Ingenieurbau
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Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen haben, werden in Deutschland durch die 9. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (9. ProdSV, Maschinenverordnung) und speziell für atmosphärische Bedingungen in der 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (11. ProdSV, Explosionsschutzverordnung bis 19.4.2016 bzw. Explosionsschutzprodukteverordnung ab 20.04.2016) geregelt. Wesentlicher Inhalt dieser Verordnungen und der Europäischen Richtlinie 2014/34/EU sind die Begriffsdefinitionen für Geräte, Schutzsysteme und Komponenten, das System der Konformitätsbewertung und die Konformitätserklärung, sowie die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen. Es gilt dabei das Prinzip der Herstellerverantwortung. Der Hersteller eines Produktes dokumentiert die Erfüllung der Richtlinienanforderungen mit seiner Konformitätserklärung und der Kennzeichnung des Produktes mit dem CE-Zeichen.
Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen haben, werden in Deutschland durch die 9. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (9. ProdSV, Maschinenverordnung) und speziell für
atmosphärische Bedingungen in der 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (11. ProdSV, Explosionsschutzverordnung bis 19.4.2016 bzw. Explosionsschutzprodukteverordnung ab
20.04.2016) geregelt. Wesentlicher Inhalt dieser Verordnungen und der Europäischen Richtlinie 2014/34/EU sind die Begriffsdefinitionen für
Geräte, Schutzsysteme und Komponenten, das System der Konformitätsbewertung und die Konformitätserklärung, sowie die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen. Es gilt dabei das Prinzip der Herstellerverantwortung. Der Hersteller eines Produktes dokumentiert die Erfüllung der Richtlinienanforderungen mit seiner Konformitätserklärung und der Kennzeichnung des Produktes mit dem CE-Zeichen.
The monitoring of oil and gas pipelines by means of distributed fibre optic sensors is becoming common. The most recent development in the field of fibre optic sensing is the distributed acoustic sensing (DAS), which allows to detect and to localize third party threats to pipelines. For this purpose, fibre optic telecommunication cables located close to the pipelines are usually used. However, DAS carries a far greater potential for continuous condition monitoring of pipelines.
The interdisciplinary research project AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes) at BAM investigates a new technical approach to extend the application field of DAS towards the detection and localization of acoustic signals that indicate critical alterations and certain damage scenarios originated from within the pipeline or the pipe wall. Therefore, the optical fibre sensors are applied onto the pipe itself and the application procedure towards an optimal acoustic signal transduction is optimized.
A number of laboratory scale experiments were performed focusing on the signal transmission of acoustic signals as well as the detection of damage in the pipe wall by means of DAS. Furthermore, real-scale tests on a pipeline DN100 of 38 m length have been carried out at the BAM test site for technical safety (BAM-TTS) to study the detection and localization of leaks and of changing flow profiles due to corrosion or sedimentation processes.
The monitoring of oil and gas pipelines by means of distributed fibre optic sensors is becoming common. The most recent development in the field of fibre optic sensing is the distributed acoustic sensing (DAS), which allows to detect and to localize third party threats to pipelines. For this purpose, fibre optic telecommunication cables located close to the pipelines are usually used. However, DAS carries a far greater potential for continuous condition monitoring of pipelines.
The interdisciplinary research project AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes) at BAM investigates a new technical approach to extend the application field of DAS towards the detection and localization of acoustic signals that indicate critical alterations and certain damage scenarios originated from within the pipeline or the pipe wall. Therefore, the optical fibre sensors are applied onto the pipe itself and the application procedure towards an optimal acoustic signal transduction is optimized.
A number of laboratory scale experiments were performed focusing on the signal transmission of acoustic signals as well as the detection of damages in the pipe wall by means of DAS. Furthermore, real-scale tests on a pipeline DN100 of 38m length have been carried out at the BAM test site for technical safety (BAM-TTS) to study the detection and localization of leaks and of changing flow profiles due to corrosion or sedimentation processes.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Nach dem Prinzip der integrierten Explosionssicherheit sind bei der Planung von Anlagen
folgende Maßnahmen in Betracht zu ziehen:
a) Vermeidung der Bildung von explosionsfähiger Atmosphäre
b) Vermeidung der Entzündung von explosionsfähiger Atmosphäre und
c) Vorrichtungen, die anlaufende Explosionen umgehend stoppen und/oder den von einer Explosion betroffenen Bereich begrenzen.
