DE102017211681A1 - Verfahren zum Test eines Druckbehälters sowie Testvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Test eines Druckbehälters 100 sowie eine Testvorrichtung. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach ein Druckbehälterinnenvolumen Vi vom Druckbehälter 100 mit einem Druckbehälterinnendruck Pi beaufschlagt wird. Der Druckbehälter 100 weist eine Druckbehälteraußenoberfläche 122 auf, die zumindest teilweise ein flüssigkeitsgefülltes Druckbehälteraußenvolumen Va mit begrenzt.

Description

• Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Test eines Druckbehälters. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie eine Testvorrichtung zum Testen eines Druckbehälters.
• Aus dem Stand der Technik bekannt sind hydraulische Bersttests. Dabei wird der Druckbehälter von innen mit einer Flüssigkeit druckbeaufschlagt. Solche Tests finden in entsprechend geschützten Räumen statt, in denen die Druckbehälter von Luft umgeben sind. Beim Barstest wird der Druckbehälter typischerweise vollständig zerstört. Der Beginn des Versagens ist wichtig für die Ermittlung der schwächsten Struktur. Dieser Beginn des Versagens ist nach dem Berstereignis nur noch sehr schwer oder gar nicht mehr rekonstruierbar. Der Grund hierfür liegt darin, dass auch in dem Augenblick, in dem der Behälter zum ersten Mal undicht wird (d.h. nach dem ersten Anriss), auch weiterhin eine große Druckdifferenz zwischen BehälterInnenseite und -Außenseite besteht, die zum Fortschreiten des Risses und letztlich oft zur vollständigen Zerstörung des Druckbehälters führt. Ferner wird bei dem vorbekannten Testverfahren durch das Berstereignis vergleichsweise viel Energie freigesetzt. Dementsprechend muss die Umgebung geschützt werden.
• Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie,
  zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein neues Testverfahren bzw. eine neue Testvorrichtung bereitzustellen, das/die einfacher, sicherer und/oder aufschlussreicher ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
• Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Test eines Druckbehälters bzw. eine Testvorrichtung zum Test eines Druckbehälters. Der Druckbehälter kann beispielsweise zur Speicherung von von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff dienen und in einem Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) verbaut sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Der Druckbehälter umfasst i.d.R. mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet.
• Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach ein Druckbehälterinnenvolumen des Druckbehälters mit einem Druckbehälterinnendruck beaufschlagt wird.
• Die Druckbeaufschlagung bzw. der Druckaufbau (nachstehend wird zur besseren Lesbarkeit lediglich der Begriff „Druckbeaufschlagung“ verwendet wobei gleichsam immer beide Begriffe mit offenbart sein sollen) kann in jeder geeigneten Form erfolgen. Bevorzugt wird der Druck kontinuierlich und vergleichsweise langsam gesteigert. Bevorzugt ist die Druckänderung pro Zeiteinheit (also die Druckänderungsgeschwindigkeit) des Druckbehälterinnendrucks während der Druckbeaufschlagung mindestens um den Faktor 10 oder 100 oder 1000 kleiner als die Druckänderung pro Zeiteinheit (also die Druckänderungsgeschwindigkeit) des Druckbehälterinnendrucks während des Berstereignisses.
• Beispielsweise kann die Drucksteigerung dadurch erfolgen, dass eine Flüssigkeit in den Innenraum des Druckbehälters gefüllt wird. Bevorzugt ist die Flüssigkeit inkompressibel.
• Besonders bevorzugt wird der Druck im Druckbehälter solange gesteigert, bis es zu einem Berstereignis kommt. Aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen dem Druckbehälterinnenvolumen und dem Druckbehälteraußenvolumen kommt es bei einem Bestereignis zu einem strukturellen Versagen des Druckbehälters. Dabei kommt es sehr rasch zum Druckausgleich zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen. Dieser Druckausgleich findet typischerweise statt innerhalb von weniger als einer Sekunde. Bevorzugt ist der Test hier also ein Test zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Druckbehälters.
• Das hier offenbarte Verfahren umfasst ferner das Merkmal, wonach der Druckbehälter eine Druckbehälteraußenoberfläche aufweist, die zumindest teilweise einen flüssigkeitsgefüllten Druckbehälteraußenraum mit ausbildet bzw. zumindest teilweise ein Druckbehälteraußenvolumen mit begrenzt. Mit anderen Worten ist bei dem hier offenbarten Verfahren und der hier gleichsam offenbarten Testvorrichtung der Druckbehälter nicht von Luft umgeben, sondern von einer Flüssigkeit.
