Druckbehälter aus Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK)

Transcrição

Bernd Patzelt
Donnerstag, 9. Juni 2005
Druckbehälter aus
Glasfaserverstärkten
Kunststoffen (GFK)
TÜV Industrie Service
Institut für Kunststoffe
09.06.2005
Bernd Patzelt
TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD Gruppe
Institut für Kunststoffe, Bernd Patzelt Seite 1
Inhalt
1.
Case History: Druckbehälter zur Lagerung von Bier in der Gastronomie
¾
Erster Einsatz im Jahr 1980 für eine Betriebsdauer / Zulassung für ca. 20
Jahre
¾
Ziel: Verlängerung der Zulassung im Jahre 2004
¾
Nachweisführung zur Bestimmung der Restsicherheit nach ca. 20 Jahren
Betrieb
2.
Wie würden die Druckbehälter heute im Zeitalter der Druckgeräterichtlinie
97/23/EG gebaut und in den Verkehr gebracht?
09.06.2005
3.
4.
Aktuelle Regelwerke und Normen für Druckbehälter
Zusammenfassung - Ausblick
Druckbehälter aus Kunststoffen 8. Juni 2005
1
Bernd Patzelt
Das System „Bierdrive“
(Herstellung Beginn der 80‘er Jahre)
•
stationärer Einsatz der Tanks
in Kühlkellern der
Großgastronomie
•
Bierentnahme direkt in die
Schankanlage
•
Befüllung aus dem
Tankwagen unter
Gegendruck (Schutzgas)
•
Wechsel des inneren PESacks bei jeder Befüllung
Patzelt Seite
3
Der Behälter
Daten:
• Behälterinhalt: 1,030 m³
• zulässiger
Betriebsüberdruck: 2,0 bar
09.06.2005
• Betriebsunterdruck nicht
zulässig
2
Bernd Patzelt
Der Behälter
Aufbau
09.06.2005
• Mantel wird aus zwei vorgefertigten,
leicht transportierbaren GFKHalbschalen gebildet. Die Halbschalen
werden im Pressverfahren hergestellt.
• Zusammenbau vor Ort durch Verklebung und
Setzen der Überlaminatverbindung
Werkstoffauswahl
Warum GFK?
• Zuverlässige, reproduzierbare Kennwerte auf hohem
Sicherheitsniveau
• Leichtes Handling; sicherer und schneller Aufbau vor Ort
• Hohe Belastbarkeit bei geringer Wanddicke und geringem
Gewicht
09.06.2005
• Vorteile durch geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten
• Korrosionssicher in feuchtem Umfeld (Keller)
3
Bernd Patzelt
Ziel der Untersuchungen
aktuell: 20 Jahre alte Behälter => Auslauf der Zulassung
Verlängerung der Zulassung
wirtschaftlich interessant, da:
• relativ hohe Stückzahlen: in Deutschland sind z. Z. weit über 100
Behälter im Einsatz ; weltweit wurden mehrere tausend Behälter
gebaut.
• hohe Investitionskosten für Umrüstungen, bzw. Mangel an geeigneten
Alternativsystemen
• sehr gute Verfügbarkeit durch störungsfreien Betrieb soll nicht
aufgegeben werden
Patzelt Seite
7
Behälterauslegung
AD- Merkblatt N1, „Druckbehälter aus GFK“, Stand 1969
Gesamtsicherheit im
Neuzustand:
A x S = 10
materialabhängige
Abminderungsfaktoren:
A1: Zeitstandverhalten
A2: Beschickung und Witterung
A3: Betriebstemperatur
Grundsicherheit am Ende der
Betriebszeit
S = 2,7
09.06.2005
A4: Inhomogenitäten
können bei Vorlage entsprechender
Einzelnachweise herabgesetzt werden
4
Bernd Patzelt
Behälterauslegung
Welche Gesamtsicherheit wurde 1980 angesetzt?
A1
.
.
A4
• Nachweise
• „günstige“ Betriebsbedingungen
Gesamtsicherheit im
Neuzustand (rechnerisch
aus Werkstoffuntersuchungen)
A x S = 7,13
S = 2,0
09.06.2005
ab 1980: Neuentwurf AD- Merkblatt N1
Behälterauslegung
Beurteilungsgrundlage:
09.06.2005
Welche Sicherheiten heute nachweisbar??
