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Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Ermittlung geeigneter Wärmeführungen zur Wasserstoffreduktion beim Schweißen höherfester Feinkornbaustähle mit modifiziertem Sprühlichtbogen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie & Werkstoffverhalten" des DVS e. V. zusammen.
Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Ermittlung geeigneter Wärmeführungen zur Wasserstoffreduktion
beim Schweißen höherfester Feinkornbaustähle mit modifiziertem
Sprühlichtbogen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie & Werkstoffverhalten" des DVS e. V. zusammen.
Experimentelle Untersuchungen zu streifenden Schlägen mit verschiedenen Edelstahlsorten in explosionsfähigen Atmosphären, jeweils bestehend aus Wasserstoff, Acetylen, Ethylen bzw. Propan mit Luft, haben gezeigt, dass deren Zündwahrscheinlichkeit sowohl von der Art des Brenngas-Gemisches als auch der Höhe der kinetischen Schlagenergie abhängt. Ein Einfluss des Chromgehaltes im Edelstahl auf die Zündwahrscheinlichkeit durch mechanisch erzeugte Schlagvorgänge konnte in dem untersuchten Bereich des Chromgehaltes nicht nachgewiesen werden, obwohl ein steigender Chromgehalt die Oxidationsfähigkeit abgetrennter Partikel erhöhter Temperatur tatsächlich senkt. Ferner haben weitere Werkstoffeigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte einen Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit mechanischer Edelstahl-Schlagvorgänge bei Wasserstoff/Luft-Gemischen. Mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Edelstahls sinkt die Zündwahrscheinlichkeit. Für die spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte konnte kein Einfluss nachgewiesen werden.
Für Schlagvorgänge wurden in der Norm EN 13463-1:2009 (DIN, 2009) Grenzwerte für die maximale kinetische Schlagenergie festgelegt, unterhalb derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann. Dabei wurde zwischen Schlagvorgängen mit funkenarmen Metallen, wie z. B. Kupfer, Messing, und Schlagvorgängen mit sogenannten „sonstigen Werkstoffen“ unterschieden. Die Grenzwerte dieser sonstigen Werkstoffe resultieren aus Versuchen der BAM mit unlegiertem Baustahl. Bei solchen Schlagvorgängen wird von Oxidationsprozessen einzelner Partikel mit dem Luftsauerstoff ausgegangen, die das Gasgemisch aufgrund des hohen Temperaturanstiegs entzünden.
In industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der chemischen Industrie wird jedoch statt ferritischem Stahl überwiegend Edelstahl verwendet. Im Allgemeinen gilt mit Chrom hochlegierter Edelstahl bei Schlagvorgängen gegenüber ferritischem Stahl als funkenärmer, da die Oxidationsfähigkeit von Edelstahlpartikeln mit steigendem Chromgehalt abnimmt.
Bei den Schlagversuchen der BAM konnte zwar eine sinkende Oxidationsfähigkeit der Partikel, aber keine abnehmende Zündwirksamkeit von Edelstählen mit steigendem Chromgehalt beobachtet werden.
In einem von der BG ETEM geförderten Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden: Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig. Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar. Die Modellgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA. Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
In einem Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden:
Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig.
Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar.
Die Erdgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA.
Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
Berechnungen zeigen nur geringen Einfluss von 10 % H2 auf die Gasausbreitung.
Gaswarngeräte müssen in der Regel neu kalibriert werden.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden.
Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen als auch die abgetrennten Partikel können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm EN 13463-1:2009 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden.
Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen als auch die abgetrennten Partikel können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm EN 13463-1:2009 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
3D Charakterisierung wasserstoffunterstüzter Risse in Stahl mittels Synchrotron-Refraktions-CT
(2016)
Die Fehlertoleranz moderner hochfester Stähle gegenüber Prozessfehlern beim Fügen nimmt stetig ab und erfordert eine immer kritischere Beurteilung der Ergebnisse aus den vorhandenen Prüfverfahren. Deren Aussagekraft ist häufig zu gering und daher muss zum einen das wissenschaftliche Verständnis der Mikrokaltriss-Entstehung in diesen Stählen vertieft werden und zum anderen müssen die Prüfmethoden und Bewertungskriterien angepasst werden. Dies erfordert ein besseres Verständnis insbesondere der Kopplung von Eigenspannungen, Wasserstoffgehalten und der Wirkung äußerer Kräfte auf die Rissentstehung und das Risswachstum.
