„COMPOSITE GASFLASCHEN“(Faser-Verbundwerkstoffe)

 

Herstellung

Verbundstoff-Wicklung

Qualitätskontrollen

Kennzeichnung und Beschilderung

Ventilmontage

Behandlung

Falschbefüllung von Vollcompositeflaschen

 

Der Grundgedanke bei der Entwicklung und Einführung von Verbundbehältern ist, die zwei wesentlichen Funktionen, die ein Druckgasbehälter erfüllen muss, nämlich dicht zu sein und dem Innendruck standzuhalten, mit Hilfe unterschiedlicher Werkstoffe zu erfüllen.

Wenn man die Wanddicke einer Druckgasflasche soweit reduziert, dass sie nur noch für die Dichtigkeit der Flasche verantwortlich ist und für die nötige Druckfestigkeit mit einem extrem hochfesten aber sehr leichten Material umgibt, kann man sehr viel leichtere Behälter herstellen und ihren, auf das Gewicht bezogenen Speicherwirkungsgrad (Performance Faktor) deutlich erhöhen.

Ein Verbundbehälter besteht deswegen aus dem sog. Liner, um den mit Epoxidharz getränkte Faserstränge gewickelt sind und das sog. Laminat bilden. Als Fasern werden heute fast ausschließlich Kohlenstofffasern verwendet. Sie besitzen nur ein Viertel der Dichte von Stahl und haben etwa die 5fache Festigkeit von normalem Flaschenstahl.

Je nach Aufbau unterscheidet man zwei Varianten von Verbundbehältern:

Bei den umfangsbewickelten Behältern ist nur der zylindrische Teil des Behälters in seiner Wanddicke reduziert und mit Faser-Harzlaminat verstärkt. In diesem Fall schreibt das geltende Regelwerk vor, dass der metallische Liner noch so viel Eigenfestigkeit besitzt, dass der Berstdruck des unbewickelten Liners noch 85% des Prüfdruckes des Verbundbehälters erreicht.
Bei den vollbewickelten Behältern ist der gesamte Behälter vom Laminat umgeben und der Liner selbst muss keine Festigkeitsfunktion mehr erfüllen.

Verbundflaschen oder auch Composite Flaschen sind also mit Kohlefaser, Kevlar oder/und Glasfaser umwickelte, dünnwandige Innen-Liner. Als Innen-Liner oder Liner bezeichnet man den Kern einer Composite Gasflasche um den die Faser sozusagen herum modelliert wird. Dieser Innen-Liner bildet demnach das Grundgerüst dieses Flaschentyps und kann aus den verschiedensten Materialien gefertigt sein wie z.B. Stahl, Aluminium oder auch aus Kunststoff. Der Vorteil der Verbundflasche besteht, wie gesagt, in ihrem geringen Gewicht. Eine Composite Gasflasche z.B. von Luxfer mit  luminiuminnen-Liner und Kohlefaser-Vollumwicklung wiegt, im Gegensatz zu einer Stahlflasche, bei gleicher Füllung, etwa 70% weniger.

Eingesetzt werden Composite Gasflaschen dann auch bevorzugt überall dort wo sich diese Gewichtsvorteile positiv und kostensparend bemerkbar machen, z.B. bei den Rettungskräften, Feuerwehren und in medizinischen Bereichen. Es gibt sie sogar als Atemluftflaschen für den Tauchsport. Andere Anwendungsgebiete sind Druckbehälter für die Luft- und Raumfahrt und in der Fahrzeugtechnik als Erdgas (CNG) oder Wasserstoff Speicher.

 

Herstellung
(Luxfer Kohlefaser-Verbundflaschen mit einem Innen-Liner aus Aluminium)

Der Innen-Liner
Luxfer stellt den Aluminium Innen-Liner nicht direkt selber her. Er wird von Hydrospin aus Kalifornien bezogen. Dieser Hersteller von dünnwandigen Aluminiumlinern ist führend auf diesem Gebiet und ist Teil der Luxfer Gas Cylinder Company. Beliefert werden die weltweit größten Hersteller von Hochdruckflaschen aus Verbundmaterial. Hydrospin produziert nicht nur nahtlose Aluminiumliner, sondern auch Stahlflaschen.

