Flachbodentanks aus Kunststoffen

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1 Flachbodentanks aus Kunststoffen TÜV Industrie Service Institut für Kunststoffe Bernd Patzelt Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 1 Flachbodentanks aus Kunststoffen Inhalt Es gibt nicht nur Tankböden aus Kunststoffen! 1. Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen 2. Einsatzbereiche für Flachbodentanks aus Kunststoffen 3. Dimensionierung: Zeitstandeinfluss, chemische und thermische Einflüsse 4. Zulassung für Flachbodentanks aus Kunststoffen 5. Herstellung von Großbehältern aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) 6. Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 2

2 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus Thermoplasten Behälter aus Polyethylen (PE HD) Behälter aus Polypropylen (PP) Behälter aus Polyvinylchlorid (PVC) Behälter aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 3 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus Thermoplasten Dimensionen Volumen: wenige Liter bis > 100m³ Durchmesser: bis 4m Thermische Einsatzgrenzen PE- HD: ~ 40 C PVC: ~ 60 C PP: ~ 80 C PVDF: ~ 100 C Chemische Einsatzgrenzen Sehr großer Anwendungsbereich für Säuren, Laugen, Öle, Diesel usw... Ausnahme: stark oxidierende Säuren und Laugen Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 4

3 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus Thermoplasten Konstruktion Zylinder: aus Plattenmaterialien /Tafeln oder aus extrudierten Wickelschüssen ohne Schweißnaht Dach / Boden: aus Plattenmaterialien Berechnung nach DVS 2205 Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 5 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus Thermoplasten Konstruktion Bodenecke Zylinder / Dach Verbindung Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 6

4 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus glasfaserverstärkten Kunststoffen GFK Ungesättigte Polyesterharze Vinylesterharze Verstärkungsgläser ( E Glas oder E-CR Glas Innere Chemieschutzschicht aus glasfaserverstärkem Polyesterharz oder Vinylesterharz innere Liner aus thermoplastischen Werkstoffe: PP, PVC, PVDF, ECTFE, FEP, PFA Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 7 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus glasfaserverstärkten Kunststoffen GFK Dimensionen Volumen: wenige Liter bis > 2000m³ Durchmesser: bis 15m Chemische Einsatzgrenzen Sehr großer Anwendungsbereich für Wasser, Säuren, Laugen, Öle, Diesel usw... Ausnahme: stark oxidierende Säuren und Laugen Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 8

5 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Thermische Einsatzgrenzen abhängig vom Harz, Liner und Medium bis ca. 130 C Spitzentemperaturen bis ca. 180 C Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 9 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus glasfaserverstärkten Kunststoffen GFK S7 = 44,6 mm mm S6 = 19,6 mm mm S5 = 18,3 mm mm mm S4 = 19,6 mm S3 = 20,9 mm S2 = 40,6 mm S1 = 77,4 mm mm 10

6 Beispiele für Flachbodentanks aus Kunststoffen Flachbodentanks aus glasfaserverstärkten Kunststoffen GFK Konstruktion Bodenecke 11 Einsatzbereiche für Flachbodentanks aus Kunststoffen Chemische Industrie Anlagenbau Braunkohlekraftwerk Steinkohlekraftwerk Gasreinigung in allen Einsatzbereichen mit erhöhten Korrosionsanforderungen 12

