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Materials testing under mechanical stress, pressure and turbulent flow of impure supercritical CO2
(2013)
The climate change necessitates measures to reduce carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere, one of which is carbon dioxide capture and storage (CCS). Transmission of pressurized liquid or supercritical CO2 containing residual flue gas constituents in pipelines is an important component of CCS systems. Material testing under conditions as close as possible to real conditions is a prerequisite for reliable and safe implementation of CCS. A novel pipeline corrosion test facility was developed, accounting for major mechanical, physical and chemical influencing factors: elastic deformation, pressure, temperature, gas composition and flow velocity can be independently adjusted. Radial and tangential stress distributions on a round sample were experimentally investigated, indicating a good accordance with expected theoretical values. In this contribution the idea of the novel corrosion test facility and the assembled equipment as well as first results are presented and discussed.----------------------------------------------------------------------------------------------------Die Klimaveränderung macht Maßnahmen zur Reduktion von Kohlendioxidemission (CO2) in die Atmosphäre erforderlich, Rückhalt und Speicherung in tiefen geologischen Formationen (carbon capture and storage (CCS)) stellt eine davon dar. Der Transport von verflüssigtem oder superkritischem CO2 mit Verunreinigungen in Pipelines stellt einen wichtigen Teil von CCS-Systemen dar. Die Materialprüfung unter möglichst realitätsnahen Bedingungen ist eine wichtige Voraussetzung für die Einrichtung zuverlässiger und sicherer CCS-Systeme. Hierzu wurde eine neue Versuchseinrichtung zur Korrosionsprüfung von Pipelinewerkstoffen entwickelt, die folgende wesentliche physikalische und chemische Einflussgrößen berücksichtigt: Elastische Verformung, Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, und Fließgeschwindigkeit können unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Verteilung der Radial- und Tangentialspannungen wurden in einer Rundprobe untersucht, und die Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmungen mit den theoretisch zu erwartenden Werten. In dem vorliegenden Beitrag werden die Idee zu der neuen Korrosionsprüfeinrichtung und erste Ergebnisse vorgestellt sowie diskutiert.
Im Zuge der Anwendung des Schadens-Toleranz-Prinzips wird ein adäquates zerstörungsfreies Prüfsystem benötigt um strukturelle Integrität sicher zu stellen. Wenn ein zerstörungsfreies Prüfsystem jedoch bis zu den Grenzen der Detektionsfähigkeit beansprucht wird, liefert es keine übereinstimmende Indikationen der Defektentdeckung (Hit/Miss). Deshalb wird dessen Fähigkeit Defekte zu entdecken als Entdeckungswahrscheinlichkeit (POD Probability of Detection) ausgedrückt. In der herkömmlichen 'Signal Response' Signal-Antwort-Zuverlässigkeitsanalyse wird die Entdeckungswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Defektgröße angegeben. Die Eignung des Prüfsystems wird durch den Vergleich der Größe des Defektes, der zuverlässig entdeckt wird, mit der des größten zulässigen Defektes, der die strukturelle Integrität nicht gefährdet, verifiziert. Analysen moderner Strukturen zeigen aber, dass auch andere Parameter den Schweregrad des Defektes bzgl. der Integrität der Struktur bestimmen können. Im Rahmen der Multi-Parameter-Zuverlässigkeitsanalyse kann die Entdeckungswahrscheinlichkeit als eine Funktion verschiedener Einflussparameter ausgedrückt werden. Wenn die Eignung des zerstörungsfreien Prüfsystems bestimmt wird, muss die Fähigkeit des Systems Defekte zu entdecken gegenüber dem kritischen Wert genau des Parameters ausgedrückt und geprüft werden, der den Schweregrad des Defektes für die Integrität der Struktur bestimmt. Die Nichterfüllung dieser Forderung kann zur Ablehnung von intakten Teilen oder der Akzeptanz von schlechten Teilen führen. Das Prinzip wird anhand von longitudinalen Ultraschall-Sende-Empfangs-Prüfdaten der Gußeisenmatrix mit oberflächenoffenen, semi-elliptischen, rißartigen Defekten demonstriert.