Die nahtlosen Liner werden aus einer Aluminiumlegierung entweder aus kaltgewalzten Aluminiumblech oder kaltgepressten Stangenmaterial hergestellt. Das Aluminium wird kalt auf die entsprechende Länge und Wanddicke gepresst, dabei wie zu einer Art Becher geformt und am offenen Ende durch Heißdrehen geschlossen. Danach werden die Liner in einer Wärmebehandlung einem künstlichen Alterungsprozess unterzogen, um die notwendigen mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen.
Umfangreiche Qualitätstests folgen. Geprüft werden Wandstärke, Geradheit, Unrundheit, Exzentrizität und Güte der Behälteroberfläche. Zusätzliche Visuelle- und Abmessungskontrollen werden vor der Umwicklung an den Linern ausgeführt, um zu gewährleisten, dass sie sauber und frei von Oberflächendefekten und gemäß den Konstruktionszeichnungen hergestellt sind.

Im Prinzip unterscheidet sich dieses Herstellungsverfahren also kaum von der Produktion einer „normalen“ Aluminium Gasflasche. Unterschiede bestehen nur in der Bauart, da der Innen-Liner typischerweise eine viel geringere Wanddicke gegenüber herkömmlichen Vollaluminium Gasflaschen aufweist. 

 

Verbundstoff-Wicklung

Der Hauptanteil welcher zur eigentlichen Festigkeit der Verbundflasche beiträgt ist die Umwicklung des Innen-Liner mit Kohlefaser. Die Fasern werden mit Epoxidharz imprägniert und mit einer speziellen Faserwickelmaschine auf den Liner aufgebracht. Um die richtige Positionierung jeder einzelnen Faser zu gewährleisten erfolgt dieses Verfahren computergesteuert.

Zur weiteren Verstärkung wird die Flasche mit mehreren Schichten Glasfaser umwickelt, wobei unter der letzten Glasfaserschicht ein Identifizierungsetikett angebracht wird. Die Glasfaserschicht dient dazu, Stoß- und Schlagfestigkeit der Flasche zu erreichen. Über diese Glasfaserschicht wird noch ein Verbundharz aufgetragen. Dieser so genannte Gel-Coat verleiht der Gasflasche eine glatte, leicht zu reinigende Oberfläche und macht sie für den späteren Einsatz widerstandsfähiger. Der Gel-Coat bietet Abtrieb-, Stoß- und UV-Beständigkeit.
Das Verbundharz wird in verschiedenen Temperaturstufen gehärtet, um einen engen Kontakt zwischen den Faserfäden und dem Harzsystem sowie die völlige Aushärtung der Harzmatrix zu gewährleisten.

Um die Spannungen innerhalb des Aluminiums und der Verbundwicklung aufzuheben werden die Flaschen nach der Härtung einer Dauerfestigkeitssteigerung, der sogenannten Autofrettage, unterzogen. Die Autofrettage ist ein Druckverfahren mit einem vorgegebenen Druckverlauf, der über dem eigentlichen Prüfdruck liegt. Bei diesem Prozess wird die Streckgrenze des Aluminiums überschritten, d.h. das Aluminium wird plastisch verformt. Nach diesem Verfahren ist das Aluminium komprimiert und der Kohle- und Glasfaserverbundstoff gespannt. Daher sind die bei normalem Betriebsdruck im Aluminiumliner entwickelten Spannungen geringer als die in normalen Aluminiumflaschen.

 

 

 

Qualitätskontrollen

Wie bei allen namhaften Gasflaschen Hersteller führt auch Luxfer sehr umfangreiche Qualitätskontrollen während und nach den einzelnen Produktionsschritten durch. Dabei werden aus jedem Fertigungslos eine bestimmte Anzahl von fertigen Verbundflaschen einer genauen Inspektion und einer Zerstörenden Prüfung unterzogen. Mindestens 10% der Flaschen eines Loses werden folgenden Prüfungen unterworfen: Sichtprüfung, Abmessungskontrolle, Gewichtskontrolle, Volumenkontrolle und Wasserdruckprüfung.

Bei der Zerstörenden Prüfung wird an einer Flasche pro Los diese bis zum Versagen des Flaschenkörpers unter Druck gesetzt. Der maximale, während der Prüfung, erzielte Druck wird als Berstdruck bezeichnet. Der Berstdruck muss gleich oder höher als der vorgegebene minimale Auslegungsberstdruck sein und den 2fachen Prüfdruck betragen.
Um die Belastungen beim späteren Einsatz der Verbundflaschen zu simulieren werden zusätzlich noch Druckwechselprüfungen an einer Flasche je Fertigungslos durchgeführt. Eine Flasche mit einer erwarteten Lebensdauer von ca. 15 Jahren muss etwa 3750 Zyklen auf Prüfdruck erreichen, ohne Leckagen zu zeigen und ohne zu bersten. Dann werden weitere 3750 Zyklen durchgeführt wobei die Flasche zwar ein Leck aufweisen darf aber nicht bersten soll.