• Besonders bevorzugt ist das Druckbehälteraußenvolumen gefüllt mit einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit. Beispielsweise kann der Kompressionsmodul mindestens 10⁹ Pa oder mindestens 10¹⁰ Pa oder mindestens 10¹¹ Pa betragen. Der Kompressionsmodul (Formelzeichen: K) ist eine stoffeigene physikalische Größe aus der Elastizitätslehre. Er beschreibt, welche allseitige Druckänderung nötig ist, um eine bestimmte Volumenänderung hervorzurufen, wobei kein Phasenübergang auftreten darf. Die Eigenschaft von Stoffen, dass sie einer Komprimierung Widerstand entgegensetzen, hat ihre Ursache im Pauli-Prinzip. Die Kompression, Verdichtung, Komprimierung ist ein (allseitiges) Zusammendrücken eines Körpers, welches dessen Volumen verringert und seine Dichte (Massendichte) erhöht.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann die Flüssigkeit über eine Viskosität verfügen von mindestens 1 mPa·s oder mindestens 10 mPa·s oder mindestens 100 mPa·s.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann die Flüssigkeit eine dilatante Flüssigkeit bzw. nicht-newtonische Flüssigkeit sein. Dilatanz, ist in der Rheologie die Eigenschaft eines nicht-newtonschen Fluids, bei hohen zeitlichen Änderungen der Scherung (d. h. bei hoher Schergeschwindigkeit) eine höhere Viskosität zu zeigen. Im Englischen nennt man ein dilatantes Fluid auch shear-thickening, also „scherverdickend“ oder „scherverfestigend“.
• Besonders bevorzugt umgibt die Flüssigkeit den Druckbehälter im Wesentlichen vollständig. „Im Wesentlichen vollständig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mit Blick auf den Zweck des hier durchgeführten Verfahrens bzw. der hier offenbarten Testvorrichtung die Flüssigkeit lediglich im unbedeutenden Umfang nicht den Druckbehälter umgibt, beispielsweise in den Lagerpunkten. In einer Ausgestaltung kann der Druckbehälter durch Lagerungen in der Testvorrichtung gelagert sein.
• Besonders bevorzugt kann der Druckbehälter vor der Druckbeaufschlagung in einer Umhüllung angeordnet sein, insbesondere in der hier offenbarten Testvorrichtung. Die Druckbehälteraußenoberfläche und die Umhüllung begrenzen zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, das Druckbehälteraußenvolumen bzw. bilden zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, den Druckbehälteraußenraum mit aus.
• Die Umhüllung selbst kann einen Umhüllungsberstdruck aufweisen, der größer ist als der Berstdruck des Druckbehälters, bevorzugt ist der Umhüllungsbestdruck größer
• - mindestens um den Faktor 1,5 oder
• - mindestens um den Faktor 2, oder
• - mindestens um den Faktor 5 oder
• - mindestens um den Faktor 10.
• Zweckmäßig ist der Umhüllungsbestdruck so viel größer, dass sichergestellt ist, dass durch den Versuch die Umhüllung nicht beschädigt wird.
• Die Umhüllung kann derart steif ausgeführt sein, dass sich die Umhüllung während der Druckbeaufschlagung nicht oder nur in einem für den Test unbedeutenden Maße verformt. Wenn man z.B. von einem quasi-statischen Druckausgleich zwischen Innenvolumen und Außenvolumen beim Bersten ausgehen würde, dann würde dieser Druckausgleich umso rascher erfolgen, je weniger die Umhüllung nachgibt.
• Besonders bevorzugt wird das Druckbehälteraußenvolumen während der Druckbeaufschlagung allseitig bzw. im Wesentlichen allseitig von der Umhüllung begrenzt. Der Begriff „im Wesentlichen allseitig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Druckbehälteraußenvolumen im funktional unbedeutenden Umfang den Druckbehälter an vereinzelten Stellen, beispielsweise an Druckbehälteranbauten wie Lagerungen, Zuleitungen, Ableitungen und/oder Messleitungen, nicht umschließen kann. Das Druckbehälteraußenvolumen kann dann zweckmäßig diese Druckbehälteranbauten umschließen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Druckbehälteraußenvolumen geringer als
• - 10% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi) oder
• - 5% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi) oder
• - 1% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi),
insbesondere vor der Druckbeaufschlagung (i.d.R. bei Umgebungsdruck) oder kurz vor dem Berstereignis, wenn der Druckbehälter nahezu unter Berstdruck steht.
• Ein so gestaltetes Verfahren bzw. eine so gestaltete Testvorrichtung bringt den Vorteil mit sich, dass es bei einem Berstereignis vergleichsweise schnell zu einem Druckausgleich zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen kommt. Die Druckdifferenz Δp zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen ergibt sich aus: $$\mathrm{\Delta }\text{p}={\text{p}}_{\text{i}}-{\text{p}}_{\text{a}}$$

