Sicherheitsbewertung von Composite-Druckgasbehältern

Potential statistischer Methoden jenseits aktueller Vorschriften

Author: Georg W. Mair

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

About this book

Das Buch zeigt einen alternativen Weg der Sicherheitsbeurteilung von Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen. Dies ist insbesondere für die Mobilität der Zukunft und die zugehörige Energieversorgung mit Bio-/Erdgas und Wasserstoff von Interesse. Mit statistischen Methoden gelingt es, die Sicherheit auch jenseits der Grenzen aktueller Vorschriften fundiert zu beurteilen. Es wird dargelegt wie eine probabilistische Sicherheitsbeurteilung als Alternative aussehen könnte. Dieser Ansatz basiert auf neuen Verfahren der zerstörenden Prüfung und statistischer Auswertung relevanter Festigkeitseigenschaften. Hierzu zählen die langsame Berstprüfung und ein spezielles Arbeitsdiagramm zur Auswertung von Stichproben. Darüber hinaus erlaubt der Ansatz die Quantifizierung der Degradation im Betrieb und zeigt Wege zur Abschätzung der Lebensdauer. Sicherheit wird diskutiert als Kombination von Überlebenswahrscheinlichkeit und Konsequenz.

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Es wird zunächst kurz auf die Speicherung von Gasen in Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen eingegangen. Die verschiedenen Bauweisen und grundlegende Begrifflichkeiten werden erläutert und ein kurzer historischer Abriss zur Entwicklung der internationalen Vorschriften wird gegeben, ausgehend von den nationalen Vorschriften in Deutschland. Danach werden die fünf zentralen Aspekte dieses Buches, mit den jeweils zugehörigen Neuerungen kurz vorgestellt und so auf das jeweilige Kapitel verwiesen, das sich einem dieser Themen im Detail widmet. Diese sind kritische Gedanken zur Bedeutung des Berstdrucks für die Betriebsfestigkeit, der Aspekt der baumusterspezifischen Eigenschaft der Lastwechselempfindlichkeit, die zentralen Möglichkeiten, Restfestigkeiten zu messen, eine kurze Einführung zur langsamen Berstprüfung, erste Gedanken zum probabilistische Ansatz.

Georg W. Mair

2. Prozeduren für die hydraulische Stichprobenprüfung

Zusammenfassung

Als zentral sicherheitsrelevante Eigenschaften werden gegenwärtig insbesondere die statische Festigkeit im Sinne einer Berstprüfung und die Betriebsfestigkeit im Sinne der Lastwechselprüfung angesehen. Diese werden nach derzeitigem Stand der Normung an einzelnen Prüfmustern im Sinne einer Nachweisprüfung ermittelt.

Wie nachfolgend ausgeführt, streuen Festigkeitseigenschaften von Bauteil zu Bauteil und von Werkstoffprobe zu Werkstoffprobe. Damit wird es unverzichtbar, das jeweilige Festigkeitsmerkmal anhand von mehreren Prüfmustern statistisch zu quantifizieren und zu bewerten. Für die statistischer Ermittlung von Festigkeitseigenschaften gibt es zentrale Aspekte, die im Folgenden diskutiert werden sollen. Zum einen wird im Unterkapitel Abschn. 2.1 erläutert, warum die Reproduzierbarkeit von Prüfungen wesentlich ist und nach welchen Aspekten diese in der Lastwechselprüfung erhöht werden kann. Zum anderen wird in den darauf folgenden Unterkapiteln Abschn. 2.2 bis Abschn. 2.4 der Frage des geeigneten Prüfverfahrens nachgegangen. Führt die Lastwechselprüfung nicht zu den angestrebten Erkenntnissen, ist die Zeitstandsprüfung als Alternative zu diskutieren. In diesem Kontext wird wiederum die langsame Berstprüfung als Ersatz für die Zeitstandsprüfung Stück für Stück erarbeitet (Abschn. 2.2), beschrieben (2.3) und erste Erfahrungen dargestellt (2.4).

