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(- Deutsche Fassung -)

Als zuständige Behörde gemäß den gefahrgutrechtlichen Zuständigkeitsregelungen gibt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) nach Abstimmung mit dem Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und der betroffenen Wirtschaft folgende Regel heraus für die Überprüfung der Betriebslebensdauer gemäß

RID/ ADR/ IMDG-Code 6.2.2.1.1. Bem. 2 und 6.2.2.1.2 Bem. 2

zur Verwendung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen für mehr als 15 Jahre, sofern diese für eine Lebensdauer von mehr als 15 Jahre ausgelegt sind nach einer der Normen gelistet in

RID/ ADR/ IMDG-Code 6.2.2.1

Festgelegt durch die zuständige Behörde nach

GGVSEB § 8 Nr. 1f) and GGVSee § 12 Absatz 1 Nr. 1f)

Diese BAM-Gefahrgutregel (GGR) Es ist ab sofort anwendbar und ersetzt das bisherige Dokument mit dem Titel

Concept Additional Tests CAT vom 30. Sept. 2014

In diesem zweisprachigen Dokument ist im Zweifelsfall die deutsche Fassung verbindlich.
(Red. Anm.: Englische Version hier nicht abgedruckt)

Das nachfolgend beschriebene Verfahren dient der Lebensdauerüberprüfung von Druckgefäßen aus Faserverbundwerkstoffen durch die zuständige Behörde in Deutschland.

Es würdigt in besonderer Weise die Vielfalt der Entwurfsvariablen und die Komplexität der Eigenschaften von nach Norm gebauten Druckgefäßen unter Berücksichtigung der Besonderheiten in der Lebensdaueranalyse von Druckgefäßen aus Faserverbundwerkstoffen.

CAT 0. Begriffe und Definitionen

Abweichungsmaß einer Stichprobe (x_ND)

meint hier einen dimensionslosen Wert für den Vergleich einer statistisch verteilten Festigkeit mit einem zugehörigen Belastungswert. Er berechnet sich aus der Differenz der Last und der mittleren Festigkeit, normiert auf die Standardabweichung der Festigkeitseigenschaft einer Stichprobe. Ist die Belastung größer als der Festigkeitsmittelwert, ist das Abweichungsmaß x_ND > 0; ist die Last kleiner als der Mittelwert der Festigkeit ist x_ND < 0.

Allgemeiner Betrieb

meint die Verwendung und Zulassung einer Gasflasche oder einer Großflasche für verschiedene Gase oder Gasegruppen. In diesem Fall kann der → maximaler Betriebsdruck (MSP) des kritischsten Gases den → Prüfdruck PH erreichen.

Anfang des Lebens

meint den Zeitpunkt im Leben eines Druckgefäßes, zu dem es im Rahmen der Fertigung erstmalig geprüft wird.

Arbeitsdiagramm (SPC)

meint eine hier verwendete, spezielle Form eines Arbeitsdiagramms, das zur Darstellung der statistischen Auswertung von Stichprobenprobeneigenschaften verwendet wird.

Arbeitsdruck (PW)

(→ Nennbetriebsdruck NWP)

Ausfallrate (FR)

meint den relativen Anteil von Prüfmustern, der bis zu einer festgelegten Belastung (Druck, Anzahl der Lastwechsel, Zeit unter Last etc.) ausgefallen ist. Sie ist das Komplement zur → Überlebensrate. Wird im Folgenden aber auch im weiteren Sinne als Synonym für die Ausfallwahrscheinlichkeit verwendet.

Auslegungsdruck

meint den Druck, für den ein Baumuster eines Druckgefäßes ausgelegt und zugelassen ist. Dieser Druck muss vom Druckgefäß während der gesamten Auslegungslebensdauer ohne plastische Deformation oder andere nicht akzeptable Degradationseffekte ertragen werden können.

Auslegungslebensdauer

meint die Anzahl von Betriebsjahren, für die ein Baumuster nominell ausgelegt und zugelassen ist (begrenztes Leben / nicht begrenztes Leben).

Autofrettage

meint einen Prozess, der mittels Überdruck zum gesteuerten Plastifizieren des metallischen Liners führt. Ziel ist es, eine möglichst dauerhafte Druckvorspannung des Liners zu erreichen, die die Lebensdauer des Liners zu Lasten erhöhter Zugbelastung des Composites verlängert.

Degradation

meint den Verlust an Festigkeitseigenschaften und damit auch an Sicherheit. Der Verlust von Festigkeit kann durch künstliche oder betriebliche Alterung bedingt sein. Die Degradation wird hier als Differenz zweier Stichprobenprüfergebnisse zu einer Festigkeitseigenschaft verstanden (Berstfestigkeit, Lastwechselfestigkeit; Überlebenswahrscheinlichkeit). Eine Degradation gilt dann als kritisch, wenn die verbleibende → Überlebenswahrscheinlichkeit den geforderten Mindestwert nicht mehr erfüllt bzw. deren Erfüllung nicht gewährleistet ist.

Ende des Lebens

meint den Zeitpunkt im Leben eines Druckgefäßes, zu dem es dauerhaft aus dem Verkehr genommen bzw. verschrottet wird.

Ereignishäufigkeit

meint die Häufigkeit mit der ein bestimmter Zwischenfall mit der im Fall des Eintretens zugehörigen Konsequenz akzeptiert ist.

Hier ist die Ereignishäufigkeit an die Betrachtung einer → F-N-Kurve gebunden. Das heißt, dass der akzeptierte Wert für die Ereignishäufigkeit F anhand der Kurve abgelesen werden kann, die über die Konsequenz von dem akzeptierten Risiko abhängt,

F-N-Kurve

meint ein Diagramm, das es auf Basis akzeptierter Risikowerte erlaubt, einer Konsequenz eine akzeptierte → Eintrittshäufigkeit bzw. jeder Eintrittshäufigkeit eine noch akzeptable Konsequenz zuzuordnen.

Grundgesamtheit

meint die Gesamtanzahl an Druckgefäße eines Baumusters mit der Mächtigkeit Q, aus der die Zufallsstichproben entnommen sind.

In diesem konkreten Fall der Druckgefäße ist die Gesamtanzahl identisch mit der → Population.

Falls zusätzlich das als Kriterium für die Stichprobenentnahme verwendet wird, muss die Population enger begrenzt werden, d. h. z.B. auf das Jahr der Herstellung.

Herstellungslos

(→ Produktionslos)

Isoasfale

meint eine Linie konstanter Versagenswahrscheinlichkeit. Sie kann definiert werden mit Bezug auf die → Ausfallrate, → Überlebenswahrscheinlichkeit/ Zuverlässigkeit oder das → Abweichungsmaß. Hier wird es verwendet, um im → Arbeitsdiagramm SPC eine grobe Bewertung von graphisch dargestellten Stichprobeneigenschaften zu ermöglichen.

Konfidenzniveau

meint die Wahrscheinlichkeit, dass das verwendete Konfidenzintervall den wahren Wert des Parameters der → Population enthält (Komplement zur Irrtumswahrscheinlichkeit).

Lastwechselempfindlichkeit

meint eine Eigenschaft eines Baumusters, die die Empfindlichkeit gegen zyklische Lasten zum Ausdruck bringt. Es wird als Kriterium für die Auswahl der bevorzugten Methode ("Schlüsselprüfung") zur Restfestigkeitsprüfung herangezogen.

Für die Klassifizierung dieser Eigenschaft wird gefordert, dass eine Stichprobe von mindestens 5 Composite Druckgefäßen der Lastwechselprüfung bei Raumtemperatur (LCT) unterworfen wird. Versagt keines der Prüfmuster innerhalb von 50.000 Lastwechseln gilt das Baumuster als lastwechselunempfindlich.

Anderenfalls wird es als lastwechselempfindlich eingestuft. Diese Eigenschaft kann sich im Laufe des Lebens des Composite Druckgefäßen, d. h. abhängig vom Degradationszustand ändern.

Langsame Berstprüfung ( SBT)

meint ein Prüfverfahren, bei dem der Druck gleichmäßig mit einer vorgegebenen, genau kontrollierten Druckanstiegsrate bis zum Versagen gesteigert wird. Als Ergebnis der Prüfung kann sowohl der Berstdruck wie auch die Zeit bis zum Versagen ausgewertet werden. Diese Prüfung wird bevorzugt für die Restfestigkeitsermittlung von Baumustern verwendet, die als lastwechselunempfindlich gelten (→ Lastwechselempfindlichkeit).

Lastwechselprüfung ( LCT)

meint ein hydraulisches Prüfverfahren, bei dem der Innendruck zwischen zwei Druckniveaus, dem unteren und dem oberen Druckniveau, zyklisch verändert wird. Das untere Druckniveau ist i.d.R. nicht höher als 2 MPa, das obere Druckniveau ist bei Zulassung für ein einziges Gas mindestens der → MSP, oder im Fall einer allgemeinen Zulassung (→ allgemeiner Betrieb) der Prüfdruck (PH).

Das Ergebnis der LCT ist die Anzahl der Lastwechsel bis zum ersten Versagen (Leckage oder Bersten). Diese Prüfung ist das bevorzugte Verfahren für die Bestimmung der Neu- und Restfestigkeit im Fall von lastwechselempfindlichen Baumustern (→ Lastwechselempfindlichkeit).

Leck-vor-Bruch-Verhalten

meint eine Form der Fail-Safe-Eigenschaft bzw. Schadenstoleranz im Fall einer Rissbildung.

Sofern aus einem Composite-Druckgefäß in der Lastwechselprüfung aufgrund eines ersten Versagens das Druckmedium austritt und kein Bersten auftritt, spricht man im weiteren Sinne von einem Leck-vor-Bruch-Verhalten. Im engeren Sinn kann einem Composite-Druckgefäß nur dann ein LBB-Verhalten bestätigt werden, wenn anhand mehrerer Prüfmuster in der Gaszyklenprüfung nachgewiesen ist, dass keines der Prüfmuster eines Composite-Druckgefäßes durch Bersten versagt.

Mittelwert

meint das arithmetische Mittel von Prüfergebnissen. Es ist die Summe der gesammelten Prüfergebnisse (→ Stichprobe) geteilt durch die Anzahl der gesammelten Prüfergebnisse.

Nennbetriebsdruck (PW)

meint den Druck bis zu dem Druckgefäße nominell gefüllt sind bei einer gleichmäßigen Temperatur von 15°C um die maximale zulässige Menge an Gas aufzunehmen. Ein Überschreiten dieser maximalen Obergrenze der Gasmenge bedeutet eine Überfüllung.

Population

meint die Menge von Druckgefäßen, die von dem betreffenden Baumuster (im engsten Sinne; d. h. Baureihen werden ggf. als eigenes Baumuster angesehen) im Verkehr sind. Die mit Population gemeine Menge an Druckgefäßen kann auf nur einen Bertreiber/Eigentümer, ein Herstellungsjahr etc. oder auf Kombinationen mehrerer derartiger Kriterien begrenzt sein (→ Grundgesamtheit).

Produktionslos

meint eine Menge von Druckgefäßen zu einem Baumuster, die aufeinanderfolgend und unter Anwendung gleichbleibender Herstellungsparameter gefertigt wurden.