Im Folgenden werden einige Aspekte der konstruktiven Maßnahmen zur Auswirkungsbegrenzung von Explosionen nach c) erläutert.
Die vier wesentlichen, eingeführten und erprobten derartigen Schutzmaßnahmen sind Explosionsdruckentlastung, explosionsfestes Gerät, Explosionsunterdrückung und Explosionsentkopplung.
Europäische Richtlinien und Normen auf dem Gebiet des Explosionsschutzes für nichtelektrische Geräte
(2018)
Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen haben, werden durch die Europäische Richtlinie 2014/34/EU /8/ geregelt. Diese Europäische Richtlinie erfasst sowohl elektrische als auch nicht-elektrische Geräte. Durch die 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (11. ProdSV) /9/ wurde die Richtlinie 2014/34/EU, in deutsches Recht überführt.Wesentlicher Inhalt der Richtlinie 2014/34/EU sind neben den Definitionen aus dem sogenannten Neuen Rechtsrahmen die Begriffsdefinitionen für Geräte, Schutzsysteme und Komponenten, das System der Konformitätsbewertung und die Konformitätserklärung, sowie die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen. Es gilt dabei das Prinzip der Herstellerverantwortung. Der Hersteller eines Produktes dokumentiert die Erfüllung der Richtlinienanforderungen mit seiner Konformitätserklärung und der Kennzeichnung des Produktes mit dem CE-Zeichen.
Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 94/9/EG fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Im Vortrag wird auf die aktuellen Anforderungen aus dem Gefahrgutbeförderungsrecht an Ventilschutz einschließlich Schutzkragen als integraler Bestandteil einiger Gasflaschen und LPG-Sicherheitsventilen eingegangen. Des Weiteren werden die aktuell laufenden Revisionen der Normen EN ISO 11117 für Ventilschutz und EN 13953 für LPG-Sicherheitsventile diskutiert.
Leaking methane (CH4) from infrastructures, such as pipelines and landfills, is critical for the environment but can also pose a safety risk. To enable a fast detection and localization of these kind of leaks, we developed a novel robotic platform for aerial remote gas sensing. Spectroscopic measurement methods for remote sensing of selected gases lend themselves for use on mini-copters, which offer a number of advantages for inspection and surveillance over traditional methods. No direct contact with the target gas is needed and thus the influence of the aerial platform on the measured gas plume can be kept to a minimum. This allows to overcome one of the major issues with gas-sensitive mini-copters. On the other hand, remote gas sensors, most prominently Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensors have been too bulky given the payload and energy restrictions of mini-copters. Here, we present the Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS), which combines a novel lightweight TDLAS sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile hexacopter. The proposed system can be deployed in scenarios that cannot be addressed by currently available robots and thus constitutes a significant step forward for the field of Mobile Robot Olfaction (MRO). It enables tomographic reconstruction of gas plumes and a localization of gas sources. We also present first results showing its performance under realistic conditions.
Immer wieder kommt es bei Druckgasflaschenventilen in Zusammenhang mit hoch verdichtetem Sauerstoff zu Ausbränden. Das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) und die BAM waren bereits mehrfach in Unfalluntersuchungen bei Medizinprodukten involviert.
Häufig scheinen ungeeignete Dichtungsmaterialien und Gleitmittel die Ursache für die Ausbrände zu sein. Allerdings ist es ebenfalls denkbar, dass bei der Handhabung der Ventile, z.B. bei Reinigungs- und Desinfektionsarbeiten, organische Stoffe in die Ventile und Anschlüsse gelangen und so die Ausbrände verursachen könnten. Auch eine fehlerhafte Handhabung ist als mögliche Ursache nicht auszuschließen.
