2.1 Sicherheit von Energieträgern
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Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 2014/34/EU fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge eines Schlages und/oder Reibens eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Normalerweise werden Werkzeuge für den industriellen Einsatz aus hochlegierten Chromstählen hergestellt. Mit steigender kinetischer Schlagenergie und sinkender Zündenergie der Brenngas/Luft-Atmosphäre steigt deutlich die Zündwahrscheinlichkeit bei Metall-Werkstoffpaarungen. Aber zwischen den unterschiedlichen Metallen bzw. Stählen gibt es Unterschiede bezüglich der Gefahr der Erzeugung zündfähiger mechanisch erzeugter Funken.
Aus einer sehr großen Anzahl von Schlagfunkenversuchen der BAM sind die Zündwahrscheinlichkeiten der homogenen Werkstoffpaarung aus ferritischem Stahl bekannt. Besonders zündgefährlich ist die homogene Werkstoffpaarung ferritischer Stahl bei Anwesenheit von explosionsfähigen Brenngas/Luft-Atmosphären der Explosionsgruppe IIC und IIB. Aber auch bei Anwesenheit von IIA-Gemischen kommt es regelmäßig zu Explosionen. Die Ergebnisse haben bereits in den einschlägigen Regelwerken wie z.B. ISO 80079-36:2016 Anwendung gefunden.
Edelstahl mit hohem Chromgehalt (Cr ≥ 16,5 %) galt bisher als relativ funkenarm und somit fälschlicherweise als mit geringer Zündwahrscheinlichkeit behaftet. Umfangreiche Untersuchungen im Rahmen des Forschungsvorhabens „NAMES“ zum Zündverhalten von Edelstahl-Schlagfunken wurden durchgeführt und ausgewertet.
Für die Herstellung von funkenarmen Werkzeugen für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich werden überwiegend spezielle NE-Metalle verwendet. Diese haben eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, sind nur schwer oxidationsfähig und haben gemäß ihrem Anwendungszweck eine höhere mechanische Festigkeit als andere schwer oxidierbare NE-Metalle. Dennoch liegt die mechanische Festigkeit von Werkzeugen aus NE-Metall niedriger als von Edelstahl-Werkzeugen
Nur selten treten bei Schlagvorgängen mit nicht energiereichen Schlägen zwischen blanken Nichteisenmetallen und blankem, nicht rostigem, ferritischem, kohlenstoffhaltigem Stahl (C-Stahl) Funken auf. Bei Schlagfunkenprüfungen von NE-Metallen gegen Beton oder Estrich-Beton (Beton-Zusammensetzung eines typischen Chemieanlagen-Betonbodens) treten erfahrungsgemäß immer zu einem unterschiedlichen Anteil Funken auf. Deshalb werden von uns die NE-Metalle folgerichtig nur als funkenarme Werkstoffe bezeichnet. Ausgangspunkt für die Funkenbildung könnte die Gesteinskörnung der Beton-Schlagplatte sein. Beton und auch Estrich werden in der Regel mit natürlichen Gesteinen und Sanden hergestellt.
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.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.