Endbericht. Bundesminister für Verkehr Bau und Wohnungswesen

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1 Sicherheitsanalyse zur Optimierung und Entwicklung von Gefahrguttanks unter Berücksichtigung des Versagensverhaltens bei Unfällen und der Auswirkung betrieblicher Belastungen Endbericht Auftraggeber: Bundesminister für Verkehr Bau und Wohnungswesen (BMVBW) Durchführung: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Fachgruppe III.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik Auftrag vom: BAM-Vorhabennummer: 3214 Inhaltliche Sachbearbeitung: Dipl.-Ing. W. Heller Projektleiter: Dr.-Ing. J. Ludwig

2 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 2 von 123

3 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 3 von Einführung 5 2 Erfahrungssammlung Fehler in Gestaltung und Dimensionierung Ungünstig gestaltete Krafteinleitungen (Länge des Kraftweges) Unangepasste Krafteinleitungselemente (Dichte des Kraftflusses I) Steifigkeitssprünge (Dichte des Kraftflusses II) Gestaltung von Fügeverbindungen Fertigungsgerechtes Konstruieren Berücksichtigung transportbedingter Zusatzlasten Fertigungsfehler Umformverfahren Schweißverbindungen (Eigenspannungen I) Schweißverbindungen (Eigenspannungen II) Nachbearbeitung Materialauswahl Allgemeine Randbedingungen Regelwerke Normung Ausbildung und Kontrolle Literaturecherche, Hersteller- und Anwenderbefragung Straßentankfahrzeuge Tankcontainer Lastkollektive Tankfahrzeuge Ermittlung der eingeleiteten Lasten Konzept und Realisierungsmöglichkeiten Kraftmessung im Bereich des Königszapfens Kraftermittlung im Bereich der Achsaggregate Versuche zur Ermittlung der Kennlinien Dynamische Versuche Bewertung der Ergebnisse Modellierung und FE-Rechnung Definition der Fahrmanöver Durchführung der Dimensionierungs-Fahrversuche für MKS Wesentliche Ergebnisse der Messungen... 53

4 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 4 von Ergebnisse aus MKS und FE-Rechnung Spezielle Untersuchung der nach FE-Rechnung relevanten Tankbereiche Verifizierende Fahrversuche Gemessene Spannungen während der Fahrmanöver Diskussion des Ergebnispotentials beider Methoden (FE-Rechnung - Versuch) Tankcontainer Durchgeführte Messungen Auswertung Zusammenfassung der Ergebnisse, Empfehlungen und Ausblick Ergebnisse Vorschläge zu Optimierungsmöglichkeiten Ausblick Anlage... 12

5 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 5 von Einführung Das Prinzip der Kostenminimierung hat in den zurückliegenden Jahren auch im Bereich der Beförderung gefährlicher Güter zunehmend Anwendung gefunden. Hier führt es neben der Minimierung der Transportwege auch zur Optimierung des Verhältnisses von Nutzlast zur Gesamtmasse der Beförderungseinheiten. Einer Erhöhung der Ladegutmengen stehen im Straßenverkehr die Begrenzung der zulässigen Gesamtmasse einer Beförderungseinheit bzw. die maximalen Achslasten im Schienenverkehr entgegen. Die Dimensionen der Beförderungseinheiten werden im Straßenverkehr durch die maximalen Breiten und Längen und im Schienenverkehr durch das Lichtraumprofil begrenzt. Die Standardisierung der Container bzw. vorgeschriebene Geometrien der Umschließungen engen die Variationsmöglichkeiten bezüglich der Abmessungen zusätzlich ein. Somit kann die Erhöhung der Nutzlast ab einer gewissen Grenze nur durch Verringerung der Taramassen erreicht werden. Dies kann sowohl durch Materialsubstitution als auch durch effektiveren Materialeinsatz geschehen. So führte dies schon vor mehr als dreißig Jahren zur Verwendung von Aluminium als Tankwerkstoff anstelle von dem bis dahin verwendeten Baustahl insbesondere für Mineralöltransporte auf der Straße. Die Zulassung bzw. die Auslegung von Gefahrguttanks erfolgt nach dem Stand der Technik auf der Grundlage verkehrsrechtlicher Vorschriften und den zugehörigen Regelwerken entsprechend den Anforderungen unter Berücksichtigung betrieblicher Beanspruchungen. Die betrieblichen Belastungen, denen ein Tank unterworfen wird, resultieren einerseits aus den Beanspruchungen infolge von Druckunterschieden (innerer bzw. äußerer Überdruck) und andererseits aus den aufgrund der wirkenden Beschleunigungen resultierenden Kräften. Dabei ist immer die Überlagerung beider Anteile zu betrachten. Die konstruktive Auslegung von Tanks nach dem ADR wird im ersten Abschnitt der Anhänge B1.a (Tankfahrzeuge) und B.1b (Tankcontainer) festgelegt. Im RID sind dies die Anhänge X für Tankcontainer und XI für Kesselwagen. Klassenspezifische Zusatzanforderungen sind in den entsprechenden Abschnitten jeder Klasse enthalten. Ab Juli 21, dem Datum des Inkrafttretens des umstrukturierten RID/ADR, erfolgt die konstruktive Auslegung nach dem Kapitel 6.7 für die sog. UN Tanks und dem Kapitel 6.8 für alle RID und ADR Tanks. In den Bauvorschriften für Tanks ist gefordert, dass diese so beschaffen sein müssen, dass sie unter normalen Beförderungsbedingungen den statischen und dynamischen Belastungen standhalten und die werkstoffkennwertbezogenen Mindestanforderungen erfüllen. So sind Beschleunigungen angegeben, bei deren Einwirkung und bei höchstzulässiger Füllmasse die