5
Bernd Patzelt
Prüfprogramm
1. Werkstoffuntersuchungen
2. Bauteiluntersuchungen
Kriterium:
• Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus
Zulassungsprüfung und Nachuntersuchung
• Repräsentativität hinsichtlich Einsatzbedingungen
09.06.2005
Prüfprogramm 2004 ist grundsätzlich eng an die Inhalte
der Erstprüfung angelehnt
sorgfältige Auswahl der zu prüfenden Behälter
Auswahl der Test – Behälter (2004)
Auswahlkriterien:
• Lückenlose „Historie“ und vollständige Dokumentation
• Bauzeitraum 1982- 84 => rechnerische Betriebsdauer erreicht
• „typische“ Betriebsbedingungen
• Hoher Mengenumsatz und daher häufige Befüllung
• Keine Auffälligkeiten während der Betriebsdauer wie Sanierungsmaßnahmen
oder Reparaturen
09.06.2005
• Keine längeren Stillstandszeiten Ù Relaxation
• keine Sonderausstattungsteile wie Außenisolierung, Kühlschlangen o.ä.
6
Bernd Patzelt
Werkstoffuntersuchungen
„Vorprüfung“:
Entsprechen die Behälter der Spezifikation von 1980?
Laminataufbau und Glasgehalt
• Materialproben aus Mantel und Überlaminat
• Verbrennen der Harzmatrix bei 625°C
09.06.2005
• Auswertung der Verbrennungsrückstände und Vergleich mit den
Ergebnissen von 1980
• Mantellaminat: 6 Lagen
Wirrfaser
• Überlaminatverbindungen:
10 Lagen Wirrfaser/ Gewebe
• Streuung im Glasgehalt:
< 7%
• die Laminate stimmen im
Aufbau mit den Vorgaben
von 1980 überein
09.06.2005
Ergebnis:
Es ist kein wesentlicher Einfluss auf das Bauteilverhalten durch
Fertigungsstreuungen zu erwarten
7
Bernd Patzelt
Mechanisch- technologische
beispielhaft: Kurzzeit Zugversuche
Zug-E-Moduln 1980/2004
Kurzzeit-Zugfestigkeiten 1980/2004
120
110
10000
100
90
80
70
109,6
8000
107,5
Zugfestigkeit 2004
6000
Zugfestigkeit 1980
4000
8832
8358
E-Modul 2004
E-Modul 1980
2000
60
50
0
Ergebnis:
Es ist keine wesentliche Abminderung erkennbar; die Differenzen liegen im
Bereich der für GFK üblichen Streuungen
Patzelt Seite
15
Patzelt Seite
16
Bauteiluntersuchungen
Allgemeines
•
Prüfungen direkt aus dem Betrieb heraus
=> kein druckloser Zeitraum
•
Austausch der Originalflansche und
Verschraubungen gegen verstärkte Teile
=> kein Versagen durch verformte
Flanschbereiche
•
gründliches Entlüften nach dem
Befüllen
8
Bernd Patzelt
Behälter 1
Berstprüfung
Behälter 2
Druckprüfung mit Dehnungsmessung
Restberstfestigkeit?
Befüllung und Drucksteigerung
1000h- Innendruckversuch
Bersten
Ziel:
Bestimmung der Restsicherheit gegen Bruch
Patzelt Seite
17
Berstprüfung (Behälter 1)
•
Drucksteigerungsrate:
ca. 2,5bar/min
•
Messwerterfassung:
Druckaufnehmer mit
Maximalwertspeicher („HBM
Digibar“)
Betriebszeit ~ 20 Jahre
Ergebnis:
Berstdruck = 11,9 bar
Die Restsicherheit gegen
Bruch liegt bei ~ 6
Patzelt Seite
18
9
Bernd Patzelt
Berstprüfung (Behälter 1)
Versagensbild:
obere Halbschale
• Rissausgang jeweils an oberer Halbschale
• Rissverlauf parallel zum Überlaminat
• Abzweigungen zum Pol hin
Ergebnis:
Berstverhalten grundsätzlich vergleichbar
untere Halbschale
1980
2004
untere Halbschale
obere Halbschale
Patzelt Seite
19
Druckversuch mit Dehnungsmessung (Behälter 2)
Auswahl der Messstellen:
• gemäß Zulassungsprüfung
• an Orten höchster Belastung
09.06.2005
• Ausrichtung exakt in meridianer bzw.
