MATERIALUNTERSUCHUNGEN ZUR SCHADENSANALYSE AN EINEM EXPLODIERTEN UMLAUFKÜHLER - Carlo Tiebe, Astrid Zunkel, Ulrich Klein, Jörg Schlischka ...
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21.04.2021
MATERIALUNTERSUCHUNGEN ZUR
SCHADENSANALYSE AN EINEM
EXPLODIERTEN UMLAUFKÜHLER
Carlo Tiebe, Astrid Zunkel, Ulrich Klein,
Jörg Schlischka, Christian Klinger
www.bam.de
Gliederung 1. Schadensanalyse und Beispiele der BAM (Einleitung) 2. Gegenstand der Untersuchungen, Szenario 3. Informationen der Auftraggeber 4. Fragestellungen 5. Untersuchungen und deren Ergebnisse 6. Diskussion und Bewertung der Untersuchungsergebnisse 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 2
Schadensanalyse und Beispiele der BAM
• Schaden → Veränderungen an einem Produkt,
durch die eine oder mehrere vorhergesehen
Funktionen wesentlich beeinträchtigt oder
unmöglich gemacht werden [VDI 3822]
• Schadensanalyse dient der Erkenntnis von
Schadensursachen und der Schadensprävention
• Basis ist die VDI-Richtlinie VDI 3822,
Schadensanalyse - Grundlagen und Durchführung
einer Schadensanalyse, www.vdi.de/3822
C. Klinger, Failures of cranes due to wind
induced vibrations Engineering Failure Analysis
2014, 43, 198-220,
• BAM verfolgt hierfür einen interdisziplinären Ansatz https://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.201
3.12.007.
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Versagen eines Wärmeübertragers
Alle gezeigten Beispiele aus: D. Bettge, C. R. F. Azevedo, C. Klinger, Special Issue "A Tribute to A. Martens"
Engineering Failure Analysis 2014, 43, 1-1, https://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.04.006.
U. Klein, A. Zunkel, A. Eberle, Breakdown of heat exchangers due to erosion corrosion and fretting caused
by inappropriate operating conditions Engineering Failure Analysis 2014, 43, 271-280,
https://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.03.019.
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Ursachenanalysen nach einem Zugunfall C. Klinger, S. Bohraus, 1992 Northeim train crash - A root cause analysis Engineering Failure Analysis 2014, 43, 171-185, https://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2013.10.004. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 5
Untersuchungen an einem gesunkenen Frachter A. Zunkel, C. Tiebe, J. Schlischka, "Stolt Rotterdam" - The sinking of an acid freighter Engineering Failure Analysis 2014, 43, 221-231, https://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.03.002. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 6
Unser Beitrag zum Thema Wasserstoff T. Böllinghaus, M. Bauer Engineering Failure Analysis - Part of special issue: A Tribute to Prof. A. Martens, 2014, 43, 11-46, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.03.018. T. Böllinghaus, K. Holtappels, G. W. Mair, T. Grunewald, Engineering Failure Analysis - Part of special issue: A Tribute to Prof. A. Martens 2014, 43, 47-62, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.03.017. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 7
Unser Beitrag zum Thema Wasserstoff
Unser Beitrag zum Thema Wasserstoff, https://www.bam.de/_SharedDocs/DE/Downloads/wasserstoff-broschuere.pdf, 2020-06.
