Prüfung/wiederkehrende Prüfung von Composite-Druckgefäßen

6. Fachgespräch Druckgeräte 8.. Juni 2010 BAM-Berlin Berlin Prüfung/wiederkehrende Prüfung von Composite-Druckgefäßen Georg W. Mair BAM-III.2

Übersicht Prüfung/wiederkehrende Prüfung von Composite-Druckgefäßen 1. Konzept der betriebsbegleitenden Prüfung 2. ATR Großflaschen mit metallischem Liner 3. ATR Großflaschen ohne metallischen Liner BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 3

Composite-Druckgefäße Die verschiedenen Typen von Composite-Speichern (Kfz)/-Druckgefäßen (GGT) Typ II Typ III Typ IV umfangsumwickelter Metallkörper voll umwickelt: mit metallischem Liner ohne BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 5

Die wiederkehrende Prüfung (FG DG 2009) 2009 hat die BAM an dieser Stelle einen Ansatz zur wiederkehrenden Prüfung von Composite-Flaschen vorgestellt: Man könnte k auf die wiederkehrende Innendruckprüfung bei Composite-Flaschen ganz verzichten, wenn man betriebsbegleitend repräsentativ zerstörende rende Versuche (Restlebensdauer bzw. Restzeitstand; je nach Typ) durchführt hrt und die Baumusterprüfung mit QS darauf abgestimmt wird. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 6

Die wiederkehrende Prüfung (FG DG 2009) Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit müsste aber die Versuchsdurchführung hrung in den Normen detaillierter beschrieben werden, vergleichende Versuche durchgeführt hrt werden und / oder entsprechende Prüfungen auditiert werden... steht zur Diskussion! BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 7

Restlebensdauer Abnahme der Ermüdungsfestigkeitsanforderungen. 1-10 -6 BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 8

Aktueller Stand der Diskussion Es wird anerkannt, dass die wiederkehrende Prüfung zwei Aspekte hat: 1. Die Ausmusterung von Druckgefäß äßen, die Beschädigungen durch einen rauen Umgang erfahren haben. Die Industrie teilt hierzu mit, dass diese Druckgefäß äße e vor dem Befüllen auch im Hinblick auf ggf. absichtliche Manipulation intensiv betrachtet und ggf. ausgemustert werden. Notwendigkeit der intensiven und harmonisierten prep re-fill inspection. 2. Ausmusterung von Druckgefäß äßen, die auch ohne äußere Schäden an die Grenzen ihrer sicheren Verwendungszeit kommen. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 9

Aktueller Stand der Diskussion Die AG Kl. 2 des AGGB als beratendes Gremium des BMVBS hat mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschlossen: Eine Prüffrist von 10 Jahren soll dann zulässig sein, wenn die Nachprüfung einer Baureihe nach mehreren Jahren im Betrieb an einer Stichprobe erfolgreich ist / vertraglich festgelegt wird. Die Nachprüfung basiert auf zerstörenden renden Versuchen, die möglichst gut Aufschluss über das bisherige Degradationsverhalten in Relation zur zulässigen Festigkeitseinbuße e geben sollen. Die geeignete Nachprüfung bis zur Zerstörung rung kann von der Bauweise und den Werkstoffen abhängen. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 10

Zentrale Prüfung (Key-test) Die BAM merkt hierzu an: Die schnelle Berstprüfung ist grundsätzlich ungeeignet, da sie weitestgehend von Veränderungen der Lastaufteilung zwischen metallischen Linern und Composite unbeeinflusst bleibt. LW-Versuche Die Lastwechselprüfung ist für f r Faserwerkstoffe mit hoher Lastwechselfestigkeit ungeeignet, da der Aufwand für f r Prüfungen bis zum Versagen nicht akzeptabel ist. und nun? BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 11

Zentrale Prüfung (Key-test) Hinzu kommt: Dass für f r besonders LW-unempfindliche Werkstoffe auch deren Streuung besonders groß ist BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 12