7 Dimensionierung Zeitstandeinfluss, chemische und thermische Einflüsse Werkstoffkonzept für Kunststoffe σ, E (Kurzzeit) σ, E (zul) = A 1 x A 2 x A 3 x A 4 *S A 1 = Einfluß des Zeitstandverhaltens bis 2*10 5 Stunden A 2 = Einfluß des Beschickungsmediums und der Witterung A 3 = Einfluß der Betriebstemperatur A 4 = Einfluß der Inhomogenitäten und der Streuung S = Sicherheitsfaktor (i.d.r. S = 2,0; für Montagelasten S = 1,75) Gesamtsicherheit gegenüber Bruch A*S ges. >=4,0 Gesamtsicherheit gegenüber Instabilität A*S ges. >=2,7 13 Dimensionierung: Zeitstandeinfluss Ermittlung des Abminderungsbeiwertes A1I aus dem 3 P-Biege-Kriechversuch Regression aus dem 3 Punkt Biege - Kriechversuch Mischlaminat Kraft E-Modul bei 1 h = N/mm² Probe E-Modul bei Stunden = N/mm² A1I = 1,22 E-Modul (N/mm²) Temperatur 23 C Prüfspannung = 25,00 N/mm² Prüfmedium = Luft E 0,1 h A1I = E h , Zeit (Stunden) 14

8 Bernd Patzelt Donnerstag, 9. Juni 2005 Dimensionierung: chemische Einflüsse A2 Einfluss des Beschickungsmediums und der Witterung Medienliste des DIBt Bewertung der chemischen Widerstandsfähigkeit durch Immersionsversuche z.b. DIN oder DIN oder DIN EN T2 Bewertung der chemischen Widerstandsfähigkeit durch Erfahrungen aus wiederkehrenden Prüfungen 15 Dimensionierung: chemische Einflüsse Medienliste des DIBt z. B: PE - HD Flachbodentanks aus Kunststoffe 8./9. Juni

9 Dimensionierung: chemische Einflüsse Medienliste des DIBt z. B: GFK 17 Dimensionierung: thermische Einflüsse A3 (-) 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 A 3 A 3 Einfluss der Betriebstemperatur Laminates with CSM reinforcement = 1,0 + 0,4 * A3 Strength A3 Elongation A3 Modulus T D HDT ,00 0,90 0,80 0,70 RT 50 C 70 C 80 C 90 C 100 C Temperature ( C) 18

10 Dimensionierung Dimensionierung von Thermoplastbehältern DVS Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten: Kennwerte DVS Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten: Stehende rund, drucklose Behälter 19 Dimensionierung Dimensionierung von GFK Behältern Berechnungsgrundsätze des Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) für oberirdische Behälter aus glasfaserverstärkten Kunststoffen 40-B1 (Februar 2000) pren CEN/TC 210 Oberirdische GFK-Tanks und - Behälter Teil 3: Auslegung und Herstellung Datum: Anmerkung: Für die pren liegt nur ein Mandat für EU-Richtlinie 97/23/EG Druckgeräte vor. Beide Richtlinien stellen vollständige und durchgängige Konzepte zur Dimensionierung von GFK Behältern dar ---- auch für die Berechnung von drucklosen Behältern. 20

11 Zulassung für Flachbodentanks aus Kunststoffen Zulassung von Kunststoffbehältern z.b. DIN 4119 Tanks Kunststoffbehälter bei Abweichungen für DIN 4119 Tanks und Kunststoffbehälter: 21 Zulassung für Flachbodentanks aus Kunststoffen Zulassung von Kunststoffbehältern DIN 4119 Behälter Kunststoffbehälter Bauregelliste A Teil 1 Allgemein bauaufsichtliche Zulassung auf Basis von Zulassungsgrundsätzen Zulassungsgrundsätze für Behälter aus Thermoplasten Zulassungsgrundsätze für Behälter aus GFK Zulassungsgrundsätze für Ausgangswerkstoffe: Tafeln aus Thermoplasten, Harze, Gläser 22

12 Herstellung von Großbehältern (GFK) horizontales Wickelverfahren Drehrichtung Wickelgut Fahrtrichtung Wickelbühne 23 Herstellung von Großbehältern (GFK) horizontales Wickelverfahren einfachere Handhabe lange Rohrschüsse Drehrichtung Wickelgut Fahrtrichtung Wickelbühne 24

