Beschreibung
P 630 – Herstellung von leichten Compositebehältern mit extrem dünnwandigen Edelstahlkernbehältern zur Druckspeicherung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von sehr leichten Compositebehältern mit hohem Speicherwirkungsgrad für die mobile Speicherung und den Transport von Druckgasen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige Behälter ist die temporäre Speicherung der Energiegase Erdgas, Methan und Wasserstoff zur Versorgung von Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen, aber auch ihr Einsatz für andere Industrie- uns Spezialgase wie z.B. die Verteilung von Sauerstoff in der Medizintechnik. Eine besondere Aufgabe bei diesem Forschungsvorhaben bestand darin, als Werkstoff für den metallischen Kernbehälter (den sog. Liner) nichtrostende Stahlqualitäten einzusetzen, da diese im Vergleich zu konventionellen Behälterwerkstoffen einige signifikante Vorteile besitzen. Für ihre Verarbeitung existieren zahlreiche, erprobte Fertigungstechnologien. Sie besitzen eine hervorragende Oberflächenqualität, sind korrosionsbeständig und haben, soweit es sich um metastabile, austenitische Edelstähle handelt, ein großes Verfestigungspotenzial. Das Gesamtprojekt bestand aus zwei Teilprojekten, in denen Liner aus zwei unterschiedlichen Stahlqualitäten entwickelt und untersucht wurden.
Ziel des ersten Teilprojektes war die Realisierung eines Behälters, der in Form und Inhalt einer 6 Liter Atemgasflasche entsprechen sollte. Für die Herstellung des Liners wurde von der ThyssenKrupp Nirosta GmbH (TKN) der Stahl 1.4318 empfohlen und Blechmaterial mit 0,76 mm Wanddicke zur Verfügung gestellt. Aus diesem Material wurden durch Laserschweißen zylindrische Rohrabschnitte und entsprechende Halbkugelböden durch Tiefziehen hergestellt. Das Verschweißen der dünnwandigen Einzelteile zu Behältern erfolgte bei der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Duisburg (SLV) durch oszillierendes Laserschweißen.Die so gefertigten Rohbehälter wurden anschließend zur Erzielung einer höheren Materialfestigkeit hydraulisch in einem Matrizenrohr um 10 bzw. 20% kontrolliert aufgeweitet und dabei entsprechend kaltverfestigt. Bei diesem für das vorgesehene Linerkonzept entscheidenden Fertigungsschritt versagte allerdings ein großer Teil der Versuchsbehälter auf Grund zahlreicher Fehler in der lasergeschweissten Längsnaht, so dass dieses Teilprojekt in der ursprünglich vorgesehenen Form nicht weitergeführt werden konnte, sondern mit der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit des kaltverfestigten Linerwerkstoffes abgeschlossen werden musste.
Für das zweite Teilprojekt wurden von der Firma UCON konventionell hergestellte Behälter aus dem metastabilen, austenitischen CrNi-Stahl 1.4301 verwendet. Diese dreiteilig geschweißten Behälter werden üblicherweise in großer Zahl in der Getränkeindustrie bei niedrigen Betriebsdrücken eingesetzt. Im vorliegenden Projekt dienten die Behälter als Liner für die Herstellung von Compositebehältern. Dazu war es erforderlich, die Behälter zur Erzielung einer hohen Werkstofffestigkeit zunächst einem kontrollierten Kryoverformungsprozess zu unterziehen. Dabei wurden die Behälter mit Hilfe von flüssigem Stickstoff bei 77 K durch Innendruck in ein Matrizenrohr gestreckt. Die damit verbundene plastische Verformung um 15% führte zu einer Zunahme der Streckgrenze des Behälterwerkstoffes um einen Faktor 4. Aus den so qualifizierten, hochfesten Edelstahllinern wurden durch entsprechenden Kohlefaser-Laminataufbau Compositebehälter gefertigt und in Anlehnung an die für Erdgasfahrzeugtanks geltenden Regelwerke auf ihre Eignung und Zulassungsfähigkeit hin geprüft.
Wie die im Folgenden zusammengestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, wurden von den für einen Betriebsdruck von 200 bar ausgelegten Behältern die wichtigsten Anforderungen im Hinblick auf ihre Berst- und Lastwechselsicherheit erfüllt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde damit der Nachweis erbracht, dass mit dem verfolgten Fertigungskonzept Compositebehälter hergestellt werden können, welche den bisher auf dem Markt befindlichen Behälter mit Linern aus Aluminiumlegierungen oder solchen mit Kunststofflinern in ihrem Speicherwirkungsgrad nicht nachstehen oder sie sogar deutlich übertreffen.1 Einleitung
Veröffentlichung:
2008
Autoren:
Dr.-Ing. M. Kesten
