Ingenieurbau
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Paper des Monats
- ja (23)
In der vorliegenden Arbeit ist nach Hinweisen auf die Bedeutung auch der oberen Zündgrenze für Sicherheit und Arbeitsschutz in durch Staubexplosionen gefährdeten Betrieben und auf die bisher relativ geringen Kenntnisse zu diesem Problem eine Apparatur geschildert, mit der serienmäßige Untersuchungen an vielen brennbaren Stäuben durchführbar sind, und das zugehörige Auswerteverfahren angegeben worden. Die Methode beruht im Prinzip darauf, daß das reaktionsfähige System im Bereich der oberen Zündgrenze in komprimiertem Zustand und dadurch mit besserer Handhabungsmöglichkeit untersucht wird. Eine Reihe von Ergebnissen wurde mitgeteilt und an Hand dieser die Anwendbarkeit der Methode diskutiert. Der abschließende Teil behandelte zusammengefaßt Sicherheitsmaßnahmen mit besonderen Hinweisen für einige praktische Fälle.
Die Prüfmethoden zur Ermittlung der „explosiven Eigenschaften“ und der Explosionsfähigkeit von Stoffen sind in den letzten Jahren so ergänzt worden, daß es möglich ist, eine Reihe von Eigenschaften in relativen Zahlenwerten auszudrücken. Diese Werte und andere Angaben stellen die sicherheitstechnischen Kenndaten eines Stoffes dar und erlauben die Beurteilung seiner Gefährlichkeit, insbesondere auch für Zwecke des Arbeitsschutzes und der Unfallverhütung bei Herstellung, Verarbeitung, Beförderung, Lagerung und Verwendung. Es ist beabsichtigt, die explosionsfähigen festen und flüssigen Stoffe auf diese Weise tabellarisch zu erfassen, um den in der Industrie und den Aufsichtsbehörden für solche Fragen Verantwortlichen die Möglichkeit in die Hand zu geben, sich über die gefährlichen Eigenschaften eines Stoffes zu informieren.
Zunächst werden die hierzu angewandten Prüfmethoden der Bundesanstalt für Materialprüfung beschrieben. Die Tabellen mit den sicherheitstechnischen Kenndaten explosionsfähiger Stoffe folgen in weiteren Mitteilungen. Der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie, Heidelberg, welche diese Arbeiten wesentlich unterstützt und damit erst ermöglicht, sei bereits an dieser Stelle aufrichtig gedankt.
Nachruf für Dr. August Haid
(1963)
In Berührung mit Gips waren Blei, Aluminium und die Aluminiumlegierung AlMg genügend beständig, trotzdem versagte der galvanische Bleiüberzug als Schutz von Stahl, da der Überzug zu dünn und porenhaltig war, so daß die Korrosion durch Elementbildung Blei/Stahl nur gefördert wurde.
Stahl und Zink werden von Gips stark angegriffen. Dementsprechend ist von Zinküberzügen auch nur solange eine Rostverhinderung zu erwarten, bis der Überzug aufgebraucht ist. Diese Schutzwirkung ist unabhängig von der Art des Aufbringens der Überzüge; sie gilt also sowohl für Zinküberzüge nach dem Schmelztauchverfahren als auch für solche nach Spritz- bzw. galvanischen Verfahren. Durch das Phosphatieren wurde der Angriff von Gips auf Zink nur verzögert, während schon durch Phosphatieren und Ölen ein beachtenswerter Schutz erreicht wurde. Besonders zweckmäßig erwies sich auch das Chromatieren von galvanisch verzinkten Stahlblechen, die nach 12monatiger Beanspruchung noch eine gute Schutzwirkung aufwiesen.
Als Schutz gegen die Einwirkung von Gips haben sich ferner Anstriche bewährt, von denen Chlorkautschuk-, Alkydharz-, Rostschutzmennige-, Ölfarben- und Bitumenanstriche bereits auf den blanken Stahlblechen die Rostbildung verhinderten. Eine genügende Schutzwirkung war auch dann vorhanden, wenn der Deckanstrich beschädigt war. Rost wurde nur nach 50monatiger Versuchsdauer bei der Probe mit dem Chlorkautschukanstrich festgestellt.
Im Verhalten der verschiedenartigen Werkstoffe in Berührung mit Gips einerseits und Gipssandmörtel andererseits konnten keine merklichen Unterschiede festgestellt werden. Das für Gips beschriebene Verhalten gilt demnach auch für das Verhalten der Proben in Gipssandmörtel.