  

  wobei

Δp

die Druckdifferenz zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen ist;

p_i

der Druck im Druckbehälterinnenvolumen ist; und

p_a

der Druck im Druckbehälteraußenvolumen ist.

• Für das Differential der Druckdifferenz gilt entsprechend: $$\text{dp}={\text{p}}_{\text{i}}-{\text{dp}}_{\text{a}}$$

  
• Ferner folgt aus der Definition des Kompressionsmoduls K für die Kompression einer Flüssigkeit: $$\text{dp}=-\text{K}\cdot \text{dV/V}$$

  

  wobei

dp

die Druckänderung in der Flüssigkeit ist;

dV

die durch die Kompression sich einstellende Volumenänderung ist;

V

das Volumen vor der Kompression ist; und

K

der Kompressionsmodul der zu komprimierenden Flüssigkeit ist.

• Aus den Gleichungen (1) bis (3) folgt: $$\text{dp}=-{\text{K}}_{\text{i}}\cdot {\text{dV}}_{\text{i}}{\text{/V}}_i+{\text{K}}_{\text{a}}\cdot {\text{dV}}_{\text{a}}{\text{/V}}_{\text{a}}$$

  

  wobei

dp

die Druckänderung in der Flüssigkeit ist;

V_i

das Druckbehälterinnenvolumen ist;

V_a

das Druckbehälteraußenvolumen ist;

dV_i

die Volumenänderung vom Druckbehälterinnenvolumen Vi ist;

dV_a

die Volumenänderung vom Druckbehälteraußenvolumen V_a ist;

K_i

der Kompressionsmodul der Flüssigkeit im Druckbehälterinnenvolumen V_i ist; und

K_a

der Kompressionsmodul der Flüssigkeit im Druckbehälteraußenvolumen V_a ist.

• Beim Berstvorgang gilt, dass das aus dem Druckbehälterinnenvolumen ausströmende Volumen genau dem in das Druckbehälteraußenvolumen einströmenden Volumen entspricht: $$\text{dV}={\text{dV}}_{\text{i}}=-{\text{dV}}_{\text{a}}$$

  
• Somit wird für ein gegebenes Innenvolumen V_i der Druckabfall durch den Volumenausgleich maximal, wenn die Kompressionsmoduln K_i und K_a jeweils möglichst groß und das Außenvolumen Va möglichst klein ist.
• Wird innen und außen das gleiche Medium verwendet (K_a= K_i = K) dann folgt: $$\text{dp/dV}=-\text{K}\cdot \left(1{\text{/V}}_{\text{i}}+1{\text{/V}}_{\text{a}}\right)$$