13 Herstellung von Großbehältern (GFK) horizontales Wickelverfahren vertikales Wickelverfahren einfachere Handhabe lange Rohrschüsse Drehrichtung Wickelgut Fahrtrichtung Wickelbühne 25 Herstellung von Großbehältern (GFK) horizontales Wickelverfahren vertikales Wickelverfahren einfachere Handhabe lange Rohrschüsse große Durchmesser kurze Rohrschüsse Drehrichtung Wickelgut Fahrtrichtung Wickelbühne 26

14 Herstellung von Großbehältern (GFK) Vertikalwickelanlage mit Wickelmast und zwei beweglichen Arbeitsbühnen 27 Herstellung von Großbehältern (GFK) Auflage des Wickelkerns Vertikalwickelanlage mit Wickelmast und zwei beweglichen Arbeitsbühnen 28

15 Herstellung von Großbehältern (GFK) Aufbringung der Reinharzschicht 29 Herstellung von Großbehältern (GFK) Aufbringung der Vliesschicht 30

16 Herstellung von Großbehältern (GFK) Herstellung der Chemieschutzschicht im Faserspritzverfahren 31 Herstellung von Großbehältern (GFK) Wickelbad mit Rovingführung für 80 Rovings beim Vertikalwickeln 32

17 Herstellung von Großbehältern (GFK) Herstellung des Traglaminates, Auflegen von UD-Gewebe 33 Herstellung von Großbehältern (GFK) Zelthalle 34

18 Herstellung von Großbehältern (GFK) Abhebung des Zeltdachs 35 Herstellung von Großbehältern (GFK) Abhebung des Zeltdachs zur Entformung des 1. GFK-Rohrschusses 36

19 Herstellung von Großbehältern (GFK) Abheben, Entformen und Fixieren des obersten GFK- Rohrschusses 37 Herstellung von Großbehältern (GFK) Entformung über Schäftungswicklungen miteinander verbundenen Rohrschüsse 38

20 Herstellung von Großbehältern (GFK) Entformung über Schäftungswicklungen miteinander verbundenen Rohrschüsse 39 Herstellung von Großbehältern (GFK) Transport des obersten Rohrschusses mit Oberboden (Ø 10 m) 40

21 Herstellung von Großbehältern (GFK) Aufsetzen des obersten Behälterteils 41 Herstellung von Großbehältern (GFK) GFK-Behälter, Ø 10 m voll eingerüstet, Temperung durch Warmluftbeaufschlagung 42

22 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Oberirdische zylindrische Flachboden- Tankbauwerke aus metallischen Werkstoffen gemäß DIN 4119 T1 und T2 Problem: Korrosion an der Beplankung (Dachhaut) auf dem Gespärre Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 43 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Ausgangszustand, Voraussetzungen: Das Gespärre ist tragend Dachhaut wird für das Tragverhalten des Daches nicht berücksichtigt; siehe DIN 4119 T2 Ziffer 9 Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 44

23 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Detail: Dachkonstruktion (beispielhaft) Detail: Prinzip T-Träger mit Planke Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 45 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Ausgangszustand Gespärre mit Beplankung Problem: Korrosion der Beplankung Unterkonstruktion und Statik ohne Veränderungen Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 46

24 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Reparaturvorschlag: Ergänzung der Beplankung mit einem GFK Laminat Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 47 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Ergänzung der Beplankung mit einem GFK Laminat Voraussetzungen 1. Die Unterkonstruktion (Gespärre) ist statisch unbeeinflusst. 2. Das Dach kann unter Berücksichtigung der Sicherheitsvorschriften begangen werden, bzw. es sind entsprechende Ersatzmaßnahmen zu schaffen. Die UVV ist einzuhalten. 3. Es liegt ein durchgängiges Werkstoffkonzept für die Ausführung der GFK Laminate vor. 4. Es ist eine statische Berechnung für die Ergänzung der Beplankung zu erstellen. Hierbei sind die Voraussetzungen der ursprünglichen Berechungen zu berücksichtigen. 5. Die Ausführung hat durch einen Fachbetrieb und geprüfte Laminierer zu erfolgen 6. Die Vorbereitungsmaßnahmen (Untergrundvorbereitung) hat fachgerecht zu erfolgen. 7. Der Fertigungsprozess ist zu spezifizieren, zu prüfen und freizugeben 8. Die Tätigkeiten sind kontinuierlich durch Eigen- und stichprobenweise durch Fremdüberwachung zu begleiten und zu dokumentieren. Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 48

