Bis wann ist der sichere Weiterbetrieb von GFK-Behältern ohne Austausch sicher?

Behältern und Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Anlagenbau äußerst beliebt. Grund dafür ist die hohe Beständigkeit des Materials gegenüber einer Vielzahl aggressiver Medien. Bauteile aus GFK sind deshalb besonders geeignet für die Verwendung in der chemischen Industrie.

Im Laufe der Jahre können verschiedene Einflüsse die Betriebstauglichkeit jedoch beeinträchtigen. Denn die Bauteile werden ständig chemisch, thermisch und mechanisch belastet – was natürlich auf Dauer entsprechende Spuren hinterlässt. 200.000 Betriebsstunden – etwa 23 Jahre – wird als die rechnerische Lebensdauer von GFK-Behältern benannt. Gegebenenfalls kann aber auch danach ein sicherer Weiterbetrieb möglich sein.

GFK besitzt nur ein Fünftel der Dichte von Stahl, ist aber mechanisch hochbelastbar. Es besteht aus einem mehrlagigen, sehr festen Laminat mit niedrigem Gewicht. Ein weiterer Vorteil: Bei der Herstellung sind flexiblere Geometrien möglich als bei Bauteilen aus anderen Stoffen. Anlagenbetreiber profitieren nicht nur von den besonders hohen Standzeiten, sondern auch von den mechanischen Nennwerten des Werkstoffs, die hohe Lasteinleitungen sowie das Aufnehmen großer Rührwerkslasten ermöglichen. Bei diesen und anderen Eigenschaften schneiden Konstruktionen aus Stahl erkennbar schlechter ab.

Zustandsbewertung langlebiger GFK-Behälter und -Rohre

Für eine effektive Zustandsbewertung eines GFK-Behälters ist sowohl eine äußere als auch eine innere visuelle Prüfung notwendig. Dabei können sich verschiedene Schadensbilder zeigen, wie zum Beispiel Risse oder Verformungen – aber auch die so genannte osmotische Blasenbildung. Diese Veränderungen entstehen durch das Eindringen von Medium in das Laminat, wo es die Glasfasern freilegen und durch sich bildende Säuren oder Laugen auch die Substanz angreifen kann. Schreitet der Prozess voran, können sich die Glasfasern sogar vollständig auflösen und damit eine Destabilisierung der Behälter entstehen. Wichtig ist, dass Betreiber von Industrieanlage mit solch eingehenden Prüfungen eine verlässliche Entscheidungsgrundlage erhalten.

Braucht es noch klarere, detailliertere Aussagen zum Zustand der Glasfasern im Werkstoff, ist der Einsatz eines Rasterelektronenmikroskops gekoppelt mit einem energiedispersivem Röntgenanalysator (REM-EDX) sinnvoll. Dafür wird nur sehr wenig Probenmaterial benötigt, sodass bei der Kernlochbohrung ein Durchmesser von 20 bis 30 mm genügt. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die durch die Probenentnahme entstandenen, sehr kleinen Löcher mit geringem Aufwand wieder verschließbar sind.

Fest steht, dass bei sachgemäßer Überprüfung ein Betrieb von GFK-Bauteilen auch nach der voraussichtlichen Lebensdauer möglich ist. Dienstleister können mittels Laboranalyse Empfehlungen über Weiterbetrieb, Austausch oder Sanierung geben.

Dieser Text basiert auf einem längeren Artikel in der Fachzeitschrift „CHEMIE TECHNIK“ vom März 2021.

 

Anlagensicherheit: Korrosion und Brandschutz in explosions- und feuergefährdeten Betriebsumgebungen

Korrosion unter der Isolierung – etwa durch eindringendes Wasser – ist unter anderem auch in der Petrochemie ein großes Problem. Die Korrosion unterhalb der Wärmedämmung tritt dabei oft erst nach einer gewissen Betriebszeit auf. Dieser „Angriff“ auf die Mediumrohre führt dann meist zu einer wachsenden Zahl an Leckagen und in Folge zur Durchfeuchtung einer Wärmedämmung aus Mineralfaser.

Die Anzahl notwendiger Reparaturen, um die vorhandenen Rahmenbedingungen eines stabilen Prozesses aufrechterhalten zu können, werden immer mehr und aufwändiger. Und nicht zu vergessen: Die wirtschaftlichen Folgen durch steigende Kosten für Prozess-Stillstände.

Eine andere Form der Wärmedämmung kann Abhilfe schaffen: Sie besteht aus geschlossenzelligem und hochadhäsivem Schaum, der keine Feuchtigkeit anzieht. Die Grenzschichten zwischen Schutzmantel (außen) und Mediumrohr-Oberfläche (innen) sind dabei kraftschlüssig verklebt. Zusammen mit dem vierfach, innen gefalzten Schutzmantel stellen solche Präventionsmaßnahmen die Diffusionsfestigkeit eines betrieblichen Rohrsystems sicher.