  
• Es ist ersichtlich, dass ein Berstereignis besonders frühzeitig gestoppt werden kann, falls das Druckbehälteraußenvolumen Va klein und eine Flüssigkeit (hoher Kompressionsmodul) im Druckbehälteraußenvolumen Va vorgesehen ist.
• Insbesondere kann bei dem hier offenbarten Verfahren und der hier offenbarten Testvorrichtung vorgesehen sein, dass während der Druckbeaufschlagung vom Druckbehälterinnenraum zumindest zeitweise Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen bzw. aus der Umhüllung ausströmt. Vorteilhaft kann somit sichergestellt werden, dass die Volumenänderung vom Druckbehälter nicht zu einem Druckanstieg im Druckbehälteraußenvolumen führt. Bei einer idealsteifen Druckbehälterwand gäbe es vor dem Bersten keine Veränderung des Druckbehälteraußenvolumens, unabhängig vom Druckbehälterinnenvolumen. Bei einer realen Druckbehälterwand dagegen, die eine nur endliche Steifigkeit aufweist, wird ein Bruchteil der Zunahme des Druckbehälterinnenvolumens bei der Druckbeaufschlagung zu einer Zunahme des Druckbehältervolumens und somit zu einer Abnahme des Druckbehälteraußenvolumens führen. Um einen dadurch bedingten Druckanstieg im Druckbehälteraußenvolumen vor dem Bersten zu vermeiden, kann die Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen bzw. aus der Umhüllung ausströmen.
• Besonders bevorzugt kann während des Druckausgleichs zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen aufgrund eines Berstereignisses oder kurz danach das Ausströmen von Flüssigkeit aus der Umhüllung reduziert oder unterbunden werden. Beispielsweise kann nach dem Bestereignis ein Druckausgleich erzielt werden. Anschließend kann dann beispielsweise über den hier offenbarten Ausströmpfad, über die Druckbehälterdruckbeaufschlagungseinrichtung oder irgendein anderes Ventil der Druck im Druckbehälterinnenvolumen und/oder Druckbehälteraußenvolumen kontrolliert reduziert werden. Dieser kontrollierte Druckabbau kann beispielsweise mehrere Sekunden oder Minuten dauern. Wird beispielsweise die hier offenbarte Drossel eingesetzt, so bewirkt der initiale Druckstoß vom Berstereignis einen rasanten Druckanstieg im Druckbehälteraußenvolumen und ein Druckausgleich zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen. Der hohe Druck im Druckbehälteraußenvolumen bewirkt dann allmählich einen Druckabbau im Druckbehälteraußenvolumen und schließlich auch im Druckbehälterinnenvolumen. Hierzu strömt das Fluid im Druckbehälteraußenvolumen durch die mindestens eine Drossel aus.
• Mindestens ein Ausströmpfad kann mit der Umhüllung fluidverbunden sein. Der Ausströmpfad kann eingerichtet sein, zumindest während des Druckausgleichs aufgrund des Berstereignisses das Ausströmen der Flüssigkeit aus der Umhüllung zu begrenzen oder zu unterbinden. Gleichsam kann der Ausströmpfad eingerichtet sein, insbesondere während der Druckbeaufschlagung vom Druckbehälter, das Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen durch den Ausströmpfad zu ermöglichen.
• Wird eine Flüssigkeit in einer Rohrleitung durch ein Durchflussbegrenzungselement abgebremst, wird in Richtung stromaufwärts des Durchflussbegrenzungselements Bewegungsenergie frei. Dieser Energiebetrag wird in Volumenänderungsarbeit umgewandelt. Die Flüssigkeit wird also komprimiert. Da beispielsweise Wasser aufgrund seines hohen Kompressionsmoduls nahezu inkompressibel ist, entstehen bei der Verrichtung der Volumenänderungsarbeit hohe Drücke. Durch die Ausgestaltung vom Ausströmpfad kann somit also Einfluss genommen werden auf den Druck im Druckbehälteraußenvolumen.