Erstmals soll mittels 3D-Synchrotron-Refraktions-Topographie an der BAMline am BESSY die Rissentstehung in mit Wasserstoff beladenen Zugproben charakterisiert werden. Diese Kenntnisse sollen in weiteren Untersuchungen auf Schweißnähte übertragen werden.
Ziel einer Dichtheitsprüfung ist es entweder, mit einem quantitativen Prüfverfahren integrale Leckageraten zu messen, oder mittels eines lokalisierenden Verfahrens den genauen Leckageort aufzuspüren.
In einigen Fällen kann das Betriebsmedium gleichzeitig das Prüfmedium sein, wenn geeignete Sensorik zu Verfügung steht. In anderen Fällen kann dies aus unterschiedlichen Gründen nicht möglich sein. Daher ersetzt man bei der Verwendung von Prüfgasverfahren das Betriebsmedium durch ein spezifisch nachweisbares Prüfgas.
Für die Interpretation eines quantitativen Messergebnisses ist es notwendig, die Ist-Leckagerate mit einer zuvor berechneten Grenzleckagerate (maximal zulässige Leckagerate) zu vergleichen. Entspricht das für die Dichtheitsprüfung verwendete Prüfgas nicht dem Betriebsmedium, so ist hierfür eine Umrechnung von Leckageraten notwendig.
Es wird ein Überblick über für die Dichtheitsprüfung gängige Prüfgase, deren Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile gegeben. Die grundlegenden Prinzipien bei der Umrechnung von Leckageraten (Druckumrechnung; Temperaturumrechnung; Umrechnung der Gasart bzw. des Mediums) werden vorgestellt.
Ein wesentliches sicherheitstechnisches Kriterium für Transport und Lagerbehälter ist das Langzeitverhalten von verschraubten Deckel-Dichtsystemen unter Verwendung von Metall- und Elastomerdichtungen sowie von im Behälterkörper integrierten Polyethylenen zur Neutronen¬abschirmung.
Die ordnungsgemäße Funktion der Metalldichtungen ist Voraussetzung für die Einhaltung der geforderten Dichtheit des Deckelsystems, während die Elastomerdichtungen für die Messung der Leckagerate an den Metalldichtungen benötigt werden. Darüber hinaus kommen Elastomer-dichtungen als Primärdichtungen in Behältern für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zum Einsatz.
Zur Bewertung des Dichtungsverhaltens sind die alterungsabhängige verbleibende Rückstellkraft für die Metall- und Elastomerdichtungen sowie die sog. nutzbare Rückfederung bei Metalldichtungen von entscheidender Bedeutung. Für Elastomerdichtungen ist zusätzlich eine radiologisch bedingte Materialdegradation zu bewerten.
In Bezug auf das Alterungsverhalten von Polyethylen zur Neutronenabschirmung sind neben zeit- und temperaturabhängigen Materialveränderungen insbesondere auch durch Gammastrahlung induzierte Degradationseffekte wie Wasserstoffabspaltung, Vernetzung und Abbau der Polymer¬moleküle zu berücksichtigen. Über die eigentliche Bewertung der Abschirmeigenschaften hinaus sind somit zusätzlich Auswirkungen von Degradationsprodukten auf andere Behälterkomponenten zu diskutieren.
Die an der BAM im Fachbereich 3.4 Sicherheit von Lagerbahältern durchgeführten und aktuell laufenden Untersuchungen werden vorgestellt und diskutiert.