6 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 6 von 123 ebenfalls angegebenen zulässigen Spannungen nicht überschritten werden dürfen. An anderer Stelle wird die Beanspruchungen durch Innendruck berücksichtigt. Zur vollständigen Auslegung eines Tanks sind aber auch die weiterführenden Stabilitätsprobleme an Tankböden, Trennböden, Schwallwänden, Versteifungsringen, der Umgebung von Aufsattelungen und Öffnungen, geschraubten Flanschen und allgemein der Schweißverbindungen mit einzubeziehen. Da Tanks für höhere Drücke bei Überschreitung der festgelegten Mindestwanddicken bei gleichem Werkstoff in der Regel auch größere Wanddicken als Tanks für niedere Drücke aufweisen, ist auch deren Widerstandsfähigkeit gegenüber dynamischen Belastungen, vergleichbare Konstruktionen vorausgesetzt, größer. Tanks zur Beförderung fester Stoffe benötigen aufgrund des geringeren Dampfdruckes im Normalfall geringere Wanddicken als Tanks zur Beförderung flüssiger Stoffe. Dies ist auch in den verkehrsrechtlichen Vorschriften berücksichtigt worden. Des weiteren ist bei flüssigen Füllgütern zusätzlich die Schwallwirkung zu betrachten, die bei festen Stoffen vernachlässigbar ist. Aus diesen Gründen werden in dieser Arbeit vorrangig Tanks für Flüssigkeiten betrachtet. Von den gegenwärtig 1518 in der Gefahrgut-Unfalldatenbank im Internet GUNDI (http://www.gefahrgut.de/gundi.htm) registrierten überwiegend deutschen Unfällen seit 1992 sind bei 87 Vorkommnissen Gefahrguttanks bzw. Kesselwagen involviert. Die überwiegende Mehrzahl von 67 Unfällen betrifft Tankwagen bzw. Tankauflieger. Nur 29 Unfälle wurden mit Tankcontainern erfaßt, Unfälle mit Saug-Druck-Tanks sind lediglich 5 mal enthalten und Aufsetztanks treten nur 3 mal in Erscheinung. Das spiegelt in etwa die prozentuale Verteilung der einzelnen Tankarten im Straßenverkehr wider (s. Bild 1-1). Gefahrgut-Unfall-Datenbank GUNDI übrige 48% Straßentankfahrzeuge 43% Tankcontainer 2% Kesselwagen 7% Bild 1-1: Verteilung der Gefahrgutunfälle nach Umschließungsart

7 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 7 von 123 Bei 112 Gefahrgutunfällen waren Kesselwagen beteiligt. 269 der Unfälle mit Gefahrguttanks (ohne Kesselwagen) ereigneten sich auf Bundesautobahnen und 17 auf Bundesstraßen. Bild 1-2 zeigt das Verhältnis von Tankcontainern und Wechselbrücken zu Straßentankfahrzeugen, wobei hier nur der Bestand deutscher Betreiber, d.h. in Deutschland ansässige Firmen betrachtet wurden (Quelle: Gefährliche Ladung, 4/2 1 ). Außerdem muss unterstellt werden, dass diese Aufstellung keineswegs vollständig sein kann. Manche Firmen lieferten auch keine Angaben. Gefahrguttanks in Deutschland (ohne Kesselwagen) Tankcontainer und Wechselbehälter 8,2% Straßentankfahrzeuge 19,8% Bild 1-2: Tankcontainer und Tankfahrzeuge in Deutschland Tankcontainer werden bevorzugt im kombinierten Verkehr d.h. auf unterschiedlichen Verkehrsträgern eingesetzt. Aufgrund der geringeren Unfallhäufigkeit im Schienen- und Seeverkehr, dem aber vergleichsweise hohen Kilometeranteil dieser Verkehrsträger an der Gesamtlaufstrecke, treten Unfälle mit Tankcontainern bedeutend seltener auf als Unfälle mit Tankfahrzeugen. Im Jahre 1999 traten 138,8 Tonnen gefährliche Güter aus, während 1998 noch 154,8 Tonnen freigesetzt wurden. Davon waren etwa drei Viertel brennbare Flüssigkeiten, vor allem Benzin, Heizöl und Diesel. An den Gefahrgutunfällen im Straßenverkehr waren allein im vergangenen Jahr 75 Tankfahrzeuge beteiligt. Das entspricht einer gleichgebliebenen Quote von etwa 6 Prozent. Die Zahl der Unfälle, bei denen Tankfahrzeuge leckschlugen, hat sich leicht auf 37 erhöht (1998: 31). Fast ausschließlich waren Tankfahrzeuge betroffen, die entzündbare flüssige Stoffe der Klasse 3 beförderten 2. Während es mittlerweile relativ einfach ist, Angaben zu Unfällen mit Gefahrgutaustritt zu erhalten, erweist es sich nach wie vor als schwierig, repräsentative Aussagen über Häufigkei-

8 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 8 von 123 ten von Tankbeschädigungen ohne Unfalleinwirkung zu erhalten. Ziel dieses Vorhabens ist es deshalb, die Gefahrguttanks im Hinblick auf die Schäden durch betriebliche Belastungen zu untersuchen bzw. die Stellen am Tankkörper zu ermitteln, die den größten Beanspruchungen ausgesetzt sind. Aufgrund der großen Häufigkeit von Mineralöltransporten, die auf der Straße fast ausschließlich mit Tankfahrzeugen bzw. Tankaufliegern durchgeführt werden und der Tatsache, dass ein Großteil der Tankauflieger selbsttragend sind und sie somit neben den Belastungen durch das Füllgut (Gewichtskräfte und Druckbelastung) auch Beanspruchungen der Tankschale durch das Fahrverhalten (Trägheitskräfte, Momente) ausgesetzt sind, wurde als primärer Untersuchungsgegenstand ein Tanksattelauflieger gewählt. Für einen Großteil der zur Beförderung von Mineralölprodukten eingesetzten Tanksattelauflieger wird als Tankwerkstoff vorrangig Aluminium verwendet. Gerade bei Verwendung von Aluminium als Tankwerkstoff ist durch die festgelegten Mindestwanddicken ein sicherheitstechnisch ungünstiges Verhältnis von Werkstoffkennwerten zu den erforderlichen Wanddicken zu verzeichnen, was einen derartigen Tank für die durchzuführenden Untersuchungen prädestiniert. Die bessere Raumausnutzung bei Koffertanks ist ein Grund für deren häufigen Einsatz gegenüber Zylindertanks. Des weiteren ist es aufgrund der Vorschriftenlage möglich, neben Heizöl und Diesel auch Benzin in einem solchen drucklosen Tank zu befördern, wodurch derartige Tanks weit verbreitet sind. Deshalb wurde als Untersuchungsobjekt ein gebrauchter selbsttragender 8-Kammer- Koffertank-Sattelauflieger, Baujahr 1991, beschafft der in Bild 1-3 dargestellt ist. Bild 1-3: 8-Kammer-Koffertankauflieger im Anlieferungszustand

