Ermittlung von Versagensgrenzen und Langzeitverhalten von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen

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Wilhelm Morgenstern
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1 7. Fachgespräch Druckgeräte 18. Oktober 2011 BAM Berlin Ermittlung von Versagensgrenzen und Langzeitverhalten von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen P. Pöschko, Georg W. Mair BAM-3.2

2 Gliederung Ausgangspunkt: Restfestigkeit, Lebensdauer und wiederkehrende Prüfungen Beurteilungskriterium hydraulische Lastwechsel Beurteilungskriterium Berstfestigkeit Ausblick: abschließende Versuche 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

3 Restfestigkeit & Lebensdauer Prinzipiell ist davon auszugehen, dass jedes C-DG mit zunehmendem Gebrauch an Festigkeit verliert Ursachen sind zyklische Lasten beim Befüllen und Entleeren (mechanische Ermüdung) sowie statische Lasten (Relaxieren, Faser- und Zwischenfaser-Mikrorisse) Dieser allgemeine Festigkeitsverlust wird als Degradation bezeichnet Die Unterschreitung bestimmter Restfestigkeiten charakterisiert das Ende des sicheren Betriebs 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

4 Restfestigkeit & Lebensdauer Degradation von Faserverbundwerkstoffen unterliegt vielerlei betriebsabhängigen Bedingungen zunehmende Unsicherheit bzgl. Safe life-verhalten/restfestigkeitsbestimmung Statische Lasten (Kriechen) sind hauptursächlich für fortschreitenden Festigkeitsverlust schlechte Vorhersagbarkeit, selbst wenn zu Grunde liegende Mechanismen verstanden sind Überwachung unumgänglich, besonders im Hinblick auf unbegrenzte /jahrzehntelange Lebensdauern 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

5 Restfestigkeit & Lebensdauer Prinzip zur Ermittlung des Endes der "sicheren Gebrauchsdauer" rel. Restfestigkeit in [%] 100% 90% 80% 70% 60% Ausgangswert (Z = 50%) Z = 50% Z = 90% Z = 99% Z = 99,9% Z = 99,99% 50% 40% Z = minimale Restfestigkeit Z = Z = Z = Gebrauchsdauer in Jahren [a] Prinzipskizze der Ermittlung sicherer Gebrauchsdauern bei linearem Degradationsverlauf [TS 2011, Nr. 7/8] 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

6 Wiederkehrende Prüfungen Ist bekannt, welcher zeitlichen Gesetzmäßigkeit das Degradationsverhalten folgt, kann so aus Restfestigkeitsermittlungen in geeigneten Abständen auf das Ende des sicheren Gebrauchs geschlossen werden Wiederkehrende Prüfungen dienen darüber hinaus der Aussonderung von untypisch stark geschädigten C-DG (z.b. durch Korrosion, Abrieb) Dabei leistet die zurzeit den Stand der Technik darstellende hydraulische Innendruckprüfung keinen wesentlichen Beitrag zur Beurteilung der Sicherheit 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

7 Wiederkehrende Prüfungen NDT-Verfahren sind nicht genügend ausgereift, um C-DG- Populationen zuverlässig zu überwachen Notwendigkeit zerstörender Prüfmethoden e. g. 15 y e. g. 15 y Beginning of life/production Design type approval & original batch tests Key tests on sample of used CC Comparison and safe life assessment End of originally granted service life Key tests on sample of used CC Possible early rejection Possible life time extension 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

8 Wiederkehrende Prüfungen 65% Einfluss der Spanne zwischen den Zeitpunkten der Eigenschaftsfeststellung Beispielwerte für Erstfestellung nach 5 Jahren Betrieb 60% wahrer Wert für geforderte Zuverlässigkeit (unbekannt) Fehlerwert der Restfestigkeitsfeststellung relative Festigkeit in [-] 55% -1% p. a. 5 Jahre +4% - 4% Vergleichsfestellung +4% 50% 10 Jahre - 4% Erstfeststellung 45% Betriebsdauer in [Mon] Prinzipskizze des Einflusses von Zeitpunkten der Restfestigkeitsermittlung auf die Prognose sicherer Gebrauchsdauern [TS 2011, Nr. 7/8] 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

