Angewandte Physik
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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.
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.
At BAM, which is the federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes the assessment of the service lifetime of elastomeric seals that are part of the container lid system with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) up to 1.5 years. In order to assess sealability, O-rings are aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings are aged as well. Further methods characterising seal performance are compression stress relaxation (CSR) reflecting the loss of sealing force of a compressed seal over time, and compression set (CS) which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression. Additionally, hardness is measured for information about the change of mechanical properties. The experimental results indicate that while hardness, CSR and CS show considerable degradation effects, the leakage rate stays relatively constant or even decreases until shrinkage combined with the loss of resilience of the aged seal leads to leakage. This demonstrates that static leakage rate, which is the only available direct seal performance criterion, has only limited sensitivity towards the degradation of the seal material. CS data is extrapolated using time-temperature shifts and Arrhenius graphs. An exemplary CS of 50 % would be reached after approx. 1.2, 17 and 29 years at 60 °C for HNBR, EPDM and FKM respectively.
Featuring a detailed analysis of current approval requirements and the relevant safety assessment methods for gas cylinders in general and with main focus on composite cylinders for storing ompressed natural gas and hydrogen, this book demonstrates how current regulations and standards limit the ability to reduce cost and weight. Based on this data, it then highlights the potential offered by the proposed approval procedure based on probabilistic safety assessment.
After addressing the economic potential of probabilistic safety assessments, the book details working procedures and improving cycles and (slow) bursts as methods for assessing residual strength. It then discusses methods for statistically evaluating test data, as well as sample- size and distribution character considerations. A definition of sample strength is elaborated in terms of the performance sheets developed by the author. On this basis, it discusses safety as a property of service life and interpreted as an issue of degradation, and explores aspects of artificial aging for simulating the end-of-life reliability level. Lastly, the book considers control and inspection aspects: quality of production, degradation prediction using destructive sample tests parallel to operation, retesting periods and correcting for underand overestimates of safe lifetime.
Presented in schematic diagrams, illustrations and tables, this information enables manufacturers and operators to use this new approach in practice and supports the improvement of current regulations and standards.
The application range of CPV (composite pressure vessels)
is multifaceted. But also the failure forms and the spectrum of measurement methods is manifold. On various, at BAM observed effects, it is shown why the micromechanical analysis of the composites is of such great interest for the prediction of aging effects of CPVs.
This presentation mentions the most important safety items that should be improved from the perspective of Germany.
These are the improvement of the understanding and definition of term "safety", the agreement on procedures for the measurement of safety and the issue of degradation in combination with the safety level to be ensured until end of life.
For using probabilistic experience for the whole production adequate measures for surveillance of the production should additionally become mandatory to be taken into account.
The essential aspects of these issues are shortly explained and highlighted by especially aspects of the slow burst testing with respect to non-cycle fatigue sensitive designs and the hint on the general scatter of properties (Monte-Carlo simulation).