äquatorialer Richtung
10
Bernd Patzelt
Befüllung/Drucksteigerung:
DMS 9m (Neu)
Dehnungen [prom]
DMS 9a (Neu)
1,5
DMS 15m (Neu)
DMS 22m (Neu)
1
DMS 22a (Neu)
0,5
DMS 35m (Neu)
DMS 35a (Neu)
0
DMS 9a (Alt)
DMS 22m (Alt)
-0,5
0,0
100,0
Zeit t [min]
200,0
DMS 22a (Alt)
DMS 35m (Alt)
Füllstand [%]
Druck (Netto) [bar]
100
2,5
2
09.06.2005
75
1,5
50
1
25
Druck (Netto)
bar
0,5
0
0
DMS 9a (Neu)
Dehnungen [prom]
ε [‰ ]
2
DMS 22a (Neu)
1,5
DMS 35m (Neu)
1
DMS 9a (Alt)
0,5
0
DMS 22a (Alt)
-0,5
Zeit t
DMS 35m (Alt)
09.06.2005
Druck (Netto) [bar]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Druck (bar)
Woche 1
Woche 2
Woche 3
Woche 4
Woche 5
Woche 6
Woche 7
11
Bernd Patzelt
1000h- Zeitstandversuch bei konstantem Innendruck
DMS 9a (Neu)
Dehnungen [prom]
ε [‰ ]
2
2004
DMS 22a (Neu)
1,5
DMS 35m (Neu)
1980
1
DMS 9a (Alt)
0,5
0
DMS 22a (Alt)
-0,5
DMS 35m (Alt)
Zeit t
unterschiedliche Dehnungsverläufe bei linearer Darstellung!
09.06.2005
„Kriechen“ unter konstanter Last praktisch nicht
mehr messbar
Bersten
ε [‰ ]
Dehnungen [prom]
9
DMS 9m (Neu)
8
•
direkt im Anschluss an
7
Zeitstandversuch
5
• Berstdruck: 11,8 bar
DMS 9a (Neu)
6
DMS 15m (Neu)
4
DMS 22m (Neu)
3
2
DMS 35m (Neu)
1
DMS 35a (Neu)
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Zeit t [min]
Ermittelte maximale
Dehnung bei Bruch:
15
Druck (Netto) [bar]
12,5
10
7,5
Druck (Netto) bar
5
2,5
0
09.06.2005
ε~8‰
12
Bernd Patzelt
Ergebnisse der Druckprüfungen, Bewertung der Restsicherheiten
1980
2004
14,7 bar
11,85 bar
Abminderung Bruchverhalten:
A1B = 1,24
Restsicherheit: A*S ~ 6
Patzelt Seite
25
Wie sind die Ergebnisse zu beurteilen?
Bruchverhalten:
•
Die Anforderung von A*S = 6 für die Gesamtsicherheit von Neubehältern wird
auch nach 20 Jahren Betrieb noch annähernd erfüllt.
•
Die 1980 errechnete Gesamtsicherheit liegt noch immer auf der „sicheren Seite“;
das nachgewiesene Werkstoffverhalten ist deutlich günstiger als 1980
prognostiziert
Dehnungsverhalten:
•
Die zulässige Grenzdehnung bei Prüfdruck von 0,35% wird nirgends erreicht
•
Der Behälter hat bei Betriebsdruck Dehnungen von weniger als 0,25% (max.
zulässig)
Patzelt Seite
26
13
Bernd Patzelt
Fazit
• Die Auslegung nach AD-Merkblatt N1 stellt eine tragfähige Grundlage für die
Baumusterprüfung dar.
• Das Abminderungs- und Sicherheitskonzept konnte durch die Prüfergebnisse
bestätigt werden.
• Die Messungen zeigen, dass die Anforderung A*S >= 4 nach aktueller
Fassung des AD 2000 N1 auf der sicheren Seite liegt.
• Die richtige Dimensionierung ermöglicht den sicheren Betrieb, eine
außerordentlich lange Lebensdauer und damit eine hervorragende
Wirtschaftlichkeit.
