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Organisationseinheit der BAM
Für die Beförderung von umschlossenen radioaktiven Stoffen (Strahler) können Transporterleichterungen gelten, wenn das Strahlerdesign nachweislich unfallsicher ausgelegt ist und eine Zulassung als radioaktiver Stoff in besonderer Form vorliegt. Die in Deutschland zuständige Behörde für die Prüfung und Zulassung radioaktiver Stoffe in besonderer Form ist die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM).
Eine oft langfristige Nutzung der Strahler kann eine alterungsbedingte Schwächung der Umschließung des radioaktiven Stoffes zur Folge haben. Jeder Strahler einer zugelassenen Bauart muss jedoch im Beförderungsfall zu jeder Zeit, auch nach längerer Nutzung, den vorgeschriebenen Prüfanforderungen genügen. Die Alterungsbewertung auf der Grundlage einer vom Antragsteller zu spezifizierenden Nutzungsdauer des radioaktiven Stoffes in besonderer Form ist seit langer Zeit Bestandteil des Zulassungsverfahrens in Deutschland. Ein von Deutschland eingebrachter Vorschlag im Rahmen der anstehenden Revision der IAEA Empfehlungen für die sichere Beförderung von radioaktiven Stoffen (SSR-6) soll die Lesbarkeit des Regelwerkes bezüglich der Alterungsbewertung verbessern, Klarheit über die damit verbundenen Anforderungen erzeugen und damit zu einer Harmonisierung der Zulassungsverfahren auf internationaler Ebene beitragen. In diesem Beitrag sollen wichtige Einflussfaktoren auf das Alterungsverhalten von radioaktiven Stoffen in besonderer Form aufgezeigt und die Notwendigkeit für die Spezifikation einer Nutzungsdauer als Grundlage für die Alterungsbewertung begründet werden. Der deutsche Vorschlag für die Revision des IAEA Regelwerks zum sicheren Transport radioaktiver Stoffe (SSR-6) wird vorgestellt und erläutert.
A new dual purpose cask design was developed for the safe transport and interim storage of spent fuel elements of German research reactors. In the framework of the safety assessment within the licensing procedure the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) as competent authority performed a series of drop tests according to the IAEA-Regulations [1]. The package consists of a cylindrical thick-walled ductile cast iron cask body closed by a double lid system with metallic seals. A lid and bottom sided impact limiter consisting of a wood/steel construction limit the mechanical impact loading. The full-scale test specimen was equipped with a basket and assembled with dummy-fuel elements. The package and test specimen, respectively have a total mass of approximately 24 metric tons.
The mechanical test program included three 9m free drop tests, in horizontal, vertical and oblique cask orientation onto the lid system. Additionally, a 1m-puncture drop test followed the horizontal drop test to consider an IAEA-test sequence. The horizontal and vertical drop tests were performed at a temperature of minus 40°C. During the oblique drop test the upper impact limiter was heated to +80°C. The tests were conducted onto an unyielding target, fulfilling the requirements of the IAEA regulations [1].
The test specimen was considerably instrumented with strain gauges and accelerometers. Transient strains at selected locations of the inner and outer container walls, of the primary and secondary lid, as well as of the corresponding lid bolts were measured during the drop tests. Furthermore, decelerations in different locations at the cask body and the lids were measured. The complex geometrical deformation of the impact limiters due to the impact were determined by optical 3d- measurements using the projected fringe method in combination with multi-image photogrammetry. Before and after the drop tests the leakage rate of the lid system was determined by helium leakage testing.
The experimental results contribute to the evaluation of the package response to mechanical tests, demonstrating safety under normal and accident conditions of transport. Especially to the verification of the dynamic finiteelement model of the package used in the package design safety report [2]. The paper describes the performance of the drop tests, selected test results focusing on the lid screws and the cask body and the deformation of the impact limiters as well as impact kinematics, respectively.
