelsystems, während die Elastomerdichtungen für die Messung der Leckagerate an den Metalldichtungen benötigt werden. Darüber hinaus kommen Elastomer-dichtungen als Primärdichtungen in Behältern für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zum Einsatz.
Zur Bewertung des Dichtungsverhaltens sind die alterungsabhängige verbleibende Rückstellkraft für die Metall- und Elastomerdichtungen sowie die sog. nutzbare Rückfederung bei Metalldichtungen von entscheidender Bedeutung. Für Elastomerdichtungen ist zusätzlich eine radiologisch bedingte Materialdegradation zu bewerten.
In Bezug auf das Alterungsverhalten von Polyethylen zur Neutronenabschirmung sind neben zeit- und temperaturabhängigen Materialveränderungen insbesondere auch durch Gammastrahlung induzierte Degradationseffekte wie Wasserstoffabspaltung, Vernetzung und Abbau der Polymer¬moleküle zu berücksichtigen. Über die eigentliche Bewertung der Abschirmeigenschaften hinaus sind somit zusätzlich Auswirkungen von Degradationsprodukten auf andere Behälterkomponenten zu diskutieren.
Die an der BAM im Fachbereich 3.4 Sicherheit von Lagerbahältern durchgeführten und aktuell laufenden Untersuchungen werden vorgestellt und diskutiert.
Einfluss der Alterung auf dichtungsrelevante Eigenschaften von FKM-, VMQ- und EPDM-Elastomeren
(2017)
Da Elastomere in vielfältigen Dichtungsanwendungen eingesetzt werden und dabei teilweise großen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit und Sicherheit haben, ist der Einfluss der Alterung auf dichtungsrelevante Eigenschaften relevant. Eine strukturierte Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Mischungsrezepturen auf die Bauteileigenschaften, das Alterungsverhalten und die Funktion wird vorgestellt.
Dichtungsverhalten bei niedrigen Temperaturen - Untersuchung der unteren Temperatureinsatzgrenze
(2018)
Elastomere werden vielfach in Produkten eingesetzt, die bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden. Dabei sind O-Ringe kostengünstige Dichtelemente, die allerdings für die Funktionsfähigkeit und Sicherheit eines Produkts entscheidend sind. Die untere Temperatureinsatzgrenze ist dabei durchaus relevant und aus wissenschaftlicher Sicht nicht allgemeingültig zu definieren, da diese einerseits durch die Änderungen der Materialeigenschaften im Zuge des Gummi-Glas-Übergangs definiert werden, die Temperaturlage dieses Übergangs jedoch sehr stark von den jeweiligen Einsatzbedingungen (z.B. Frequenz) abhängt. Dadurch ergeben sich große Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Anwendungen. Verschiedene Untersuchungen sollen vorgestellt und interpretiert werden, um das Auditorium auf verschiedene Herausforderungen aufmerksam zu machen und Lösungsansätze vorzustellen...
Elastomere werden vielfach in Produkten eingesetzt, die bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden. O-Ringe sind kostengünstige Dichtelemente, die allerdings für die Funktionsfähigkeit und Sicherheit eines Produkts entscheidend sein können. Die untere Temperatur-einsatzgrenze ist dabei relevant und aus wissenschaftlicher Sicht nicht allgemein gültig zu definieren, da diese einerseits durch die Änderungen der Materialeigenschaften im Zuge des Gummi-Glas-Übergangs definiert werden, die Temperaturlage dieses Übergangs jedoch sehr stark von den jeweiligen Einsatzbedingungen (z.B. Frequenz) abhängt. Dadurch ergeben sich große Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Anwendungen.
Verschieden Untersuchungen sollen vorgestellt und interpretiert werden, um das Auditorium auf verschiedene Herausforderungen aufmerksam zu machen und Lösungsansätze vorzustellen.
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.