Brandschutz und Standards für Rohrsysteme

Eine weitere Herausforderung neben der Korrosion sind Maßnahmen und technische Lösungen für einen wirksamen Brandschutz von Rohrsystemen. Dies vor allem, weil es bis heute keine internationale Richtlinie zur Begutachtung und Prüfung solcher Rohrkonstruktionen gibt. Die Forderungen aus der Industrie nach einer Klassifizierung des Brandschutzes für „Verbundrohre" beziehungsweise für Rohrkonstruktionen wachsen mittlerweile europaweit, berichtet das Fachmagazin “Chemietechnik” in seiner Ausgabe vom März 2021.

Die Materialprüfanstalt (MPA) in Dresden hat sich inzwischen dieses Themas angenommen MPA und erstmalig eine Prüfmethode für isolierte und ummantelte Rohre auf Basis der Einheitstemperaturkurve in der EN 1363-2 entwickelt.

Bei den Konstruktionen der Prüfmuster handelte es sich um Mediumrohre mit einer Nennweite von DN 80, die mit einer ein-, zwei- beziehungsweise dreilagigen Schaumisolierung ausgestattet waren. Mehrlagige Isolierschichten waren durch eine Blechlage gegeneinander getrennt.

Bei den Tests zeigte sich, dass die außerhalb des Brandraumes liegende Schaumisolierung unverändert naturfarben war. Aber auch die durch Hitzeeinwirkung schwarz gefärbte und in ihrer Konsistenz veränderte Isolierung blieb mechanisch stabil. Dies reduziert in Anlagen ganz deutlich die Gefahr des Zusammenbruchs des Rohres und damit der Gefährdung von Personen im Umfeld.

Versuchsreihen für die Chemie-Industrie

Insbesondere Betreiber sensibler Produktionsanlagen, etwa aus dem Bereich der Chemie sowie der LNG-/Gas- und Ölverarbeitung, fordern höhere Sicherheitsstandards für Rohre zum Betrieb innerhalb ihrer explosions- und feuergefährdeten Anlagen. Dies führte zu einer zweiten Brandprüfung, dieses Mal durch das Bundesamt für Materialprüfung (BAM). Die Grundlage bildete diesmal die „hydrocarbon fire"-Temperaturkurve aus der EN 1363-2. Die Besonderheit dieser Kohlenwasserstoff-Befeuerung liegt im zeitlichen Verlauf der Temperatur: Der Ofeninnenraum wird in nur etwa einem Fünftel der Zeit im Vergleich zur natürlichen Verflammung auf 1.250° C erhitzt.

Der erheblich schnellere Temperaturanstieg im Rohr wirkt sich tatsächlich auf die Klassifizierung der einzelnen Rohraufbauten aus. Die Befürchtung allerdings, dass sich Einschränkungen aufgrund der extremen Temperaturbelastung des Rohres für die Verwendung in Prozessanlagen ergeben, bestätigte sich in dieser Versuchsanordnung nicht. Die Beschaffenheit, die Wärmefortleitung und die mechanische Stabilität zeigten sich unverändert im direkten Vergleich mit den Ergebnissen aus dem ersten Prüfablauf bei der MPA.

Derzeit gibt es noch keine Bestrebungen, eine Richtlinie zur Prüfung vollständiger Produkte aus Einzelkomponenten (Rohre) zu entwickeln, schreibt Autor Dr.-Ing. Thadeus Hoss (Jabitherm Rohrsysteme). Mit den beschriebenen Prüfaufbauten sei jedoch von den beiden öffentlichen Prüfinstituten eine praxisnahe Anordnung geschaffen worden, die recht eindeutige und aussagekräftige Ergebnisse zu Produktlösungen und deren Anwendung zulassen.

Dezentrale Füllstandüberwachung mit Digitaltechnik

Eine rein analoge Messung von flüssigen, gas- und dampfförmigen Medien wird immer mehr zu einer Technik, die den Anforderungen der heutigen Zeit nicht gerecht wird. Die digitalisierte Füllstandüberwachung bietet hingegen die Möglichkeit, Tankanlagen in Echtzeit zu überwachen – egal, wo diese gerade stehen. Dabei geht es um automatisierte Datenerfassung, Datenübermittlung sowie Datenvisualisierung und -analyse, was letztlich dazu dient Betriebskosten zu senken und die Abwicklung zwischen industriellen Verbrauchern und Anbietern zu optimieren.

Die Hardware zur Datenerfassung der Tanküberwachung des Herstellers besteht weiterhin aus bewährten Messgeräten für Differenzdruck und Durchfluss. Die angedockte mikroprozessorgesteuerte Digitaleinheit erfasst durch eine Differenzdruckmessung den Füllstand sowie den absoluten Betriebsdruck an stationären oder auf Transportfahrzeugen angebrachten (Druck-)Behältern.

Auch zusätzliche Funktionen zur Dichtebestimmung von Gasen und Flüssigkeiten im Tank, sowie Volumen- und Massemessungen für beliebige Behälterformen werden hierdurch möglich und können sogar per Fernwartung an- und abgeschaltet, also bedarfsgerecht eingesetzt werden. Die Datenübermittlung erfolgt dabei über Mobilfunk. Dieser ist normalerweise unabhängig vom Mobilfunkanbieter, was für eine nahezu vollständige, länderübergreifende Funkabdeckung sorgt.