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2. Gegenstand der Untersuchungen,
Szenario
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Szenario Ein Umlaufkühler ist im Betrieb „explodiert“. 1. Umlaufkühler ist im Einsatz unterhalb eines Arbeitstisches explodiert 2. In Folge der Explosion trat Kühlflüssigkeit aus 3. zerborstene Hartschaumteile führten zu einem Personenschaden mit Verletzungen und einem Knalltrauma 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 10
3. Informationen der Auftraggeber
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21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 11Informationen der Auftraggeber
Bestandteile Umlaufkühler [nach 1
Bedienungsanleitung „Umlaufkühler“]
- Wärmeübertrager (1)
3
- Verdichter (2) 2
- Filter (3) 4
- Kapillarrohr (4)
- Ultraschallbad (US-Bad, 5)
- 2 Umwälzpumpen (6) 1
- Verflüssiger, Kühlschlange aus Kupfer (7)
- Kunststoffgehäuse: Polyurethan (8)
- Medium: Leitungswasser und destilliertes 5
6 7
Wasser im Verhältnis 1:1
- Flexible Kunststoffleitung zum US-Bad
8
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 124. Fragestellungen
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21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 13Fragestellungen und Schadenshypothesen 1. Funktionstest, Sicherungen und Kühlmittelkreislauf 2. Kühlmittelinnendruck / Leckage 3. Zündmöglichkeit ausgehend vom Reedschalter/Reedkontakt 4. Isolationsfehler 5. Reaktionsprodukte auf Kupferoberfläche 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 14
5. Untersuchungen und deren
Ergebnisse
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21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 15Ergebnisse Visuelle Untersuchung 1. Ansicht des Innenraumes nach Entfernen des oberen Gehäusedeckels 2. Elektrische Anschlüsse der Pumpen demontiert 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 16
Ergebnisse Visuelle Untersuchung 1. Blick auf die Kühlschlange und demontierte Pumpe 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 17
Funktionstest, Sicherungen, Kältemittelkreislauf
und Prüfung elektrischer Bauteile
• Sicherungen in der Buchse für das Netzkabel sind beide intakt
• akustisches Warnsignal und eine rote LED „alarm“ leuchtet
→ Alarm für „niedriger Füllstand“
• Füllstandsensor (geöffneter Reed-Schalter): 418 kΩ
• Temperaturanzeige ist OK (23 °C = Raumtemperatur)
• Test der Umwälzpumpen war nicht ohne Befüllung möglich
• Interner Kühlkreislauf funktioniert wie erwartet (System kühlt,
Kältemittel ist noch im System – keine Leckage)
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 18Visuelle Befunde
• Im Innern der Kühlschlange sind kaum
Verschmutzungen festzustellen, außen
existieren „blaugrüne“ Beläge.
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 19Durchgangsprüfung mit einem Digitalmultimeter Prüfung der elektrischen Verbindung des Erdleiters zwischen Gerätestecker und Gerätekomponenten wie Gehäuse, Kompressor, Kühlschlange Es ereignete sich bei der Messung von Übergangswiderständen an der Kühlschlange ein lautstarker Knall. Was ist die Ursache des Knalls? 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 20
Analyse von Aziden in der Kühlflüssigkeit Hypothese: Wenn Kühlflüssigkeiten mit Azid-haltigen Lösungen betrieben werden, dann bildet sich auf den exponierten Kupferoberflächen der schlagempfindliche Initialsprengstoff Kupferazid. Daher wird vermutet, dass im Kühlwasser eine azidhaltige Quelle vorhanden gewesen ist. z.B. Umlaufkühler wurde mit gelöstem Natriumazid (NaN3) betrieben, dann ist Natriumazid die Quelle für N3--Ionen. Natriumazid wird mit Gehalten bis zu 0,1 % gelöst in Wasser als Inhibitor gegen mikrobielles Wachstum eingesetzt. Fazit: Es war mangels Originalprobe des Mediums nicht möglich, die Ausgangssubstanzen z.B. Natrium-Azid chemisch nachzuweisen. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 21
Information zu Initialsprengstoffen
• Initialsprengstoffe sind • Azide N N N
Explosivstoffe
• Durch Funken, Flamme, Reibung
• Kupferazid, CAS-Nr. 14215-30-6
oder unter Schlag kommt es
äußerst schnell zu hoher • Darstellung durch Metathese
Umsetzungsrate und damit zur wasserlöslicher Cu2+-Ionen
Detonation und N3--Ionen →
Bildung stabilerer Salze
• Beispiele: Kupferazid, Bleiazid,
Iodstickstoff, Silberfulmiat • sehr explosionsgefährlich,
[1] Leiber C, Initialsprengstoffe, RD-09-00690 (2006) in Böckler F., Dill zu empfindlich für
technische Anwendungen
B., Dingerdissen U., Eisenbrand G., Faupel F., Fugmann B., Gamse T.,
Matissek R., Pohnert G., Sprenger G., RÖMPP [Online], Stuttgart, Georg
Thieme Verlag, [März 2021] https://roempp.thieme.de/lexicon/RD-09-
00690 | [2] https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Kupfer(II)-
azid&oldid=187699854 | [3] IUPAC, metatesis,
https://doi.org/10.1351/goldbook.M03878.
