Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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Zur Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende ist eine zuverlässige Transportinfrastruktur unverzichtbar. Hierfür ist die Nutzung großer Teile des vorhandenen Erdgasnetzes vorgesehen. Im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten ist das Schweißen im Betrieb an Erdgaspipelines Stand der Technik. In Verbindung mit Wasserstoff wirft diese Technik jedoch Fragen der Materialverträglichkeit auf. Das im Vortrag vorgestellte Projekt H2SuD leistet Beiträge zur Aufklärung des Einflusses von Reparaturschweißprozessen auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen. Ein Schwerpunkt des Vortrages liegt auf der im Projekt erarbeiteten Prüfmethode für Modellversuche, mit denen der Einfluss von Schweißen im Betrieb an Pipelines auf die Wasserstoffaufnahme getestet wird. Die Durchführung erster Versuche und dabei erzielte Ergebnisse werden präsentiert.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Druckbehälter mit großen Wandstärken (250+ mm) aus hochwarmfesten, niedriglegierten Stählen werden hauptsächlich Mehrdraht-Unterpulver-(UP) geschweißt. Der damit verbundene hohe Energieeintrag führt unter anderem zu hohen lokalen Schweißeigenspannungen, welche bei unsachgemäßer Prozessführung der notwendigen Wärmenachbehandlung (PWHT) zu Spannungsrelaxationsrissen (SRR) führen. In den Bewertungskriterien zur SRR-Anfälligkeit finden weder die, mit klassischen, freischrumpfenden Schweißversuchen nicht abbildbaren, erhöhten Eigenspannungen aus der Schrumpfbehinderung der Bauteilsteifigkeit Beachtung, noch damit einhergehende metallurgischen Effekte.
Die Aufheizrate des PWHT als Einflussfaktor für die SRR-Bildung bleibt blieb bisher unbeachtet. Daher wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, die eine mögliche SRR-Anfälligkeit durch die Kopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung untersucht. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Gefügen thermisch simuliert und während des PHWT repräsentativ mit sehr hohen Lasten/Eigenspannungen mechanisch beansprucht. Dazu wurde das as-welded UP-Schweißgut und die thermisch simulierte GKZ eines 13CrMoV9-10 Stahls untersucht und an Kleinzugproben, die Dehnung bei variablen Querspannungen und Aufheizraten gemessen.
Es besteht die grundsätzliche Anforderung, dass alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden dürfen, wenn sie sicherheitstechnisch auch für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeignet sind. Der Vortrag stellt nicht nur die gängigen Prüfverfahren und Beurteilungskriterien. Es werden auch die folgenden Fragen beantwortet, die häufig von Wirtschaftsunternehmen und Verbänden gestellt werden:
- Welchen praktischen Anwendungsfall bilden die Prüfungen ab?
- Welche Untersuchungsmethoden führt die BAM durch?
- Warum verwendet die BAM ergänzende Beurteilungskriterien bei der sicherheitstechnischen Interpretation von Prüfergebnissen?
- Warum empfiehlt die BAM chargenbezogene Materialprüfungen?
- Worin unterscheiden sich die zwei von der BAM verwendeten Methoden zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit von Armaturen und Anlagenteilen und welche Vor- und Nachteile bietet jede dieser Methoden?
Grundsätzlich dürfen alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sind. Neben allgemeinen Sauerstoff-spezifischen Anforderungen stellt der Vortrag die standardisierten Prüfverfahren und die Untersuchungsmöglichkeiten der BAM vor. Die Beurteilungskriterien für die Prüfverfahren werden kritisch betrachtet und es wird erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet. Um den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall abzubilden, ist unter gewissen Umständen die Anpassung des Prüfumfangs möglich. Außerdem wird dargestellt, warum die BAM chargenbezogene Materialprüfungen empfiehlt.
