3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik
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Compatibility of polymeric materials with heating oil/biodiesel blends at different temperatures
(2019)
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 admixtures of 10 % biodiesel (B10) and 20 % biodiesel (B20).
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 and chemical changes of polymeric materials.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used sealing materials such as FKM, EPDM, CR, CSM, NBR, IIR, VMQ, FVMQ, PA and PUR in up to four-year aged B10 for 84 days at 20 °C, 40 °C and 70 °C.
The polymeric materials: ACM, FKM, HNBR, PA, PE; POM, PUR and PVC were ex-posed to B20 for 84 days at 40°C and 70°C in another research project.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after the exposure for 84 (42) days in the heating oil blends B10 and B20.
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.
Measurements of the variations in mass, tensile properties and Shore hardness after exposure of the polymers in non-aged and aged heating oil B10 showed clearly that FKM, FVMQ and PA were the most resistant materials in B10. The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to B10. Damage to the materials increased with higher test temperatures and the age of B10.
FKM, POM and PVC showed high compatibility in B20 at 40°C and 70 °C. ACM, HNBR and PA were evaluated as resistant in B20 at 40 °C but not at 70°C.
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-FAME-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.
Die untersuchten Werkstoffe Aluminium, Stahl 1.0037, 1.4301, Kupfer, Messing (CuZn40Pb) und Zink (ZP0410) sind in B0, B20, B100 und in 6 Jahre altem B100 beständig.
Auch in einem Jahr alten B20 und in einem Jahr alten B100 sind die Werkstoffe beständig.
Bei Kupfer blieb die Korrosionsrate in der Flüssigphase sowohl in B20 (0 μ m/ a) als auch in B100 (4 μ m/ a) nach einem Jahr unverändert. Für das 6 Jahre alte B100 stieg die Korrosionsrate des Kupfers an (16 μ m/a). Im Gegensatz dazu sank bei Messing die Korrosionsrate in der Flüssigphase mit dem Alter des Brennstoffs, nach einem Jahr für B20 von 4 μ m/ a auf 1 μ m/a und für B100 von 36 μ m/ a auf 6 μ m/ a, im 6 Jahre alten B100 lag die Korrosionsrate des Messings bei 0 μ m/ a.
In 8 Jahre altem B10 trat bei Zink in der Flüssigphase Flächenkorrosion auf, es ist in dem Medium demnach nicht beständig. Messing zeigte örtliche Korrosion in der Gasphase, es ist folglich unbeständig und für den Einsatz in stark gealterten B10 nicht geeignet.
Aluminium, 1.0037, 1.4301 und Kupfer sind in dem 8 Jahre alten B10 beständig.
Die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung von ACM, HNBR und FKM in Heizöl, B20 und gealterten B10 beträgt < 15 %. Diese Werkstoffe sind in Heizöl, B20 und in gealterten B10 unter Berücksichtigung des von der BAM zur Beurteilung der Beständigkeit festgelegten Grenzwertes von 15 % bei 40 °C als beständig zu bewerten.
PUR ist bei 40 °C nicht beständig in B20 und in gealtertem B10. Bei 70 °C ist HNBR nicht in B20 beständig aufgrund der Verringerung der Zugfestigkeit (40 %) und der Reißdehnung (50 %). FKM ist bei 70 °C in Heizöl und in B20 beständig.
In Europe biodiesel gained from rapeseeds are considered as an alternative to common fossil fuels due to its environmental performance and its independence from import of raw materials. Biodiesel is also suitable to serve as blending component to heating oil. In that case, it must be considered that changes of fuel composition might cause material degradation.
The objective of this research was to investigate the resistance of metallic materials exposed to heating oil, heating oil blend B20 with 20 % biodiesel and pure biodiesel. Furthermore, the resistance of metals to eight-year aged B10 and six-year aged pure biodiesel was evaluated. Ageing of biodiesel forms acids and water which might propagate metal corrosion. The investigated metals (aluminium, unalloyed steel, austenitic CrNi-steel, copper, die cast zinc and brass) are commonly used for components in middle distillate facilities.