Der Artikel beschreibt eine arbeitspsychologische Analyse des Einflusses der menschlichen Faktoren auf die Zuverlässigkeit zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP). Im Zeitraum von 5 Jahren wurde eine Serie von Untersuchungen zur wiederkehrenden Prüfung in Kernkraftwerken sowie zur Prüfung von Komponenten für die Endlagerung von radioaktivem Abfall durchgeführt. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über vier Studien, diskutiert ausgewählte experimentelle Ergebnisse, und schlägt sich daraus ergebende Möglichkeiten zur Optimierung des ZfP-Verfahrens, der Prüfanweisung sowie zur Schulung des Personals vor. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl hoher Zeitdruck als auch hohe psychische Arbeitsbeanspruchung die Qualität des Prüfungsergebnisses negativ beeinflussen. Auffällig waren die Einflüsse der Einteilung des Arbeitsplans, der Kommunikation, der Prüfanweisung, der Prüfaufsicht sowie der Demonstrationsübung. Die abgewandelte Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (Failure Mode and Effects Analysis FMEA) wurde zur Identifizierung potentieller menschlicher Risiken während der Datenaufnahme und deren Auswertung benutzt. Darauf basierend werden verschiedene Präventivmaßnahmen, wie z.B. menschliche Redundanz und Automatisierung vorgeschlagen, sowie sich daraus möglicherweise ergebende Probleme diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass menschliche Redundanz bei kritischen Anwendungen, wie beispielweise der Fehleridentifizierung, zu anderen Fehlerquellen führen kann, wie sozialem Faulenzen bei den Prüfern. Die Verwendung automatisierter softwarebasierter Entscheidungshilfen zur Fehlererkennung bzw. Fehlergrößenbestimmung kann zu übersteigertem Vertrauen in das automatisierte System (automation bias) durch die Prüfer und somit zu Fehlentscheidungen führen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Prüfung in ungewollter Weise beeinflusst werden. Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der technischen Prozesse zu gewährleisten ist es wichtig, als Hauptfehlerquelle nicht mehr nur das einzelne Individuum zu sehen, sondern ebenfalls die Organisation zu berücksichtigen.
Das Ziel des Artikels ist es eine Übersicht über neue methodische Ansätze und Verfahren zur Bewertung der Zuverlässigkeit von ZfP-Systemen in Übereinstimmung mit den spezifischen Anforderungen verschiedener industrieller Anwendungen zu geben. Nach einem Überblick über die in den vergangenen Jahrzehnten erreichten Fortschritte, wird der Fokus auf die gegenwärtigen Entwicklungen gerichtet. Für hohe Sicherheitsanforderungen wurde die quantitative Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (probability of detection, POD) basierend auf 'hit/miss'- oder 'Signal-Response'-Analysen und die ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristics) als typische Werkzeuge entwickelt. Im Rahmen des modularen Modells für die ZfP-Zuverlässigkeit unterscheidet man zwischen den rein physikalisch-technischen Einflussfaktoren, den industriellen Anwendungsfaktoren und den menschlichen Faktoren. Es hilft zum Beispiel zu erkennen, welche dieser Faktoren man in Modellierungsrechnungen bzw. mittels offenen oder Blindversuchen untersuchen kann. Ein neues Paradigma wird für die Betrachtung der POD als eine Funktion der gewählten Systemparameter und somit als Optimierungswerkzeug verwendet, anstelle sie für die endgültige Beurteilung zu nehmen. Zur Handhabung der Zuverlässigkeitsuntersuchung von realen Defekten in einer realistischen Umgebung werden ökonomisch vertretbare, aber dennoch präzise genug arbeitende Methoden, wie der Ansatz von Bayes oder modellbasierte Methoden vorgestellt. Die menschlichen Faktoren sind oft von ausschlaggebender Wichtigkeit für die Gesamtzuverlässigkeit. Hier hilft ein systematischer psychologischer Ansatz die Engpässe und Verbesserungsmöglichkeiten zu finden.
Herein, we report on how to teach a thermoplastic polyurethane elastomer completely stress-free, bidirectional motion. Briefly spoken, we applied training, consisting of extensive tensile deformation in the specimen's viscoelastic state, initiating deformation-induced crystallization. Once unloaded, thermo-reversible specimen expansion and contraction could be detected. Following the microstructural evolution of such a trained specimen by in situ wide-angle X-ray scattering gave evidence for progressive growth of oriented crystallites during cooling. Upon heating, crystallite melting resulted in structural disorder. Beyond this, modification of the training method was used to introduce a geometrically more complex crystalline order. Here, actuation in the form of a decrease and an increase in sample thickness and specimen twisting and untwisting were witnessed. The novel semi-crystalline polymer actuator highlights an enormous potential for realizing versatile reversible shape changes in elastomers.