• Gemäß der hier offenbarten Technologie kann bevorzugt der Volumenstrom bzw. Massenstrom durch den Ausströmpfad (insbesondere durch die Gestaltung des hier offenbarten Durchflussbegrenzungselements) so gestaltet werden,
• - dass während der Druckbeaufschlagung die Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen abströmen kann ohne Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen oder mit einem ersten Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen; und ferner
• - dass während des Druckausgleichs aufgrund eines Bestereignisses oder kurz danach im Druckbehälteraußenvolumen ein Berst-Druckaufbau stattfindet.
• In einer Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen während der Druckbeaufschlagung um den Faktor 10 oder den Faktor 100 oder den Faktor 1000 geringer sein als der Berst-Druckaufbau während des Druckausgleichs aufgrund eines Berstereignisses oder kurz danach.
• Der maximale Druckbehälterinnendruck ist ein maximaler Druckwert, der sich während der Druckbeaufschlagung einstellt. In einem Berstversuch entspricht der maximale Druckbehälterinnendruck dem Berstdruck. Die Umhüllung und insbesondere der mindestens eine Ausströmpfad bzw. das Druckbegrenzungsventil können derart ausgestaltet sein, dass sich während des Druckausgleichs aufgrund des Berstereignisses und/oder kurz danach im Druckbehälteraußenvolumen ein Druck aufbaut (=Berst-Druckaufbau) von mehr
• - als 90% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 80% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 70% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 60% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 50% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 40% des maximalen Druckbehälterinnendrucks oder
• - als 20% des maximalen Druckbehälterinnendrucks.
• Vorteilhaft kann somit sichergestellt werden, dass
• - einerseits ein effizienter Druckausgleich aufgrund eines Berstereignisses stattfindet, ohne dass hierzu viel Flüssigkeit vom Druckbehälterinnenvolumen in das Druckbehälteraußenvolumen strömen muss; und
• - andererseits während der Druckbehälterinnenraum-Druckbeaufschlagung vor dem Berstereignis aus der Umhüllung Flüssigkeit abströmen kann, so dass die aus der Druckbeaufschlagung resultierende Druckbehälterinnenvolumenzunahme nicht zu einem Druckanstieg (oder nur zu einem geringen Anstieg) im Druckbehälteraußenvolumen führt.
• Bin mindestens einen Ausströmpfad kann mindestens ein Durchflussbegrenzungselement vorgesehen sein. Das Durchflussbegrenzungselement kann eingerichtet sein, während der Druckbehälterinnenraum-Druckbeaufschlagung einen ausreichenden Durchfluss bereitzustellen, sodass es zu keinem oder nur zum ersten Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen kommt und gleichzeitig beim Druckausgleich aufgrund des Berstereignisses den Durchfluss so zu begrenzen, dass es im Druckbehälteraußenvolumen zum Berst-Druckaufbau kommt.
• Beispielsweise kann das Durchflussbegrenzungselement eine Drossel, eine Blende oder ein massendurchsatzabhängig schaltendes mechanisches Ventil sein.
• Eine Drossel ist ein Element zur Begrenzung eines Massen- bzw. Volumenstroms. Der Volumenstrom durch eine Drossel kann beispielsweise berechnet werden mit der Formel (7): $${\text{Q}}_{\text{D}}=\frac{\mathrm{\pi }\cdot {\text{r}}^4}{8\cdot \mathrm{\eta }\cdot \text{l}}\mathrm{\Delta }\text{p}={\text{K}}_{\text{D}}\cdot \mathrm{\Delta }\text{p}\text{,}$$