9 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 9 von 123 Dieser Tank hat einen Inhalt von 41 Litern, der Prüfüberdruck beträgt,25 bar. Der Tankkörper besteht aus der in Deutschland üblicherweise verwendeten Aluminiumlegierung Al Mg 4,5 Mn. Die zulässige Gesamtmasse beträgt 34 kg und die maximale Sattellast 11 kg. Die Leermasse beträgt 629 kg. Der Auflieger besitzt drei ungelenkte Achsen, wovon die vordere als Liftachse ausgeführt ist. Neben den Untersuchungen mit dem vorgenannten Tankfahrzeug wurden auch Tankcontainer in einem 2 Fuß-Rahmenwerk betrachtet. Hier wurde ausschließlich der Umschlagprozeß untersucht, da dieser tankcontainerspezifisch ist und in dieser Art bei Tankfahrzeugen nicht auftritt. Dabei wurden insbesondere die Beschleunigungen ermittelt, die beim Heben bzw. Absetzen mit Hilfe eines Reach Stackers oder Spreaders auftreten. Bild 1-4: Hebe- und Absetzversuche an Tankcontainern

10 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 1 von Erfahrungssammlung Tanks von Tankfahrzeugen und Tankcontainern zur Gefahrgutbeförderung werden nach technischen Regelwerken, Normen und technischen Richtlinien unter Zugrundelegung der verkehrsrechtlichen Vorschriften/Übereinkommen (RID/ADR, GGVE/GGVS, IMDG-Code (GGVSee)) gefertigt. In diesen Regelwerken ist es jedoch nicht möglich, bis in Details der Gestaltung oder gar Fertigung zu gehen. Dies soll zukünftig durch Normen geschehen, wobei auch dann ein Innovation und Wettbewerb fördernder Gestaltungs- und Fertigungsspielraum gewährleistet bleiben wird bzw. muss, der jedoch Mängel ermöglicht, auf die im folgenden näher eingegangen werden soll. Hierbei sollen keine Aussagen über die Häufigkeit des Auftretens von Mängeln gemacht werden. Da es diesbezüglich keine zentrale Sammelstelle oder gar eine Meldepflicht gibt, muss jede Aussage zu Häufigkeiten als spekulativ bezeichnet werden. Auch wird kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben. 2.1 Fehler in Gestaltung und Dimensionierung Gestaltungs- bzw. Dimensionierungsfehler sind für ein Baumuster und damit für die ganze Serie als typisch anzusehen und nicht auf einzelne Exemplare eines Baumusters beschränkt. Sie sind insofern systematische Fehler, die bei allen Tanks der betreffenden Serie zu gleichen oder ähnlichen Schadensbildern führen. Im Folgenden sollen typische Gestaltungsfehler näher betrachtet werden Ungünstig gestaltete Krafteinleitungen (Länge des Kraftweges) Ungünstig gestaltete Krafteinleitung im Sinne von Funktionsweise der Krafteinleitung oder ihrer Form sind vielfach zu nennen. Hierzu gehören jede Art von ungünstiger Funktionskombination bezüglich Kraftfluss zwischen einzelnen Bauteilen oder Substrukturen und nicht angepasster Dimensionierung der Bauteile. So sollten nach dem Prinzip minimierter Kraftwege z. B. Hebeelemente (Ösen etc.) an diejenigen Elemente wie Spanten, Längsträger etc. angeschlossen werden, die die Gesamtkraft auch im Fahrbetrieb aufnehmen sollen und nicht an Behälterstellen, die sonst nur für einen relativ kleinen hydrostatischen oder hydraulischen Innendruck dimensioniert werden. Ein Beispiel hierfür ist das Anbringen von Befestigungselementen an Rahmenwerken - sofern diese in der Tanktopologie vorgesehen sind - anstelle zusätzlich zu verstärkender Behälterwandungen. Dies wird auch mit den derzeit in der Bearbeitung befindlichen Normen des TC 296 nur unzureichend berücksichtigt.