A new dual purpose cask design was developed for the safe transport and interim storage of spent fuel elements of German research reactors. In the framework of the safety assessment within the package approval procedure the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) as competent authority performed a series of drop tests according with the IAEA Transport Regulations. The package consists of a cylindrical thick-walled ductile cast iron cask body closed by a bolted lid system with metallic seals. A lid and bottom sided impact limiter consisting of a wood/steel construction limit the mechanical impact loading. The full-scale test specimen was equipped with a basket and assembled with dummy-fuel elements. The package and test specimen, respectively have a total mass of approximately 24 metric tons. The mechanical drop test program included three 9m free drop tests, in horizontal, vertical and oblique cask orientation onto the lid system. Additionally, a 1m-puncture bar drop test followed the horizontal drop test to consider an IAEA-drop test sequence. The horizontal and vertical drop tests were performed at a temperature of minus 40°C. During the oblique drop test the upper impact limiter was heated up to +80°C. The tests were conducted onto an unyielding target, fulfilling the IAEA requirements. The test specimen was considerably instrumented with strain gauges and accelerometers. Transient strains at selected locations of the inner and outer container walls, of the primary and secondary lid, as well as of the corresponding lid bolts were measured during the drop tests. Furthermore, decelerations in different locations at the cask body and the lids were measured. The complex geometrical deformation of the impact limiters due to the impact were determined by optical 3D- measurements. Before and after the drop tests the leakage rate of the lid system was determined by helium leakage testing. The experimental results contribute to the evaluation of the package response to mechanical tests, demonstrating safety under normal and accident conditions of transport and especially to the verification of the dynamic finite-element model of the package used in the package design safety report.
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.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2019)
The recent growing of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by batterie vehicles or tube-trailers, both in composite pressure vessels. As transport regulation the ADR is applicable in Europe and adjoined regions and used for national transport in EU. This regulation provides requirements based on the burst pressure of each individual pressure vessel, regardless the capabilities of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from worst case scenarios. In 2012, BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national requirements concerning the “UN service life checks” etc. to consider the transported volume and pressure of gases. However, this results in a stringent requirement in case of using large pressure vessels (so called “tubes”) on vehicles. In the studies presented here, the safety measures for hydrogen road transport are identified and reviewed through some safety measures from some countries like Japan, USA and China. Subsequently, the failure consequences of using trailers, the related risks and chances are evaluated. Finally, a chance-related risk criterion is suggested to add into regulations and consequently to be defined as safety goal in standards for hydrogen transport vehicles and consequently for mounted pressure vessels.
It is pertinent to have a correct description of fibre strength described by the twp parameter Weibull distribution when evaluating a type Iv pressure vessel using the fibre break multiscale model developed at Mines ParisTech. Earlier studies have shown a positive comparison result when T600S fibre strength were used. This study has discovered what would be the effect on the predicted strength when T700S strength is used.
The Reduced Volume Method (RVM) has been used to evaluate the multiscale fibre break model developed at Mines ParisTech. It allows the model to be assigned only at certain part of the structures without necessarily compromising the final prediction. An attempt to model a simple unidirectional composite structure has also been carried out and gave a satisfying result. This paper deals with the application of the RVM to real scale type IV composite cylinders, where its stacking sequence was evaluated through micro-CT scans conducted with the collaboration of the University of Southampton. Two modelling geometries were evaluated and compared with the corresponding experimental results.
Defining a Reduced Volume Zone for the Simulation of Burst Test on a Composite Pressure Vessels
(2018)
The random nature of fibre break in composite materials has to be modelled in all part of the structure as it may contain millions of fibres. The reduced volume method was introduced to determine a smaller zone where we could characterise the strength based on the accumulation of fibre break, hence increasing the computation time
The developed model has certain limitations of the element size to be used in the simulation to characterise the strength of composite materials. A reduced volume method is proposed in order to reduce the number of degree of freedom of the finite element simulation.This study has revealed certain configuration to be followed to speed up the computation time.
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.