9 Wiederkehrende Prüfungen Geeignete Prüfverfahren müssen zu erwartende betriebsbedingte Lasten sowie die jeweiligen Schädigungsmechanismen berücksichtigen, sowohl hinsichtlich der Baumusterprüfung als auch betriebsbegleitend: Lastwechselprüfungen sind probat für die meisten Designs mit metallischem Liner, aber Zeitstandsaspekte können zurzeit nicht zufriedenstellend simuliert werden, was die Bewertung von Typ IV-Designs erschwert Unterscheidung zwischen lastwechselempfindlich und -unempfindlich, erfordert neue Methoden! 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

10 Hydraulische Lastwechsel Für C-DG mit metallischen Linern bietet sich eine Beurteilung der Restfestigkeit anhand hydraulischer Lastwechselprüfung an Untersucht wurden im Rahmen des Vorhabens: 42 PM des Typs II (2,0 l, GFK) Design A 10 PM des Typs III (1,1 l, GFK) Design B 8 PM des Typs III (1,0 l, GFK) Design C Für die Auswertung wurde unterstellt, dass sich die Degradation bei logarithmisch aufgetragenen Lastwechseln in linearer Festigkeitsabnahme äußert. Mit zunehmender Gebrauchsdauer ist, wie bereits gezeigt, eine Zunahme der Streuung zu erwarten 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

11 Hydraulische Lastwechsel Ergebnisse der Lastwechselprüfungen und erste Auswertung des Degradationsverlaufs von Typ II -C-DG nach Isoasfalen (GAUSS) [TS 2011, Nr. 9] 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

12 Hydraulische Lastwechsel Hydraulische Lastwechsel Auswertung des Degradationsverlaufs von Typ II -C-DG nach Isoasfalen (WEIBULL, exponentielle Regressionsfunktionen) [TS 2011, Nr. 10] 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

13 Hydraulische Lastwechsel Die Streuung nimmt dabei erwartungsgemäß zu, bewegt sich jedoch in weit engeren Bereichen, als anhand der Eigenschaften von Flachproben erwartet (Streuspannen reichen von 1:1,77 bis 1:2,20 (GAUSS) bzw. von 1:1,41 bis 1:1,57 (WEIBULL)) Mit nur etwa 4 Füllzyklen pro Jahr lässt sich jedoch keine Proportionalität zur Restlastwechselzahl feststellen. Offenbar spielen für die Degradation Zeitstandseffekte eine entscheidende Rolle Dennoch lässt sich die Machbarkeit einer Lebensdauerprognose für lastwechselempfindliche Baumuster nach gegenwärtigem Stand bejahen 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

14 Berstfestigkeit Zeitstandseffekte infolge statischer Lasten müssen im Fall lastwechselunempfindlicher Baumuster bei der Restfestigkeitsermittlung berücksichtigt werden. Dazu bieten sich langsame Berstversuche an Auf Grund zunächst ggf. vorteilhafter Kriecheffekte kann der Berstdruck an gebrauchten Prüfmustern höher sein als an fabrikneuen, was eine erhöhte Zuverlässigkeit suggeriert. Äußerst geringe Druckanstiegsgeschwindigkeiten erlauben dennoch vorhandenen Mikrorissen zu wachsen und geben so ein eventuell genaueres Bild vom Zustand der C-DG 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

15 Berstfestigkeit Ergebnisse erster Berstprüfungen mit 20% PH/h und konventioneller Losprüfungen durch den Hersteller von C-DG des Typs IV (CFK) [TS 2011, Nr. 9] 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

16 Abschließende Versuche Um Degradation von C-DG insb. des Typs IV besser Rechnung zu tragen, sollen weiterführende Versuche mittels einer ab Januar 2012 zur Verfügung stehenden Berstanlage zur kontrollierten Erzeugung noch geringerer Druckanstiegsraten durchgeführt werden Ziel ist die Reproduzierbarkeit von Berstprüfungen, um aussagekräftige Berstdruck-Daten zum Zweck der Einschätzung von C-DG-Restfestigkeiten zu gewinnen (Festlegung geeigneter Druckanstiegsraten bezogen auf den Prüfdruck) 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

17 Zusammenfassung/Ausblick Angesichts der Komplexität von C-DG-Designs ist es erforderlich, aktuelle RCS hinsichtlich Prüfverfahren und Konzept der wiederkehrenden Prüfungen zu verbessern Betriebsbegleitende zerstörende Prüfungen an Stichproben können nützliche Daten liefern, um Lebensdauervorhersagen kritisch zu bewerten und ggf. zu revidieren Slow burst -Verfahren werden weiterentwickelt, um das Langzeitverhalten besser zu beurteilen 7. FG odg 2011, Berlin 18. Oktober

18 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! Fragen/Diskussion?

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