Angewandte Physik
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- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (8)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (6)
- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (5)
- 7 Bauwerkssicherheit (5)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (4)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (4)
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Eingeladener Vortrag
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Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
Im hier vorliegenden Bericht wurde im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche der nationale und internationale Stand von Wissenschaft und Technik hinsichtlich Behälterkonzepten und Behälteranforderungen erfasst. Dabei wurde eine umfangreiche Dokumentensammlung zusammengestellt und sortiert, die als Quellenbasis für alle weiteren Arbeiten zur Verfügung steht. Die Auswertung der gesammelten Informationen resultiert in einem Überblick über internationale Behälterentwicklungen sowie einer detaillierten Übersicht über die Behälterkonzepte und die ihnen zugrundeliegenden Anforderungskataloge aus elf fortgeschrittenen Endlagerprogrammen.
Der Bericht zum Arbeitspaket 3 baut auf den Ergebnissen der internationalen Recherche (AP1) sowie der Zusammenstellung der Randbedingungen und Beanspruchungsgrößen für die Endlagerbehälter (AP2) auf. Die Anforderungen an die Behälter – regulatorische, betriebliche sowie solche aus der Standortgeologie und den Einwirkungen und Prozessen, denen die Behälter ausgesetzt sind – werden hergeleitet und systematisch dargestellt.
Die für das Endlagersystem zu betrachtenden Nutzungsphasen werden aus den regulatorischen Anforderungen hergeleitet und charakterisiert. Die Einwirkungen auf die Behälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen sowie die sich für die Erfüllung der Sicherheitsfunktionen des Behälters als Teil des Endlagersystems ergebenden Behälterfunktionen werden ebenfalls wirtsgesteins- und zeitphasenabhängig betrachtet. Schließlich werden aus den Einwirkungen auf die Behälter und den Anforderungen an die Behälterfunktionen auch quantifizierbare Behälterfunktionen für alle drei potenziellen Wirtsgesteine abgeleitet.
Kombinierte faseroptische Messungen in Bohrlöchern helfen bei der Detektion von Kleinstleckagen
(2020)
Seit November 2019 läuft ein breit angelegtes und vom BMWi gefördertes ZIM-Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der IAB'Weimar gGmbH, der GKSO GmbH & Co. Projekt KG, der DEEP.KBB GmbH sowie der Rembe Consulting PartG mbB. Ziel des Forschungsvorhabens sind sowohl die Lokalisierung als auch die Quantifizierung insbesondere sehr kleiner Leckagen in einer Bohrlochverrohrung durch die Nutzung faseroptischer Messtechnik. Durch Messdatenkopplung und den Wegfall bewegungsbedingter Nachteile einer Messsonde werden wesentlich präzisere Ergebnisse zur Bewertung der Bohrlochintegrität als üblich
erwartet.