Aus diesem Grund wird den Druckgefäßen in einem Produktionslos nur minimale Abweichungen unterstellt. Die maximale Menge von Druckgefäßen, die einem Los zugeordnet werden dürfen, wird in der jeweiligen Herstellungsnorm vorgegeben.

Stichprobe

meint eine Anzahl von Prüfmustern, bei denen auch der jeweils relevante Stichprobenparameter identisch ist. Wird auch als Los bezeichnet. Prüfmuster können zu einer Stichprobe/Los zusammengefasst werden, wenn die relevanten Stichprobenparameter bzgl. Produktion und Betrieb identisch sind (z.B. Produktionszeitraum, Betriebsdauer etc.).

Für statistische Vergleichszwecke zweier Stichproben müssen alle grundlegenden Parameter beider Stichproben identisch sein. Nur der Parameter, dessen Bedeutung quantifiziert werden soll, darf sich zwischen beiden Stichproben unterscheiden.

Überlebenswahrscheinlichkeit (SR)

meint den relativen Anteil von Prüfmustern einer Stichprobe, der die Belastung bis zu einem bestimmten Maß (Druck, Lastwechsel, Zeit unter Last) versagensfrei ertragen hat.

In der Regel liegt das Niveau der diskutierten Überlebenswahrscheinlichkeit oberhalb des Wertes, der mit dem verfügbaren Stichprobenumfang dargestellt werden kann. Daher schließt die "Überlebenswahrscheinlichkeit" auch die Zuverlässigkeit gegen Versagen beim maximalen Betriebsdruck (MSP) mit ein. Letztere wird auf Basis von Prüfergebnissen und unter Verwendung einer angenommenen Verteilungsfunktion auf die entsprechend hohen SR-Werte extrapoliert.

Verwendungsdauer (sichere)

meint die Anzahl von Jahren im Betrieb bevor die Alterung (→ Degradation) einer hergestellten → Population eines Baumusters bei allen oder nur bei einem Betrieber kritisch wird; d.h. die Restzuverlässigkeit der relevanten Population unter den für die → Überlebenswahrscheinlichkeit mindestens geforderten Wert fällt.

CAT 1 Einführung

(1) In Deutschland werden auch für den nationalen und innereuropäischen Verkehr nur solche Composite-Druckgefäße in Betrieb genommen und wiederkehrend geprüft, die einem nach RID/ ADR bzw. IMDG-Codes und IATA/ICAO-TI zugelassenen Baumuster entsprechen. Dies schließt die Einhaltung der in den o. g. Vorschriften in Bezug genommenen Normen und damit auch die Vorgaben für die Los- und die erstmalige Prüfung mit ein.

(2) Composite Druckgefäße unterliegen aufgrund der verwendeten Werkstoffe anderen Alterungsprozessen als diese von metallischen Druckgefäßen bekannt sind. Aus diesem Grund sehen die UN Modellvorschriften und alle darauf aufbauenden verkehrsträgerspezifischen Transportvorschriften gemäß 6.2.2.1.1 und 6.2.2.1.2 jeweils Bem. 2 eine Überprüfung der (sicheren) Lebensdauer von UN-Composite-Druckgefäßen nach 15 Jahren Betrieb vor.

(3) Das Verfahren zur Überprüfung muss bereits zum Zeitpunkt der Zulassung festgelegt werden.

(4) Das Verfahren, das die BAM im Rahmen ihrer Zuständigkeit anwendet, basiert auf der statistischen Betrachtung abgeprüfter Eigenschaften von Stichproben, aus denen auf die gesamte Population eines Baumusters bei einem Betreiber geschlossen werden kann.

(5) Der Vergleich dieser statistischen Betrachtungen über verschiedene Altersstufen der Population an Druckgefäßen zu einem Baumuster hinweg, erlaubt die fundierte Abschätzung des Endes der sicheren Betriebsdauer der Composite-Druckgefäße.

(6) Ein solcher Ansatz ist darauf ausgerichtet, alterungsbedingte Änderungen festzustellen, die das Baumuster und die zugehörigen Composite-Druckgefäße im Betrieb grundsätzlich betreffen. Es kann zwar helfen, einen kritischen oder unsachgemäßen Umgang und seine Folgen im Einzelfall zu erkennen, fokussiert aber nicht darauf und leitet keinen entsprechenden Anspruch ab, der es gestatten würde, die visuellen Inspektionen vor der Befüllung oder im Rahmen der wiederkehrenden Prüfung zu ersetzen.

(7) Das Schutzziel, dass dieser im Folgenden dargestellte Ansatz verfolgt, basiert auf einer Risikobetrachtung (Häufigkeit x Konsequenz) über das Leben mit Schwerpunkt auf das Lebensende. Vereinfachende Maßgabe für die Konsequenz ist das Druck-Volumen-Produkt des jeweiligen Baumusters. Daraus ist eine akzeptable Eintrittswahrscheinlichkeit abgeleitet, die von einer Population zu keiner Zeit überschritten werden darf.

CAT 2 Übersicht

(1) Zur Beurteilung des Sicherheitszustandes eines Druckgefäßes aus Faserverbundwerkstoffen ("Composites") ist es notwendig, seine aktuellen Festigkeitseigenschaften zu bestimmen: Dies beinhaltet sowohl die Festigkeit im Neuzustand und nach Jahres des Betriebes auch die jeweilige Restfestigkeit.

(2) Das Schutzziel ist die Vermeidung von Schäden für Anwender und Unbeteiligte. Weist eine Population von Composite-Druckgefäßen für das jeweilige Festigkeitskriterium zumindest die in CAT 3 geforderte Überlebenswahrscheinlichkeit auf, werden die Anforderungen zur Erfüllung des Schutzziels zum jeweiligen Zeitpunkt als erfüllt angesehen.

(3) Eine Population von Composite-Druckgefäßen eines Baumusters besteht aus identischer Produktion und Material. Vergleichbare Betriebslasten sind ein weiteres Kriterium.

(4) Varianten eines Baumusters sind in diesem Zusammenhang grundsätzlich wie ein eigenes Baumuster zu betrachten.

(5) Die Sicherheit von in Serienproduktion hergestellten Composite-Druckgefäßen kann mit dem Verfahren gemäß Abschnitt CAT 4 bewertet werden, wenn die Zusammenstellung der Stichproben nach den Anforderungen in CAT 5 erfolgt. Diese Stichproben werden nach dem Aspekt der Berstfestigkeit gemäß Abschnitt CAT 6 und/oder dem der Lastwechselfestigkeit nach Abschnitt CAT 7 geprüft. Hierzu ist die Belastbarkeit bis zum Versagen für alle Prüfmuster dieser Stichprobe nach der entsprechenden zerstörenden Prozedur ¹ gleichartig zu ermitteln. Die genauen Verfahren hierzu ( SBT und LCT) sind in den technischen Anhängen "Prüfverfahren TP" beschrieben.

(6) Aus den Ergebnissen ist die statistische Verteilung der geprüften Stichprobe abzuleiten, so dass die Überlebenswahrscheinlichkeit der Population bei der maximal anzunehmenden normalen Betriebslast ermittelt werden kann.

(7) Die entsprechenden Verfahren sind im Anhang SAS beschrieben auf den in CAT 9 Bezug genommen wird. Die abgeleitete Überlebenswahrscheinlichkeit erlaubt eine grobe Abschätzung des Verhaltens einer Druckgefäß-Population des gleichen Baumusters mit vergleichbarer Belastungshistorie. Der Begriff Belastungshistorie beinhaltet hier Alter und Verwendungsart wie z. B: neu aus der Produktion oder 15 Jahre Betrieb in einem Wasserstoff-Batteriefahrzeug.

(8) Weitere Aspekte des Baumuster- oder Stichprobenverhaltens sind die Lastwechselempfindlichkeit, beschrieben in CAT 8 und das Leck-vor-Bruch-Verhalten, beschrieben in CAT 10.

(9) Die Degradation der Festigkeitseigenschaften im Laufe des Betriebes verursacht meistens eine Reduzierung der Sicherheit. Eine Population von Druckgefäßen kann nur so lange als sicher bezeichnet werden, wie die gemäß CAT 9 geschätzten Überlebenswahrscheinlichkeiten die Anforderungen aus CAT 3 erfüllen.

(10) Die Ergebnisse der nach diesem Konzept ergänzend durchgeführten Prüfungen und dem nachfolgenden Vergleich neuer Druckgefäße mit im Betrieb gealterten Druckgefäßen eines Baumusters gemäß CAT 12, erlauben einen vertieften Einblick in die Sicherheitseigenschaften von Baumustern.

(11) Dieses Zusatzwissen wird als erforderlich angesehen, um die baumusterspezifische Degradation eines Druckgefäßes aus Verbundwerkstoffen beurteilen zu können. Solche Untersuchungen sind eine Voraussetzung für die Überwachung der verbleibenden Lebensdauer dieser Druckgefäße wie es für die UN-Composite-Druckgefäße gemäß Bem. 2 in 6.2.2.1.1 bzw. 6.2.2.1.2 der UN Model-Vorschriften gefordert ist.

(12) Aber auch außerhalb harmonisierten Vorschriften kann diese Art von Untersuchungen notwendig sein, solange keine für die Lebensdauerbewertung hinreichend guten zerstörungsfreien Prüfverfahren für Composite-Druckgefäße allgemein verfügbar sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Fristen der wiederkehrenden Prüfung ausgedehnt werden sollen.

(13) Das Vertrauen in eine statistische Überprüfung einer Grundgesamtheit (Population), wie sie hier beschrieben ist, erfordert eine angemessene Inspektion vor der Befüllung zur individuellen Überprüfung auf Schäden, die den Degradationsprozess beschleunigen könnten (mindestens ISO 24431:2017). Diese Inspektion vor der Befüllung umfasst eine externe visuelle Inspektion, in einer für die Kombination von Linermaterial und Gas angemessenen Art.

CAT 3 Schutzziel und Sicherheitsniveau

(1) Das Schutzziel gilt als erreicht, wenn die Population von Druckgefäßen das geforderte Sicherheitsniveau erfüllt, das hier durch die Überlebenswahrscheinlichkeit SR (survival rate) oder die Ausfallrate FR (failure rate) beschrieben ist.

(2) In Ermangelung einer allgemeinverbindlichen Regelung der minimal geforderten Zuverlässigkeit, werden für die vorübergehende Anwendung die in Abb. 1 und Tab. FR für das spontane Bersten dargestellten Werte herangezogen.

Abb. 1: Häufigkeits-Konsequenz-Diagramm als Darstellung der akzeptablen Ausfallwahrscheinlichkeit für Druckgefäße im Rahmen dieser GGR

Tab. FR: Geforderte Obergrenzen für die akzeptable Ausfallwahrscheinlichkeit bis zum Ende des Lebens von Druckgefäßen

** PH gemäß der Kennzeichnung auf dem Druckgefäß

Vergl. nachfolgende Seite mit Hinweisen

Bem. 1: Die Referenzwerte dieser Tabelle und die Methode zur Berücksichtigung der Konsequenz aus dem Versagen sind Bestandteil der aktuellen Diskussion und können ggf. abweichend hiervon angewendet werden.

Bem. 2: Solang die Eigenschaften einer Druckgefäß-Population nicht bekannt sind, müssen sie aus den Eigenschaften einer Stichprobe abgeschätzt werden. Entsprechende Prüfungen und Bewertungsverfahren werden in Kapitel CAT 5 und CAT 6 vorgestellt und in Bezug genommen. Für die Bewertung des Leck-vor-Bruch-Verhaltens ist CAT 8 heranzuziehen.