Von Kalkmörtel wurde Stahl nur verhältnismäßig wenig angegriffen. Noch günstiger verhielten sich Zink und Blei, während auf Aluminium und der Aluminiumlegierung AlMg starke, gleichmäßig ausgebildete Verkrustungen hervorgerufen wurden.
Die Rostbeständigkeit von Stahl konnte durch Phosphatieren, durch Feuerverzinken, durch galvanisches Verzinken und Chromatieren sowie durch Spritzverzinken noch wesentlich verbessert werden. Diese Proben blieben bis zur 12monatigen Versuchsdauer rostfrei. Nach 50monatiger Versuchsdauer versagte jedoch die Schutzwirkung der eingeölten Phosphatschicht auf Stahl.
Blanke Zinkbleche sowie solche, die phosphatiert bzw. phosphatiert und geölt waren, wurden 12 Monate lang nicht angegriffen. Erst dann konnten geringe Mengen von weißlichen Korrosionsprodukten aus Zinkverbindungen und eine leichte Verkrustung ihrer Oberflächen festgestellt werden.
Der galvanische Bleiüberzug auf Stahl hatte nur eine etwas verzögernde rostverhindernde Wirkung.
Als Rostschutz bewährten sich auch die bereits genannten Anstrichsysteme bis zu einer Versuchsdauer von 12 Monaten, dann traten insbesondere bei den nicht besonders vorbehandelten Stahlblechen Rosterscheinungen auf, die trotz Alkydharzlack und Bleimennigeanstrichs zu starken Zerstörungen der Oberfläche führten. Durch die Vorbehandlung vor dem Aufbringen der Anstriche durch Phosphatieren bzw. durch Reaktionsgrundierung konnte die Schutzwirkung auch bei diesen Anstrichen wesentlich verbessert werden.
Bei den Aluminiumproben wurden durch die Anstriche die Verkrustungen der Oberfläche verhindert.
Bei der Einwirkung von Kalkmörtel insbesondere auf die blanken Metalle konnte noch festgestellt werden, daß der Angriff an der Grenze Kalkmörtel/Luft begann. War die Einwirkung gering, so beschränkten sich die Veränderungen auf einen schmalen Streifen in dem Grenzgebiet. Mit fortschreitender Versuchsdauer breitete sich dieser Streifen, insbesondere bei Stahl, von der Oberfläche ausgehend gleichmäßig nach dem Inneren zu aus. Einzelheiten hierüber sind in der Tabelle aufgeführt. Auch an Lichtbildern kann das Fortschreiten des Angriffs mit der Zeitdauer deutlich verfolgt werden. Bei Kalkmörtel der verwendeten Mischung und Körnung ist somit damit zu rechnen, daß mit der Zeit Feuchtigkeit in die Grenzschicht zwischen Kalkmörtel und Metall eindringt. Zur Verhütung der Korrosion ist deshalb an den Übergangsstellen Kalkmörtel/Luft für eine dichte und sorgfältige Abdichtung zu sorgen.
Durch Zusatz des Frostschutzmittels wurde die angreifende Wirkung des Kalkmörtels deutlich erhöht. Diese wirkte sich besonders bei den reinen Metallen aus.
Im Beton verhielten sich im ungeschützten Zustand Stahl und Zink gut. Auf Aluminium und der Aluminiumlegierung AlMg wurden ähnlich wie in Kalkmörtel starke Verkrustungen festgestellt. Auf Blei bildete sich eine Schutzschicht. Nur am Übergang Beton/Luft konnte sich durch die speziellen Angriffsbedingungen die Schutzschicht nicht ausbilden, so daß hier die Oberfläche stärker angegriffen wurde.
Zinküberzüge, die nach den verschiedenen Verfahren aufgebracht worden waren, und die galvanische Verbleiung erwiesen sich als Schutz gegen die Einwirkung von Beton nicht als vorteilhaft. Dagegen trat bei den phosphatierten Stahlblechen kein Rost auf.
Durch das Phosphatieren von Zink wurde die Verkrustung begünstigt. Das Chromatieren bzw. Eloxieren von Aluminium und von der Aluminiumlegierung AlMg hatten auf die Verkrustung nur geringen Einfluß.
Durch die Anstriche konnte die Krustenbildung auf Aluminium und der Aluminiumlegierung weitgehend verhindert werden. Auf eloxiertem Untergrund bewährte sich hier besonders der Chlorkautschukanstrich.
Auch bei Beton wurde durch den Zusatz des Frostschutzmittels in den meisten Fällen der Angriff deutlich verstärkt. Ungünstig war die Wirkung vor allem dann, wenn statt des ebenmäßigen Angriffs die Korrosion punktförmig auftrat.
