Containment unter Hochdruck: Auslegung von Prüfkammern

Als Student war ich im Rahmen meines HiWi-Jobs bei der MPA Stuttgart fasziniert, wenn ich Berstversuche von Behältern auf dem Bundeswehrgelände in Meppen auswerten durfte. Behälter mit mehreren Zentimetern Wandstärke sind geplatzt und waren nicht wiederzuerkennen. Die Versuche wurden mit Luft unter strengsten Sicherheitsbedingungen durchgeführt. Die Berstdrücke der mehrere Meter langen Behälter lagen etwa bei 170 bar.

Dies ist jetzt ca. 35 Jahre her.

containment

Die Anforderungen an die Druckfestigkeit von Behältern sind währenddessen immer weiter gestiegen. Spitzendrücke liegen bereits jetzt bei unvorstellbaren 25.000 bar, allerdings bei sehr kleinen Durchmessern.

Aber auch Wasserstofftanks für Fahrzeuge werden bereits bei bis zu 1.200 bar getestet. Die Dimensionen liegen hier im Bereich von ca. 1 m. In Bohrgestängen bei der Öl- und Gasförderung treten Drücke im Bereich von bis zu 1.000 bar auf. Die Prüflinge haben hier Längen bis 15 m. Da hier wesentlich größere Dimensionen herrschen, wie z.B. bei einem Hochdruckeinspritzsystem, handelt es sich um nicht ganz kleine Bomben.

Tank Explosion

Um zu gewährleisten, dass diese hohen Drücke auch sicher ertragen werden können, muss die Druckfestigkeit bzw. der Berstdruck, ab dem ein Bauteil versagen darf, in Versuchen nachgewiesen werden. Hierzu wird der Prüfling in einer Prüfkammer mit Wasser bei hohem Druck beaufschlagt. Würde man hier Luft verwenden, hätte ein Versagen des Prüflings katastrophale Auswirkungen, da die gespeicherten Energien aufgrund der Kompressibilität der Luft noch um ein Vielfaches höher wären, wie meine frühen Erfahrungen bei den Behälterberstversuchen in Meppen bestätigten.

Aber selbst Wasser ist bei diesen Drücken nicht mehr inkompressibel, wird nicht unerheblich zusammengepresst und speichert dadurch große Energiemengen, die in ähnlicher Größenordnung liegen, wie die gespeicherte Energie im Behälter selbst. Die Gesamtenergien bei typischen Anwendungen liegen in der Größenordnung eines Kleinwagens bei 120 km/h.

Es muss daher sichergestellt werden, dass durch die Tests in erster Linie keine Menschen gefährdet werden. Auch sollte es in der Umgebung der Testkammer zu keinen Schäden an Anlagen, Gebäuden oder Einrichtungen kommen. Geht man dieses Thema blauäugig an, kann es vorkommen, dass auch beim Testen mit Wasser Prüfkammern komplett zerstört werden oder Armaturen von 100 kg nach Tests nicht mehr auffindbar sind. Hier helfen auch Sandsäcke manchmal nicht weiter.

Prüfkammern so auszulegen und so zu konstruieren, dass sie auch nach einem Bersten des Prüflings (sei es ein Pumpengehäuse, ein Tank, ein Schlauch, eine Rohrleitung oder ein Bohrgestänge) weiter betrieben oder möglichst einfach wieder ertüchtigt werden, ist eine Kunst. Schon die Bestimmung der Größe und die Richtung der Energie der Bruchstücke ist eine Herausforderung, ohne die eine sinnvolle Auslegung der Prüfkammer kaum möglich ist.

Merkle & Partner hat sich in einer Abteilung auf die Auslegung von Prüfkammern spezialisiert und ist hier weltweit führend, was die Simulation, aber auch die Dimensionierung und die Konstruktion verschiedener Sicherheitskonzepte betrifft. Wir können das Verhalten einer Hochdruckpumpe mit einem Gewicht von 25 Tonnen beim Bersten unter Innendruck von 300 bar genauso simulieren, wie das Verhalten von Gastanks. Ob wir dabei als Prüfmedium Wasser oder Gas verwenden, spielt für uns keine Rolle.

Das nachfolgende Video zeigt eine Simulation eines zylindrischen Behälters beim Bersten mit Wasser:

Das Versagen des Behälters, das Verhalten der Bruchstücke, aber auch der Wasserschlag auf die Behälterwandungen wird physikalisch genau abgebildet. Da die Tests bei uns gefahrlos im Computer stattfinden, ist es auch nicht erforderlich, dass wir nach Meppen gehen.

Wir können die Dimensionen der Prüfkammer und das Konzept maßgeschneidert bestimmen, ohne dass sinnlos Material verbaut wird. Das spart Kosten und gibt Sicherheit!

Meine Erfahrung bei der Nachrechnung von Testkammern, die von Firmen ohne die entsprechenden Erfahrungen gebaut wurden, ist die, dass die Risiken hier eher unterschätzt werden.

Anfragen zum Thema Containment richten Sie bitte an den Bereichsleiter Strukturmechanik Heidenheim, Dr. Maik Brehm (m.brehm@merkle-partner.de).

Ich freue mich auf Ihr Feedback 🙂
Stefan Merkle

 

PS:
Auf die Auslegung und den Nachweis der Druckbehälter selbst nach den unterschiedlichsten Normen (AD 2000, EN 13445, ASME Sect. 8 Div. 1+2, ASME Sect. 3, EN 1591, PD 5500, KTA, RCC-M) haben wir uns in unserer Niederlassung in Hamburg spezialisiert. Ansprechpartner ist hier unser Niederlassungsleiter, Alexander Haas (a.haas@hh.merkle-partner.de).

 
Weitere Themen zum Containment sind Brüche von schnell rotierenden Bauteilen. Auf dieses Thema werde ich in einem separaten Blog eingehen.

 

 

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