11 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 11 von Unangepasste Krafteinleitungselemente (Dichte des Kraftflusses I) Bei der Krafteinleitung (z.b. Aufsattelung des Tanks auf dem Unterbau durch Spanten) wird u.u. nicht auf eine dem Krafteinleitungsproblem angepasste Verwendung bzw. Dimensionierung von Doppler-, Futter- oder Auflagerblechen geachtet. Entsprechend kommt es zu lokalen Spannungsspitzen, die sich in günstigen Fällen durch Plastifizierung und entsprechende Veränderungen des Kraftflusses abbauen können. Aus diesem Grund wird in den Regelwerken die Verwendung duktiler Werkstoffe gefordert. Kommt es jedoch aufgrund hoher Streckgrenze in Relation zur Ermüdungsfestigkeit des Materials nicht zu solchen als tendenziell positiv zu bewertenden Spannungsumlagerungen, ergeben sich zwangsläufig lebensdauerverkürzende Effekte für den Tank. Bekannte Fälle sind ungünstig gestaltete Tragleisten bei Eisenbahnkesselwagen oder ungünstige sog. Beam-Anbindungen bei Tankcontainern (Verbindung der Tankstirnseiten mit dem Containerrahmen) Steifigkeitssprünge (Dichte des Kraftflusses II) Starke Schwankungen der Wanddicken oder die Kombination von Materialien verschiedener Steifigkeiten führen zu ähnlichen Effekten wie oben beschrieben (Steifigkeitssprünge). Zusätzlich muss festgehalten werden, dass auch die nach einfachen Berechnungsmodellen als niedrig belastet anzusehenden Stellen Spannungen in einem Maße auf sich ziehen können, die zu Plastifizierung oder zum Versagen führen können. Dies ist insbesondere bei "belüfteten" Tanks mit niedrigen Betriebsdrücken zu beobachten, da diese im allgemeinen nicht nach den technischen Regelwerken für Druckbehälter gebaut, sondern auf der Basis von Erfahrungswerten und Versuchen dimensioniert werden. Ein klassischer Fall einer Kombination von steifen Elementen unter Zug/Druck mit relativ biegeweichen Elementen ist eine steife Rohrdurchführung: Hierbei kommt es zu Spannungsspitzen, da sich das weichere Element nicht frei verformen kann, sondern sich der Verformung des steiferen Elementes anpassen muss. Da das durchgeführte Rohr keine nennenswerte äußere Last aufzunehmen hat, wird bei der Dimensionierung oftmals übersehen, dass durch Inkompatibilität der freien Verformungsfiguren (relativ weicher Tankmantel) oder thermischer Belastungen erhebliche innere Kräfte aufzunehmen sind. Entsprechend werden die Fügungen relativ schwach dimensioniert und sind oft nicht geeignet, die tatsächlich auftretenden Kräfte, die aus Scherung, Zug und Biegung resultieren, aufzunehmen. Das Problem kann behoben werden, indem entweder die auftretenden Zwangskräfte berücksichtigt werden oder besser durch den Einbau eines nachgiebigen und hoch verformbaren Rohres, wie dies z.b. durch einen Dehnungs-S-Schlag bei den Drainageleitungen bei Mineralöltanks praktiziert wird.

12 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 12 von Gestaltung von Fügeverbindungen Einseitige Schweißverbindungen (z.b. gefügte Flächen mit einer Kehlnaht), die auf Biegung belastet werden, sind, auch wenn diese auf der Zugseite der Biegung geschweißt werden, bei Tanks zur Beförderung gefährlicher Güter nicht zulässig, da immer mit einer Wechselbiegung zu rechnen ist. Überlappende Fügungen, insbesondere Schweißverbindungen mit zwei Kehlnähten, werden gegebenenfalls mit zu kurzen Fügelängen gebaut. Hierbei kommt es zur gegenseitigen Beeinflussung der Wärmeeinflusszonen und damit zu nicht überprüfbaren, aber in jedem Fall schädlichen, Änderungen der Materialeigenschaften. Außerdem ist die so gestaltete Verbindung im Vergleich mit optimierten Fügeverbindungen in geringerem Maße in der Lage, Biegespannungen zu ertragen. Ein Teil der Fügeverbindungen wird außerdem nicht so gestaltet, dass Flüssigkeit ablaufen ( Sumpfloch ), Feuchtigkeit ausdampfen (Entlüftungsbohrung bei geschlossenen Volumina) oder Ecken gereinigt werden (Fügeflächen mit nur einer Schweißnaht) können. Hierzu gibt es eine Reihe von Normen und Empfehlungen, auf deren Kontrolle und Einhaltung bei der Baumusterprüfung intensiv geachtet werden muss. Dies ist in erster Linie ein Problem von Tanks, die nicht nach den technischen Regelwerken für Druckbehälter gebaut werden (Niedrigdrucktanks für Mineralölprodukte) Fertigungsgerechtes Konstruieren Die Konstruktion von Tanks richtet sich oft vor allem in kleineren Firmen nicht an den technischen Möglichkeiten einer fehlerfreien Fertigung aus, und baut so oft schon die Fehlerquellen auf, die im weiteren Verlauf zu Fertigungsfehlern führen. So sind z.b. eigenspannungsbedingte Spannungsspitzen mit den oben beschriebenen Folgen bis zum Versagen als primäre Konstruktionsfehler zu sehen, da sich der Einfluss des Wärmeeintrags, genauso wie die daraus resultierenden Zwangskräfte, vorausberechnen lassen. Auch sind Fälle der abtragenden Nachbearbeitung von Schweißverbindungen bekannt, die zu deutlichen Unterschreitungen der Mindestwanddicken führten. Aufgrund von schlechter Zugänglichkeit und/oder mangelhafter Formendkontrolle (vor allem bei Bauteilen mit relativ kleinen Radien) wird Material an manchen Stellen derart abgetragen, dass die Mindestwanddicke unterschritten wird. Ursache hierfür ist hauptsächlich eine nicht fertigungsgerechte Konstruktion und Fertigungsmittelvorbereitung, die es erfordert, Konturen nach Augenmaß und mit freier Hand zu glätten. Dies geschieht auch an Stellen, die eine solche Bearbeitung überhaupt nicht oder zumindest nicht ohne Formendkontrolle per Lehre o.ä. zulassen. Die sich in der Entwicklung befindlichen Normen sollten auch diese Problemfälle deutlicher hervorheben.