Anwendungsfelder von verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) werden anhand von früheren, gegenwärtigen und zukünftigen Projekten an der BAM vorgestellt und die Leistungsfähigkeit von DAS demonstriert. Die dargestellten Anwendungen sind Monitoring von Rohrleitungen, von Unterseekabeln, von Zügen und Gleisen, von Brücken, von Strassen und Verkehr, von Erdbebenauswirkungen in urbanen Gebieten, von Bohrlöchern im Kontext Erdgasspeicher und für Exploration und Monitoring von Untergründen für Geothermie-Anwendungen.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
Eine Aufgabe des Fachbereichs 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, die Sicherheit von Behältern zur Lagerung von radioaktivem Abfall mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zu bewerten. Da solche Behälter vor der Entsorgung transportiert und gelagert werden, ist während dieser Zeit ein sicherer Einschluss des radioaktiven Inhalts von größter Bedeutung. Zur Abdichtung dieser Behälter sind Elastomer-O-Ringe weit verbreitet. Um für solche, wie auch für viele andere Anwendungen, eine Voraussage über die Lebensdauer dieser Komponenten treffen zu können, ist es unerlässlich zu verstehen, welchen Einfluss der durch Alterung hervorgerufene Abbau auf Dauer auf die Elastomerdichtungen hat. In einem Langzeittest wurden drei Kautschukarten (EPDM und FKM, die für die Anwendung relevant sind, und HNBR als Vergleich) über mehrere Jahre untersucht. Dabei wurden die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (z. B. Härte und Bruchdehnung) bei vier verschiedenen Alterungstemperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) sowie das Dichtungsverhalten betrachtet. Um den Einfluss von Vernetzung und Kettenspaltung auf die beobachteten Alterungseffekte zu bestimmen, wurden Messungen zur kontinuierlichen und intermittierenden Druckspannungsrelaxation durchgeführt. Dadurch konnten Erkenntnisse über Kinetik und Mechanismus der Abbaureaktionen
gewonnen werden. Zur Einschätzung des Dichtungsverhaltens wurden Durckverformungsrest und Leckagerate gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die O-Ringe unter statischen Bedingungen auch dann dicht halten, wenn die Werte für Druckverformungsrest, Druckspannungsrelaxation und mechanische Eigenschaften schon auf einen fortgeschrittenen Alterungsabbau hindeuten. Aus diesem Grund wurde ein modifizierter Dichtigkeitsversuch mit einer geringen und schnellen teilweisen Entlastung der Dichtung entwickelt, mit dessen Hilfe sich ein Lebensdauerkriterium bestimmen lässt, das eine Sicherheitsspanne für thermische Schrumpfung und Vibrationen beinhaltet.
Im Rahmen der Integritätsbewertung einer zementierten 13 3/8" Rohrtour einer Sole-Produktionsbohrung wurden erstmals 2018 zeitgleich faseroptische Temperaturmessungen (DTS) und faseroptische Akustikmessungen (DAS) durchgeführt und ausgewertet. Dazu wurde die Bohrung zeitweise mit Stickstoff bespannt und wieder entlastet.
Nach der Reaktorkatastrophe in Fukushima 2011 hat die Bundesregierung beschlossen die Nutzung der Kernenergie bis zum Jahr 2022 zu beenden. Seitdem erfolgt der Rückbau und die Stilllegung der kerntechnischen Anlagen in Deutschland. Dieser Vortrag erörtert die Herausforderungen, die sich mit dem Transport und der Lagerung von Kernbrennstoffen ergeben und leitet daraus Anforderungen ab, die an Transportbehälter gestellt werden.
Die Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette während der automatisierten Schweißung der X-Knoten. Die so ge-speicherten Prozessparameter können zum einen als Grundlage einer Qualitätskon-trolle dienen, zum anderen ermöglichen sie eine vollständige Nachverfolgbarkeit der automatisiert gefertigten Rohrknoten.
Der zweite maßgebend in diesem Bericht behandelte Aspekt umfasst die Quantifizie-rung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermü-dungsfestigkeit der Hohlprofilknoten auf Basis serieller Ermüdungsversuche. Dazu wurden im Projekt zwei Serien mit jeweils 16 Schwingversuchen an ein- und doppel-seitig automatisiert geschweißten X-Knoten durchgeführt und entsprechende Struktur-spannungswöhlerlinien für die automatisiert gefertigten X-Knoten bestimmt.
Die Ergebnisse dieser Ermüdungsversuche werden abschließend in numerischen Untersuchungen auf Basis der Strukturspannungs- und des Kerbspannungskonzeptes gegenübergestellt, um die Prognosefähigkeit beider Konzepte für die ermüdungs-kritischen Bereiche des X-Knotens bewerten zu können.
Durch die im Forschungsvorhaben durchgeführten schweißtechnischen, experimen-tellen und numerischen Analysen konnte das Potential automatisiert gefertigter Rohr-knoten hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Ermüdungsverhalten quantifiziert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der inneren Schweißnaht auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.