25 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Genehmigung durch Behörden: Problem: Korrosion der Beplankung Die Unterkonstruktion des Daches ist statisch unbeeinflusst, d.h. bei der Sanierungsmaßnahme handelt es sich um eine Ergänzung des Korrosionsschutzes, die darüber hinaus die Tragfähigkeit der Dachbeplankung erhöht, und diese rechnerisch ersetzen kann. 1. Keine genehmigungstechnische Relevanz 2. Das Reparaturkonzept kann, wenn es als eine wesentliche Änderung von der Bauart eingestuft wird, beim DIBt, Berlin zugelassen werden oder eine baurechtliche Zustimmung im Einzelfall durch die oberste Baubehörde erhalten (Siehe DIN 4119 T1 und T 2 Ziffer 1 Geltungsbereich ) Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 49 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Werkstoffkonzept GFK Anforderungen an den Werkstoff Bekannte mechanische Kurzzeit- und Langzeit Eigenschaften (A1 Kennwerte) Chemische Widerstandsfähigkeit (Medium, UV...) (A2 Kennwerte) Thermische Widerstandsfähigkeit (A3 Kennwerte) Eventuell ist das Laminat entsprechend den brandschutztechnischen Anforderungen einzustellen (z.b.: B1) Die Anforderungen aus der Einstufen in die Ex Zonen sind zu berücksichtigen. (ATEX Richtlinie). Laminate können z.b. mit einem Oberflächenwiderstand von 10 6 Ohm eingestellt werden um die Ex- Anforderungen zu erfüllen. Sicherheit A*S im Neuzustand >= 4,0; S = 2,0 am Ende der Gebrauchsdauer Die Kennwerte sind prüftechnisch zu belegen! Literatur: AD 2000 Merkblatt N1 DIBt- Musterberechnungen DIN EN Teil 3 (Entwurf) Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 50

26 Möglicher Einsatz von GFK in DIN Tanks Werkstoffkonzept GFK Vorteile des Reparaturkonzeptes Chemische Widerstandsfähigkeit gegen Medium und Witterung Thermische Widerstandsfähigkeit Gute Haftung auf dem Untergrund Hohe Flexibilität; hohe Dehnfähigkeit; hohe Elastizität Leichte Verarbeitung reproduzierbare mechanische Kennwerte: E Modul, Bruchspannung Reparaturfähigkeit sogar während des Betriebes Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 51 Zusammenfassung Kunststoffe haben einen festen Platz im Anlagenbau in der chemischen Industrie, im Kraftwerksbau und überall dort, wo erhöhte Anforderungen an die chemische Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gestellt werden. Flachbodentanks aus Kunststoffen können bis zu Durchmesser von 15 m und einem Volumen von >2000m³ gebaut werden Flachbodentanks aus Kunststoffen sind zulassungsfähig und weisen i.d.r. eine sehr hohe Zeitstandssicherheit auf (S=2,0 nach Stunden) Reparaturverfahren an Kunststoffbehältern sind unkompliziert. Reparaturen / Sanierungen von Stahltanks mit Kunststoffen sind realisierbar auch für tragende Bereiche der Behälter (siehe Dach) Dank an die Fa. Christen und Laudon, Staffelstein, Bitburg für die Bilder der GFK Großbehälter Danke für die Aufmerksamkeit Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 52