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Organisationseinheit der BAM
Die Methoden der Sicherheitsbeurteilung von Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen werden zunehmend verfeinert, um Material und damit auch Kosten sparen zu können. So steht auch der Mindestberstdruck als eine der Basisforderungen in den relevanten Normen in der Diskussion. Im Beitrag wird dargestellt, wie die Anforderungen nach Norm unter Berücksichtigung der realen Streuung der Festigkeitseigenschaften nach dem Kriterium einer Mindestzuverlässigkeit prinzipiell zu bewerten sind. Im Ergebnis wird abgeleitet, dass eine quantitative Reduzierung bei Beibehaltung des Charakters der Anforderung sicherheitstechnisch bedenklich ist. Der Ansatz, die Sicherheit von Composite-Druckgefäßen nach dem Kriterium eines Mindestberstdrucks anhand einzelner Prüfmustern nachzuweisen, ist weder eine notwendige noch eine hinreichende Bedingung für ein sicheres Baumuster. Das Potenzial zur Materialeinsparung kann nur durch Umstellung der Sicherheitsnachweise auf ein probabilistisches Verfahren genutzt werden.
Das Monte-Carlo-Experiment ermöglicht die numerische Simulation von statistischen Grundgesamtheiten und somit auch die Generierung von Festigkeitswerten für eine genau definierte Population von Druckgefäßen. In diesem Beitrag wird möglichst nachvollziehbar gezeigt, wie Werte generiert, Stichproben gezogen und ausgewertet werden. Auf dieser Basis wird auch gezeigt, wie die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, mit der Stichproben aus simulierten Populationen das Zulassungskriterium „Mindestberstdruck“ bestehen.
Flüssige und komprimierte Gase sind in Deutschland, Europa und der Welt vielfältig als alternative Kraftstoffe im Einsatz. Diese werden unter teilweise hohem Druck in robusten Behältern an Bord gespeichert. Ein Versagen des Treibstoffbehälters im Schadensfall sollen verschiedene Sicherheitseinrichtungen, auch bei einem eventuell unfallbedingt auftretenden Fahrzeugbrand, verhindern. Sind diese Sicherheitseinrichtungen unfallbedingt beschädigt oder liegen die Belastungen dieser Einrichtung außerhalb ihres Auslegungsbereichs, ist ein Versagen des Behälters dennoch möglich. Dadurch kann es zur Bildung eines explosionsfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs mit den entsprechenden Folgen für Fahrgäste, Einsatzkräfte und Umfeld kommen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht im Forschungsprojekt "CoFi-ABV" mit umfangreichen zerstörenden Versuchsreihen im Realmaßstab die Folgen des unfallbedingten Versagens von Behältern für alternative Kraftstoffe und Maßnahmen zur Reduktion dieser Folgen im Rahmen einer ganzheitlichen Auswirkungsbetrachtung. Dieser Beitrag ist der Start einer Reihe und soll die Problemstellung sowie die Projektinhalte umfassend erläutern.
Verkehrsunfälle unter Beteiligung von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen wie LPG („Autogas“, Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas) oder CGH2 (Compressed Gas Hydrogen, komprimierter Wasserstoff), bergen neue, komplexe Risiken für Passagiere, Einsatzkräfte und deren Umfeld. Im Rahmen des Projektes „CoFi-ABV“ beschäftigt sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien mit einer ganzheitlichen Betrachtung der Auswirkungen des unfallbedingten Versagens von Gasbehältern für alternative Kraftstoffe. Ein wichtiger Teil des Forschungsvorhabens umfasst Entwicklung, Aufbau und Validierung einer unbemannten Flugplattform (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) zur Ferndetektion von Gaswolken. Für das sogenannte gassensitive Mini-UAV wird ein robuster Open-Path-Gasdetektor auf einer Sensorbewegungsplattform in Form eines modifizierten Kamera-Gimbals, integriert. Ziel ist es, ein leistungsfähiges und robustes Werkzeug zu entwickeln, welches Einsatzkräften im Falle eines Unfalls als Hilfe zur Abschätzung der Gefahr durch Gaswolken, ihrer Ausbreitung und der notwendigen Absperrbereiche zur Verfügung steht. Dieser Artikel ist der zweite der Reihe und legt, nach Projektvorstellung im ersten Teil, nun den Schwerpunkt auf das gassensitive Mini-UAV.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist kritisch zu bewerten. Zum einen tragen diese Prüfungen mit ihren relativ hohen Drücken vor dem Hintergrund der Schädigungsprozesse in Faser-Verbundwerkstoffen deutlich zur Degradation bei, zum anderen ist der Erkenntnisgewinn aus dieser Prüfung verschwindend. Um eine Abschätzung der sicheren Lebensdauern zu erhalten, bieten sich betriebsbegleitend zerstörende Prüfungen an. Kann man zwei zeitlich versetzte Zustandsbeschreibungen dieser Art miteinander vergleichen, sollten für jedes Baumuster/jede Bauart zeitabhängige Restfestigkeitsmerkmale ableitbar sein. Hierzu wird ein Ansatz formuliert, der spezifische Prüfverfahren und weitergehende Betrachtungen, z. B. über den geeigneten Zeitpunkt für Stichprobenprüfungen im Laufe der Betriebszeit, beinhaltet.
