Ein BAM Mitarbeiter befestigt einen Sensor an einem Composite-Druckbehälter in einer Prüfanlage.

BAM Prüfingenieur Mariusz Szczepaniak bereitet einen Composite-Druckbehälter für einen Test in der Impulsprüfanlage vor.

Quelle: BAM/Thomas Köhler

Projektlaufzeit

01.05.2015 - 31.03.2018

Projektart

EU Projekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Die BAM entwickelt Methoden und Modelle, um Sicherheit und Lebensdauer von Composite-Druckbehältern zu ermitteln – zum Beispiel für den sicheren Gefahrguttransport in Erdgas- und Wasserstofffahrzeugen.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Ein BAM-Mitarbeiter mit einem Steuergerät der Impulsprüfanlage

In der Impulsprüfanlage werden die Composite-Druckbehälter bis zur Leckage im Wechsel be- und entlastet.

Quelle: BAM/Thomas Köhler

Im Projekt wird untersucht, mit welchen Prüfmethoden der Zustand und die sichere Gebrauchsdauer von Composite-Druckbehältern bewertet werden kann. Außerdem erforscht die BAM, wie statische, dynamische und thermische Betriebslasten die Leistungskennwerte (Bersten, Lastwechsel) beeinflussen.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Prüfmethoden zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern erfordern, dass Alterungseffekte und verdeckte Fehler am Material identifiziert werden. Dazu werden optische, akustische und elektromagnetische Prüfverfahren eingesetzt.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Eine Absicherung der Gebrauchsdauer von Composite-Druckbehältern bei gleichbleibenden höchsten Ansprüchen an die Sicherheit ist das Projektziel. Dafür werden Methoden und Modelle zur Abschätzung der Lebensdauer benötigt.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Das Projekt wird von der BAM in Eigenfinanzierung durchgeführt. Die Ergebnisse sollen nach Abschluss in Normen und Regelwerke einfließen. Weiterführende Fragestellungen sollen im Anschluss in nationalen und internationalen Drittmittelprojekten untersucht werden.


In den kommenden Jahren werden immer mehr erdgas- und wasserstoffbetriebene Autos auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Für den sicheren Transport und die Lagerung dieser Gase gibt es spezielle Behälter, deren Konstruktionsprinzipien auch für andere Gefahrgüter zum Einsatz kommen.

Die erste Generation dieser sogenannten Composite-Druckbehälter in Deutschland ist heute 15 bis 20 Jahre alt. Zur zuverlässigen Bewertung der Lebensdauer und Früherkennung von Materialschäden hat die BAM das Forschungsprojekt „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen“ gestartet.

Die Vorhersage der Lebens- und Gebrauchsdauer ist  bisher nicht zuverlässig möglich. Die Sicherheit von Composite-Druckbehältern hängt von komplexen Wechselwirkungen zwischen den verarbeiteten Materialien sowie weiteren Aspekten wie Druck, Feuchtigkeit und Temperatur ab. Diese werden durch aktuelle Methoden der wiederkehrenden Prüfung nicht hinreichend für eine Bewertung der weiteren Gebrauchsfähigkeit erfasst.

Kompetenzen der BAM

Die BAM bringt ihre umfangreiche und interdisziplinäre Erfahrung zu zerstörungsfreien Prüfungen, Gefahrguttransporten und Composite-Materialien in das Projekt ein und nutzt einzigartige Experimental- und Untersuchungsmethoden. In Deutschland ist die BAM die federführende Behörde für nationale Normen und Richtlinien von Gefahrguttransporten und beteiligt sich auch international an Forschungsprojekten zu Gefahrgutbehältern. Die Forschungsergebnisse der BAM fließen kontinuierlich in die Sicherheitsbewertung und Normung von Composite-Druckbehältern ein.

Im Projekt arbeiten Fachleute für Gase und Gasanlagen, Gefahrguttanks und Unfallmechanik, Composite-Werkstoffe, Sensorik sowie mess- und prüftechnische Verfahren in vier übergreifenden Bereichen zusammen.

Belastungen und Materialeigenschaften

- Die BAM definiert, verifiziert und ermittelt Lastspitzen im Betrieb experimentell und vergleicht dazu unter anderem Betriebslasten und Unfalllasten.

- Mit thermischer Analyse oder Quecksilberporosimetrie einer Analyse der Porenstruktur von Materialien werden die Auswirkungen von Alterung und Lastspitzen auf Composite-Materialien ermittelt.

Prüfung und experimentelle Integration

- Die BAM prüft durch die Variation von Temperatur und Druck, wie sich Alterungseffekte auf die Eigenschaften von Material und Behältern auswirken.

- Die Integration faseroptischer Messsysteme in das Composite ermöglicht eine direkte Überwachung von Beanspruchungen und Eigenschaftsänderungen

Ein BAM Mitarbeiter bringt einen Sensor auf einem Composite-Druckbehälter an.

Sensoren überwachen den Zustand des Composite-Druckbehälters bei der Impulsprüfung.

Quelle: BAM/Thomas Köhler

Zerstörungsfreie Prüfung

- Die BAM nutzt im Projekt eine Vielzahl von Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung. Darunter Röntgenrefraktion ein Werkzeug zur Charakterisierung von Schäden in Kunststoffen oder Thermografie und Computertomographie.

Simulation und Modellbildung

- Die BAM analysiert, wie mechanische und thermische Belastungen die Materialien und ihre Wechselwirkungen beeinflussen.

- Bruchmechanische Untersuchungen ermöglichen eine Abschätzung und Bewertung des Rissfortschritts an metallischen Liner-Materialien.