Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Nowadays, in every terrestrial and aquatic ecosystem, even in the remotest areas, small residues of plastics, the so called microplastic (MP) can be found. MPs are particles with a size of 1-1000 µm (ISO/TR 21960:2020), mainly containing synthetic polymers like polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) or polyethylene terephthalate (PET). Even styrene-butadiene rubber (SBR) as an indication for tire wear is included due to similar particle formation. To understand the MPs consequences to the environment, it is of high priority to capture its extent of contamination. It is surprising that in the analysis of polymer masses in environmental samples, PE, PS and SBR are often detected, but only small amounts of PP, although this is the second most commonly produced standard plastic and many MP particles originate from carelessly disposed packaging materials.
This presentation provides hypotheses about the reasons of rare PP identification and mass quantification in environmental samples. Different investigations of pristine PP and representative environmental samples, including the pre-treatment by Accelerated Solvent Extraction (ASE) or with density separation followed by the thermal extraction / desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC/MS) are presented. The results are discussed according to the material properties and a possible degradation mechanism under different weathering conditions which indicate less stability under relevant storage conditions.
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.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
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.
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.
Elastomers show a high versatility which makes them ideal materials for sealing applications in various fields. Especially under changing application conditions the high recovery potential of this class of material is beneficial to compensate temperature or pressure fluctuation, and geometrical changes resulting from mechanical loads in e.g. accident conditions. Out of these reasons elastomers are also used in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In cask designed for low and intermediate level waste elastomer seals can act as primary seal responsible for the containment function whereas in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) elastomer seals are used as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals. An inherent prerequisite for this kind of application is the long time-scale of operation without or with limited possibility of seal replacement. In Germany an interim storage license for DPC`s is typically issued for 40 years, a timeframe which might increase in future due to challenges of the final repository siting procedure. For low and intermediate level waste, also long time periods are required before final disposal can be achieved. Therefore, the performance of elastomer seals over extended time periods is, as for other applications, of high importance.
A typical approach to ensure long-term functionality is to perform accelerated aging tests to calculate an estimated lifetime by assuming e.g. Arrhenius like equations for the time-temperature relationship. This approach requires a suitable end of life criterion considering the application of interest. This often can represent a challenge on its own.
As BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues we initiated several test programs for investigating the behavior of elastomer seals. Experiments concerning the low temperature performance down to -40°C and the influence of gamma irradiation have been started first. Currently the thermal aging behavior of elastomer seals, which is the topic of this contribution, is examined.
For our aging investigations we use a broad approach to first determine the property changes in different elastomer materials due to thermo-oxidative aging at elevated temperatures and secondly we test how the typical methods of lifetime extrapolation can be applied to these results. This approach enables us to detect and exclude undesired side effects which very often influence lifetime estimations. In this contribution, our recent results are discussed.
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.
Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C deutlich überschritten wird.
Durch experimentelle Temperaturversuche an Typ-III-Atemluftflaschen mit einem Innenbehälter aus Aluminium konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten.
In diesem Kolloquium werden Forschungsergebnisse vorgestellt, die im Rahmen einer Promotionsarbeit die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf eine Typ-III-Atemluftflasche mit einem Innenbehälter aus Aluminium darstellen und bewerten.