Wirtschaftliche Vorteile durch digitale Füllstandüberwachung

Bei der Belieferung geografisch weit verteilter Abnehmer industrieller Gase und Flüssigkeiten sind insbesondere die Informationen zum Füllstand und das Verbrauchsverhalten ein entscheidendes Merkmal für eine optimierte Routenplanung der Lieferanten, schreiben Christian Brockschnieder (Product Manager Digital Solutions) und Matthias Gast (Sales Manager Sam Tank Management, Samson) in der Ausgabe Oktober 2020 der Fachzeitschrift „Chemie Technik“.

Auf diese Weise lässt sich beispielsweise auch ein Verbrauchstrend ablesen, der dem Anbieter den Tag der nächsten Befüllung anhand des historischen Entnahme-Schemas durch den Verbraucher genau vorhersagt. Zudem ist der Verbrauchstrend ein Indikator für die passende Tankgröße. Zeigt dieser die Notwendigkeit für kurze Betankungsintervalle, bietet es sich an, einen Tank neu zu dimensionieren, um die Betankungsintervalle und damit die zu fahrenden Kilometer zu reduzieren.

Ein weiterer großer Vorteil der digitalen, dezentralen Messtechnik ist, dass kontinuierlich aktualisiert wird und man somit umgehend auf ungeplante Ereignisse reagieren kann. So lassen sich etwa auch individuelle Alarme generieren, die anschlagen, sobald ein zuvor definierter Grenzwert erreicht wird. Damit können Lieferanten deutlich erhöhte Versorgungssicherheit garantieren und erzielen unter Umständen so einen weiteren wirtschaftlichen Vorteil.

 

Sensoren der Zukunft: Quanten-Technologie in der industriellen Fertigung

Mit Quantensystemen können physikalische Größen wie Temperatur, Geschwindigkeit, elektrische und magnetische Felder oder Positionen mit einer wesentlich höheren Präzision gemessen werden als mit anderen bisher existierenden Sensoren. Ein für eine Serienfertigung nutzbarer Quantenoptik-Sensor wäre daher schon ein echter Sprung in die Zukunft der Fertigung einer ganzen Reihe von Produkten. „Quanten-Technologie ist die nächste Stufe für die Sensorik, denn sie verschiebt bisher fest verankerte technische Grenzen", bestätigt denn auch Dr. Robert Bauer, Vorstandsvorsitzender von Sick, dem süddeutschen Sensoren-Spezialisten.

Bisherige Sensoren nutzen hauptsächlich die Methoden der klassischen Physik – und wenn dabei bislang keine spezifischen Signale mehr messbar waren, waren damit auch die Möglichkeiten ausgereizt. Nun lassen sich mittels Quanteneffekten aus dem Signalrauschen heraus zusätzliche Details wahrnehmbar machen. Man ist versucht zu sagen, dass mit dieser neuen Genauigkeit ein „Quantensprung“ in der Entwicklung erreicht wird. Tatsächlich können Quantensensoren im Vergleich zu herkömmlicher Technik bei Magnet- oder Gravitationsfeldmessungen bis zu einer Million Mal genauer messen. Solche hochpräzisen Messungen und Erkenntnisse können zu völlig neuen Anwendungen in der Industrie führen.

Blitzschnelle Messung – vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

Die Quantensensoren sollen die ultraschnelle Messung der Bewegung und Größenverteilung von Partikeln ermöglichen. Doch wie funktionieren sie? Mit Laserlicht wird ein Polarisations-Superpositionsmuster erzeugt das bereits bekannt ist. Die verschiedenen Polarisationszustände sind überlagert, was ermöglicht -– im Vergleich zu der Messung mit einem einfachen Laserstrahl – gleich drei Informationen über ein Partikel im Messstrahl auszulesen. Und das alles simultan. Es handelt sich dabei um die Größe des Partikels, seine Geschwindigkeit sowie die Richtung der Bewegung.

Dank Digitalisierung und Algorithmen entsteht „ein deutlich größeres Leistungsversprechen hinsichtlich der Prozess-Steuerung in der Industrie zu ermöglichen“, so die Entwickler in der Ausgabe Februar 2021 der Fachzeitung „Produktion“. Der Quantensensor soll dann in der Lage sein, Partikel zu vermessen, die ein fünftel Mikrometer klein sind. Damit können Partikelkontaminations-Quellen innerhalb des Herstellungsprozesses analysiert werden, was wiederum Produktions-Stillstände vermeiden hilft. Außerdem ist eine kontinuierliche Echtzeitmessung auch kleinster Partikel etwa in der Pulverherstellung möglich – wobei die Daten jederzeit online zur Qualitätssicherung abgerufen werden können.

Die Bandbreite reicht beim angeführten Beispiel Pulver von der Pharmaindustrie bis zur Zementherstellung und deutet nur knapp an, welche Bandbreite an möglichen Anwendungen im Raum stehen. Mit der Industrialisierung dieser Verfahren dürfte der Markt für Quanten-Sensorik zweifellos sehr schnell wachsen.

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