Auch Sauerstoff- Armaturen und Anlagenteile müssen sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sein. Zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit werden die zwei an der BAM praktizierten Vorgehensweisen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vorgestellt: Untersuchung der Armatur als komplette Funktionseinheit bzw. Beurteilung der Armatur auf Basis der Untersuchungen der eingesetzten Materialien. Neben den Anforderungen aus produktspezifischen Normen wird auch für diesen Fall kurz erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet bzw. den Prüfumfang anwendungsfallbezogen anpasst.
Die Vermeidung von Heißrissen beim Schweißen ist für die Sicherheit geschweißter Komponenten unerlässlich. Die Entstehung von Heißrissen wird durch die komplexe Interaktion von Schweißprozess, Metallurgie und der konstruktiven Umgebung beschrieben. Bislang wurden mehr als 140 Heißrisstests entwickelt, um die Neigung gegenüber einer Rissbildung festzulegen. Grundsätzlich werden diese in selbstbeanspruchende und fremdbeanspruchte Heißrisstests eingeteilt. Der Vortrag gibt einen Überblick über Forschungsthemen der BAM, welche sich in den letzten Jahren hauptsächlich mit den metallurgischen als auch mit den konstruktiven Einflüssen auf die Rissbildung beschäftigt haben. Von austenitischen und ferritischen Werkstoffen, über neuentwickelte LTT-Legierungen bis hin zur in-situ Radiographie zur Überwachung des Risswachstums während des Schweißens wird ein breites Forschungsspektrum aufgezeigt. Zum Abschluss ist ein Ausblick für zukünftige Forschungsfelder gegeben. Diese Arbeiten konzentrieren sich auf die zwei- und dreidimensionale bildliche Charakterisierung von (Mikro-)Heißrissen in innovativen Werkstoffen zur Erweiterung bestehender Modellvorstellungen zum Rissphänomen.
Der Vortrag widmet sich modifizierten Oberflächen zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit sowie entspre-chenden Prüfmethoden und bewertet deren Praxis-tauglichkeit. Nach einer Übersicht zu Begriffen und Definitionen wird die wirtschaftliche Bedeutung der Kratzbeständigkeit aufgezeigt. Neben generellen Anforderungen an Mess-und Prüfverfahren hinsicht-lich Einsatzbereichen, Messunsicherheit und Validie-rung werden diverse Verfahren zur Erzeugung und Bewertung Einzel- und Vielfach-Kratzern nebst ent-sprechenden Normen vorgestellt. Die analytische Charakterisierung, werkstofftechnische Gesichts-punkte und eine Zusammenstellung aktuell gültiger Normen zur Kratzbeständigkeit schließen den Vortrag ab.
Prüfverfahren zur Bestimmung der Radon-Exhalationsrate aus Bauprodukten in VOC-Emissionskammern
(2017)
Es wurden die wesentlichen Ergebnisse des abgeschlossenen UFOPLAN-Vorschungsvorhabens "Methodische Untersuchungen zur Qualifizierung der VOC-Kammern zur Bestimmung der Radonexhalationsrate von Bauprodukten, Los 1" vorgestellt.
Das entwickelte Prüfverfahren eignet sich zur Bestimmung der Radonexhalationsrate von Bauprodukten mittels kommerziell erhältlicher Radon-Messtechnik in dynamisch betriebenen VOC-Emissionsprüfkammern. Es ist robust gegenüber einem weiten Bereich von Parametereinstellungen hinsichtlich der Prüfparameter Prüfkammervolumen, Produktbeladung, Luftwechselrate und flächenspezifische Luftdurchflussrate. Entscheidend für die Messung im Bereich geringer Radonaktivitätskonzentration ist es, die Zuluftkonzentration (Blindwert) der Emissionsprüfkammern auf einem konstant geringen Niveau zu halten oder durch eine – zur eigentlichen Baustoffmessung – parallele Messung der Zuluft zu kompensieren. Die gängige Aufbereitung der Zuluft der VOC-Prüfkammern mittels mehrfacher Filtration und Sorption über Silica-Gel- sowie verhältnismäßig kleinvolumigen Aktivkohle-Filtern ist bezüglich Radon unwirksam.