Hinweise zur Tabelle FR

a Die geforderten Werte basieren auf einer groben Risikoabschätzung entsprechend den Konsequenzen eines Versagens. Dieses auf die Konsequenz bezogene Kriterium basiert auf dem Druck-Volumen-Produkt, der Versagensart und den Eigenschaften des enthaltenen Gases, z.B. Toxizität.

B Das Druck-Volumen-Produkt ist die wesentliche Größe zur Beschreibung der gespeicherten Energie. Sie beinhaltet sowohl die potentiell für eine chemische Reaktion freisetzbare Gasmenge als auch die physikalische vorhandene Druckenergie des komprimierten Gases und des elastisch verformten Druckgefäßes.

C Es wird angenommen, dass eine Berstprüfung immer zum Spontanversagen führt.

D Bei der Beurteilung von Lastwechselprüfungen kann das Kriterium Leck-vor-Bruch zusätzlich berücksichtigt werden

E Abhängig von den Bedingungen des Alterungsprozesses kann sich das Leck-vor-Bruch-Verhalten eines Behälters ändern. Dieses Verhalten muss in jeder Prüfung wieder bestätigt werden, wenn die für das Leck-vor-Bruch-Verhalten reduzierten Überlebenswahrscheinlichkeiten angewendet werden.

F Es wird angenommen, dass die Leckage von inerten Gasen, im Gegensatz zu toxischen Gasen, zu keinen direkten Auswirkungen, außer dem Verlust der Verwendungsfunktion, führt. Letzteres ist nicht Gegenstand dieser Sicherheitsbeurteilung.

G Aus diesem Grund ist die angenommene Konsequenz der Leckage eines Druckgefäßes, gefüllt mit inertem Gas signifikant geringer als die im Fall des Berstens oder einer Leckage mit Freisetzung eines toxischen oder entflammbaren Gases.

H Die Anforderungen für brennbare und oxidierende Gase basieren in Abhängigkeit von der Anwendung auf einer Wahrscheinlichkeitsbetrachtung der Zündung bei Gasaustritt.

(3) Abb. 1 und Tab. FR zeigen die maximalen Ausfallraten FR bzw. zur besseren Lesbarkeit die Überlebenswahrscheinlichkeiten SR:

(4) SR muss hier als Zuverlässigkeit der Druckgefäße zu jeder Zeit des Betriebes interpretiert werden. Wenn eine Druckgefäß-Population des gleichen Baumusters und ähnlicher Historie diese oder höhere Überlebenswahrscheinlichkeiten nachweisen kann, gilt das Schutzziel als erfüllt.

(5) Für entflammbare oder oxidierende Gase, welche in der Tab. FR nicht gelistet sind, gelten folgende Regeln:

1. Grundsätzlich werden brennbare oder oxidierende Gase wie toxische Gase behandelt.
2. Es gibt Anwendungen, in denen die Konsequenz einer Leckage von entflammbaren oder oxidierenden Gasen vergleichbar zu inerten Gasen ist. In solchen Fällen können die Anforderungen an die Druckgefäße mit entflammbaren oder oxidierenden Gasen denen mit inerten Gasen angeglichen werden. Dies gilt beispielsweise für Druckgefäße mit entflammbarem Gas, wenn zu jeder Zeit des Betriebes garantiert werden kann, dass die Umgebung frei von Zündquellen und gut belüftet ist.
3. Abb. 1 stellt die oben dargestellten Anforderungen graphisch dar. Es zeigt den Einfluss des Druck-Volumen-Produktes auf die geforderte Mindest-Überlebenswahrscheinlichkeit.

CAT 4 Geltungsbereich und Anwendung

(1) Das hier als "Konzept zusätzlicher Prüfungen (CAT)" dargestellte Verfahren zur Sicherheitsbewertung ist anwendbar auf alle Arten und Größen von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen, sofern diese in Großserie hergestellt sind. Dies wird grundsätzlich für die Herstellung aller Baumuster bis zu einem Volumen von 450 Liter Wasserkapazität angenommen.

(2) Das Verfahren für die Bestimmung der aktuellen Sicherheit im Sinne der Überlebenswahrscheinlichkeit (d.h. Zuverlässigkeit) einer Population von Druckgefäßen ist in Abb. 2 dargestellt und muss wiederholt bzw. periodisch angewendet werden.

Abb. 2: Flussdiagramm für den Nachweis der Sicherheit der durch die geprüften Stichproben repräsentierten Altersgruppe einer Population

(3) Dieses Konzept zusätzlicher Prüfungen erlaubt eine allgemeine Untersuchung des momentanen Sicherheitsniveaus. Im Fall von Wiederholungen (erneuten Prüfungen) bietet dieses Konzept eine vergleichende Betrachtung der betrieblichen Sicherheit an. Wenn der hier beschriebene Ansatz zur Anwendung kommt, muss er vollständig angewendet werden und darf nicht auszugsweise zur Anwendung kommen.

(4) Der Vergleich der Sicherheitsniveaus verschiedener Altersstufen beschreibt die betriebliche Alterung (Degradation) der Druckgefäße. Dadurch ist das Verfahren sowohl geeignet zur Überprüfung der Restlebensdauer wie auch für die Festlegung darauf abgestimmter Fristen für die wiederkehrende Prüfung. Die Betriebssicherheit für eine Population von Druckgefäßen kann bestätigt werden, wenn zu Beginn des Betriebes (Begin of Life, BoL) und wenn möglich auch am Ende des Lebenszyklus (End of Life, EoL) die Überlebenswahrscheinlichkeit über dem geforderten Mindestmaß liegt.

(5) Die maximale Betriebslast ist der Prüfdruck PH. Im Fall der begrenzten Verwendung eines Baumusters für nur ein Gas kann alternativ der entwickelte Druck dieses Gases bei 65°C und maximaler Füllung (Nennbetriebsdruck bei 15°C) als maximaler Betriebsdruck (maximum service pressure, MSP) zugrunde gelegt werden.

(6) Ist die Verwendung nicht auf ein Gas beschränkt, wird im Folgenden der Prüfdruck PH als MSP verwendet. Dies schließt auch die Arbeitsdiagramme in Bild SAS-1 und SAS-2 in Anhang SAS ein. Auch das Druckniveau in Bild SAS-3 und SAS-4 in Anhang SAS muss entsprechend angepasst werden.

(7) Das in Abb. 2 dargestellte Verfahren für die erstmalige Prüfung erlaubt eine belastbare Abschätzung des momentanen Sicherheitsniveaus der Population von Composite-Druckgefäßen bzgl. Alterung und Materialermüdung, das durch die Stichproben repräsentiert wird. Die Erklärung der verschiedenen Schritte und Abweichungen davon sind in den nachfolgenden Abschnitten CAT 5 bis CAT 10 erläutert.

(8) Ist für ein Baumuster Lastwechselempfindlichkeit gemäß CAT 8 nachgewiesen, kann gemäß Abb. 1 und Tab. FR eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. reduzierte Überlebenswahrscheinlichkeit (Zuverlässigkeit) gegen Leckage akzeptiert werden.

Abb. 3: Flussdiagramm zur Anwendung reduzierter Zuverlässigkeitsanforderungen mit L-v-B-Nachweis

(9) Voraussetzung dafür ist der Nachweis des Leck-vor-Bruch-Verhalten (L-v-B) gemäß dem in Abb. 3 dargestellten und in CAT 10 beschriebenen Verfahren in Verbindung mit bestimmten Gaseigenschaften und Betriebsbedingungen.

(10) Für die Übertragung der eingangs durchgeführten Prüfungen und deren Bewertung auf eine laufende Produktion muss die Qualität dieser Produktion besonders überwacht werden.

(11) Das entsprechende Verfahren ist in CAT 11 (vergl. Anlage SAS) beschrieben.

(12) Baumuster, die aufgrund ihrer Stückzahl nicht entsprechend geprüft werden können, müssen in Abstimmung mit der zuständigen Behörde gleichwertig untersucht bzw. überwacht werden. Dies bezieht das permanente zerstörungsfreie Online-Monitoring auf Basis von z.B. Schallemissionsanalyse oder integrierten optischen Dehnungssensoren ausdrücklich mit ein, sofern die Wirksamkeit der Überwachung zur frühen Erkennung von Vorzeichen eines ersten Versagens nachgewiesen ist.

CAT 5 Zusammensetzung der Stichprobe

(1) Aufgrund des unterschiedlichen statistischen Verhaltens verschiedener Baumuster oder gar Varianten, muss jede Baumustervariante grundsätzlich separat betrachtet werden.

(2) Die zuständige Behörde kann ausnahmsweise zustimmen, verschiedene Varianten in einer Stichprobe zusammenzufassen. Hierfür sollte der alle Beteiligten umfangreiche Erfahrung mit der statistischen Sicherheitsbewertung bzgl. Produktion und Alterung haben.

Bem. 3: Dieses Vorgehen der Zusammenfassung verschiedener Varianten birgt aufgrund statistischer Effekte das Risiko, dass die Streuung aufgrund der übergreifenden Stichprobe größer ist und auch schneller zunimmt, als dies bei der separaten Betrachtung der Überlebenswahrscheinlichkeiten der verschiedenen Varianten beobachtet werden würde.

(3) Für beide nachfolgend beschriebenen Prüfungen ist eine Stichprobe aus der betreffenden Population zusammen zu stellen. Hierfür gilt:

1. Jede Stichprobe besteht aus mindestens 5 Prüfmustern ², die nach dem Zufallsprinzip aus der zu bewertenden Population/Teil einer Population entnommen wird.
2. Eine Stichprobe kann je nach Intention der Prüfung aus dem neuen oder aus dem gebrauchten Bestand an Druckgefäßen des relevanten Baumusters entnommen werden.
3. Im Fall einer gebrauchten Population müssen alle Prüfmuster aus dem Teil der Population entnommen werden, der der Beschreibung der zu untersuchende Historie entspricht. Für eine vergleichbare Historie sind die Aspekte Alter, Klimazone der Verwendung, Größenordnung der Füllzyklen, evtl. Gasbesonderheiten bzgl. Korrosion, Versprödung etc. zu betrachten.
4. Ferner müssen im Fall der parallel Beurteilung nach CAT 6 und CAT 7 beide benötigen Stichproben eine vergleichbare Historie aufweisen.
5. Soll das Ergebnis zur Beurteilung im Neuzustand dienen, muss die Stichprobe(n) aus einer Vorserie entnommen oder im besseren Fall einer laufenden Fertigung aus allen verschiedenen Herstellungslosen der letzten 3 Monate zusammengestellt sein. Die Herstellung darf nicht länger als 3 Monate zurück liegen.
6. Im Fall gebrauchter, aus dem Betrieb genommener Prüfmuster darf das Herstellungsdatum der Prüfmuster einer/der Stichprobe(n) nicht mehr als 6 Monate auseinander liegen, um als gleich alt zu gelten. Im Einzelfall kann bei Baumustern, die nicht in Großserie hergestellt wurden, der 6- Monatszeitraum auf 12 Monate ausgedehnt werden.
7. Jedes aus dem Betrieb entnommene Prüfmuster muss vor der zerstörenden Restfestigkeitsprüfung erfolgreich den üblichen Verfahren der zerstörungsfreien wiederkehrenden Prüfungen unterworfen worden sein. ³
8. Werden Prüfmuster mit vergleichbarer Historie von verschiedenen Betreibern zu einer Stichprobe zusammengefasst, muss jede Stichprobe auf mindestens 8 Prüfmuster vergrößert werden, wobei jeder Betreiber grundsätzlich mindestens 3 Prüfmuster beizutragen hat (1 x 5 => 2 x 4, 3 x 3 oder 4 x 3 etc.)
9. Das Ergebnis zu Prüfmustern aus dem Betrieb kann grundsätzlich nur auf die Druckgefäße der Betreiber angewendet werden, die Prüfmuster der betreffenden Baumuster zur Stichprobe beigetragen haben.
10. Von den beiden vorgenannten Grundsätzen 3h) and 3i) kann nur gegenüber dem Hersteller einer Großserie abgewichen werden. Hierzu muss er darlegen, dass das gesamte Spektrum der Betriebsbedingungen bereits durch die Betreiber, die Prüfmuster beigesteuert haben, vollständig abgedeckt wird. In diesem Fall muss die Stichprobe aus mind. 13 Prüfmustern bestehen, die von mind. 3 Betreibern bereitgestellt wurden.