13 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 13 von Berücksichtigung transportbedingter Zusatzlasten Bei Tankcontainern sind Aspekte der Stapelbarkeit zu berücksichtigen. Auf Schiffen werden Container mehrfach übereinander gestapelt. Vor allem die auftretenden Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes führen zu enormen Belastungen der Container im Stapel. In mehreren Fällen ist es daher schon zur lokalen Ermüdung und zu Undichtheiten der Umschließung gekommen, da diese Zusatzbelastungen bei der Dimensionierung oder Gestaltung der Rahmen-Tank-Verbindung, obwohl in den Regelwerken als Sicherheitsbeiwert berücksichtigt, nicht ausreichend gewürdigt wurden. Von den seegangsbedingten Belastungen sind auch Tankfahrzeuge im Fährverkehr betroffen. Hier ist besonders auf die Stellen der Anbringung erforderlicher Zurrösen zu achten. Diese betriebsbedingten Lastfälle und die daraus resultierenden ermüdungskritischen Schwachstellen können mit Hilfe der statischen Prüfprozeduren bei der Baumuster-/erstmaligen Prüfung nicht erkannt werden. 2.2 Fertigungsfehler Im Gegensatz zu Gestaltungsfehlern können Fertigungsfehler auch bei fertigungsorientierter Gestaltung und fehlerfreier Dimensionierung bei jedem einzelnen Tank einer Bauart auftreten. Fertigungsfehler, sofern sie nicht wie unter beschrieben, durch die Konstruktion systematisch begünstigt werden, sind als Mangel der Fertigungsüberwachung und Produktabnahme zu sehen. Auftretende Mängel erfordern eine Überarbeitung der qualitätssichernden Prozeduren und könnten, sofern nicht bereits vorhanden, mit Hilfe eines Qualitätsmanagement-Systems reduziert werden. Die in den letzten Jahren beschleunigte Entwicklung in diese Richtung lässt eine Reduzierung dieser Fehlerart erwarten Umformverfahren Für das Umformen der im Tankbau erforderlichen Bleche hoher Wanddicken müssen hohe Kräfte aufgewendet und relativ große Umformradien realisiert werden. Da beispielsweise Trennwände große Bauteile sind, deren Rückfederung vor allem bei nicht konzentrischen Strukturen nur unzureichend vorausgesehen werden kann, müssen diese Teile oft nachträglich in die endgültige Form gebracht bzw. eingepasst werden, oftmals mit schweren Schlagwerkzeugen. Eine solche lokale Krafteinbringung führt immer wieder zu Rissen im Material, zumindest aber zu Verfestigungseffekten und ungünstigen Eigenspannungen. Die Verwendung von einteiligen Umformwerkzeugen in großen Pressen, die einschrittige Umformvorgänge erlauben, würden wesentlich geringere Bauteiltoleranzen ermöglichen, werden jedoch aus Kostengründen bei nicht zylindrischen Tanks bzw. Tanks mit veränderlichem Querschnitt nicht/kaum eingesetzt. Damit tritt dieses Problem überwiegend bei nicht zylindrischen Tanks auf.

14 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 14 von Schweißverbindungen (Eigenspannungen I) In Kombination mit den Umformverfahren ist vor allem das Fügen der Tankböden ein Problem. Sofern diese nicht genau passen, muss die Kompatibilität der Fügung von Boden und Mantel mit nachträglichem Umformen oder hoher Energie erzwungen werden. Vor allem beim Fügen unter großer äußerer Kraft kommt es zu erheblichen Eigenspannungen, die bei Stumpfschweißungen zu ungünstigen Scherspannungen in der Naht führen. Hauptsächlich bei der Herstellung von Koffertanks - bei denen dieses Problem nahezu ausschließlich auftritt - sollte aus diesem Grund wesentlich mehr auf bessere Maßhaltigkeit der Bauteile und Konstruktionselemente geachtet werden Schweißverbindungen (Eigenspannungen II) Der Schweißvorgang selbst ist immer mit dem lokalen Eintrag von Wärmeenergie verbunden. In Folge dessen kommt es daher meist zu wärmebedingten Verformungen. Da die Fügestellen jedoch im verformten Zustand durch das Schweißen fixiert werden, sind je nach Wanddicken, Wärmeabfluss und Schweißprozedur Eigenspannungen nach dem Abkühlen die Folge. Gerade wenn Material mit einer Streck- bzw. Dehngrenze verwendet wird, die gegenüber der Zug- oder der Ermüdungsfestigkeit relativ hoch ist, kann das ohne nachträgliche Homogenisierung des Spannungszustandes (z.b. Innendruckplastifizieren oder Spannungsarmglühen) zu vorzeitigem Versagen führen Nachbearbeitung Die Nachbearbeitung erfolgt in der Regel nach Gesichtspunkten des optischen Eindrucks und der Reinigungsfähigkeit (z.b. glatte Übergänge). Vor allem das Nachbearbeiten von Schweißverbindungen (vgl ) kann zu Wanddickenunterschreitung führen. Hierbei muss auf die Einhaltung der Mindestwanddicken geachtet werden. Mit zunehmender Beachtung des Leergewichts von Tanks und dem daraus resultierenden Trend zur Gewichtsminimierung kommen Bleche geringerer Dicke zur Anwendung. Dies ist aufgrund der Ausnutzung der geringeren Fertigungstoleranzen der Halbzeuge und der Verwendung von Werkstoffen mit höheren Festigkeitskennwerten möglich. Mit diesen in der Tendenz geringer werdenden absoluten Wanddicken, muss in Zukunft vermehrt auf Vorgaben und Kontrolle von Wanddicken auch in niedrig belasteten Bereichen geachtet werden. 2.3 Materialauswahl Ein Problem der Materialauswahl ist die vergleichende Beurteilung der Materialeigenschaften von alternativen Werkstoffen (Baustählen, Austeniten, Feinkornbaustählen, Aluminiumlegierungen oder Faserverbundwerkstoffen etc.) insbesondere bezüglich mechanischer Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit, lokaler und globaler Energieauf-