Die ungünstige Wirkung des Zusatzes von Frostschutzmitteln konnte weitestgehend durch Anstriche ausgeschaltet werden, wenn die Bleche durch Phosphatieren vorbehandelt bzw. eine Reaktionsgrundierung erfolgt war.
Besonders kraß machte sich die ungünstige Wirkung des Frostschutzmittelzusatzes bemerkbar bei den Stahlblechen, die verzinkt bzw. verbleit waren und auch bei den nicht vorbehandelten Blechen.
Während Stahl in Kalkmörtel und Beton im allgemeinen beständig ist, können bei Gegenwart von Feuchtigkeit, die durch ausgelaugte Stoffe aus den Baumaterialien alkalisch reagiert, Anstriche zerstört und anorganische Schutzschichten angegriffen werden. Die bei den Versuchen verwendeten Anstriche, insbesondere der Chlorkautschuk- und der Alkydharzanstrich, waren deshalb gewählt, weil sie eine gewisse Alkalibeständigkeit aufweisen. Diese Alkalibeständigkeit wurde durch die Versuche bestätigt. Der Rostschutzmennigeanstrich und die weiße Ölfarbe bewährten sich unter diesen Beanspruchungen nicht ganz so gut.
Aus den Untersuchungen folgt noch, daß die Stellen, an denen die Bleche aus dem Baustoff heraustreten, besonders korrosionsgefährdet sind. Von diesen Stellen aus kann die Korrosion nach dem Inneren des Bauwerkes hin vordringen. Außerdem wird die Korrosionsgefahr dann erhöht, wenn aus den Baustoffen alkalische Stoffe vollständig ausgelaugt werden, so daß bei erneutem Zutritt von Feuchtigkeit keine alkalische Wirkung und damit kein Schutz für Stahl vorhanden ist. Auch hierüber sind im Bericht Beispiele vorhanden.
Zusammenfassend folgt aus den Untersuchungen, daß Konstruktionen aus Stahl und anderen Metallen, die von Gips, Kalkmörtel oder Beton umgeben sind und teilweise aus den Baustoffen herausragen, durch metallische oder organische Überzüge mit genügender Sicherheit vor Korrosion geschützt werden können.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Profilverformung von Keilriemen bei verschiedenen Beanspruchungen zu untersuchen und die Auswirkungen dieser Profilverformung auf das Betriebsverhalten der Riemen zu erforschen. Die Untersuchungen wurden an Normal- und Schmalkeilriemen handelsüblicher Ausführung, vorwiegend Profil 17 und SPB, durchgeführt. Nur in Ausnahmefällen wurde für Vergleichszwecke zur Charakterisierung eventueller besonderer Verhaltensweisen auf Sonderanfertigungen entsprechender Profilgrößen zurückgegriffen.
Sowohl auf theoretischem als auch auf experimentellem Wege wurden zunächst Untersuchungen zur Kennzeichnung des Verformungsverhaltens von Keilriemen bei verschiedenen Beanspruchungszuständen durchgeführt und der Einfluß der Profilverformung auf die Lage des Riemens in der Rille sowie daraus folgend eine Normalspannungsverteilung ermittelt.
Als Ergebnis zeigte sich, daß jeder Riemen unabhängig von seinem Aufbau eine lediglich in ihrer Lage vom Riemenaufbau abhängige Breite besitzt, die bei allen Beanspruchungszuständen unverändert bleibt. Diese sog. Wirkbreite ist gewissermaßen die Drehebene bei der im Wesentlichen von der Biegung (Krümmung) abhängigen Profilverformung. Eine rein rechnerische Bestimmung der Lage der Wirkebene ist unter bestimmten Voraussetzungen mit ausreichender Genauigkeit möglich.
Gegenstand weiterer intensiver Untersuchungen war das Elastizitätsverhalten der Proben bei allen praktisch vorkommenden Beanspruchungszuständen. Mit Rücksicht auf den inhomogenen Aufbau des Keilriemens aus verschiedenen Werkstoffen wurde u.a. die Querelastizität des Profils durch schichtweises Vermessen bestimmt und diese Ergebnisse mit solchen aus Versuchen am Querschnitt verglichen. Für die Berechnungen wurden z.T. entsprechend abgewandelte Modellvorstellungen aus der Theorie der Berechnung von glasfaserverstärkten Kunststoffen herangezogen. Die Elastizitätsmodulwerte bei Zugbeanspruchung wurden mit Hilfe geeigneter Proben ebenfalls für die einzelnen Aufbauelemente getrennt und auch für den Gesamtriemen berechnet. Damit wurden Angaben über die Anteile der von den Aufbauelementen übernommenen Spannungen an der Gesamtspannung und über das relative Dehnungsverhalten der Werkstoffe möglich.