Bem. 4: Aufgrund des unterschiedlichen Betriebes kann die Zusammenfassung von Druckgefäßen unterschiedlicher Betreiber zu einer Stichprobe zu erhöhten Streuungen bei der Restfestigkeit führen. Dies hat gemäß CAT 12 eine Lebensdauer verkürzende Wirkung.

CAT 6 Die langsame Berstprüfung (Anhang SBT)

(1) Alle Berstprüfungen sind in Übereinstimmung mit dem Anhang TP Teil SBT durchzuführen.

(2) Die Anforderungen an die (langsame) Berstfestigkeit der Grundgesamtheit nach Kapitel CAT 3 sind in Abb. CAT-4 in Form der Linien konstanter Überlebenswahrscheinlichkeiten grafisch dargestellt.

Abb. 4 Arbeitsdiagramm zur grafischen Auswertung der gesamten Population (unbegrenzte Stichprobengröße) für Prüfungen nach SBT

(3) Da die Eigenschaften der Grundgesamtheit nicht bekannt sind und nur durch Stichproben abgeschätzt werden können, muss die stichprobenabhängige "Straffunktion", wie in Anhang SAS beschrieben und im Anhang SPC dargestellt, hinzugefügt werden

(4) Zunächst ist eine Stichprobe von Prüfmustern in Übereinstimmung mit CAT 5 zusammenzustellen. Diese Stichprobe ist dann nach dem Verfahren der langsamen Berstprüfung gemäß dem Abschnitt SBT des Anhangs TP zu prüfen und graphisch oder rechnerisch gemäß Anhang SAS auszuwerten. Die Überlebenswahrscheinlichkeit der Stichprobe muss größer sein als die in Tab. FR angegebene Mindestüberlebenswahrscheinlichkeit SR_min bei maximalem Betriebsdruck (MSP gemäß CAT 3) unter Berücksichtigung der Stichprobengröße und einem einseitigen Vertrauensniveau von 95%.

(5) Wird die geforderte Überlebenswahrscheinlichkeit nicht erreicht, kann die Stichprobe durch weitere Prüfungen in Übereinstimmung mit CAT 5 beliebig vergrößert werden, um das Vertrauen in die Prüfergebnisse zu erhöhen und damit die Abschläge für kleine Stichproben auf dem geforderten Konfidenzniveau zu reduzieren.

(6) Es müssen jedoch unabhängig von der Stichprobengröße immer alle Prüfergebnisse in die statistische Auswertung unmittelbar einfließen. Davon abgewichen und ein Prüfergebnis verworfen werden darf nur dann, wenn nachgewiesen werden kann, dass eine Fehlfunktion der Prüfanlage etc. vorliegt und der Frühausfall nicht auf das Prüfmuster zurückgeführt werden kann. Eine solche Wiederholung muss dokumentiert werden.

(7) Ist die Erfüllung der Anforderungen nach Tab. FR mit Abb. 1 und Abb. 4 nicht nachgewiesen, ist das Baumuster abzulehnen bzw. die Nutzung der Druckgefäße dieses Baumusters gleicher Historie oder älter zu beenden.

Bem. 5: Führt diese Bewertung zu unzureichenden Zuverlässigkeiten für eine Stichprobe von produktionsneuen Druckgefäßen, gibt es gegenwärtig keine Grundlage für einen Widerruf der Baumusterzulassung, sofern die anzuwendende Norm erfüllt ist. In diesem Fall sollte aber der Hersteller über den aufgedeckten Sicherheitsmangel informiert werden, um Verbesserungen in der Konstruktion vornehmen zu können.

CAT 7 Die Lastwechselprüfung bei Umgebungstemperatur (Anhang LCT)

(1) Alle Lastwechselprüfungen von lastwechselempfindlichen Baumustern sind in Übereinstimmung mit dem Anhang TP inkl. Teil LCT immer und unabhängig von der Anzahl der Lastwechsel bis zum Versagen durchzuführen.

(2) Wurde eine Stichprobe bereits im Rahmen der Bestimmung der Lastwechselfestigkeit bis 50.000 LW geprüft können die zugehörigen Lastwechselprüfungen, die nach 50.000 LW unterbrochen wurden, bis zum Versagen fortgesetzt werden.

(3) Ersatzweise kann auch eine neue vollumfängliche Stichprobe des gleichen Herstellungsloses bis Versagen geprüft werden. Nur die fehlende Anzahl von Prüfergebnissen durch neue Prüfungen bis zum Versagen zu ersetzen, ist nicht zulässig.

Bem. 6: Das ausschließliche Ersetzen der Prüfmuster in einer Stichprobe, die nicht bis 50.000 LW versagt haben, durch eine Zufallsstichprobe neuer Druckgefäße, würde die Datenbasis für den Neuzustand statistisch verzerrt darstellen und damit die spätere Beurteilung der Alterung/Degradation verzerren.

(4) Die Ergebnisse aller vollständig bis zum Versagen getesteten Stichproben, sind graphisch oder rechnerisch nach Anhang SAS auszuwerten.

(5) Die Anforderungen an die Ergebnisse der Lastwechselprüfung der Grundgesamtheit nach Kapitel CAT 3 sind in Abb. 5 in Form der Linien konstanter Überlebenswahrscheinlichkeiten grafisch dargestellt.

(6) Das Arbeitsdiagramm Abb. 5 fasst die Mittelwerte und Streuungen aus den Lastwechseleigenschaften zusammen und zeigt die maßgeblichen Linien konstanter Zuverlässigkeit ("Isoasfalen") für die Grundgesamtheit.

Abb. 5 Arbeitsdiagramm zur grafischen Auswertung der gesamten Population (unbegrenzte Stichprobengröße) für Prüfungen nach LCT

(7) Da die Eigenschaften der Grundgesamtheit nicht bekannt sind und nur mittels Stichprobenprüfungen abgeschätzt werden können, muss die stichprobenabhängige "Straffunktion", wie in Anhang SAS beschrieben, hinzugefügt werden

(8) Die Überlebenswahrscheinlichkeit der Stichprobe gemäß Anhang SAS muss größer sein als SR_min unter Berücksichtigung der Stichprobengröße und einem einseitigen Vertrauensniveau von 95%.

(9) Erfüllt die Stichprobe die in Tab. FR angegebene Mindestüberlebenswahrscheinlichkeit nicht, kann auch in diesem Fall nachgearbeitet und die Stichprobe beliebig vergrößert werden. Es müssen jedoch, wie zuvor schon in CAT 6 beschrieben, unabhängig von der Stichprobengröße immer alle Prüfergebnisse in die statistische Auswertung unmittelbar einfließen, es sei denn, es kann nachgewiesen werden, dass ein Anlagenfehler etc. vorliegt und der Frühausfall nicht auf das Prüfmuster zurückgeführt werden kann. Jeder Ausschluss von Prüfergebnissen oder Wiederholung von Prüfungen muss dokumentiert werden.

(10) Ist die Erfüllung der Anforderungen nach Tab. FR mit Abb. 1 und Abb. 5 nicht nachgewiesen, ist das Baumuster abzulehnen bzw. die Nutzung der Druckgefäße dieses Baumusters gleicher Historie oder älter zu beenden (s.o. Bem. 5).

CAT 8 Klassifizierung der Lastwechselempfindlichkeit

(1) Gemäß Abb. 2 beginnt die Sicherheitsbewertung nach diesem Konzept der zusätzlichen Prüfungen CAT mit der Ermittlung der Lastwechselempfindlichkeit, um die effizienteste der Methode SBT oder LCT als zentrale Prüfung ("Schlüsselprüfung") festlegen zu können.

(2) Zur Ermittlung der Lastwechselempfindlichkeit ist eine Stichprobe von Druckgefäßen in Übereinstimmung mit CAT 5 zusammenzustellen. Diese ist dann der Lastwechselprüfung bei Umgebungstemperatur nach dem Anhang TP Teil LCT zu unterziehen,

(3) Hierbei darf die erstmalige Lastwechselprüfung jedes Prüfmusters nach 50.000 LW unterbrochen werden. Die Bedingungen für einen endgültigen Abbruch der Lastwechselprüfungen oder einer Weiterführung bis zum Versagen der gesamten Stichprobe richtet sich gemäß Abb. 2 nach dem Ergebnis der Lastwechselempfindlichkeitsbeurteilung wie folgt.

(4) Das Baumuster wird als lastwechsel-unempfindlich (non-cyfas) eingestuft, wenn aus einer Stichprobe von wenigstens 5 Prüfmustern keines innerhalb von 50.000 Lastwechseln versagt. Sollte ein Prüfmuster der Stichprobe versagen, wird das Baumuster als lastwechselempfindlich (cyfas) bezeichnet.

Bem. 7: Im Fall metallischer Liner ist in der Regel von einem lastwechselempfindlichen (cyfas) Baumuster auszugehen; im Fall von Carbonfaser mit Kunststoffliner dagegen von lastwechselunempfindlichem (non-cyfas) Verhalten.

(5) Die Lastwechselempfindlichkeit kann vom Alterungszustand der Druckgefäße eines Baumusters abhängen. Entsprechend ist diese Einstufung auf das jeweils der Stichprobe zugrundeliegende Alter und die zugehörige Belastungshistorie beschränkt.

Die Einstufung darf nicht unmittelbar auf andere Alters- oder Belastungszustände übertragen werden und muss grundsätzlich bei jeder Re-Evaluierung eines Baumusters wiederholt nachgeprüft werden.

Bem. 8: Im Fall von Linern aus Kunststoff muss darauf geachtet werden, dass es trotz formaler Lastwechselunempfindlichkeit im Neuzustand alterungs- und temperaturbedingt nach wenigen Jahren zu Undichtigkeit (Leck) in der Liner-Boss-Anbindung oder im Liner kommen kann.

