3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik
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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.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Un-ion, where 80 % of the oil-based fuel is imported, there is also the desire to reduce dependence on external oil supplies.
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with 20 % biodiesel (B20) in comparison to pure heating oil.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extrac-tion. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties. Extraction alters the fuel chemistry. These chemical changes could also accelerate the degradation (hydrolysis and oxidation) of the polymeric material with the loss of additives and stabilizers.
Exposure tests to determine the resistance of polymers frequently used for compo-nents in middle distillate facilities, such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and a blend of heating oil and 20 % biodiesel (B20) were al-ready performed.
The objective of this research was to determine the resistance of these polymers in 8-year aged heating oil blend B10 and 1-year aged blend B20 at 40 °C.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after exposure for 84 (42) days in the test fuels under static conditions.
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 deter-mined for the evaluation of the compatibility.
A significant reduction in Shore hardness was determined after exposure of ACM and PUR test specimens in 1-year aged B20.
The tensile strength of PUR test specimens in 1-year aged B20 was reduced by more than 50 %, and the breaking elongation by more than 30 %.
A decrease in breaking elongation was measured for POM test specimens after ex-posure to 1-year aged B20 by 25 % (limited resistance).
8-year aged B10 had a stronger effect than 1-year aged B20 on the polymers. ACM test specimens were softened by B10 resulting in a drop of Shore hardness by over 20 %. B10 reduced tensile strength and breaking elongation of PUR test specimens by over 50 %. In contrast, the breaking elongation of POM was increased by over 270 %.
It can be concluded that the polymers HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 1-year aged B20 whereas ACM and POM are limited resistant. PUR is not re-sistant.
HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 8-year aged B10, whereas PUR and POM are not resistant, and ACM just limited resistant.
To reduce the global emission of CO2, liquified natural gas (LNG) is increasingly used as fuel. As the pipeline network is not developed all around the globe, LNG needs to be transported via ship or truck. Double-walled tanks made of steel with a vacuum insulation are currently used to keep LNG at cryogenic temperatures (-162 °C; 111 K). The double-walled construction makes the tanks heavy and expensive. The vacuum insulation between the two walled structure ensures that the LNG stays liquid over the transportation time (boiling point of LNG: -162 ◦C). This causes a high temperature difference between the transported good and the ambient air. Furthermore, there are some restrictions in carrying out in-service inspection using a double-wall design. Therefore, alternative tank designs, such as single wall glass fiber reinforced plastics (GFRP), are of growing interest.
The material properties of GFRP and tank insulation at cryogenic temperatures are investigated. Liquified nitrogen (-196 °C; 77 K) is used for all experiments at cryogenic temperatures for safety reasons. Thermal conductivity of different layers are investigated and compared. Mechanical properties are analyzed by performing 3-point bending tests on cooled specimen. When cooled, the specimens fail at a higher force, but all layers of the laminate fail at once. Further investigations into the characterization of material properties, such as CT scans are currently in preparation.
Evaluation is done by FEM and in approximation via analytical solutions.
Im DGMK-Projekt 780 wurde eine forcierte Prüfmethode entwickelt zur Bestimmung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen gegenüber Brennstoffen aus Mitteldestillaten und Gemischen aus Mitteldestillat und paraffinischen Kohlenwasserstoffen, die jeweils Fettsäuremethylester (FAME) als biogene Komponente enthalten. Bei der Prüfmethode werden Proben des Werkstoffes in einem speziellen Prüfmedien ausgelagert. Die Zusammensetzung von zwei Prüfmedien wurde im Vorhaben erarbeitet. Die Prüfmedien decken für den FAME-Anteil einen Bereich von bis zu 20 % (V/V) ab. Die Auslagerung kann bei geringem Aufwand unter Atmosphärendruck durchgeführt werden.
Die Eignung einer Auswahl von metallenen Werkstoffen und Polymerwerkstoffen, die für Versorgungsanlagen für Mitteldestillat relevant sind, wurde durch Auslagerung in folgenden nicht gealterten Brennstoffen bestimmt: Heizöl EL schwefelarm (B0), Heizöl EL schwefelarm mit 20 % (V/V) FAME (B20), FAME (B100) und hydriertes Pflanzenöl (HVO). Die Temperatur bei der Auslagerung betrug 50 °C für die metallenen Werkstoffe und 40 °C und 70 °C für die Polymerwerkstoffe. Die Ergebnisse der Beständigkeitsbewertung wurden in Beständigkeitslisten zusammengefasst. Die mit dem B20 erhaltenen Werkstoffbeständigkeiten gelten generell für Gemische aus Heizöl EL schwefelarm und FAME mit einem FAME-Gehalt bis zu 20 % (V/V). Sie sind auch auf Gemische aus Dieselkraftstoff und FAME mit einem FAME-Gehalt bis 20 %(V/V) übertragbar.
Die forcierte Prüfmethode kann insbesondere KMUs bei der Weiterentwicklung von bestehenden Produkten und der Entwicklung von neuen Produkten als ein kostengünstiger Schnelltest zur Überprüfung der Werkstoff- und Bauteilbeständigkeit gegenüber Mitteldestillaten mit hohem FAME-Anteil dienen. Sie kann für die Hersteller die Sicherheit erhöhen, dass Bauteile die Freigabeprüfungen der Bauaufsicht bestehen, wobei die Freigabe aber nur für Deutschland gültig ist.
Die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens können in eine harmonisierte Europäischen Norm für alternative Brenn- und Kraftstoffe einfließen. Diese ist für die Bauteilhersteller die Voraussetzung für die Erschließung des europäischen Marktes.