Druckprüfung, Dichtheitsprüfung und Autofrettage von COPVs: Sicherheit und strukturelle Integrität gewährleisten

Verbund-Druckbehälter (COPVs) stehen im Zentrum moderner Wasserstoff- und Raumfahrtanwendungen. Ob als Fahrzeugtank oder als Speicher in Raumfahrzeugen – sie vereinen leichte Verbundwerkstoffe mit hochfesten Linern, um extremen Drücken standzuhalten. Bevor diese Behälter jedoch sicher eingesetzt werden können, müssen sie strengen Prüfungen unterzogen werden – einschließlich der vorteilhaften Autofrettage von COPVs.

In diesem Beitrag beleuchten wir zwei zentrale Prozesse: die Druckprüfung und die Autofrettage von COPVs – und warum die Autofrettage immer mehr zu einem entscheidenden Schritt für langfristige Sicherheit und Performance wird.
Poppe + Potthoff Maschinenbau hat hierzu kürzlich eine Partnerschaft mit Maximator geschlossen. Zwei ausgewiesene Spezialisten für Druckprüfung bündeln damit ihre Kompetenzen. So können wir das langjährige Branchen-Know-how von Maximator nutzen, um modernste Systeme für Proof Pressure Tests, Druckhalteprüfungen und die Autofrettage von COPVs bereitzustellen.

Druckfestigkeitsprüfung – Nachweis der Belastbarkeit unter Druck

Die Druckfestigkeitsprüfung ist ein hydrostatischer Test, bei dem der COPV mit Wasser befüllt und auf etwa das 1,5-fache seines Nenndrucks beaufschlagt wird. Ziel ist es, die strukturelle Integrität des Behälters zu bestätigen, ohne bleibende Verformungen zu verursachen.

• Erkennt Schwachstellen in Material und Konstruktion
• Bestätigt die Einhaltung internationaler Normen (EC79, UN R134, ISO etc.)
• Gewährleistet Sicherheitsreserven vor dem Einsatz

Unsere modernen Prüfstände verfügen über automatisierte Kippkammern, eine präzise Datenerfassung und Fernüberwachung – so werden Druckfestigkeits- und Druckhalteprüfungen sicher und reproduzierbar durchgeführt.

Autofrettage – Verlängerung der Lebensdauer von COPVs

Während Druck- und Dichtheitsprüfungen die Sicherheit von heute bestätigen, bereitet die Autofrettage den Behälter auf die Belastungen von morgen vor.

Die Autofrettage ist ein kontrolliertes Überdruckverfahren, bei dem der metallische Liner plastisch verformt wird, während die Verbundlagen im elastischen Zustand verbleiben. Dadurch entstehen residuale Druckeigenspannungen, die die Ermüdungsfestigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungsrisse erheblich erhöhen.

Warum Autofrettage entscheidend ist:

• Erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung und Rissfortschritt
• Verringert das Risiko von Spannungsrissen – einem zentralen lebensdauerbegrenzenden Faktor bei COPVs
• Verlängert die Lebensdauer der Behälter in anspruchsvollen, zyklischen Druckbelastungen
• Bestätigt aktuelle NASA-Erkenntnisse: Ein besseres Verständnis der Spannungseffekte ist entscheidend für die langfristige Sicherheit (NASA COPV Research Article) (NASA COPV Artikel)

NASA-Erkenntnisse zur strukturellen Lebensdauer von COPVs

Gerade in der Luft- und Raumfahrt sind COPVs über Jahrzehnte zyklischer Belastung ausgesetzt. Eine zentrale Erkenntnis der NASA: Spannungsrisse und Liner-Risse sind maßgebliche lebensdauerbegrenzende Faktoren. Um diese Risiken zu minimieren, betont die NASA:

• Bessere Vorhersagemodelle für das Langzeitverhalten von Verbundwerkstoff und Liner entwickeln
• Verständnis der residualen Spannungen, deren Einfluss auf Ermüdung und Risswachstum
• Qualifikationsprozesse etablieren, die langfristige Risiken deutlich reduzieren

An diesem Punkt wird die Autofrettage entscheidend. Durch die plastische Verformung des metallischen Liners und die Erzeugung vorteilhafter residualer Druckeigenspannungen reduziert die Autofrettage direkt die von der NASA identifizierten Risiken. Sie trägt dazu bei, dass Risse entweder gar nicht entstehen – oder, falls doch, stabil bleiben und im Extremfall nur zu einer Leckage statt zu einem Bersten führen.

Damit schlägt die Autofrettage die Brücke zwischen dem Festigkeitsnachweis von heute und der strukturellen Zuverlässigkeit über Jahrzehnte hinweg – im Einklang mit den Erkenntnissen der NASA-Forschung zur Lebensdauerverlängerung von COPVs.

Autofrettage ist nicht nur eine Prüfung – sie ist ein Lebensdauer-Verlängerungsprozess, der COPVs sicherer, zuverlässiger und kosteneffizienter über ihre gesamte Einsatzzeit macht.

Fazit & Ausblick

Druckfestigkeitsprüfungen bestätigen die Festigkeit. Dichtheitsprüfungen sichern die Dichtigkeit. Autofrettage verlängert die Lebensdauer. Zusammen bilden diese Prozesse das Rückgrat einer sicheren COPV-Qualifikation und eines nachhaltigen Lebenszyklus-Managements.

Mit dem rasanten Wachstum von Wasserstoffmobilität und Raumfahrtanwendungen wird die Kombination moderner Prüfstände mit Prozessen wie der Autofrettage entscheidend sein, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von COPVs langfristig zu gewährleisten.

Poppe + Potthoff und Maximator – gebündelte Expertise für eine COPV-Druckprüfungen. – Johannes Montag, Managing Director at Poppe + Potthoff Maschinenbau GmbH

Auf Anfrage bieten wir auch Berstprüfstände für COPVs an – nach sorgfältiger Analyse und Sicherheitsbewertung, abgestimmt auf das jeweilige Behältervolumen. Prüfungen nur mit Wasser.