Zentrale Prüfung (Key-test) Das bedeutet: Dass für f r besonders LW-unempfindliche Werkstoffe zusätzlich noch die LW-Anforderung aufgrund der Streuungsunsicherheit massiv erhöht ht werden müsste. m BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 13

Zentrale Prüfung (Key-test) Gleichzeitig muss unterstellt werden, dass für die Erkennung von Faser- /Matrix-Degradation dem Composite ausreichend Zeit für Kriechprozesse gegeben werden muss: BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 14

Zentrale Prüfung (Key-test) Im Gegensatz zur schnellen Berstprüfung wären w Kriech-Berstpr Berstprüfungen (Zeitstand) ideal: bedauerlicherweise ist deren Aufwand nur für f r sehr hohe Stückzahlen akzeptabel. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 15

Zentrale Prüfung (Key-test) Ein vertretbarer Kompromiss könnte k der langsame Berstversuch mit Druckanstiegsraten von nicht mehr als 1 bar /min sein: Dies könnte k und sollte über Nachprüfungen im Rahmen eines Feldversuches noch umfassender belegt werden. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 16

Zentrale Prüfung (Key-test) Dies setzt aber voraus, dass die Baureihe als lastwechselempfindlich bzw. lastwechselunempfindlich eingangs der Untersuchungen eingestuft werden kann: Typ II- und Typ III-Druckgef Druckgefäße e werden über deren metallischen Liner per se als lastwechselempfindlich eingestuft. Typ IV-Druckgef Druckgefäße e müssten m zerstörenden renden Prüfungen unterworfen werden, die eine entsprechende Einstufung zulassen. Diese würde w dann je nach Ergebnis als lastwechselunempfindlich bzw. zeitstandsempfindlich betrachtet werden. Und dies alles hat nun wiederum Einfluss auf die Prüfanforderungen in den Entwürfen für f r das anerkannte technische Regelwerk (ATR). BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 17

ATRe für Großflaschen Das Grundgerüst beider ATRn ist die EN 12245: 2009. Konsequent und folgerichtig ergeben sich aber aus dem Vorgenannten Modifikationen und Zusatzprüfungen für die Baumusterzulassung. Dies entweder im Hinblick auf eine verbesserte Reproduzierbarkeit und/oder auf zusätzliche Erkenntnisse für die betriebsbegleitende Betrachtung. Beides ist notwendig für die Vergleichbarkeit über den langen zur Diskussion stehenden Zeitraum. Neue Beschaffenheitsanforderungen für die Zulassungsfähigkeit werden nicht formuliert!! BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 18

Warum ATRs für Großflaschen? Das BMVBS würde mit der direkten Anwendung der EN 12245 für Großflaschen folgende Anforderungen verletzt sehen: Die Norm müsste m in ADR 6.2.4 eindeutig für f Großflaschen in Bezug genommen sein. Da die EN 12245 Ortsbewegliche Gasflaschen Vollumwickelte Flaschen aus Verbundwerkstoffen heißt t und die Inbezugnahme für r Druckgefäß äße e allgemein gilt, ist dies nicht der Fall. Eine Norm kann/sollte nicht für f r verschiedene Umschließungsarten gleichzeitig gelten. Flaschen und Großflaschen sind aber verschiede Gefahrgutumschließungen. ungen. Insbesondere geben uns aber die ATRs zu Großflaschen einen Spielraum, dem technischen Fortschritt direkt Rechnung zu tragen. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 20

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Der Berstversuch (Prüf. 5) ist gemäß Abschnitt 5.2.5 der Norm durchzuführen. Aber für eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gilt: Die Prüfung ist unter Umgebungsbedingungen durchzuführen. wobei die Temperatur der Außenfläche der Flasche muss abweichend unterhalb 35 C gehalten werden muss. Der Druckanstieg während der Prüfzeit ist aufzuzeichnen und darf abweichend 10 MPa/min (100 bar/min) nicht überschreiten. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 21

