Hohlproben unter Druckwasserstoff prüfen – schnell und sicher

Alternative zur Autoklaventechnik

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ZwickRoell, Januar 2023. Geringe Investitions- und Prüfkosten, weniger Sicherheitsmaßnahmen sowie einfach zu bedienen: Das sind die Vorteile der Methode zur Prüfung metallischer Hohlproben unter Wasserstoffdruck, um den Einfluss der Wasserstoff­versprödung zu erkennen. Der Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell arbeitet aktuell an einem Verfahren, das im Oktober auf der testXpo in Ulm vorgestellt wurde. Dieses Alternativverfahren zur Autoklaventechnik für die Werkstoffqualifizierung unter Druckwasserstoff eignet sich für Zugversuche, Zeitstandversuche sowie Prüfungen mit Wechsellast. Bei der Entwicklung des Verfahrens fließen auch die Ergebnisse aus Initiativen und Projekten zum Thema Wasserstoff ein, in denen sich ZwickRoell engagiert. Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie arbeitet ZwickRoell daran, die Grundlagen für eine Normung zu schaffen. Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „TransHyDE“ soll die Zuverlässigkeit des Verfahrens validiert und damit regulatorische Sicherheit für künftige Kunden geschaffen werden.

„Als führender Prüfmaschinenhersteller entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette bieten wir mit der Hohlprobenlösung für Metall, Anwendern und Kunden nicht nur einen Ersatz für viele aufwändige und sicherheitskritische in-situ Versuche, sondern gewährleisten sichere und zuverlässige Prüfungen und Ergebnisse für den täglichen Laboreinsatz. Das Verfahren hilft die Kosten zu senken, effizienter zu arbeiten und sichere Prüfungen durchzuführen. Natürlich immer mit dem gleichen Anspruch an die Qualität unserer Prüfergebnisse, für die wir als Experten für Material- und Werkstoffprüfungen stehen“, erläutert Dr. Denise Beitelschmidt, Head of Global Industry Management und Leiterin des Kompetenzzentrums Wasserstoff bei ZwickRoell.

Die neue Methode könnte eine Alternative zum bisherigen Standard bei Druckwasserstoffprüfungen mittels Autoklav werden. Dieser entfällt nämlich beim Hohlprobenverfahren – als wesentliches Teilstück der bislang etablierten Methode. Das Prinzip der Hohlprobenprüfung funktioniert dabei folgendermaßen: Der Wasserstoff wird außerhalb des Labors gefahrlos in die Hohlzugprobe verfüllt und durch Ventile versiegelt. Dabei sind Innendrücke bis 200 bar möglich: Für eine Vielzahl an Anwendungen ausreichend, um Aussagen zum Materialverhalten zu treffen. Die Dehnungsmessung und -regelung erfolgt mittels Dehnungsaufnehmern.

Die Vorteile der Hohlprobenprüfung sind: Geringere Investitions- und Prüfkosten sowie die einfache Bedienung. Zudem sind alle Universalprüfmaschinen von ZwickRoell mit dem Hohlprobenverfahren nachrüstbar, und die Proben lassen sich mit unterschiedlichsten Gasen und Gemischen befüllen – etwa Wasserstoff, Erdgas, Stickstoff sowie korrosiven Gasen. Und auch in puncto Sicherheit sind weniger stringente Maßnahmen notwendig als bislang üblich, da nur ein sehr kleines Volumen mit dem Gas beaufschlagt wird und sich das Verfahren dadurch in normaler Laborumgebung durchführen lässt. So kann die Gasfüllstation beispielsweise außerhalb des Labors untergebracht sein. Die Probe wird im Freien befüllt und unter Druck gesetzt. Anschließend bringt der Werkstoffprüfer sie ins Labor, setzt sie ein und das Prüfverfahren beginnt. Besonders eignet sich das Verfahren für Zugversuche, Zugversuche mit langsamer Dehnungsgeschwindigkeit (SSRT) sowie Prüfungen mit Wechsellast. Um die Sicherheit umfassend zu gewährleisten, bietet ZwickRoell ein dokumentiertes Sicherheitskonzept und unterstützt Kunden – bei Bedarf – auch bei der Installation.

Zum Vergleich: Beim Autoklaven wird die Probe im Innern eines großvolumigen Druckbehälters dem Wasserstoff ausgesetzt. Die Prüfungsvorbereitung, einschließlich der sicherheitstechnischen Vorkehrungen und Gewährleistung der Dichtigkeit stellen dabei wesentlich höhere Anforderungen an die Qualifizierung des Maschinenbedieners. Ein Kunde, der aufgrund der höheren Druckanforderungen (bis ca. 1000 bar) auf die Autoklavtechnologie ausweichen muss, findet selbstverständlich auch für diese Anforderungen sichere und technische ausgereifte Prüflösungen bei ZwickRoell, einschließlich einer kompetenten Beratung vor, während und nach dem Kauf. Trainings für Maschinenbediener und eine kompetente Hotline vervollständigen die umfassende Kundenbetreuung.