(6) Ein Verzicht auf die wiederholte Beurteilung der Lastwechselempfindlichkeit ist in Abstimmung mit der zuständigen Behörde bei Erfüllung aller folgenden Bedingungen zulässig:

1. Bei dem Baumuster handelt es sich um eine Großflasche oder ein anderes Composite-Druckgefäß, das nur in kleinen Stückzahlen produziert wurde und fest verbaut wird.
2. Das Baumuster ist aufgrund seiner Werkstoffkombination und Bauweise und der vorliegenden Erfahrung mit vergleichbaren Baumustern/Varianten zweifelsfrei bzgl. cyfas oder non-cyfas klassifizierbar.
3. Es gibt keine Hinweise aus der Praxis, dass es zu Undichtigkeit oder zu anderen Versagensformen kommt als zu den in der ursprünglichen Klassifizierung als erstes Versagen beschriebenen.
4. Ersatzweise wird zusätzlich zur Schlüsselprüfung einer Stichprobe (s. CAT 8(1)) ein einzelnes Prüfmuster des Baumusters/der Variante nach 15 Jahren Betrieb auf Restfestigkeit mit der jeweils anderen Methode geprüft; d.h. mit LCT bis 50.000 LW im Fall der Klassifizierung "non-cyfas" bzw. mit SBT im Fall von "cyfas".

(7) Liegt eine abgeschlossene Klassifizierung eines vergleichbaren Baumusters/einer Variante des gleichen Herstellers vor, kann das Ergebnis dieser Klassifizierung im Einzelfall in Abstimmung mit der zuständigen Behörde für eine vergleichbare Stichprobe (Historie der Population) übernommen werden. Hierzu müssen die vorgenannten Punkte 6b), 6c) und 6d) entsprechend eingehalten sein.

CAT 9 Interpretation der Prüfergebnisse ( Anhang SAS)

(1) Im Rahmen des in Abb. 2 dargestellten Verfahrens CAT wird auf Basis entsprechender Stichprobenprüfungen ( LCT und/oder SBT) eine Abschätzung der Zuverlässigkeit von Composite-Druckgefäßen zu einem von der Vorgeschichte (Historie) abhängig definierten Zustand durchgeführt werden.

(2) Gibt es pro Art der Festigkeitsprüfung ( SBT oder LCT) Auswertungen von zwei oder idealerweise drei Stichproben unterschiedlichen Alters (z.B. neu, nach 15 und nach 30 Jahren Betrieb), kann fundiert abgeschätzt werden, wie stark ein Baumuster im Betrieb degradiert. Daraus lassen sich Hinweise ableiten, ob die Druckgefäße dieses Baumusters das gekennzeichnete Lebensende in einem sicheren Zustand erreichen werden.

(3) Das hier beschriebene Verfahren CAT erfüllt die Anforderungen an Prüfprogramme zur Bestimmung der Betriebsdauer gemäß Bem. 2 aus 6.2.2.1.1 der UN Modellvorschriften. CAT entspricht auch den neuen Definitionen und Anforderungen, die mit der 19. überarbeiteten Ausgabe der UN Modellvorschriften eingeführt wurden.

(4) Ist die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen gemäß CAT 3 (Zuverlässigkeit) nachgewiesen, kann nach 6.2.2.1 in Verbindung mit der Bemerkung in ADR/ RID/ IMDG-Code 6.2.2.7.4 die vorläufige Begrenzung der Betriebsdauer auf 15 Jahre aufgehoben bzw. verlängert werden. Die genehmigte Betriebslebensdauer darf werde die Auslegungslebensdauer überschreiten noch über den Zeitpunkt hinaus verlängert werden, für den auf Basis der Degradation der Zuverlässigkeit zu erwarten ist, dass Sicherheitsanforderungen (Zuverlässigkeit) aus CAT 3 nur mehr knapp/gerade nicht mehr erfüllt werden.

(5) Das Verfahren, nach dem diese vergleichende Beurteilung von Stichproben unterschiedlichen Alters erfolgen kann, ist derzeit als Stand von Wissenschaft und Technik (SWT) einzustufen. Damit ist es noch nicht unmittelbar in Form eines festgelegten Verfahrens im Sinne des Standes der Technik (ST) beschreibbar und sollte von der jeweils zuständigen Behörde zunächst auf wissenschaftlicher Ebene durchgeführt werden.

CAT 10 Klassifizierung des Leck-vor-Bruch-Verhaltens (LvB)

(1) Diese Klassifizierung zielt auf das Gestatten der Erfüllung reduzierter Anforderungen bzgl. der Zuverlässigkeit gegen erstes Versagen in Form von Leckage unter den in CAT 3 beschriebenen Voraussetzungen.

Bem. 9: In Fällen für die erwartet wird, dass ein Gasaustritt wahrscheinlich keine weiteren Konsequenzen nach sich zieht, bedeutet ein Leck einen Funktionsausfall, aber keinen Risiko-erhöhenden Beitrag und kann daher auch als Risiko-senkenden Aspekt betrachtet werden: In Fällen sicherer Leckage-bedingter Druckabfälle kann es im Nachgang des ersten Versagens nicht mehr zum Totalversagen kommen.

(2) Das Leck-vor-Bruch Kriterium (LvB; oder besser "Leck vor Bersten") gilt als erfüllt, wenn die folgenden Eigenschaften auf Basis der Überlebenswahrscheinlichkeit SR oder Fehlerrate FR nachgewiesen sind (siehe Anhang SAS):

1. Das Baumuster ist als lastwechselempfindlich gemäß CAT 8 klassifiziert.
2. In den Lastwechselprüfungen hat keines der Prüfmuster durch Bersten anstelle von Leckage versagt.
3. Es gibt auch keine Hinweise auf ein (Teil-)versagen des Faserverbundwerkstoffs vor oder während der Leckage in hydraulischen oder pneumatischen Lastwechselprüfungen.
4. Die Ergebnisse bezüglich der Überlebenswahrscheinlichkeit SR oder Fehlerrate FR (FR = 1- SR) aus der Prüfung gemäß CAT 6 (Berstfestigkeit) liegen für dieses Baumuster vor.
5. Zusätzlich liegen mindestens 3 Ergebnisse aus Berstprüfungen des Liners vor (vergl. "BT liner" in Abb. 3).
6. Auf Basis der Berstergebnisse für das Druckgefäß und für den Liner kann die Überlebenswahrscheinlichkeit der Composite-Armierung im Fall einer Leckage abgeschätzt werden mit ⁴:
   

   Eq. CAT-2

7. Ist der Wert SRcomp mindestens 99% und sind alle vorgenannten Bedingungen erfüllt, gilt LvB als nachgewiesen.

Bem. 10: Liegt der Wert der Überlebenswahrscheinlichkeit SR bzw. der Ausfallwahrscheinlichkeit FR (FR = 1- SR) aus der Prüfungen gemäß CAT 7 (Lastwechselfestigkeit LCT) für das Baumuster vor, kann ein Verhältnis der Fehlerrate FRLCT zur FRSBT aus den langsamen Berstprüfungen ( CAT 6) von mehr als 100 als weiteres Indiz für ein L-v-B-Verhalten gewertet werden:

CAT 11 Überwachung der Streuung in der Produktion ( Anhang SAS)

Die Produktionsüberwachung hat zwei Sicherheitsaspekte: Zum einen geht es um die Beurteilung der Herstellungslose im Hinblick auf Produktionsfehler (Übereinstimmung mit dem Baumuster), zum anderen geht es um die Überwachung der statistischen Abweichungen der Druckgefäßeigenschaften innerhalb eines definierten Produktionszeitraumes (Aussagekraft der Zuverlässigkeitswerte). Zeigen sich hier keine signifikanten Abweichungen, können ggf. Lebensdauerbeurteilungen früherer Produktionszeiträume verwendet werden. Dies reduziert den Prüfaufwand.

Bem. 11: Dies ist ein Aspekt zur Vereinfachung der Aufhebung von Lebenszeitbegrenzungen. Herstellungslose, die in Übereinstimmung mit CAT erstmalig beurteilt wurden, bilden die Basis für nachfolgende Festigkeitsbetrachtungen und Beurteilung der Degradation. Dies ist aufgrund der kurzen Produktionszeiträume eine nötige Voraussetzung. Nur in Ausnahmefällen ist mit der unveränderten Herstellung eines Baumusters von mehr als 10 Jahren zu rechnen. Daher wird meist die Produktion des Baumusters abgeschlossen sein, bevor z.B. die 15-Jahresfrist nach UN-Bemerkung 2 wirksam wird.

CAT 11.1 Herstellungslose

Zusätzliche Anforderungen für die Losprüfungen:

(1) Eins von tausend hergestellten Druckgefäßen, mindestens jedoch 5 pro Jahr, müssen zufällig aus der Produktion für weitere Prüfungen entnommen werden. Die Wahl der Prüfung hängt von der Klassifizierung gemäß CAT 8 ab, im Fall von lastwechselempfindlichen (cyfas) Baumustern ist LCT anzuwenden und im Fall von lastwechselunempfindlichen (non-cyfas) Baumustern ist SBT anzuwenden.

Bem. 12: Im Fall grenzwertiger L-v-B-Eigenschaften wird empfohlen, die erstmalige Klassifizierung der Lastwechselempfindlichkeit gemäß CAT 8 jährlich mit einer zusätzlichen, der Produktion zufällig entnommenen Stichprobe zu überprüfen, dienicht Inhalt der Losprüfungen sind.

(2) Jedes einzelne Prüfergebnis sollte größer sein als der Mittelwert der Stichprobe aus den erstmaligen Prüfungen minus dem zweifachen Wert des dort ermittelten Streuwertes:

Berstprüfung (s. Anhang SAS 3.1)

Eq. CAT-4

Lastwechselprüfung (s. Anhang SAS 3.1)

Eq. CAT-5

A) Werden diese Anforderungen von einem Prüfungsergebnis nicht erfüllt aber die zughörige Prüfung auf zufriedenstellende Weise durchgeführt, muss die Ursache hierfür identifiziert werden oder das Herstellungslos für den beabsichtigten Zweck unbrauchbar gemacht werden.

B) Ist der Grund für das Versagen identifiziert, ist eine weitere Stichprobe von drei Druckgefäßen in der gleichen Art zu prüfen wie das fehlerhafte Druckgefäß. Erfüllt jeder dieser Prüflinge die Anforderungen, kann das Herstellungslos freigegeben werden.

C) Ist der Grund für das Versagen identifiziert und erfüllen eins oder mehr von diesen drei Druckgefäßen nicht die zughörigen Gleichungen CAT-1 oder CAT-2, kann das gesamte Produktionslos in Bezug auf die statistische Auswertung wie ein neues Baumuster oder eine Baumustervariante gesondert behandelt werden. In diesem Fall kann die weitere Produktion keine Vorteile aus den vorangegangenen Sicherheitsbeurteilungen nutzen. Anderenfalls ist das Herstellungslos für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar zu machen.

CAT 11.2 Jahresproduktion

(1) Alle Prüfergebnisse aus den SBT- und LCT-Herstellungslos-Prüfungen, die innerhalb von 12 Monaten aus der Produktion gesammelt wurden, sollen statistisch analysiert und gemäß SAS bewertet werden. Das Ergebnis soll zeigen, dass jede innerhalb eines Jahres produzierte Population von Druckgefäßen, das gleiche minimale Niveau der Überlebenswahrscheinlichkeit zum Nutzungsbeginn (BoL - Beginning of Life) aufweist wie bei den erstmaligen Prüfungen.