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 22Vergleichsversuche zur Synthese von Cu-Azid
Nachstellung der Bildung von Kupferazid an einer Kupferoberfläche wurde in
Wasser (1:1-Mischung aus VE-Wasser und Leitungswasser)
gelöstes Natriumazid verwendet
Natriumazid, NaN3, CAS Nr. 26628-22-8
Kupfer-Prüfkörper: 230 mm × 30 mm × 7 mm
Konditionierung der Oberfläche mit Schleifpapier der Körnung 220
Erwartete Reaktion von Kupfer und gelöstem Natriumazid (Metathese):
N
Cu2 + + 2 (23 ± 2) °C N Cu
N N N
N N
N
N
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 23Kupfer-Prüfkörper in 0,25 %-iger NaN3-Lösung zu Beginn der Auslagerung bei Raumtemperatur 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 24
Kupfer-Prüfkörper in 0,25 %-iger NaN3-Lösung 7 Tage nach Auslagerungsbeginn 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 25
Kupfer-Prüfkörper nach 20-tägiger Auslagerung 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 26
Mechanische Belastung des grünlichen Belags Ausgelagerter Kupfer-Prüfkörper bei mechanischer Belastung (Reibung und Druck) mit einer Drahtbürste → der grünliche Belag reagierte explosionsartig 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 27
Video zum Knallversuch 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 28
6. Diskussion und Bewertung der
Untersuchungsergebnisse
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21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 29Diskussion 1/2 Umsetzung eines wesentlichen Anteils des auf der Kupferkühlschlange befindlichen Stoffes durch eine schnelle chemische Reaktion → Bersten beim Unfall. Reste am getrockneten unteren Teil der Kühlschlange wurden bei den kleinen „Explosionen“ im Labor umgesetzt. Die Möglichkeit zur Kupferazid-Bildung mit 0,1 % bzw. 0,25 % Natriumazid in Wasser (Biozid) und der schnellen Umsetzung des Kupferazids wurde experimentell im BAM-Labor bestätigt. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 30
Diskussion 2/2 Kein Nachweis darüber, dass beim Unfallkühler genau diese Stoffe vorhanden gewesen sind. Es standen keine Originalrückstände für weitere Analysen zur Verfügung. Das Untersuchungsergebnis weist grundsätzlich die Plausibilität für Kupferazid als Ursache des stattgefundenen Schadensereignisses nach. Wenn Umlaufkühler/Umwälzthermostate/Kühlgeräte über freie Oberflächen aus Kuper verfügen, dann muss die Anwendung von Natriumazid als Biozid verhindert werden. 21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 31
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21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 32Schaden
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030 8104-1512 /makroskopische
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030 8104-3178
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Mehr Informationen auf: https://www.bam.de/_SharedDocs/DE/Downloads/
schadensanalyse-interdisziplinaere.html
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 33Einflussgrößen/Unsicherheitsbetrachtung
• Fehlende verwendete Kühlflüssigkeit
(Wasser/VE-Wasser und sonstige Additive)
• Kupferschlange (Reinheit, Oberflächenrauheit,…)
• Reaktionsprodukte auf Oberfläche der Kupferschlange unbekannt
• Stoffmenge der Reaktionsprodukte auf der Kupferoberfläche unbekannt
• Für alternative Mechanismen zur N3--Bildung: Polyurethan-Gehäuse und
dadurch mögliche Diffusion von N-haltigen Monomeren in Kühlflüssigkeit
oder entstand Wasserstoff (z. B. elektrolytisch)?
21.04.2021 Materialuntersuchungen zur Schadensanalyse an einem explodierten Umlaufkühler 34Sie können auch lesen