Structural supercapacitor electrolytes based on bicontinuous ionic liquid-epoxy resin systems
(2013)
'Structural electrolytes' retain the desirable mechanical characteristics of structural (epoxy) resins whilst introducing sufficient ionic conductivity to operate as electrolytes in electrochemical devices. Here, a series of ionic liquid–epoxy resin composites were prepared to identify the optimum system microstructure required to achieve a high level of multifunctionality. The ionic conductivity, mechanical properties, thermal stability and morphology of the cured epoxy based structural electrolytes were studied as a function of phase composition for three fully formulated high performance structural epoxy systems. At only 30 wt% of structural resin and 70 wt% of ionic liquid based electrolyte, stiff monolithic plaques with thicknesses of 2–3 mm were obtained with a room temperature ionic conductivity of 0.8 mS cm-1 and a Young's modulus of 0.2 GPa. This promising performance can be attributed to a long characteristic length scale spinodal microstructure, suggesting routes to further optimisation in the future.
Digital detectors such as phosphor imaging plates (IP) and digital detector arrays (DDA) enable radiographic inspection with higher efficiency and improved image quality in comparison to the classic film technique. The mobile mechanised tomographic system TomoCAR (tomographic computer aided radiology) was developed first for inspection of circumferential welded seams of pipes. It consists of the manipulator based position control of an X-ray tube in front of the region to inspect and a digital detector array behind it. The high contrast sensitivity technique was combined with planar tomography. The tomographic reconstruction allows the three-dimensional (3D) representation of the material structure and included defects, equivalent to a metallographic cross sectioning. The hardware design is based on a specially developed flat X-ray tube and a direct converting CMOS detector array on CdTe basis. TomoCAR is applied for sizing of volumetric and planar defects. It allows the reliable detection of planar defects with openings larger than 25µm by subpixel resolution due to the achieved high signal-to-noise ratio. TomoCAR was successfully qualified as the result of a German pilot study on the basis of the European Network of Inspection and Qualification (ENIQ) guidelines for application in the nuclear power industry. Application examples are presented. The TomoCAR design was modified for in situ inspection of large aircraft components under production conditions. A gantry gate based planar tomograph was constructed and tested for inspection of the integrity of large flat CFRP panel components of up to 3 m × 9 m size. The integrity of imbedded stringers has been successfully observed. Different trials were performed to prove the finding rate of cracks in embedded stringers, which will be presented and discussed.
Hydraulic pressure testing of composite gas cylinders damages the cylinders, but provides very limited information. For this reason, the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM) demands the assessment of the safety of design types for retest periods of more than three years by employing destructive testing of small samples.
This gives insight in properties not quantified by current standards.
Depending on the cycle fatigue behaviour of the individual design type either cycle tests or slow burst tests are employed. In this paper methods are introduced for a statistical assessment of sample results of both test methods. This includes gathering the average and load cycle burst strength, and the scatter of a sample as well as analysing and plotting them as a pair of values. Each pair of values representing a sample can be assessed approximately regarding its survival rate in service, if the introduced performance charts are employed.
The current practice of periodic retesting of composite pressure receptacles primarily based on the hydraulic pressure test has to be evaluated as critical.
This is justified by micro damages caused to the specimen by the test
itself and by a lack of informative values. Thus, BAM Federal Institute of Materials Research and Testing uses a new validation approach in the case of retest periods of more than 5 years. It enables the description of the condition of a specific design type series based on destructive tests parallel to operation. With respect to this approach it is explained how the statistical evaluation of sample tests and their extrapolation to end of life or at least to the time of next retesting can be achieved. In addition, it is explained how the reliability limits may be linked to the size and pressure level of the respective composite pressure receptacle. The frame of this safety Approach includes the influence of the maximum working pressure on the safety assessment.
One topic of this approach is the introduction of the working diagram
essential for safety assessments that allows graphical evaluation of load cycle strength by mean value, scatter and survival rate of samples as well as instruction how to use it. For this, it is explained how the number of filling cycles and the reduction of the respective hydraulic residual cycle strength interacts with the newly introduced value of specific filling sensitivity.