(2) Liegen die Überlebenswahrscheinlichkeiten der jährlichen Prüfergebnisse unterhalb der Werte aus den erstmaligen Prüfungen nach SBT oder LCT, müssen weitere Maßnahmen getroffen werden.

D) Überprüfung der Signifikanz der Abweichung zwischen erstmaliger Stichprobe und Losprüfungsstichprobe (Parametertest in Übereinstimmung mit SAS 3.3). Zeigt die Stichprobe aus der Losprüfung signifikant größere Streuungen oder signifikant kleinere Mittelwerte, sind E) oder F) anzuwenden.

E) Entweder kann die Übereinstimmung mit dieser Anforderung durch eine Erhöhung der zufällig entnommenen Proben für weitere Werte der entsprechenden Jahresproduktion erreicht werden,

F) oder die Druckgefäße aus der entsprechenden Jahresproduktion müssen in Bezug auf die statistische Auswertung gesondert, wie ein neues Baumuster oder eine Baumustervariante, behandelt werden und es kann bei der Re-Evaluation der Druckgefäße kein Vorteil aus dem ersten Jahr der Produktion genutzt werden.

CAT 12 Bestimmung des Endes der sicheren Betriebsdauer

(1) Die Bestimmung des Endes der sicheren Betriebsdauer nach dieser GGR bzw. dem Konzept zusätzlicher Prüfungen (CAT) basiert auf der Bewertung von Stichproben verschiedenen Alters nach Abb. 2.

(2) Die vergleichenden Betrachtung dieser Bewertungen der Sicherheit unterschiedlicher Betriebsalter (z.B. neu, nach 7 und nach 14/15 Jahren) ist schematisch in Abb. 6 (aus [ 1]; engl. Fassung) dargestellt.

(3) Innerhalb des Zeitraums der bereits abgeprüften Alterszustände kann die Degradation der Überlebenswahrscheinlichkeit SR interpoliert werden. Darüber hinausgehend muss die Alterung auf Basis der vorliegenden Daten aus zwei, dann drei und später ggf. mehr Stichprobenprüfungen bis zum Ende der Auslegungslebensdauer extrapoliert werden.

(4) Die Inter- wie auch die Extrapolation erfolgt nach [ 1] am besten durch die getrennte Betrachtung der beiden Stichprobeneigenschaften "Mittelwert" und "Streuung". Die Kombination beider Werte für jede betrachtete Betriebslebensdauer ergibt dann die gesuchte Abschätzung des Verlaufs der Überlebenswahrscheinlichkeit SR, wie er in Abb. 6 dargestellt ist.

Bem. 13: Damit ist das Verfahren für die Festlegung der sicheren Betriebsdauer/Restlebensdauer geeignet. Entsprechend kann es auch für die Festlegung von auf die Lebensdauer abgestimmten Fristen für die wiederkehrende Prüfung herangezogen werden. Letzteres ist insbesondere bei Prüffristen von mehr als 5 Jahren von Bedeutung.

Abb. 6 Prinzip der Degradation der Überlebenswahrscheinlichkeit und deren Extrapolation auf Basis des Vergleiches von drei Stichprobenprüfungen pro Festigkeitsmerkmal (aus [ 1])

(5) Das Ende des sicheren Betriebes ist für eine Population von Druckgefäßen zu dem Zeitpunkt erreicht, zu dem die anhand für diese Population repräsentativer Stichproben ermittelter Verlauf der Überlebenswahrscheinlichkeit nicht mehr über dem gemäß CAT 2 geforderte Mindestwert liegt.

(6) Die Weiterverwendung gemäß ADR/ RID/ IMDG-Code 6.2.2.1.1 und 6.2.2.1.2 Bem. 2 darf weder über die zugelassene Auslegungslebensdauer hinaus genehmigt werden, noch über das Ende des sicheren Betriebes hinaus,

(7) Die sichere Betriebslebensdauer ist im Gegensatz zur zugelassenen Auslegungslebensdauer immer begrenzt.

(8) Die nach dieser GGR durchgeführte Bestimmung der sicheren Betriebslebensdauer kann auf alle Teile einer Population einer Baumuster-Variante angewendet werden, für die Nachfolgendes erfüllt ist:

12(8) a. Die Überwachung der Produktion nach CAT 11 ist gewährleistet und alle Ergebnisse belegen die Übertragbarkeit der ermittelten Eigenschaften auf alle relevanten Teile der Produktion bzw. Population.

12(8) b. Es ist sichergestellt, dass die Eigenschaften aller für die Überwachung der Alterung nach CAT 12 (1) bis (6) erforderlichen Stichproben von allen nach CAT 5 einbezogenen Eigentümern/ Betreibern gemeinsam und lückenlos erarbeitet und beachtet werden.

Literatur
deutschsprachig

Alle BAM-Dokumente und ihre evtl. überarbeiteten Versionen sind veröffentlicht unter: https://www.tes.bam.de/de/ regelwerke/amtlichemitteilungen/index.htm

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Verfahren zur Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen mit besonderem Fokus auf die statistische Auswertung der Prüfergebnisse

für die Bestimmung der momentanen Überlebenswahrscheinlichkeit und der sicheren Betriebslebensdauer von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen

TP 1 Einführung

Nachfolgend sind Konkretisierungen von Freiräumen ausgeführt, die in mandatierten Normen zur Berstprüfung und zur Lastwechselprüfung bei Umgebungstemperatur gegeben sind.

Diese Konkretisierungen sind anzuwenden, wenn die Prüfergebnisse der statistischen Bewertung einer Stichprobe von Bau- bzw. Prüfmustern dienen sollen.

TP 2 Allgemeine Anforderungen

Datenaufzeichnung

TP 2.1 Folgende Daten zur Identifikation und Beschreibung jeden Prüfmusters sind zu protokollieren:

1. Name desjenigen, der das Prüfmuster identifiziert; Datum der Identifikation des Prüfmusters
2. Baumusterzulassungsnummer und die Stelle, die die Zulassung erteilt hat;
3. Hersteller der Druckbehälter (Adresse) und Hersteller ID;
4. Behältertyp;
5. Betriebsdruck (PW), Prüfdruck (PH); bei Zulassung für ein bestimmtes Gas auch den MSP (MAWP);
6. Faser- und Linerwerkstoff;
7. Einmalige Identifikationsnummer jedes Prüfmusters;
8. Herstellungsdatum oder Losnummer jedes Baumusters;
9. Angaben zu einer evtl. künstlichen Alterung/Vorkonditionierung jedes Prüfmusters;
10. Angaben zur Verwendung jedes Prüfmusters, sofern bekannt (Gaseart, Zahl der Füllzyklen etc.; Einsatzbedingung (z.B. Land der Nutzung).

SBT Die langsame Berstprüfung

SBT 1 Datenaufzeichnung

SBT 1.1 Folgenden Parameter müssen während jeder Prüfung überwacht und kontinuierlich aufgezeichnet werden:

1. hydraulischer Druck im Prüfmuster ⁵; mindestens eine Messung pro Sekunde;

SBT 1.2 Folgende Daten zur Beschreibung jeden Prüfungsablaufes sind zu protokollieren:

2. Name des Prüfers und Datum der aktuellen Prüfung
3. Prüfanlage (Ort, Bezeichnung), Prüforganisation (TPED-ID ⁶⁾
4. Temperatur der Testumgebung oder Probenoberfläche zu Beginn und am Ende jedes Tests;
5. Relative Luftfeuchtigkeit in der Prüfkammer; mindestens zu Beginn der Prüfung;
6. Verwendetes Prüfmedium;
7. Verwendeter Druckaufnehmer inkl. Genauigkeitsklasse und weiterer Druckmesstechnik;
8. Informationen über Druckerzeugung (Bezeichnung des Druckerzeugers, Druckrate, Anzahl der Schritte, etc. soweit zutreffend);
9. Besondere Auffälligkeiten vor, während und nach der Prüfung in Bezug auf Probe, Prüf- und Messgeräte etc.;
10. Spitzendruck, Zeit bis zum Versagen und Versagensart (Bersten oder Leck)

SBT 2 Durchführung der Berstprüfung

SBT meint eine Druckrate p ≤ 20% PH/h

Allen Prüfungen muss eine Stichprobengröße von mindestens 5 Prüfmustern je Bauart gleicher Alters- und Betriebshistorie zu Grunde liegen, wenn nichts anderes von der zuständigen Behörde festgelegt oder im Verfahren SBT angegeben ist.

Die Prüfprozedur ist auf alle Prüfmuster einer Stichprobe mit dem geforderten Umfang identisch anzuwenden. Während jeder Prüfung müssen die folgenden Bedingungen eingehalten werden:

SBT 2.1 Neue Prüfmuster dürfen im Nachgang zum Autofrettageprozess bzw. zur erstmaligen Prüfung keinen Innendruck erfahren haben, der höher ist als 20% des Prüfdrucks.

SBT 2.2 Die Temperatur in der Prüfkammer, des Prüfmediums und der Prüfmusteroberfläche liegt zwischen 18°C und 28°C;

SBT 2.3 Jedes Prüfmuster muss vollständig befüllt und entlüftet sein ⁷;

SBT 2.4 Die Prüfmuster sind, wie in Abb. SBT dargestellt, mit einer kontinuierlichen Druckrate p^· = Δp/Δt = 20% des Prüfdruckes (PH) pro Stunde bis zum Bersten zu belasten (s. [ 1]).

Die Druckregelung erfolgt auf Basis einer laufenden Aufzeichnung.

Es können auch kleinere Druckanstiegsraten verwendet werden. Hierzu muss aber sichergestellt sein, dass alle nachfolgenden Prüfungen, auch die an gealterten Prüfmustern Jahre später, eine gleiche Druck-Zeit-Kurve erfahren. ⁸

SBT 2.5 Der SOLL-Ausgangspunkt für den kontinuierlich langsamen Druckanstieg mit p^· ist 0 MPa. Praktisch wird ein IST-Anfangsdruck bis zu 5% PH als akzeptabel angesehen.

SBT 2.6 Im Fall eines besonders langsamen Druckanstiegs mit einer Druckrate p^· = Δp/Δt ≤ 2 % PH kann der SOLL-Startpunkt für den langsamen Druckanstieg alternativ auf den Prüfdruck PH verschoben werden.

SBT 2.7 Druckschwankungen sind während einer Anfangsstabilisierungszeit der Druckregelung bis zu einem maximalen Druck von 20% des Prüfdruckes PH akzeptabel. Oberhalb dieses Wertes muss bis zum ersten Teilversagen für die Druckabweichungen von der Soll-Druckrate gelten:

(Vergl. grünes Band in Abb. SBT)

Δ_Pd≤ 1,0 %PH

Abb. SBT: Das Toleranzband des IST-Druckes gegenüber der idealen Soll-Druckkurve (vergl. [ 1])

Diese Bedingung gewährleistet Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Testergebnisse. Beispiele für die maximalen Abweichungen sind in Tab. SBT zusammengestellt.