Schweißen ist ein industriell relevantes Fertigungsverfahren mit einer branchenübergreifenden Bedeutung. Die Umweltwirkungen von Schweißverfahren sind jedoch bisher unbekannt und werden im Entstehungsprozess eines Produktes entlang seiner Fertigungskette daher meist nicht berücksichtigt. Ferner ist der Schweißprozess durch einen hohen Verbrauch an Energie sowie Ressourcen gekennzeichnet. Zahlreiche Arbeiten zeigen, dass der Bedarf einer Ökobilanzierung enorm ist. Ursächlich für die bisher mangelhafte Etablierung der Ökobilanzierung von Schweißverfahren und damit Motivation für die Forschungsarbeiten ist die Unkenntnis relevanter Einflussgrößen und damit verbunden ein nicht abschätzbarer Aufwand bei der Durchführung sowie Implementierung einer Ökobilanz im fertigungstechnischen Kontext.
Demgegenüber ist die Ökobilanzierung in anderen Branchen ein oft genutztes Werkzeug zur Ableitung von Umweltwirkungen. Aufgrund der aktuellen Diskussionen bezüglich des Übergangs hin zu einer klimaneutralen Produktion erfährt auch die Analyse und Optimierung der Umweltwirkungen schweißtechnischer Fertigungsverfahren derzeit eine gesteigerte Aufmerksamkeit. Für Unternehmen stellt die Verfügbarkeit umweltverträglicher Produkte bzw. Prozesse eine gewisse Werbewirksamkeit dar, wie dies im Bereich der Schweißstromquellentechnik aktuell zu beobachten ist. Gleichzeitig wird das Thema des „green welding“ auch bezogen auf die gesamte Fertigungskette immer häufiger diskutiert. Dies zeigt sich durch eine in den letzten Jahren deutlich gestiegene Publikationsaktivität. Neben Analysen zu den Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit in schweißtechnischen Produktionsumgebungen stehen vor allem auch konkrete Implementierungen in der Fertigung bzw. der Produktentstehung im Fokus.
Die grundlegende Vorgehensweise einer Ökobilanzierung (Life-Cycle-Assessment bzw. Abk. LCA) ist als standardisierte Methode in geltenden Normen] sowie in entsprechender Fachliteratur beschrieben. Kernelement der Ökobilanzierung ist die Sachbilanzierung, d.h. die Erfassung der relevanten Inputs sowie Outputs bezogen auf das System „Schweißprozess“. Aus dem entlang der schweißtechnischen Fertigungskette akkumulierten Ressourcenverbrauch während des Schweißens (z.B. Zusatzwerkstoff, elektrische Energie, Schutzgas, etc.) und Abfallprodukten bzw. Emissionen wird die Umweltwirkung entsprechend verschiedener Kategorien, z.B. dem CO2-Äquivalent, gemäß der World Steel Association abgeleitet.
In der schweißtechnischen Community ist es bekannt, dass die Umweltwirkung von Schweißprozessen qualitativ direkt aus dem Ressourcenverbrauch abgeleitet werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Input- sowie Outflüsse auf ausgewählte Wirkkategorien ist jedoch nicht ad-hoc quantifizierbar. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Materialverbrauch (z.B. Grund-/Zusatzwerkstoff, etc.), der Energieverbrauch (z.B. Wirkleistung sämtlicher elektrischer Verbraucher während der Prozesszeit), Gasverbrauch (Prozess-, Schutzgas oder Druckluft) sowie Hilfsmittel (z.B. Schutzgläser) signifikante Inputgrößen darstellen, deren Berücksichtigung im Rahmen einer Prozessökobilanz ausreichend ist.