15 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 15 von 123 nahme, Wärmebeständigkeit, Eignung und Dauerhaftigkeit der Fügeverbindungen. Da das Sicherheitsniveau von Transporttanks indirekt über die umfangreichen Erfahrungen mit dem Basiswerkstoff Baustahl definiert wird, ohne detailliert alle Aspekte zu formulieren, die dieses Sicherheitsniveau ausmachen, kommt es zu Fehleinschätzungen des Sicherheitsniveaus bei Verwendung alternativer Werkstoffe. Ein anderer Aspekt der Materialauswahl ist die Kombinierbarkeit von Materialien. Es kommt immer noch zur Verbindung von austenitischem mit ferritischem Stahl, den sogenannten Schwarz-Weiß-Verbindungen. Die Kombination verschiedener Materialien bedingt in der Regel ein elektrisches Spannungsgefälle (Spannungsreihe), das zur Korrosion der Anode führt. Vor allem die nicht lösbare Verbindung zweier Materialien unterschiedlicher Wertigkeit in der Spannungsreihe hat erhebliche Konsequenzen. Hier können die korrodierenden Teile nicht getrennt bzw. ausgetauscht, unter Umständen nicht einmal konsequent untersucht werden. Insbesondere bei isolierten Tanks besteht das Problem von Korrosion, die nicht o- der erst zu spät erkannt wird. Zu vermeiden sind derartige Korrosionen nur durch die Kombination möglichst gleichartiger Materialien. Ist dies nicht möglich, sollte in jedem Fall das Spannungsgefälle der Werkstoffe überprüft werden. Wenn dann weder die Unbedenklichkeit der Materialkombination bestätigt noch ein anderes Material verwendet werden kann, ist die Konstruktion entweder zu verwerfen oder sowohl die Wartung als auch die Fügeverbindung, z.b. durch Lösbarkeit, darauf abzustimmen (Austausch korrodierender Bauteile). Durch den zunehmenden Bedarf der Beförderung von Stoffen bei erhöhten Temperaturen in den sog. Chemietanks sind diese oft mit Feststoffisolierungen versehen. Hier ergeben sich Korrosionsprobleme, wenn der Chloridanteil z.b. bei der Verwendung von Mineralwolle einen unzulässig hohen Wert erreicht. 2.4 Allgemeine Randbedingungen Regelwerke Die Beförderung gefährlicher Güter findet unter Bedingungen statt, die im wesentlichen in den verkehrsrechtlichen Verordnungen oder internationalen Übereinkommen beschrieben sind. Es ist allen verkehrsrechtlichen nationalen Verordnungen oder internationalen Übereinkommen oder Empfehlungen gemeinsam, dass Druckbehälter, d.h. Gefäße und Tanks in Übereinstimmung mit den Vorschriften eines von der zuständigen Behörde anerkannten Regelwerks für Druckbehälter auszulegen und zu bauen sind. Voraussetzung für die Zertifizierung (Zulassung) und den Betrieb der Druckbehälter ist jedoch die Übereinstimmung mit den Forderungen aus den Verordnungen, Übereinkommen und Empfehlungen selbst. Dies sind in der Regel die Festlegung der Schutzziele, wie Volumen- oder Druckbegrenzung, grundsätzliche Werkstoffanforderungen, Festlegungen über zulässige Spannungen, Mindestwanddicken, Sicherheitseinrichtungen usw. Anerkannte Regelwerke für Druckbehälter sind ge-

16 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 16 von 123 wachsene und immer wieder dem Stand der Technik angepasste Werkstoff- und Bauvorschriften, die überwiegend aus den Dampfkesselbestimmungen und -verordnungen hervorgegangen sind. Als anerkannte Regelwerke für Druckbehälter auf dem Gebiet des Verkehrsrechts sind in Deutschland an erster Stelle die von der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter aufgestellten AD-Merkblätter zu nennen, die wie alle Druckbehälter-Regelwerke den Bau und den Betrieb von stationären Druckgeräten normieren. Sie sind deshalb von der ehemaligen Gewerbeordnung und der Druckbehälterverordnung sowie von der jetzt maßgebenden Druckgeräte-Richtlinie in Bezug genommen worden. Darüber hinaus werden von den verkehrsrechtlichen Verordnungen einzelne europäische Normen in Bezug genommen, die e- benso wie andere international bekannte Regelwerke für Druckbehälter (ASME Code, British Standard 55..) als anerkannt gelten können. Da alle bestehenden technischen Regelwerke für Druckbehälter - auch die vom TC 54 als europäischer Standard entwickelte Norm pren den Transport dieser Umschließungen nur unzureichend berücksichtigen und jedes Regelwerk aus der Historie heraus eine andere Herangehensweise oder Sicherheitsphilosophie beinhaltet, sind bei der Anwendung folgende Regeln einzuhalten: Die Anwendung muss ganzheitlich erfolgen, da jedes Regelwerk einem in sich geschlossenen Auslegungskonzept folgt Eine nur teilweise Anwendung, d.h. ein Ausweichen auf ein anderes Regelwerk, weil dort scheinbar geringere Anforderungen gestellt sind, widerspricht dem Grundgedanken nach gleicher Sicherheit auf andere Weise. Eine bei Anwendung eines anderen Regelwerkes, sonst gleichem Werkstoff und gleicher Verarbeitung geringere erforderliche Wanddicke kann dagegen diesem Grundgedanken entsprechen, wenn gleichzeitig an anderer Stelle dieses Regelwerkes höhere Anforderungen (z.b. Prüfungen) gefordert werden. Die Beachtung der Vorgaben aus zutreffenden Verordnungen oder Gesetzen Bei der Wahl des Regelwerks, welches die geringere Wanddicke erlaubt, muss z.b. trotz erhöhten Prüfaufwandes eine höhere Wanddicke gewählt werden, wenn dies in der Verordnung gefordert wird. Seit einigen Jahren ist auf europäischer Ebene die Erstellung einiger speziell für die Beförderung gefährlicher Güter anwendbarer Normen mandatiert worden, die Gefäße und metallische Tanks sowie deren Ausrüstung betreffen. Wenn diese EU Normen von den Verkehrsvorschriften bzw. Übereinkommen in Bezug genommen werden, ist die Beachtung der Vorgaben aus zutreffenden Verordnungen oder Gesetzen als erfüllt anzusehen. Nachfolgend einige Beispiele zur Anwendung von Regelwerken aus den Modellvorschriften der UN, die zukünftig auch in den Verkehrsvorschriften für den europäischen Schienen- und Straßenverkehr enthalten sein werden. Ähnliche Vorschriften waren schon immer Bestandteil der verkehrsrechtlichen Verordnungen RID, ADR und IMDG-Code:

17 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 17 von 123 UN Kapitel Auslegung, Bau, Prüfung von ortsbeweglichen Tanks Anforderungen an Werkstoffe Die Tankkörper sind in Übereinstimmung mit den Vorschriften eines von der zuständigen Behörde anerkannten Regelwerks für Druckbehälter auszulegen und zu bauen. Sie sind aus metallischen verformungsfähigen Werkstoffen herzustellen. Die Werkstoffe müssen grundsätzlich den nationalen oder internationalen Werkstoffnormen entsprechen. Für geschweißte Tankkörper darf nur ein Werkstoff verwendet werden, dessen Schweißbarkeit vollständig nachgewiesen worden ist. Die Schweißnähte müssen fachgerecht ausgeführt sein und volle Sicherheit bieten. Wenn es durch den Herstellungsprozess oder die verwendeten Werkstoffe erforderlich ist, müssen die Tankkörper einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um zu gewährleisten, dass die Schweißnähte und die Wärmeeinflusszone eine ausreichende Zähigkeit aufweisen. Bei der Auswahl des Werkstoffes muss der Auslegungstemperaturbereich bezüglich des Risikos von Sprödbruch, Spannungsrisskorrosion und Schlagfestigkeit des Werkstoffes berücksichtigt werden. Bei Verwendung von Feinkornstahl darf nach den Werkstoffspezifikationen der garantierte Wert der Streckgrenze nicht größer als 46 N/mm² und der garantierte Wert für die obere Grenze der Zugfestigkeit nicht größer als 725 N/mm² sein. Aluminium darf als Werkstoff für den Bau nur verwendet werden, wenn dies in einer einem bestimmten Stoff in Kapitel 3.2 Tabelle A Spalte 11 zugeordneten Sondervorschrift für ortsbewegliche Tanks angegeben oder von der zuständigen Behörde genehmigt ist. Wenn Aluminium zugelassen ist, muss es mit einer Isolierung versehen sein, um eine bedeutende Verringerung der physikalischen Eigenschaften bei einer Wärmebelastung von 11 kw/m² über einen Zeitraum von mindestens 3 Minuten zu verhindern. Die Isolierung muss bei jeder Temperatur unterhalb von 649 C wirksam bleiben und mit einem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von mindestens 7 C ummantelt sein. Die Werkstoffe des ortsbeweglichen Tanks müssen für die äußeren Umgebungsbedingungen, die während der Beförderung auftreten können, geeignet sein. Mindestwanddicke für Tanks Die Mindestwanddicke des Tankkörpers muss dem größten der nachfolgenden Werte entsprechen: a) die nach den Vorschriften der Absätze bis bestimmte Mindestwanddicke; b) die nach dem zugelassenen Regelwerk für Druckbehälter unter Berücksichtigung der Vorschriften des Unterabschnitts bestimmte Mindestwanddicke;

18 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 18 von 123 c) die in der anwendbaren Anweisung für ortsbewegliche Tanks in Absatz oder durch eine in Kapitel 3.2 Tabelle A Spalte 11 angegebene Sondervorschrift festgelegte Mindestwanddicke. Parallel zur Strukturreform des RID/ADR wurde von Deutschland ein Antrag zur Änderung der sogenannten 3. Wurzel-Formel bei dem für den internationalen Straßenverkehr zuständigen Gremium WP.15 eingereicht und angenommen. Mit Hilfe dieser Formel werden die erforderlichen Wanddicken für andere Werkstoffe als Baustahl ermittelt. e 1 = 464 e m ( R A ) Diese Formel ergibt sich aus der allgemeinen Formel e = e R A 3 m 1 R m1 A1 durch Einsetzen der entsprechenden Werte für einen fiktiven Baustahl mit Rm=37 N/mm² und A=27%. Damit wird diese neue Umrechnungsformel zur Bestimmung der erforderlichen Wanddicke für andere Werkstoffe als Baustahl ab 1. Juli 21 für den Bau von Straßentankfahrzeugen gelten. Die so ermittelten Wanddicken sind nach wie vor Mindestwanddicken, die je nach Beanspruchung auch größer werden können. So kann sich z.b. bei Drucktanks anhand der Kesselformel in Abhängigkeit vom Berechnungsdruck eine höhere Wanddicke ergeben. Als Konsequenz aus der Verwendung der neuen Formel ergibt sich, dass Tanks aus Aluminiumlegierungen bei Verwendung des zur Zeit üblichen Tankwerkstoffs Al Mg 4,5 Mn W28 zukünftig eine höhere Wanddicke aufweisen müssen, als bisher. Bei Verwendung der neueren Aluminiumlegierungen 3, 4 ergeben sich jedoch nur geringfügig höhere bzw. sogar kleinere Wanddicken, da diese Legierungen bedeutend höhere Bruchdehnungen bzw. Zugfestigkeiten aufweisen. Ein gleichlautender Antrag zur Einführung dieser Formel wurde auch bei der Gemeinsamen Tagung (RID/ADR) eingereicht. Damit würde bei Annahme dieses Antrages das Sicherheitsniveau bezüglich der Wanddicken auch für Tankcontainer im Landverkehr angeglichen werden. Es besteht weiterhin die Absicht, diesen Antrag auch bei UN einzureichen, um die weltweite Harmonisierung der Gefahrgutvorschriften voranzutreiben und diese Regelung damit auch im Seeverkehr einzuführen. Eine weitere sicherheitstechnisch positiv zu bewertende Maßnahme ist die bereits erfolgte Annahme eines spanischen Antrages bei WP.15 zur Einführung ausschließlich werkstoffabhängiger Mindestwanddicken (s. Tabelle 2-1), durch den unter anderem für Tanks aus Aluminiumlegierungen mit einem Durchmesser von mehr als 1,8 m eine Mindestwanddicke von 5 mm festgelegt wird. Dadurch wird es zukünftig auch bei Verwendung besserer Werkstoffe nicht mehr möglich sein, Straßentankfahrzeuge mit geringeren Wanddicken herzustellen. 2