Für eine systematische Untersuchung dieses Sachverhalts hat die BAM einen Lebensdauerprüfstand entwickelt, der Druckgasflaschenventile mit hochverdichtetem Sauerstoff anstelle der üblichen Untersuchung mit Luft prüft. Das abgeschlossene TNS-Vorhaben "Entwicklung einer neuen Methode zur Lebensdauerprüfung von Gasflaschenventilen mit Sauerstoff" (BMWI Förderkennzeichen 03FS13025) hat die grundsätzliche Eignung des Prüfverfahrens aufgezeigt, das die Besonderheiten des Reaktionsverhaltens der Dichtungselemente und der eingesetzten Materialien mit Sauerstoff aufzeigt.
Neben den Ergebnissen und Erkenntnissen des abgeschlossenen TNS-Vorhabens zeigt der Vortrag den konkreten Planungsstand des Vorhabens mit VIPR-Ventilen (Valve integrated pressure regulator). Ergänzend zum Arbeitsplan und zur Vorstellung des Prüfverfahrens nach der aktuellen FDIS/ISO 10524:2018 wird die Erstellung einer DIN SPEC als möglicher Abschluss des Vorhabens vorgestellt.
Bedauerlicherweise kommt es bei Druckgasflaschenventilen im Zusammenhang mit hoch verdichtetem Sauerstoff immer wieder zu Ausbränden. Das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) und die BAM waren bei Meizinprodukten bereits mehrfach gemeinsam in Unfalluntersuchungen involviert.
Als mögliche Ursachen für die Ausbrände kommen u.a. die Konstruktion des Ventils selber, aber auch die Verwendung ungeeigneter Dichtungsmaterialien und Gleitmittel, Fehler bei der Handhabung der Ventile sowie Fehler bei Reinigungs- und Desinfektionsarbeiten in Betracht.
Für eine systematische Untersuchung dieses Sachverhalts hat die BAM einen Lebensdauerprüfstand entwickelt, der Druckgasflaschenventile mit hochverdichtetem Sauerstoff anstelle der üblichen Untersuchung mit Luft prüft. Das abgeschlossene TNS-Vorhaben "Entwicklung einer neuen Methode zur Lebensdauerprüfung von Gasflaschenventilen mit Sauerstoff" (BMWI Förderkennzeichen 03FS13025) hat die grundsätzliche Eignung des Prüfverfahrens aufgezeigt, das die Besonderheiten des Reaktionsverhaltens der Dichtungselemente und der eingesetzten Materialien mit Sauerstoff aufzeigt.
Der Vortrag zeigt die Ergebnisse und Erkenntnisse des abgeschlossenen TNS-Vorhabens. Zahlreiche Bilder zeigen auf, dass die eingesetzten Dichtungsmaterialien und Gleitmittel beim Einsatz in Sauerstoff erwartungsgemäß anders und stärker belastet werden als bei der Verwendung in Luft.
Leider konnte die Industrie nicht zur Unterstützung des mit dem IGV (Industriegaseverband e.V.) seit 2016 geplanten Vorhabens mit VIPR-Ventilen (Valve integrated pressure regulator) gewonnen werden. Der angedachte Arbeitsplan und die vergleichende Durchführung der Untersuchungen gemäß bisheriger ISO 10524-3:2006 und der aktuellen FDIS/ISO 10524:2018 soll dennoch durchgeführt werden. Dazu werden aktuell Kooperationmöglichkeiten mit dem BfArM aber auch BAM-interne Forschungsvorhaben geprüft. Nach Abschluss dieser Untersuchungen ist auch die Erstellung einer DIN SPEC vorgesehen.
Acoustic emission testing
(2018)
Deflagrationsrohrsicherungen sind Sicherheitseinrichtungen, die den Durchfluss von brennbaren Gasen und Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten ermöglichen, den Flammendurchschlag und weitere Explosionsausbreitung nach der Zündung von explosionsfähigen Gas-/Dampf-Luftgemischen jedoch verhindern sollen. Die Einbaubedingungen sind dabei von besonderer Bedeutung für die Wirksamkeit der Deflagrationsrohrsicherungen. Oft lassen sich aus betrieblichen bzw. verfahrenstechnischen Gründen entsprechende Einbaubedingungen nur schwer oder nicht realisieren. So können Rohrleitungsverzweigungen zusätzliche Turbulenzen induzieren und dadurch zu erhöhten Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten und Explosionsdrücken und damit zum Versagen der Deflagrationsrohrsicherung führen. Im vorliegenden Artikel werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen in einer geraden und verzweigten Rohrleitung mit einer Deflagrationsrohrsicherung diskutiert.
Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 2014/34/EUG fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Normalerweise werden Werkzeuge für den industriellen Einsatz aus hochlegierten Chromstählen hergestellt. Mit steigender kinetischer Schlagenergie und sinkender Zündenergie der Brenngas/Luft-Atmosphäre steigt deutlich die Zündwahrscheinlichkeit bei Metall-Werkstoffpaarungen. Aber zwischen den unterschiedlichen Metallen bzw. Stählen gibt es Unterschiede bezüglich der Gefahr der Erzeugung zündfähiger mechanisch erzeugter Funken.
Aus einer sehr großen Anzahl von Schlagfunkenversuchen der BAM sind die Zündwahrscheinlichkeiten der homogenen Werkstoffpaarung aus ferritischem Stahl bekannt. Besonders zündgefährlich ist die homogene Werkstoffpaarung ferritischer Stahl bei Anwesenheit von explosionsfähigen Brenngas/Luft-Atmosphären der Explosionsgruppe IIC und IIB. Aber auch bei Anwesenheit von IIA-Gemischen kommt es regelmäßig zu Explosionen. Die Ergebnisse haben bereits in den einschlägigen Regelwerken wie z.B. ISO 80079-36:2016 Anwendung gefunden.
Edelstahl mit hohem Chromgehalt (Cr ≥ 16,5 %) galt bisher als relativ funkenarm und somit fälschlicherweise als mit geringer Zündwahrscheinlichkeit behaftet. Umfangreiche Untersuchungen im Rahmen des Forschungsvorhabens „NAMES“ zum Zündverhalten von Edelstahl-Schlagfunken wurden durchgeführt und ausgewertet.
Für die Herstellung von funkenarmen Werkzeugen für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich werden überwiegend spezielle NE-Metalle verwendet. Diese haben eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, sind nur schwer oxidationsfähig und haben gemäß ihrem Anwendungszweck eine höhere mechanische Festigkeit als andere schwer oxidierbare NE-Metalle. Dennoch liegt die mechanische Festigkeit von Werkzeugen aus NE-Metall niedriger als von Edelstahl-Werkzeugen
Nur selten treten bei Schlagvorgängen mit nicht energiereichen Schlägen zwischen blanken Nichteisenmetallen und blankem, nicht rostigem, ferritischem, kohlenstoffhaltigem Stahl (C-Stahl) Funken auf. Bei Schlagfunkenprüfungen von NE-Metallen gegen Beton oder Estrich-Beton (Beton-Zusammensetzung eines typischen Chemieanlagen-Betonbodens) treten erfahrungsgemäß immer zu einem unterschiedlichen Anteil Funken auf. Deshalb werden von uns die NE-Metalle folgerichtig nur als funkenarme Werkstoffe bezeichnet. Ausgangspunkt für die Funkenbildung könnte die Gesteinskörnung der Beton-Schlagplatte sein. Beton und auch Estrich werden in der Regel mit natürlichen Gesteinen und Sanden hergestellt.
For evaluation of explosion scenarios in closed systems involving the mildly flammable refrigerants R1234yf, R1234ze and R32 dependent on the ignition energy, ignitions were carried out in a closed autoclave. A newly developed ignition system was used, which allows generating electric arcs with defined energies in a range between 3 J and 1000 J. The lower explosion limit of R32 decreases with increasing ignition energy. R32-explosions can be more severe than explosions involving highly flammable substances.
However, in case of R1234yf and R1234ze, the ignition energy had to be increased to more than 100 J and more than 500 J to detect explosions in the closed system at all, although flame Propagation phenomena can already be observed if these substances are ignited with much weaker ignition sources in open glass tubes. The explosions were very mild with these substances.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
Im Vortrag wird auf die rechtlichen Grundlagen der Richtlinie 2010/35/EU eingegangen. Dies umfasst die Definition von ortsbeweglichen Druckgeräten, die an sie gestellten technischen Anforderungen und die Anforderungen an deren Konformitätsbewertung. Des Weiteren wird die Anwendung der Richtlinie auf Feuerlöscher und deren Treibgasflaschen sowie die damit verbundenen Probleme in der Praxis diskutiert.