Eine wesentliche Forderung des projektbegleitenden Ausschusses war, Methoden für eine direkte Implementierung, um somit Nachnutzung der Ergebnisse zu entwickeln. Um die Ökobilanzierung als festen Bestandteil in die schweißtechnische Dokumentation einfließen zu lassen, sind die notwendigen Arbeitsschritte zu automatisieren. Daher wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten sämtliche zu berücksichtigenden Größen durch ein an der Forschungsstelle entwickelten Schweißdatenmanagements digital erfasst sowie archiviert und in eine Umweltwirkung durch Zugriff auf entsprechende Open-Source Datenbanken „übersetzt“. Das Datenmanagement ermöglicht die eindeutige Zuordnung der Umweltwirkung eines geschweißten Bauteiles ohne Dokumentationsaufwand für den Anwender. Dadurch werden insbesondere KMU in die Lage versetzt, den Anforderungen bezüglich der Bewertung der Ökoeffizienz von Fertigungsverfahren gerecht zu werden und somit auf die nationalen sowie internationalen klimapolitischen Rahmenbedingungen vorbereitet zu sein.
Die Analysen eines breiten Spektrums an Schweißverfahren haben gezeigt, dass eine Verringerung der Umweltwirkungen von Schweißverfahren demnach nur primär durch eine Reduktion des Zusatzwerkstoff- sowie Energieverbrauches zu realisieren ist. Hierbei zeigen Verfahren mit niedrigem Werkstoffeinsatz, im Extremfall autogene Verfahren, die geringsten Umweltwirkungen. Im Produktentstehungsprozess ist es daher notwendig, unter Berücksichtigung der Schweißbarkeit die ökologischen Verfahrenscharakteristika hinsichtlich konstruktiver, fertigungstechnischer sowie werkstoffspezifischer Randbedingungen zu bewerten, um die vorgeschriebenen Produkteigenschaften zu gewährleisten und die Umweltbelastung zu minimieren.
Damit der Workflow, der bei der Ökobilanzierung zu durchlaufen ist, vereinheitlicht und für jeden verständlich ist, fließen die Forschungsergebnisse direkt in die DIN SPEC 35235 „Nachhaltigkeit in der Schweißtechnik – Ökobilanzierung von Schweißverfahren“ ein. Dies ist die Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Ökobilanzen in der Schweißtechnik zu gewährleisten und so deren Akzeptanz in der Industrie zu erhöhen. Damit ist ein optimaler Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleistet.
Faseroptische Sensorsysteme bieten heute die Möglichkeit des Online-Monitorings von sensiblen, für die Energieversorgung wichtigen Betriebsmitteln. Insbesondere Hochenergiekabel, wie diese sowohl im Offshore- als auch im Onshorebereich eingesetzt werden, sind prädestiniert für eine zustandsorientierte Überwachung. Gerade Hochspannungshochenergiekabel sind Betriebsmittel, die im Falle eines Ausfalls durch Schäden mit hohen Reparatur- und Folgekosten verbunden sind. Mit dem Einsatz von faseroptischen Sensoren sind mechanische Einflüsse wie Vibrationen z. B. verursacht durch Ankerfall, Temperaturhotspots oder auch Teilentladungsaktivitäten an dezidierten vulnerablen Stellen wie Kabelendverschlüssen oder –muffen über längere Kabelstrecken detektierbar. Der Einsatz von im Rahmen des Verbundprojekts Monalisa entwickelter faseroptischer Diagnosetechnik in Verbindung mit faseroptischen Sensoren wird hier aufgezeigt.
Die Verwendung von Methoden des Maschinellen Lernens (ML) und der Künstlichen Intelligenz (KI) im Fachbereich 8.6 Faseroptische Sensorik wird dargestellt. Die vielfältigen Möglichkeiten, Machine Learning auf Basis Künstlicher Neuronaler Netze (ANN) für eine schnelle und effiziente Datenverarbeitung eizusetzen werden demonstriert. Hierfür werden Beispiele für die Anwendungszwecke Messgrößenberechnung, Entrauschen, Interpolation, Bildverarbeitung und Messdatenauswertung aufgezeigt.
Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.