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Die Prüfung des Widerstandes gegen Druckwechsel (Prüf. 6) ist gemäß Abschnitt 5.2.6 der Norm durchzuführen. zum Zweck besserer Reproduzierbarkeit und zusätzlicher Informationen.. gilt: Die Druckwechselprüfungen sind abweichend unter Umgebungsbedingungen an drei Prüfmustern durchzuführen. Die Temperatur der Außenfläche und des Druckmediums dürfen während der Prüfung 40 C nicht überschreiten. Die Frequenz der Druckwechsel darf nur dann 5 Druckwechsel je Minute überschreiten, wenn über eine Druckmessung an der zweiten Öffnung sichergestellt wird, dass die Anforderungen bzgl. der Minimalund Maximaldrücke im Prüfmuster eingehalten werden.. Die Prüfung darf nach 50.000 Zyklen (bis PH*) oder bei Versagen abgebrochen werden. Die Kriterien für nicht begrenztes wie auch für begrenztes Leben nach Unterabschnitt 5.2.6.1.2 der Norm EN 12245:2009 bzw. 5.2.6.2.2 Tabelle 1 sind anzuwenden; BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 22

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Die Prüfung des Widerstandes gegen Beanspruchung durch erhöhte Temperatur unter Prüfdruck (Prüf. 8) ist gemäß Abschnitt 5.2.8 der Norm durchzuführen. zum Zweck zusätzlicher Informationen gilt : Anstelle der abschließenden Berstversuche (Prüfung 5) sind abweichend Druckwechselprüfungen gemäß Prüfung 6 durchzuführen. Der Versuch ist an zwei Prüfmustern durchzuführen und darf nach 50.000 Zyklen (bei PH*)) oder bei Versagen abgebrochen werden. Als Kriterium für die separate Betrachtung beider Prüfmuster gilt: Jedes der beiden Prüfmuster muss 2/3 der Mindestdruckwechselzahlen nach Prüfung 6 standhalten, ohne dass ein Versagen durch Bersten oder Undichtigkeit auftritt. Als Kriterium für die gemeinsame Betrachtung beider Prüfmuster gilt: Das logarithmisch-arithmetische Mittel der Lastwechselzahlen bis zum Versagen muss mindestens 2/3 des in Prüfung 6 ermittelten logarithmisch-arithmetischen Mittels der drei Druckwechselergebnisse entsprechen. Beide Kriterien sind zu erfüllen; BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 23

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Die Prüfung extremer Temperaturwechselbeanspruchung (Prüf. 11) ist gemäß Abschnitt 5.2.11.2 und 5.2.11.3 der Norm durchzuführen. zum Zweck besserer Reproduzierbarkeit und zusätzlicher Informationen.. gilt: Das Prüfmedium, das während der Prüfung in das Prüfmuster nachströmt, muss abweichend auf die Solltemperatur des Prüfmusters je nach Prüfabschnitt temperiert sein und ist mit einer mit einer Toleranz von ±5 C gegenüber der Starttemperatur von Prüfmuster und Medium im Prüfmuster während der Prüfung konstant zu halten. Alternativ kann die Anforderung an die Toleranz von ±5 C auch anders als durch Vortemperieren des Prüfmediums, z. B. durch sehr langsames Druckwechseln, eingehalten werden. Nach Abschluss der Druckwechselprüfung ist dieses Prüfmuster bis zum Versagen weiter wechselnden Lasten bis PH*) bzw. des nach 5.2.6.1.1 entwickelnden Höchstdruckes (Pmax)*) bei Raumtemperatur zu unterwerfen. Als Kriterium für das Prüfergebnis in Summe aller Prüfabschnitte an dem einen Prüfmuster gilt: Das Prüfmuster muss der Mindest-LW nach Prüfung 6 standhalten, ohne dass ein Versagen durch Bersten oder Undichtigkeit auftritt; BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 24