Zur Definition geeigneter Prüfbedingungen und zur Auswahl geeigneter Holzwerkstoffe für die im Vorhaben (UFOPLAN-Vorhaben Standardisierte Formaldehyd- und VOC-Messungen bei Holzwerkstoffen FKZ 3714 95 310 0) geplanten Untersuchungen wurde eine Recherche zu Forschungsergebnissen bezüglich realer Bedingungen (Luftwechsel, Beladung, klimatische Bedingungen im Sommer) durchgeführt. Zu bekannten Fällen von Überschreitungen wurde recherchiert, welche Produkte als Emissionsquellen in Frage kommen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden auch Berichte abgeschlossener Forschungsvorhaben ausgewertet.
Der Innenraumluftrichtwert für Formaldehyd in Höhe von 0,1 ppm ist durch das BfR bestätigt worden und bleibt bis auf weiteres bestehen. Die Prüfbedingungen für Formaldehydemissionen aus Holzwerkstoffen dagegen sind nicht mehr aktuell. Das Prüfverfahren für Holzwerkstoffe gilt seit 1991 und basiert auf dem Gebäudestandard von 1984. Eine Definition und Anpassung der Prüfbedingungen an moderne „dichtere“ Bauweise ist notwendig. Es zeigt sich, dass für Verbraucherinnen und Verbraucher eine Unterscheidung von formaldehydbelasteten und -unbelasteten Produkten in der Praxis schwierig ist. Es kann zu fehlerhaftem Einsatz und nicht fachgerechter Verarbeitung der Holzwerkstoffe kommen. Das Ziel des Vorhabens ist die möglichst sichere Einhaltung des Schutzniveaus durch die Anpassung der Prüfbedingungen an den heutigen Gebäudestandard. Aktuelle Versuche und Ergebnisse des Projektes werden vorgestellt. Ergänzende Screening-Versuche (Prüfkammermessungen) weisen Formaldehydemissionen bei verschiedenen Holzwerkstoffen aus dem Handel nach. Für die betrachteten OSB-Platten sind die FA-Emissionen im Allgemeinen geringer als für die untersuchten Spanplatten. Die OSB-Platten zeigen höhere Emissionen für Aceton und Hexanal als die Spanplatten.
An ausgewählten Werkstoffen wurden Versuche zu den Auswirkungen einer individuellen Bearbeitung und Messungen unter veränderten Prüfbedingungen durchgeführt. Zum einem wurde schrittweise der Luftwechsel von 1 bis 0,2 1/h reduziert. Zum anderen wurden die Werkstoffe unter sommerlichen Bedingungen vermessen.
Die Reduzierung des Luftwechsels ruft einen Anstieg der Formaldehyd-Konzentration hervor, dieser Effekt ist jedoch für einige VOCs stärker ausgeprägt. Bei Luftwechseln von 0,2-0,3 1/h, welche in der Praxis in Gebäuden erreicht werden können, ist eine Überschreitung des Formaldehyd-Grenzwertes von 0,1 ppm vor allem für Spanplatten möglich. Die VOC-Emission steigt unter sommerlichen Bedingungen an, es zeigt sich aber ein schnelles Abklingen nach kurzer Zeit. Die erhöhte Formaldehydemission bleibt über einen längeren Zeitraum erhalten. Die Bearbeitung von unbeschichteten Holzwerkstoffen (in mehrere Teile zersägt) führt zu einem kurzzeitigen Anstieg der FA- und VOC-Emission, nach einer bestimmten Abklingzeit (wenige Tage) wird erneut der Ausgangswert erreicht.
Es wurden weiterhin Messungen zu Kombinationen aus OSB- und Spanplatten und einem Holzmöbel durchgeführt. Trotz Erhöhung der Beladung und Beibehalten des Luftwechsels konnte nur ein geringer Anstieg der Formaldehyd- und VOC-Konzentration beobachtet werden. Es erfolgte keine Addition der Einzelkonzentration.