Angaben zur Biegeelastizität wurden im Hinblick auf diesbezügliche Elastizitätsmodulwerte nur auf eine Literaturrecherche beschränkt, jedoch wurden die durch Biegung auf die Scheibenflanken wirkenden Zusatzkräfte mit Hilfe einer eigens hierfür geschaffenen Vorrichtung ermittelt.
Umfangreiche Untersuchungen sowohl theoretischer als auch experimenteller Art waren dem Verhalten des elastischen Umschlingungsmittels in der Keilrille gewidmet. Dabei wurde auf der linearen Zugkraft-Einwanderungstheorie nach 0. LUTZ und den Erweiterungen von K.D. SCHLUMS aufbauend eine modifizierte, nichtlineare Einwanderungstheorie gefunden. Die Nichtlinearität zwischen Zugkraft und Einwanderung wurde auch in der inzwischen erschienenen Habilitation von SCHLUMS bestätigt. Beide nichtlinearen Ansätze unterscheiden sich prinzipiell voneinander. In einer Diskussion wird dargelegt, daß beide Ansätze jedoch ähnliche Aussagen ermöglichen. Ferner werden die von der Theorie nicht oder nur unvollständig erfaßten Einflußgrößen, wie Längsdehnung und Winkelverformung, erörtert.
Die Ermittlung der Keilriemenlänge wurde lediglich im Hinblick auf ihre Bedeutung beim Zusammenstellen von Riemensätzen für Mehrstrangantriebe behandelt.
Schließlich mußten Leistungs- und Lebensdauerversuche zeigen, welche Auswirkungen Profilverformungen auf diese beiden, das Betriebsverhalten kennzeichnenden, Größen haben werden. Dabei ergaben sich infolge unterschiedlicher Keilwinkel von Riemen und Rille eindeutige Einbußen in der übertragbaren Leistung. Die wegen der gleichen Ursachen vermutete Verminderung der Lebensdauer trat nicht in dem erwarteten Umfang auf. Die Abweichungen in den geometrischen Maßen bewirkten vornehmlich eine Vergrößerung des Streubereiches und verschlechterten damit die Aussagesicherheit.
In Bezug auf das Verhalten von Mehrstrangantrieben wurde versucht, eine Abschätzung der Auswirkung geometrischer Riemen- und Scheibenfehler sowie elastischer Unvollkommenheiten der Riemen auf Leistungsübertragung und Lebensdauer vorzunehmen. Im Gegensatz zu den sehr umfangreichen Versuchen mit Einstrangantrieben mußten Versuche hier mit Rücksicht auf die mengen- und leistungsmäßig begrenzte Maschinenkapazität auf Stichproben beschränkt bleiben.
Zur Ermittlung geeigneter Materialien für die Auslegung von HAW-Behältern als Barriere im Endlager wurden selektierende Korrosionsuntersuchungen und mechanische Prüfungen an verschiedenen metallischen Werkstoffen durchgeführt. Neben den Cr-Ni-Stählen, die entsprechend dem bisherigen Konzept als Kokillenwerkstoff vorgesehen sind, wurden drei Nickelbasislegierungen und ein Baustahl sowie die Werkstoffe Ti 99,8 – Pd und der Stahl X 1Cr MoTi 182 (ELA-Ferrit) untersucht. Da im Rahmen von Störfallbetrachtungen für ein Endlager im Salinar als potentielles Korrosionsmedium Salzlösungen betrachtet werden, erfolgten die Korrosionsprüfungen unter selektierenden Bedingungen in einer quinären Salzlösung bei 170°C und 1 bar.
Die mechanischen Prüfungen zeigten, daß die Nickelbasislegierungen und die meisten Cr-Ni-Stähle durch Schweißen bzw. Wärmebehandlung geringe Änderungen ihrer mechanischen Eigenschaften erfahren. Damit wurde belegt, daß diese Materialien als Kokillenwerkstoff geeignet sind. Eine Barrierenfunktion kann von den Cr-Ni-Stählen wegen ihrer hohen Anfälligkeit gegen lokale Korrosionsangriff, insbesondere gegen Spannungsrißkorrosion (SpRK) nicht übernommen werden. Die Werkstoffe Inconel 625, Incoloy 825, ELA-Ferrit und Ti-Pd waren gegen SpRK beständig, jedoch sind diese Materialien gegen Lochkorrosion anfällig.