According to DIN 50905-4 the immersed metals were exposed in a climate chamber at 50°C for 4 weeks. The metallic materials were evaluated as resistant if the annual corrosion rate due to uniform corrosion remained under 0.1 mm/year and no localized corrosion in the form of pitting occurred.
The corrosion rates of the exposed materials stayed far below the limit of 0.1 mm/year for all tested fuels. An exception was die cast zinc ZP0410 in eight-year aged B10; a corrosion rate up to 0.3 mm/year due to uniform corrosion was measured. In no case localized corrosion occurred. Copper and brass caused discolouration of biodiesel from yellow to green.
In conclusion, the tested metallic materials were resistant in heating oil, heating oil blend B20 and pure biodiesel at 50 °C. Even the metals exposed to six-year aged biodiesel and eight-year aged B10 showed no uniform or localized corrosion; except for zinc, which was not resistant in eight-year aged B10.
Aus Rapsöl gewonnener Biodiesel ist eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Energiequellen. In der Europäischen Union, in der 80 % der ölhaltigen Brennstoffe importiert werden müssen, besteht zudem ein Interesse, die Abhängigkeit von exter-nen Ölversorgern zu reduzieren.
Bei jeder Veränderung der Zusammensetzung eines Brennstoffs muss auch die Ma-terialverträglichkeit gewährleistet bleiben. Es stellt sich die Frage, ob Elastomere im Vergleich zu reinem Heizöl auch in Heizöl mit 20 % Biodiesel (B20) beständig sind.
Die Polarität des Biodiesels erhöht die Quellung und fördert die Permeation und Ex-traktion. Sowohl Quellung als auch Extraktion bedingen Änderungen der physikali-schen Eigenschaften der Elastomere. Extraktion verändert die chemische des Heiz-öls. Diese chemischen Veränderungen können auch den Abbau (Hydrolyse und Oxi-dation) der Polymere durch das Herauslösen von Additiven und Stabilisatoren be-schleunigen.
Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Beständigkeit der Elastomere ACM (Poly-acrylatkautschuk), HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadienkautschuk), FKM (Fluorkaut-schuk) und PUR (Polyurethan) in Heizöl und im Heizölgemisch B20.
Prüfkörper der Elastomere wurden für 42 Tage (Härteprüfung) und 84 Tage (Zugprü-fung) bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde die Änderung der Masse, Shore Härte A, Zugfestigkeit, und Reißdehnung bezogen auf die Werte vor der Aus-lagerung bestimmt. Die weniger zur Quellung neigenden Elastomere FKM und HNBR wurden zusätzlich bei 70 °C ausgelagert.
Um die Elastomere im verpressten Zustand zu testen, wurde der Druckverformungs-rest nach DIN ISO 815 bestimmt. Hierzu wurden zylindrische Prüfkörper aus ACM, HNBR und FKM verpresst und in Heizöl und Heizöl mit 20 % FAME für 3, 7, 14, 28, 56 und 90 Tage bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde über die Dickenmes-sung der Druckverformungsrest ermittelt. Zum Vergleich wurden Prüfkörper verpresst und ohne Medium bei 40 °C ausgelagert.
In den internationalen Normen wurde kein Grenzwert für die Veränderung der Zugei-genschaften und der Härte für eine positive Bewertung der Beständigkeit festgelegt. Deshalb wurde in der BAM ein Grenzwert von 15 % für die Beständigkeitsbewertung herangezogen.
Bei 40 °C lag die Änderung der Zugeigenschaften und der Shore Härte von ACM, HNBR und FKM in Heizöl und in B20 unter 15 %. Folglich sind ACM, HNBR und FKM bei 40 °C in Heizöl und in B20 beständig. PUR ist bei 40 °C in Heizöl beständig, je-doch nicht für eine Verwendung in B20 geeignet, da sich die Zugfestigkeit und Reiß-dehnung um 50 % vermindert haben.