Patzelt Seite
27
Druckbehälter aus GFK nach Druckgeräterichtlinie 97/23/EG
Festigkeitsbemessung
σ Zylinder ,circ =
P • D • Atotal • S
20 • σ circ
σ Kugel =
P • D • Atotal • S • C2
40 • σ
Legende:
P
= Druck (bar)
D
= Durchmesser (mm)
= Gesamt Abminderung (aus A1*A2*A3*A4)
Atotal
S
= Sicherheit am Ende der Gebrauchsdauer
= Formwert (für Kugelschalen C2=1,2)
C2
σcirc
σ
= Umfangsfestigkeit, Bruch
= Festigkeit der Kugel, Bruch
Patzelt Seite
28
14
Bernd Patzelt
Druckbehälter aus GFK nach Druckgeräterichtlinie 97/23/EG
Dehnungsbemessung / Verformungsnachweise
ε =
σ ax
ax
Eax
•
ν ax
Ecirc
• σ circ
ε circ =
σ circ ν circ
Ecirc
•
Eax
• σ ax
Legende:
εax
= Dehnung axial
= Dehnung axial
εax
σcirc
σax
νcirc
νax
= Querkontraktion in Umfangsrichtung
Ecirc
Eax
= Axialfestigkeit, Bruch
= Axialfestigkeit, Bruch
= Querkontraktion in Axialrichtung
Patzelt Seite
29
Vergleich des AD N1 Merkblattes
AD N1 : 1969
Mindest - Gesamtsicherheit
im Neuzustand (Festigkeit)
Restsicherheit am Ende
der Gebrauchsdauer
AD N1 : 1980
AD 2000 N1 : 2003
10,0
6,0*
4,0*
2,7
2,0
2,0
zul. Grenzdehnung Betrieb
0,25%
0,25%
0,25%
zul. Grenzdehnung Prüfdruck
0,35%
0,35%
0,35%
1,3*PS
1,3*PS
Prüfdruck
max(1,43*PS; 1,25*A3*PS)
* Nachweis der mechanisch-technologischen Kennwerte ist erforderlich sonst A*S = 8,0 (AD 2000-N1)
Patzelt Seite
30
15
Bernd Patzelt
Berechnung auf Innendruck gem. AD - N1
AD N1: 1980
A*S Kugel / Überlaminat Festigkeit (--)
pü = bar
AD 2000 N1: 2/2003
Betrieb
Prüfdruck
Betrieb
Prüfdruck
6,2
6,2
4
4
2,9
bar
2
2,6
2
Wanddicke aus Innendruck
sKa = Da*p*C2*A*SF/40/KZ
mm
4,5
-*
2,9
-*
gewählte Wanddicke
mm
4,5
4,5
3,7
3,7
0,20
0,26
0,24
0,34
0,25
0,35
0,25
Grenzdehnung
%
zul. Grenzdehnung; Zulässig
max(0,5%/A1I;0,25%); Prüfdruck
0,35%
%
0,35
Patzelt Seite
31
Vergleich des AD N1 Merkblattes
Fazit
1. Die Reduktion der pauschalen Abminderungsfaktoren führt zu niedrigeren
Wanddicken bei gleicher rechnerischer Sicherheit am Ende der
Gebrauchsdauer
2. Anhand von Bauteilversuchen konnten die Druckbehälter hinsichtlich der
Wanddicken und der Konstruktion im Detail optimiert werden.
3. Die Bemessung auf Grenzdehnung ist bei GFK Bauteilen wichtig und kann
bemessungsentscheidend werden.
4. Die Druckgeräterichtlinie 97/23/EG hat die Anforderung an den Prüfdruck von
1,3* PS auf mind. 1,43*PS erhöht. Dadurch wird in einigen Fällen die
Bemessung für den Prüfdruck bemessungsentscheidend, da hier ein
Grenzdehnungsnachweis zu führen ist.
Patzelt Seite
32
16
Bernd Patzelt
Aktuelle Regelwerke
1. AD – 2000 N1:2003; hier ist eine Novelle notwendig, da z.B.
die Anforderungen hinsichtlich des Prüfdruckes aus der
Druckgeräterichtlinie 97/23/EG nicht vollständig übernommen
sind.
2. DIN EN 13121 Teil 1 bis 4; „Oberirdische GFK-Tanks und –
Behälter“ — Der Teil 3: Auslegung und Herstellung liegt z. Z.
erst im Entwurf vor und wird nicht dieses Jahr verabschiedet.
Patzelt Seite
33
Zusammenfassung und Ausblick
1. Die Dimensionierung, Herstellung und Prüfung von GFK Druckbehältern ist seit
mehr als 2 Jahrzehnten Stand der Technik.
2. Druckbehälter aus GFK haben sich bewährt, wenn sie richtig dimensioniert,
hergestellt und geprüft wurden.
3. Mittels Bauteilversuchen und Dehnungsmessungen können die realen
Dehnungen und Spannungen ermittelt werden und somit die Konstruktionen
optimiert werden.
4. Die Regelwerke wurden entsprechend den Erkenntnissen reglmäßig angepasst.
5. Neue Regelwerke wie z.B.: DIN EN 13121 werden in absehbarer Zeit
verabschiedet und eingeführt.
6. Das AD – N1 Merkblatt hat sich bewährt und sollte parallel zur europäischen
Norm seine Gültigkeit behalten.
Patzelt Seite
34
17
Bernd Patzelt
GFK Druckbehälter
DN 2600 mm
PS 8 bar
Volumen: 110m³
Danke für die Aufmerksamkeit
Patzelt Seite
35
18

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