Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Organisationseinheit der BAM
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
Fibre-reinforced plastics (FRP) especially carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) and glass-fibre-reinforced polymer (GFRP) are commonly used materials in high pressure vessels and storage units for automotive and aerospace purposes. Optical fibres are suitable to be integrated or directly applied to the surface of FRP components. Using optical fibres it is possible to monitor the distributed strain profiles and changes within the fatigue life of a pressure vessel to ensure the operational safety. Within artificial ageing experiments we used swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of commercial high-pressure composite cylinder. This artificial ageing was performed using test conditions of 503bar pressure load (service pressure 300 bar) and 89 °C for 100 h. The polyimide coated optical fibres were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. Using distributed strain sensing (DSS) material expansion of over 0.5% were monitored with sub-centimetre spatial resolution. Within the circumferential direction we observed up to 10 % local fluctuation compared to the median strain caused by inhomogeneous material expansion, which could cause local material fatigue. In addition, we determined material degradation manifested itself as localized remaining material expansion and/or contraction. Results have been validated by other non-destructive methods like digital strip projection.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. For ensuring safety they have to undergo a challenging approval process. Relevant standards and regulations for composite cylinders used for the transport of for on-board storage of hydrogen are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or semi-probabilistic (UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the properties of such methods in regards to the evaluation of load cycle strength. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the BAM. Based on Monte-Carlo simulations, the available design range (mean value and scatter of strength criteria) of current concepts were exemplarily estimated. The aspect of small sample sizes is analysed and discussed with respect to the evaluation procedures.
Neue Ansätze für die sichere Auslegung von Treibgasspeichern - Probabilistik und Risikoansatz
(2004)
Die Beurteilung neuer Techniken bezüglich der Gefährdung
von Dritten wird immer weniger mit Hilfe traditioneller, auf
Erfahrung und Iteration basierenden Betrachtungsweisen
hinreichend möglich. Deshalb werden zunehmend probabilistische
Analysen und Risikobetrachtungen erforderlich. Diese
Verfahren bieten zudem die Möglichkeiten, ein System
z. B. gegenüber Eigengewicht oder Wartungsaufwand bei
gleicher oder auch besserer Sicherheit zu optimieren.
Vor diesem Hintergrund werden zunächst die Begriffe Risiko
und Chance bzw. Gefahr und Sicherheit erläutert.
Am Beispiel von Treibgasspeichern wie sie auch für die
Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen eingesetzt werden
wird gezeigt, dass die bisherige, deterministische
Betrachtungsweise von Druckbehältern und deren statische
Sicherheit (z. B. gegen Bersten) kein hinreichendes Maß der
Sicherheit als Gegenteil von Gefahr darstellt oder sogar
irreführend für die richtige Einschätzung ist.