Bei 70 °C ist FKM in Heizöl und B20 beständig, wohingegen HNBR an seine Einsatz-grenzen gelangt und unbeständig ist, in B20 haben sich die Zugfestigkeit um 40 % und die Reißdehnung um 50 % reduziert.
Biodiesel is subject to degradation processes like oil and grease. The oxidative degradation products of vegetable oil esters in biodiesel particularly lead to enhanced sedimentation in blended fuels.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extraction. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties and chemical changes of polymeric materials. It also accelerates the degradation (hydrolysis and oxidation) of these materials with the loss of additives and stabilizers.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used polymeric materials such as ACM, EPDM, FKM, FVMQ, CR, CSM, IIR, HNBR, NBR, PA, PE; POM, PUR, PVC and VMQ in biodiesel and heating oil with 10 %/20 % biodiesel (B10/B20) at 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 biodiesel heating oil blends. The visual examination of some elastomer test specimens clearly showed the great volume increase until break or partial dissolution. Shore hardness A and D were determined before and after exposure of the test specimens in the biofuels for 42 days.
The elastomers CR, CSM, EPDM, IIR, NBR and VMQ were generally not resistant to biodiesel and B10 at 40°C and 70°C. FKM, ACM, HNBR, PA, PE, POM, and PVC showed high compatibility in B10/B20 at 40°C. A lower compatibility was determined for ACM in biodiesel. ACM and HNBR were not resistant in B20 at 70°C.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Union, 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 extraction. 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.
The objective of this research was to determine the resistance of frequently used materials for components in middle distillate facilities such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and heating oil blend B20 for 84 days at 40 °C, and FKM, HNBR, PA, POM, PUR and PVC at 70 °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.
For the investigations under compressed conditions, the mass and the compression set of FKM test specimens were determined before and after exposure for 3, 7, 14, 28, 56 and 90 days in B20 at 40 °C and 70 °C according to ISO 815-1 “Rubber, vul-canized or thermoplastic - determination of compression set – Part 1: At ambient or elevated temperatures”.
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.
The change of tensile strength and breaking elongation of test specimens made of ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC exposed to heating oil and the blend B20 was less than 15 % at 40 °C. A maximum reduction in Shore hardness A of 14 % was determined for ACM at 40 °C and for HNBR of 15 % at 70 °C.
It can be concluded that ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PVC and PUR were resistant in B20 at 40°C. FKM, PA, POM and PVC were evaluated as resistant in heat-ing oil and B20 at 70 °C, HNBR and PUR were not resistant in these fuels at 70°C.
Based on the mass increase and compression set values of FKM test specimens it can be stated that FKM is resistant in B20 under compressed conditions at 40 °C and 70 °C.
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-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist.
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-FAME-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.
Metallene Werkstoffe:
Weder örtliche Korrosion noch erhöhte Flächenkorrosion (Korrosionsrate:< 0,1 m/Jahr) sind bei den bisher geprüften Werkstoffen: Aluminium,
C-Stahl 1.0037, austenitischer CrNi-Stahl 1.4301, Kupfer und Messing in Heizöl und B20 (Heizöl mit 20% Biodiesel) aufgetreten. Diese Werkstoffe sind in den Prüfmedien Heizöl und B20 als beständig zu bewerten.
Es wurde keine signifikante Veränderung des pH-Wertes der Prüfmedien gemessen.
Polymere:
Massebestimmung:
Die Prüfkörper der Elastomere ACM, HNBR und PUR sowie in geringerem Maße PE neigten zur Quellung in Heizöl und B20 nach 42 d und 84 d Auslagerung; für PA 6, POM und PVC wurde keine Masseänderung gemessen. Die Masseänderung der Prüfkörper in Heizöl und B20 ist mit Ausnahme von PUR vergleichbar. Bei PE traten Verfärbungen durch die Brennstoffe auf.
Zugeigenschaften:
ACM, HNBR, PE und PVC sind in Heizöl und B20 beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 15 % beträgt. PA und POM sind bedingt beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 30% beträgt.
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.