Tab. SBT: Zulässige Abweichung vom idealen Solldruck

SBT 2.8 Eine Undichtigkeit im Anschlussgewinde während der Berstprüfung zählt nicht als Versagen. Der Test kann nach dem Wiederabdichten im Falle der Unterbrechung der Prüfung unter 20% vom Prüfdruck bei neuwertigen Prüfmustern oder unter 2/3 vom Prüfdruck (bzw. PW bei Druckgasen) bei verwendeten Prüfmustern fortgesetzt werden. ⁹

SBT 2.9 Ist ein kontinuierlicher Anstieg des Druckes wie oben dargestellt nicht möglich, Ist eine schrittweise Druckerhöhung nach [ 1] in Absprache mit der zuständigen Behörde möglich.

LCT Hydraulische Lastwechselprüfung bei Umgebungstemperatur

LCT 1 Datenaufzeichnung

LCT 1.1 Folgende Parameter müssen während jeder Prüfung überwacht und kontinuierlich aufgezeichnet werden:

1. Druck-Zeitverlauf am Prüfmuster (Druckmessung ¹⁰); die Messfrequenz muss geeignet sein, die Maximal- und Minimalwerte zu erfassen. Diese Werte müssen entweder vollständig aufgezeichnet werden oder deren Streuung bzgl. beider Sollwerte online statistisch ausgewertet und abgelegt werden oder als Rain-Flow-Klassierung abgelegt werden;
2. Temperatur-Zeitverlauf an der Oberfläche des Prüfmusters und vom Druckmedium ¹¹
3. Kolbenhub bzw. das Volumen des Mediums, das während jedes Druckzyklusses nachgedrückt wird, ist soweit technisch möglich aufzuzeichnen;

LCT 1.2 Folgende Daten zur Beschreibung jeden Prüfungsablaufes sind zu protokollieren:

5. Name des Prüfers und Datum der aktuellen Prüfung
6. Prüfanlage (Ort, Bezeichnung), Prüforganisation (TPED-ID ¹²)
7. Anzahl der Druckzyklen bis zum Versagen, das unteres und oberes Soll-Druckniveau, und die Lastwechselgeschwindigkeit;
8. Luftfeuchtigkeit in der Prüfkammer;
9. Verwendetes Prüfmedium;
10. Eingesetzte Druckwandler, Temperatursensoren, die Ausrüstung in dieser Messkette; inkl. Genauigkeitsklasse (für die gesamte Messkette);
11. Beschreibung des Druckerzeugers und seiner Regelung
12. Besondere Auffälligkeiten vor, während und nach der Prüfung am Prüfmuster und der Prüfausrüstung;
13. Versagensart (Undichtigkeit, Bersten oder Unterbrechung ohne Versagen); inkl. fotographischer Dokumentation

LCT 2 Prüfprozedur - allgemeine Anforderungen

Für alle Lastwechselprüfungen gilt einheitlich:

LCT 2.1 Das Prüfmuster wird vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt, an die Druckleitung der Prüfanlage angeschlossen, entlüftet und dann bis zur Leckage wie nachfolgend beschrieben einer hydraulischen Schwelllast unterworfen.

LCT 2.2 Die Prüfung muss bei Umgebungstemperatur zwischen +18°C und +28°C durchgeführt werden.

LCT 2.3 Das Druckmedium darf während der Prüfung +40°C nicht überschreiten. Hierzu ist die Medientemperatur im Prüfmusteradapter oder ersatzweise die Oberflächentemperatur des Bosses zu messen.

LCT 2.4 Bei jedem Lastwechselzyklus (vergl. Abb. LCT) darf das obere Druckniveau ¹³ nicht geringer sein als der Prüfdruck.

Wenn das Prüfmuster nur für ein dezidiertes Gas zugelassen werden soll, kann ein reduziertes Druckniveau gewählt werden. Dabei muss mindestens der maximale Betriebsdruck MSP erreicht werden: Das zu wählende Druckniveau resultiert ausgehend bei Befüllung eines Druckbehälters von der Temperatur von 15 °C bis auf die sich maximal einstellende Temperatur, jedoch nicht weniger als 65°C.

Abb. LCT: Bereich des oberen und unteren Druckniveaus sowie möglicher Druckverläufe (Trapez; vergl. [ 1])

LCT 2.5 Wie in Abb. LCT dargestellt, darf während jedes Druckzyklus das untere Druckniveau nicht überschritten werden. Das untere Druckniveau richtet sich nach der angewendeten Baumusterprüfnorm. Wenn die Norm nichts angibt, sind 10% des nominellen Prüfdrucks aber nicht mehr als 20 bar ¹⁴ für das untere Druckniveau anzuwenden.

LCT 2.6 Ungeachtet der Form der Druckkurve dürfen die in den Punkten LCT 2.4 und 2.5 angegeben Werte das oberes und das untere Solldruckniveau nicht unter- bzw. überschreiten.

Abweichend hiervon können abweichende Druckwerte zwischen dem unteren und oberen Druckniveau akzeptiert werden, wenn nachgewiesen wird, dass Abweichungen von den Vorgaben bei nicht mehr als 5% der Druckzyklen aufgetreten sind.

LCT 2.7 Die Lastwechselgeschwindigkeit darf nicht höher als 5 Zyklen pro Minute sein. Lastwechselfrequenzen bis zu 15 Zyklen pro Minute sind zulässig, wenn dargestellt ist, dass die geforderten Drücke im Inneren des Behälters wirksam auftreten.

In Fällen von Behältern mit zwei Anschlussgewinden kann dies durch Messen des Druckes gegenüber dem Druckanschluss am Prüfmusters erreicht werden. Im Falle von Behältern mit nur einem Anschlussgewinde kann der Einfluss der Frequenz der Lastwechsel durch Erfassen der Oberflächendehnung, des Zyklusvolumens des Druckmediums oder ähnliches kontrolliert werden.

Voraussetzung dafür ist, dass die Temperatur am Prüfmuster während dieses Nachweises konstant gehalten werden kann. Ist der Nachweis für andere Baumuster mit vergleichbarem Hubvolumen und sonst gleichen Prüfparametern erfüllt, kann dieser herangezogen sein.

LCT 2.8 Prüfungen müssen bis zum Versagen der Prüfmuster durchgeführt werden. Wenn das Prüfmuster nach 50.000 Lastwechseln keine Anzeichen von Versagen aufzeigt und das Baumuster (noch) nicht als lastwechselempfindlich (cyfas) bewertet ist, können Prüfungen nach diesen 50.000 Lastwechseln beendet/unterbrochen werden.

LCT 2.9 Wurde eine Prüfreihe nach 50.000 LW ohne Versagen beendet gilt:

Stellt sich im Nachgang zu abgebrochenen Prüfungen heraus, dass die Einschätzung als nicht-lastwechselempfindliches Baumuster nicht durch die Eigenschaft aller Einzelprüfungen bestätigt werden kann, muss die Prüfung an den bereits teilgeprüften Prüfmustern oder an weiteren Prüfmustern unabhängig von der Lastwechselzahl bis zum Versagen fortgesetzt werden.

LCT 2.10 Leckagen am Anschlussgewinde werden nicht als Versagen betrachtet. Nach dem Wiederabdichten muss die Prüfung fortgesetzt werden.

LCT 2.11 Wenn eine Prüfung nicht zum Versagen geführt hat, ist das Prüfmuster vom Eigentümer unter der Aufsicht des Prüfers unbrauchbar zu machen. Ausgenommen hiervon sind nur Prüfmuster, die unmittelbar danach zerstörend geprüft werden. In diesem Falle muss die Vorbehandlung berücksichtigt werden, um zu überprüfen, ob dieses Prüfmuster die Anforderungen an die Definition der Stichprobe in der statistischen Auswertung erfüllt.

Wenn nicht besondere Verfahren oder Vorschriften insbesondere von der jeweiligen zuständigen Behörde verlangt werden, ist jedes Prüfverfahren mit einer Stichprobe von mindestens 5 Behältern durchzuführen. Dabei müssen die Behälter von jeder Stichprobe das gleiche Alter und vergleichbare Betriebshistorie haben.

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des Konzepts ergänzender Prüfungen für die Bestimmung der Überlebenswahrscheinlichkeit von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen (CAT, Abk. s. rechts).

SAS 1 Einführung

Das hier beschriebene Verfahren dient der statistischen Bewertung von Berst- und Lastwechselversuchen, für die Beurteilung innerhalb des "Konzepts ergänzender Prüfungen" (CAT). Ziel ist die Berücksichtigung von Mittelwert und Streuung sowie der Unsicherheiten aufgrund eines begrenzten Stichprobenumfangs im Rahmen der Sicherheitsbeurteilung.

Grundlage für dieses Verfahren sind die Prüfergebnisse von Stichproben, der langsamen Berstprüfung (Slow Burst Tests, SBT) gemäß CAT 6 und der Lastwechselprüfung (Load Cycle Test, LCT) gemäß CAT 7. Das Verfahren beinhaltet die Berechnung von Mittelwert und Streuung. Diese Stichprobeneigenschaften werden mit den geforderten Mindestwerten für die Überlebenswahrscheinlichkeit (survival rate) SR_min aus CAT 3 verglichen. Die dort definierte minimale Überlebenswahrscheinlichkeit gilt für die gesamte Betriebsdauer bis zum Lebensende (end of life, EoL). Druckgefäße aus Faserverbundwerkstoffen (Composite-Druckgefäße) müssen am Lebensbeginn (beginning of life, BoL) bzw. während des Betriebs (mid of life, MoL) ausreichende Sicherheitsreserven aufweisen, da ihre Festigkeitseigenschaften über die Lebensdauer degradieren können.

Sicherheitsbewertungen auf Grundlage limitierter Stichprobengröße beinhalten immer eine Unsicherheit bezogen auf die tatsächlichen Eigenschaften des geprüften Baumusters. Diese Unsicherheit ist stark abhängig von der Anzahl der geprüften Druckgefäße und kann durch Vergrößerung des Stichprobenumfangs verringert werden. Das folgende Verfahren berücksichtigt die Stichprobengröße durch die Einführung eines definierten Vertrauensbereiches.

Die empfohlene Stichprobengröße für die Sicherheitsbeurteilung beträgt 5 gemäß CAT 5. Das Verfahren deckt davon abweichende Stichprobengrößen ab. Eine größere Stichprobe reduziert die statistische Unsicherheit und führt somit zu einer Reduzierung der Anforderungen an die Stichprobeneigenschaften zur Überschreitung der geforderten Mindest-Überlebenswahrscheinlichkeit.

SAS 2 Anwendungsbereich

Dieser Anhang SAS "Statistische Bewertung der Prüfergebnisse von Stichproben" ist Bestandteil des UN-Betriebslebensdauer-Prüfprogramms für Composite-Druckgefäße und hat den gleichen, auf in Großserien hergestellte Composite-Druckgefäße beschränkten Anwendungsbereich.

Baumuster, die aufgrund ihrer geringen produzierten Stückzahlen durch Stichprobenprüfungen nicht hinlänglich beurteilt werden können, müssen in Abstimmung mit der zuständigen Behörde mit anderen, gleichwertigen Verfahren untersucht und überwacht werden.

SAS 3 Statistische Bewertung von SBT und LCT

Die folgenden Abschnitte beschreiben eine Methode zur Quantifizierung der Überlebenswahrscheinlichkeit von Stichproben, die gemäß CAT 6 (Slow Burst Test) und/oder CAT 7 (Load Cycle Test) geprüft wurden. Grundlage dieser Methode ist die Ermittlung von Mittelwert und Streuung einer Stichprobe und eine anschließende grafische oder analytische Bewertung. Die resultierenden Eigenschaften einer Stichprobe sind mit den Mindestwerten für die Überlebenswahrscheinlichkeit SR_min (siehe CAT 3) je nach Art der durchgeführten Festigkeitsprüfung zu vergleichen.