Kennzeichnung und Beschilderung

Irgendwo auf dem Behälter müssen die Flaschendaten dauerhaft untergebracht werden. Da auf einer Verbundflasche mit den sonst üblichen Methoden (Schlagbuchstaben) nicht gearbeitet werden kann, ist in die Umwicklung ein Identifizierungsetikett eingearbeitet.

Dieses Etikett enthält die folgenden Informationen:

- Das CE-Zeichen einschliesslich der Nummer der benannten Stelle: z.B. 0044 für RWTÜV
- Die Spezifikation, die für die Herstellung, die Prüfung und den Einsatz der Flasche gilt.
- Aluminiumlegierung des Liner: z.B. AA 6061
- Prüfdruck: z.B. PH 450 BAR
- Gewindetyp: z.B. M18
- Flaschen-Seriennummer: z.B. IC 12345
- Herstellermarke: Luxfer
- Fülldruck: z.B. 300 BAR
- Leergewicht der Flasche in KG: 4,20 KG
- Datum (Jahr und Monat) der ersten Druckprüfung: z.B. 2001/01
- Behältervolumen in Liter: z.B. 6,8 Ltr.
- Auslegungslebensdauer (Jahr und Monat): z.B. FIN 2016/01
- Gasinhalt: z.B. Druckluft AG (AG = Atemgerät)

 

 

Ventilmontage

Die folgenden Angaben beziehen sich auf jene Wartungsarbeiten welche bei der wiederkehrenden Prüfung notwendig werden, da hier zur Druckprüfung und zur Innenkontrolle der Verbundflasche das Ventil aus- und wieder eingedreht werden muss.

Ventil ausdrehen:
Vor dem Ausdrehen des Ventils ist zu prüfen ob sich noch Rest Gas im Behälter befindet. Eventuelle Reste vom Gasinhalt sind vorsichtig und langsam abzulassen. Danach ist das Ventil mit den richtigen Werkzeugen und in einer geeigneten Haltevorrichtung auszudrehen, sodass Flaschengewinde, Ventil und Flaschenkörper nicht beschädigt werden. Bei Schwierigkeiten mit dem Ventilausdrehen (Ventil lässt sich nur schwer oder überhaupt nicht ausdrehen) ist der Vorgang abzubrechen und der Hersteller zu informieren. Dies gilt auch bei Beschädigungen der Gewinde von Ventil und/oder Flasche.

Ventil eindrehen:
Es dürfen nur geprüfte Ventile eingedreht werden. Bevor das Ventil in die Flasche eingesetzt wird, ist es sorgfältig gemäß den Anweisungen des Ventilherstellers und Flaschenherstellers zu überprüfen.
Die Ventilgewinde müssen frei von Beschädigungen sein. Beschädigte oder verformte Ventilgewinde können das Flaschengewinde zerstören. Auf keinen Fall darf das Flaschengewinde nachgeschnitten werden. Die Gewindearten müssen bei Ventil und Flasche übereinstimmen. Bei Ventilen und Flaschen die eine O-Ring Dichtung erfordern müssen O-Ring-Rille und Gewinde in der Flasche sauber und frei von Beschädigungen sein. Sind die Kontaktflächen beschädigt ist eine einwandfreie Abdichtung nicht gewährleistet.

Luxfer gibt für seine Composite Gasflaschen folgende Drehmomentbereiche an, wobei ggf. auch die Angaben des Ventilherstellers zu berücksichtigen sind.

Gewinde

Drehmomentbereich

M18 x 1,5

80 - 100 Nm (60 - 75 ft.lbs)

M25 x 2

120 -140 Nm (90 - 105 ft.lbs)

0,750 x 16 UNF

80 - 100 Nm (60 - 75 ft.lbs)

0,875 x 14 UNF

120 -140 Nm (90 - 105 ft.lbs)



Behandlung

Luxfer Composite Flaschen sind dafür gedacht, auf dieselbe Weise benutzt zu werden, wie andere Hochdruckgasflaschen auch. Es gibt jedoch gewisse Unterschiede, die zu beachten sind. Grundsätzlich sollten Composite Gasflaschen nie über den Boden gezogen, fallengelassen oder grob behandelt werden.

Faserumwickelte Flaschen müssen regelmäßig auf äußere Beschädigungen der Faserumwicklung untersucht werden. Beschädigte Flaschen sind sofort außer Betrieb zu nehmen und dem Hersteller zur Überprüfung und evtl. zur Reparatur zu übergeben.
Verbundmaterialien können von Chemikalien und in einigen Fällen auch von behandeltem Wasser angegriffen werden. Wenn die Flasche Chemikalien oder aggressiven Flüssigkeiten ausgesetzt worden ist, muss der Verbundstoffkörper auf sichtbare Anzeichen von Beschädigungen untersucht werden.

 

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