Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 3.0 Abteilungsleitung und andere (6)
- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (6)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (4)
- 6 Materialchemie (4)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (4)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (4)
BAM is the federal institute for materials research and testing in Germany. One of our tasks is to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive waste. As elastomeric seals are used in the containers as safety-relevant parts, it is our goal to be able to evaluate the service lifetime of the seals with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. For this reason, an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) was started. Ageing was performed at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) for up to 2 years. For assessing properties related to the sealability, O-rings were aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates. For comparison, uncompressed O-rings were aged as well. The aged materials were characterized with conventional polymer analysis methods such as hardness and tensile tests, but also with more seal-specific methods such as compression stress relaxation (CSR, reflecting the loss of sealing force of a compressed seal over time), and compression set (CS, representing the recovery behaviour of a seal after release from compression). CS is chosen as the property for lifetime prediction as it is both sensitive to degradation and related to the seal performance. CS data is extrapolated to 60 °C, which yields lifetimes of approximately 5 years for HNBR and 64 years for EPDM for a criterion of 85 % CS respectively, and approx. 40 years for FKM for a criterion of 65 % CS (the highest value measured so far).
HNBR, EPDM and FKM O-rings were aged uncompressed and compressed at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to 1 year. HNBR exhibited the strongest ageing effects with high increases of hardness and glass transition temperature. Furthermore, heterogeneous ageing caused by diffusion-limited oxidation effects had a significant influence for HNBR at ageing temperatures of 125 °C and 150 °C. EPDM showed similar property changes as HNBR, but less pronounced. FKM displayed only minor ageing effects. O-rings aged in compression exhibited considerable compression set (CS). CS data was used for a time-temperature shift and resulting master curve construction. Leakage rate measurements showed that O-rings can remain leak tight under static conditions even if material properties have already deteriorated strongly.
Aging of elastomer O-rings and PE neutron shielding materials for radioactive waste containers
(2021)
Our institution BAM in Berlin, Germany is concerned with research and testing of materials in the context of safety in chemistry and technology. Our working group is involved in the licensing procedures of casks for radioactive waste. Besides, we’re doing research on aging and lifetime prediction of elastomer O-rings and investigate degradation and thermal expansion of PE neutron shielding materials.
The mechanical strength of wrought high-strength aluminum alloys is essentially based on precipitation hardening, possibly in combination with prior forming, e. g. by stretching. Important parameters for achieving an optimum combination of hardness, strength, ductility, toughness, and further properties such as corrosion resistance are age-hardening temperature and time.
During thermal (mechanical) treatment, nucleation and growth of precipitates takes place, leading to the desired degree of hardening. In aluminum alloys, precipitation sequences are usually passed through, i. e. a sequence of metastable precipitates is formed before the stable phase can precipitate. The optimum combination of properties is therefore based on a certain (optimum) microstructure, which can, however, change during the use of a component, since the microstructure is not stable. This happens in particular when the operating temperatures are close to the aging temperature and/or the operating times are sufficiently long. An external mechanical load may accelerate the processes. The presentation gives some examples for this.
Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition, they are also used in waste fuel storage and transportation casks as auxiliary seals. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with respect to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. A fundamental understanding of the structure property relationship and their changes during aging can help to evaluate the long-term sealing performance.
In the present study, specific materials are investigated to study the structure-property and seal performance-correlation. Fluoro-elastomer (FKM), silicone rubber (VMQ) and ethylene propylene diene rubber (EPDM) were chosen as base rubbers. Comparable mechanical properties for these seals, especially in terms of a comparable compression behavior were achieved by careful control of base rubber formulation, i.e., by opting for the right filler and its concentration, amount of crosslinking chemicals, and with the assistance of process oils. Moreover, with the same rubber, similar mechanical properties were achieved by varying the filler concentration and crosslinking degree, which shall enable to correlate the particular influence on the structure property dependency of the seals in detail. The materials are investigated under pristine and aged conditions to evaluate the influence of aging, e.g. on the stress relaxation or recovery behavior. These values appear to be suitable parameters to judge the expected sealing performance.
Due to the electrically conducting nature of some fillers used to reinforce rubbers (such as carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), Graphene, etc.) it is possible to obtain current information about mechanical and visco-elastic properties by monitoring the electrical conductivity or resistivity. A simple relation that relates electrical resistance with mechanical stress was derived and the stress values were theoretically predicted from the electrical resistance values, which showed good correlation with experimental results.
In concrete pavements, damages occurred which are related to an Alkali-Silica-Reaction (ASR). Although the background for such an ASR has been studied extensively, special conditions in pavements increase this reaction significantly. These are especially the superposition of microstructural degradation caused by cyclic loading with an external alkali supply. Previous investigations of ASR focused mainly on the material itself (aggregates, cements, assessment of the concrete) while these special circumstances have not been considered. Concrete pavements are subjected to cyclic loadings by traffic and climate changes.
Within cooperative research projects the different interdependent influencing factors for a damaging ASR in concrete pavements are studied by experiments as well as by numeric modelling. On the micro-level the ASR-related processes within the aggregate, such as gel-formation or ion-transport, are investigated. On the meso-level, the project focuses on the characterization of degradation effects in the concrete microstructure due to cyclic loading. Further, special attention is paid to the transport behavior of fluids in such pre-damaged concrete structures with and without the effect of overrunning tires as well as the impact on the ASR itself. Finally, on the macro-level the risk of an ASR-damage is assessed.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.