Die bisherigen Erfahrungen mit der bestehenden Impulsprüfanlage PN020 der BAM zeigen Potential für Verbesserungen auf. Dies betrifft insbesondere die Aspekte nutzbares Impulsvolumen, Wartungsaufwand und Stillstandszeiten, sowie Abmessungen und Gestaltung der Prüfkammer hinsichtlich Nutzraum und Handling der Prüfmuster. Im Zuge eines optimierten Anlagekonzeptes besteht großes Interesse an einer flexiblen Neuausrichtung der Druckerzeugung. Eine moderne Prüfanlage sollte in der Lage sein, die zu bewegenden Massen an die gewünschte Prüfaufgabe und den jeweils benötigten Volumenbedarf anzupassen. Die technische Lösung für die Druckerzeugung sollte deshalb modular gestaltet sein, sodass zusätzlich benötigtes Fördervolumen im Bedarfsfall nachgerüstet werden kann. Ein anderes Konzept als eines, das auf Druckübersetzern basiert, scheidet für Extremtemperaturprüfungen aus, da das vorzutemperierende Medium hierzu in einer Säule pendeln und nicht zirkulieren darf.
Wesentlicher Aspekt der Modularität ist die Redundanz bei Teillast (reduzierter Volumenbedarf - Arbeitsfähigkeit bleibt mit Einschränkung erhalten). Es wird davon ausgegangen, dass einzelne Druckerzeugungs-/Antriebseinheiten so demontiert, repariert oder ausgetauscht werden können, dass die Nicht-Verfügbarkeit der gesamten Anlage auf den Ein- und Ausbau von Elementen der Anlage und Ausfälle in der Steuerung beschränkt bleibt. Auch im teil-demontierten Zustand sollte die Anlage mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit grundsätzlich einsetzbar sein. Die Wartungskosten sollen durch die Verwendung von identischen und kleineren Druckerzeugereinheiten „von der Stange“ gesenkt werden. Eine moderne Anlage wäre zur Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten mit erheblich mehr Sensorik auszurüsten.
Die Druckerzeugung muss mit der Art der Medienkonditionierung kompatibel gestaltet sein. Das heißt, das Prüfmedium sollte unabhängig von der Umgebungsluft aktiv temperiert werden können, um die Konditionierzeiten bis zum Prüfungsstart zu verkürzen und um einen Temperaturanstieg infolge der Reibung zu verringern. Die „Prüfkammer“ sollte keine starre Kammer im herkömmlichen Sinne mehr sein. Stattdessen ist eine thermisch isolierte und mechanisch hoch belastbare Versuchsfläche aufzubauen, auf der sowohl mechanische Schutzelemente (vergl. aktueller Berstkäfig) wie auch mobile Isolierhauben verwendet werden können.
Wesentlich ist eine Optimierung einer solchen Anlage auf die eingangs erwähnte Reproduzierbarkeit von Prüfprozeduren und die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse mit Blick auf die statistische Auswertung. Hierzu sollten eine möglichst exakte Regelung, eine statistische Auswertung der Duckextremwerte (zumindest in Klassen), eine Aufzeichnung der Temperatur- und Feuchtewerte sowie des geförderten Volumens jedes Zyklusses und verschiedene Methoden der Leckerkennung/automatischen Versuchsabbruches selbstverständlich implementiert sein.
Existing standards for the approval of composite cylinders for the transport of compressed hydrogen are currently based on deterministic (ISO 11119-3) and semi-probabilistic (UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the capabilities of these procedures with respect to the evaluation of burst strength. Their characteristics are compared with the probabilistic approach developed at BAM. Based on Monte-Carlo simulations the available design range (mean value and scatter of burst strength) of all concepts are assessed. In addition, the probability of acceptance for potentially unsafe design types is determined.
The results show large areas of burst properties with a sufficient reliability which cannot be used for the design of composite cylinders, due to current approval criteria. On the other hand, existing standards allow the approval of potentially unsafe designs in case of a very high scatter regarding their burst strength.
It is also shown that existing design types are already designed to the limits of the available design area. A further weight and cost reduction of composite cylinders is therefore closely related to the approval criteria. An example based on UN GTR No. 13 shows how an approval criterion can be optimized by using statistical methods. The example shows that a reduced minimum burst pressure can be combined with a lower probability of acceptance for potentially unsafe design types.
The explosion of hydrogen gas storage cylinders on May 25, 1894, represents one of the most spectacular failure cases during the late industrialization period in Germany. With respect to modern applications to hydrogen storage as energy carrier, it has several times been referred to as precedent failure case for the whole industrial sector. The detailed investigation reports by Martens have thus gained interest in the last years, but also, because the publications in 1896 about his expertise already provided in September 1894 document one of the first and most comprehensive investigations which can be regarded as a nucleus for modern failure analysis.
After summarizing the newspaper reports in the introduction, the present contribution provides a review of Martens' reports targeted at the development of failure analyses and materials testing procedures as well as potential failure origins.