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 2014/34/EU fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge eines Schlages und/oder Reibens eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Feasibility study: Continuous monitoring of pipes using distributed acoustic and fibre optic sensors
(2018)
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Leaking methane (CH4) from infrastructures, such as pipelines and landfills, is critical for the environment but can also pose a safety risk. To enable a fast detection and localization of These kind of leaks, we developed a novel robotic platform for aerial remote gas sensing - the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS).
In the presented work, the potential of fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) for detection of small gas pipeline leaks (<1%) is investigated. Helical wrapping of the sensing fiber directly around the pipeline is used to increase the system sensitivity for detection of weak leak-induced vibrations. DAS measurements are supplemented with reference accelerometer data to facilitate analysis and interpretation of recorded vibration signals. The results reveal that a DAS system using direct fiber application approach is capable of detecting pipeline natural vibrations excited by the broadband noise generated by the leaking medium. In the performed experiment, pipeline vibration modes with acceleration magnitudes down to single ug were detected. Simple leak detection approach based on spectral integration of time-averaged DAS signals in frequency domain was proposed. Potential benefits and limitations of the presented monitoring Approach were discussed with respect to its practical applicability. We demonstrated that the approached is potentially capable of detection and localization of gas pipeline leaks with leak rates down to 0.1% of the pipeline flow volume and might be of interest for monitoring of short- and medium-length gas pipelines.
In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
Immer wieder werden Feuerwehren bei Einsätzen mit brandbeaufschlagten Acetylenflaschen konfrontiert. Im Falle eines Behälterversagens stellen diese eine enorme Gefährdung für die Einsatzkräfte dar. Die BAM beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Auswirkungen im Falle eines solchen Behälterversagens. Der Beitrag stellt die Arbeit der BAM auf diesem Gebiet vor und zeigt verschiedene Handlungsoptionen auf, um das Risiko für die Einsatzkräfte zu verrringern. Weiterhin wird ein Merkblatt zu brandbeaufschlagten Acetylenflaschen vorgestellt, welche zusammen mit der DGUV im Jahr 2018 herausgegeben werden.
In continuation of a preceding test series involving sole LPG vehicle tanks, three passenger cars equipped with identical toroidal steel LPG tanks were set on fire. The tanks were installed in the space normally reserved for the spare tyre, in the car boot. No safety device was installed on the tank, in order to force critical failure of the cylinder. Two of the cars were equipped with a tank filled with liquefied propane to a level of 20 % (5.3 kg), the third one was filled completely (25.5 kg). The partially filled tanks failed critically within a time period of more than 20 min after the initiation of the fire. The fully-filled tank did not rupture; the propane was released continuously through a small leak that appeared during the fire. Comprehensive equipment was used to procure measurement data, enabling an analysis of potential consequences and hazards to humans and infrastructure within the vehicle surroundings. The inner status of the tank (pressure, temperature of the liquid phase and the steel casing), the development of the fire (temperature inside and around the vehicle) and the pressure induced in the near-field in case of tank rupture were recorded. The results were analysed in detail and compared against the data gained in tests involving sole, but identical LPG tanks.
In continuation of a preceding test series involving sole LPG vehicle tanks, three passenger cars equipped with identical toroidal steel LPG tanks were set on fire. The tanks were installed in the space normally reserved for the spare tyre, in the car boot. No safety device was installed on the tank, in order to force critical failure of the cylinder. Two of the cars were equipped with a tank filled with liquefied propane to a level of 20% (5.3 kg), the third one was filled completely (25.5 kg). The partially filled tanks failed critically within a time period of more than 20 min after the initiation of the fire. The fully-filled tank did not rupture; the propane was released continuously through a small leak that appeared during the fire. Comprehensive equipment was used to procure measurement data, enabling an analysis of potential consequences and hazards to humans and infrastructure within the vehicle surroundings. The inner status of the tank (pressure, temperature of the liquid phase and the steel casing), the development of the fire (temperature inside and around the vehicle) and the pressure induced in the near-field in case of tank rupture were recorded. The results were analysed in detail and compared against the data gained in tests involving sole, but identical LPG tanks.