Bei der Erarbeitung des Verfahrens lässt der Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell die Erkenntnisse aus der Mitarbeit in Forschungsprojekten und Initiativen rund um das Thema Wasserstoff einfließen: So ist das Unternehmen Mitglied im Forschungsnetzwerk „Wasserstoffrepublik Deutschland“, einer durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Initiative, die drei weitere Hauptprojekte umfasst. ZwickRoell engagiert sich dabei im Projekt „TransHyDE – H₂ Transport“, das verschiedene Technologien für den Wasserstofftransport entwickelt, bewertet und die Möglichkeiten der Hohlprobenprüfung als Alternative zur Autoklavtechnologie evaluiert. Dabei arbeitet ZwickRoell aktiv mit bei der Definition der internationalen Prüfnorm ISO/TC 164/SC 1/WG9, in dem „TransHyDE – H₂ Transport“ zugehörigen Teilprojekt „H₂ HollowTensile“ (H₂HohlZug), das sich mit der Standardisierung der Hohlzugprobentechnik befasst.

Ziel ist es, gemeinsam mit relevanten Partnern aus Industrie und Forschung das Verfahren für die Normung zu validieren. Unter anderem wird im Projekt der Einfluss der Probengeometrie und -oberfläche durch das Bohrverfahren evaluiert und die Wirkung der Gasreinheit auf Proben untersucht.

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ZwickRoell: Hohlproben unter Druckwasserstoff prüfen

Alternativverfahren zum Autoklav

Das Prüfsystem für Hohlproben stellt eine Alternative zum bisherigen Standard bei Druckwasserstoffprüfungen mittels Autoklaven dar, der als wesentliches Teilstück der etablierten Methode bei Wasserstoffprüfungen entfällt. Das Hohlprobenverfahren funktioniert wie folgt: Der Wasserstoff wird gefahrlos in eine Hohlprobe verfüllt. Dabei sind Innendrücke bis 200 bar möglich. Die Dehnungsmessung und -regelung erfolgt mittels Dehnungsaufnehmer.

Die Vorteile der Hohlprobenprüfung: deutlich geringere Investitions- und Prüfkosten und eine einfache Bedienung. Zudem sind alle Prüfmaschinen nachrüstbar auf das Hohlprobenverfahren. Die Proben sind mit unterschiedlichsten Gasen und Gemischen befüllbar – etwa Wasserstoff, Erdgas, Stickstoff sowie korrosiven Gasen. Da sich das Verfahren in normaler Laborumgebung einsetzen lässt, bestehen auch in puncto Sicherheit weniger aufwändige Maßnahmen: So befindet sich die Gasfüllstation beispielsweise außerhalb des Labors. Die Probe wird im Freien befüllt und unter Druck gesetzt. Anschließend transportiert der Prüfer sie ins Labor, setzt sie ein und startet den Vorgang.

Das Prüfsystem für Hohlproben eignet sich für Zugversuche, Zugversuche mit langsamer Dehnungsgeschwindigkeit (SSRT) sowie Prüfungen mit Wechsellast. Um die Sicherheit umfassend zu gewährleisten, bietet ZwickRoell ein dokumentiertes Sicherheitskonzept und unterstützt Kunden – bei Bedarf – auch bei der Installation.

Bei der Erarbeitung des Verfahrens lässt der Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell die Erkenntnisse aus der Mitarbeit in Forschungsprojekten und Initiativen rund um das Thema Wasserstoff einfließen: So ist das Unternehmen Mitglied im Forschungsnetzwerk „Wasserstoffrepublik Deutschland“, einer durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Initiative, die drei weitere Hauptprojekte umfasst.

ZwickRoell engagiert sich dabei im Projekt „TransHyDE – H₂ Transport“, das verschiedene Technologien für den Wasserstofftransport entwickelt, bewertet und die Möglichkeiten der Holprobenprüfung als Alternative zur Autoklavtechnologie evaluiert. Außerdem wird im Projekt der Einfluss der Probengeometrie und -oberfläche durch das Bohrverfahren evaluiert und die Wirkung der Gasreinheit auf Proben untersucht. Überdies arbeitet ZwickRoell aktiv mit bei der Definition der internationalen Prüfnorm ISO/TC 164/SC 1/WG9, in dem „TransHyDE – H₂ Transport“ zugehörigen Teilprojekt „H₂ HollowTensile“ (H₂HohlZug), das sich mit der Standardisierung der Hohlzugprobentechnik befasst.

Über die ZwickRoell Gruppe

Kunden der ZwickRoell Gruppe profitieren von über 160 Jahren Erfahrung in der Material- und Bauteilprüfung. ZwickRoell ist weltweit führend in der statischen Prüfung und verzeichnet ein signifikantes Wachstum bei Betriebsfestigkeits­prüfsystemen. In Zahlen ausgedrückt: Im Geschäftsjahr 2021 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 255 Mio. EUR. Zur Firmengruppe ZwickRoell gehören mehr als 1.650 Mitarbeiter und Produktionsstandorte in Deutschland (Ulm, Bickenbach), Großbritannien (Stourbridge) und Österreich (Fürstenfeld). Das Unternehmen verfügt über weitere Niederlassungen in Frankreich, Großbritannien, Spanien, USA, Mexiko, Brasilien, Singapur und China, sowie weltweite Vertretungen in 56 Ländern. Weitere Informationen auf www.zwickroell.com