Georg W. Mair

3. Statistische Bewertung der Stichprobenprüfergebnisse

Zusammenfassung

Für jedes Baumuster müssen die statistisch unterschiedlichen Eigenschaften berücksichtigt werden. Um Veränderungen von statistisch erfassten Festigkeitseigenschaften von Stichproben graphisch vergleichen und mit wenig Aufwand bewerten zu können, hat der Autor 2010 ein Konzept für ein neuartiges Arbeitsdiagramm eingeführt. Dieses wird im Unterkapitel 3.1 erläutert und dargestellt. Im Unterkapitel 3.2 wird an Beispielergebnissen der Frage nachgegangen, wie die Prüfergebnisse einer Stichprobe in das relevante Diagramme überführt werden können. Das Unterkapitel 3.3 ist der Frage gewidmet, wie konkrete Zuverlässigkeitsaussagen über die geprüfte Stichprobe mit Hilfe eines der Arbeitsdiagramme gemacht werden können. Um diese Aussagen auf die Grundgesamtheit anwenden zu können, wird das Diagramm im Unterkapitel 3.4 noch um die Frage des Einflusses der Stichprobengröße ergänzt. Im Unterkapitel 3.5 wird der Einfluss von Aspekten des praktischen Umgangs mit Gasen dargestellt. Dies bezieht sich insbesondere auf die Frage des den Untersuchungen zugrunde zu legenden Drucks und einem Abstecher in die probabilistische Betrachtung von Unfallszenarien.

Georg W. Mair

4. Degradation und Bewertung der sicheren Betriebsdauer

Zusammenfassung

Das Versagensbild eines Composite-Druckgasbehälters hängt von den zeitgleich ablaufenden Degradationsmechanismen und den nachfolgenden Versagensmechanismen ab. Diese Mechanismen schreiten in der Zeitrafferprüfung unter Laborbedingungen oft anders fort als unter Betriebsbedingungen. Hierzu werden im Unterkapitel 4.1 die Grundzüge der Degradation als Phänomen diskutiert. Darauf aufbauend wird gezeigt, wie sich Eigenschaften verändern und wie diese Veränderung beurteilt werden können. Im Abschn. 4.2 wird über die Betrachtung künstlicher Alterung zur gezielten Simulation von betrieblicher Alterung in der Bauteilprüfung berichtet. Im Unterkapitel 4.3 werden Erfahrungen mit betrieblicher Degradation (Alterung) vorgestellt. Der Abschn. 4.4 beschreibt die aus den Abschn. 4.2 und 4.3 zu ziehenden Schlüsse für die Inter- und Extrapolation der Degradation über den Vergleich unterschiedlich gealterter Stichproben. Aus der Kombination dieser Werkzeuge lässt sich der im Unterkapitel 4.5 dargestellte Ansatz zur Abschätzung der Lebensdauer ableiten. Im Abschn. 4.6, wird auf Aspekte der Qualitätssicherung und Reproduzierbarkeit eingegangen. Hauptwerkzeug hierzu ist die Schallemissionsanalyse.

Georg W. Mair

5. Der Probabilistische Zulassungsansatz (PAA)

Zusammenfassung

Der Grundgedanke des „Probabilistischen Ansatzes“ (PA) besteht darin, die für die Sicherheit (Safety) maßgeblichen Eigenschaften, statistisch zu erfassen, zu beschreiben und zu bewerten. Dies ist aufwendiger als die beispielhafte Demonstration vorgegebener Mindestwerte. Letzteres wird als deterministischer Ansatz bezeichnet. So steht die Frage im Raum, wann es sinnvoll ist, die tatsächliche Zuverlässigkeit zu ermitteln, anstelle auf deterministische Ersatzkriterien auszuweichen. Aus diesem Grund zielt der „Probabilistische Zulassungsansatz“ (PAA) darauf ab, Methoden der probabilistischen Sicherheitsbewertung, d. h. die unmittelbare Bewertung statistischer Kenngrößen, als Alternative zu bestehenden Ansätzen im Regelwerk zu ermöglichen und zu etablieren. Entsprechend werden im Folgenden zunächst die Themen „Risiko und Chance“ sowie „Konsequenz“ als Kriterien der Grenzwertfestlegung diskutiert (Abschn. 5.1). Im Abschn. 5.2 folgen anhand weniger Merkmale unmittelbare Vergleiche zwischen heutigen Vorschriften und einem probabilistischen Ansatz bevor im Abschn. 5.3 gleichzeitig Zusammenfassung und Ausblick anhand verdichteter Darlegung verschiedener praktischer Aspekte gewagt werden.

Georg W. Mair

Backmatter

Title: Sicherheitsbewertung von Composite-Druckgasbehältern
Author: Georg W. Mair
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-48132-5
Print ISBN: 978-3-662-48131-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-48132-5

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Table of Contents

Frontmatter

1. Einführung

2. Prozeduren für die hydraulische Stichprobenprüfung

3. Statistische Bewertung der Stichprobenprüfergebnisse

4. Degradation und Bewertung der sicheren Betriebsdauer

5. Der Probabilistische Zulassungsansatz (PAA)

Backmatter