Eine hohe Beständigkeit gegen lokale Korrosionsangriffe zeigten die Werkstoffe Hastelloy C4 und der Feinkornbaustahl. Der Werkstoff Hastelloy C4 zeigte nach einer Versuchszeit von 432 Tagen einen gleichmäßigen Korrosionsabtrag von weniger als 0,03 mm/a. Die Abtragungsrate bei dem Baustahl 1.0566 betrug weniger als 0,25 mm/a für den Ausgangswerkstoff und weniger als 0,5 mm/a für den wärmebehandelten Werkstoff.
Die vorliegenden Ergebnisse der selektierenden Untersuchungen zeigten, daß beispielsweise mit Hastelloy C4 die Auslegung des HAW-Behälters als Barriere realisierbar ist und damit unter Beibehaltung des heutigen Borosilikatglases ein zusätzlicher Schutz gegen eine Mobilisierung von Radionukliden beim potentiellen Angriff von Salzlösungen erreicht werden kann.
Die Untersuchungen haben ergeben, daß die Systeme Silberoxid-Elektrode/Separator für den PVC-Separator 130/255, den Arylamid/Arylimid-Separator 15-00-117, den Polypropylen-SWP-Separator und den Polysulfon-Separator 132/12 explosionsgefährlich in Anlehnung an die Definition in § 3 (1) des Gesetzes über explosionsgefährliche Stoffe vom 13.9.1976 sind. Das System Silberoxid-Elektrode/Polysulfon-Separator 132/13 ist wie das System Silberoxid-Elektrode/Cellulose-Separator nicht explosionsgefährlich im Sinne der o. g. Definition.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß die Zinkelektrode in Bezug auf das Brandverhalten des sie umgebenden Cellulose-Separators als inert bezeichnet werden kann. Das Silberoxid/4 % Hostaflon-Gemisch begünstigt hingegen die Verbrennung der Cellulose durch Sauerstoffabgabe. Darüber hinaus können bei thermischer Beanspruchung des Systems Silberoxidelektrode/Cellulose-Separator heftige Reaktionen auftreten. Diese zeigen sich sowohl in der Entzündung bei Aufheizgeschwindigkeiten von mehr als 100 K/min (3.2) und in der Zerlegung der Stahlhülse in 2 Teile nach einer Gesamteinwirkungszeit der Gasflamme von 14 s (3.3) als auch in dem raschen Abbrand beim Brandversuch (4.2) und dem Brand als Folge der Wärmeentwicklung am niederohmigen Kurzschluß beim Aktivieren der Zelle. Es traten jedoch weder beim Brandversuch mit der Zelle noch beim Aktivieren der Zelle mit niederohmigem Kurzschluß irgendwelche explosionsartigen Reaktionen oder Wurfstücke auf.
Die Ergebnisse der Prüfung durch Erhitzen unter Einschluß (3.3) und der Prüfung auf Schlagempfindlichkeit (3.4) zeigen, daß das System Silberoxidelektrode/Cellulose-Separator als nicht-explosionsfähig zu bezeichnen ist.
Bei der Aktivierung der "Kurzschlußzelle" traten weder Entzündung noch andere gefährliche Reaktionen auf. Dies ist darauf zurückzuführen, daß es sich um keinen Kurzschluß handelte, was die Messung des Widerstandes der Zelle (50 MΩ) bewies, so daß keine ausreichende Wärmeentwicklung an der Beschädigungsstelle auftrat. Es ist allerdings zu bezweifeln, daß sich bei dem ursprünglich nach der Beschädigung gemessenen Widerstand von 9 MΩ zur Entzündung ausreichende Wärme entwickelt hätte, da es sich auch bei diesem Widerstand um keinen "echten" Kurzschluß handelte.
Für eine Entzündung bei der Aktivierung der Zelle ist schon ein niederohmiger Kurzschluß notwendig. Bei diesem Versuch wurde aus technischen Gründen zum Befüllen etwa der halben Zelle mit Kalilauge eine Zeit von ca. 40 s gebraucht. Durch Brand zerstört wurde aber nur der trockene Teil der Zelle. Wenn auch beim betriebsmäßigen schnellen Befüllen innerhalb weniger Sekunden an einem niederohmigen Kurzschluß eine starke Wärmeentwicklung auftritt, so kann man das Auftreten eines Brandes aufgrund der Durchfeuchtung der gesamten Zelle jedoch ausschließen.
Bei der Prüfung der Empfindlichkeit gegen Kondensatorentladungsfunken wurde festgestellt, daß das System Silberoxidelektrode/Cellulose-Separator selbst bei Funkenenergien bis zu 168 mWs nicht zur Entzündung zu bringen war. Elektrostatische Aufladung von Personen kann hingegen nur Funken mit der Energie bis 15 mWs liefern.