Ausgehend von der in der TRAS 410 beschriebenen Notwendigkeit zur Veranlassung besonderer Maßnahmen beim Umgang mit deflagrations- und/oder detonationsfähigen Stoffen werden die Explosionsmechanismen für Stoffe in kondensiertem Zustand beschrieben. Reaktive organische Stoffe sind u. a. anhand ihrer Struktur insbesondere bei Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen identifizierbar. Durch eine Reihe von international eingeführten Prüfmethoden lassen sich solche Stoffe z. B. hinsichtlich ihrer mehr oder weniger ausgeprägten explosiven Eigenschaften charakterisieren. Anhand konkreter Beispiele werden die Prüfergebnisse erläutert und die Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften klassifiziert. Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Zustände bei der Herstellung und Lagerung sowie beim Transport gefährlicher Stoffe werden auch am Beispiel von Unfällen erläutert.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die Präsentation befasst sich mit den Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz.
Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Untersuchungen ausschließlich die im Bereich der ATEX geltenden, harmonisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Da die Zusammensetzung der Prozessgase bei Wasserstoffeinspeisung in das Netz schwanken kann, ist auf Basis experimenteller Daten ein Modell entwickelt worden, mit dem Explosionsgrenzen von reinem Brenngas und von Brenngas-Inertgas-Gemischen berechnet werden können.
Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas.
Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicherheitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Nach Außerkraftsetzung der Druckbehälterverordnung und der Acetylenverordnung ist zum 01.01.2013 auch eine Reihe wichtiger sicherheitstechnischer Regeln für Gase ausgelaufen. Dazu gehören die Technischen Regeln Druckgase (TRG), die Technischen Regeln Druckbehälter (TRB), die Technischen Regeln Rohrleitungen (TRR) und die Technischen Regeln Acetylen (TRAC). Sie enthielten Beschaffenheitsanforderungen für Druckgeräte und Informationen zu den Gefährdungen beim Umgang mit den Gasen. Ein Teil der in diesen Regeln enthaltenen sicherheitstechnischen Anforderungen sind inzwischen europäisch in den Richtlinien zu ortsbeweglichen (TPED) und ortsfesten Druckgeräten (PED) oder aber in den Verordnungen zum Gefahrguttransport (RID/ADR etc.) bzw. zur Einstufung, Klassifizierung und Kennzeichnung (CLP-Verordnung) geregelt. Die verbliebenen sicherheitstechnischen „Lücken“ des alten Regelwerks wurden nun in drei neuen Technischen Regeln zur Gefahrstoffverordnung bzw. zur Betriebssicherheitsverordnung behandelt. Unter Federführung der BAM sind die TRGS 407, die TRGS 745/TRBS 3145 sowie die TRGS 746/TRBS 3146 von einer Projektgruppe „Gase“ beim BMAS erarbeitet worden. Im Vortrag wird das aktuelle, neu strukturierte sicherheitstechnische Regelwerk für Gase (international, europäisch und national) dargestellt. Insbesondere werden dabei im nationalen Teil die Inhalte der drei neuen Technischen Regeln besprochen.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden.
Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanisch erzeugten Schlagvorgänge gehören. Bei Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen als auch die abgetrennten Partikel erhöhter Temperatur können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Brenngas/Luft-Gemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm EN 13463-1:2009 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Die Reibeigenschaften von PEEK-Materialien gegen Stahlscheiben wurden in Luft, Vakuum und Wasserstoffumgebung untersucht. PEEK-Verbundwerkstoffe wurden mit Graphit, CNT oder TiO2-Partikeln gefüllt. Die Ergebnisse zeigen, dass reines PEEK umgebungsabhängig ist und die Desorption von Gasen im Vakuum zur hohen Verschleißraten führt. Durch Zusatz von Graphit bzw. CNT wird eine sehr geringe Reibung in Wasserstoff erreicht (0,04), während mit TiO2-Partikeln die niedrigste Verschleißrate sowohl in Vakuum als auch in Wasserstoffumgebung erzielt wird. Chemische Prozesse treten in den Materialien und im Tribokontakt auf und interagieren miteinander. Insbesondere die Bildung und die Adhäsion eines dünnen und homogenen Transferfilms sind stark von den Umgebungen abhängig.