  

  wobei

Q_D

der durch die Drossel strömende Volumenstrom ist;

r

der Radius der Querschnittsverengung der Drossel ist;

l

die Länge der Querschnittsverengung der Drossel ist;

η

die dynamische Viskosität der durchströmenden Flüssigkeit ist; und

Δp

Druckdifferenz zwischen Leitungsabschnitten stromab und stromauf der Drossel ist.

• Aus der Gleichung (7) ergibt sich, dass der Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen abhängig ist von der Geometrie der Drossel und vom Volumenstrom. Die Drossel wird hier bevorzugt so dimensioniert, dass bei den vergleichweise hohen Volumenströmen während des Druckausgleichs aufgrund des Berstereignisses der Druck im Druckbehälteraußenvolumen stark ansteigt. Während der Druckbeaufschlagung vom Druckbehälterinnenvolumen ist der Durchfluss durch die Drossel vergleichsweise klein. Somit stellt sich auch ein nur sehr geringer Druckanstieg im Druckbehälteraußenvolumen ein. Gleiches gilt im Prinzip für eine Blende, deren Kennlinien in der Regel anders verlaufen als die einer Drossel.
• In einer Ausgestaltung kann das Durchflussbegrenzungselement ein massendurchsatzabhängig schaltendes mechanisches Ventil sein. Insbesondere kann das Ventil so gestaltet sein, dass das Ventil sich schließt, wenn ein Grenzmassendurchsatz überschritten wird. Vorteilhaft ist das Ventil bzw. der Grenzmassendurchsatz so gewählt, dass während der Druckbeaufschlagung vom Druckbehälterinnenvolumen der Grenzmassendurchsatz nicht überschritten wird, wohingegen während des Druckausgleichs aufgrund eines Berstereignisses oder kurz danach der Grenzmassendurchsatz überschritten wird.
• Eine Ausgestaltung eines solchen Ventils ist beispielsweise ein Rohrbruchsicherungsventil (auch excess-flow valve genannt). Solche Ventile stoppen die unkontrollierte Freigabe von Systemmedium bei einem Rohrbruch. Ein solches Rohrbruchsicherungsventil kann beispielsweise einen geschlitzten Kegel umfassen, der bei übermäßigem Durchfluss in die geschlossene Position bewegt wird und zurückgesetzt wird, wenn der Druck wieder ausgeglichen ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann das Durchflussbegrenzungselement ein elektrisch betätigbares Ventil sein. Bevorzugt wird das Ventil gemäß dem hier offenbarten Verfahren betätigt, wenn ein Wert, der direkt oder indirekt indikativ für den Druck im Druckbehälterinnenvolumen ist, einen Grenzwert überschreitet. Beispielsweise kann der Wert ein direkt gemessener Druckwert sein. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Druckbehälterausdehnung anhand von Dehnungsmessstreifen erfasst. Diese Druckbehälterausdehnung ist indirekt indikativ für den Druck im Druckbehälter. Der Grenzwert kann so ausgewählt sein, dass er indikativ für einen Druck im Druckbehälterinnenvolumen ist, der ca. 80 % oder 90 % oder 95 % des erwarteten Berstdrucks entspricht. Das elektrisch betätigbare Ventil kann auch aufgrund von Schallemissionsmessungen und/oder dem Druckabfall im Druckbehälterinnenvolumen und/oder dem Druckabfall im Druckbehälteraußenvolumen, die jeweils ein Berstereignis anzeigen, angesteuert werden.
• Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach im Wesentlichen gleiche Druckbehälter druckbeaufschlagt werden und wobei ein Druckbehälter der gleichen Druckbehälter mit einer anderen Flüssigkeit im Druckbehälteraußenvolumen druckbeaufschlagt wird als ein anderer Druckbehälter der gleichen Druckbehälter, wobei sich die Flüssigkeiten in ihrer Viskosität und/oder in ihrem Kompressionsmodul unterscheiden.
• Alternativ oder zusätzlich kann das hier offenbarte Verfahren ferner den Schritt umfassen, wonach im Wesentlichen gleiche Druckbehälter druckbeaufschlagt werden; und wobei ein Druckbehälter der gleichen Bauart mit einem anderen Druckbehälteraußenvolumen druckbeaufschlagt wird als ein anderer Druckbehälter der gleichen Bauart. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in der Umhüllung Festkörper-Einsätze aufgenommen sind, die das Druckbehälteraußenvolumen reduzieren. Dadurch kann das Berstereignis in unterschiedlichen Phasen gestoppt werden und durch Vergleich mehrerer Behälter die Rissprogression untersucht werden.
• Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine Testvorrichtung zum Test eines Druckbehälters, insbesondere des hier offenbarten Druckbehälters. Die Testvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Bevorzugt kann die Testvorrichtung die hier offenbarte Umhüllung umfassen. Ferner bevorzugt kann die Testvorrichtung den hier offenbarten mindestens einen Ausströmpfad und/oder das hier offenbarte mindestens eine Durchflussbegrenzungselement umfassen.