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Die Losprüfungen sind nach Anhang A der Norm 12245:2009 durchzuführen. für bessere Reproduzierbarkeit und zusätzliche Informationen.. gilt: Die Prüfung nach Anhang A.4.5.1. c) ist abweichend wie Prüfung 6 (siehe oben) durchzuführen. Die statistischen Auswertungen der Ergebnisse aus den Losprüfungen sind im Vergleich zum logarithmischarithmetischen Mittelwert der Prüfung 6 im Rahmen der Baumusterprüfung für jedes Jahr gesammelt darzustellen. Das Prüfmuster muss die Kriterien für Prüfung 6 der Baumusterprüfung erfüllen. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 25

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Bereitstellung der Prüfergebnisse für vergleichende Betrachtungen im Rahmen ergänzender Konzepte zur betriebsbegleitenden Prüfungen: Der Hersteller und der Betreiber haben im Zusammenhang mit der wiederkehrenden Prüfung oder der Lebensdauerüberwachung die Statistiken zur Prüfung 6 einschließlich der Losprüfungen und die Ergebnisse der Prüfungen 8 und 11 aufzubewahren und auf Verlangen der für die betriebsbegleitende Prüfung zuständigen Stelle vorzulegen. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 26

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Änderungen in der Kennzeichnung: Da die EN 12245 nicht mehr gekennzeichnet werden kann, schlagen wir vor, anstelle der Norm in diesem Fall D-ATR01 zu kennzeichnen. Diese ATR sollte dieser Tage veröffentlich werden und danach sofort angewendet werden können. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 27

ATR für Großflaschen des Typs IV Wesentliche Änderungen gegenüber der Norm und den zusätzlichen Anforderungen für vorgenannte ATR sind: Einführung eines langsamen Berstversuches: nicht mehr als 1 bar/min! Einführung einer Prüfung zur Feststellung der Lastwechselempfindlichkeit: Versagen nicht mindestens 2 von 3 Prüfmustern vor dem Abbruch der Lastwechselprüfung bei RT (48.000 LW) wird das Baumuster als lastwechselunempfindlich eingestuft und dann konsequent mittels langsamer Berstprüfung betrachtet. Abbruchkriterium des Schussversuches Verfahren zur Messung der Permeation Hier gilt das für die Bergedruckgefäße anvisierte Zeitfenster. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 29

Ende Danke

Ende Stopp bedarfsweise

Fatigue Strength of 34CrMo4 N 10% N 90% T N = N 90 / N 10 = 1:8 G. Mair: test results from LBF- Darmstadt (Sonsino) BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 32

Fatigue Strength of CFRP-ud T N = N 90 / N 10 = 1:60 N 90% N 10% G. Mair: test results from TU Berlin (Mair) BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 33

Zeitstandsfestigkeit BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 34

ATR für Al-Großflaschen des Typ III Die Prüfung des Widerstandes gegen Druckwechsel (Prüf. 6) ist gemäß Abschnitt 5.2.6 der Norm durchzuführen. zum Zweck besserer Reproduzierbarkeit und zusätzlicher Informationen.. gilt (Fortsetzung): Die Prüfung anzuwenden; *) Fußnote zu den Prüfungen 6, 8, 11 und der Losprüfung: Wird der sich entwickelnde Höchstdruck (Pmax) nach Norm EN 12245:2009 Unterabschnitt 5.2.6.1.1 der Prüfung 6 zugrunde gelegt, gilt: - der Druck Pmax muss als Druckspitze auf alle Druckwechselversuche (Prüfungen 8, 11 und Losprüfung) angewendet werden. - die mindestens zu ertragenden Lastwechselzahlen verdoppelt sich gegenüber den Versuchen bis Prüfdruck (PH). - Die Versuche dürfen erst nach 100.000 LW abgebrochen werden. BAM-Fachgespräch Druckgeräte 2010, Berlin 8. Juni 2010 35