Inhaltsverzeichnis
1. Pipelines für den Wasserstoff-Transport
2. Prüfungen in Druckwasserstoff-Autoklaven
3. Kombination von Prüfmaschine und Autoklav
4. Prüfmaschinen in der Anwendung
Für den Transport gasförmigen Wasserstoffs kommen überwiegend Tanks und Pipelines zum Einsatz. Vor dem Transport oder der Lagerung in Wasserstofftanks oder -zylindern wird der gasförmige Wasserstoff komprimiert (200 – 700 bar). Dies geschieht unter anderem, um seine Energieeffizienz zu erhöhen und das Volumen zu reduzieren. Für die Sicherheit ist dabei entscheidend, dass das verwendete Material bei hohem Druck eine hohe mechanische Stabilität gegen Wasserstoffversprödung aufweist. Um diese Sicherheitsanforderungen bestmöglich zu erfüllen, ist es notwendig, das verwendete Material zu charakterisieren.
Pipelines für den Wasserstoff-Transport
Pipelines eignen sich für den Transport großer Mengen von Wasserstoff über weite Distanzen. Eine effiziente Lösung für den Wasserstofftransport, meist als Beimischung zu Erdgas, stellt die bestehende Erdgasinfrastruktur dar. Diese müssen jedoch in Hinblick auf das verwendete Material und die Mess- und Sicherheitstechnik angepasst werden. Hier spielt die Materialcharakterisierung eine entscheidende Rolle. Für höhere Wasserstoffkonzentrationen oder den Transport von reinem Wasserstoff kann der Bau von speziellen Wasserstoffpipelines sinnvoll sein. Auch hier ist es essenziell, die Wasserstoffversprödung und das Materialverhalten in einer Wasserstoffumgebung bei hohem Druck genau zu kennen. Diese Kennwerte bilden die Basis für die Materialentwicklung und dienen der Qualitätskontrolle. Eine zentrale Rolle in der Materialprüfung spielt hier die ASME B31.12 als führende Norm für Prüfungen an Wasserstoff-führenden Rohren und Pipelines.
Prüfungen in Druckwasserstoff-Autoklaven
Druckwasserstoff stellt für die Prüftechnik eine besondere Herausforderung dar. Wasserstoff bildet in Verbindung mit dem Sauerstoffanteil in der Luft ein zündfähiges Gemisch, das als Knallgas bekannt ist. Daher ist es wichtig, alle Prüfsysteme, die mit Druckwasserstoff arbeiten, sorgfältig zu planen und den Sicherheitsregularien entsprechend auszulegen. Für die Werkstoffprüfung unter Druckwasserstoff werden geschlossene, gasdichte Druckbehälter – sogenannte Autoklaven – eingesetzt. Die Autoklaven von ZwickRoell sind speziell dafür ausgelegt, die mechanischen Eigenschaften der Probe unter Wasserstoffeinfluss zu ermitteln. In Kombination mit der mechanischen Beaufschlagung der Probe durch eine Prüfmaschine, geben die gewonnenen Materialkennwerte Aufschluss über Wasserstoffbeständigkeit neuentwickelter, aber auch bestehender Werkstoffe.
Kombination von Prüfmaschine und Autoklav
Eingebaut in einer servohydraulischen Prüfmaschine lassen sich in den Autoklaven Versuche wie Bruchfestigkeitsprüfungen (ASTM E1820, ASTM E399, BS 8571, ASTM E647, ISO 11114-4), Ermüdungsprüfungen und Slow Strain Rate (SSRT) Versuche an Gewindeproben, gekerbten Gewindeproben und CT-Proben durchführen. Darüber hinaus sind auch statische Prüfungen wie Zugversuche und Biegeversuche in Druckwasserstoff Umgebung durchführbar. Die Kombination mit einer Zeitstandprüfmaschine ermöglicht zyklische Versuche bei Frequenzen 2 Hz sowie Kriechermüdungsprüfungen (ASTM E2714, ASTM E2760) und statische Prüfungen wie Zugversuche und Slow Strain Rate Versuche (ASTM G129, ASTM G142) in höchster Präzision. In die Prüfmaschinen sind Standard Druckwasserstoff-Behälter bis 400 bar integriert, die in Hinblick auf Ausrichtung, Druckkompensation und Kraftmessung optimiert sind. Für Sonderausführungen sind 1.000 bar möglich. Die Wasserstoffdruckaufbereitung erfolgt über einen Wasserstoffkompressor.
Prüfmaschinen in der Anwendung
ZwickRoell-Prüfmaschinen kommen dank ihres durchdachten Prüfkonzepts in zahlreichen Prüflaboren zum Einsatz. So etwa bei der Scioflex Hydrogen GmbH, die auf Wasserstoffprüfungen für Metalle, Kunststoffe und an Elastomeren spezialisiert ist. Eine Zeitstandprüfmaschine Kappa 100 SS-CF übernimmt vielfältige kraft- und dehnungsgeregelte Zeitstandermüdungsversuche auch unter Wechsellast – unter anderen zur Bestimmung der Wasserstoffversprödung und zur Hohlprobenprüfung. Darüber hinaus prüft das Team des jungen Start-up-Unternehmens mit einer servohydraulischen HA100 mit 400 bar Autoklav. Dr. Bernd Schrittesser, Geschäftsführer der Scioflex Hydrogen GmbH, erläutert: „Mit den ZwickRoell-Prüfsystemen können wir die Materialeigenschaften unter Anwendungsbedingungen perfekt charakterisieren.“ Dies führe zu einem besseren Materialverständnis sowie einer zuverlässigeren Materialauswahl, Bruchmechanik und ermögliche sogar eine präzise Lebensdauervorhersage.
Auch die auf die Entwicklung und Herstellung von Inspektionsgeräten für Pipelines spezialisierte Rosen-Gruppe stattete ihr erstes eigenes Wasserstoff-Prüflabor mit Prüflösungen von ZwickRoell aus. Mit einer servohydraulischen Prüfmaschine Fmax 100 kN werden unter anderem Untersuchungen der Bruchmechanik, statische Zugversuche und Slow-Strain-Rate-Versuche an CT-Proben, Gewindeproben und gekerbten Gewindeproben durchgeführt. Die Materialprüfanstalt (MPA) der Universität Stuttgart prüft mit servohydraulischen Prüfmaschinen der HA-Baureihe und HC-Baureihe des Herstellers mit einer dynamischen Nennkraft von bis zu 100 kN. Das Prüfspektrum der MPA Stuttgart umfasst unter anderem das Werkstoffverhalten in Druckwasserstoff sowie in Flüssigwasserstoff bei Temperaturen von 563 K bis hin zu 4 K und damit nahe dem absoluten Nullpunkt. Untersucht werden Verformungs- und Versagensverhalten einschließlich Rissinitiierung und Rissfortschritt bei statischer und schwingender Beanspruchung. (jg)
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