• Mit anderen Worten liegt der hier offenbarten Technologie folgender Gedanke zu Grunde: Der Rissfortschritt soll möglichst schnell gestoppt werden, indem die Druckdifferenz zwischen Innen und Außen bzw. zwischen Druckbehälterinnendruck und Druckbehälteraußendruck rasch gesenkt wird. Bevorzugt wird der Druckbehälter beim Bersttest von einer massiven, druckdichten Umhüllung umgeben, die die Druckbehälteraußenkontur so umgibt, dass das zwischen der Umhüllung und dem nahezu unter Berstdruck stehenden Druckbehälter eingeschlossene Volumen (=Zwischenvolumen) sehr klein gegen das Druckbehälterinnenvolumen ist. Zweckmäßig wird das Zwischenvolumen mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt. Vorteilhaft führen dann der erste Anriss und das Ausströmen der Innenflüssigkeit zu einem schnellen Abbau des Druckunterschieds. Hochviskose Flüssigkeiten, insbesondere solche, die ein dilatantes Fluid darstellen (dessen Scherspannung überproportional mit der Schergeschwindigkeit steigt) könnten diesen Effekt noch verstärken. Mit dem hier offenbarten Bersttest können bessere Ergebnisse erzielt werden, da die Stelle des ersten Versagens direkter analysierbar ist. Diese hat für die Behälterauslegung eine sehr große Bedeutung. Denkbar ist auch, dass mit unterschiedlichen Viskositäten und/oder unterschiedlichen Zwischenvolumina geborsten wird, um Behälter in verschiedenen Stadien des Rissfortschritts zu erhalten.
• Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht der hier offenbarten Testvorrichtung 200;
• 2 eine schematische Ansicht des Details A der 1; und
• 3 eine schematische Ansicht der idealisierten Druckverläufe.
• Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der hier offenbarten Testvorrichtung 200. Die Testvorrichtung 200 umfasst eine Umhüllung 210. Der Druckbehälter 100 ist hier in der Umhüllung 210 angeordnet. Der Druckbehälter 100 umfasst einen Liner 110, der das Druckbehälterinnenvolumen Vi begrenzt und eine faserverstärkte Schicht 120. Im Druckbehälter 100 herrscht der Druckbehälterinnendruck Pi. In einer Öffnung des Druckbehälters 100 eingesetzt ist hier eine Einrichtung 170, mit der das Druckbehälterinnenvolumen Vi druckbeaufschlagt wird, Beispielsweise indem Flüssigkeit in den Druckbehälter 100 gepumpt wird. Die Umhüllung 210 umschließt hier allseitig den Druckbehälter 100. Die Druckbehälteraußenoberfläche 122 bildet zusammen mit der Umhüllung 210 das Druckbehälteraußenvolumen Va aus (vgl. 2). Ferner schematisch dargestellt sind die Lagerungen 222, 224 zur Aufhängung des Druckbehälters 100 in der Testvorrichtung 200. Im hier dargestellten Versuchsaufbau umfasst die Testvorrichtung 200 ferner inkompressible Einsätze 232, 234, die hier im Inneren der Umhüllung 210 angeordnet sind. Diese Einsätze 232, 234 verringern das Druckbehälteraußenvolumen Va zusätzlich. Lediglich schematisch gezeigt ist hier exemplarisch ein Ausströmpfad 212 gezeigt, der fluidverbunden ist mit dem Druckbehälteraußenvolumen Va. Im Ausströmpfad 212 ist hier eine Drossel 213 vorgesehen, die während des Druckaufbaus im Druckbehälterinnenvolumen Vi sicherstellt, dass aus dem Druckbehälteraußenvolumen Va aufgrund der Druckbehälterausdehnung verdrängte Flüssigkeit aus der Umhüllung 210 ausströmen kann. Gleichsam bewirkt die Drossel 213, dass es während des Druckausgleichs zwischen Druckbehälterinnenvolumen und Druckbehälteraußenvolumen während eines Berstereignisses oder kurz danach zu einem Druckaufbau im Druckbehälteraußenvolumen Va kommt. Anstatt einer Drossel 213 können gleichsam eine Blende oder ein hier offenbartes massendurchsatzabhängig schaltendes mechanisches Ventil und/oder ein hier offenbartes elektrisch betätigbares Ventil vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung können mehrere Ausströmpfade 212 vorgesehen sein, die besonders bevorzugt gleich beabstandet voneinander angeordnet sind.
• Die 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Details A der 1. in der hier dargestellten Ausgestaltung bilden die Druckbehälteraußenoberfläche 122 und die Innenoberfläche 214 der Umhüllung 210 das Druckbehälteraußenvolumen Va aus.
• Die 3 zeigt eine schematische Ansicht der idealisierten Druckverläufe vom Druck im Druckbehälterinnenvolumen Vi und vom Druck im Druckbehälteraußenvolumen Va. Bis zum Beginn des Berstereignisses im Zeitpunkt T_B0 wird der Druck im Druckbehälterinnenvolumen Vi kontinuierlich gesteigert (vgl. punktierte Linie) auf den maximalen Druckbehälterinnendruck Pimax. Diese Drucksteigerung bewirkt eine Ausdehnung vom Druckbehälter 100. Die Umhüllung 210 ist so steif ausgebildet, dass sich durch die Ausdehnung des Druckbehälters 100 das Druckbehälteraußenvolumen Va verringert. Dies bewirkt ein Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen Va über den Ausströmpfad 212. Aufgrund der Drossel 213 steigt der Druck im Druckbehälteraußenvolumen Va an auf den Druck Pav. Der Druck Pav ist hier mindestens um den Faktor zehn kleiner als der maximale Druckbehälterinnendruck Pimax. Kurz nach dem Einsetzen des Berstereignisses t_B0 ist hier zum Zeitpunkt t_B1 bereits der Druck im Druckbehälteraußenvolumen Va auf den Wert Pa angestiegen, der dem Druck im Druckbehälterinnenvolumen Vi entspricht. Danach wird hier der Druck über die Drossel 213 vergleichsweise langsam reduziert bis auf den Wert null. Aufgrund des geringen Druckänderungsgradienten entspricht der Druck im Druckbehälterinnenvolumen Vi im Wesentlichen dem Druck im Druckbehälteraußenvolumen Va. Im Vergleich zu vorbekannten Lösungen ist die Druckdifferenz zwischen dem maximalen Druckbehälterinnendruck Pimax und Pa bzw. Pi vergleichsweise gering. Somit kann das Ausmaß der Beschädigung durch das Berstereignis am Druckbehälter möglichst gering gehalten werden. Folglich kann die Ursache für das Berstereignis besser ausgewertet werden.
• Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Test eines Druckbehälters (100), - wobei ein Druckbehälterinnenvolumen (Vi) des Druckbehälters (100) mit einem Druckbehälterinnendruck (Pi) beaufschlagt wird; - wobei der Druckbehälter (100) eine Druckbehälteraußenoberfläche (122) aufweist, die zumindest teilweise ein flüssigkeitsgefülltes Druckbehälteraußenvolumen (Va) mit begrenzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druckbehälter (100) vor der Druckbeaufschlagung in einer Umhüllung (210) einer Testvorrichtung (200) angeordnet wird, und wobei die Druckbehälteraußenoberfläche (122) und die Umhüllung (210) das Druckbehälteraußenvolumen (Va) zumindest teilweise begrenzen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Umhüllung (210) den Druckbehälter (100) im Wesentlichen allseitig umschließt, und wobei während der Druckbeaufschlagung zumindest zeitweise Flüssigkeit aus der Umhüllung (210) ausströmt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Umhüllung (210) den Druckbehälter (100) allseitig umschließt, und wobei während eines Druckausgleichs zwischen Druckbehälterinnenvolumen (Vi) und Druckbehälteraußenvolumen (Va) aufgrund eines Berstereignisses und/oder kurz danach das Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen (Va) reduziert oder unterbunden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Umhüllung (210) fluidverbunden ist mit mindestens einem Ausströmpfad (212), und wobei der Ausströmpfad (212) eingerichtet ist, - zumindest während des Druckausgleichs und/oder kurz danach das Ausströmen von Flüssigkeit aus der Umhüllung (210) zu begrenzen oder zu unterbinden; und/oder - während der Druckbeaufschlagung zumindest zeitweise Flüssigkeit aus dem Druckbehälteraußenvolumen (Va) ausströmen zu lassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in mindestens einem Ausströmpfad (212) der Umhüllung (210) mindestens ein Durchflussbegrenzungselement (213) vorgesehen ist, und wobei das Durchflussbegrenzungselement (213) eine Drossel, eine Blende oder ein massendurchsatzabhängig schaltendes mechanisches Ventil ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in mindestens einem Ausströmpfad (212) der Umhüllung (210) mindestens ein Durchflussbegrenzungselement (213) vorgesehen ist, und wobei das Durchflussbegrenzungselement (213) ein elektrisch betätigbares Ventil (213) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei ein maximaler Druckbehälterinnendruck (Pimax) ein maximaler Druckwert ist, der sich während der Druckbeaufschlagung einstellt; und wobei die Umhüllung (210) und insbesondere der mindestens eine Ausströmpfad (212) derart ausgestaltet ist/sind, dass sich während des Druckausgleichs und/oder kurz danach im Druckbehälteraußenvolumen (Va) ein Druck aufbaut von mehr - als 90% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 80% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 70% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 60% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 50% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 40% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax) oder - als 20% des maximalen Druckbehälterinnendrucks (Pimax).
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Druckbehälteraußenvolumen (Va) geringer ist als - 30% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi) oder - 5% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi) oder - 1% des Druckbehälterinnenvolumens (Vi).
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 9, wobei die Umhüllung (200) einen Umhüllungsberstdruck aufweist, der größer ist als der Berstdruck vom Druckbehälter (100) - mindestens um den Faktor 1,5 oder - mindestens um den Faktor 2, oder - mindestens um den Faktor 5 oder - mindestens um den Faktor 10.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Wesentlichen gleiche Druckbehälter (100) druckbeaufschlagt werden; und - wobei ein Druckbehälter (100) mit einer anderen Flüssigkeit im Druckbehälteraußenvolumen (Va) druckbeaufschlagt wird als ein anderer Druckbehälter, wobei sich die Flüssigkeiten in ihrer Viskosität und/oder in ihrem Kompressionsmodul unterscheiden; und/oder - wobei ein Druckbehälter (100) [der gleichen Druckbehälter (100)] mit einem anderen Druckbehälteraußenvolumen (Va) druckbeaufschlagt wird als ein anderer Druckbehälter [der gleichen Druckbehälter (100)].
12. Testvorrichtung (200) zum Test eines Druckbehälters (100), eingerichtet zur Durchführung von zumindest eines der vorgenannten Verfahren.
13. Testvorrichtung (200) nach Anspruch 12, umfassend eine Umhüllung (210), in der der Druckbehälter (100) anordenbar ist; wobei eine Druckbehälteraußenoberfläche (122) des Druckbehälters (100) und die Umhüllung (210) ein mit Flüssigkeit befüllbares Druckbehälteraußenvolumen (Va) ausbilden.

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