Beschreibung
Zunehmend gewinnt die Nutzung gasförmiger Brennstoffe für den Betrieb von Fahrzeugen an Bedeutung. Da diese zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs oder auch zur Erhöhung der Reichweite möglichst leicht sein sollen, werden u. a. gewichtsoptimierte Druckgasbehälter verlangt. Ziel der Forschungsarbeit war die Weiterentwicklung entsprechender Composite-Behälter auf Stahlbasis mit Kohlenstoff-Faservollumwicklung. Damit verbunden ist die Erwartung einer erhöhten Akzeptanz gasbetriebener Fahrzeuge und eine unter ökologischen Gesichtspunkten günstigere Nutzung der Energieressourcen.
Erste Versuche zur Wanddickenminderung durch Einsatz höherfester Varianten des im Druckbehälterbau eingeführten Stahls 34CrMo4 (1.7220) über dessen Modifikation mit Titan und Bor waren nicht erfolgreich. Es konnte keine genügende Sicherheit gegen Spannungsrißkorrosion nachgewiesen werden. Auch Versuche, geschweißte Stahl-Liner aus austenitischem Werkstoff zu ertüchtigen, waren nicht erfolgreich. Beim Einsatz der Stahlsorte X5CrNi18-10 (1.4301) mit 1,3 bzw. 1,7 mm Wanddicke kam es bei den für ein Abnahmeverfahren wichtigen Innendruck- Schwellversuchen durch frühzeitige Bildung von Ermüdungsbrüchen, ausgehend von den Längs- bzw. Rundschweißnähten der Liner, zum vorzeitigen Ausfall. Die im Vergleich zum Stahl größere elastische Dehnung der Wicklung aus Kohlenstoff-Fasern sowie die streckgrenzenreduzierteWärmeeinflusszone der WIG-Schweißnaht bewirkten eine Wechselplastifizierung des Nahtbereichs und lösten dort eine frühzeitige Leckage aus. Auch der Ersatz von konventionellen Rundschweißnähten durch Lasernähte konnte das Schwellverhalten nicht ausreichend verbessern.
Zudem verhinderte ein nur durch kostenintensive Maßnahmen vermeidbarer Kantenversatz im Rundnahtbereich ein positives Prüfergebnis. Erst der im dritten Ansatz gewählte Weg, kryogestreckte, austenitische Edelstahl- Liner aus Stahl X2CrNi19-11 (1.4303) einzusetzen, zeigte letztlich die Möglichkeit einer technischen und wirtschaftlich günstigen Lösung. Durch Kryoverformung wird der gesamte Liner einschließlich der Längsschweißnaht hoch verfestigt. SchwelIversuche an dieser Kernbehältervariante zeigten, dass die Anforderungen hinsichtlich der Lebensdauer ohne Einschränkung erreicht werden können.
Als Ergebnis der Arbeiten ist eine erreichte Gewichtsreduktion von ca. 20 % sowie eine sichere Beherrschung des Werkstoffverhaltens, z. B. Vermeidung von Ermüdungsrissen und Korrosionserscheinungen, hervorzuheben. Durch eine Optimierung von Faserverbund- und Kernbehälterwanddicke ist nach derzeitigem Kenntnisstand eine weitere Gewichtsreduzierung von > 50 % im Vergleich zur Vollstahlflasche möglich. Diese Ergebnisse eröffnen dem Werkstoff Stahl vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten auch bei weiter gesteigerten Anforderungen an Druckgasbehälter, z. B. für Erdgas betriebene Fahrzeuge.
STUDIENGESELLSCHAFT STAHLANWENDUNG e.V.
Veröffentlichung:
2002
Autoren:
Dipl.-Ing. G. Junker