Bem SAS-1: Die statistische Beschreibung und Beurteilung von Prüfergebnissen wurde an praktischen Beispielen in [ 1] bis [6] erarbeitet und angewendet.

Der Bezugsdruck für die Bewertung der Sicherheit ist der maximale Betriebsdruck MSP.

Er umfasst die Zulassung den allgemeinen Betrieb mit unterschiedlichen Gasen, dann entspricht MSP dem Prüfdruck PH. Bei Beschränkung der Baumusterzulassung auf ein bestimmtes Gas, ist der MSP definiert durch den entwickelten Gasdruck bei maximal erlaubter Betriebstemperatur (65 °C).

Bem. SAS-2: Die statistische Beschreibung und Beurteilung von Prüfergebnissen wurde an praktischen Beispielen in [ 1] bis [6] erarbeitet und angewendet.

Tab. SAS-1: Formelzeichen zur Berechnung der Stichprobenparameter für SBT und LCT

Tab. SAS-2: Berechnung der Stichprobenmittelwerte für SBT und LCT

SBT Langsame Berstprüfung / Slow Burst Test	LCT Lastwechselprüfung / Load Cycle Test
Berechnung des Stichproben-Mittelwerts

Tab. SAS-3: Berechnung der Stichprobenstreuung für SBT und LCT

SBT Langsame Berstprüfung / Slow Burst Test	LCT Lastwechselprüfung / Load Cycle Test
Berechnung der Stichproben-Streuung

SAS 4 Beurteilung der Überlebenswahrscheinlichkeit

Nach der Bestimmung der Stichprobeneigenschaften gemäß Tab. SAS-1 können diese in das entsprechende Arbeitsdiagramm der Anlage SPC übergetragen werden: Entweder in Abb. SPC-SBT5 und Abb. SPC-SBTn für Ergebnisse der langsamen Berstprüfung ( SBT) oder in Abb. SPC-LCT5 und Abb. SPC-SCTn für Ergebnisse der Lastwechselprüfung ( LCT). Jede Stichprobe wird, unabhängig von der Stichprobengröße, durch einen Punkt dargestellt.

Bem. SAS-2: Die Arbeitsdiagramme enthalten Linien konstanter Überlebenswahrscheinlichkeiten. Diese Linien erlauben eine Abschätzung der Überlebenswahrscheinlichkeit der untersuchten Population unter Berücksichtigung der bestehenden Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten werden durch ein statistisches Konfidenzniveau berücksichtigt und hängen direkt von der Stichprobengröße ab.

Die Mindest-Überlebenswahrscheinlichkeit SR_min nach CAT 3, wird durch eine Linie repräsentiert. SR_min muss jeweils einzeln für SBT und LCT gemäß CAT 3 bestimmt werden. Die Anforderungen an die Sicherheit einer Population können gemäß CAT als erfüllt gelten, wenn der Punkt einer Stichprobe sich oberhalb der Linie befindet, die für SR_min, Stichprobengröße und Konfidenzniveau maßgeblich ist.

Die Arbeitsdiagramme in Abb. SPC-SBT5 und Abb. SPC-LCT5 berücksichtigen bereits die Unsicherheiten einer begrenzten Stichprobengröße von n = 5. Liegt der Punkt einer entsprechenden Stichprobe oberhalb der zu SR_min gehörenden Linie, kann davon ausgegangen werden, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% die Überlebenswahrscheinlichkeit für das geprüfte Baumuster höher ist, als die geforderte Mindest-Überlebenswahrscheinlichkeit SR_min.

Bem. SAS-3: Ein höherer Stichprobenumfang reduziert im Allgemeinen aufgrund der geringeren statistischen Unsicherheit die nachzuweisenden Werte für Mittelwert und Streuung.

Sollte die Stichprobengröße von n = 5 abweichen, müssen die Ergebnisse dieser Stichprobe mit einem angepassten Arbeitsdiagramm überprüft werden (beispielsweise Abb. SPC-SBTn und Abb. SPC-LCTn) oder die Anforderungen, wie in Tabelle SAS-2 gezeigt, erfüllen. Werte für k_BT und k_LC für verschiedene Stichprobengrößen n können Tabelle SAS-3 und Tabelle SAS-4 entnommen werden.

Bem. SAS-4: Die Mindest-überlebenswahrscheinlichkeit SR_min nach CAT sowie daraus abgeleitete Arbeitsdiagramme und Tabellen, gelten für das Betriebsende (end of life, EoL). Druckgefäße zu Betriebsbeginn oder während des Betriebs müssen eine ausreichende Reserve bieten, um die zu erwartende Degradation während des Betriebes abzudecken.

Tab. SAS-4: Überprüfung der hinreichenden Überlebenswahrscheinlichkeiten

Tab. Sa S-5: Werte für kBT für Berstergebnisse verschiedener Stichprobengrößen

Tab. SAS-6: Werte für k_LC für verschiedene Stichprobengrößen

SAS 5 Vergleich von zwei Stichproben durch Parametertests

Der in Tab. SAS-7 und Tab. SAS-8 definierte Parametertest erlaubt einen überschlägigen Vergleich von Mittelwert und Streuung von 2 Stichproben mit einer statistischen Signifikanz von 95%. Das heißt, bei einem erfolgreichen Test sind mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 95% die wahren Werte der geprüften Population von Druckgefäße aus den beiden Stichproben unterschiedlich.

Die Stichprobengröße für den Vergleich der Mittelwerte sollte 5 Prüflinge nicht unterschreiten. Für einen sinnvollen Vergleich der Streuung wird eine Stichprobengröße von jeweils mindestens 10 Prüflingen empfohlen.

Tab. SAS-7: Parametertest für Mittelwert

SBT Langsame Berstprüfung / Slow Burst Test	LCT Lastwechselprüfung / Load Cycle Test
Prüfung auf Ähnlichkeit von zwei Stichproben
Mittelwert der Stichprobe 2 ist signifikant kleiner als der von Stichprobe 1, wenn:
Mit:	wenn:
Tm = 1.8	n1 + n2 ≤10
Tm = 1.7	n1 + n2 > 10
Tm = 1.6	n1 + n2 ≥ 25

Der Parametertest kann beispielsweise für den Vergleich von Stichproben aus zwei Herstellungslosen gemäß CAT 11 dienen. Stichprobe 1 beinhaltet in dem Fall die Ergebnisse aus den Eingangs-Losprüfungen und Stichprobe 2 ist eine nachfolgende Stichprobe z.B. aus den Prüfergebnissen einer Jahresproduktion.

Tab. SAS-8: Parametertest für Streuung

SAS 6 Ausreißertest für extreme Werte

Das folgende Prüfverfahren nach GRUBBS ( Tab. SAS-9) kann einzelne Ausreißer innerhalb einer Stichprobe von Berst- oder Lastwechselprüfergebnissen nachweisen. Die statistische Signifikanz dieses Tests liegt bei 95%. Das heißt, dass bei einem erfolgreichen Test, mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 95%, der nachgewiesene Wert ein Ausreißer ist.

Tab. SAS-9: Ausreißertest nach GRUBBS

Für die Anwendung des Tests wird der Differenzbetrag zwischen dem Maximum bzw. Minimum einer Stichprobe und ihrem Mittelwert gebildet und anschließend durch die Standardabweichung der Stichprobe geteilt. Ist das Ergebnis größer als der kritische Wert G, wird der entsprechende Wert als Ausreißer bezeichnet. Die kritischen Werte G sind in der folgenden Abb. SAS-1 dargestellt.

Abb. SAS-1: Kritische Werte für Grubbs' Ausreißertest (statistische Signifikanz von 95%)

Bem. SAS-5: Das hier beschriebene Verfahren kann nicht für alle Eventualitäten Vorgaben für die statistische Betrachtung enthalten. Eine weitere Hilfestellung bietet das Auswerte-Tool, das die BAM für die erweiterte Auswertung auf Antrag zur Verfügung stellt.

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des Konzepts ergänzender Prüfungen für die Bestimmung der Überlebenswahrscheinlichkeit von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen (CAT, Abk. s. rechts).

Die Basis für die Abbn. SPC-SBT ist die Abb. 4 des Hauptdokumentes; und die Abb. 5 ist die der Abbn. SPC-LCT

SPC-SBT5: Diagramm für die grafische Auswertung von Stichprobenprüfungen

SPC-LCT5: Arbeitsdiagramm für die grafische Auswertung von Stichprobenprüfungen

SPC-SBTn: Arbeitsdiagramm für die grafische Auswertung von Stichprobenprüfungen.

SPC-LCTn: Arbeitsdiagramm für die grafische Auswertung von Stichprobenprüfungen.

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1) In momentaner Ermangelung adäquater zerstörungsfreier Prüfverfahren.

2) Durch die Berücksichtigung des Konfidenzniveaus gibt es keine Mindeststichprobengröße. Ein Stichprobenumfang von 5 wird empfohlen, daher basieren die Arbeitsdiagramme auf einen Umfang von 5. Andere Stichprobengrößen können genutzt werden, benötigen aber eine gesonderte Berechnung.

3) So soll sichergestellt werden, dass die Prüfmuster über nachträgliche Zweifel an ihrer Repräsentanz für alle nach der wiederkehrenden Prüfung weiter betriebenen Verbunddruckgefäße dieses Designs erhaben sind.

4) Für p* sollte 130% MSP erwartet werden.

5) Der Druck ist möglichst nah am Prüfmuster zu messen

6) Sofern zutreffend

7) Verträglichkeit des Prüfmediums mit dem Linermaterial muss beachtet werden; die Temperatur des Prüfmediums muss annähernd der Prüftemperatur entsprechen, um eine Änderung des Drucks durch Temperaturveränderung zu vermeiden.

8) Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss die Solldruckkurve bei allen Prüfmustern und allen Prüfungen einer Bauart während seines gesamten Lebenszyklus identisch festgelegt werden. Diese ist bei der Baumusterzulassung auszuwählen und festzulegen. Diese Festlegung gilt obligatorisch für alle Prüfungen unabhängig von der beteiligten Prüfstelle.

9) Wird das Prüfmuster oberhalb dieser Grenzen einem erneuten Prüfbeginn ausgesetzt, ist nicht auszuschließen, dass die ermittelten Ergebnisse der Stichprobe beeinflusst werden.

10) Der Druck ist möglichst nah am Prüfmuster zu messen

11) Der Sensor für die Medientemperatur muss so nah wie möglich zum Druckanschluss/Ventilgewinde am Prüfmuster positioniert werden.

12) Sofern zutreffend

13) Betrag und das Auftreten des Unterschneidens oder Überschreitens der oberen und unteren Druckniveaus soll klein gehalten werden. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

14) Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss die Solldruckkurve bei allen Prüfmustern und allen Prüfungen einer Bauart während seines gesamten Lebenszyklus identisch festgelegt werden. Diese ist bei der Baumusterzulassung auszuwählen und festzulegen. Diese Festlegung gilt obligatorisch für alle Prüfungen unabhängig von der beteiligten Prüfstelle

ENDE