Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
Die Monte-Carlo-Simulation ist eine geeignete Methode, um Festigkeitseigenschaften wie z.B. Berstdruck, oder auch die Lastwechselfestigkeit von ganzen Population von Druckbehältern zu simulieren.
Dies erlaubt wiederum die systematische Analyse der Wirksamkeit von deterministischen Mindestanforderungen und die Optimierung entsprechender Zulassungsvorschriften.
Due to high specific stiffness, fibre reinforced plastics are the dominant material group for the design of mobile pressure vessels. At the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM) aging process of composite pressure vessels is studied to be able to give more accurate lifetime predictions in future. Investigations are based on type III breathing air cylinders consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. Goal is to detect changes of residual stresses over life time which directly affect fatigue strength. Within this paper an approach is presented to monitor residual stresses via an experimental modal analysis (EMA). First, the influence of changed stress conditions on modal parameters is analysed via a numerical study. Secondly, a test bench for an EMA is set up. To be able to analyse cylinders of different prestress condition, several specimens are prestress modified via high-temperature and high-pressure treatment. During modification processes, specimens are monitored via optical fibres to control prestress modifications. Through experimental measurements of the modified specimens via EMA changes in prestressing can be detected. Finally, validity and accuracy of the EMA is evaluated critically by comparing all numerically and experimentally obtained data.
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.
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.
Viele Konzepte zur Sicherheitsbewertungen beruhen auf der Untersuchung weniger, oder einzelner Prüfergebnisse. Aber auch im Fall umfangreicherer statistischer Untersuchungen können nur begrenzte Stichproben untersucht werden. Mittelwerte und Streuung kleiner Stichproben weichen mehr oder weniger von den wahren Eigenschaften des untersuchten Baumusters ab. Solche Abweichungen werden derzeit nicht oder nur sehr vage berücksichtigt. In diesem Aufsatz wird der Einfluss der Unsicherheiten aus Stichproben anhand der Bewertung von Composite-Druckgefäßen durch Berst- und Lastwechselprüfungen dargestellt.
Das Buch zeigt einen alternativen Weg der Sicherheitsbeurteilung von Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen. Dies ist insbesondere für die Mobilität der Zukunft und die zugehörige Energieversorgung mit Bio-/Erdgas und Wasserstoff von Interesse. Mit statistischen Methoden gelingt es, die Sicherheit auch jenseits der Grenzen aktueller Vorschriften fundiert zu beurteilen. Es wird dargelegt wie eine probabilistische sicherheitsbeurteilung als Alternative aussehen könnte. Dieser Ansatz basiert auf neuen Verfahren der zerstörenden Prüfung und statistischer Auswertung relevanter Festigkeitseigenschaften. Hierzu zählen die langsame Berstprüfung und ein spezielles Arbeitsdiagramm zur Auswertung von Stichproben. Darüber hinaus erlaubt der Ansatz die Quantifizierung der Degradation im Betrieb und zeigt Wege zur Abschätzung der Lebensdauer. Sicherheit wird diskutiert als Kombination von Überlebenswahrscheinlichkeit und Konsequenz.