19 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 19 von 123 Werkstoff Durchmesser höchstens 1,8 m Durchmesser größer 1,8 m Austenit 2,5 mm 3 mm Andere Stähle 3 mm 4 mm Aluminium-Legierungen 4 mm 5 mm Reinaluminium 6 mm 8 mm Tabelle 2-1: Mindestwanddicken für Tanks von Straßentankfahrzeugen Verschiedene Interpretationen eines bestehenden Ausdrucks, z.b. der zulässigen Spannung der am stärksten beanspruchten Stelle des Tanks nach Verkehrsrecht, können zu unterschiedlichen Sicherheitsniveaus führen Normung Zur Umsetzung der europäischen Verkehrsvorschriften sind insbesondere die Normungsarbeiten in CEN/TC 296 zu nennen, die ein einheitliches Sicherheitsniveau auch unterhalb der Verordnungsebene garantieren sollen. Zurzeit liegen zwei sogenannte mandatierte Normen, die für den Bau bzw. die Auslegung von Tanks zur Beförderung gefährlicher Güter gelten sollen, als Entwurf vor: EN 1394 "Niedrigdruck Metalltanks" und EN 1425 "Metallische Drucktanks". Diese Normen werden bei ihrer Verabschiedung damit erstmalig international abgestimmte Regelwerke darstellen, die die Anforderungen des Verkehrsrecht berücksichtigen. Der Entwurf der EN 1394 enthält u.a. über die Verkehrsvorschriften hinausgehende Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften, wie z.b. zur Kerbschlagzähigkeit für alle Werkstoffe und Biegeprüfung für Aluminiumlegierungen. Wichtige Details bezüglich der Anbauten, Rohrdurchführungen, Aufsattelungen (generell nur mit Verstärkungsplatte!) und spezifische Anforderungen an den Schutz des Tankscheitels und die Herstellung allgemein sollen ein einheitlich hohes Niveau bei der Herstellung dieser überwiegend für Mineralölprodukte verwendeten Tanks sicherstellen. Als alternative Verfahren zum Nachweis der vorschriftenkonformen Auslegung sind detaillierte Prüfungen der dynamischen Belastung - Bremsversuche, Fahren auf einer Teststrecke und Kurvenfahrten -, Berechnung der Beanspruchung mit der Methode der Finiten Elemente (FEM), ein Vergleichsverfahren und ein Berechnungsverfahren enthalten. Zur Auswahl der FEM-Software sind dabei erstmals folgende grundlegende Anforderungen an das Berechnungssystem enthalten: es muss in der Lage sein, dünnwandige Tanks zu analysieren; es muss in der Lage sein, die Biegespannungen über die gesamte Dicke des Materials zu berechnen, z. B. die Membranbiegespannungen; es muss in der Lage sein, Abweichungen von der Tankform zu berechnen;

20 Sicherheitsanalyse zur Optimierung von Gefahrguttanks Seite 2 von 123 es muss automatisch warnen, wenn Elementform, Kantenlängenverhältnisse oder andere Parameter die vom Softwarelieferanten gesetzten Grenzen überschreiten; es muss in der Lage sein, das Modell derart abzubilden, dass unbeabsichtigte Vernetzungsfehler deutlich sichtbar sind; es muss in der Lage sein, doppelte Elemente anzuzeigen; es muss ein Modelliersystem besitzen, das die Aufbringung eines hydrostatischen Innendrucks ermöglicht; es muss fähig sein, die höchste Membranspannung automatisch zu lokalisieren und die nächstfolgenden Spannungspunkte zu lokalisieren. Die Gültigkeit der Berechnung ist durch Messungen der Dehnung während der Druckprüfung nachzuweisen. Die Anhänge B und C der Norm behandeln die Schweißnahtausführung und ein Verfahren zur Messung des spezifischen Arbeitsaufnahmevermögens. Gerade bei Tanks, die nicht nach einem Regelwerk für Druckbehälter ausgelegt werden müssen, ist die Art und Ausführung der Schweißverbindung für Betriebs- und Unfallsituationen von hoher Bedeutung. Es ist zu erwarten, dass durch die Aufnahme dieses Anhangs zukünftig diesbezüglich erheblich weniger Fehler auftreten werden. Die Aufnahme des Verfahrens zur Ermittlung des spezifischen Arbeitsaufnahmevermögens erlaubt einen wesentlich besseren Vergleich von Schutzmaßnahmen, die bei einer beabsichtigten Reduzierung der Wanddicke vorgenommen werden müssen. Die Anzahl der in der Norm selbst enthaltenen Schutzmaßnahmen ist gegenüber denen, die in den Verkehrsvorschriften genannt sind, erweitert worden. Damit werden die bestehenden Unterschiede in der Qualität dieser Maßnahmen noch deutlicher und führen (hoffentlich) zu einer verstärkten Diskussion über das Sicherheitsniveau solcher Tanks Ausbildung und Kontrolle Entsprechend den Vorschriften und Regelwerken ist eine Herstellereignung zum Bau von Tanks gefordert. So muss beispielsweise die Befähigung des Herstellers zur Ausführung von Schweißarbeiten durch die zuständige Behörde anerkannt sein. Diese Herstellereignung ist nicht vollständig kontrollierbar und sollte durch entsprechende QM-Systeme ergänzt werden. Damit wäre auch eine größere Transparenz des gesamten Fertigungsprozesses gegeben. Die Bedeutung von Simulationsprogrammen (wie Mehrkörpersimulation) und Strukturberechnungsprogrammen (wie FEM) nimmt zu. Damit verbunden führen nicht durch Versuche überprüfte Anwendungen unter Umständen zu erheblichen Fehlern bei der Generierung/Modellierung als auch Interpretation der Analyseergebnisse. Um diesen Umstand zu berücksichtigen, sollte verstärkt Wert auf die Verifizierung von Programmen und Anwendern ( Benchmarking ) gelegt werden.

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