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In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes 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.
Die sichere Lagerung und der Transport von Flüssigwasserstoff (LH2) verlangen nach verlässlichen Abschätzungen möglicher Risiken durch Feuer oder Explosion. Aufgrund des breiten Explosionsbereichs (4 Vol.-% - 74 Vol.-%) reagiert Wasserstoff sehr schnell und produziert hohe Flammentemperaturen. Da Wasserstoffflammen ruß- bzw. farblos sind, ist Wärmestrahlung im Fernfeld kein Risikofaktor. Allerdings stellen die hohe lokale Wärmestrahlung und die nicht sichtbaren Flammen eine Gefahr für Menschen und Infrastruktur in der Nähe dar. Es ist daher notwendig die Gefahren von LH2-Feuern sorgfältig zu bewerten.
Einerseits sind experimentelle Untersuchungen verschiedener Szenarien teuer, andererseits können sie teilweise auch praktisch nicht durchführbar sein. Numerische Simulationen dieser Szenarien können ein Ausweg aus diesem Problem sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein solcher Ansatz genutzt, um große Brandszenarien mit LH2 mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) zu modellieren und so die notwendigen Sicherheitsabstände abzuschätzen. Der Fokus liegt dabei auf der Simulation von Jet- und Pool-Feuerszenarien mit einem kommerziellen CFD-Code (Ansys CFX). Die benötigten geometrischen Modelle werden für Jet- und Pool-Feuer erstellt und mit den nötigen Randbedingungen implementiert. Wichtige Submodelle für chemische Reaktionen (Einschritt- und detaillierte Modelle), Verbrennung (Eddy-Dissipation- und Flamelet-Modell) und Strahlung (Discrete-Transfer-Modell) werden genutzt. Die maximal simulierten Flammentemperaturen liegen bei ~2100 K für Jet-Feuer und ~2300 K für Pool-Feuer. Um Aussagen zu thermischen Sicherheitsabständen zu treffen, wurden die Spezifischen Ausstrahlungen (SEP) ermittelt und anschließend entsprechende Positionsfaktoren gewählt, um verlässliche Sicherheitsabstände zu berechnen. Je nach Bedarf können CFD-Modelle sowohl für qualitative als auch für quantitative Risikobewertungen von LH2-Großbränden genutzt werden.
Durch die Verwendung von Grillgeräten in geschlossenen Räumen, wie Gartenlauben, Wohnungen oder Garagen kam es in den vergangenen Jahren zu einer Vielzahl von Unfällen mit schweren Vergiftungen und Todesfällen. Seit 2008 scheint das Auftreten von Kohlenmonoxid (CO) Intoxikationen innerhalb Deutschland wieder zu zunehmen. Die Hauptursachen sind dabei der unsachgemäße Gebrauch von Holzkohlegrills, schlecht gewartete Gasthermen und Kamine. Zum Schutz der Bevölkerung ist deshalb eine Aufklärung über mögliche Gefahren wichtig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Gefahren bewertet. Es wurden verschiedene Brandszenarien mit Grillgeräten, mit unterschiedlichen Grillkohlearten und –mengen in geschlossenen Räumen realisiert und die entsprechenden Konzentrations-Zeit-Verläufe ermittelt. Bei den Brandversuchen wurden zudem notwendige Eingabeparameter für numerische Simulationen ermittelt, um die Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen zu simulieren. Die Auswirkungen für Menschen beim Grillen in geschlossenen Räumen wurden quantifiziert, indem die Eintrittszeitpunkte der Handlungsunfähigkeit und des Todes mittels Fractional Effective Dose (FED)-Konzept bestimmt wurden. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine frühzeitige Detektion der toxischen Gase zur Warnung von Personen dringend notwendig ist. In den durchgeführten Brandversuchen zeigte sich, dass die gebräuchlichen Rauchmelder auf Streulichtbasis keine rechtzeitige Warnung ermöglichen. Deshalb sind für solche Brandszenarien andere Branddetektoren erforderlich. Entsprechende Versuche mit CO-Brandmeldern zeigten, dass das freigesetzte CO beim Grillen in geschlossenen Räumen frühzeitig detektiert werden kann und Personen somit rechtzeitig gewarnt werden können.
Zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden wurde weiterhin ein neuer Wasserstoffdetektor getestet. Die Entstehung von Wasserstoff in einer sehr frühen Brandphase kann zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden genutzt werden. Bei ersten Schwelbrandexperimenten mit Holzproben konnte Wasserstoff in einer geschlossenen Kammer (0,5 m3) nachgewiesen werden, noch bevor es zu einer erhöhten CO-Emission kam. Die Ergebnisse der Schwelbrandversuche werden vorgestellt und die Verwendbarkeit von CO- und Wasserstoff-Detektoren erörtert und diskutiert.
Sicherheitstechnische Kenngrößen von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen bei der Power-to-Gas-Technologie
(2015)
Die tribologischen Eigenschaften von graphitgefüllten Polyimiden gegen Stahl 100Cr6 wurden an Luft, im Hochvakuum (l0⁻ ³ Pa) und in Wasserstoffumgebung bei verschiedenen Drücken (10³ Pa, 10⁴ Pa und 10⁵ Pa) untersucht. Zwei unterschiedliche Polyimid-Typen wurden eingesetzt, wobei Typ und Menge des Graphits variiert wurden.
Die Experimente wurden bei 3,1 MPa Kontaktdruck und einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 m/s bzw. 1 m/s durchgeführt. Die verschlissenen Oberflächen und die Morphologie des Materialübertrags auf die Stahl-Gegenfläche wurden mittels Lichtmikroskopie, REM, TEM und FTIR untersucht. Die Untersuchung zeigt, dass sowohl die Matrix als auch der Graphitanteil einen deutlichen Einfluss auf das Reibverhalten von Verbundwerkstoffen in Wasserstoffumgehungen haben können.