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Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. For ensuring safety, storage cylinders must undergo a challenging approval process. Relevant standards and regulations for composite cylinders used for the transport of hydrogen and for its onboard storage are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or to some respect semi-probabilistic criteria (UN GTR No. 13; with respect to burst strength).
This paper provides a systematic analysis of the load cycle properties resulting from these regulations and standards. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the Federal Institute for Materials Research and Testing BAM. The most important aspect of comparing different concepts is the rate for accepting designs with potentially unsafe or critical safety properties. This acceptance rate is analysed by operating Monte-Carlo simulations over the available range of production properties.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Featuring a detailed analysis of current approval requirements and the relevant safety assessment methods for gas cylinders in general and with main focus on composite cylinders for storing ompressed natural gas and hydrogen, this book demonstrates how current regulations and standards limit the ability to reduce cost and weight. Based on this data, it then highlights the potential offered by the proposed approval procedure based on probabilistic safety assessment.
After addressing the economic potential of probabilistic safety assessments, the book details working procedures and improving cycles and (slow) bursts as methods for assessing residual strength. It then discusses methods for statistically evaluating test data, as well as sample- size and distribution character considerations. A definition of sample strength is elaborated in terms of the performance sheets developed by the author. On this basis, it discusses safety as a property of service life and interpreted as an issue of degradation, and explores aspects of artificial aging for simulating the end-of-life reliability level. Lastly, the book considers control and inspection aspects: quality of production, degradation prediction using destructive sample tests parallel to operation, retesting periods and correcting for underand overestimates of safe lifetime.
Presented in schematic diagrams, illustrations and tables, this information enables manufacturers and operators to use this new approach in practice and supports the improvement of current regulations and standards.
The application range of CPV (composite pressure vessels)
is multifaceted. But also the failure forms and the spectrum of measurement methods is manifold. On various, at BAM observed effects, it is shown why the micromechanical analysis of the composites is of such great interest for the prediction of aging effects of CPVs.
This presentation mentions the most important safety items that should be improved from the perspective of Germany.
These are the improvement of the understanding and definition of term "safety", the agreement on procedures for the measurement of safety and the issue of degradation in combination with the safety level to be ensured until end of life.
For using probabilistic experience for the whole production adequate measures for surveillance of the production should additionally become mandatory to be taken into account.
The essential aspects of these issues are shortly explained and highlighted by especially aspects of the slow burst testing with respect to non-cycle fatigue sensitive designs and the hint on the general scatter of properties (Monte-Carlo simulation).